Технологияизготовления оптических деталей имеет давнюю историю. Простейшие оптическиедетали в виде линз (украшения, пуговицы и даже «зажигательные» лупы) былиизвестны ещё в глубокой древности. Вначале они изготавливались из естественныхкристаллов-минералов (горный хрусталь, тёмно-зелёный турмалин и тёмно-синийтопаз), а затем и из силикатного стекла, процесс получения которого изкварцевого песка был открыт 3–4 тысячи лет назад. Стекло это было малопрозрачнымс большим количеством дефектов. В качестве инструментов для обработки в товремя применяли самые простые орудия – естественные камни, имеющие подходящиеплоскую, вогнутую или выпуклую формы. При шлифовании пользовались пескомразличной крупности.
Изобретениеочковых линз относят к концу 8 века. В это время в северных областях Италии былоткрыт секрет получения прозрачного стекла. В 1280 году слава о венецианскихзеркалах распространилась по всем близлежащим странам. Этот год можно считатьгодом изобретения очков.
В 1300 годуВенецианский государственный совет издал постановление, запрещающееиспользовать для изготовления очков стекло плохого сорта.
Научнымипредшественниками изобретения очковых линз были египетский учёный Ибн АльХайсама (965–1039), впервые изучивший оптику глаза и познавший увеличительноедействие шарового сегмента, и английский учёный Роджер Бэкон (1214–1294).Вначале для чтения пользовались одной линзой, которая была либо плосковыпуклой,либо двояковыпуклой, т.е. положительной и предназначалась для коррекции дальнозоркости.Только через 150 лет после изобретения положительных очковых линз появилисьотрицательные линзы (имеющие вогнутые поверхности), предназначенные длякоррекции близорукости. Оправа служила для предохранения стекла от скалывания иизготовлялась из дерева. Затем был сделан первый шаг по созданию прототиповсовременных очковых оправ: ручки оправ соединили заклёпкой, а позднее штифтом,что обеспечивало возможность закрепления очков на носу. Идея привязатьверёвочку за ободки оправы и закрепить её за ушами возникла в 16 веке. К этомувремени оправы изготовлялись не только из дерева, но и из железа, кожи, рога икитового уса. Появления заушников вызвало необходимость при изготовленииочковых оправ применять жёсткое соединение двух ободков, то есть у оправыпоявился мостик.
Усложнениеоптических систем и повышение требований к точности изготовления оптическихдеталей способствовали совершенствованию методов обработки стекла, а именно кконцу 16 века ручная работа заменилась в основном станочной.
В «Диалектикеприроды» Ф. Энгельс пишет: «Когда после тёмной ночи средневековья вдругвновь возрождаются с неожиданной силой науки, начинающие развиваться с чудеснойбыстротой, то этим чудом мы опять-таки обязаны производству». И в первую очередьон среди других факторов называет очки, которые «…доставили не только огромныйматериал для наблюдения, но также и совершенно иначе, чем раньше, средства дляэкспериментирования и позволили сконструировать новые инструменты». Этимиинструментами стали зрительная труба (1609), а несколько позже микроскоп.История их изобретения связана с великими именами Галилея, Кеплера и Левенгука.
В России очкипоявились в конце 16 века, правда, документальное подтверждение этому относитсяк 1639 году. К концу 17 века очки в России получили широкое распространение. В80–90-х годах 17 столетия русские купцы продавали их даже в Сибирь и Китай.
В развитииоптики и производства стекла в России большая заслуга принадлежит ПетруПервому. При его дворе была организована оптическая мастерская и построено многостекольных заводов. В 1726 году при Российской Академии наук были открытыоптические мастерские, которые долгое время оставались центром оптическогопроизводства. Последователем М.В. Ломоносова в области обработки стеклабыл талантливый техник-изобретатель И.П. Кулибин, который обновилоборудование оптических мастерских и значительно улучшил технологию обработкистекла. Однако достижения русских учёных не получили дальнейшего применения,так как оптическое стекло в стране не производилось, а необходимые приборыввозились из-за границы.
