CN101866063B - 一种具有抗红外作用的树脂镜片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防护镜片及其制备方法，旨在提供一种具有抗红外作用的树脂镜片及其制备方法，是在树脂镜片的基片的凹面镀有对近红外光具备高反射作用、对可见光具备减反射作用的光学薄膜层，所述光学薄膜层是由一种低折射率材料膜层和另一种高折射率材料膜层交替堆栈组成；基片的凸面镀有至少5层的可见光减反射膜。本发明提供的具有抗红外作用的树脂镜片主要是利用了光学薄膜干涉原理。以此滤光片做成的抗红外树脂镜片，可以有效阻挡自然光或环境光中的近红外波段进入人眼，因为对可见光的透过率很高，所以该类型镜片在光照不足或者夜晚环境也能使用，不影响人眼的视物清晰度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光学眼镜镜片及其制备方法。
背景技术：
眼球主要由角膜、虹膜、晶状体和视网膜等部分组成，眼的屈光介质有很强的聚焦作用，将入射光束高度汇聚成很小的光斑，从而使视网膜上的能量密度较角膜上入射能量密度提高104～105倍。视网膜没有再生能力，因此视细胞如果死亡，该部分的视功能将永远缺损。视网膜光感受器在蓝、绿光谱内只要8～10个光子就可以产生视觉，其能量相当于1.4×10-5J/cm2。因此，眼球是对光辐射最敏感的器官，低剂量的有害照射就可引起视网膜的严重损伤而导致视力下降直至失明。
眼组织对不同波长光波的透射、反射和吸收率不同，因而不同波长的光辐射对眼损伤的部位不同，及后果也不同。如表1所示，紫外光对眼的损伤主要是角膜和晶状体，此波段几乎全部被晶状体吸收。可见光和近红外光主要被视网膜吸收，强光下易引起视网膜病变。中远红外光以角膜吸收为主，可致角膜及晶状体混浊。远红外光对眼睛的损害也是以角膜为主，这类波长的光辐射几乎全部被角膜吸收，主要引起角膜炎和结膜炎，或者感到眼睛痛，异物样刺激、怕光、流眼泪、眼球充血、视力下降等。
表1不同波长的光辐射针对的眼损伤部位
| 波长区域 | 波长范围(nm) | 主要损伤部位 |
| 紫外 | 180～400 | 角膜、晶状体 |
| 可见光 | 400～700 | 视网膜、脉络膜 |
| 近红外 | 700～1400 | 视网膜、脉络膜、晶状体 |
| 中远红外 | 1400～30000 | 角膜 |
光辐射所致眼损伤机理随波长而异。一般来说，可见及近红外光波照射组织主要为热效应，紫外波段是通过光化学作用而使一些重要生物大分子受到损伤。一般而言，0.4～1.4μm的强光辐射对人眼威胁最大。大于1.4μm的中远红外光基本上不能进入人眼内，能量在角膜表面层被吸收。
当一个小功率的光源直接照射人眼时，若是可见光，则大部分光子流能不断穿过眼的屈光***到达视网膜上，其中一部分光子引起一系列光化反应，另一部分光子则变为热。由于功率密度低，接受了光子能量逐渐变热的组织，可以通过分子振动把热量传给周围组织，或把热量传递给密布于视网膜底层脉络膜中微血管里的血液中，随血液循环带到眼睛外面。这样视网膜和整个眼睛的温度不会明显升高。当光源的输出功率不断提高，到一定数值后，被视网膜吸收的光能中消耗于光化反应的能量增加得很少，大部分转化为热能，当热量累积的速度大于散热速度时，视网膜接受光子流的局部范围内温度就要升高，当高于正常体温10～20℃，就要引起视网膜的伤害。
强光损伤人眼并不一定由于人眼直视光源引起，来自各种界面的反射或漫反射光也可以对眼造成损害。事故发生时，多数伤者感到眼前突然闪光，继而出现一个不同颜色、不同大小的光斑或暗影，同时视力出现不同程度的下降，重者短时间内不能分辨眼前物体，有的伤后出现数小时的目眩及畏光。从辐照眼睛的光束入射方向来看，由于直视光聚焦于眼底敏感的黄斑中心凹，所以直视光源比二次反射光危害大。
从20世纪60年代起，美国、苏联和西欧等国家就开始对眼面部防护器材展开研究。到20世纪90年代初，由美国光学学会OSA进行评价的防护镜已达数百种。防护镜器材分线性防护器材和非线性防护器材两类。传统的线性材料主要包括吸收型、反射型、复合型和衍射型几类，目前国内外研究最成熟、应用最广泛的是吸收型材料，有树脂型和玻璃型两种。树脂型是在光学树脂中加入吸收光波的有机染料，优点是光学密度高、质轻、价格低、制备方便，缺点是易老化、表面硬度低、耐化学试剂性差。玻璃型是在玻璃熔炼过程中加入无机染料制成，克服了树脂防护材料的缺点，但其光学密度低、吸收波长少。
