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眼镜镜片和隐形眼镜的材料的历史发展、应用和进步
本站原创2022-10-30 14:21:25


视觉障碍是指由于某种疾病或疾病导致眼睛或视觉系统的功能受限,导致受影响的个体无法执行与日常生活相关的视觉相关任务。1据估计,全世界有13亿人患有某种形式的VI。2大约80%的VI被认为是可以避免的,未矫正的屈光不正是主要原因之一。2屈光不正大致分为近视、远视、散光和老花眼,3可以通过使用眼镜、隐形眼镜或手术来矫正。这篇评论文章将描述用于眼镜镜片和隐形眼镜的材料的历史发展、应用和进步。


最早记载的阅读设备是公元10世纪僧侣使用的玻璃“阅读石”,而有限的记录表明,眼镜可能是在1280年至1300年间在意大利佛罗伦萨发明的。4这些是手持式的,由两个凸面石英镜片组成周围环绕着一圈橡木或牛角铆接在一起,很可能是用来矫正老花眼的。4威尼斯在14世纪初主导了眼镜片行业,而15世纪中叶印刷机的出现导致印刷材料的可及性增加,并加剧了对眼镜的需求。4


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直到16世纪下半叶,眼镜片加工才与玻璃制造区分开来,镜片按焦度分级。4旅行小贩会试卖眼镜4因为当时没有屈光不正的测量值。


为了更好地了解眼镜片的开发和使用,应考虑验光检查和仪器领域的进步。HermannvonHelmholtz于1850年5和1855年推出了检眼镜。3Snellen视力表于1862年推出5而屈光不正测量单位,屈光度,是由FelixMonoyer在1872年提出的5并进行了实验。FerdinandCuignet的检眼镜在1873年首次实现了对屈光不正的客观测量。4基于这些记录在案的历史发展,有趣的是,屈光不正的测量在眼镜制造和使用之后发展良好。


在引入聚合物或塑料材料之前,眼镜片仅由玻璃制成。3第一次世界大战后,聚合物技术的进步催生了新形式的塑料,对光学行业最重要的是1930年代聚合甲基丙烯酸甲酯的发明。6具有良好的光学性能,直到1940年代发明了由烯丙基二甘醇碳酸酯制成的丙烯酸树脂之前,它一直用于制造眼镜镜片。6


尽管玻璃仍被广泛使用,但作为光学镜片的CR-39?的制造和加工于1946年开始大规模生产。6然而,美国食品和药物管理局对玻璃镜片提出了安全要求在1972年,随着眼镜框尺寸较大的流行趋势导致玻璃镜片的厚度和重量增加,从而提高了塑料镜片的普及率。


聚碳酸酯吸收所有低于380纳米的紫外线辐射,这与必须经过处理以提供紫外线防护的皇冠玻璃和CR-39?不同。3加入紫外线吸收剂还可以防止镜片材料风化和变脆。11


尽管实心有色玻璃镜片从1600年代中期就已经开始生产了3,但在1885年Theodore-EdouardFieuzal首次记录了短波长光与眩光敏感性之间的联系,随后建议使用有色或吸收性镜片保护眼睛免受眩光和明亮的阳光。12着色过程减少了通过镜片的光透射,并控制环境阳光的水平,同时保持正常的色觉和立体视觉。3色调可以是纯色或光致变色的,即在环境紫外光和短波长可见光存在下可逆地变化。3


纯色或固定色调向玻璃混合物中添加特定的金属盐会产生固体色调。3高倍率镜片中的不均匀色调后来通过使用真空镀膜工艺解决。3相比之下,塑料镜片的固体着色是在染浴中完成的,染料被吸收到镜片表面,从而实现均匀的着色密度。3

光致变色尽管W.Marckwald是在1899年第一个发现固态有机光致变色化合物的人,13但直到1950年代之后,才制造出新的有机和无机分子以在眼镜镜片中产生光致变色效果。玻璃光致变色镜片含有嵌入玻璃基板内的卤化银晶体。3在UVA光存在的情况下,来自玻璃的电子与无色银阳离子结合形成元素银,激活时会导致外观变暗,而随后去除激活剂会使镜片恢复透明状态。14