Послеизобретения положительных и отрицательных очковых линз крупным шагом в историиразвития их является изобретение бифокальных (двухфокусных) линз. Соединилполовинки двух линз различных рефракций в одну оправу американский учёный Б. Франклин(1784 год). В 1837 году Уэллсом и Гульдом были изготовлены бифокальные линзыпутёмнаклейки добавочной линзы на основную. В 1908 году Борш предложилвпекать в основную линзу добавочную, что дало возможность получать бифокальныелинзы с невидимой линией раздела.
В 1910 годуКоннор изобрёл трифокальные линзы, а в 1959–1960 годах во Франции и ГДР былипредложены линзы с плавно меняющейся рефракцией. Тем самым были созданы лучшиеусловия коррекции старческого зрения.
Кромедальнозоркости и близорукости, значительное применение имеет астигматизм глаза.Астигматизм был обнаружен и впервые исследован в 1801 году английским врачом иестествоиспытателем Т. Юнгом. В 1827 году астроном Айри нашёл, чтоастигматизм глаза можно корригировать цилиндрическими линзами.
В 19 векеочковые оправы претерпели серьёзные изменения: появились соединительные мостикиразличной конфигурации, овальная форма ободков, очки-пенсне, носовые упоры. В70-х годах стал известен новый полупрозрачный пластиковый материал – целлулоид,который сразу же нашёл широкое применение в производстве очковых оправ. Вначалеим покрывали заушники, ободки, носовые упоры металлических оправ, а затемцеллулоид стал полностью использоваться для изготовления этих деталей.
В 1905 годупо инициативе знаменитого русского кораблестроителя А.Н. Крылова,профессора А.Л. Гершуна и конструктора оптических прицелов Я.Н. Перепёлкинабыла организована оптическая мастерская при Обуховском заводе в Петербурге,которая сыграла значительную роль в истории отечественного приборостроения,явившись первым русским оптико-механическим предприятием заводского типа ишколой оптического производства. В годы Первой Мировой войны число оптическихзаводов несколько увеличилось, но все они зависели от привозного оптическогостекла и основного станочного оборудования.
20 век характеризуетсязначительным совершенствованием очков. Вместо двояковыпуклых и двояковогнутыхлинз, так называемых линз «Би-формы», были рассчитаны выпукло-вогнутые (менисковые),анастигматические линзы высокой точности – Чернинг, Оствальд, Воллостон, фонРор. Выпукло-вогнутые очковые линзы впервые были выпущены в 1909 году фирмой К. Цейс.В начале 30-х годов этой же фирмой были изготовлены катральные очковые линзы сасферической поверхностью.
Послереволюции созданный Государственный оптический институт (ныне имени С.И. Вавилова)положил начало организации отечественной оптико-механической промышленности, закороткий промежуток времени достигшей огромных успехов не только по варкеоптического стекла, но и по методам его обработки. К концу первой пятилеткиСоветский Союз полностью отказался от ввоза оптических приборов в основномстаночного оборудования.
Следующим крупнымшагом в истории развития средств коррекции зрения было осуществление фирмой К. Цейспо расчетам Хейне в 1929 году массового выпуска линз, надевающихсянепосредственно на глазное яблоко, так называемых контактных линз. Вначале ониизготовлялись из силикатного стекла, а 1937 году Дьерффи и Файнблюм предложилиизготовлять контактные линзы из прозрачной пластмассы (органического стекла). В1949 году. Появились роговичные контактные линзы малого диаметра, которые внастоящее время получили наибольшее распространение.
В конце 50-хгодов в ЧССР академиком О. Вихтерле были разработаны мягкиегидроколлоидные контактные линзы. Эти линзы удобны при длительном ношении, ноимеют ряд недостатков: отсутствие постоянства формы, необходимость хранения вспециальном водном растворе.
С 50-х годовнашего столетия всё больше начинают применять оправы с ободками, по формеблизкими к прямоугольной. Получили распространение и комбинированные очковыеоправы, часть деталей которых сделана из пластмассы, а часть из металла.
Форма очковыхоправ, особенно в последнее время, изменяется довольно часто, так как еёувязывают с тенденцией моды. Если с 1920 по 1950 год во всём мире былоизготовлено всего лишь 200 новых моделей, то в настоящее время вдвое большееколичество новых моделей изготавливается каждый год.