日常生活中，人们较少有机会接触到激光或者人造强光光源，但这并不意味着普通人的眼睛不需要日常防护。已经知道太阳辐射中10％是紫外光能量，40％左右是可见光，剩余50％左右全部是红外光。紫外光本身因为大气穿透能力低，普通树脂镜片又对紫外光具有较强吸收，所以自然界中紫外光对人眼的损伤较为有限。相反，红外光具有很强的穿透能力，现有镜片材料对其吸收很小，结果大量的红外光能够直接照射或者被反射到人眼中。紫外光对眼的损伤主要是角膜和晶状体；近红外光可到达眼底，主要被视网膜吸收；中远红外光和远红外光以角膜吸收为主，不能到达眼底。所以红外防护镜片应主要给人眼提供近红外波段的防护效果。
太阳镜可以给眼睛提供一定程度的红外防护，但它对可见光的透过率通常在30％以下，只能在晴天室外使用，在光照度不强或夜晚环境下不可佩戴，尤其是在高速路上进出隧道路段时，佩戴太阳镜非常危险。
目前市面上还没有一款能够在可见光波段提供与普通近视镜片同样高的透过率，同时又能有效阻止近红外光进入眼睛，可供普通人日常使用的红外防护镜片。
发明内容：
为本发明克服现有技术上的不足，提供一种具有抗红外作用的树脂镜片及其制备方法，既使树脂镜片在近红外波段800～1400nm的平均透过率降低到60％以下，同时将可见光的平均透过率提高到80％以上，使眼睛视物清晰并得到一定的红外防护。
本发明的上述技术要求是通过以下技术方案得以实现的：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种具有抗红外作用的树脂镜片，包括有树脂镜片基片，其特征在于：基片的凹面镀有对近红外光具备高反射作用、对可见光具备减反射作用的光学薄膜层，所述光学薄膜层是由一种低折射率材料膜层和另一种高折射率材料膜层交替堆栈组成；基片的凸面镀有至少5层的可见光减反射膜。
优选地，在基片与光学薄膜层及在基片与可见光减反射膜之间还设有加硬膜。
树脂镜片基片是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或烯丙二甘醇碳酸脂与二异丙基过氧化碳酸脂共聚物中的任意一种构成的屈光镜片。
所述的加硬膜是由有机烷氧硅、有机烷氧钛、有机烷氧硅衍生物或有机烷氧钛衍生物中的任意一种构成。
所述的镀于镜片凸面的可见光减反射膜层，由内至外分别为SiO2膜层和Si3N4膜层交替组成。
所述的低折射率材料膜层为一氧化硅膜层或二氧化硅膜层。
所述的高折射率材料膜层可以是二氧化钛、二氧化锆、二氧化铪、五氧化二铌或氮化硅中的任意一种膜层。
一种具有抗红外作用的树脂镜片的制备方法，其包括以下制备步骤：
(1)树脂镜片镀膜前预处理：将树脂镜片放入清洗剂中辅以超声波振荡清洗3-4分钟，经过淋洗后放入清水中抛动8-10分钟；再经2级的去离子水溢流漂洗，并由红外热源进行干燥，从而使镜片表面污渍被洗净，没有水迹和残留物；
(2)镜片表面预处理：镜片固定在镀膜机的行星夹具上，在镀膜机的真空***中通入氩气和氧气，以较低功率将气体电离，氩原子和氧原子轰击树脂镜片表面产生清洗作用；
(3)真空镀膜：启动镀膜机真空***，待本底真空降至2.0x10-3Pa以下；打开氩气气路，使硅靶在氩离子中放电5-8分钟，去除靶面的氧化物；向真空室通入氩气、氧气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量，使工作压强稳定在2Pa左右，旋转工件架，温度保持在常温，溅射功率控制在1500W，沉积SiO2薄膜，沉积速率保持稳定；再向真空室通入氩气、氮气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量，使压强稳定在2.5Pa左右，溅射功率控制在2000W，沉积Si3N4薄膜，沉积速率保持稳定；交替沉积SiO2薄膜和Si3N4薄膜，使得镜片上两个相邻膜层系低折射率薄膜SiO2和高折射率薄膜Si3N4的堆栈；为避免连续溅射中树脂镜片温度快速升高导致薄膜龟裂，在每沉积500nm左右的薄膜材料后，中断溅射进程，封闭真空***并向其中通入氩气，使镜片上积累的热量快速向外传导，待冷却8-10分钟后重新启动溅射进程。
在镜片表面预处理前，最好先进行树脂镜片加硬处理：将镜片转移至加硬槽，浸泡于加硬液中，浸泡时间20-30秒；以一定速度将镜片从加硬液中提起，取出后在红外线下照射5-8分钟，使加硬膜聚合；将树脂镜片转移至烘箱烘烤1-1.5小时，烘烤温度为75-90℃，去除表面吸附的水气，消除镜片内应力。
