История разработки, применения и развития материалов, используемых в очковых и контактных линзах. Часть I. Очковые линзы


В этой обзорной статье описано историческое развитие и достижения в области материалов для очковых линз и их сферы применения.

Введение

Нарушением зрения называют ограничение функций глаз или зрительной системы из-за расстройства или заболевания, в результате чего человек не может справляться со зрительными задачами в повседневной жизни [1]*. По примерным оценкам, во всем мире у 1,3 млрд человек имеются зрительные нарушения в той или иной форме [2]. Считается, что около 80 % зрительных нарушений можно избежать, причем одной из основных их причин является некорригированная аномалия рефракции [2]. В целом выделяют такие аномалии ре­фракции, как мио­пия, гиперметропия, астигматизм и пресбиопия [3]; их можно исправить при помощи очков, контактных линз или хирургического вмешательства. В этой обзорной статье описано историческое развитие и достижения в области материалов для очковых линз, их сферы применения.

Обучение консультантов в статье

История развития

Самым ранним устройством для чтения, о котором сохранились письменные упоминания, были стеклянные «камни для чтения», которые использовали монахи в X веке н. э. В то же время ряд документов свидетельствует, что, возможно, очки были изобретены во Флоренции, в Италии, между 1280 и 1300 годами [4]. Они были компактными и состояли из двух выпуклых кварцевых линз, окруженных скрепленными вместе кольцами из дуба или рога. Вероятно, тогда очки применялись для коррекции пресбиопии [4]. В начале XIV века бóльшая часть очковых линз производилась в Венеции. Появление типографского станка в середине XV века привело к тому, что печатные материалы стали доступнее, и спрос на очки увеличился [4]. Лишь во второй половине XVI века процесс обработки очковых линз был отделен от изготовления стекол, и линзы начали классифицировать по их оптической силе [4]. Странствующие торговцы подбирали очки опытным путем [4], поскольку в то время аномалии рефракции нельзя было измерить.

Чтобы лучше понять, как разрабатывались и применялись очковые линзы, стоит познакомиться с развитием оптометрических исследований и инструментов. Герман фон Гельмгольц представил прямой офтальмоскоп в 1850 году [5] и офтальмометр – в 1855-м [3]. Таблица остроты зрения Снелле­на по­явилась в 1862 году, а единицу измерения аномалии рефракции – диоптрию – предложил Феликс Монойер в 1872 году. [5]. Эксперименты Фердинанда Куинье с офтальмоскопом позволили впервые объективно измерить аномалии рефракции в 1873 году [4]. Любопытно отметить: этот задокументированный ход событий показывает, что измерение аномалий рефракции развилось значительно позже производства и использования очков.

До появления полимерных или пластмассовых материалов очковые линзы изготавливались только из стекла [3]. После Первой мировой войны достижения в технологии полимеров привели к появлению новых видов пластмасс. Для оптической промышленности самым важным стало изобретение полимеризованного метилметакрилата (ПММА) в 1930-х годах [6]. Обладая хорошими оптическими свойствами, он применялся для производства очковых линз до 1940-х, когда на основе аллилдигликолькарбоната изобрели акриловую смолу (CR-39) [6].

Хотя стекло по-прежнему применялось широко, в 1946 году началось массовое производство и обработка очковых линз из CR-39 [6]. Однако в 1972-м Управление США по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств (FDA) ввело требование к безопасности стеклянных линз. Из-за этого наряду с преобладающей тенденцией к увеличению размера оправы их толщина и вес увеличились, что сделало пластмассовые линзы более популярными [3].


Хронология основных событий в истории очковых линз

Материалы изготовления

Стеклянные материалы

Стеклянные материалы использовались в производстве очковых линз на протяжении нескольких столетий, поскольку свойства стекла сделали его почти идеальным для использования в оптике. Это очень прозрачный материал, который устойчив к большинству химических веществ, царапинам, не меняет цвет со временем. Линзы изготавливались из кронового стекла – относительно неструктурированного материала, состоящего из ионов, расположенных случайным образом. Крон делается из смеси песка, натрия и оксида кальция [3], у него показатель преломления 1,523 и низкий уровень хроматических аберраций [7].

В 1880 году добавление оксида бария в стеклянную смесь позволило создать материал с более высоким показателем преломления. К 1973 году оксиды щелочных металлов, такие как оксид цинка и диоксид титана, стали использовать для производства более тонких линз с высоким показателем преломления и хорошей химической стойкостью. С косметической точки зрения такие линзы более привлекательны для коррекции высоких аномалий рефракции [8]. Однако эти материа­лы вызывают хроматические аберрации, а их более высокий удельный вес ведет к тому, что вес линз тоже растет [3].

