Клиенты магазина «САГА-ОПТИКА» постоянно просят рассказать о покрытиях, наносимых на очковые линзы, необходимости их нанесения, каким образом они влияют на оптические характеристики линз и каким образом повышают качество зрительного восприятия. Мы уже затрагивали эту тему в одной из наших статей «Что вы знаете об очковых линзах и их покрытиях?», но только в качестве обзора. В данной статье мы постараемся подробно раскрыть тему покрытий, наносимых на очковые линзы, их функциональных свойств и особенностей.

Многих удивляет то, что в оптических магазинах доминируют предложения по продаже очковых линз изготовленных из полимерных материалов.

Действительно, около 95% очковых линз, продаваемых сегодня в развитых странах, изготовлено из полимерных материалов.

Благодаря малому весу и исключительно надежной защите от травм, оптические полимеры заметно потеснили на рынке стеклянные материалы для очковых линз.

С другой стороны, массовое использование полимерных линз стимулирует производителей к разработке технологий, улучшающих их оптические качества и пользовательские характеристики. Один из испытанных способов улучшения свойств полимерной очковой линзы – нанесение покрытий на ее поверхности.

Покрытия могут повысить устойчивость линзы к царапанью, увеличить ее прозрачность и удалить косметически неприемлемые блики, сделать более устойчивой к загрязнению путем придания поверхности водоотталкивающих и антистатических свойств. Поэтому в последнее время получили распространение многофункциональные покрытия, включающие упрочняющий и несколько просветляющих (антибликовых) слоев.

Одним из последних достижений в оптической индустрии появление на мировом рынке просветляющих покрытий повышенной прочности предлагает компания BBGR — «Neva Max». Новое покрытие, по заявлению производителя, в 2,5 раза более устойчиво к образованию царапин по сравнению со стандартными просветляющими покрытиями.

Покрытие «Neva Max» — это инновационный прорыв команды исследователей и разработчиков известной французской компании BBGR. Оно было специально создано для предотвращения образования мелких царапин, неизбежно появляющихся при ежедневном ношении очков.

В состав покрытия «Neva Max» введен дополнительный эксклюзивный слой, обеспечивающий непревзойденные прочностные характеристики линзы.

УПРОЧНЯЮЩИЙ СЛОЙ

Очковые линзы из полимерных материалов хорошо противостоят механическому разрушению, чем и обусловлена высокая безопасность при ношении очков с полимерными линзами. Однако при ношении сказывается относительный их недостаток: они быстро царапаются вследствие мягкости материала линз. Царапины, конечно же, ухудшают не только косметические, но и оптические свойства очков и сокращают срок их службы. Повысить устойчивость поверхности органических линз к появлению царапин можно с помощью нанесения на линзы твердого покрытия. Такое покрытие, не изменяя оптических качеств очковой линзы, увеличивает стойкость ее поверхностей к возникновению царапин.

Так как минеральные вещества существенно устойчивее к царапанью, чем органические, на поверхность полимерной линзы стали наносить тонкий слой минерального материала (кварца). Впервые кварцевые покрытия появились в начале 70-х годов прошлого века, но уже к середине того же десятилетия стало понятно, что это не лучший выход из положения. Кварцевое покрытие легко отслаивалось из-за малой прочности соединения между упрочняющим слоем и полимером, кроме того, сказывалось различие коэффициентов температурного расширения – малого у кварца и значительного у полимерной основы. Поэтому даже те небольшие перепады температур, которым подвергаются очки при каждодневном использовании, очень быстро разрушали кварцевое покрытие. Кроме того, царапины, которые появлялись на поверхности линзы при сильном механическом воздействии, имели рваные края и были сильно заметны.

Механизм разрушения упрочняющего кварцевого покрытия можно продемонстрировать на приведенном примере: если сгибать линзу из полимерного материала, имеющую упрочняющее покрытие на обеих поверхностях, то одна поверхность линзы испытывает растяжение, а другая сжатие – оба покрытия испытывают разрушающее напряжение.

Следующее изобретение оказалось более удачным – силе стала противостоять гибкость. На поверхность линзы стали наносить кремнийорганическое соединение – полисилоксановый лак. Полисилоксановый лак обладает высокой эластичностью, благодаря чему создает поверхность, не повреждающуюся при контакте с абразивными частицами. После полной полимеризации лака поверхность очковой линзы приобретает высокую устойчивость к царапанью. Высокая эластичность слоя лака позволяет ему при перепадах температуры изгибаться вместе с материалом линзы, оставаясь при этом прочно соединенным с ее поверхностью.