经过上述工艺过程，成品即为本发明的产品具有抗红外作用的树脂镜片。
本发明提供的具有抗红外作用的树脂镜片主要是利用了光学薄膜干涉原理，在充分研究自然光辐射光谱分布和不同辐射波段对人眼伤害的基础上，找出人眼需要规避的近红外波段，然后在树脂镜片上镀制具有抗红外作用的干涉滤光片，使其在近红外波段具有较高的反射率，而在可见光波段具有非常高的透过率。以此滤光片做成的抗红外树脂镜片，可以有效阻挡自然光或环境光中的近红外波段进入人眼，因为对可见光的透过率很高，所以该镜片在阴天光照不足或者夜晚也能使用，不会影响人眼的视物清晰度。
附图说明：
图1是未镀膜时树脂镜片基片的透过率曲线
图2是在基片上制备加硬膜和干涉滤光片后的透过率曲线
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
本具体实施例中的抗红外树脂镜片一种具有抗红外作用的树脂镜片，包括有树脂镜片基片，基片的凹面镀有对近红外光具备高反射作用、对可见光具备减反射作用的光学薄膜层，所述光学薄膜层是由一种低折射率材料膜层和另一种高折射率材料膜层交替堆栈组成，本实施例中多层光学薄膜由内至外分别为SiO2薄膜和Si3N4薄膜的交替堆栈，最外层为SiO2薄膜，膜层数量总共为36层，单层膜最薄为6nm，最厚为17Onm。基片的凸面镀有5层(也可以5层以上)的可见光减反射膜，5层减反膜由内至外分别为SiO2薄膜、Si3N4薄膜、SiO2薄膜、Si3N4薄膜和SiO2薄膜，薄膜厚度分别为185nm，34nm，24nm，66nm和95nm，当然每层薄膜厚度在20～190nm之间皆可。
本实施例中，基片与光学薄膜层及在基片与可见光减反射膜之间还设有加硬膜，加硬膜是由有机烷氧硅、有机烷氧钛、有机烷氧硅衍生物或有机烷氧钛衍生物中的任意一种构成。
本发明中的树脂镜片基片是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或烯丙二甘醇碳酸脂与二异丙基过氧化碳酸脂共聚物中的任意一种构成的屈光镜片。
本发明中，所述的低折射率材料膜层除了为二氧化硅膜层，还可以为一氧化硅膜层。
本发明中，所述的高折射率材料膜层除了采用氮化硅外，还可以是二氧化钛、二氧化锆、二氧化铪、五氧化二铌中的任意一种膜层。
本发明的一种具有抗红外作用的树脂镜片，通过如下制备方法制得：
(1)树脂镜片镀膜前预处理：将树脂镜片放入清洗剂中辅以超声波振荡清洗3-4分钟，该清洗剂可选用Deconex OP 171和Deconex OP 150，经过淋洗后放入清水中抛动8-10分钟；再经2级的去离子水溢流漂洗，并由红外热源进行干燥，从而使镜片表面污渍被洗净，没有水迹和残留物；
(2)树脂镜片加硬处理：将镜片转移至加硬槽，浸泡于加硬液中，浸泡时间20-30秒；以一定速度将镜片从加硬液中提起，取出后在红外线下照射5-8分钟，使加硬膜聚合；将树脂镜片转移至烘箱烘烤1-1.5小时，烘烤温度为75-90℃，去除表面吸附的水气，消除镜片内应力。当某些树脂镜片不需要设加硬膜时，省却该步骤。
(3)镜片表面预处理：镜片固定在镀膜机的行星夹具上，在镀膜机的真空***中通入氩气和氧气，以较低功率(200W以下)将气体电离，氩原子和氧原子轰击树脂镜片表面产生清洗作用；
(4)真空镀膜：启动镀膜机真空***，待本底真空降至2.0x10-3Pa以下；打开氩气气路，使硅靶在氩离子中放电5-8分钟，去除靶面的氧化物；向真空室通入氩气、氧气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量使氩气流量控制在30sccm，氧气流量控制在12.5sccm，使工作压强稳定在2Pa左右，旋转工件架，温度保持在常温，溅射功率控制在1500W，电压440V，频率50kHz；沉积SiO2薄膜，沉积速率保持稳定；再向真空室通入氩气、氮气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量，其中氩气流量为15sccm，氮气流量为12sccm，使压强稳定在2.5Pa左右，溅射功率控制在2000W，电压430V，频率150kHz，沉积Si3N4薄膜，沉积速率保持稳定；交替沉积SiO2薄膜和Si3N4薄膜，使得镜片上两个相邻膜层系低折射率薄膜SiO2和高折射率薄膜Si3N4的堆栈；为避免连续溅射中树脂镜片温度快速升高导致薄膜龟裂，在每沉积500nm左右的薄膜材料后，中断溅射进程，封闭真空***并向其中通入氩气，使镜片上积累的热量快速向外传导，待冷却8-10分钟后重新启动溅射进程。
