За последние десятилетия значительно улучшилось качество оптических покрытий — благодаря усовершенствованию оборудования, материалов и технологических процессов их нанесения. Сегодня оптики хорошо представляют себе основные преимущества упрочняющих и просветляющих покрытий, однако однотипные покрытия, то есть только просветляющие или упрочняющие, не могут удовлетворить все требования пользователей. Поэтому ведущие производители очковых линз разрабатывают комплексные многофункциональные или, как их еще называют, универсальные либо интегральные покрытия, которые гораздо эффективнее обеспечивают наиболее высокие оптические свойства очковых линз, а также их долговечность.
Недостатки однотипных покрытий очковых линз
Мы неоднократно рассказывали о принципе действия и преимуществах просветляющих покрытий, которые удаляют мешающие отражения от поверхности очковых линз и увеличивают их светопропускание. Исследователями было также доказано, что просветляющие покрытия улучшают контрастность, ночное зрение и делают окружающие предметы более четкими и ясными. Однако следует понимать, что в случае нанесения на поверхность органических очковых линз одних лишь просветляющих покрытий устойчивость таких покрытий и самих очковых линз к повреждениям при их эксплуатации будет крайне невысокой.
В процессе эксплуатации очковых линз на покрытия воздействуют три вида повреждающих воздействий:
а) контакт с твердыми предметами, который способствует образованию царапин, нарушающих целостность поверхности покрытий;
б) мелкие частицы, прилипающие к поверхности вследствие накопления зарядов статического электричества;
в) вода, грязь и различные жироподобные загрязнения, прочно прилипающие к поверхности покрытий.
Пористая структура большинства просветляющих покрытий способствует глубокому проникновению жироподобных загрязняющих веществ, что затрудняет очистку очковых линз. Недаром уход за первыми просветляющими покрытиями был более сложным, а у пользователей очков формировалось стойкое убеждение, что просветленные очковые линзы быстрее загрязняются. Хотя в реальности все загрязнения, а также мельчайшие повреждения были просто более четко видны на просветленной поверхности. Следует также иметь в виду, что при нанесении непосредственно на поверхность органических очковых линз просветляющие покрытия проявляют невысокую адгезию и абразивостойкость вследствие разных физико-химических свойств материала неорганических просветляющих слоев и органической подложки. Совокупность всех вышеперечисленных условий приводила к ограничению срока полезной эксплуатации линз с просветляющими покрытиями.
Очковые линзы с просветляющими покрытиями уже достаточно давно представлены на рынке, но уровень их продаж в разных странах различен: в США – 25% от общего объема реализации линз, в Италии – 60%, в Германии – 70%; прирост продаж просветленных линз за 2001 год в Великобритании составил 10%, во Франции продажи таких очковых линз ежегодно растут на 1%.
Одиночные упрочняющие покрытия улучшают устойчивость очковых линз к абразивному износу, но не решают проблем мешающих отражений, которые резко возрастают с увеличением показателя преломления очковых линз. Напомним, что с увеличением показателя преломления от 1,498 (CR-39) до 1,710 (HOYA Teslalid) отражение от одной поверхности возрастает от 4,0 до 6,9%. К тому же упрочняющие покрытия способны к электризации и притягиванию мелких частиц пыли, а также разнообразному жировому загрязнению. В результате при рекомендации очковых линз покупателям оптики-профессионалы были вынуждены выбирать между долговечностью упрочняющих покрытий, с одной стороны, и высоким светопропусканием и отсутствием мешающих отражений просветляющих – с другой. В действительности же пользователи нуждаются в едином оптическом покрытии, которое должно сочетать в себе преимущества просветляющих (обеспечивающих высокие оптические характеристики очковых линз) и упрочняющих покрытий (абразивостойкость и долговечность очковых линз), предоставляя при этом бо’льшую простоту ухода.
Многофункциональные покрытия очковых линз
Многофункциональные покрытия разработали многие ведущие мировые производители органических очковых линз: компания «Essilor» – покрытие «Crizal», «Carl Zeiss» – «Carat», «Rodenstock» – «Solitaire», «Sola» – «Teflon EasyCare» и др. Анализ структуры этих покрытий позволяет сделать вывод, что они состоят из упрочняющего слоя, широкополосного просветляющего покрытия и верхнего, «завершающего», гидрофобного покрытия. Однако в процессе разработки все более устойчивых к абразивному износу упрочняющих покрытий ученые обнаружили, что чем лучше качество этого покрытия, тем больше оно уменьшает ударопрочность очковых линз, то есть делает их более хрупкими.