Процесс упрочнения линз состоит из нескольких этапов. Чтобы покрытие не имело дефектов, в помещении, где производится нанесение покрытия, обеспечивается абсолютная чистота и проводится полная обеспыленность воздуха. Очень важно тщательно подготовить поверхность линзы. Сначала поверхность линз тщательно очищают ополаскиванием в ваннах с различными моющими и обезжиривающими химическими веществами, затем линзы промывают в ультразвуковой ванне. После этого линзы закрепляются в специальном устройстве, с помощью которого контролируется процесс создания покрытия, и погружаются в ванну с жидким полисилоксановым лаком.

Сохранение хороших оптических свойств очковой линзы, на которую наносится упрочняющее покрытие возможно только тогда, когда толщина покрытия одинакова на всей поверхности линзы. Равномерность покрытия обеспечивается поддержанием постоянства вязкости лака и скоростью погружения и извлечения линз из ванны с жидким лаком. За этим следят высокоточные измерительные приборы, управляемые компьютером. После извлечения из ванны линзы подвергаются нагреву в течение трех–четырех часов. Длительность нагрева зависит от материала, из которого изготовлена линза. В ходе этой термической обработки заканчивается полимеризация лака и повышается прочность соединения покрытия с поверхностью линзы.

ПРОСВЕТЛЕНИЕ ОЧКОВЫХ ЛИНЗ

Луч света, пересекающий под некоторым углом прозрачные среды с разными показателями преломления, претерпевает на границе сред определенные изменения. Одна часть луча пройдет внутрь второй среды, изменив свое направление. Другая часть отразится от поверхности раздела, вернувшись в первую среду. При этом соотношение прошедшего и отраженного света неодинаково. Доля отраженного света в основном определяется соотношением показателей преломления первой и второй среды и углом падения светового луча на поверхность раздела.

Таким образом, поверхность любого прозрачного предмета с показателем преломления, отличным от показателя преломления воздуха, отражает часть света, падающего на него. Очковая линза не является исключением из этого правила. Свет, отраженный от поверхностей очковых линз, не попадает в глаза, значит, не участвует в построении изображения на сетчатке. В результате видимое через очки изображение оказывается менее ярким и менее контрастным.

Но потеря света – это не единственная неприятность, связанная с отражением от очковой линзы. Отражение света происходит и при выходе света из очковой линзы в воздух, таким образом, отражение может оказаться многократным. Очковая линза имеет выпуклую поверхность, то есть по своей форме она напоминает кривое зеркало, которое не только отражает, но и искажает отражение. Это искаженное отражение накладывается на основное изображение, видимое пациентом через очки. Так как доля отраженного света невелика, искаженное изображение обычно очень слабое, оно практически не воспринимается пациентом. И все же это изображение затрудняет работу глаз и ускоряет наступление зрительного утомления.

Отражения от задней поверхности очковой линзы также создают неприятности. Предметы, расположенные позади пациента, отразившись от задней поверхности линз, могут казаться расположенными впереди глаз, нарушая нормальную ориентировку в пространстве. Особенно много неприятностей доставляют отражения от очковых линз, если в поле зрения пациента попадают источники света. Из-за высокой яркости они дают яркие отражения, заметно усложняющие работу глаз. В наибольшей степени от этого явления страдают водители (ослепление фарами встречных автомобилей), люди, вынужденные работать при искусственном освещении и люди, работающие у видеомониторов.

Принцип действия просветляющих покрытий заключается в создании условий для интерференции падающих на линзу и отраженных от нее лучей света. Интерференция происходит благодаря нанесению на поверхность линзы одной или нескольких тонких пленок различной толщины из прозрачных материалов с разными показателями преломления. Толщина пленок соизмерима с длиной волны света. Интерференция света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих пленок, приводит к взаимному гашению отраженных световых волн. Перераспределение энергии интерферирующих лучей усиливает интенсивность проходящего света. Эффект просветления будет максимален, если при угле падения лучей, близком к нормальному, толщина тонкой пленки окажется равна нечетному числу четвертей длины световой волны. Т.е. долю света, отражаемого линзой, можно существенно уменьшить, если нанести на обе ее поверхности специальное покрытие. В отечественной терминологии такое покрытие получило название просветляющего покрытия, в англоязычной литературе его называют «антирефлексным» или «антибликовым» покрытием, устраняющим отражения и световые блики. Все же более правильным названием следовало бы признать отечественное – кроме уменьшения отражения и устранения бликов на поверхностях, покрытие делает линзу как бы более прозрачной, а изображение, полученное с ее помощью, оказывается выше качеством.