До 1940 годав СССР было фактически одно предприятие, выпускающее очковые линзы – Витебскаяфабрика очковой оптики. Она производила ежегодно 5 млн. линз и 2,5 млн. оправ.Последние были металлические или в целлулоидной оплётке.
После 1940 идо 50-х годов производство изделий очковой оптики увеличилось по сравнению спрежним уровнем в 3 раза. Начали выпускать полностью пластмассовые илицеллулоидные оправы. Научно-техническая революция потребовала значительногоувеличения производства очковой оптики. Это связано с серьёзными изменениямиусловий зрительной деятельности человека, неуклонным ростом культурного уровнянаселения, что привело к значительному увеличению потребности в корригирующихочках и изменению требований к ним. В нашей стране, как и в других странахразвитых в техническом отношении, более 1/3 населения нуждается в коррекциизрения. Уже 20 лет назад отечественная промышленность выпускала более 70 млн.очковых линз и 20 млн. оправ. В настоящее время – ещё больше.
Трудамисоветских учёных существенно развиты теории шлифования и полированияоптического стекла, разработаны и внедрены в производство полуавтоматическиестанки для изготовления оптических деталей, значительно расширен объём работ сприменением высокоэффективного алмазного инструмента, а с середины 60-ых годови инструмента с синтетическим алмазом. Советская оптико-механическая промышленностьявлялась одной из ведущих в мире. Она производила все без исключения видысовременных на то время оптических деталей и приборов.
Исследования пообработке оптического стекла велись главным образом в Государственномоптическом институте имени С.И. Вавилова. Среди ведущих Советскихспециалистов, внесших значительный вклад в развитие отечественнойоптико-механической промышленности, в первую очередь можно назвать И.Е. Александрова,Н.Н. Качалова, И.И. Китайгородского, А.Л. Ардамацкого, В.Н. Бакуля,К.Г. Куманина, Т.П. Капустину и других. Следует отметитьпедагогическую деятельность профессора А.Н. Бардина в становлении неодного поколения советских специалистов оптиков-механиков.
Характеризуяпоследующее развитие производства изделий очковой оптики, можно сформулировать следующиеосновные тенденции:
– дальнейшееувеличение производства изделий очковой оптики, так как очки стали не толькосредством коррекции зрения, но и аксессуаром человека;
– расширениеассортимента сложных очковых линз и увеличение диаметра всех выпускаемых линз;
– широкоевнедрение очковых линз различных типов, изготовляемых из прозрачных полимерныхматериалов с повышенной механической прочностью поверхностного слоя;
– применениепри формообразовании очковых линз зональных поверхностей Френеля;
– использованиепри изготовлении контактных линз полимеров, содержащих гель, – получениеполумягких контактных линз;
– применениеэтрола и других пластических масс, при изготовлении оправ, а также широкоеиспользование металлов с декоративным покрытием.
Развитиетехнологии изготовления оптических деталей проходит по следующим направлениям:
1. Созданиеинструментов из сверхтвёрдых материалов, синтетических и полимерных материалов,появления абразивных порошков и других материалов с улучшеннымитехнологическими свойствами определило возможность разработки принципиальноновых видов станков, работающих на интенсивных и скоростных режимах. Этопозволило создавать оборудование, в котором качество осуществлениятехнологического процесса определяется не столько квалификацией оптика, сколькосамим станком, работающим в полуавтоматическом и автоматическом режимах.Благодаря этому открываются возможности дальнейшего сокращения трудоёмкости иувеличения объёма производства оптических деталей.
2. Интенсивноведутся работы по механизации и автоматизации всех технологических операций(основных и вспомогательных), таких как фасетирование очковых линз,окончательная промывка деталей, очистка и промывка наклеечного инструмента. Осуществляетсяпереход к новому принципу производства оптических деталей, когдаавтоматизированное оборудование с учётом технологической последовательностиобъединяется в поточную или автоматизированную линию.
