三维光学表面轮廓测量仪助力大幅降低隐形眼镜生产成本

全球隐形眼镜行业正在经历重大变革，市场人口统计特征的转变，促使开发新的隐形眼镜和人工晶状体（IOL）技术。新技术采用了纳米级表面结构和在不同轴向上呈球形和圆柱形的非球面设计。这些基于新结构的镜片设计的几何形状更加复杂，生产难度更大，因此需要进行大量反复加工处理，从而增加了生产成本。

诸如菲佐干涉仪和触针式二维轮廓测量仪等传统的测定技术，不能提供足够的精度或进行全面的三维测定，以支持这些纳米工艺，确保成品镜片的几何外形符合规定的容差范围。新一代非接触式光学轮廓测量仪能够以很快的速度，进行精度更高的全面的三维表面测定。通过减少反复加工处理的次数，一座年产量为100 枚顶针的普通镜片生产厂，有望每年节省约100万美元。

隐形眼镜发展趋势

隐形眼镜行业最初的关注焦点是25岁以下的可通过佩戴球面镜来矫正近视的年轻消费者。然而，人口老龄化的趋势，改变了这个初衷。如今，增长速度最快的隐形眼镜和人工晶状体消费群体是年龄在40岁以上的消费者。这样的转变，是受两种主要疾病的影响：即，老花眼（眼睛晶状体逐渐硬化，导致短距离聚焦能力下降）和白内障（眼睛晶状体变得不透明）。由于白内障和老花眼都是随年龄的增长而出现的疾病，因此，老年人通常同时患有这两种眼疾。长期佩戴隐形眼镜的55岁以上的老年人大多都同时既是近视眼，又是老花眼，需要双焦隐形眼镜。一般而言，白内障患者同时也是老花眼，因此需要双焦人工晶状体。

有多种不同的双焦镜片设计方法。目前最主流的方法是，制造具备交替屈光度的同心环镜片。每个同心环镜片的结构都经专门设计，以支持远视或近视，眼睛同时通过具有远视和近视屈光度的区域视物。眼睛根据视物距离，选择具有适当屈光度的区域，从而实现连续不断的近视和远视调节。

令问题更加复杂的是，许多老年患者还需要矫正散光，即，目镜必须在不同轴向上提供不同的屈光度。通常，适用于矫正散光的双曲面镜片，在相互正交的轴向上提供了两种不同的屈光度，并且矫正镜片必须保持轴位相对静止，以使两个屈光度保持适当的角定向。用于维持轴位稳定的两种不同方法是双边削薄和棱镜垂重，这两种方法都利用了重力和睑肌推动力来保持镜片固定。

生产挑战

因此，市场日益朝着采用纳米级表面结构和在不同轴向上呈球形和圆柱形的非球面设计的隐形眼镜和人工晶状体（IOL）技术发展。铸塑成形是用于生产这些设计更为复杂的镜片的主要方法。 这种方法利用了通常由被称为“主顶针”的工具铸模而成的正面和反面曲面模具。主顶针是利用金刚石刀片切割而成的。主顶针具备纳米级结构，必须精确地将之复制到镜片上。利用不同的主顶针来制作正面和反面曲面模具。正面和反面曲面模具被插入镶件。将聚合物注入模具并热固化。然后，让镜片通过水合作用，吸收水分，使水分占到总重量的20%至70%。

在生产了大量模具之后，主顶针会逐渐磨损。因此，隐形眼镜生产商往往必须制作新的主顶针。每一枚主顶针在可用于制造模具之前，必须首先接受试验，制作试用模具，用于试生产数量有限的镜片。然后，对这些镜片进行测试，以核实其是否符合验光处方的规定。在大多数情况下，试生产出的第一批镜片达不到验光处方的规定，因此，必须重新设计和加工顶针，必须制作新的模具，最后再试生产新一批镜片并进行测试。一座普通的镜片生产厂，多半要重复2至6次这样的过程，才能生产出符合验光处方规定的镜片。即使在镜片通过测试之后，许多顶针也会出现其他问题，要求再次重新加工。