Делаем вывод, что антибликовое покрытие позволяет линзе пропускать больше света. От обеих поверхностей линзы без просветляющего покрытия с показателем преломления 1,5 отражается около 7,8% света. Линза из материала с показателем преломления 1,9 отражает 18% света. Высококачественное просветляющее покрытие способно уменьшить долю отраженного света до значений менее 1%. Таким образом, при наличии на линзе просветляющего покрытия в построении изображения на сетчатке участвует больше света, изображение получается ярче и контрастнее. Субъективно это воспринимается пациентом как увеличение четкости изображения, видимого через очки с просветленными линзами. Кроме того, просветляющие покрытия предотвращают появление отражений ярких источников света, расположенных впереди и позади пациента. В итоге ослепляющее действие источников света существенно ослабляется, зрение становится комфортнее. Линзы с антибликовым покрытием обладают и косметическими преимуществами. Так как они не отражают окружающие предметы, через них хорошо видны глаза человека, носящего очки. Это способствует лучшему визуальному контакту при общении. Вследствие отсутствия отражений, линзы выглядят абсолютно прозрачными, а очки с просветленными линзами практически незаметны на лице.

В настоящее время выпускаются очковые линзы с одно-, двух-, трех- и многослойными просветляющими покрытиями. Покрытия с несколькими слоями уменьшают отражение большинства волн всего видимого спектра, а также лучей, падающих на линзу под различными углами. В целом, чем больше слоев в просветляющем покрытии, тем оно эффективнее.

Цвет антирефлексного покрытия виден в отраженном свете, поэтому если покрытие пропускает красный и синий цвета, то оно выглядит зеленым. Если оно имеет синий цвет, то пропускает более длинные волны (зеленый, красный и т. д.). Высокоэффективные покрытия обладают слабым остаточным рефлексом нейтральных тонов. Яркий остаточный рефлекс типичен для низкокачественных малоэффективных просветляющих покрытий. Так как не все просветляющие покрытия одинаково подавляют отраженный свет, возникает задача оценки их качества. Однако количественно определить эффективность покрытия визуально или с помощью приборов, обычно присутствующих в оптическом салоне, невозможно. В этом вопросе приходится полагаться на репутацию фирмы – производителя линз и предоставляемую фирмой информацию.

Технология нанесения просветляющих покрытий достаточно сложная. Наиболее распространенными сейчас являются вакуумные и химические методы нанесения покрытий. Химические методы, по сравнению с вакуумными методами, не требуют дорогостоящего оборудования и являются более экономичными при получении простейших видов покрытий. К сожалению, химические методы не позволяют наносить на линзы просветляющие покрытия должного качества. Высокоэффективное покрытие можно создать только в вакуумной камере.

Так как возможности нанесения покрытия определяются и свойствами материала линзы, для каждого материала приходится создавать свое покрытие и разрабатывать отдельный технологический процесс его нанесения.

Сначала поверхность линз тщательно очищают ополаскиванием в нескольких ваннах с различными моющими и обезжиривающими химическими веществами, затем промывают в ультразвуковой ванне. После этого линзы на специальной подставке помещаются в герметичную камеру установки, в которой создается вакуум. Внутрь установки подается разогретое до парообразного состояния вещество, которое, оседая на линзе, формирует тончайшую пленку. Толщина пленки контролируется высокоточными измерительными приборами. Поверх первого слоя наносят второй слой, материал которого имеет другой показатель преломления. Слои различной толщины из материалов с разными показателями преломления чередуются. Толщину слоев подбирают, добиваясь, чтоб отражение от каждой границы слоев гасило отражение света определенной длины волны от поверхности линзы.

