光学镜片材料特性

　　眼镜片的光学目的旨在通过配戴矫正镜片使屈光不正的眼睛恢复清晰视力，所以在选用镜片材料时需要考虑以下与镜片屈光作用密切相关的因素：

　　1、材料的几何特性：曲率半径、表面形状等;

　　2、材料的物理化学特性：折射率、阿贝数等。

　　镜片材料的研究发展主要是为了获取并控制这些相关因素，了解并掌握其特性，以使不断完善、发展镜片的光学矫正效果。

　　镜片材料的基本特性有：

　　1、光学性质，计算屈光作用和控制光学性能;

　　2、机械和热性质;

　　3、电性质材料;

　　4、化学性质通过外界所可能接触的化学物质了解材料的相应变化。

　　一、 光学性质：

　　光学性质是材料的基本性质，与镜片在日常生活中所见到的各种光学现象相符合，主要为光线在镜片表面的折射和反射、材料本身的吸收，以及散射和衍射现象。

　　(1)光线折射

　　通过镜片的光线会在镜片的前后表面发生折射或偏离现象，光线的偏离幅度由材料的折射率和入射光线在镜片表面的入射角度决定。

　　1)折射率：透明媒质的折射率是光线在真空中的速度c与在媒质中的速度v的比值，n=c/v。该比值没有单位并且总是大于1。

　　折射率反映媒质的折射能力，折射率越高，从空气进入该媒介的光束偏离得越多。从空气到折射率为n的透明媒质所发生的偏离或折射可以根据斯涅耳-笛卡尔定律(Snell-Descartes Law)进行计算，规定如下：折射光线与入射光线和法线位于同一平面入射角i和折射角r分别由法线与入射光线、折射光线构成。计算公式： sin i=n sin r

　　由于透明媒质的光速随着波长而变化，所以折射率的值总是参考某一特定波长表示：在欧洲和日本，参考波长为e线546.07nm(汞--绿光谱线)，但是在美国等其它国家则是d线587.56nm(氦--黄光谱线)。但这个区别并没有造成实际影响，因为它的区别仅仅反映在折射率值的第三位小数上。

　　目前市场所采用的镜片材料的折射率范围是从1.5--1.9。

　　2)色散系数：阿贝数

　　由光波引起的折射率变化会使白光根据不同的折射产生色散现象。事实上，波长越短，折射率越高，可见光的折射从光谱的红光区延伸到蓝光区。材料的色散能力可以由阿贝数描述，在欧洲、日本规定用e线，在美国等其他国家规定使用d线。

　　阿贝数与材料的色散力成反比，镜片材料规定的范围通常从30-60，数值越大即表示色散越少。一般而言，折射率越高，色散力越大，而阿贝数就越低。尽管所有镜片都存在色散，但在镜片中心，这个因素可以被忽略，只有在用高色散材料制造的镜片周边部，色散现象才易被察觉。在这种情况下，色散现象所表现的是离轴物体边缘带有彩色条纹。

　　(2)光线反射

　　光线在镜片表面产生折射的同时，也会产生反射现象。光线反射会影响镜片的清晰度，而且在镜片表面会产生干扰性反射光。通常，镜片材料的折射率越高，因反射而损失的光线就越多。当然，对于干扰性反射光可以通过在镜片表面镀多层减反射膜而相应抵消。

　　(3)光线吸收

　　材料的本身吸收光的特性会减少镜片的光线透过率，这部分的光量损失对于非染色眼镜片是可以忽略的，但如果为染色或变色镜片，光的吸收量会很大，这也是此类镜片的设计目的。眼镜片的光线吸收通常指材料内部的光线吸收，可通过镜片前、后表面吸收光线的百分比表示。例如，30%的光线吸收相当于30%的光通量在镜片内部的减少。材料的光线吸收遵循郎伯(Lambert′s Law)定律，它根据镜片的不同厚度呈指数性的变化。

　　镜片的光线透过率

　　镜片的光线透过率指光线通过镜片而没有被反射和吸收的光的总量。通过镜片抵达眼睛的光通量ΦΥ相当于镜片前表面的入射量Φ，减去镜片前、后表面的反射量Φρ，减去可能被材料吸收的流量Φα，即ΦΥ+Φρ+Φα=Φ。因此，戴镜者的视觉受三方面的综合影响：入射光的强度和入射光谱范围、镜片吸收和对光谱的选择、以及眼睛对不同可见波长的敏感度。

　　(4)光线散射和衍射

　　1)散射：散射是光线在各个方向上被散播的一种现象，它一般在固体的表面以及透明材料的内部产生。理论上眼镜片表面没有散射发生，因为镜片的磨片过程(抛光)消除了这一现象。然而当镜片由于外界污染而弄脏或表面由于油渍而模糊不清时会产生散射。同时镜片内部的菜射也非常有限，只在偶尔情况下，可能会使镜片呈现黄色或乳白色。目前合格的眼镜片只有非常少量的散射光线产生，通常可以忽略不计。

　　2)衍射：衍射是当光波遇到小障碍而改变行径方向的一种现象。在眼镜光学里，衍射现象是需引起重视的，因为衍射会使镜片表面产生异常干扰，尤其是在使用不当或不小心在镜片表面造成的磨损的情况下。

　　二、 机械性质

　　机械性质通常反映块状固体材料的特性，它规定了材料的质量、体积和尺寸，以及材料对变形和冲击的抵抗力。

　　我们常见的反映镜片机械性质的特性有：

　　1、比重;

　　2、硬度;

　　3、弹性系数E(或杨氏系数)：压力和在排除压力后恢复最初形状时产生的相应变形之间的比率。

　　4、抗冲击性：常采用由美国食品和药物管理局(FDA)规定的一项落球试验表示。落球试验即使用一个16克的钢球从1.27M高处对准镜片中心落下的测试。

　　5、抗断开点：采用由欧洲标准化委员会制定的"100牛顿"CEN静态变形测试。该测试是在一个恒定速度下增加压力直到100牛顿。

　　三、 热性质

　　热性质描述了关于材料的变化状态以及温度影响下的特性。

　　热性质主要包括：

　　1、热传导系数。

　　2、比热：物体温度每升高一摄氏度所需的热量与相同质量的水温每升高一摄氏度所需的热量的比值。

　　3、线性膨胀系数：预先设定的温度范围。

　　4、熔点：物理常数。

　　5、沸点。

　　6、镜片的应力温度。

　　四、 电性质

　　电性质表示了材料电磁波和电效应的特性，由物理定律决定，有时需将镜片的光学性质与电性质联系。通常材料制造进需考虑以下参数：1、介电强度;2、预定频率下的介电损耗系数。

　　五、 化学性质

　　化学性质反映了在镜片制造及日常生活中，镜片材料对于化学物质的反应特性，或是在某些极端条件下材料的反应特性。例如加速老化试验是为了测试材料的可信度。测试时通常使用冷水、热水、酸类以及各种有机溶剂，在国际标准中也有判断镜片材料的耐火性测试。

（实习编辑：谢利鹏）