CN105842877A - 一种色觉矫正镜片、色觉矫正装备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色觉矫正镜片、色觉矫正装备及其制造方法，色觉矫正镜片包括镜片本体，镜片本体正面沉积有具有选择透射截止光谱特性的全介质多层膜堆，镜片背面沉积有可见光波段的宽波段减反射多层膜堆，满足：在545nm‑555nm波段透过率小于等于1％；在435nm‑450nm波段透过率为15～25％；在640nm‑655nm波段透过率为25～35％。本发明选择合适的高低折射率膜层设计，使得在特定波段截止透射，而其余可见光波段无碍透过，得到全部的环境具象信息、亮暗信息和更为丰富的色彩信息，大大减弱目标群体的色觉异常问题，提高该群体学习、工作、生活的质量和满意度。本发明结构紧凑、制造过程简单，成本低，便于大规模生产。

Description

一种色觉矫正镜片、色觉矫正装备及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种生活设备，具体涉及一种色觉镜片、色觉矫正装备及其制造方法，可应用于显示、生命医学等领域。

背景技术

人眼具有分辨黑白和色彩的能力，是因为人眼视网膜上存在着视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞可以察觉外部环境的亮度信息，而视锥细胞则主要用来分辨各种颜色，其中视锥细胞细胞又可以分为L、M、S三种类型的视锥细胞。每种视锥细胞对入射光谱有不同的光谱响应程度，L类视锥细胞主要对可见光谱的长波区域响应，S类视锥细胞对可见光谱的短波区域响应，M类视锥细胞则对可见光谱的中间波段响应。正常的人眼，L类视锥细胞和M类视锥细胞光谱响应曲线有40纳米左右的偏移。当M类视锥细胞和L类视锥细胞光谱响应曲线接近甚至重合时，人眼色觉就会发生异常，这是常见的红绿色觉异常。当M类视锥细胞光谱响应曲线向L类视锥细胞光谱响应曲线靠近时，这时的色觉异常就是绿色觉异常；当L类视锥细胞光谱响应曲线向M类视锥细胞光谱响应曲线靠近时，这时的色觉异常就是红色觉异常。这种红绿色觉异常是一种隐形基因控制的先天性异常，在男性群体中出现几率为5％-7％，在女性群体中出现几率小于1％。目前并没有药物或其他医学方法对该种色觉异常进行治疗或者矫正。

发明内容

本发明提出的一种色觉矫正镜片以及带有该镜片的眼镜设备，利用该镜片可以极大地提高色弱人群对真实色彩的感知能力，而且性能稳定，环境友好，可以为红绿色觉异常的群体提供一种切实有效的色觉异常减弱手段，极大提高了该群体学习、工作、生活的质量和满意度，从而推进人类社会进步。

本发明还提供了一种色觉矫正镜片的制备方法，该方法只需使用到真空沉积技术，避免了电子束曝光、激光直写或者纳米压印等复杂技术，整个方法步骤简单，适于工业化生产。

一种色觉矫正镜片，包括镜片本体，所述镜片本体正面沉积有具有选择透射截止光谱特性的全介质多层膜堆，镜片背面沉积有可见光波段的宽波段减反射多层膜堆，所述全介质多层膜堆满足：

在545nm-555nm波段透过率小于等于1％；

在435nm-450nm波段透过率为15～25％；

在640nm-655nm波段透过率为25～35％。

380nm—780nm其余波段透射率大于90％；进一步讲，在设计阶段，目标光谱设置为380nm—430nm范围内100％透射；455nm—540nm范围内100％透射；560nm—635nm范围内100％透射；660nm—780nm范围内100％透射。镜片背面沉积可见光波段的宽波段减反射多层膜堆后，镜片380nm—780nm其余波段透射率大于95％。

作为优选，所述全介质多层膜堆满足：

在545nm-555nm波段透过率小于等于1％；

在435nm-450nm波段透过率为20％；

在640nm-655nm波段透过率为30％。

本发明中，两块镜片上的特殊膜系实现的光学特性与一般的无该膜系的镜片有明显不同。一般的普通镜片，只需要在可见光波段380nm-780nm范围内实现高透射(92％以上)。而本发明一种色觉矫正装置中的镜片在可见光波段380nm-780nm范围内有着特殊的光谱调制特性。