Для создания высокопрочного просветляющего покрытия на поверхности стеклянных линз процесс нанесения покрытий проводят при температуре около 250°С.

Полимерные линзы нельзя нагревать до столь высоких температур, поэтому на них покрытия наносят при температуре 80–100°С. Перед нанесением просветляющего покрытия на полимерную линзу поверхность линзы покрывают слоем полисилоксанового лака, выполняющего роль упрочняющего покрытия. Эластичный лаковый слой препятствует повреждению просветляющего покрытия в ходе эксплуатации очков с просветленными линзами.

Антирефлексное покрытие должно обязательно присутствовать на поверхностях линз с показателем преломления, большим 1,5. Кроме того, доля отраженного света растет при косом падении лучей. Если световой луч образует с нормалью к поверхности очковой линзы угол 45°, потери на отражение увеличиваются в 2 раза. Для уменьшения отражения косых лучей тоже используют многослойные просветляющие покрытия.

Для того, чтобы пациент мог в полной мере ощутить преимущества просветленной очковой оптики, необходимо следить за чистотой поверхностей линз. Правильный уход за линзами с просветляющими покрытиями обеспечит сохранение их свойств на протяжении длительного времени. Линзы следует мыть в прохладной воде нейтральным моющим средством либо использовать для очистки линз специальные «спреи» и салфетки. Не следует протирать линзы бумагой, так как входящие в ее состав твердые частицы могут поцарапать поверхность. Полимерные линзы не следует подвергать резким температурным перепадам и действию высоких температур (температура может достигать 80°С в саунах, летом в салонах автомобилей, оставленных на солнцепеке. Температурный перепад может отрицательно сказаться на прочности антирефлексного покрытия.

ВОДООТТАЛКИВАЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

Линзы с просветляющими покрытиями позволяют глазам более полно использовать проходящий через очковые стекла свет, тем самым повышая качество зрения. Одновременно устраняется очень неприятный косметический недостаток – отблески с поверхности стекол. Однако иногда пациенты жалуются на быстрое загрязнение просветленных линз, отмечая при этом, что непросветленные линзы при использовании в таких же условиях почти не пачкаются. Действительно ли просветляющие покрытия способствуют быстрому загрязнению линз? Ответ на этот вопрос следует из самого принципа действия просветляющих покрытий. Самое интересное, что следствие загрязнения поверхности наглядно демонстрирует, насколько существенно повышается качество оптических поверхностей, приобретаемое при просветлении.

Отложения каких-либо веществ на поверхности просветляющего покрытия (воды, жира, пыли) приводит к тому, что в этом месте отрицательная интерференция, ослабляющая отражение от линзы, не происходит. Ведь эффект просветления сказывается при определенном показателе преломления окружающей среды, в нашем случае воздуха. Поэтому загрязнения, заменяя собой воздух, прилежащий обычно к линзе, лишают загрязненные участки поверхности всех полезных свойств, приданных им просветлением. В результате поверхность линзы разделяется на чистые участки, сохранившие антирефлексные свойства, и загрязненные, не обладающие такими свойствами. И теперь на фоне почти не отражающей просветленной поверхности становятся хорошо заметными участки «обычной», как будто и не просветлявшейся линзы. Разумеется, это явление обратимо: мытье линз полностью восстанавливает их антирефлексные свойства.