3. Следуетотметить ещё одно направление автоматизации технологического процесса, особеннодля линз с астигматической и асферической поверхностью, – создание программныхстанков с обратной связью, корректирующей программу формообразования. Запоследнее время возрастает номенклатура оборудования, повышается её точность,усложняются конструкции за счёт применения электрических, пневматических,гидравлических, вакуумных узлов и агрегатов. При этом значительно возрастаетзначение типового размерного ряда оборудования с базовой моделью и возможнобольшей степенью унификации деталей и узлов. Одновременно с этим наблюдаетсятенденция к созданию агрегатных станков – компоновка станков в зависимости отусловий и потребности производства из необходимого числа единичных модулей. Атеперь немного о технологиях, которые развивались с течением времени,совершенствовались с ходом истории.
Для многихлюдей есть необходимость в коррекции зрения. Причин этому может быть множество:наследственность, ухудшение зрения в процессе жизни связанное с перенапряжениемглазных мышц, болезни и травмы. А так как человек около 90% информации обокружающем мире получает благодаря зрению, то его качество, бесспорно, играеточень важную роль. Вне зависимости от причин ухудшения зрения формальносуществует три способа коррекции зрения: хирургическая коррекция, коррекция спомощью коррегирующих очков и контактных линз. В каждом случае человек самвыбирает, каким способом ему воспользоваться. Наиболее распространённый способкоррекции зрения – это коррегирующие очки.
Коррегирующиеочки состоят из двух частей: оправы и двух очковых линз. Оправы длякоррегирующих очков делают из двух материалов: сплавов различных металлов иполимеров. Существуют три основных способа крепления линз в оправе. Взависимости от способа крепления оправы их делят на три вида: ободковые,лесочные и винтовые. В зависимости от типа оправы изготавливаюточки из различных материалов: стекло и пластик. Для изготовления стеклянныхлинз используются различные марки стекла, такие как К-8 и БОК-3.За последнее десятилетие изготовление стеклянных линз по всему миру значительносократилось. Этому послужили две основных причины: необходимость использованиябольших производственных площадей и дороговизны процесса варки оптическогостекла. Для варки такого стекла применяются титановые печи, которые должныработать всегда. Если на короткое время остановить эту процедуру, то частиоптического стекла затвердеют на поверхности титановой печи, и печь будетнепригодна для дальнейшего использования, поэтому изготовление полимерных линзоказывается намного проще и дешевле. Современные полимерные линзы получаются врезультате смешивания двух жидких компонентов, после смешивания которых,получившийся состав заливают в специальные формы, в которых получаются готовыелинзы. За счёт соотношения кривизны внутренних сторон этой формы получаетсяочковая линза с фиксированной кривизной внешней и внутренней поверхностей.Благодаря специальному соотношению кривизны двух этих поверхностей достигаетсянеобходимая оптическая сила линзы. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях.Очковые линзы производятся с шагом равным 0,25 диоптрий. Для линз с большойоптической силой (более 10 диоптрий) осуществляется шаг размером 0,5 единицы.Для коррекции дальнего зрения применяются линзы с отрицательными диоптриями, адля коррекции ближнего зрения – с положительными. В зависимости от знакадиоптрий отличаются поверхности задней и передней поверхностей линзы. Уминусовой линзы задняя поверхность вогнутая, а передняя – выгнутая, но при увеличенииоптической силы до 6 диоптрий и далее, она становится плоской. У плюсовой линзыпередняя поверхность выгнутая, задняя – вогнутая, но при увеличении оптическойсилы до 8 диоптрий и далее, она становится плоской. В результате центрминусовой линзы тоньше, чем край, а у плюсовой край тоньше центральной части.
Прежде чемочковая линза получит законченный вид необходимо произвести обработку еёповерхностей. Для этого используется полуготовая линза, называемая заготовкой,определяющей кривизну передней и задней поверхностей. Прежде чем из заготовкиполучится готовая линза, необходимо произвести полировку и шлифовкуобоих поверхностей. Для этого применяется специализированное оборудование. Взависимости от толщины и кривизны заготовки делятся на группы, называемыебазой. Технологический процесс изготовления очковой линзы состоит из несколькихопераций, выполняемых в строгой последовательности.
