镜片中的科学 篇一：染色、偏光、镜面和变色太阳镜，这些户外神器是怎么制造的？

引言

又到炎炎夏日需要选戴合适的太阳镜进行防护的时候了，太阳镜已经广泛进入国人的生活，市场上可以买到的镜片种类繁多，该选择染色、偏光还是镜面？又或者是变色片？除了均具备紫外线防护外，这些太阳镜各有什么特点？可能不少人都有这些疑问，而网络上的一般介绍性文章，又有解释不深，覆盖不全甚至误导之嫌。本文旨在对这几类太阳镜从制造原理的角度去解释其性能特点，在这个基础上再去挑选心仪的镜片，相信就不难啦。

• 注1：仅涉及树脂镜片，不包括玻璃镜片；

• 注2：大量专业术语警示，已经尽可能进行解释或添加链接说明；

• 注3：本文重点为原理介绍，涉及产品推荐内容较少；

太长不看版：

染色（有色）太阳镜

染色是基于已成型镜片（指已做成毛坯圆镜但还未切边装[上镜]架）的一种工艺：将染料以一定比例分散到溶剂中(染色液)，通过染色装置将镜片以一定的速度和频率浸入染色液，染料逐步渗透进入镜片基体而使得镜片颜色变深。染料的典型分子结构如下图，可以看到结构上含有各类发色基团，这类基团对于可见光谱中特定范围产生较强的吸收从而呈现各种颜色。在适合的工艺参数下，镜片可以获得特定的均匀(solid tint, 又称纯色)染色深度或渐变染色(gradient tint)深度。

典型有机染料Disperse Blue的分子结构

染色太阳镜部分纯色色系系列

与纯色染色镜片相比，渐变染色镜片从上到下呈由深至浅的色深分布，这与风光摄影中常用的渐变镜(GND)类似，目的是实现在户外佩戴时，视野中获得从天空到地面亮度均衡的视觉感受。

渐变染色（镜片车边上架后）

渐变染色佩戴效果

染色太阳镜的颜色可选范围很广，染色深度可以覆盖从极浅到极深的范围，适用于从室内到极度户外条件下的佩戴需要。但相应地，因为染色深度固定，其应用场景较为单一，如深色或浅色镜片都不太适合应用在光线变化迅速的场合，另外部分颜色（绿，红等）也可能干扰物体本身色彩。一般情况下，折中选择染色深度中等的镜片较为合适。

镜片染色深度选择指南

注：除以上所说的染色外，还有另外一种­生产有色太阳镜的方法：将色粉或色母粒（指含有色粉的塑料颗粒）均匀混入树脂中（通常为尼龙[PA]或聚碳酸酯[PC]），通过注射成型而成，如下图树脂被加热熔融后，通过加压以类似注射器的方式将物料注射入模具中，冷却后得到成型制品（镜片）。

注射成型演示动图（注：图示非眼镜产品）

注射成型制成的有色太阳镜片

以上两种有色镜片哪种好呢？ 注射成型的优势在于可以做成多种外形，例如护目镜滑雪镜等等。而染色工艺除了可以用在无色镜片上之外，也可以应用到有色、偏光和变色等多种镜片上（后文有示例说明）。

偏光太阳镜

偏光太阳镜能够减少阳光照射在潮湿路面、积雪、水或金属表面上的反射光（=偏振光）干扰，它同时也具备多种底色来改善视野对比度和色彩感受，可认为偏光太阳镜是加入了偏振光过滤功能的染色太阳镜。

偏振光过滤原理

偏光镜佩戴效果示意图

那么如何让镜片具有偏光过滤功能呢？这里需要用到偏光膜 - 一般由聚乙烯醇膜(PVA)在拉伸（取向）下使用碘化物或其他具备二向色性的物质进行染色而成，如下图所示：

PVA偏光膜的制备过程图解

偏光膜制作过程中，调节染料浓度可以获得不同透光率，但由于理想透光率仅为50%，考虑到各种损耗，实际得到的镜片透光率最高一般不超过40%。

有化学基础的朋友会知道，PVA聚合物主链上存在大量羟基，容易吸湿变形乃至水解，如何将柔软的PVA很好地固定到镜片里面呢？业内目前有几种方案：

• 加工成偏光片，直接热弯成型

因为PVA不易直接使用，因此在PVA两侧再层压上一到两层的高透光(93%)和高强度的三醋酸纤维素酯(TAC)，得到总厚度1 mm左右的偏光片。偏光片经过热（压）弯和裁切之后，可以直接用作太阳镜片或作为偏光夹片使用。目前市场上比较便宜的偏光眼镜/偏光夹片就是通过这个方法制造出来的，也包括常见的影院3D眼镜，低档的甚至都不进行热弯，直接就是平的。这类镜片很薄，不能进行度数加工（简称无度数），耐磨损性能一般，弯度和尺寸稳定性较差。

