วิธีการผลิตเลนส์สายตา: วัสดุ การบด และการเคลือบ

เลนส์สายตา ถูกสร้างขึ้นโดยการขึ้นรูปและขัดเงาวัสดุโปร่งใส ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแก้วแสงหรือพลาสติกโพลีเมอร์ ให้กลายเป็นรูปแบบโค้งที่แม่นยำซึ่งจะทำให้แสงโค้งงอในลักษณะที่ควบคุมได้ กระบวนการนี้ผสมผสานการเลือกวัตถุดิบ การบด การขัดเงา การเคลือบ และการตรวจสอบคุณภาพ โดยแต่ละขั้นตอนจะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการมองเห็นขั้นสุดท้าย

วัตถุดิบที่ใช้ในเลนส์สายตา

การเลือกใช้วัสดุจะเป็นตัวกำหนดดัชนีการหักเหของแสง น้ำหนัก ความต้านทานการขีดข่วน และการส่งผ่านแสงของเลนส์ สองประเภทหลักคือแก้วแสงและพลาสติกแสง

แก้วแสง

แก้วแสงผลิตจากทรายซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์สูงผสมกับสารเติมแต่ง เช่น แบเรียมออกไซด์ แลนทานัมออกไซด์ หรือสารประกอบไร้สารตะกั่ว เพื่อปรับดัชนีการหักเหของแสง โดยทั่วไปแล้วจะได้ดัชนีการหักเหของแสงระหว่าง 1.5 และ 2.0 ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูง เช่น เลนส์กล้อง กล้องจุลทรรศน์ และกล้องโทรทรรศน์ เลนส์แก้วมีความต้านทานการขีดข่วนและความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยม แต่หนักกว่าวัสดุทดแทนที่เป็นพลาสติก

ออปติคัลพลาสติก

เลนส์พลาสติกทำจากโพลีเมอร์ เช่น CR-39 (อัลลิล ดิไกลคอล คาร์บอเนต) โพลีคาร์บอเนต และพลาสติกดัชนีสูง CR-39 เปิดตัวในช่วงทศวรรษปี 1940 ยังคงเป็นหนึ่งในวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเลนส์แว่นตา เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและให้ความคมชัดของแสงที่ดี โดยมีดัชนีการหักเหของแสงที่ 1.50 . โพลีคาร์บอเนตที่มีดัชนีการหักเหของแสงประมาณ 1.59 ทนต่อแรงกระแทกและนิยมใช้กับแว่นตานิรภัยและแว่นตาสำหรับเด็ก

ขั้นตอนการหลอมและขึ้นรูปแก้ว

สำหรับเลนส์แก้ว กระบวนการผลิตเริ่มต้นด้วยการหลอมวัตถุดิบในเตาที่อุณหภูมิสูงกว่านั้น 1,400 องศาเซลเซียส . แก้วที่หลอมละลายจะถูกคนและกรองอย่างระมัดระวังเพื่อขจัดฟองอากาศและสิ่งสกปรก ซึ่งอาจทำให้เกิดการบิดเบือนทางการมองเห็นได้ เมื่อเย็นลงในช่องว่างที่เป็นแก้วแข็งแล้ว วัสดุจะถูกอบอ่อน ซึ่งหมายความว่าวัสดุจะถูกให้ความร้อนซ้ำและเย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อบรรเทาความเครียดภายในและปรับปรุงเสถียรภาพของโครงสร้าง

สำหรับเลนส์พลาสติก กระบวนการมักเกี่ยวข้องกับการฉีดขึ้นรูปหรือการหล่อ ในการหล่อ โมโนเมอร์เหลวจะถูกเทระหว่างแม่พิมพ์ที่มีรูปทรงแม่นยำสองแบบ และบ่มโดยใช้ความร้อนหรือแสงอัลตราไวโอเลตเป็นเวลาหลายชั่วโมง การฉีดขึ้นรูปที่ใช้ในการผลิตจำนวนมากเกี่ยวข้องกับการฉีดโพลีเมอร์หลอมเหลวภายใต้แรงดันสูงเข้าไปในแม่พิมพ์โลหะ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอภายในไม่กี่วินาที แม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำได้รับการตัดเฉือนเพื่อให้มีความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดที่สุด 0.1 ไมโครเมตร เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวแสงมีความแม่นยำ

การบดและการสร้างเส้นโค้งของเลนส์

หลังจากสร้างแก้วเปล่าแล้ว ต้องกราวด์ให้มีความโค้งที่ถูกต้อง ซึ่งทำได้โดยใช้ล้อเจียรปลายเพชรที่จะค่อยๆ เอาวัสดุออกในขณะที่กำลังหมุนเปล่า กระบวนการนี้มีหลายขั้นตอน:

1. การเจียรหยาบจะขจัดวัสดุส่วนเกินส่วนใหญ่และสร้างเส้นโค้งพื้นฐาน
2. การเจียรแบบละเอียดจะใช้สารกัดกร่อนที่ละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้พื้นผิวเรียบยิ่งขึ้น
3. การจัดกึ่งกลางทำให้แกนแสงของเลนส์อยู่ในแนวเดียวกับศูนย์กลางทางกายภาพอย่างถูกต้อง
4. ขอบจะกำหนดรูปร่างเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเลนส์ให้พอดีกับกรอบหรือกรอบเฉพาะ

แต่ละขั้นตอนจะทำให้พื้นผิวใกล้เคียงกับข้อกำหนดที่ต้องการมากขึ้น พื้นผิวนูนจะบรรจบแสงเข้าหาจุดโฟกัส ในขณะที่พื้นผิวเว้าจะแยกแสงออกไป รัศมีความโค้งคำนวณจากทางยาวโฟกัสและคุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการโดยใช้สมการของผู้สร้างเลนส์ ซึ่งเป็นสูตรมาตรฐานเกี่ยวกับรูปทรงของเลนส์กับกำลังแสง

การขัดเงาเพื่อความชัดเจนของแสง

การขัดเงาคือสิ่งที่เปลี่ยนเลนส์กราวด์ให้เป็นเลนส์ใส หลังจากการเจียรแล้ว พื้นผิวยังคงมีรอยขีดข่วนเล็กๆ น้อยๆ การขัดจะขจัดสิ่งเหล่านี้โดยใช้การตักที่นุ่มนวล ซึ่งโดยทั่วไปจะทำจากผงละเอียดหรือโพลียูรีเทน รวมกับสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่ละเอียดมาก เช่น ซีเรียมออกไซด์หรืออะลูมิเนียมออกไซด์ที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ

กระบวนการขัดเงาจะต้องได้ความหยาบผิวน้อยกว่า หนึ่งนาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านเมตร) สำหรับการใช้งานเชิงแสงคุณภาพสูง ความเรียบระดับนี้ช่วยให้แสงส่องผ่านได้โดยไม่กระจาย ในการผลิตเลนส์ระดับไฮเอนด์ เครื่องขัดที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์จะใช้เพื่อรักษาแรงกดที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวเลนส์ ป้องกันการเปลี่ยนรูปผิดปกติที่เรียกว่าโซนหรือขอบที่คว่ำลง

เลนส์ Aspheric ซึ่งมีความโค้งที่ค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไปตามพื้นผิว แทนที่จะเป็นรัศมีคงที่ จำเป็นต้องมีการขัดเงาที่แม่นยำยิ่งขึ้น เนื่องจากเครื่องมือทรงกลมมาตรฐานไม่ตรงกับโปรไฟล์ สิ่งเหล่านี้มักผลิตขึ้นโดยใช้การตกแต่งด้วยสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ของเหลวควบคุมด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อขัดพื้นผิวด้วยความแม่นยำเฉพาะจุดสูง

สารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนและป้องกัน

การเคลือบช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเลนส์ได้อย่างมาก และนำไปใช้หลังจากการขัดเงา ประเภทหลัก ได้แก่ :

• เคลือบป้องกันแสงสะท้อน: โลหะออกไซด์ชั้นบางๆ เช่น แมกนีเซียมฟลูออไรด์หรือซิลิคอนไดออกไซด์ จะถูกสะสมไว้ในห้องสุญญากาศโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการสะสมไอทางกายภาพ ชั้นเหล่านี้ใช้การรบกวนเพื่อยกเลิกแสงสะท้อน เพิ่มการส่งผ่านแสงจากประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์สำหรับกระจกที่ไม่เคลือบเป็นมากกว่า ร้อยละ 99.5 .
• เคลือบแข็ง: ใช้กับเลนส์พลาสติกเป็นหลักเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการขีดข่วน หากไม่มีมัน พื้นผิวพลาสติกจะเกิดรอยขีดข่วนได้ง่ายภายใต้การใช้งานปกติ
• เคลือบป้องกันรังสียูวี: ดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตเพื่อปกป้องดวงตาจากแสงแดด พลาสติกหลายชนิดดูดซับรังสียูวีตามธรรมชาติอยู่แล้ว แต่การเคลือบเพิ่มเติมจะช่วยเพิ่มการป้องกันนี้
• เคลือบกันน้ำ: ชั้นที่มีฟลูออรีนบางๆ ทำหน้าที่ขับไล่น้ำและน้ำมัน ทำให้เลนส์ทำความสะอาดได้ง่ายขึ้นและป้องกันรอยเปื้อน
• เคลือบกรองแสงสีฟ้า: พบได้ทั่วไปมากขึ้นในแว่นคอมพิวเตอร์และแว่นอ่านหนังสือ โดยวิธีนี้จะช่วยลดการส่งผ่านแสงที่มองเห็นความยาวคลื่นสั้นได้ประมาณ 400 ถึง 450 นาโนเมตร