Пластмассовые материалы

Пластиковые очковые линзы состоят из полимеров, или молекул с длинной цепью, имеющих множество взаи­мосвязанных разветвлений или поперечных связей. Это обеспечивает большую гибкость и лучшую ударопрочность по сравнению со стек­лом [3]. Хотя CR-39 часто используется в производстве очковых линз, более новые материалы, такие как поликарбонат и трайвекс, имеют меньше поперечных связей и обеспечивают уникальную ударопрочность [7].

Пластмассовые линзы с высоким показателем преломления, как правило, изготавливаются из полиуре­тановых смол [9]. Они получают­ся менее плотными и более легкими [7]. Недавняя инновация MR-174 – пластмассовый материал для линз с высоким показателем преломления на биологической основе. При его изготовлении используются экологически безопасные технологии производства и обработки [10].

Окрашивание и покрытия очковых линз

Поликарбонат поглощает все ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны менее 380 нм, в отличие от кронового стекла и CR-39, которые необходимо обрабатывать для обеспечения защиты от ультрафио­лета [3]. Включение поглотителей УФ-излучения в материал линз также предотвращает его старение и увеличение хрупкости [11].

Стеклянные линзы с постоян­ным окрашиванием производи­лись еще с середины 1600-х годов. Однако связь между коротковолновым светом и устойчивостью к бликам впервые отметил в 1885 году Теодор-Эдуард Фьюзаль. Он же рекомендовал использовать тонированные или светопоглощающие линзы для защиты глаз от бликов и яркого солнечного света [12]. Процесс окрашивания уменьшает пропускание света через линзу и кон­­­­т­ро­лирует уровень окружающего солнечного света, сохраняя при этом нормальное цветовое зрение и стереопсис [3]. Окрашивание может быть постоянным либо фотохромным, то есть чутко реагирующим на присутствие окружающего УФ-излучения и коротковолнового видимого света [3].

Постоянное, или фиксированное, окрашивание

Добавление определенных солей металлов к стеклянной смеси дает постоянное окрашивание. Неравно­мерность окрашивания в линзах с большой оптической силой позже была устранена благодаря использованию другого процесса – вакуумного покрытия. Постоянное окрашивание пластмассовых линз проводится другим методом – в ванне с красителем. При этом краситель впитывается в поверхность линзы, обеспечивая равномерную плотность окраски [3].

Фотохромное окрашивание

Вилли Марквальд впервые обнаружил твердое органическое фото­хромное соединение в 1899 году [13]; однако лишь после 1950-х годов были созданы новые органические и неорганические молекулы, вызывающие фотохромный эффект в очковых линзах. Фотохромные линзы из стекла содержат кристаллы галоидного серебра, встроенные в стеклянную подложку [3]. В присутствии УФ-А лучей (от 320 до 400 нм) электроны из стекла объединяются с бесцветными катионами серебра, образуя элементарное серебро. Это приводит к затемнению фотохромной линзы при активации. Затем, когда причина активации исчезает, линза вновь возвращается в прозрачное состояние [14].

Первая коммерчески доступная пластмассовая фотохромная линза была представлена в 1982 году. Органические фотохромные материа­лы, используемые в пластиковых линзах, могут включать в себя спиропираны, спирооксазины и нафтопираны [14]. Пластмассовые материа­лы с высоким показателем преломления слабо реагировали на стандартные фотохромные красители. Тогда был разработан новый технологический процесс: фотохромный краситель спироиндолин вводили между несколькими слоями полиуретана на поверхности поликарбонатных линз. Это позволило добиться равномерной плотности оттенка по всей линзе [3].

Лобовые стекла автомобилей

снабжены внутренним слоем из поливинилбутираля, содержащего УФ-поглотители. Это помеха для фото­хромной активации, способной защитить людей в машине от яркого солнечного света. Но недавно появилась инновация: очковая линза, избирательно реагирующая как на большие, так и на умеренные и слабые дозы УФ-излучения. Для этого используется комбинация фотохромных соединений с различной спектральной чувствительностью. Теперь активация фото­хром­ных молекул в лобовом стекле транспортного средства становится возможной [15].

Антирефлексные покрытия

Первоначально концепция анти­реф­лексного покрытия линз была предложена в 1880 году [16]. Впервые оно наблюдалось на практике в 1886 году, когда было отмечено, что потускневшее со временем оптическое стекло обеспечивает бóльшую светопроницаемость по сравнению с новым [17]. В 1935 году компания Carl Zeiss выпустила первое интерференционное антирефлексное покрытие [17]. Поверхностные отражения уменьшаются за счет нанесения на обе поверхности линзы тонкой пленки из прозрачного материала, толщина которой должна составлять 0,25 длины волны падающего света при более низком показателе преломления, чем у линзы. Чтобы добиться этого при использовании кронового стек­ла, на поверхность линзы наносится один тонкий слой фторида магния [3].