由图2可知，在基片上制备加硬膜和镀多层光学薄膜和可见光减反射膜后，可见光400～700nm的平均透过率大于97％，近红外波段800～1400nm的平均透过率低于54％。
Claims (9)
1.一种具有抗红外作用的树脂镜片，包括有树脂镜片基片，其特征在于：基片的凹面镀有对近红外光具备高反射作用、对可见光具备减反射作用的光学薄膜层，所述光学薄膜层是由一种低折射率材料膜层和另一种高折射率材料膜层交替堆栈组成；基片的凸面镀有至少5层的可见光减反射膜。
2.如权利要求1所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于：在基片与光学薄膜层及在基片与可见光减反射膜之间还设有加硬膜。
3.如权利要求1所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于树脂镜片基片是由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或烯丙二甘醇碳酸脂与二异丙基过氧化碳酸脂共聚物中的任意一种构成的屈光镜片。
4.如权利要求2所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于所述的加硬膜是由有机烷氧硅、有机烷氧钛、有机烷氧硅衍生物或有机烷氧钛衍生物中的任意一种构成。
5.如权利要求1所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于所述的镀于镜片凸面的可见光减反射膜层，由内至外分别为SiO2膜层和Si3N4膜层交替组成。
6.如权利要求1所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于所述的低折射率材料膜层为一氧化硅膜层或二氧化硅膜层。
7.如权利要求1所述的具有抗红外作用的树脂镜片，其特征在于所述的高折射率材料膜层可以是二氧化钛、二氧化锆、二氧化铪、五氧化二铌或氮化硅中的任意一种膜层。
8.一种具有抗红外作用的树脂镜片的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：
(1)树脂镜片镀膜前预处理：将树脂镜片放入清洗剂中辅以超声波振荡清洗3-4分钟，经过淋洗后放入清水中抛动8-10分钟；再经2级的去离子水溢流漂洗，并由红外热源进行干燥，从而使镜片表面污渍被洗净，没有水迹和残留物；
(2)镜片表面预处理：镜片固定在镀膜机的行星夹具上，在镀膜机的真空***中通入氩气和氧气，以较低功率将气体电离，氩原子和氧原子轰击树脂镜片表面产生清洗作用；
(3)真空镀膜：启动镀膜机真空***，待本底真空降至2.0x10-3Pa以下；打开氩气气路，使硅靶在氩离子中放电5-8分钟，去除靶面的氧化物；向真空室通入氩气、氧气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量，使工作压强稳定在2Pa左右，旋转工件架，温度保持在常温，溅射功率控制在1500W，沉积SiO2薄膜，沉积速率保持稳定；再向真空室通入氩气、氮气的混合气体，利用空气质量流量计控制气体流量，使压强稳定在2.5Pa左右，溅射功率控制在2000W，沉积Si3N4薄膜，沉积速率保持稳定；交替沉积SiO2薄膜和Si3N4薄膜，使得镜片上两个相邻膜层系低折射率薄膜SiO2和高折射率薄膜Si3N4的堆栈；为避免连续溅射中树脂镜片温度快速升高导致薄膜龟裂，在每沉积500nm左右的薄膜材料后，中断溅射进程，封闭真空***并向其中通入氩气，使镜片上积累的热量快速向外传导，待冷却8-10分钟后重新启动溅射进程。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在镜片表面预处理前，先进行树脂镜片加硬处理：将镜片转移至加硬槽，浸泡于加硬液中，浸泡时间20-30秒；以一定速度将镜片从加硬液中提起，取出后在红外线下照射5-8分钟，使加硬膜聚合；将树脂镜片转移至烘箱烘烤1-1.5小时，烘烤温度为75-90℃，去除表面吸附的水气，消除镜片内应力。
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