第一个商用塑料光致变色镜片于1982年推出。14塑料镜片中使用的有机光致变色材料可能包括螺吡喃、螺恶嗪和萘并吡喃。14高折射率塑料材料不易对标准光致变色染料产生反应,直到开发出一种工艺,在该工艺中将螺二氢吲哚光致变色染料插入聚碳酸酯镜片表面上的几层聚氨酯涂层之间,从而使整个镜片的色调密度均匀。3


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机动车辆挡风玻璃有一层聚乙烯醇缩丁醛内层,内层含有紫外线吸收剂,可防止车内发生光致变色活化。15然而,最近的一项创新是使用具有不同光谱灵敏度的光致变色化合物的组合,使光致变色分子现在可以在车辆挡风玻璃后面激活。15


抗反射涂层虽然抗反射镜片涂层的概念最初是在1880年提出的,16但在自然界中首次观察到这种涂层是在1886年,当时注意到与新玻璃相比,老化的眼科玻璃失去光泽可以实现更大的透光率.171935年,卡尔蔡司公司生产了第一款基于干扰的ARC。17通过在两个透镜表面上应用透明材料薄膜来减少表面反射,其厚度应为入射光波长的1/4,并且折射率低于透镜。3为了使用冠状玻璃材料实现这一点,在镜片表面涂上一层薄薄的氟化镁。3

使用双层涂层克服了在塑料镜片上应用ARC的最初挑战。目前,通过物理气相沉积技术在每个镜片表面应用多层,由交替的高和低指数介电材料的四层涂层组成。18最近,这些涂层包含一个蓝光控制滤光片,以规避对视觉显示单元和智能手机发出的高能可见光过度暴露的担忧。11这可以通过抑制HEV光的表面涂层或通过在材料中加入黄色吸收染料来实现。11


防刮涂层尽管皇冠玻璃被认为是一种耐用的材料,但轻微的缺陷可能会显着削弱它,因此必须使用热或通过离子交换过程进行化学回火。3塑料镜片容易划伤,因此建议使用防刮涂层。这可以通过在镜片表面上真空沉积一层二氧化硅6或使用浸涂或旋涂工艺来实现。18

最近采用了多层表面涂层。这些包括提高镜片抗冲击性的底漆涂层、硬涂层、多层抗反射叠层和面漆。18面漆通过静电排斥水分子提供疏水性能,并具有防止在镜片表面形成油脂沉积的疏油功能。19


眼镜镜片材料进步的主要发展在时间轴中突出显示。理想的眼镜镜片材料应对可见光透明、均质、无像差、不易翘曲、抗冲击性好、易于加工、易于接受表面涂层和着色,且不应对镜片产生不良反应。


为了在配戴眼镜时提供最佳镜片轮廓,需要考虑的一些因素包括佩戴者的处方、职业、生活方式和预算。镜框眼睛尺寸的选择和定制数字化镜片技术的使用也可以改善镜片轮廓。


与镜片材料相关的一些相关术语包括折射率,它描述了光线进入镜片材料时的折射。20更高的折射率提供更多的光折射,因此更薄的镜片轮廓可用于高折射误差校正。


比重是指材料与水相比的密度,比重越高表示镜片越重。21阿贝值衡量材料分散光的能力,阿贝值越高表明色差的可能性越低。21通常,折射率较高的镜片材料可提供更薄的镜片轮廓,但色差更大,而更平坦的镜片曲线会增加表面反射。21这些缺点可以通过在镜片表面应用ARC来消除。21同样重要的是要注意,表面涂层可能会降低镜片的抗冲击性。7


