全球隱形眼鏡行業(yè)正在經(jīng)歷重大變革，市場(chǎng)人口統(tǒng)計(jì)特征的轉(zhuǎn)變，促使開發(fā)新的隱形眼鏡和人工晶狀體（IOL）技術(shù)。新技術(shù)采用了納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)和在不同軸向上呈球形和圓柱形的非球面設(shè)計(jì)。這些基于新結(jié)構(gòu)的鏡片設(shè)計(jì)的幾何形狀更加復(fù)雜，生產(chǎn)難度更大，因此需要進(jìn)行大量反復(fù)加工處理，從而增加了生產(chǎn)成本。

諸如菲佐干涉儀和觸針式二維輪廓測(cè)量?jī)x等傳統(tǒng)的測(cè)定技術(shù)，不能提供足夠的精度或進(jìn)行全面的三維測(cè)定，以支持這些納米工藝，確保成品鏡片的幾何外形符合規(guī)定的容差范圍。新一代非接觸式光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x能夠以很快的速度，進(jìn)行精度更高的全面的三維表面測(cè)定。通過(guò)減少反復(fù)加工處理的次數(shù)，一座年產(chǎn)量為100 枚頂針的普通鏡片生產(chǎn)廠，有望每年節(jié)省約100萬(wàn)美元。

隱形眼鏡發(fā)展趨勢(shì)

隱形眼鏡行業(yè)最初的關(guān)注焦點(diǎn)是25歲以下的可通過(guò)佩戴球面鏡來(lái)矯正近視的年輕消費(fèi)者。然而，人口老齡化的趨勢(shì)，改變了這個(gè)初衷。如今，增長(zhǎng)速度最快的隱形眼鏡和人工晶狀體消費(fèi)群體是年齡在40歲以上的消費(fèi)者。這樣的轉(zhuǎn)變，是受兩種主要疾病的影響：即，老花眼（眼睛晶狀體逐漸硬化，導(dǎo)致短距離聚焦能力下降）和白內(nèi)障（眼睛晶狀體變得不透明）。由于白內(nèi)障和老花眼都是隨年齡的增長(zhǎng)而出現(xiàn)的疾病，因此，老年人通常同時(shí)患有這兩種眼疾。長(zhǎng)期佩戴隱形眼鏡的55歲以上的老年人大多都同時(shí)既是近視眼，又是老花眼，需要雙焦隱形眼鏡。一般而言，白內(nèi)障患者同時(shí)也是老花眼，因此需要雙焦人工晶狀體。

有多種不同的雙焦鏡片設(shè)計(jì)方法。目前最主流的方法是，制造具備交替屈光度的同心環(huán)鏡片。每個(gè)同心環(huán)鏡片的結(jié)構(gòu)都經(jīng)專門設(shè)計(jì)，以支持遠(yuǎn)視或近視，眼睛同時(shí)通過(guò)具有遠(yuǎn)視和近視屈光度的區(qū)域視物。眼睛根據(jù)視物距離，選擇具有適當(dāng)屈光度的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的近視和遠(yuǎn)視調(diào)節(jié)。

令問題更加復(fù)雜的是，許多老年患者還需要矯正散光，即，目鏡必須在不同軸向上提供不同的屈光度。通常，適用于矯正散光的雙曲面鏡片，在相互正交的軸向上提供了兩種不同的屈光度，并且矯正鏡片必須保持軸位相對(duì)靜止，以使兩個(gè)屈光度保持適當(dāng)?shù)慕嵌ㄏ?。用于維持軸位穩(wěn)定的兩種不同方法是雙邊削薄和棱鏡垂重，這兩種方法都利用了重力和瞼肌推動(dòng)力來(lái)保持鏡片固定。

生產(chǎn)挑戰(zhàn)