偏光片结构示意图

偏光片热（压弯）过程

• 加工成偏光片，再注射成型（热塑性树脂）

结构原理与前图一致，只是将外层TAC层替换成热塑性的树脂材料层，例如PC层，同样进行热弯后，将偏光片放置到模腔底部，然后将PC树脂注射（前文有动图）到偏光片的后表面，偏光片后表面的PC层和注射入的PC树脂在高温下进行良好的熔合，形成一个整体，保压冷却后即得到成型镜片。与偏光片直接热弯成型相比，注射成型得到的镜片，有了镜片材料的支撑，弯度能够得到较好的保持。并且镜片厚度控制灵活，做得较薄的直接作为镜片，做成较厚的基片可后续加工成各种度数（简称有度数），也非常适合进行加加硬和减反射(AR)镀膜等处理。除了PC之外，常见的还有PA等材料。

模具视角下的注射成型过程（绿色指代树脂材料）

• 浇注成型（热固性树脂）

浇注成型与注射成型类似，但仅适用于热固性材料。所用的偏光片结构相对较为简单，偏光片热弯后，将其固定到由玻璃模具构建的模腔中，由浇注口注入单体，经过高温烘烤固化后，偏光片被牢固地包裹在成型的镜片中。可用于浇注成型的材料非常多，包括1.5折射率的CR39®, MR®高折射率系列等热固性单体，其余优点与注射成型类似。

用于CR39的偏光片结构

对应镜片结构 (12, 12a-c = 多层偏光片， 14a, b = CR39树脂)；蔡司专利技术。

浇注成型动画演示（不含偏光片）

那么偏光镜选哪种好呢？其实从偏光效率来看没什么区别(效率>95%妥妥的)，差别大的是功能：

• 偶尔用用选偏光片（夹片）

• 度数较高推荐选浇注成型的（可高折射率）

  
  

变色镜

这里讲的变色镜为光致变色镜片，光致变色是“光导致颜色可逆变化”的简称，自康宁公司与上世纪60年代发明玻璃变色镜片以来，镜片材料从厚重的玻璃进步到了轻薄的高分子树脂，起变色作用的物质也从最初的无机“银盐”（卤化银等）发展成为有机光致变色分子（变色染料）。变色镜片在室内可用作普通光学眼镜，在户外可兼作太阳镜，因此在市场上得到了广阔的发展空间。

那么变色镜是怎么生产出来的呢？根据将有机变色材料加入镜片基材方式的不同，有以下几种主要生产工艺：

• 基变技术 (浇注成型)

基变技术的特点是将变色染料与镜片原材料（单体）均匀混合，通过浇注成型的方式，单体固化后得到具有变色能力的成型镜片，这种工艺一般用于1.5和1.56折射率，生产技术难度相对较低。由于带度数的镜片中心到边缘厚度不一，如果镜片厂家工艺优化不佳，佩戴时可能出现牛眼（Bull eye）现象，具体表现为镜片厚的区域颜色深，薄的区域颜色浅。

基变镜片（简化版，实际近中心部分因紫外线弱而变色浅）

• 膜变技术 (旋涂镀膜)

膜变技术通常在已成型镜片基材上涂覆含变色染料及交联树脂的变色层。膜变技术较为复杂，但可应用到各类折射率的镜片上，性能优异，是目前中高端市场的主流产品。

膜变镜片（膜层厚度一般为几十微米）

• 埋入式变色 (imbibition)

埋入式变色见于Transitions®产品，指在加热的情况下，变色染料扩散进入已成型镜片基体，大部分变色染料位于镜片表层，类似于染色工艺过程。由于变色染料的与镜片的相容性问题，埋入式变色仅用于1.5折射率镜片。

埋入式镜片（简化版）

• 变色膜（浇注成型）

类似于偏光太阳镜的浇注成型，但是需要将有偏振过滤功能的PVA层替换成可光致变色的功能层。为适应不同类型的镜片基材，用于保护和加强PVA层的外层结构可以由PA、聚氨酯(PU)、TAC和PC等材料制成。相同变色染料情况下，与膜变技术性能差不多，变色膜可应用到各类折射率镜片上，但技术难度更高，市场上此类镜片很少。

