视光材料及应用技术_王淮庆郝凌云主编.pdf

书书书视光材料及应用技术王淮庆!郝凌云!主编上海科技教育出版社前!言(视光材料及应用技术)是在江苏省教育厅资助下建设的精品教材立项项目*本书以视光材料的定义与内涵为本!较为详细地介绍了眼视光领域常用树脂+玻璃+合金及其复合基材料的结构特征与性能+制备原理及方法+加工技术与工艺+评价依据与测量基本方法*本书将材料学的基础理论与视光学的应用特色相结合!在阐述材料物理化学基础理论的基础上!系统介绍视光学中采用的镜片+镜架+辅料+配件所涉及的各种材料的结构和性能!介绍了常用视光材料的制备原理+新型视光材料的分类与应用+视光材料加工原理及其在使用过程中的性能变化等*本书的特色是将强调理论基础知识的,材料学基础-内容和主要介绍视光应用技术的,眼镜技术-内容进行融合!引入材料物理化学理论!阐述视光材料的结构+设计+制备+性能的密切关系*全书内容试图与国内外视光领域的实际应用和最新进展保持基本一致!主要包括#%&第一章!导论!主要由郝凌云教授及王淮庆副教授编写*%$&第二章!视光材料学基础!主要由冯志强副教授编写*%0&第三章!金属眼镜型材及加工!主要由叶原丰副教授编写*%/&第四章!镜片型材及加工!主要由王昕副教授及陈频讲师编写*%.&第五章!隐形眼镜型材及加工!主要由杨晓莉讲师编写*%1&第六章!视光材料加工工艺!主要由王玲讲师编写*本书除可作为本科生教材外!还可供相关视光专业和材料专业的研究生+教师及企业技术人员在学习+教学与研发过程中参考*衷心感谢欧阳永斌副教授在本书编写过程中的建议及校正工作*衷心感谢被引用的各类参考文献的作者!是他们的研究成果奠定了本书的编写基础*本书在编写过程中得到了江苏省教育厅+全国眼视光技术协会+上海科技教育出版社的大力支持!在此一并表示衷心的感谢*限于编者的经验和水平!谨请使用本书的师生和眼视光行业技术人员!对本书在内容和文字上的种种缺陷和错误提出批评*王淮庆!郝凌云$%&$年.月目!录第一章!导!论%$第一节!视光材料的历史和发展&$第二节!眼镜材料的分类及组成0$第三节!镜片材料性能及功能&0$第四节!眼镜材料的发展趋势$.$第二章!视光材料学基础&$第一节!材料物理基础知识0$第二节!材料的结构与性质01$第三节!材料化学原理/,$第四节!先进视光材料及技术11$第三章!金属眼镜型材及加工($第一节!眼镜架基础知识-$第二节!金属眼镜型材常规加工工艺和主要设备,$第三节!黄铜眼镜型材和加工工艺,.$第四节!钛眼镜型材生产工艺流程&%&$第五节!其他金属眼镜型材及工艺&%-$第四章!镜片型材及加工%$第一节!镜片材料基础知识&$第二节!玻璃镜片&,$第三节!树脂镜片&$第四节!其他材料镜片&$.$第五节!镜片制造与表面处理&0&$第五章!隐形眼镜型材及加工%)*$第一节!隐形眼镜基础知识&/%$第二节!隐形眼镜的原理&/$第三节!隐形眼镜的功能分类&/$第四节!隐形眼镜的材料类型&/.$第五节!隐形眼镜的性质&.0$第六节!隐形眼镜的制作工艺&.-$第七节!功能型隐形眼镜&1&$第六章!视光材料加工工艺%+($第一节!视光材料加工基础知识&1-$第二节!手工磨边工艺&$第三节!半自动磨边和全自动磨边工艺&$第四节!特殊镜片的磨边&,.$第五节!眼镜的装配与调整$%$第六节!半框和无框眼镜制作$%-$第一章!导!论第一节!视光材料的历史和发展!眼视光学是一门关注人们眼睛及相关构造健康的保健学科!如对视力+视觉系统以及视觉感知过程等的研究!常被简称为视光学*正如其他学科一样!眼视光专业的教育+认证和实施遍及许多国家!其历史可以追溯到很早期关于视觉和眼睛成像原理的研究*8 7:?A B8C D BE 6 于&1$0 年出版了三本关于眼视光的书籍!提出了,眼镜的配制及使用-方法*而&1 年 F B;GB H B:D 7 在对其中的,眼镜的配制-方法作进一步阐述时!首次提出了验光师的概念*第一个眼视光学校则于&.%年在美国成立*目前在西方国家!作为一种医疗手段!