การเคลือบจะถูกเคลือบเป็นชั้นบางๆ เพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตร จำนวนและองค์ประกอบของเลเยอร์ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อกำหนดเป้าหมายความยาวคลื่นเฉพาะและเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ

การควบคุมและการทดสอบคุณภาพ

เลนส์ทุกตัวจะต้องได้มาตรฐานที่เข้มงวดก่อนออกจากโรงงาน การตรวจสอบคุณภาพเกิดขึ้นในหลายขั้นตอนและรวมถึง:

• อินเทอร์เฟอโรเมท: ลำแสงเลเซอร์จะถูกแยกและพุ่งผ่านเลนส์เพื่อวัดความผิดปกติของพื้นผิวด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร การเบี่ยงเบนในรูปแบบการรบกวนเผยให้เห็นความไม่สมบูรณ์ของรูปร่างพื้นผิว
• การวัดกำลัง: สำหรับเลนส์ที่ต้องสั่งโดยแพทย์ เครื่องวัดเลนส์จะยืนยันว่ากำลังแสงตรงกับข้อกำหนดที่จำเป็นภายในค่าความคลาดเคลื่อนที่ปกติจะแน่นเท่ากับค่าไดออปเตอร์บวกหรือลบ 0.06
• การตรวจสอบด้วยสายตา: ช่างเทคนิคที่ได้รับการฝึกอบรมจะตรวจสอบเลนส์แต่ละตัวภายใต้แสงที่มีความเข้มสูงเพื่อหารอยขีดข่วน รอยแตก ข้อบกพร่องในการเคลือบ หรือการรวมตัวของอนุภาคในวัสดุ
• การทดสอบการส่ง: ตรวจสอบว่าเลนส์ส่งเปอร์เซ็นต์แสงที่ถูกต้องผ่านสเปกตรัมที่มองเห็นได้

สำหรับเลนส์ที่มีความแม่นยำซึ่งใช้ในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ ค่าความคลาดเคลื่อนจะเข้มงวดกว่าแว่นตาของผู้บริโภคมาก ตัวอย่างเช่น เลนส์ที่ใช้ในเครื่องพิมพ์หินสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดความแม่นยำของพื้นผิวซึ่งวัดเป็นเศษส่วนของความยาวคลื่นของแสง

วิธีการผลิตเลนส์แอสเฟอริกและเลนส์คอมพาวน์

เลนส์ทรงกลมแบบดั้งเดิมทำให้เกิดข้อบกพร่องทางการมองเห็นทั่วไปที่เรียกว่าความคลาดเคลื่อนทรงกลม โดยที่รังสีที่ผ่านใกล้ขอบจะโฟกัสที่จุดที่แตกต่างจากรังสีที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางเล็กน้อย เลนส์แอสเฟอริกแก้ปัญหานี้โดยการใช้พื้นผิวที่แบนราบใกล้ขอบ เพื่อนำรังสีทั้งหมดไปยังจุดโฟกัสทั่วไป

เลนส์แก้วแอสเฟอริกผลิตโดยการเจียรที่แม่นยำด้วยเครื่องจักรที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถติดตามโปรไฟล์รัศมีที่แตกต่างกันทั่วทั้งพื้นผิว เลนส์พลาสติก Aspheric ผลิตขึ้นอย่างประหยัดมากขึ้นด้วยการฉีดขึ้นรูปที่มีความแม่นยำ เนื่องจากแม่พิมพ์จะนำโปรไฟล์พื้นผิวทั้งหมดและถ่ายโอนไปยังทุกเลนส์ที่หล่อจากแม่พิมพ์

