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全球隱形眼鏡行業正在經歷重大變革，市場人口統計特征的轉變，促使開發新的隱形眼鏡和人工晶狀體（IOL）技術。新技術采用了納米級表面結構和在不同軸向上呈球形和圓柱形的非球面設計。這些基于新結構的鏡片設計的幾何形狀更加復雜，生產難度更大，因此需要進行大量反復加工處理，從而增加了生產成本。 諸如菲佐干涉儀和觸針式二維輪廓測量儀等傳統的測定技術，不能提供足夠的精度或進行全面的三維測定，以支持這些納米工藝，確保成品鏡片的幾何外形符合規定的容差范圍。新一代非接觸式光學輪廓測量儀能夠以很快的速度，進行精度更高的全面的三維表面測定。通過減少反復加工處理的次數，一座年產量為100 枚頂針的普通鏡片生產廠，有望每年節省約100萬美元。 隱形眼鏡發展趨勢 隱形眼鏡行業最初的關注焦點是25歲以下的可通過佩戴球面鏡來矯正近視的年輕消費者。然而，人口老齡化的趨勢，改變了這個初衷。如今，增長速度最快的隱形眼鏡和人工晶狀體消費群體是年齡在40歲以上的消費者。這樣的轉變，是受兩種主要疾病的影響：即，老花眼（眼睛晶狀體逐漸硬化，導致短距離聚焦能力下降）和白內障（眼睛晶狀體變得不透明）。由于白內障和老花眼都是隨年齡的增長而出現的疾病，因此，老年人通常同時患有這兩種眼疾。長期佩戴隱形眼鏡的55歲以上的老年人大多都同時既是近視眼，又是老花眼，需要雙焦隱形眼鏡。一般而言，白內障患者同時也是老花眼，因此需要雙焦人工晶狀體。 有多種不同的雙焦鏡片設計方法。目前最主流的方法是，制造具備交替屈光度的同心環鏡片。每個同心環鏡片的結構都經專門設計，以支持遠視或近視，眼睛同時通過具有遠視和近視屈光度的區域視物。眼睛根據視物距離，選擇具有適當屈光度的區域，從而實現連續不斷的近視和遠視調節。 令問題更加復雜的是，許多老年患者還需要矯正散光，即，目鏡必須在不同軸向上提供不同的屈光度。通常，適用于矯正散光的雙曲面鏡片，在相互正交的軸向上提供了兩種不同的屈光度，并且矯正鏡片必須保持軸位相對靜止，以使兩個屈光度保持適當的角定向。用于維持軸位穩定的兩種不同方法是雙邊削薄和棱鏡垂重，這兩種方法都利用了重力和瞼肌推動力來保持鏡片固定。 生產挑戰 因此，市場日益朝著采用納米級表面結構和在不同軸向上呈球形和圓柱形的非球面設計的隱形眼鏡和人工晶狀體（IOL）技術發展。鑄塑成形是用于生產這些設計更為復雜的鏡片的主要方法。 這種方法利用了通常由被稱為“主頂針”的工具鑄模而成的正面和反面曲面模具。主頂針是利用金剛石刀片切割而成的。主頂針具備納米級結構，必須精確地將之復制到鏡片上。利用不同的主頂針來制作正面和反面曲面模具。正面和反面曲面模具被插入鑲件。將聚合物注入模具并熱固化。然后，讓鏡片通過水合作用，吸收水分，使水分占到總重量的20%至70%。 在生產了大量模具之后，主頂針會逐漸磨損。因此，隱形眼鏡生產商往往必須制作新的主頂針。每一枚主頂針在可用于制造模具之前，必須首先接受試驗，制作試用模具，用于試生產數量有限的鏡片。然后，對這些鏡片進行測試，以核實其是否符合驗光處方的規定。在大多數情況下，試生產出的第一批鏡片達不到驗光處方的規定，因此，必須重新設計和加工頂針，必須制作新的模具，最后再試生產新一批鏡片并進行測試。一座普通的鏡片生產廠，多半要重復2至6次這樣的過程，才能生產出符合驗光處方規定的鏡片。即使在鏡片通過測試之后，許多頂針也會出現其他問題，要求再次重新加工。 之所以必須如此多次地反復加工主頂針的一個主要原因是，可用于測定鏡片的方法存在局限性。對于利用頂針生產出的球面鏡片，當前采用的測量方法是菲佐干涉儀。