Почему же не так заметно загрязнение непросветленных линз? Потому что их поверхность отражает настолько большое количество света, что на этом фоне практически незаметны потери, дополнительно вносимые загрязнением. Таким образом, как просветленные, так и непросветленные линзы в процессе ношения очков пачкаются в одинаковой степени. Но загрязнения просветленных линз более заметны. И чем эффективнее просветляющее покрытие, тем более могут быть заметны загрязнения на его поверхности. Но и от этого неприятного свойства, пусть и легко устраняемого мытьем, просветленные линзы можно избавить с помощью еще одного – гидрофобного (водоотталкивающего) покрытия, наносимого поверх просветляющих слоев. Сглаживая микроскопические неровности на поверхности линзы, это покрытие затрудняет прикрепление грязевых частиц к поверхности линзы. Правильный выбор материала для покрытия может обеспечить следующее полуфантастическое явление: капли воды не растекаются по поверхности, а скатываются с линзы, не оставляя за собой влажного следа. Чем же обусловлено такое необычное поведение воды, оказавшейся на поверхности линзы? Водная капля состоит из отдельных молекул воды. В этой капле молекулы притягиваются с некоторой силой друг к другу. Поверхность линзы – это тоже молекулы, молекулы вещества, из которого состоит самый наружный слой линзы. Если сила притяжения между молекулой вещества линзы и молекулой воды больше, чем между двумя молекулами воды, водяная капля растечется по поверхности линзы, стремясь превратиться в тончайший слой толщиной в одну молекулу воды, приобретая вид пятна. Такой вариант взаимодействия между жидкостью и твердым телом называют «смачиванием» или гидрофильностью – вода смачивает вещество, из которого состоит наружный слой линзы. Сила притяжения молекул воды молекулами стекол и полимеров очковых линз больше силы притяжения между молекулами воды. В результате все линзы без гидрофобных покрытий смачиваются водой. Вещества, используемые для просветляющих покрытий, тоже смачиваются водой. Поэтому очковые линзы и с покрытиями, и без просветляющих покрытий, без защиты водоотталкивающего слоя будут быстро загрязняться. В том случае, когда сила притяжения между двумя молекулами воды больше силы, с которой поверхность линзы притягивает водную молекулу, капля воды стремится принять шарообразную форму . Образовавшийся водный шарик скатывается с поверхности, не оставляя следа. Такой тип взаимодействия между линзой и водой называют «несмачиваемостью» или гидрофобностью. Если на поверхность очковой линзы нанести слой гидрофобного вещества, капли воды можно удалять простым встряхиванием очков. При этом после их удаления на очковой линзе не остается пятен.

Смачиваемость твердого вещества какой-либо жидкостью специалисты оценивают величиной краевого угла. Для несмачивающих жидкостей этот угол тупой, для смачивающих – острый. Чем больше краевой угол, тем сильнее выражены водоотталкивающие свойства гидрофобного покрытия. Что дает знание величины краевого угла пользователю очками? Это позволяет ему сравнивать эффективность различных гидрофобных покрытий от разных производителей очковых линз. Наилучшим выбором всегда будет покрытие, характеризующееся максимальной величиной краевого угла.

Вещества, используемые для гидрофобных (водоотталкивающих) покрытий, относятся к группе алкилсиланов. В составе каждой молекулы алкилсилана есть хотя бы одна группа SiO, обеспечивающая прочное соединение гидрофобного слоя с линзой, а также углеводородная цепочка, наделяющая вещество гидрофобными свойствами. Толщина гидрофобного покрытия очень мала. Обычно она составляет не более 1/10 толщины одного просветляющего слоя, то есть всего несколько молекул.

Очковые линзы с гидрофобными покрытиями обладают существенными преимуществами. Они более устойчивы к загрязнению и дольше остаются чистыми. Это гарантирует пользователю сохранение хороших оптических свойств линз при ношении очков. Гидрофобные свойства поверхности линз также существенно упрощают уход за очками: линзы легко очищаются при вытирании специальной салфеткой. Их поверхность легко осушить после мытья, при этом вода не оставляет разводов на линзах. Конечно, возникает вопрос – но это о воде, а жиры, пыль? Как раз отрицательным свойством гидрофобных покрытий является высокое сродство к жирам, из-за чего удалить жировые загрязнения с поверхности линзы становится сложнее. Но не всегда. Многие фирмы-производители линз имеют свои способы и составы покрытий, в том числе и с водогрязежироотталкивающим эффектом.

Каждое такое покрытие имеет свое специальное имя. Поэтому линзы с таким покрытием более стойки к жировым загрязнениям, а при необходимости – легко очищаются от жиров.

Технология получения водогрязежироотталкивающих подобна технологии, применяемой для просветления очковых линз. Вещества покрытий переводят в парообразное состояние. Образовавшийся пар в вакуумной камере оседает на линзы, формируя очень тонкий водогрязежироотталкивающий слой.

Несмотря на экономический кризис, сектор очковой оптики продолжает развиваться, свидетельством чему является большое число новинок, появившихся у компаний. Многие мировые производители очковых линз стали предлагать покрытия, обладающие улучшенными по сравнению с предыдущими вариантами фирменных покрытий характеристиками, в том числе с более высокими антистатическими свойствами, делающими изделия очковой оптики более прочными и долговечными.