选取氮化硅和二呢氧化硅作为薄膜材料.doc

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1、选取氮化硅和二氧化硅作为薄膜材料，借助膜系设计软件对膜系结构进行优化，采用中频脉冲磁控溅射技术进行薄膜制备。利用高反膜透射曲线拟合方法调整薄膜的实际沉积速率，减少膜厚控制误差，在树脂镜片CR39基底的凸面和凹面上分别镀制了符合设计要求的红外防护膜和可见光减反膜。镀膜后树脂镜片在420680 nm的平均透过率大于95%，在近红外8001400 nm波段的平均透过率小于60%，薄膜性能稳定，能够满足红外防护树脂镜片的日常使用需要 1）热固性材料 1）普通树脂材料：（CR-39） 学名碳本酸丙烯乙酸，或称烯丙基二甘醇酸脂（Dially GlycolCarbonates），是应用最广泛的生产普通树脂镜

2、片的材料。它于四十年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，因此，被称为CR-39（哥伦比亚树脂第39号）。CR-39被用于生产眼用矫正镜片是在19551960年，是第一代的超轻、抗冲击的树脂镜片。CR-39作为一种热固性材料，单体呈液态，在加热和加入催化剂的条件下聚合固化。聚合是一个化学反应，即由几个相同分子结构的单体组成的一个新的聚合体分子，具有不同的长度和性质。作为光学镜片，CR-39材料性质的参数十分适宜：折射率为1.5（接近普通玻璃镜片）、密度1.32（几乎是玻璃的一半）、阿贝数为5859（只有很少的色射）、抗冲高透光率，可以进行染色和镀膜处

3、理。 它主要的缺点是耐磨性不及玻璃，需要镀抗磨损膜处理。树脂镜片可采用模式压法加工镜片表面的曲率，因此很适用于非球面镜片的生产。 2）中高折射率树脂材料：今天大部分的中折射率和高折射率材料都是热固性树脂，其发展非常迅速。它们的折射率可以使用以下任意一种技术来增加：改变原分子中电子的结构，例如：引入苯环结构；在原分子中加入重原子，诸如卤素（氯、溴等）或硫。与传统CR-39相比，用中高折射率树脂材料制造的镜片更轻、更薄。它们的比重与CR-39大体一致（在1.20到1.40之间），但色散较大（阿贝数45），抗热性能较差，然而抗紫外线较佳，同时也可以染色和进行各种系统的表面镀膜处理。使用这些材料的镜片

4、制造工艺与CR-39的制造原理大体一致。现在1.67的树脂材料已广泛流行，而且象1.7的树脂材料也已在市场上有销售。视光业的专业人员正不断研制开发新材料，改良原有材料，以期树脂材料在将来获得更好的性能。 3）染色树脂材料：用于制造太阳眼镜镜片的基本上都是聚合前加入染料而制成的，特别适合大批量制造各色平光太阳镜片，同时在材料中加入可吸收紫外线的物质。 现在的一项技术即是使用浸泡在溶有有机色素的热水中，常用的染料有红色、绿色、黄色、蓝色、灰色、和棕色，根据需求可任意调染，颜色的深浅也可以控制，可以将整片镜片染色成一种颜色，也可以染成逐渐变化的颜色，例如镜片上部深色，往下逐渐减浅，即俗称的双色或渐进

5、色。有机材料的出现，解决了屈光不正者配戴太阳眼镜的问题。 4）光致变色树脂材料：第一代光致变色树脂镜片大约出现在1986年，但是直到1990年第一代Transi-tion镜片面市后，它才真正开始普及。光致变色效果是在材料中加入了感光的混合物而获得的，在特殊波段的紫外线辐射作用下，这些感光物质的结构发生变化，改变了材料的吸收能力。这些混合物与的结合主要有两种方法：在聚合前与液态单体混合，或在聚合后渗入材料中（Transition镜片就采用后一种方法）。光致变色树脂镜片采用几种光致变色物质，在最后的制造中使这些不同的 变色效果结合起来，这使得镜片变色不但迅速，而且不完全受温度的控制。 一种新型的光

6、致变色树脂镜片已于1993年投放市场，这种镜片采用树脂材料作片基，用渗透法在镜片的凸面渗透了一层光致变色材料，然后再镀上一层抗磨损膜，起保护和而磨作用。这项工艺技术可以使镜片的变色不会随屈光度数的加深而出现镜片中央与周围深浅不一的情况，弥补了玻璃变色的不足。再加上片基是树脂材料，轻且抗冲击，所以这种镜片特别适合用于各种屈光不正者使用。 （2）热塑性材料（聚碳酸酯，POLYCARBONATE，简称PC） 热塑性材料如PMMA早在五十年代就被首次用于制造镜片，但是由于受热易变形及耐磨性较差的缺点，很快就被CR39所替代。然而今天，聚碳酸酯的发展将热塑性材料带回了镜片领域，并被视光业专业人士认可为2

7、1世纪的主导镜片材料。实际上，聚碳酸酯也不是一种新材料，它大约在1995年就被发现了，但真正在视光领域的使用仅仅是近几年，它在历经了数年的研制和多次的改进之后尤其是应用于CD产业，其光学质量已其它镜片材料相媲美。 聚碳酸酯是直线形无定型结构的热塑聚合体，具有许多光学方面的优点：出色的抗冲击性（是CR39的10倍以上），高折射率（ne=1.591,nd=1.586）,非常轻（比重1.20g/立方厘米），100%抗紫外线（385nm）,耐高温（软化点为140 C/280 F）。聚碳酸酯材料也可进行系统的镀膜处理。它的阿贝数较低（Ve=31,Vd=30）,但在实际中对配戴者并没有显著的影响。在染色方

8、面，由于聚碳酸酯材料本身不易着色，所以大多通过可染色的抗磨损膜吸收颜色 树脂镜片镀膜三post 三镜片镀膜 一、 耐磨损膜（硬膜） 无论是无机材料还是有机材料制成的眼镜片，在日常的使用中，由于与灰尘或砂砾（氧化硅）的摩擦都会造成镜片磨损，在镜片表面产生划痕。与玻璃片相比,有机材料制成的硬性度比较低，更易产生划痕。通过显微镜，我们可以观察到镜片表面的划痕主要分为二种，一是由于砂砾产生的划痕，浅而细小，戴镜者不容易察觉；另一种是由较大砂砾产生的划痕，深且周边粗糙，处于中心区域则会影响视力。 （1）技术特征 1）第一代抗磨损膜技术 抗磨损膜始于20世纪70年代初，当时认为玻璃镜片不易磨制是因为其硬度

9、高，而有机镜片则太软所以容易磨损。因此将石英材料于真空条件下镀在有机镜片表面，形成一层非常硬的抗磨损膜，但由于其热胀系数与片基材料的不匹配，很容易脱膜和膜层脆裂，因此抗磨损效果不理想。 2）第二代抗磨损膜技术 20世纪80年代以后，研究人员从理论上发现磨损产生的机理不仅仅与硬度相关，膜层材料具有“硬度/形变”的双重特性，即有些材料的硬度较高，但变形较小，而有些材料硬度较低，但变形较大。第二代的抗磨损膜技术就是通过浸泡工艺法在有机镜片的表面镀上一种硬度高且不易脆裂的材料。 3）第三代抗磨损膜技术 第三代的抗磨损膜技术是20世纪90年代以后发展起来的，主要是为了解决有机镜片镀上减反射膜层后的耐磨性

10、问题。由于有机镜片片基的硬度和减反射膜层的硬度有很大的差别，新的理论认为在两者之间需要有一层抗磨损膜层，使镜片在受到砂砾磨擦时能起缓冲作用，并而不容易产生划痕。第三代抗磨损膜层材料的硬度介于减反射膜和镜片片基的硬度之间，其磨擦系数低且不易脆裂。 4）第四代抗磨损膜技术 第四代的抗膜技术是采用了硅原子，例如法国依视路公司的帝镀斯（TITUS）加硬液中既含有有机基质，又含有包括硅元素的无机超微粒物，使抗磨损膜具备韧性的同时又提高了硬度。现代的镀抗磨损膜技术最主要的是采用浸泡法，即镜片经过多道清洗后，浸入加硬液中，一定时间后，以一定的速度提起。这一速度与加硬液的黏度有关，并对抗磨损膜层的厚度起决定作

11、用。提起后在100 C左右的烘箱中聚合45小时，镀层厚约35微米。 （2）测试方法 判断和测试抗磨损膜耐磨性的最根本的方法是临床使用，让戴镜者配戴一段时间，然后用显微镜观察并比镜片的磨损情况。当然，这通常是在这一新技术正式推广前所采用的方法，目前我们常用的较迅速、直观的测试方法是： 1）磨砂试验 将镜片置于盛有砂砾的宣传品内（规定了砂砾的粒度和硬度)，在一定的控制下作来回磨擦。结束后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较。 2）钢丝绒试验 用一种规定的钢丝绒，在一定的压力和速度下，在镜片表面上磨擦一珲的次数，然后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较

12、。当然，我们也可以手工操作，对二片镜片用同样的压力磨擦同样的次数，然后用肉眼观察和比较。 上述两种测试方法的结果与戴镜者长期配戴的临床结果比较接近。 3）减反射膜和抗磨损膜的关系 镜片表面的减反射膜层是一种非常薄的无机金属氧化物材料（厚度低于1微米），硬且脆。当镀于玻璃镜片上时，由于片基比较硬，砂砾在其上面划过，膜层相对不容易产生划痕；但是减反射膜镀于有机镜片上时，由于片基较软，砂砾在膜层上划过，膜层很容易产生划痕。 因此有机镜片在镀减反射膜前必须要镀抗磨损膜，而且两种膜层的硬度必须相匹配。 二、 减反射膜 （1）为什么需要镀减反射膜？ 1）镜面反射 光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，

13、还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。 2）鬼影 眼镜光学理论认为眼镜片屈光力会使所视物体在戴镜者的远点形成一个清晰的像，也可以解释为所视物的光线通过镜片发生偏折并聚集于视网膜上，形成像点。但是由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光。内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点。这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。 3）眩光 象所有光学系统一样，眼睛并不完美，在视网膜上所成的像不是一个点，而是一个模糊圈。因此，二个相邻点的感觉是由

14、二个并列的或多或少重叠的模糊圈产生的。只要二点之间的距离足够大，在视网膜上的成像就会产生二点的感觉，但是如果二点太接近，那么二个模糊圈会趋向与重合，被误认为是一个点。 对比度可以用来反映这种现象，表达视力的清晰度。对比值必须大于某一确定值（察觉阈，相当于12）才能够确保眼睛辨别二个邻近点。 对比度的计算公式为：D（a-b)/(a+b) 其中C为对比度，二个相邻物点在视网膜上所成像的感觉最高值为a,相邻部份的最低值为b。如果对比度C值越高，说明视觉系统对该二点的分辨率越高，感觉越清晰；如果二个物点非常接近，它们的相邻部分的最低值比较接近于最高值，则C值低，说明视觉系统对该二点感到不清晰，或不能清

15、晰分辨。 让我们来模拟这样一个场景产：夜晚，一位戴眼镜的驾车者清晰地看见对面远处有二辆自行车正冲着他的车骑过来。此时，尾随其后的汽车的前灯在驾车者镜片后表面上产生反射：该反射光在视网膜上形成的像增加了二个被观察点的强度（自行车车灯）。所以，a段和b段的长度增加，即然分母(a+b)增加，而分子（a-b)保持不变，于是就引起了C值的减少。对比减小的结果会令驾驶员最初产生的存在二个骑车人的感觉重合成为单一的像，就好比区分它们的角度被突然减小！ 4）透过量 反射光占入射光的百分比取决于镜片材料的折射率，可通过反射量的公式进行计算。 反射量公式：R（n-1)平方/(n+1)平方 R：镜片的单面反射量n：

16、镜片材料的折射率 例如普通树脂材料的折射率为1.50，反射光R（1.501）平方/（1.501）平方0.044%。 镜片有两个表面，如果R1为镜片前表面的量，R2为镜片后表面的反射量，则镜片的总反射量RR1R2。（计算R2的反射量时，入射光为100%R1）。镜片的透光量T100%-R1-R2。 由此可见，高折射率的镜片如果没有减反射膜，反射光会对戴镜者带来的不适感比较强烈。 （2）原理 减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。二个振幅相同，波长相同的光波叠加，那么光波的振幅增强；如果二个光波原由相同，波程相差，如果这二个光波叠加，那么互相抵消了。减反射膜就是利用了这个原理，在镜片的表面镀上减

17、反射膜，使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰，从而抵消了反射光，达到减反射的效果。 1）振幅条件 膜层材料的折射率必须等于镜片片基材料折射率的平方根。 2）位相条件 膜层厚度应为基准光的1/4波长。d=/4=555nm时，d=555/4=139nm 对于减反射膜层，许多眼镜片生产商采用人眼敏感度较高的光波（波长为555nm)。当镀膜的厚度过薄（139nm),反射光会显出浅棕黄色，如果呈蓝色则表示镀膜的厚度过厚（ 139nm）。 镀膜反射膜层的目的是要减少光线的反射，但并不可能做到没有反射光线。镜片的表面也总会有残留的颜色，但残留颜色哪种是最好的，其实并没有标准，目前主要是以个人对颜色的喜好为主

18、，较多为绿色色系。 我们也会发现残留颜色在镜片凸面与凹面的曲率不同也使镀膜的速度不同，因此在镜片中央部分呈绿色，而在边缘部分则为淡紫红色或其它颜色。 3）镀减反射膜技术 有机镜片镀膜的难度要比玻璃镜片高。玻璃材料能够承受300 C以上的高温，而有机镜片在超过100 C时便会发黄，随后很快分解。 可以用于玻璃镜片的减反射膜材料通常采用氟化镁（MgF2），但由于氟化镁的镀膜工艺必须在高于200C的环境下进行，否则不能附着于镜片的表面，所以有机镜片并不采用它。 20世纪90年代以后，随着真空镀膜技术的发展，利用离子束轰击技术，使得膜层与镜片的结合，膜层间的结合得到了改良。而且提炼出的象氧化钛，氧化锆

19、等高纯度金属氧化物材料可以通过蒸发工艺镀于树脂镜片的表面，达到良好的减反射效果。 以下对有机镜片的减反射膜镀膜技术作一介绍。 1）镀膜前的准备 镜片在接受镀膜前必须进行预清洗，这种清洗要求很高，达到分子级。在清洗槽中分别放置各种清洗液，并采用超声波加强清洗效果，当镜片清洗完后，放进真空舱内，在此过程中要特别注意避免空气中的灰尘和垃圾再黏附在镜片表面。最后的清洗是在真空舱内，在此过程中要特别注意避免空气中的灰尘和垃圾再黏附在镜片表面。最后的清洗是在真空舱内镀前进行的，放置在真空舱内的离子枪将轰击镜片的表面（例如用氩离子），完成此道清洗工序后即进行减反射膜的镀膜。 2）真空镀膜 真空蒸发工艺能够保证将纯质的镀膜材料镀于镜片的表面，同时在蒸发过程中，对镀膜材料的化学成分能严密控制。真空蒸发工艺能够对于膜层的厚度精确控制，精度达到。