Проблема усугублялась с нанесением просветляющего слоя, а также использованием для производства очковых линз высокопреломляющих органических материалов (то есть с показателем преломления выше 1,66). Известно, что собственная устойчивость к ударным нагрузкам у высокопреломляющих материалов ниже, чем у CR-39, а нанесение упрочняющего покрытия может привести к тому, что такие очковые линзы не будут выдерживать испытания падающим шариком. Однако было установлено, что нанесение на поверхность очковых линз дополнительного, так называемого упругого покрытия позволяет улучшить параметры ударопрочности. При воздействии на очковую линзу с обычным упрочняющим покрытием ударной нагрузки энергия удара проходит по прямой к внутренней поверхности очковой линзы, которая начинает испытывать разрушающее напряжение. Разрушение такой линзы будет более вероятным, чем очковые линзы с нанесенным дополнительно упругим покрытием. Упругое покрытие распределит энергию удара по большей поверхности и не через наиболее узкое место очковые линзы, тем самым предохраняя ее от разрушения. Опыты показали, что очковые линзы с дополнительным упругим покрытием выдерживают испытание падающим шариком даже при изготовлении их с толщиной по центру всего в 1 мм. Подобные ударопрочные покрытия имеются в ассортименте таких компаний, как «Hoya», «Seiko», «Pentax Vision», «Optima» и ряда других.
Сегодня на рынке представлены разнообразные органические оптические материалы, различающиеся как по оптическим, так и по физико-механическим свойствам. Производители поняли, что нельзя наносить одни и те же покрытия на разные очковые линзы, а необходимо модифицировать их структуру и состав слоев, чтобы добиться наибольшей адгезии между слоями, оптимальной абразивостойкости и долговечности. В настоящее время многофункциональные покрытия для очковых линз с различным показателем преломления наносятся согласно специально разработанным для каждого случая технологическим процессам. Некоторые производители используют дополнительный адгезионный слой, который увеличивает адгезию между слоями многофункционального покрытия и полимерной линзой, другие – дополнительный буферный слой в структуре просветляющего покрытия, обеспечивающий большую равномерность коэффициентов термического расширения. В составе просветляющего покрытия может быть также дополнительный антистатический слой, существенно снижающий величину и скорость накопления зарядов статического электричества. Качественные многофункциональные покрытия позволяют сделать очковые линзы более прозрачными, более чистыми, а также более долговечными.
Бo’льшая прозрачность очковых линз
Как уже было сказано, в составе многофункциональных покрытий последнего поколения имеется просветляющее покрытие на основе оксидов неорганических соединений, которые резко снижают отражение от обеих поверхностей очковых линз, увеличивая ее светопропускание. Современные просветляющие покрытия являются многослойными, состоящими из чередующихся тонких оптических пленок с высоким и низким значениями показателя преломления.
Хотя многослойное просветляющее покрытие значительно уменьшает отражение и устраняет паразитные изображения, какая-то часть падающего светового потока все-таки отражается. Оттенок остаточного отражения является результатом взаимодействия падающего светового потока и тонких оптических пленок, входящих в состав просветляющего покрытия. Большинство представленных на рынке просветляющих покрытий имеют максимум остаточного отражения в области 550 нм – желто-зеленой области спектра видимого излучения, которая соответствует максимальной чувствительности человеческого глаза. Однако у ряда производителей, например у компании «Sola Inernational» в покрытии «Teflon EasyCare», максимум отражения сдвинут в более короткую синюю составляющую солнечного спектра.
Сдвиг максимума отражения позволяет уменьшить интенсивность остаточного отражения в области максимальной чувствительности человеческого глаза примерно в два раза, к тому же интенсивность цвета остаточного отражения также снижается. С точки зрения комфорта пользователя уменьшение интенсивности остаточного отражения означает, что паразитные изображения и отражения от внутренней поверхности очковой линзы становятся в два раза менее видимыми, чем у очковых линз с обычными просветляющими покрытиями, и в десять раз менее видимыми, чем при пользовании очковыми линзами вообще без просветления. По результатам испытаний, проведенных компанией «Sola Inernational», 74% пользователей с точки зрения комфортности отдали предпочтение покрытию «Teflon EasyCare» при сравнении их с обычными просветляющими покрытиями с зеленым оттенком остаточного отражения.
