镜片光致变色工艺

三、镜片光致变色工艺

现代镜片是非常复杂的光学系统，具备多种特性，是由不同材料和膜层组合的综合体。镜片材料所担当的角色不仅仅在于参与了各类功能镜片的制造，而且还是镜片表面系统镀膜处理的基础。镜片材料的研究与其配戴的舒适性、安全性、耐用性以及表面所镀的膜层是密切相关的。本部分从镜片材料的光学属性、物理属性以及化学属性出发，描述目前市场上存在并较普遍使用的镜片材料的种类以及镜片表面的镀膜处理，同时也对镜片的染色和变色特性进行分析。

（一）光致变色现象

光致变色现象是通过改变镜片材料的光线吸收属性，使镜片吸收能量时因密度改变而发生的一种化学反应。它的基本原理是使光致变色材料在紫外线辐射的影响下颜色变深，辐射消失后恢复无色状态；以及在周围高温的影响下颜色变淡，这两个过程是可逆的。这一现象是通过激活材料中混合的光致变色物质的分子来完成的。

1．光致变色物质　早期光致变色物质为应用于玻璃的银卤素。当卤化银晶体应用于镜片材料时，在紫外线及深紫色光源下，卤化银晶体会被分解成自由的银离子及卤素；当上述光源及射线消失时，银原子及卤素又会再度结合成卤化银晶体。最初当卤化银晶状体未被分解时几乎为透明状态，当其被化学分解后镜片会呈深色状态。这个分解与再合成的过程是一完全可逆的化学循环。一般在经过30000次左右的循环后变色即会失去效应。

对于制造光致变色镜片（简称变色镜片），制造商必须考虑的主要的必备条件是：①镜片变深及还原的程度；②变色过程的速度。

2．变深/还原（或称色度变化）　镜片变深的程度将直接影响戴镜者的使用。

在完全光照条件下，光致变色材料将从一个很少量的残留底色开始（透光率约90%，可以满足大部分人舒适的室内视力），然后根据各自的合成物，变深至不同程度。

有两个复杂的因素影响变深程度：入射镜片的辐射类型和周围的温度。大部分变深效果是由于紫外线的出现，而不是可见光，并且随温度改变而表现不同。热度会引起光致变色材料漂白，因此在夏天，变深效果往往减弱。镜片制造商也一直致力于解决这一矛盾，近几年来出现的光致变色材料已经能够减少对温度依赖性，热度的影响已经减少。

现今的光致变色镜片材料已迈入另一个阶段，即在紫外线强而温度低时，光致变色效果更佳。这个特性使完全变深的光致变色镜片成为良好的紫外线吸收材料。

3．变色速率

（1）变深速率　颜色变深的反应速率主要取决于光学密度，通常从数秒至数分钟就会从最大的透光率降至最小透光率。

（2）还原速率　还原速率取决于镜片的组成成分以及在制造变色镜片时的热处理。同样它也要花数秒至数分钟从最小的透光率升至为最大透光率。

光致变色材料变深及还原的速度非常重要。现在的产品变色非常快，但是镜片变色过快并非好事，甚至可能带来危险。开车用的镜片如果是即刻变色的，则不理想。我们的眼睛需要几秒钟的时间去完全适应光照条件的变化，若镜片变深的时间与眼睛适应光照变化的时间相接近的话，则是理想的配比。变化率应该足够快到让戴镜者注意到变化，但不能太快。镜片的漂白率或者还原率也同样重要，进入室内的戴镜者不会希望镜片还原到舒适状态的时间太久。任何变色镜片应该能够在几秒钟内还原回到60%～70%透光率，应该在15～20min达到85%。

4．温度　温度影响光学密度以及速率的改变。在颜色变深的循环中，较高温度的热处理下会有较高的透光率，较低温度的热处理下则会有较低的透光率。还原速率的加速可凭借额外的热，或者在比使暴晒的镜片颜色变深的波长更长的光波下。变色镜片通常在紫外线及紫光下透光率较低，而在红光及红外线下有较高的透光率。

（二）玻璃光致变色镜片

1962年出现了第一代玻璃光致变色材料，此后性能不断得到改良，其主要是在玻璃材料中加入了卤化银晶体。

玻璃光致变色镜片对于高屈光力镜片会产生问题。镜片越厚，透光率越低。当镜片的厚度不同时，色彩的浓度也随之不同，高度负镜片边缘较中心厚，则色彩的密度因此也在边缘处增加。颜色的高密度非常容易识别，高屈光力导致中心色浅现象，而有非常深的周边色带。对正镜片的影响正好相反，中间区域颜色非常深，而周边色浅。