这些镜片通过可逆地改变折射率或镜片形状来纠正屈光不正。35液晶设计结合了结晶固体和液体的特性,35并受到了很多关注,尤其是在老花眼的矫正中。36在其固态下,LC分子按规则排列并保持在固定位置。35施加受控电流后,LC分子会旋转成液态,从而改变折射率,从而改变焦距。35


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液晶眼镜镜片具有默认的远视力矫正功能,通过触摸镜腿上的传感器,镜片的LC部分成为主动阅读处方。37这由镜腿末端的可充电电池供电。37使用这项技术,一家制造商已将“全聚焦镜片”商业化,这种镜片在两层氧化铟锡涂层玻璃之间有一层LC层。镜框上的38个红外传感器测量佩戴者的瞳孔间距信息,并将其传输到嵌入式处理单元。38然后电流会重新排列LC分子,以便将视力适当地校正到所观察的距离。38与渐进镜片设计不同,该镜片提供了完整的阅读视野。38


在LC太阳镜中,当框架上的传感器被激活时,镜片颜色会根据环境条件发生变化。39这可以保护佩戴者免受短波和长波可见光的伤害。39


尽管最近的研究集中在使用具有嵌入式LC层的水凝胶材料,但开发了一种由PMMA制成的原型LCCL来矫正老花眼。36从远视力切换到近视力需要外部电子设备,可能是无线技术,使用眨眼检测或接近传感器来跟踪眼睛会聚,或在会聚期间瞳孔大小的变化作为诱导屈光力变化的可能方法。36


超透镜

超透镜原型是一个平面透镜,厚度约为1微米,既没有折射也没有衍射特性。40这个原型镜片没有使用均质玻璃或聚合材料,而是具有数百万个由二氧化钛制成的“纳米柱”,这些“纳米柱”被定制排列在一个表面上,以弯曲光谱以纠正屈光不正。40随着对感知光谱和图像分辨率的提议改进,矫正高度屈光不正所需的笨重笨重的镜片可能会被归入博物馆。


三维打印

增材制造或三维打印是指基于计算机辅助设计的3D对象的创建,该对象以结构化的逐层技术打印。41传统上,眼镜镜片是从半成品坯料切割和加工成规格的,产生不可回收的废品。42镜片毛坯通常从不同的原产国批量生产和运输,这进一步增加了产品的碳足迹。最近,一家眼镜片制造商已将3D打印平台整合到眼科实验室环境中。42定制设计的镜片按需印刷,成品只需几个小时,无需库存,同时减少浪费、水和能源消耗。42


3D打印领域具有许多潜在的眼科应用,包括为面部畸形患者量身定制的眼镜43和定制设计的3D打印角膜。41最近用于矫正屈光不正的3D打印CL原型嵌入了偏振滤光片,以减轻光敏性癫痫患者的癫痫发作。44


用于眼部药物输送的镜片

用于眼部药物输送的新型CL材料正在研究中,包括一种双网络、互穿水凝胶,它结合并保留了两种选定水凝胶的各自特性。45温度和pH响应镜片材料在暴露于眼部温度或pH值时会改变其构象,从而允许将嵌入或封装的药物释放到眼睛中。45一项离子电渗CL获得了专利,其中带电的治疗分子被无创地推进到眼睛的前房或后房,从而可能消除对用于某些慢性视网膜疾病和特定黄斑水肿的侵入性眼部注射的需要。46


仿生镜片

开发了原型CL,其中由眼球运动产生的眼电信号可促使晶状体激活。47预计这种由电活性介电弹性体薄膜、PMMA和聚对苯二甲酸乙二醇酯材料组成的镜片设计可用于制造视觉假体,或通过双眨眼机制实现远近视力的自动可调焦距,或用于通过EOG信号远程控制软机器人。


自从旅行眼镜小贩时代以来,视力矫正的方法已经取得了巨大的进步。这包括用于生产眼镜镜片和隐形眼镜的材料和制造工艺的进步。考虑到过去半个世纪的重大发展,预计新兴技术将在未来矫正视力的方式中发挥至关重要的作用。




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