变色膜镜片

变色镜有什么主要特性呢？下图展示了有机变色分子在无色态(A)和有色态(B)之间相互转换的过程以及对应的吸收光谱，可以看到在无色态下，镜片主要通过吸收紫外线来完成变色过程。而从有色态到无色态的转化中，热作用是重要影响因素。由此我们可以归纳出变色镜的两个重要特点：紫外线导致变色以及温度决定变色速度和深度。具体来说也就是镜片所处的环境中，紫外线越强，变色速度越快，且颜色越深；温度越高，变色速度越快，但颜色越浅；温度越低，变色速度越慢，但颜色越深。以上特性制约了变色镜的应用范围，例如炎热的夏天，镜片变色深度会比较浅。而在车内使用时，汽车挡风玻璃过滤掉了大部分紫外线，镜片变色深度也不如人意。

被水印吃完了/(ㄒoㄒ)/~~

无色态(A)和有色态(B)的相互转换（上）以及对应吸收光谱（下）

为了克服温度高颜色浅的问题，通过对染料和工艺进行优化，可“加强”变色深度，而变色速度不受影响。 蔡司近期推出的PhotoFusion®产品新颜色Extra Grey (国内市场暂未开售），可以看到在变色状态下镜片较普通灰色约加深3%。

ZEISS Photofusion®变色镜新颜色系列

如果觉得深度还不够，或者希望实现真正的“一镜走户外”，还可以考虑偏光+变色或者染色+变色这些组合型的“智能太阳镜” (国内市场暂未开售）， 这种镜片具有一个起始的基础色深，根据户外光线条件的变化（多云/黎明/黄昏/正午等），能够自动调节到所需要的透光率（深度），镜片的适用场合因而得到极大的扩展…… 什么？你问价格？这个暂不在本文讨论范围内…… 不过既然提到了，在这里解释一下大厂变色镜都较贵的几个原因：

• 变色染料合成过程中有很多副产物，合成提纯步骤复杂，最终产率很低；

• 染料生产难度与变色性能基本成正比 --> 性能优异的染料成本高；

• 为实现各方面的优越性能，需要投入很高的开发成本，特别是偏光+变色等组合型产品；

ZEISS AdaptiveSun“智能太阳镜”应用场景

ZEISS AdaptiveSun“智能太阳镜”应用场景

变色镜和偏光镜不同，不同品牌，不同制造工艺带来的性能差距巨大，特别是变色复原速度（从变色到非变色）。有兴趣戳链接了解一下蔡司自有品牌PhotoFusion®变色镜”变色速度优于其他产品速度2倍“。

镜面(Mirrored)太阳镜

从镜片制造过程来讲，镜面太阳镜并不能算作单独类型，而是一种真空镀膜方法。但由于镜面太阳镜外观有很强的特点，这里将其作为一个品类来说明。镜面镀膜可以用到前面提到过的染色（有色）、偏光和变色太阳镜上，使用的材料和AR减反射镀膜相类似 - 在真空炉膛内使用电子枪加热不同折射率的镀膜材料，镀膜材料在高温下蒸发以一定的厚度沉积到镜片表面。与AR镀膜不同的是，镜面镀膜通过改变膜厚使得反射率大幅提高，从而实现镜面反射效果。

镜面镀膜过程图示

镜面与AR镀膜的反射率对比

镜面镀膜通常与染色太阳镜或偏光太阳镜结合，应用到镜片的外表面（凸面），透光率的降低使之非常适合于各类水上、雪地和高海拔环境，也给使用者带来炫酷的佩戴体验。在一定的镜面膜层设计下，镜片基底颜色越深，镜面效果随之越强。通过调节膜层设计，还可以按需要反射出不同的颜色，满足个性化需求。除此之外，镜面镀膜还可以应用于大面积面部防护产品例如滑雪镜上。

镜面镀膜典型应用

结尾一句话总结

• 染色/注射成型有色太阳镜：简单好用多彩就是我！

• 偏光太阳镜：无度数的制造简单，有度数的工艺复杂，对炫光说不！

• 光致变色太阳镜：变色+智能，我贵，但有理！

• 镜面太阳镜：兄弟姐妹里面我最炫！