1)在特定波段545nm-555nm波段透过率小于等于1％。导致大部分色觉异常的生理学机制是，色觉异常人群的L类视锥细胞和M类视锥细胞光谱响应曲线异常，相比于正常人群，他们的L类视锥细胞光谱响应波峰和M类视锥细胞光谱响应波峰之间的距离小于正常值，导致对颜色的区分能力大大降低。这种选择性的截止透射可以将L类视锥细胞和M类视锥细胞光谱响应曲线的异常区域摒弃，使L类视锥细胞和M类视锥细胞通过其他波段的光谱信息来实现颜色分辨。545nm-555nm波段位于L类视锥细胞和M类视锥细胞光谱响应曲线的两个波峰之间，在此处设置一个透射截止带，能够滤除视锥细胞光谱响应异常波段的光谱，使L类视锥细胞和M类视锥细胞通过其他波段的光谱信息来实现颜色分辨，能够排除光谱响应异常波段的干扰，提高颜色分辨能力。

2)在特定波段435nm-450nm波段设置为20％透过率。此波段覆盖S类视锥细胞的光谱响应峰值波段。通过在此波段设置20％的光谱透过率，能够平衡S、M、L三种视锥细胞的光谱刺激值。由于545nm-555nm波段被滤除，M和L类型视锥细胞的在光谱上积分的得到总刺激值被削减，而S类视锥细胞在光谱上积分得到的总刺激值几乎没有变化，会引起S、M、L三个通道刺激值的比例失衡。通过在435nm-450nm波段设置20％透过率，能够降低S通道的刺激值，使得三通道各自的刺激值比例(比如S:M,S:L)回归到正常范围内。

3)在特定波段640nm-655nm波段设置为30％透过率。此波段的光谱特性设置是为了实现白平衡，补偿上述两个截止滤波带引起的偏色问题。在CIE1931标准色度学系统中，通过对光谱功率进行积分，计算出太阳能光谱光源标准D65光源透过上述光谱调制后，颜色仍为白色，能够很好地实现白平衡。这意味着本发明外观上看起来就如同常规的眼镜，避免了出现绿色或者红色等明显的颜色，能够有效保护色觉异常人群的隐私。

本发明一种色觉矫正装置的选择性透射的光学特性是通过在镜片表面沉积高低折射率介质膜堆(HL)^s来实现。此时的多层膜堆可以使得380nm-430nm波段、455nm-540nm波段、560nm-635nm波段、660nm-780nm波段的外界可见光几乎都透射进入人眼，形成各种外界信息，同时将545nm-555nm波段的外界可见光排除在人眼之外，充分放大L类视锥细胞和M类视锥细胞的有效光谱响应程度。镜片背面的减反射膜系可以使得大角度入射到镜片背面的光线不会进入人眼，提高人眼的视觉感知。

作为优选，所述全介质多层膜堆或宽波段减反射多层膜堆均由交替设置的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层组成；其中全介质多层膜堆顶面和底面均为低折射率材料膜层；所述宽波段减反射多层膜堆中靠近镜片本体的第一层为高折射率材料膜层，最顶层为低折射率材料膜层。

一般的，(HL)^s膜系中，高折射率材料可以选择二氧化钛、二氧化铪，五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；进一步优选为二氧化钛。低折射率材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；进一步优选为二氧化硅。镜片材料可以选择白玻璃、K9玻璃、BK7玻璃、环氧树脂、ZF6玻璃、紫外熔融石英、ZF52、有机玻璃(亚克力、PMMA、聚甲基丙烯酸甲酯等)、CR-39(聚丙烯基二甘醇碳酸酯)、PC(聚乙碳酸酯)、PS(苯乙烯)。根据所选的高低折射率材料和镜片材料，可以根据所需要的透射光谱特性，优化设计出所需要的结构尺寸。高低折射率材料的折射率差值会影响选择性透射截止的带宽，折射率差值越大，透射截止的带宽越宽。

作为优选，高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁。作为优选，所述低折射率材料为二氧化硅；

作为优选，所述全介质多层膜堆的总层数为55～65层，其中高折射率材料膜层厚度为5～210nm，低折射率材料膜层厚度为7～245nm；

作为优选，所述宽波段减反射多层膜堆的总层数为6～10层，其中高折射率材料膜层厚度为7～75nm，低折射率材料膜层厚度为8～95nm。

作为优选，所述镜片材料为K9玻璃。

本发明提供了一种色觉矫正装备，包括上述任一技术方案所述的色觉矫正镜片。

作为优选，一种色觉矫正眼镜，包括一个镜框、两块镜片、两个镜脚，其中两块镜片根据需要可以是平光镜片、近视镜片、远视镜片等，特别地，镜片正面上沉积上特定波段不透射其余波段高透的多层全介质薄膜，镜片背面沉积上可见光波段的宽波段减反射膜系。

本发明还提供了一种色觉矫正镜片的制备方法，包括如下步骤：

(1)对于选定的高低折射率材料，镜片材料，根据确定的选择性透射截止带的中心波长和带宽以及其余波段的透射率要求，优化设计出具有具有选择透射截止光谱特性的多层膜系以及可见光波段减反射膜系；

(2)将两块镜片用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；

(3)将两块镜片同时置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的正面沉积由(1)设计所得的具有选择透射截止光谱特性的多层介质膜系，得到全介质多层膜堆；

(4)将两块镜片翻面置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的背面沉积由(1)设计所得的可见光波段减反射膜系，得到可见光波段的宽波段减反射多层膜堆。

(5)将制备好的镜片安装在镜架上，配上镜脚，得到色觉矫正镜片。

作为优选的组合：所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅，所述镜片材料为K9玻璃，镜片正面沉积的具有选择截止功能的多层介质膜系的沉积参数为：

作为优选的组合：所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅，所述镜片材料为K9玻璃，镜片背面沉积的可见波段减反射膜系的沉积参数为：

膜层	材料	厚度/nm
			1	TiO2	7.29
2	SiO2	47.41
			3	TiO2	24.18
4	SiO2	21.08
			5	TiO2	72.88
6	SiO2	10.38
			7	TiO2	29
8	SiO2	90.47

本发明的色觉矫正装备，它巧妙剥离了产生视觉异常的可见光波段，同时考虑人眼视觉刺激的平衡以及色彩平衡的要求，利用合适的高低折射率膜层设计实现了三通道的负滤光片透射特性，从而使得在特定波段截止透射，而其余可见光波段无碍透过，得到全部的环境具象信息、亮暗信息和更为丰富的色彩信息，大大减弱目标群体的色觉异常问题，极大提高该群体学习、工作、生活的质量和满意度，进而推动人类社会进步。而且，本发明的色觉矫正装备整体结构紧凑、制造过程简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明有望在显示、生命医学等领域广泛应用。

附图说明

图1(a)为视觉矫正眼镜的立体图；

图1(b)为视觉矫正眼镜中的视觉矫正镜片的剖视图；

图1(c)为视觉矫正镜片的拆解图；

图2为本发明色觉矫正眼镜的制造流程图；

图3为本发明色觉矫正镜片正面的多层膜系优化过程中目标光谱；

图4为本发明采用二氧化钛、二氧化硅作为高、低折射率材料，以K9玻璃为镜片材料设计的色觉矫正镜片正面镀膜后的透射光谱。

图5为本发明采用二氧化钛、二氧化硅作为高、低折射率材料，以K9玻璃为镜片材料设计的色觉矫正镜片正面背面均镀膜后的透射光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明。

如图1(a)～图1(c)所示，一种色觉矫正眼镜，由镜架1、固定在镜架1上的两块镜片2、两个镜脚3、多层膜堆4和多层膜堆5组成，其中多层膜堆4沉积在两块镜片2的正面(我们定义远离人眼睛的一侧为正面)，多层膜堆5沉积在两块镜片2的背面，两块镜片可以是平光镜片、近视镜片或者远视镜片。

本发明一种色觉矫正眼镜中，两块镜片上的特殊膜系实现的光学特性与一般的无该膜系的镜片有明显不同。一般的普通镜片，往往需要在可见光波段380nm-780nm范围内实现高透射(92％以上)。而本发明的色觉矫正眼镜中的镜片在可见光波段380nm-780nm范围内有着特殊的光谱调制特性。

本发明的色觉矫正眼镜，它巧妙剥离了产生视觉异常的可见光波段，同时考虑人眼视觉刺激的平衡以及色彩平衡的要求，利用合适的高低折射率膜层设计实现了三通道的负滤光片透射特性，从而使得在特定波段截止透射，而其余可见光波段无碍透过，得到全部的环境具象信息、亮暗信息和更为丰富的色彩信息，大大减弱目标群体的色觉异常问题，极大提高该群体学习、工作、生活的质量和满意度，进而推动人类社会进步。

本发明的镜片结构，也可用于其他设备中，比如带有镜片的头盔结构等。

如图2所示，一种色觉矫正装备的制造方法，包括以下步骤：

1)选择高、低折射率材料，镜片材料，根据确定的选择性透射截止带的中心波长和带宽以及其余波段的透射率要求，优化设计出具有选择透射截止光谱特性的多层膜系以及可见光波段减反射膜系，从而采用现有的仿真软件得到多层膜系高、低折射率材料镀膜顺序、镀膜厚度和镀膜层数等沉淀参数；

优化设计过程中的目标透射光谱如图3所示。目标光谱设置为380nm—430nm范围内100％透射、435nm—450nm范围内20％透射、455nm—540nm范围内100％透射、545nm—555nm范围内<1％透射、560nm—635nm范围内100％透射、640nm—655nm范围内30％透射、660nm—780nm范围内100％透射。