眼镜的使用率仅次于阿司匹林!而我国需要配戴眼镜者超过/亿人*眼镜的起源和发明一直是个有争议的话题*其实在眼镜发明之前!人们已经通过一些方法提高观察视力*古罗马戏剧家塞内加%)8 8 9&就用一个装满水的球体帮助他阅读!而古罗马的尼禄%+8 I:&皇帝曾用特殊雕刻的宝石观看角斗士表演*在杜克 埃尔德%)7 8 5 I 7?GJ8F D B8 I&的(眼科全书)中记载!马可 波罗%K I 9:4:D:!&$./L&0$/&看到中国元朝官吏使用凸透镜阅读文件!遂将其带回威尼斯!请工匠仿制*西方人认为第一个眼镜大约是&$%至&0%年间在意大利制造的!它的制作者被认为可能是罗吉尔培根%M:N 8 I*9:?P Q I;:I B O D 7:提及的一个眼镜发明者%&$.年&*眼镜较为广泛的制作和使用始于 1%年前*&/1$年有文献记载!米兰的R I 9:B8;:2 I B4:的一封信中提到#,$请送来 01 副近视镜给年轻人用于远观!并送来&$副老花镜给老年者近距离使用!还有 01 副给视力正常者佩戴$-*最早的眼镜仅是帮助人们观察远处!但当开普勒%V:U 8 6W 8 XD 8 I!&.-&L&10%&在&1%/年阐述了凸透镜和凹透镜的原理后!眼镜也被用于矫正老视眼*&-/年本杰明富兰克林%*8 R I !&-%1 L&-,%&觉得两副眼镜频繁更换很麻烦!发明了双焦点镜片用于同时矫正远+近视力*);R:6 7 8 I 于&,$,年在美国大西洋城%Q 7 D 93 7 Z&商店首次推出用于防护紫外线的 R:6 7 8 I S I D 8:!&.1/L&1/$&发明的望远镜对光学玻璃的质量提出了更高要求!引导了&-世纪镜片材料制造工艺的突破性发展*&-.-年!?:D D B 用冕牌玻璃+燧石玻璃制成无色差镜片*&%年!阿贝%F I 6 6&公司用于制造玻璃透镜*进入$%世纪!光学玻璃仍占据眼镜镜片材料的主导地位*但第二次世界大战后!树脂材料开始逐步替代光学玻璃成为镜片材料的主导*&,/-年哥伦比亚树脂%3:D G;M 8 6 0,!3 M 0,&作为眼镜镜片材料的应用开启了树脂镜片时代*特别是&,-年聚碳酸酯树脂%4:D Z 9 I:&的问世!由于其特性优于其他材料!镜片尤其适用于高于 .#%?度屈光不正+单眼屈光不正儿童以及从事危险职业的配戴者!因此市场占有率逐年扩大*同时!鉴于对镜片的抗冲击力的检测要求逐步提高+大镜片开始流行以及时尚要求镜片可以被有效染色等原因!树脂镜片的需求量日增*社会在不断进步!变化是永恒的!眼镜镜片材料发展必将不断趋向理想化*角膜接触镜%9:7 9 7 D 8 6&俗称隐形眼镜*&.%年!意大利科学及艺术巨匠达芬奇%H 8:!&/.$L&.&,&曾记载其将面部浸入装水的玻璃罐内!发现观察视物较为清晰*但角膜接触镜作为一种矫正视力的技术被深入研究应始于&/.年!英国人赫尔奇在玻璃和眼睛中间注入透明的动物胶质!然后置于角膜表面用于短暂性矫正患者视力*&,0 年由 KGD D 8 9 U7 8 I D 8 发明了甲基丙烯羟乙酯%_ F KQ&软性隐形眼镜材料!&,-%年美国博士伦公司利用该材料生产出世界上第一副软性隐形眼镜*&,-1 年第一副醋酸丁酸纤维素%3 Q*&半硬性隐形眼镜问世*眼镜的镜架早期主要由玳瑁+特殊木材和动物骨质等天然材料制造!后来则大多以高分子材料+金属材料和复合材料三大类为基材*高分子镜架材料主要指塑料!因其质轻+不易造成人体皮肤过敏!特别适用于制作太阳眼镜及装饰眼镜*金属架常选用金属或合金为底材!再对其表面进行处理加工*随着眼镜制备工艺的改进和高性能材料的研发!开始用塑料%如赛璐珞!即硝化纤维塑料&部分或全部将金属基材镜架包覆.或者在镜架的不同部分使用不同的材料!如前框是塑料+镜脚是金属的!或前框是金属+镜脚为塑料.还可以在眉条及鼻梁处使用塑料+镜框用不锈钢材料+镜脚用塑料包覆金属等*现代材料制备技术及新材料的优良性能!赋予眼镜在矫正视力的同时增添了其他功能!如护目+夜视等*人眼长时间受短波紫外线或短波红外线照射!很容易引起眼表或眼底组织反应!出现一系列临床表现即为眼光照伤*广义上说!防护眼镜有很多种!防护眼镜开启了特殊功能材料在眼镜制作和设计中的广泛使用*另外!特种眼镜能给人的眼睛带来某种特定环境下的适用性!具有某种特殊用途*比如!学生专用镜+电脑专用镜+运动专用镜+驾驶专用镜和智能老视镜等*第二节!眼镜材料的分类及组成!眼镜材料按其来源划分可分为天然材料及合成材料*而按其组成划分可分为#无机材料+有机%高分子&材料+金属材料和复合材料*无机材料具有光学性能好+硬度大的特点.高分子材料可塑性强+耐腐蚀.金属材料力学性能良好!外形美观.复合材料则在兼容各类材料优点的基础上具有功能性特点*!一!镜片材料随着科技的进步!用于制造镜片材料的种类日益繁多*除了传统意义上的光学玻璃和透明塑料外!有些镜片材料则是新研发的先进光学材料!当然还包括一些镀膜材料等*!#水晶镜片水晶%M:9 J 3 I Z 6 7 D&是一种纯净天然透明石英矿结晶!经硅与氧在地下火山岩床的高温+高压条件下化合而成*由氧化硅的化学组成和石英的晶体结构特性决%/!视光材料及应用技术定了水晶耐酸%氢氟酸除外&不耐碱!且受热易碎*古人云#,凡水晶器物!不可用热汤滚水注之!即粉裂如击破者*-无色透明水晶是石英的变种!会因含不同天然或人工掺杂金属离子而呈多种颜色*含锰和铁的称紫水晶.含铁的呈金黄色或柠檬色的称黄水晶.含锰和钛呈玫瑰色的称蔷薇石英!即粉水晶.烟色的称烟水晶.褐色的称茶晶.黑色透明的称为墨晶*紫色和绿色是由铁离子%R 8$&所致!紫色由钛离子%2/&所致等*水晶眼镜在$%世纪$%L 0%年代曾流行一时*镜片价格昂贵+经久耐用!常常作为古董留传*但天然水晶常含有杂质!且密度不均匀!其气泡和条纹引起双折射现象!制作成的眼镜将影响配戴者视力*即使人工合成的水晶纯度大+缺陷少!但其对紫外线的吸收率也仅为&/#.!与之相比光学玻璃对紫外线的吸收率则高达.$!所以配戴水晶眼镜会因其较高的紫外线透过率而对眼睛造成伤害*随着科学技术的飞速发展!有许多新型光学材料制作的眼镜片!无论其光学性能+安全性能+防止有害射线保护眼睛等性能都远远优于水晶*水晶注定不能成为眼镜普及后镜片的主要材料*#玻璃镜片最初用于制造镜片的光学玻璃!就是普通窗玻璃或酒瓶上的疙瘩!形状类似,冠-!皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来*鉴于其材质的不均匀性+多泡沫!&-,%年法国人皮而路易均纳德改善了制作工艺!通过搅拌玻璃浆得到质地更为均匀的玻璃*&/年起卡尔蔡司公司在德国耶拿市创建了肖特玻璃厂%)9 U:7 7S D 6 5 8 I J8Q S&!研制出几十种重要的光学玻璃品种!高折射率的钡质冕牌玻璃是其中之一!这些成就为近代光学玻璃作为主要眼镜镜片材料奠定了基础*光学玻璃被用来制作镜片在于其优良的光学性能*以市场上广泛应用的冕牌玻璃+燧石玻璃和冕号玻璃三种主要镜片材料为例!冕牌玻璃折射率为&#.$0+阿贝数为.,!主要用于单光镜+双光镜及多焦点镜的视远区.燧石玻璃折射率较高%约为&#.%L&#1,%&+色散大%阿贝数小!约 0%L/%&!主要用于制作融合双光镜的子片+高度数镜片%高折射率可使镜片厚度变薄!尽管会增加其重量&.冕号玻璃折射率为&#./&L&#1&1+阿贝数为.L.,!主要用于制作融合双光镜的子片*一般玻璃的组成为钠钙硅酸盐!简称光学白片*由英国人克罗克斯于&,&/年研制成功*现代光学玻璃则对其进行了改良!用高纯度硅+硼+钠+钾+锌+铅+镁+钙+钡等氧化物按特定玻璃浆配方混合后!在白金坩埚中高温熔化!经超声波搅拌均匀去气泡!然后缓慢降温*缓慢冷却步骤防止了玻璃块体产生内应力!降低材料脆性*近年来!一些高折射率的光学玻璃和吸收透镜相继进入市场!前者的折光率为&#1%+&#-%+&#%!可制作轻薄镜片.后者制作过程中!在普通光学玻璃配方中添加了部分金属氧化物!如铁+钴+铬+锶+镍+锰