渐进片：从模铸法到自由曲面

渐进片：从模铸法到自由曲面 刘亚威 1996年，自由曲面技术在美国首次应用于镜片车房，从此，渐进镜片开始进入自由曲 面时代。目前，全球最重要的镜片供应商，包括依视路、豪雅、蔡司、罗敦司得等均已经 在中国市场推出自己的自由曲面产品，并已获得了相当的成功。 研读渐进镜片的发展的历史，我们可以深切地感受到光学加工技术和计算 机技术在其中的推动作用 尽管业内公认依视路集团在 1959 年推出的第一代万里路渐进片是第一款获 得商业成功的渐进多焦点片（Progressive Addition Lens，PAL，下称渐进片） ，但 其实早在 20 世纪初，即有多位视光师或光学工程师开始提出渐进片的设计理念。 例如，英国视光师欧文（Owen Aves）在 1906 年首次提出渐进多焦点镜片 的设想，并取得一项英国专利。欧文的设计非常有创意，他将镜片的前表面设 计成椭球面的一部分，将后表面设计成圆锥面的一部分，这样，对于前表面， 垂直方向上的曲率自上而下逐渐变大；对于后表面，水平方向上的曲率自上而 下逐渐变大；整体而言，自上而下，光度逐渐变正。 但遗憾的是，早期由于加工工艺的限制，似乎越天才的光学设计创意，越 难以实现商品化。很长时间里，渐进片仅仅停留在设计图纸上或者实验室里。 而依视路之所以能实现渐进片的商品化，是因为同时还解决了渐进片的加工工 艺。事实上，依视路于 1953 年即获得了渐进片设计的专利，但是直到 1959 年 才解决了生产工艺，生产渐进片的 3 种机器获得了专利。 模铸法加工技术模铸法加工技术 常规的镜片磨削工艺只能在镜片表面研磨出球面或球柱面。所以，传统的 渐进片（树脂材料）一般采用模铸法先行制造出渐进胚料，渐进胚料的前表面 为渐进面，已经具有了阅读加光度（ADD） 。然后根据顾客的远用处方，在胚料 的后表面磨削出相应曲率的球面或球柱面即可（图一） 。 图一：传统渐进片采用渐进片坯料加工，前表面为渐进面，后表面为球面或托力克面 渐进胚料有两个特征参数，即 ADD 和基弯。基于这两个参数，通常一个系 列的渐进片需要准备 6590 种胚料。例如，假设有 6 种基弯，分别对应 12 种 ADD（即+0.75+3.50D，共计 12 个加光度） ，这样，就会有 61272 种不同 的渐进片胚料。 传统渐进片生产的关键在于渐进胚料模具的设计和加工。由于渐进片前表 面是渐进面，所以，相应的模具（通常为外观类似于玻璃镜片的玻璃模具）的 后表面就必须是渐进面。 早期的渐进片设计目标非常朴素，即如何去掉双光镜片或三光镜片上不同 区域间明显的分界线。所以，早期渐进片采用了非常“硬”的设计，即远用区、 近用区均采用球面设计，基本没有考虑中间区的视觉质量，和周边的像差分布。 中间过渡非常生硬，周边区像差也很大。而且，第一代渐进片为对称设计，镜 片前表面的曲率是轴对称分布的。所以，为这样的镜片设计模具相应要容易得 多。 自第二代渐进片起，创新的设计理念不断被采用。例如，非对称设计、不 同内移量设计，多样性设计等设计技术层出不穷。这样，渐进片的前表面曲率 变得越来越复杂。复杂的表面曲率，要求更高精度的模具切削工艺。此时 CNC（Computer Numerically Controlled,数控机床）被应用到模具的生产中来。 CNC 是一个单点磨削系统，在计算计程序的引导下，点状磨削刃具可以对模具 表面每一个点进行精确的磨削。 这种方法生产模具的难点之一在于如何给模具进行抛光。用传统的抛光技 术，必然会破坏模具表面的精密曲率分布。所以，必须采用柔性抛光机床进行 抛光。该技术可以使模具被抛光的同时保持精密的曲率分布。一些新的 CNC 机 床也可以对模具表面粗磨、精磨、抛光一次完成。 