因此，市場(chǎng)日益朝著采用納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)和在不同軸向上呈球形和圓柱形的非球面設(shè)計(jì)的隱形眼鏡和人工晶狀體（IOL）技術(shù)發(fā)展。鑄塑成形是用于生產(chǎn)這些設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的鏡片的主要方法。 這種方法利用了通常由被稱為“主頂針”的工具鑄模而成的正面和反面曲面模具。主頂針是利用金剛石刀片切割而成的。主頂針具備納米級(jí)結(jié)構(gòu)，必須精確地將之復(fù)制到鏡片上。利用不同的主頂針來(lái)制作正面和反面曲面模具。正面和反面曲面模具被插入鑲件。將聚合物注入模具并熱固化。然后，讓鏡片通過(guò)水合作用，吸收水分，使水分占到總重量的20%至70%。

在生產(chǎn)了大量模具之后，主頂針會(huì)逐漸磨損。因此，隱形眼鏡生產(chǎn)商往往必須制作新的主頂針。每一枚主頂針在可用于制造模具之前，必須首先接受試驗(yàn)，制作試用模具，用于試生產(chǎn)數(shù)量有限的鏡片。然后，對(duì)這些鏡片進(jìn)行測(cè)試，以核實(shí)其是否符合驗(yàn)光處方的規(guī)定。在大多數(shù)情況下，試生產(chǎn)出的第一批鏡片達(dá)不到驗(yàn)光處方的規(guī)定，因此，必須重新設(shè)計(jì)和加工頂針，必須制作新的模具，最后再試生產(chǎn)新一批鏡片并進(jìn)行測(cè)試。一座普通的鏡片生產(chǎn)廠，多半要重復(fù)2至6次這樣的過(guò)程，才能生產(chǎn)出符合驗(yàn)光處方規(guī)定的鏡片。即使在鏡片通過(guò)測(cè)試之后，許多頂針也會(huì)出現(xiàn)其他問題，要求再次重新加工。

之所以必須如此多次地反復(fù)加工主頂針的一個(gè)主要原因是，可用于測(cè)定鏡片的方法存在局限性。對(duì)于利用頂針生產(chǎn)出的球面鏡片，當(dāng)前采用的測(cè)量方法是菲佐干涉儀。菲佐干涉儀可以測(cè)定鏡片的表面輪廓形狀，并將其曲率半徑與固定基準(zhǔn)作比較。這種方法的局限性之一是，必須為每份驗(yàn)光配鏡處方確定一個(gè)黃金基準(zhǔn)。另一個(gè)局限性是，菲佐干涉儀采用激光，因此，其可測(cè)量的最高階躍高度為激光波長(zhǎng)的四分之一，即，約160納米。如今生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)化鏡片的階躍高度超過(guò)了160納米，因此，菲佐干涉儀不適于測(cè)定這些鏡片。

目前用于測(cè)定非球面階躍表面的方法是觸針式二維輪廓測(cè)量?jī)x。在眼科應(yīng)用中，針對(duì)鏡片的非對(duì)稱性質(zhì)，觸針式輪廓儀通常在一個(gè)X軸向和一個(gè)Y軸向上掃描，逐一測(cè)定結(jié)構(gòu)化鏡片的各個(gè)階躍高度。觸針式輪廓儀是一種接觸式測(cè)量方法，相比于非接觸式光學(xué)測(cè)量方法，速度緩慢。此外，操作人員必須手動(dòng)調(diào)節(jié)觸針式輪廓儀的位置。如果操作人員未能正確地將觸針式輪廓儀置于與鏡片頂端相交的位置，那么，得到的測(cè)定結(jié)果將是不準(zhǔn)確的。對(duì)于結(jié)構(gòu)化表面，僅在一個(gè)X軸向和一個(gè)Y軸向上進(jìn)行測(cè)量是不夠的，因此，可能需要測(cè)繪整個(gè)鏡片。然而，對(duì)于執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)而言，觸針式二維輪廓測(cè)量?jī)x的速度太慢，并且有可能損壞被測(cè)表面。針頭直徑也限制了可測(cè)定的特征大小。例如，如果觸針針頭的直徑為5微米，那么，它就不能測(cè)定出直徑小于5微米的特征。