菲佐干涉儀可以測定鏡片的表面輪廓形狀，并將其曲率半徑與固定基準作比較。這種方法的局限性之一是，必須為每份驗光配鏡處方確定一個黃金基準。另一個局限性是，菲佐干涉儀采用激光，因此，其可測量的最高階躍高度為激光波長的四分之一，即，約160納米。如今生產的結構化鏡片的階躍高度超過了160納米，因此，菲佐干涉儀不適于測定這些鏡片。 目前用于測定非球面階躍表面的方法是觸針式二維輪廓測量儀。在眼科應用中，針對鏡片的非對稱性質，觸針式輪廓儀通常在一個X軸向和一個Y軸向上掃描，逐一測定結構化鏡片的各個階躍高度。觸針式輪廓儀是一種接觸式測量方法，相比于非接觸式光學測量方法，速度緩慢。此外，操作人員必須手動調節觸針式輪廓儀的位置。如果操作人員未能正確地將觸針式輪廓儀置于與鏡片頂端相交的位置，那么，得到的測定結果將是不準確的。對于結構化表面，僅在一個X軸向和一個Y軸向上進行測量是不夠的，因此，可能需要測繪整個鏡片。然而，對于執行這項任務而言，觸針式二維輪廓測量儀的速度太慢，并且有可能損壞被測表面。針頭直徑也限制了可測定的特征大小。例如，如果觸針針頭的直徑為5微米，那么，它就不能測定出直徑小于5微米的特征。 新興三維測定技術 一種更加新穎的可量化、可重復的測定技術，采用被稱為光學輪廓測量法的白光干涉測量法，來精確地測定鏡片的整個三維表面輪廓。在光學輪廓測量儀中，逼近樣本的光被分割，部分照射到樣本上，部分照射到高質量基準表面上。然后，將從這兩個表面反射回來的光重新合并起來。如果樣本是近焦鏡片，光的相互作用將形成反映表面形狀的明線和暗線模式。顯微鏡垂直于表面掃描，以使測試表面的每一個點都穿過焦點。明線和暗線對比度最強的位置，即每個像素的最佳焦點位置，最終生成完整的三維表面測繪圖。圖1至圖3所示為利用白光干涉測量法生成的三維表面測繪圖示例。 光學輪廓測量儀的優點是，全面的三維表面測定，比觸針式二維輪廓測量更加全面地呈現了鏡片表面。這能大幅降低對額外的反復加工處理的需要。光學輪廓測量儀可測量的階躍高度不受限制，因此可用于測定各種類型的鏡片。最新一代光學輪廓測量儀，ContourGT家族白光干涉測量儀（布魯克納米表面儀器部），借助64位軟件和多核處理器，實現了速度更快、更加直觀的軟件工作流程，同時有助于提高數據收集率。一個已取得專利的照明源提供了更高光吞吐量，加快了測定速度，同時實現了更加出色的數據收集能力（圖4）。 最近，一座大型鏡片生產工廠對白光干涉測量法的應用，彰顯了其優越性。這座工廠每年要生產100多枚主頂針，可制造屈光度范圍為+6.0到+30.0（增量0.5）的48種不同設計的鏡片。取決于工廠所在地區，生產成本不盡相同；然而，每次重復加工的平均成本在2,500美元左右，包括全負荷設計和小批量生產的成本。利用觸針式二維輪廓測量技術，這座工廠生產主頂針平均要進行4次反復加工處理，并且在通過檢測、用于生產之后，還有67枚頂針必須再次返工。每年生產100枚頂針平均總共需要進行667次反復加工處理，每年的總成本為將近170萬美元。 采用白光干涉測量法，頂針通過投產驗收之前所需進行的反復加工處理次數和投產驗收之后需要再次返工的頂針數量雙雙大幅減少。采用白光干涉測量法帶來的益處和節省非常可觀，僅需短短幾個月，就能收回這個工具的初始投資費用。 隨著隱形眼鏡和人工晶狀體的設計日益復雜，必須借助更加精確的三維測量技術來可靠地制作用于生產的模具。 
圖1 雙焦隱形眼鏡表面形狀三維光學輪廓測量圖
圖2 人工晶狀體三維光學輪廓形狀測量圖
圖3 使用過的人工晶狀體的三維光學輪廓測量圖揭示邊緣磨損
圖4 ContourGT-K1 Bench-Top三維光學輪廓儀 Source:布魯克納米表面儀器部 |