本实施例中，高折射率材料为二氧化钛，低折射率材料为二氧化硅，镜片材料为K9玻璃，由仿真方法得到的镜片正面沉积的具有选择截止功能的多层介质膜系的沉积参数为：

同样在镜片背面，高折射率材料为二氧化钛，低折射率材料为二氧化硅，镜片背面沉积的可见波段减反射膜系的沉积参数为：

膜层	材料	厚度/nm
			1	TiO2	7.29
2	SiO2	47.41
			3	TiO2	24.18
4	SiO2	21.08
			5	TiO2	72.88
6	SiO2	10.38
			7	TiO2	29
8	SiO2	90.47

2)将两块镜片用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；

3)将两块镜片同时置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的正面沉积由1)设计所得的具有选择截止功能的多层介质膜系；

4)将两块镜片翻面置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的背面沉积由1)设计所得的可见光波段减反射膜系。

5)将制备好的镜片安装在镜架上，配上镜脚，从而得到本发明一种色觉矫正的装备。

最后得到的色觉矫正镜片正面镀膜后的透射光谱如图4所示。可以看到，各透射截止带的光谱与目标光谱较为吻合，表现出良好的色觉矫正特性；高透波段的平均透射率大于90％，说明足够的光线能够进入镜片，充分保证了该色觉矫正装备在绝大多数场合广泛使用的要求。

采用二氧化钛、二氧化硅作为高、低折射率材料，以K9玻璃为镜片材料，最后得到的色觉矫正镜片正面、背面均镀膜后的透射光谱如图5所示。与图4相比，镜片背面沉积宽波段减反射膜后，装备的透过率显著增加，其平均透过率可以达到95％左右，而且可以大大消除那些大角度入射到镜片背面的杂散光，提高人眼透过镜片后的成像质量。与图4相比，镜片背面沉积宽波段减反膜后，镜片的选择性透射截止特性被完好地保存下来，也就是说，这种镜片正面、背面均镀膜后的透射光谱与目标光谱较为吻合，从而出良好的色觉矫正特性，同时保证良好的色平衡特性。

Claims (10)

1.一种色觉矫正镜片，包括镜片本体，其特征在于，所述镜片本体正面沉积有具有选择透射截止光谱特性的全介质多层膜堆，镜片背面沉积有可见光波段的宽波段减反射多层膜堆，所述全介质多层膜堆满足：

在545nm-555nm波段透过率小于等于1％；

在435nm-450nm波段透过率为15～25％；

在640nm-655nm波段透过率为25～35％。

2.根据权利要求1所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述全介质多层膜堆满足：

在545nm-555nm波段透过率小于等于1％；

在435nm-450nm波段透过率为20％；

在640nm-655nm波段透过率为30％。

3.根据权利要求1所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述全介质多层膜堆或宽波段减反射多层膜堆均由交替设置的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层组成；其中全介质多层膜堆顶面和底面均为低折射率材料膜层；所述宽波段减反射多层膜堆中靠近镜片本体的第一层为高折射率材料膜层，最顶层为低折射率材料膜层。

4.根据权利要求3所述的色觉矫正镜片，其特征在于，高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁。

5.根据权利要求3或4所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅；

所述全介质多层膜堆的总层数为55～65层，其中高折射率材料膜层厚度为5～210nm，低折射率材料膜层厚度为7～245nm；

所述宽波段减反射多层膜堆的总层数为6～10层，其中高折射率材料膜层厚度为7～75nm，低折射率材料膜层厚度为8～95nm。

6.根据权利要求5所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述全介质多层膜堆沉积参数如下：

7.根据权利要求5所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述可见光波段的宽波段减反射多层膜堆沉积参数如下：

8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的色觉矫正镜片，其特征在于，所述镜片材料为K9玻璃。

9.一种色觉矫正装备，其特征在于，包括权利要求1-8任一权利要求所述的色觉矫正镜片。

10.一种色觉矫正镜片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对于选定的高低折射率材料，镜片材料，根据确定的选择性透射截止带的中心波长和带宽以及其余波段的透射率要求，优化设计出具有具有选择透射截止光谱特性的多层膜系以及可见光波段减反射膜系；

(2)将两块镜片用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；

(3)将两块镜片同时置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的正面沉积由(1)设计所得的具有选择透射截止光谱特性的多层介质膜系，得到全介质多层膜堆；

(4)将两块镜片翻面置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在镜片的背面沉积由(1)设计所得的可见光波段减反射膜系，得到可见光波段的宽波段减反射多层膜堆。

(5)将制备好的镜片安装在镜架上，配上镜脚，得到色觉矫正镜片。