Более чистые очковые линзы
«Завершающие» гидрофобные покрытия, которые являются последним слоем многофункциональных покрытий, предназначены для улучшения очистки просветленных очковых линз. Химическая структура гидрофобных покрытий такова, что уменьшает смачиваемость поверхности очковых линз водой, что проявляется в увеличении угла смачивания капель воды, нанесенных на поверхность гидрофобного покрытия. Увеличение угла смачивания является практическим доказательством уменьшения энергии взаимодействия между молекулами воды и поверхностью очковые линзы, а также доказательством снижения собственной свободной энергии данной поверхности. Это позволяет более просто удалить капли жидкости с поверхности очковых линз. Однако не все «завершающие» покрытия одинаковы. Качественные покрытия должны обладать комплексом гидрофобных (водоотталкивающих) и олеофобных (жироотталкивающих) свойств, поскольку загрязнения на очковых линзах могут быть вызваны как водорастворимыми, так и жирорастворимыми веществами. Результаты испытаний по удалению загрязнений с поверхности очковых линз механическим протиранием мягкой тканью показывают, что после 20 протираний с поверхности очковых линз с многофункциональным покрытием было удалено 90% загрязнений, с поверхности просветленных очковых линз – 50%, с поверхности органических очковых линз без покрытий – только 30%.
Бо’льшая долговечность очковых линз
Длительное время при продаже очковых линз с просветляющими покрытиями оптики сталкивались с проблемой недостаточной их долговечности в процессе эксплуатации. Это происходило потому, что первые просветляющие покрытия наносили непосредственно на поверхность очковых линз или недостаточно правильно подобранных упрочняющих покрытий. Ни очковые линзы, ни первые упрочняющие покрытия не являлись оптимальной подложкой для просветляющих слоев. Различия в физико-механических свойствах полимеров и просветляющих слоев – по твердости, эластичности, коэффициентам линейного термического расширения и коэффициентам сжатия под воздействием нагрузки – приводили к отслаиванию, разрушению покрытий, а также к образованию царапин.
Сегодня ряд производителей, например «Essilor», «Sola International», разработали принципиально новые нанокомпозитные упрочняющие покрытия, состоящие из композиции на основе органических силоксановых соединений, в которой распределены частицы из коллоидного кремния размером от 10 до 20 нм. Эти частицы значительно меньше длины световой волны, что позволяет избежать диффузии света и делает покрытия прозрачными. Введение коллоидных частиц кремния делает возможным повысить твердость покрытий по сравнению с обычными полисилоксановыми – так, содержание кремния в них может достигать 50%.
Нанокомпозитные покрытия обладают рядом уникальных свойств:
- высокой устойчивостью к образованию глубоких царапин, что предупреждает хрупкое разрушение неорганических просветляющих слоев;
- относительно высокой гибкостью, что позволяет покрытию претерпевать значительные деформации вместе с полимерной подложкой – очковой линзой;
- исключительно низким коэффициентом трения, что способствует увеличению устойчивости к абразивному износу, так как частицы неправильной формы не могут «зацепиться» и скользят по поверхности.
Кроме того, нанокомпозитные покрытия позволяют получить более стабильную подложку для нанесения просветляющих пленок. Можно сказать, что такие покрытия объединяют физические и механические свойства органической очковой линзы и неорганических просветляющих слоев, преодолевая противоречия между мягким и гибким материалом очковой линзы и жестким и хрупким материалом просветляющего покрытия. Это способствует снижению растрескивания и отслаивания покрытий, а также значительному уменьшению интенсивности образования царапин. Наличие «завершающего» гидрофобного покрытия с очень низким коэффициентом трения также способствует увеличению устойчивости к образованию царапин, так как твердые частицы скользят по поверхности, не разрушая ее.
Сегодняшнее время можно назвать началом эры высококачественных многофункциональных покрытий, но это не означает, что эволюция данных видов продукции завершена. Сегодня на развитии технологии оптических покрытий сосредоточены усилия большинства ведущих компаний – производителей очковых линз, а также компаний – производителей оборудования для нанесения оптических покрытий.