热沉降法是生产渐进模具另一个常用方法。使用 CNC 数控机床对精密陶瓷 材料的模具进行表面磨削，在表面磨削出渐进面；把表面经过抛光的球面玻璃 基片置于陶瓷模具之上，对玻璃基片进行加热，玻璃软化后将和陶瓷模具的渐 进面紧密贴合，这样陶瓷模具表面的渐进面将被“拷贝”到玻璃模具的表面。 模铸法生产渐进片的加工思路可以概况为“化繁为简” 。最困难的光学设计、 光学加工在模具设计生产阶段已经完成，车房只需简单地在渐进胚料的后表面 磨削出相应的球面或托力克面，生产效率比较高。所以，普通民众即可以较低 的价格享受渐进镜片带来的方便与舒适。 不过，模铸法生产也存在一些问题，例如，传统渐进片考虑模具加工和胚 料库存成本的因素，因此相邻的一组光度都会选用同一种基弯的胚料来加工， 而这一种胚料只是针对了某一基准光度进行了优化；偏离了胚料基准光度的渐 进片光学区效果表现就比较差。特别是高度散光镜片，效果更差，往往是传统 渐进片验配的禁忌之一。所以传统的渐进片并不能让每个顾客均达到视觉效果 的最优化。 此外，随着计算机性能的快速提升，更复杂的光学设计技术和设计理念被 渐进镜片设计者所采用。个性化设计、 “波前像差”设计等新技术已经难以通过 传统的渐进片加工技术得以表达。 此时，自由曲面技术应运而生。 自由曲面技术自由曲面技术 前文提及的 CNC 单点磨削系统可以对渐进片模具表面进行复杂的非对称光 学磨削。那么，这一加工系统是否可以直接在镜片表面磨削出渐进面呢？答案 是肯定的。我们对直接采用单点磨削系统在镜片表面直接磨削出复杂光学曲面 的技术称为自由曲面技术（Free-Form，图二） 。 图二：采用CNC数控机床在镜片表面直接磨削出复杂光学曲。 不过，车房加工对时效性和精确性要求极高，所以，此类自由曲面加工对 设备性能要求极高。尽管 CNC 机床用于渐进片模具的加工历史已经有大约 30 年的历史，但是 CNC 机床直接用于生产自由曲面镜片只是最近 10 来年的事情。 1996 年，世界上第一片自由曲面渐进片在美国首先面市，此后精工、罗敦司得、 蔡司豪雅等各大镜片公司相继推出了自己的自由曲面镜片。 相对“化繁为简”的模铸法，自由曲面渐进片可以看成是“以简洁演绎复 杂” 。例如，我们可以在一个前表面为球面的树脂胚料的后表面将加光度、球镜 度或散光度、个性化配镜参数等要素一次整合磨削完成。 自由曲面镜片主要有如下两个方面的优势： 1. 光学性能可被优化至最佳 “标准化”的模铸法渐进片并不能对每一种光度组合进行最优的曲率匹配， 光学性能往往不尽如人意。为了让每一个验光处方能获得最精准、理想的光学 区，必须对镜片表面曲率分布作更加精确的计算。现代的光学计算软件已经可 以对镜片表面几乎每一点建立方程，进行大规模运算，找出最合适的镜片表面 曲率分布方式。然后，根据计算结果，高精度的 CNC 单点磨削系统可以对镜片 表面每一点进行精确的磨削和抛光，加工出针对每一个特定处方完全优化的渐 进片。 近来热门的“波前像差”设计有别于传统的光路追迹设计技术，采用了波 阵面来描述镜片成像。这样，可以更为精确地设计镜片的表面曲率，进一步优 化成像质量，改善像差分布，提升顾客适应性。 2个性化设计成为可能 不仅仅是对球镜度、散光度及轴位、棱镜度等处方要素进行优化，自由曲 面技术更可以对个性化配镜参数进行优化。常用的个性化参数包括：单眼瞳距、 镜架倾角、镜架面弯、镜眼距、阅读距离、渐进通道长度等。不同的公司在设 计时考虑的侧重点可能并不一致，因而需要采集的个性化参数也会有所差别。 但是，无论哪种个性化设计，镜片表面的曲率都会变得异常复杂；因而都只有 通过自由曲面加工技术才能真正实现。 个性化镜片时代的到来，意味着真正“以人为本”的渐进片开始出现。