之所以必须如此多次地反复加工主顶针的一个主要原因是，可用于测定镜片的方法存在局限性。对于利用顶针生产出的球面镜片，当前采用的测量方法是菲佐干涉仪。菲佐干涉仪可以测定镜片的表面轮廓形状，并将其曲率半径与固定基准作比较。这种方法的局限性之一是，必须为每份验光配镜处方确定一个黄金基准。另一个局限性是，菲佐干涉仪采用激光，因此，其可测量的最高阶跃高度为激光波长的四分之一，即，约160纳米。如今生产的结构化镜片的阶跃高度超过了160纳米，因此，菲佐干涉仪不适于测定这些镜片。

目前用于测定非球面阶跃表面的方法是触针式二维轮廓测量仪。在眼科应用中，针对镜片的非对称性质，触针式轮廓仪通常在一个X轴向和一个Y轴向上扫描，逐一测定结构化镜片的各个阶跃高度。触针式轮廓仪是一种接触式测量方法，相比于非接触式光学测量方法，速度缓慢。此外，操作人员必须手动调节触针式轮廓仪的位置。如果操作人员未能正确地将触针式轮廓仪置于与镜片顶端相交的位置，那么，得到的测定结果将是不准确的。对于结构化表面，仅在一个X轴向和一个Y轴向上进行测量是不够的，因此，可能需要测绘整个镜片。然而，对于执行这项任务而言，触针式二维轮廓测量仪的速度太慢，并且有可能损坏被测表面。针头直径也限制了可测定的特征大小。例如，如果触针针头的直径为5微米，那么，它就不能测定出直径小于5微米的特征。

新兴三维测定技术

一种更加新颖的可量化、可重复的测定技术，采用被称为光学轮廓测量法的白光干涉测量法，来精确地测定镜片的整个三维表面轮廓。在光学轮廓测量仪中，逼近样本的光被分割，部分照射到样本上，部分照射到高质量基准表面上。然后，将从这两个表面反射回来的光重新合并起来。如果样本是近焦镜片，光的相互作用将形成反映表面形状的明线和暗线模式。显微镜垂直于表面扫描，以使测试表面的每一个点都穿过焦点。明线和暗线对比度最强的位置，即每个像素的最佳焦点位置，最终生成完整的三维表面测绘图。图1至图3所示为利用白光干涉测量法生成的三维表面测绘图示例。

光学轮廓测量仪的优点是，全面的三维表面测定，比触针式二维轮廓测量更加全面地呈现了镜片表面。这能大幅降低对额外的反复加工处理的需要。光学轮廓测量仪可测量的阶跃高度不受限制，因此可用于测定各种类型的镜片。最新一代光学轮廓测量仪，ContourGT家族白光干涉测量仪（布鲁克纳米表面仪器部），借助64位软件和多核处理器，实现了速度更快、更加直观的软件工作流程，同时有助于提高数据收集率。一个已取得专利的照明源提供了更高光吞吐量，加快了测定速度，同时实现了更加出色的数据收集能力（图4）。 [p]

最近，一座大型镜片生产工厂对白光干涉测量法的应用，彰显了其优越性。这座工厂每年要生产100多枚主顶针，可制造屈光度范围为+6.0到+30.0（增量0.5）的48种不同设计的镜片。取决于工厂所在地区，生产成本不尽相同；然而，每次重复加工的平均成本在2,500美元左右，包括全负荷设计和小批量生产的成本。利用触针式二维轮廓测量技术，这座工厂生产主顶针平均要进行4次反复加工处理，并且在通过检测、用于生产之后，还有67枚顶针必须再次返工。每年生产100枚顶针平均总共需要进行667次反复加工处理，每年的总成本为将近170万美元。

采用白光干涉测量法，顶针通过投产验收之前所需进行的反复加工处理次数和投产验收之后需要再次返工的顶针数量双双大幅减少。采用白光干涉测量法带来的益处和节省非常可观，仅需短短几个月，就能收回这个工具的初始投资费用。

随着隐形眼镜和人工晶状体的设计日益复杂，必须借助更加精确的三维测量技术来可靠地制作用于生产的模具。

图1 双焦隐形眼镜表面形状三维光学轮廓测量图

图2 人工晶状体三维光学轮廓形状测量图

图3 使用过的人工晶状体的三维光学轮廓测量图揭示边缘磨损

图4 ContourGT-K1 Bench-Top三维光学轮廓仪