新興三維測(cè)定技術(shù)

一種更加新穎的可量化、可重復(fù)的測(cè)定技術(shù)，采用被稱為光學(xué)輪廓測(cè)量法的白光干涉測(cè)量法，來(lái)精確地測(cè)定鏡片的整個(gè)三維表面輪廓。在光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x中，逼近樣本的光被分割，部分照射到樣本上，部分照射到高質(zhì)量基準(zhǔn)表面上。然后，將從這兩個(gè)表面反射回來(lái)的光重新合并起來(lái)。如果樣本是近焦鏡片，光的相互作用將形成反映表面形狀的明線和暗線模式。顯微鏡垂直于表面掃描，以使測(cè)試表面的每一個(gè)點(diǎn)都穿過(guò)焦點(diǎn)。明線和暗線對(duì)比度最強(qiáng)的位置，即每個(gè)像素的最佳焦點(diǎn)位置，最終生成完整的三維表面測(cè)繪圖。圖1至圖3所示為利用白光干涉測(cè)量法生成的三維表面測(cè)繪圖示例。

光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)是，全面的三維表面測(cè)定，比觸針式二維輪廓測(cè)量更加全面地呈現(xiàn)了鏡片表面。這能大幅降低對(duì)額外的反復(fù)加工處理的需要。光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x可測(cè)量的階躍高度不受限制，因此可用于測(cè)定各種類型的鏡片。最新一代光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x，ContourGT家族白光干涉測(cè)量?jī)x（布魯克納米表面儀器部），借助64位軟件和多核處理器，實(shí)現(xiàn)了速度更快、更加直觀的軟件工作流程，同時(shí)有助于提高數(shù)據(jù)收集率。一個(gè)已取得專利的照明源提供了更高光吞吐量，加快了測(cè)定速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更加出色的數(shù)據(jù)收集能力（圖4）。

最近，一座大型鏡片生產(chǎn)工廠對(duì)白光干涉測(cè)量法的應(yīng)用，彰顯了其優(yōu)越性。這座工廠每年要生產(chǎn)100多枚主頂針，可制造屈光度范圍為+6.0到+30.0（增量0.5）的48種不同設(shè)計(jì)的鏡片。取決于工廠所在地區(qū)，生產(chǎn)成本不盡相同；然而，每次重復(fù)加工的平均成本在2,500美元左右，包括全負(fù)荷設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)的成本。利用觸針式二維輪廓測(cè)量技術(shù)，這座工廠生產(chǎn)主頂針平均要進(jìn)行4次反復(fù)加工處理，并且在通過(guò)檢測(cè)、用于生產(chǎn)之后，還有67枚頂針必須再次返工。每年生產(chǎn)100枚頂針平均總共需要進(jìn)行667次反復(fù)加工處理，每年的總成本為將近170萬(wàn)美元。

采用白光干涉測(cè)量法，頂針通過(guò)投產(chǎn)驗(yàn)收之前所需進(jìn)行的反復(fù)加工處理次數(shù)和投產(chǎn)驗(yàn)收之后需要再次返工的頂針數(shù)量雙雙大幅減少。采用白光干涉測(cè)量法帶來(lái)的益處和節(jié)省非?？捎^，僅需短短幾個(gè)月，就能收回這個(gè)工具的初始投資費(fèi)用。

隨著隱形眼鏡和人工晶狀體的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，必須借助更加精確的三維測(cè)量技術(shù)來(lái)可靠地制作用于生產(chǎn)的模具。

 
圖1 雙焦隱形眼鏡表面形狀三維光學(xué)輪廓測(cè)量圖

圖2 人工晶狀體三維光學(xué)輪廓形狀測(cè)量圖

 
圖3 使用過(guò)的人工晶狀體的三維光學(xué)輪廓測(cè)量圖揭示邊緣磨損

圖4 ContourGT-K1 Bench-Top三維光學(xué)輪廓儀