Первоначальные трудности при нанесении антирефлексных покрытий на пластиковые линзы удалось преодолеть благодаря использованию двухслойного покрытия. Сейчас на поверхность каждой линзы наносится несколько слоев методом физического осаждения из паровой фазы. Четырехслойное покрытие состоит из чередующихся диэлектрических материалов с высоким (оксид титана либо диоксид циркония) и низким (диоксид кремния)  значениями показателя преломления [18]. В состав покрытия включается также фильтр для отсечения синего света. Это связано с защитой от чрезмерного воздействия «высокоэнергетического видимого света», излучаемого дисплеями и смартфонами. Эта часть светового диапазона подавляется либо с помощью покрытия, либо благодаря включению в материал линзы желтого поглощающего красителя [11].

Покрытия, устойчивые к царапинам

Хотя кроновое стекло считается долговечным материалом, небольшие дефекты могут значительно ослабить его. Поэтому крон необходимо закаливать нагреванием или химически с помощью ионного обмена [3].
Пластиковые линзы легко поцарапать, поэтому рекомендуется использовать покрытие, устойчивое к царапинам. Его можно нанести путем вакуумного осаждения на поверхность линзы слоя диоксида кремния [6] либо используя процесс погружения или центрифугирования [18].

Многослойные покрытия

Недавно стали использовать многослойные поверхностные покрытия. Они включают в себя грунтовочное покрытие, улучшающее ударопрочность линзы, упрочняющее покрытие, многослойный антибликовый состав и внешнее покрытие [18]. Внешнее покрытие обеспечивает гид­рофобные свойства за счет электростатического отталкивания молекул воды, а также олеофобные свойства, предотвращающие появление жира и образование отложений на поверхности линз [19].

Основные достижения в области материалов для очковых линз отмечены на временной шкале (см. рисунок). Идеальный материал для очковых линз должен быть прозрачным для видимого света, однородным, не вызывающим аберрации, не склонным к деформациям, иметь высокую ударопрочность, легко обрабатываться, хорошо принимать поверхностные покрытия и окраску, не вызывать побочных реакций у владельца очков [20].

Практическое применение очковых линз

Чтобы обеспечить оптимальный профиль линз при назначении очков, необходимо учитывать некоторые факторы, в том числе рецепт пользователя, его род занятий, образ жизни и бюджет. Выбор размера оправы и использование специальных цифровых технологий также может улучшить профиль линзы.

В число терминов, относящихся к материалу линзы, входит показатель преломления, который описывает преломление света, попадающего в этот материал [20]. Чем выше этот показатель, тем более сильное преломление света и, следовательно, тонкий профиль линзы, что полезно при корригировании высоких рефракционных нарушений.

Удельный вес описывает плот­ность материала по сравнению с плотностью воды; при этом более высокий удельный вес означает, что линза тяжелее [21]. Число Аббе измеряет способность материала рассеивать свет; при этом более высокое число Аббе указывает на меньшую вероятность хроматических аберраций [21].

Как правило, материал линзы с более высоким показателем преломления обеспечивает более тонкий ее профиль. Однако рост хроматических аберраций и более плоская кривизна линзы могут усилить поверхностные отражения [21]. Эти недостатки можно устранить, нанеся на поверхность линзы антирефлексное покрытие [21]. Также обратите внимание, что поверхностные покрытия могут снизить ударопрочность линзы [7].

Качество очков для профессио­нальной защиты глаз и повсе­днев­ного использования (очков для ношения) регулируется различными международными нормами безопасности. Как правило, материалы с высоким показателем преломления, поликарбонат и трайвекс, соответствуют стандартам безопасности глаз FDA. Международные стандарты также регулируют фильтры для защиты глаз при профессиональном использовании лазеров, воздействии радиации или поляризованного света [21]. Краткое описание некоторых материалов, свойств и преимуществ пластиковых линз приводится в таблице. 

* Список литературы предоставляется по запросу.

Авторы:

Райишни Пиллэй (Rayishnee Pillay), Университет Квазулу-Наталь (Дурбан, ЮАР)
Рекха Хансрадж (Rekha Hansraj), Университет Квазулу-Наталь, кафедра оптометрии (Дурбан, ЮАР)
Нишани Рамперсад (Nishanee Rampersad), Университет Квазулу-Наталь, кафедра оптометрии (Дурбан, ЮАР)

Pillay R, Hansraj R, Rampersad N. Historical Development, Applications and Advances in Materials Used in Spectacle Lenses and Contact Lenses. Clin Optom (Auckl). 2020 Sep 29; 12: 157–167. Статья опубликована в журнале Clinical Optometry (2020). Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY).

Перевод: Д. Петров

© РА «Веко»

Печатная версия статьи опубликована в журнале «Современная оптометрия»  [2023. № 2 (161)].

По вопросам приобретения журналов и оформления подписки обращайтесь в отдел продаж РА «Веко»:

  • Тел.: (812) 634-43-34.
  • E-mail: magazine@veko.ru
  • veko.ru

Наши страницы в соцсетях: