雙焦鏡子片折射率和曲率半徑系列標準化設計*

盧宏炎 盧圣麒 白東峰

（1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 河南南陽473009；2. 普渡大學 美國印第安納州 西拉法葉47906）

隨著眼鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，常規(guī)產(chǎn)品由于技術(shù)含量低，得以普及，激烈的市場競爭迫使產(chǎn)品升級。雙焦點鏡片[1]為解決用一副眼鏡對遠近視場方便調(diào)焦，具有單焦鏡片不可比擬的優(yōu)勢，越來越多的戴鏡者選擇了此種鏡片。雙焦鏡片作為一種高端眼鏡品種，它的發(fā)展經(jīng)過幾個過程：首先，隨著光學玻璃材料的發(fā)展，高折射率和變色材料的開發(fā)，為雙焦鏡片的發(fā)展提供了基礎；其次，不同技術(shù)的融合促使加工工藝的更新，傳統(tǒng)的鏡片膠合技術(shù)向熔合技術(shù)發(fā)展；另外，充分考慮使用功能和美觀的外形優(yōu)化設計，雙焦鏡片從圓頂?shù)狡巾斣俚交№數(shù)闹鸩缴?。目前市場上流通的雙焦產(chǎn)品基本上是綜合以上最新技術(shù)，主要有圓頂熔合光學雙焦鏡片、圓頂熔合變色雙焦鏡片、平頂融合光學雙焦鏡片、平頂融合變色雙焦鏡片等系列品種。

雙焦鏡片由母片與子片兩種不同折射率的材料組成，通過調(diào)整母片和子片的折射率和曲率半徑的數(shù)值，實現(xiàn)不同的光焦度。在雙焦鏡片光焦度設計中，子片曲率半徑的設計是重點，它取決于母、子片材料折射率，也決定著最終附加光焦度。

常用的雙焦鏡片屈光度規(guī)格如表1所示。目前在雙焦鏡片生產(chǎn)中，子片折射率通常選用n=1.654一種數(shù)值。針對一些特殊要求如高屈光度、低屈光度以及新基準面的雙焦鏡片，通過另選擇特殊折射率的光學玻璃材料予以解決，各生產(chǎn)工廠沒有統(tǒng)一形成標準。由于子片材料選用的不統(tǒng)一，設計各屈光度所需的子片曲率半徑也相應不一致，生產(chǎn)雙焦鏡片的模具規(guī)格數(shù)量相當龐大，特別是在產(chǎn)品生產(chǎn)流通和市場流通過程中都容易造成混亂，且工廠在生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制方面難度較大。

表1 常規(guī)雙焦鏡片屈光度規(guī)格

在標準化生產(chǎn)中，規(guī)范給出子片折射率和曲率半徑數(shù)值，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對減少模具系列起到關(guān)鍵作用。

1 雙焦鏡片設計原理

雙焦鏡片的設計是以幾何光學理論為設計基礎，附加光區(qū)采用兩種不同折射率的材料進行組合。對于組合后光學系統(tǒng)的光焦度與該系統(tǒng)每組分光焦度有關(guān)。關(guān)系如下：

式中d為光學間距。

本雙焦系統(tǒng)為薄透鏡組合，因此有：

光焦度轉(zhuǎn)換為屈光度后有：

對于球面透鏡，它的屈光度大小與該鏡片材料折射率及其兩球面曲率半徑大小有關(guān)，那么雙焦鏡片附加光區(qū)的屈光度可表示為：

雙焦鏡片正是基于這一原理進行設計的，如圖1所示。

圖1 雙焦鏡片結(jié)構(gòu)圖

折射率為ni的母片兩面曲率半徑分別為R1、R3，附加光區(qū)子片折射率為n2，母、子片結(jié)合面曲率半徑為R2。

主片屈光度為：

附加光區(qū)屈光度為：

附加屈光度FADD指附加光區(qū)的屈光度相對于主片區(qū)屈光度的附加值，為：

2 雙焦鏡片的生產(chǎn)

雙焦鏡片生產(chǎn)流程，如圖2所示。

圖2 雙焦鏡片生產(chǎn)流程

先根據(jù)設計的曲率半徑值加工母、子片；然后將加工合格的母片、子片通過膠合或熔合結(jié)合到一起，并對基準面即結(jié)合片凸面加工，此時鏡片的附加光度FADD被確定，此時的產(chǎn)品稱為粗毛邊鏡片；最后根據(jù)實際的鏡片視遠區(qū)光度要求加工粗毛邊鏡片的凹面，完成成品加工。

根據(jù)式（7）設計，雙焦鏡片的附加屈光度FADD由母、子片折射率n1、n2以及曲率半徑R1、R2決定。在鏡片外形一定的情況下，即母片的基準球面曲率半徑R1確定為標準后，產(chǎn)品的FADD就只取決于n1、n2和R2。因此在生產(chǎn)中，選擇不同的子片母片折射率n1、n2后，結(jié)合面曲率半徑R2，是影響FADD值的關(guān)鍵唯一因素。

常用的鏡片外形即母片凸面R1曲率半徑取值有：SR130.75mm（基準彎度400彎）、SR87.17mm（基準彎度600彎）、SR65.375mm（基準彎度800彎）三種規(guī)格。

常用雙焦鏡片附加屈光度FADD規(guī)格有為+1.00DS、+1.25DS、+1.50DS、+1.75DS、+2.00DS、+2.25DS、+2.50DS、+2.75DS、+3.00DS，每 0.25DS為一檔，共九個規(guī)格。

那么在實際生產(chǎn)或使用中常用的雙焦粗毛邊鏡片規(guī)格有 3×9=27種，這樣選擇母、子片折射率，調(diào)整結(jié)合面曲率半徑R2可以得到以上規(guī)格雙焦鏡片不同的FADD值。在生產(chǎn)中要保證所有規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)完全，必須配備27種不同的結(jié)合面曲率半徑R2,也就是說子片加工模具規(guī)格要配備27套。

3 子片折射率和曲率半徑設計

3.1 初始子片折射率和曲率半徑設計

設計思路為：根據(jù)式（7），F(xiàn)ADD的基準檔可由， FADD檔由按0.25DS一檔增加變化。

以基準400彎度為例， R1=130.75 mm=0.131m，計算時單位用 m， n1=1.523（常用光學鏡片 UV的折射率），進行模擬計算：

將FADD基準檔取值為最低檔+1.00DS，由式，得出初始子片折射率為n2=1.654；以此初始子片折射率n2=1.654為依據(jù)，運用按0.25DS一檔增加變化，可以計算出其他八個FADD檔規(guī)格所需要的子片曲率半徑R2。

同時以此初始子片折射率n2=1.654為依據(jù)，可以計算出基準彎度600彎和800彎的各FADD對應的子片曲率半徑R2，并將結(jié)果進行優(yōu)化，建表得出初始子片曲率半徑系列，如表2所示。

表2 初始子片折射率曲率半徑系列

從表2可以看出，三種基準彎度下有部分子片曲率半徑可以共用，這與基準彎度的選擇有關(guān)，這里不一一細述。配齊27種規(guī)格的產(chǎn)品，所需子片曲率半徑規(guī)格只需要13種，比原來27種大幅度減少。

3.2 補充選材

以上子片曲率半徑R2設計的基礎是在子片材料折射率選擇為n2=1.654的條件下進行的，在實際生產(chǎn)中，基準 400彎度系列的高FADD選擇的子片曲率半徑R2相對較小，如：FADD為+2.75DS的子片曲率半徑R2為SR74.7mm；FADD為+3.00DS的子片曲率半徑R2為SR65.375mm。子片形狀如圖3所示。

圖3 子片形狀1

子片中心厚度為：

取值R1=130.75 mm， R2=65.375 mm，成品子片直徑為Φ=28±1 mm，計算得b =2.26 ±0.15 mm。

那么在成品中，子片中心處最低厚度必須大于2.26±0.15 mm，這樣產(chǎn)品厚重且不美觀。如果最低厚度小于2.26±0.15 mm，成品加工R3面時，母片將被磨穿傷及子片，子片透鏡會不完整，因此這類設計在生產(chǎn)中會造成嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