色彩密度的这种区别不仅造成了非常糟糕的镜片外观，而且也给戴镜者带来视觉问题。高度近视者依旧存在眩光问题，因为镜片中央区非常浅，而高度远视者可以发现镜片中央看上去太深而受影响。

（三）树脂光致变色镜片

第一代树脂光致变色材料大约出现在1986年，但是直到20世纪90年代才真正开始得以普及。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。这些混合物与材料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。树脂光致变色镜片普遍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。

1993年推出的树脂光致变色镜片，在制造工艺上采用了渗透法。这种变色镜片采用树脂材料作片基，用渗透法在镜片的凸面渗透入一层光致变色材料，然后再镀上一层耐磨损膜，起保护和耐磨损作用。这项工艺技术可以使镜片的变色不会随屈光力的加深而出现镜片中央与周边深浅不一的情况，弥补了玻璃变色的不足。

光致变色材料大多是灰色和棕色的，俗称灰变和茶变，其他的颜色也可以通过专门的工艺获得。所有的眼镜片，包括单光、双光、渐变镜都可以使用光致变色材料制造。近年来，树脂光致变色镜片的发展较快，材料在不断改良，折射率已不再局限于1.50。目前市场上最常用的树脂变色材料为折射率1.50、1.56、1.59（PC材料）、1.67等。

（四）玻璃和树脂光致变色材料的主要区别

玻璃和树脂光致变色材料之间的主要区别在于制造工艺。玻璃光致变色镜片是将变色物质——银卤素与玻璃材料一起混合溶解，通过镜片毛坯制造；而树脂光致变色镜片引入变色物质的方法主要有镀膜和表面渗透两种。最理想的方法是表面渗透法。制造过程中，光致变色材料可被精确控制渗透入镜片前表面100～150μm。渗透的均匀性将决定镜片的最终性能。“表层”渗透应用于任何一种屈光力镜片，都同样表现为均匀的变色效果，不会出现玻璃光致变色镜片的变色不均匀现象。

玻璃和树脂光致变色材料另一个区别是两者老化后的表象不同。玻璃光致变色镜片老化后镜片底色往往会加深，而树脂光致变色材料老化后变色深度往往会变浅。

树脂光致变色镜片可以进行染色处理，与相同材料的树脂镜片的染色工艺相似。染色不会破坏光致变色的性能，但是因为染色改变了镜片的底色，可能会导致变色颜色的改变。

（五）光致变色镜片与减反射膜

光致变色镜片的透光率因镜片颜色变深后会降低，但镜片表面的反射光依然存在，这样由镜片凹面的反射光和镜片前后表面的内反射所产生的鬼影和眩光依旧会干扰视觉，影响戴镜者视物的清晰度和舒适性。

例如，某人戴未镀减反射膜的光致变色镜片在户外喝茶读书，太阳正好位于他的身后。假设戴镜者看到的茶杯的光亮度为100Lx，太阳的光亮度为500Lx。

假定戴镜者的光致变色镜片颜色变深后透光率下降，只有33%的光线透过，再考虑镜片前后表面的反射光，所以戴镜者所视茶杯的入眼光线约为30Lx，即100Lx×96%×33%×96%≈30Lx。

戴镜者身后500Lx的太阳光通过镜片后表面会产生反射，有4%的光线会进入眼球，500Lx×4%＝20Lx。这些光线对戴镜者所视茶杯的清晰度会产生干扰，干扰程度为20/30＝67%。

如果戴镜者的光致变色镜片镀有减反射膜的情况将又如何呢？

此时戴镜者所视茶杯的入眼光线略有增加，假定镜片表面的反射率为0.6%，那么所视茶杯的入眼光线约为33Lx，即100Lx×99.4%×33%×99.4%≈33Lx。而镀膜后镜片后表面的反射量大大减少，太阳光通过镜片的后表面进入眼球的光线为500×0.6%＝3Lx，此时干扰程度为3/33＝9%。

由此可见，镀膜后光致变色镜片的干扰程度由67%下降到9%，大大提高了戴镜者的清晰度和舒适性。对于染色镜片，其与减反射膜的关系同样如此。