配 镜者不再需要过多担心适应问题；因为，镜片已经考虑到了你独特的配镜需求 并通过自由曲面技术加以量身定做。 自由曲面镜片的形式自由曲面镜片的形式 目前，全球各重要镜片公司均已推出了自由曲面渐进片。根据镜片前表面 和后表面的曲面组合类型，主要有以下四类： 1后表面自由曲面型：内渐进镜片后表面自由曲面型：内渐进镜片 该镜片前表面为球面，后表面为非球、非托力克渐进面。代表镜片为日本 精工的 Proceed 和 Succeed 系列。另外，SHAMIR、INDO 等公司也有类似产品。 国内的保利徕、三联光学等也已市场推出了内渐进镜片系列。 内渐进镜片的渐进面在后表面，更为贴近角膜，因此最大的优点在于可以 拥有更为宽阔的视野。其次也可以显著降低“泳动”现象。 2后表面自由曲面型：渐进胚料修正型。后表面自由曲面型：渐进胚料修正型。 该类渐进片仍然采用渐进片胚料，其前表面为渐进片，后表面为非球、非 托力克的自由曲面。 代表作品为罗敦司得的千点型渐进片（Multigressiv） ，依视路的睿视 360（Physio 360）,豪雅 HOYA FD。 其中千点型渐进片仍然采用了传统的渐进胚料；睿视 360 采用的胚料采用 波前像差设计技术；而豪雅的 HOYA FD 采用了非传统的渐进胚料，前表面是一 个散光型的渐进表面。 这类镜片尽管仍然采用了渐进胚料，但是由于运用了自由曲面技术，在后 表面进行了精确的修正，使光学性能得到了极大提升。 不过，目前千点型渐进片的升级型产品已经改成了后表面渐进面。 3前表面自由曲面前表面自由曲面 该类镜片前表面为自由曲面渐进面，后表面为球面或非球面。 目前采用这种设计的渐进片很少，只有德国蔡司在一些高光度的渐进镜片 中采用了这一设计。 4.双面自由曲面型双面自由曲面型 目前豪雅的 HOYA iD 是唯一采用双面自由曲面设计加工的渐进片。该镜片 曾经获得 2004 年法国光学最高奖 Silmo 奖。它采用创新的双面复合渐进设计， 将渐进度中的垂直要素置于镜片前表面，水平要素则置于后表面，且都通过自 由曲面直接加工。 该镜片在拓宽横向视野的同时，还可以通过前表面的补偿设计来抵消部分 单面内渐进镜片令眼球纵向移动距离变长的缺点；拥有传统渐进片难以企及的 中心视力和周边视力，几乎感受不到两侧的变形量和晃动感，视野更宽广。 需要特别说明的是，依视路的睿视 360（Physio 360）的技术资料介绍其采 用了双面点对点（Point by Point Twinning）数码加工技术。很多人会误以为该 镜片采用了双面自由曲面加工。事实上，它仍然属于上述的后表面自由曲面型 （渐进胚料修正型） 。不过，该镜片可以归为“双面渐进”的类型，其 ADD 被 分散置于镜片的两面，这个技术据信源于强生光学（2005 年强生光学的镜片业 务被依视路收购）的双面渐进技术。另外，依视路的另一款高端渐进片视爵 （Ipseo）在最初并没有采用自由曲面技术来加工，但现在，其升级版本 Ipseo360 已经采用了该技术。 尽管自由曲面技术主要被应用在了渐进片设计加工领域，但是，近年市场 上也出现了自由曲面单焦点镜片。这类镜片在满足某些特殊要求时，可能会非 常有效。例如，对于大基弯的镜片，采用自由曲面设计可以非常好地控制镜片 边缘像差。罗敦司得和尼康已经在国内推出此类镜片。 结语结语 最后需要指出的是，自由曲面技术只是一个工具，镜片设计本身才是最重 要的。假如没有优秀的光学设计团队、没有强大的计算机建模、编程能力，空 有自由曲面加工技术是加工不出优秀镜片的。 从模铸法到自由曲面，被视为了镜片设计加工领域的里程碑式的进展。自 由曲面技术甚至可以和渐进片诞生的意义相提并论。还有人评论，自由曲面可 能是渐进片设计加工