Сначалапроизводится обработка передней поверхности, в результате чего создаётсябазовая кривизна передней поверхности. Перед этим заготовка блокируется позадней поверхности, затем выполняется обработка передней. В результате этогополучается полуготовая линза, называемая полузаготовкой. После того, каксоздана передняя поверхность нужной кривизны, приступают к обработке заднейповерхности. Для этого аналогично блокируется передняя поверхность, а шлифуют иполируют заднюю. Предварительно переднюю поверхность линзы защищают с помощьюспециального лака, если это стеклянная линза, если же это полимерная линза, тоиспользую особую защитную плёнку. В результате получается готовая линза. Далеевыполняется контроль качества этой очковой линзы. Проверяется качество шлифовкии полировки поверхностей, толщина линзы по центру и её оптическая сила.
Толщина линзыизмеряется с помощью толщинометра, а оптическая сила – с помощью диоптриометра.
Все очковыелинзы имеют круглую форму и определяются следующими диаметрами: 65 или 70 миллиметров. В зависимости от того, какое количество линз надо произвести, применяются различныеспособы их изготовления. Можно привести два основных способа: серийный иштучный. При серийном изготовлении линз, двухкомпонентный составзаливается в специальную форму, после чего происходит полимеризациялинзы. Штучное же изготовление полимерных линз осуществляется с помощьюполузаготовки, у которой передняя поверхность полностью обработана, поэтомувыполняется шлифовка и полировка только задней поверхности. Процессизготовления штучной стеклянной линзы аналогичен процессу технологииизготовления штучной полимерной линзы.
Чем вышеоптическая сила линзы, тем она толще по центру или краю. Поэтому в современнойоптической промышленности применяются стеклянные и полимерные материалы,имеющие различные коэффициенты преломления. Чем выше коэффициент, тем тоньшелинза. Коэффициенты преломления стеклянной линзы из БОК-3 равен 1,523.Существуют более современные марки стекла, у которых этот коэффициент достигает1,6 и 1,7. Наиболее распространённый материал полимерной линзы имеющиймаркировку СR-39имеет коэффициент преломления 1,49. Более современные варианты полимерных линзимеют следующие коэффициенты: 1,56; 1,61, 1,67 и 1,74.
Очковые линзыпроизводящиеся из стекла имеют значительно большую массу по сравнению сполимерными линзами, но в отличие от них более устойчивы к механическимповреждениям передней и задней поверхностей, но стеклянная линза является болеехрупкой, чем полимерная. Для того чтобы защитить поверхности полимерной линзыот царапин применяются специальные покрытия. Они наносятся двумя разнымиспособами: напылением в вакууме, лакированием. При лакированиилинза либо опускается в жидкий лак, либо лак наносится специальнымоборудованием. Для более быстрого затвердевания лака применяетсяультрафиолетовое излучение. Помимо упрочняющих покрытий в современной оптикеприменяются просветляющие, гидрофобные, антистатическиепокрытия. Просветляющие покрытия предназначены для уменьшения отражения светаот поверхностей линзы. Как правило, просветляющее покрытие наносится на линзуот двух до девяти слоёв. Каждый из слоёв позволяет снизить отражение светаимеющего определённую длину волны. Чем больше слоёв – тем качественнейпокрытие. Гидрофобное покрытие предназначено для защиты поверхности линзы отзагрязнения и разводов жидкости на линзе. Антистатические покрытияпредназначены для предотвращения скапливания электрических зарядов на линзе,что приводит к её быстрому загрязнению. Ещё из школьных опытов известно, чтопотёртая эбонитовая палочка прекрасно притягивает маленькие кусочки бумаги и пыль,а для линзы это вовсе излишняя способность. Помимо специальных покрытийприменяются различные декоративные покрытия. Они наносятся для придания линзеопределённого цвета.
Для защиты отультрафиолетового излучения используются специальные покрытия. Так же этипокрытия дают дополнительную защиту от ультрафиолетовых лучей. Если необходимодобиться защиты от УФ без изменения цвета, то применяется особое прозрачноепокрытие. К специальным покрытиям относят покрытия, имеющие узкуюнаправленность, например для защиты от разных видов излучения. Даже для защитыот инфракрасного и электромагнитного излучений. Так же существуют покрытия,которые предназначены для защиты и восстановления зрения после операций наглазах, вызванных заболеваниями типа катаракты или глаукомы. На данный моментоптическая промышленность развивается быстрыми темпами и обещает в будущемизобретать всё более и более совершенные технологии изготовления всех видовлинз.