而基準彎度800彎系列的低FADD選擇的子片曲率半徑 R2相對較大，甚至變?yōu)榘济妫鏔ADD為+1.00DS的子片曲率半徑R2為-131 mm；FADD為+1.25DS的子片曲率半徑R2為-175 mm；FADD為+1.50DS的子片曲率半徑 R2為-262 mm；FADD為+1.75DS的子片曲率半徑R2為-523 mm。且基準600彎系列的低FADD的子片曲率半徑 R2也為凹面，如FADD為+1.00DS的子片曲率半徑R2為-263 mm；FADD為+1.25DS的子片曲率半徑R2為-523 mm，也是凹面。 子片形狀如圖4所示。

圖4 子片形狀2

根據(jù)式（8），則：

取值R1=65.375mm，R2=-130.75mm，成品子片直徑為?=28±1(mm)，計算得db=0.06mm。

在成品加工時，為保證子片直徑在±1mm范圍內(nèi)，成品厚度變化范圍僅為±0.06mm，采用金剛石W20高速精磨加工，單次加工磨削尺寸就有0.1mm，因此在批量生產(chǎn)中，控制子片尺寸28±1(mm)有極大難度，這類子片曲率半徑R2的設計也影響了生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

因此有必要開發(fā)新折射率的子片材料，同時兼顧生產(chǎn)過程，設計子片曲率半徑系列數(shù)值。

基本思路是：對于基準400彎的鏡片，高FADD值采用高折射率材料；對于基準800彎的鏡片，低FADD值采用低折射率材料。

對于基準400彎的鏡片，根據(jù)式（7），基準檔1.00DS由確定，如果基準檔取值比1.00DS高一檔為+1.25DS ，計算可得n2=1.686；取值比 1.00DS高兩檔為+1.50DS ，計算可得得n2=1.719。這樣可以開發(fā)折射率為1.686和1.719的新光學材料用于制造高FADD值的產(chǎn)品。

3.3 模具系列標準化

根據(jù)以上對實際生產(chǎn)的分析，考慮材料開發(fā)難度和成本因素，選取兩種新材料，其中n2=1.719用于制造高FADD值的產(chǎn)品；用于制造低FADD值的產(chǎn)品。經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化和生產(chǎn)檢驗，得出標準子片折射率和曲率半徑系列如表3所示。

表3 標準子片折射率曲率半徑系列

從表3可見，配齊所有27種規(guī)格的雙焦粗毛邊鏡片產(chǎn)品，所需子片曲率半徑規(guī)格只需要8種，分別為SR∞、SR523、SR262、SR175、SR157、SR131、SR105、SR87.2，比初始設計的13種又大幅度減少。而且有效避免了生產(chǎn)中的質(zhì)量影響因素。

4 結(jié)語

本標準系列選用三種折射率子片材料，八種規(guī)格子片曲率半徑，最終滿足雙焦粗毛邊鏡片所有27個規(guī)格的設計要求。規(guī)范提出了生產(chǎn)全套27種規(guī)格的雙焦鏡片，只需要投入的八套子片模具系列，既經(jīng)濟又實用。本系列在生產(chǎn)執(zhí)行中，減少了雙焦鏡片生產(chǎn)過程中模具設計、制造時間，減少了光學樣板的加工，也減少了生產(chǎn)中更換產(chǎn)品規(guī)格的時間，即不同光度的產(chǎn)品可以使用同種曲率半徑系列，這樣大大提高了雙焦鏡片生產(chǎn)效率。同時本標準在設計中兼顧考慮了生產(chǎn)中質(zhì)量控制的問題，運用本標準系列在生產(chǎn)中可以降低工序質(zhì)量控制難度，有效地提高雙焦鏡片生產(chǎn)質(zhì)量。

本標準系列同時可運用于圓頂熔合光學雙焦鏡片、圓頂熔合變色雙焦鏡片、平頂融合光學雙焦鏡片、平頂融合變色雙焦鏡片以及相關(guān)弧頂雙焦等系列品種的雙焦鏡片生產(chǎn)。本設計思路也可以運用于開發(fā)新基準面的雙焦產(chǎn)品和開發(fā)子片新材料。