เลนส์ผสม เช่น เลนส์ดับเบิ้ลหรือทริปเล็ตที่ใช้ในกล้องและกล้องโทรทรรศน์ ทำขึ้นโดยการประสานชิ้นเลนส์ตั้งแต่ 2 ชิ้นขึ้นไปเข้าด้วยกันโดยใช้กาวแบบออพติคัลที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่ตรงกับกระจก ซึ่งจะช่วยขจัดช่องว่างอากาศระหว่างพื้นผิว ลดการสูญเสียการสะท้อน และแก้ไขความคลาดเคลื่อนสี ซึ่งเป็นแนวโน้มของความยาวคลื่นที่แตกต่างกันในการโฟกัสที่ระยะห่างที่ต่างกันเล็กน้อย

บทบาทของการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยและระบบอัตโนมัติ

การผลิตด้านการมองเห็นสมัยใหม่ต้องอาศัยการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยและเครื่องจักรควบคุมเชิงตัวเลขเป็นอย่างมาก นักออกแบบด้านการมองเห็นใช้ซอฟต์แวร์ติดตามรังสีเพื่อจำลองวิธีที่แสงเดินทางผ่านการออกแบบเลนส์ที่เสนอ ก่อนที่จะตัดวัสดุทางกายภาพใดๆ ซอฟต์แวร์นี้ทดสอบตัวแปรนับร้อย รวมถึงความโค้งของพื้นผิว คุณสมบัติของวัสดุ และระยะห่างของเลนส์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

เมื่อการออกแบบเสร็จสิ้น เครื่องควบคุมเชิงตัวเลขของคอมพิวเตอร์จะปฏิบัติตามคำสั่งดิจิทัลที่แม่นยำเพื่อบดและขัดเงาแต่ละพื้นผิว ซึ่งช่วยลดความแปรปรวนที่ก่อนหน้านี้มาจากการผลิตแบบแมนนวลได้มาก ในโรงงานผลิตขนาดใหญ่ แขนหุ่นยนต์จับเลนส์ระหว่างสถานี ลดการปนเปื้อนและความเสียหายทางกายภาพจากการสัมผัสของมนุษย์

อัตราผลผลิตการผลิต ในโรงงานแว่นตาอัตโนมัติที่ทันสมัยสามารถเกิน 95 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับอัตราที่ต่ำกว่าอย่างมากในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบแมนนวลก่อนหน้านี้ สำหรับทัศนศาสตร์เฉพาะทาง ผลลัพธ์ที่ได้อาจลดลงเนื่องจากต้องใช้ความคลาดเคลื่อนสูง แต่ระบบการตรวจสอบด้วยคอมพิวเตอร์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเลนส์ที่มีข้อบกพร่องจะถูกระบุและคัดทิ้งก่อนออกจากโรงงาน

ความแตกต่างระหว่างผู้บริโภคและการผลิตเลนส์ที่มีความแม่นยำ

เลนส์ในแว่นอ่านหนังสือที่ใช้ในชีวิตประจำวันและเลนส์ในกล้องมืออาชีพหรือกล้องจุลทรรศน์เพื่อการวิจัยผลิตขึ้นโดยใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน แต่แตกต่างกันอย่างมากในด้านความบริสุทธิ์ของวัสดุ ความทนทานต่อสภาพอากาศ และราคา

• เลนส์แว่นตาพลาสติกมาตรฐานอาจมีราคา 2-3 ดอลลาร์ในด้านวัสดุและใช้เวลาไม่กี่นาทีในการผลิตผ่านการฉีดขึ้นรูป
• ชิ้นเลนส์กล้องประสิทธิภาพสูงชิ้นเดียวอาจต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการบด ขัดเงา และทดสอบ โดยมีค่าใช้จ่ายด้านวัสดุถึงหลายร้อยดอลลาร์
• เลนส์ที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์อวกาศหรือเครื่องพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตขั้นรุนแรงต้องใช้เวลาหลายเดือนในการขัดเงาและการทดสอบ โดยแต่ละองค์ประกอบมีราคานับหมื่นดอลลาร์หรือมากกว่านั้น

ช่องว่างระหว่างระดับการผลิตเหล่านี้สะท้อนให้เห็นว่าต้องควบคุมแสงอย่างแม่นยำในแต่ละการใช้งานอย่างไร ในแว่นตาในชีวิตประจำวัน ความไม่สมบูรณ์เล็กน้อยมีผลกระทบในทางปฏิบัติเพียงเล็กน้อย ในระบบโฟโตลิโทกราฟีแบบเซมิคอนดักเตอร์ ข้อผิดพลาดของพื้นผิวแม้แต่ไม่กี่นาโนเมตรก็สามารถทำลายความละเอียดของระบบภาพทั้งหมดได้