眼鏡鏡片都有哪些主流材料

現在去配副眼鏡,大部分時間可能都集中在驗光和選鏡架上:驗光花時間可以理解,畢竟都要進行主觀和客觀驗光。 鏡框花時間也好像可以接受 – 需要選擇適合自己臉型的,美觀的,戴起來好看自然很重要。 來來去去鏡片有時候倒像個副產品,選什麼鏡片材料憑銷售推薦。 這樣的後果就是,一些眼鏡店,可能不會從使用者的角度,而是從自身利潤的角度來進行推薦,由於信息不對稱,使用者通常也就接受了。

為了讓非業內使用者也能選到合適的鏡片產品,本文從鏡片材料特性的角度,介紹當前眼鏡鏡片主流使用的材料(樹脂為主),以及如何根據自身的需求和應用來進行正確地進行選擇。

注:文中設計折射率和阿貝數的地方均為D line(氦黃線,也就是在波長為587.56nm處檢測),其數值一般比E line稍高(汞綠線)。

鏡片材料介紹

1、CR39(1.5折射率)

上世紀中葉左右,由美國PPG公司開發的CR39樹脂(最初被用作為轟炸機油箱材料)首次被美國Armorlite公司用作為鏡片。 由於其適中的折射率,高阿貝係數(58),從而在鏡片行業得到了廣泛的應用,並且業內通過不斷地工藝優化,CR39鏡片產品良率得以逐年提高(見下圖)。 最早開始生產CR39鏡片的公司除了Armorlite之外,還有法國依視路和澳洲的蘇拿光學(現蔡司光學)。

蘇拿光學上世紀CR39鏡片的缺陷率

CR39的特點是高阿貝數,高透明度,較強的耐磨損性能(未鍍膜情況下),較低的密度(比玻璃鏡片約輕一半),良好的染色性能,耐溶劑耐化學性能和耐熱性能。 而且因為生產工藝成熟,成本低,直到目前仍然是鏡片行業內的主流材料之一。

不過,CR39材料較脆,抗衝擊性能和抗張強度不如其他材料,因此不適用於無框眼鏡(鑽孔時鏡片容易破裂),同時,它的折射率也最低,度數較高時鏡片比較厚。

CR39未鍍膜的耐磨損值為1.0,被用作性能基準

2、1.53 Trivex

1.53 Trivex也是PPG開發的樹脂材料,同樣是由軍事用途轉民用從而用作眼鏡鏡片材料的。 Trivex材料的質輕、抗衝擊性能好是其最大特點。 所以它通常被用來和PC(聚碳酸酯)鏡片來比較。 Trivex在具有PC片同等抗衝擊性能的同時,又有著耐化學溶劑和耐划傷的優點。 而且阿貝數還比PC高出14左右。

阿貝數是什麼概念呢? 它可以代表材料的抗色散能力,阿貝數越高,意味著同樣條件下色散越輕微,具體可以參考以下示意圖,其基本原理是日光在發生偏折時,不同顏色的色光具有不同的折射率,偏折能力不一導致的顏色分散。 色散一般出現在鏡片邊緣,因為這個位置的偏折比例最大。

Trivex材料折射率較低,在視力矯正上和CR39的應用範圍接近,但由於其優良的抗衝擊性能,以及低密度的優勢,鏡片比CR39更輕薄,安全性也更好。

色散示例:左:低阿貝數材料;右:高阿貝數材料

3、1.56中折射率材料

1.56材料有幾種,主流是在CR39材料中混入部分其他材料組分,從而提升折射率。 有一個有趣的現象:1.56在國內使用特別普遍,佔比遠超過CR39,與之相對的,在全球市場上,1.56佔比最低。 這是為什麼?

其原因大概是1.56折射率較1.5稍高,被分類在”中等折射率”範疇,製造成本差不多,卻可以定較高的售價。

1.56材料與1.5相比,除了折射率外,其他性能與1.5類似,而阿貝數(36)卻大幅低於1.5 CR39(58),甚至也明顯低於1.6(41)。 所以在國際市場上,1.56不敵1.6,備受冷遇。

1.56材料和CR39在阿貝數上相差22,當度數較高時,帶來的邊緣色散已經不可忽略。

此外還有聚氨酯類型,亞克力類型的1.56(1.55),聚氨酯類型的性能比CR39型的好,但成本也高些,不如直接用MR8。

4、1.59 PC材料

PC材料即聚碳酸酯材料(Polycarbonate),是一種熱塑性的塑膠,折射率為1.59,具備很強的抗衝擊能力,軍事上可以用作防彈眼鏡,防彈頭盔等等。 用在眼鏡上,可以不用擔心鏡片破裂的問題,適合用做無框眼鏡。 而且折射率比CR39高,鏡片可以做得更輕薄。 但是它作為熱塑性的材料,其加工性能和耐化學性能不佳,未鍍膜時表面也很容易划傷,不耐磨損。 此外它的阿貝數為30,和CR39相比,足足相差28!

由於1.56鏡片統領市場的原因,PC鏡片在國內不多見,但在國外特別是美國市場則佔主流地位。 除開價廉(比Trivex便宜)的優勢之外,PC鏡片因為抗衝擊性優良,從而得以在推行強制FDA落球實驗的美國市場發展壯大。

落球測試範例(實際上FDA對鏡片要求的是小球)

4、MR材料(1.6MR8, 1.67MR7/MR10, MR174)

MR™是日本三井化學公司開發的一系列中高折射率樹脂材料,除MR174外,全系採用聚氨酯材料(MR174為環硫材料,抗色散性能更好),抗衝擊性能雖不如PC和Trivex,但比CR39具有明顯優勢,用作無框眼鏡沒有問題。 此外,該系列材料的阿貝數適中,耐熱,耐候和耐化學性能良好,所以具備很好的綜合性能。

除了三井之外,PPG也有高折射率的材料(Tribrid),但未成為主流。 另外,市場上還有接近1.74折射率的鏡片產品,例如1.70(明月,尼康等), 1.76(TOKAI東海),這些材料與MR174體系接近,性能也接近。

5、玻璃材料

冕玻璃是常見的玻璃鏡片材料,其折射率為1.52,阿貝數為59,比CR39都要高一些。 當然,從重量上來說,比CR39高出一倍的密度是它的主要劣勢。 事實上,除密度和抗衝擊性能之外,因為玻璃微結構是規整的原子排布結構,而樹脂鏡片是有機分子鏈的無序交聯結構,所以玻璃鏡片的穩定性,硬度,耐磨性能均全面超越樹脂,所以市場上還能見到玻璃鏡片的存在。 除了冕玻璃之外,玻璃材料折射率常見的還有1.7和1.8,最高可達1.9(蔡司開發的材料)。 由於重量(密度)和易碎的原因,玻璃鏡片目前市場佔有率很低。

左:無機玻璃規整結構;右:有機樹脂無序結構

如何選擇鏡片材料

1、折射率和阿貝數

折射率和阿貝數經常被放到一起來對比,這可能是因為兩者存在一定的反相關關係:即折射率越高,阿貝數通常來說越低。 如下圖所示,大多數材料都在關係曲線附近,只有MR174表現較為優異,處於曲線上方,而PC和1.56相對較差,處於曲線下方。

折射率高了具體有什麼好處? 一般來說同等度數的鏡片可以做得更薄。 而阿貝數低有什麼壞處? 在度數較高的時候,當注視高光區域例如點光源時,在視覺邊緣區容易出現色散現象(彩虹條紋)。 具體可以看以下兩張對比圖,Trivex在鏡片邊緣的色散現象比PC更輕微。 所以,在選擇鏡片材料的時候,並不是折射率越高越好,而是要看具體的需求和平衡。

Trivex(阿貝數43)的色散程度低於PC(阿貝數30),圖中鏡片度數約800度
折射率越高,鏡片整體越薄,也越平

2、密度

密度是材料方面影響鏡片重量的第二個關鍵指標(第一個指標是折射率),這是因為密度越低,鏡片也就越輕。 例如折射率1.67和折射率1.74的鏡片,從折射率的角度來說1.74占優,但因為1.74的密度要高於1.67(1.47 vs 1.35 g/cm3), 最終鏡片1.74會更薄,但在重量上區別可能並不明顯。

3、抗衝擊性能

抗衝擊性能和佩戴安全是直接相關的,抗沖決定了鏡片對外來作用力的耐受能力,即在鏡片受到撞擊,或者跌落時,鏡片可以保持完整的形狀而不破裂,從而杜絕鏡片碎片對人眼可能造成的嚴重傷害。 在樹脂鏡片材料中,抗衝擊性能最好的材料有PC和Trivex,可以達到防彈級別的性能。 其次是高折射率材料,最差的是1.5和1.56。

除安全方面外,抗衝擊性能還是影響鏡片重量的第三個指標:抗衝擊性能好的鏡片,一般來說鏡片可以做得更薄,例如Trivex的鏡片,厚度最低可以到0.9 mm,低於MR8常見的厚度的1.1mm,在密度方面它也顯著低於MR8 (1.11 vs 1.3 g/cm3),所以儘管兩者存在折射率上的差距 (1.53 vs 1.60),在最終鏡片重量上,也可能差不多。

4、染色性能

染色性能表徵的是染料通過浸染方式進入鏡片基材的難易程度。 對於太陽鏡片,時尚染色鏡片來說比較關鍵。 對於非染色用作視力矯正用途的鏡片來說,並沒有什麼意義。 此外,染色性能只能在非鍍膜情況下評估 – 鏡片一旦鍍膜后,由於表面硬度的提高,染色就變得很不容易了。 在選擇鏡片材料的時候,染色性能可以不考慮。

5、熱穩定性

熱穩定性決定了鏡片材料的耐熱程度,直觀地來說,鏡片在高溫下是否能夠保持其形狀和尺寸穩定。 鏡片熱穩定性不好,容易出現鏡片變形或鍍膜鏡片膜層裂開等問題。 針對膜層問開裂的問題,在常見的鏡片材料中,熱穩定性排序依次為:PC>MR系列>CR39/1.56/Trivex。 不過,除了鏡片放到車內曝曬等極限情況,一般不用過於擔心熱穩定性。

夏天車內溫度可高至90度

由於CR39材料的熱膨脹係數較大,膜層開裂比MR8要嚴重得多。 除了鏡片材料外,膜層本身的設計和工藝技術水準的也有一定影響,從膜層耐久性出發,鏡片材料相同的情況下,強烈建議選擇主流廠家的產品。

6、耐磨性能

在鍍膜技術出現前,大家佩戴的基本都是未鍍膜鏡片,這個時候鏡片材料表面的耐磨性能十分關鍵。 在加硬和鍍膜技術廣泛應用之後,鏡片表面的耐磨性能由膜層來決定,鏡片材料本身的耐磨性能已經不重要了。

鏡片材料總結

  • 折射率越高(鏡片越薄,越平),但相應地阿貝數越低(邊緣色散越嚴重),所以輕薄也是有代價的。
  • 較低的密度和優秀的抗衝擊性能也能有利於鏡片輕薄(典型代表Trivex)
  • 材料(膜層)熱穩定性:PC>MR系列>CR39/1.56/Trivex,膜層本身技術水準也會有一定影響
  • 耐磨性能更多由表面膜層決定,和材料本身基本無關
  • 非特別應用場合,玻璃鏡片個人不作推薦

下面針對典型的用鏡需求做一些推薦

  • 度數較低(近視400度以內,老花200度以內)

這個區間內可以隨便選,在這個度數區間範圍內,色散不成為問題。 預算較低的選擇CR39(1.5折射率),需要做無框或抗衝擊性能好的可以選用PC(1.59折射率)或Trivex(1.53折射率),預算高的的可以選擇MR8(1.6折射率),1.56有點高不成低不就,不太推薦;MR7| MR10(1.67折射率)以及MR174(1.74折射率)價格過高,不需要也沒必要。

  • 度數較高(近視400到800度,老花高於200度)

這個區間內建議鏡片折射率在1.6到1.67之間,度數不過高的情況下首推MR8(折射率和阿貝數較好的均衡),然後是MR7 | MR10(邊緣視覺可能會感受到色散)。 對於近視高度數,注重輕薄的可以選擇更高的折射率如MR174。

  • 近視度數高於800度

這個範圍必須選擇折射率較高的鏡片,起步為MR7| MR10,然後是MR174或同等折射率的其他材料。
最後再展開說一下,除開材料因素外,鏡片廠家的光學設計(球面/非球/定製片等),加工方法(美薄vs非美薄),鏡架鏡框尺寸設計等因素都可能影響鏡片的”輕薄”。 不過,合適的鏡片材料依然是最重要的基礎條件。

除開材料因素外,鏡片廠家的光學設計(球面/非球/定製片等),加工方法(美薄vs非美薄),鏡架鏡框尺寸設計等因素都可能影響鏡片的”輕薄”。 不過,合適的鏡片材料依然是最重要的基礎條件。

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