利用寶石折射儀測量眼鏡鏡片折射率的案例分析

1 常見鏡片折射率測量方法及特點

折射率是指光在空氣中的速度與在該材料中的速度之比率，它是表征光學材料特性的重要參數之一。對于眼鏡鏡片而言，在相同屈光度條件下，高折射率材料可顯著減小鏡片厚度，使眼鏡更輕薄、美觀、舒適。

目前，鏡片折射率的測量方法從技術類型上大致分為以下兩類：

a.利用光的折射性質進行測量的傳統測量法：如最小偏向角法、Ｖ形棱鏡法、臨界角法等。此類方法通常需要將被測樣品加工成特殊形狀，操作復雜、測量難度高。

b.新型、無損的測量方法：如依據曲率半徑和屈光度參數反推折射率[1]、基于菲涅爾公式利用反射比擬合法[2]、基于頻域OTC（光學相干層析技術）測量折射率[3]、基于中空棱鏡的方法[4]等。此類方法需要使用大型儀器設備輔助測量，成本較高；或者屬于間接測量，需要復雜的推導和計算。

現行行業標準中推薦的“V形棱鏡法”屬于傳統測量方法，需要把被測鏡片研磨成精確的直角棱鏡后放置于V棱鏡折射儀上進行測量。

2 阿貝折射儀的工作原理及寶石折射儀的結構

阿貝折射儀是依據臨界角法，利用折射定律和全反射定律設計的折射率測量設備，常用于測量透明、半透明液體或固體的折射率。其在不同領域內有不同的應用形態，如用來測量液體糖度的手持糖度計、檢測珠寶折射率的寶石折射儀等（見圖1b）。

阿貝折射儀的工作原理是，當光線從光密介質傾斜射入光疏介質時，折射光線遠離法線，即相對靠近兩介質分界線。當入射角增大到一定程度時，折射光線與法線的夾角為90°，此時的入射角稱為臨界角；當光線入射角大于臨界角時，入射光不發生折射，全部返回到光密介質中，這種現象稱為全（內）反射（見圖2）。

一種介質相對于空氣（嚴格地說應為真空）的折射率為一定值，那么，一種介質相對于另一已知介質的折射率也為一定值。根據公式可以推導出：

n₂/n₁=sinI/sinγ

式中：I 為入射角；γ 為折射角；n₁為未知介質的折射率；n₂為已知介質的折射率。

當γ=90°時，n₂=n₁·sinI。因此，只需測出I角，即可求出未知介質折射率值。

寶石折射儀是針對固體樣品（珠寶玉石）設計的一種小型阿貝折射儀，其結構（見圖3）通常由高折射率棱鏡、工作臺、刻度尺、反射鏡、目鏡、偏光片、進光孔、密封蓋、標準光源、接觸液等組成。其工作原理是利用寶石作為光疏介質，棱鏡和接觸液作為光密介質。當入射角小于臨界角時，光線折射進入寶石；當入射角大于臨界角時，光線發生全反射，返回棱鏡并經過折射儀標尺進入目鏡，形成亮區。折射入寶石的光線不能被人眼所觀察到，即形成暗區。亮暗交界的陰影邊界即標志著光線剛好以臨界角入射，此時標尺上亮暗交界的讀數即為被測樣品折射率值。

3 使用寶石折射儀檢測鏡片及配裝眼鏡折射率的案例分析

光學材料的折射率可以用氦黃線d（波長為587.56 nm）的折射率nd或汞綠線ｅ（波長為546.07 nm）的折射率ne來表示。眼鏡鏡片折射率通常是使用ne值來表示，寶石折射儀采用黃色鈉光源（波長為589.5nm）為入射光，其測量值可以看作nd近似值。由于色散的存在，試驗中折射率測量值與標稱值ne會存在一定的偏差，雖兩者之間無法直接通過公式換算，但通常情況下同種光學材料的折射率ne值大于nd值，兩者差值范圍在0.002～0.007之間[5]，且折射率值越高、色散越大，該差值也會越大。本次測試實驗中使用的寶石折射儀最小分度值為0.01，測試值最后一位為估計值。

3.1 使用寶石折射儀測量樹脂鏡片折射率的案例分析

本次實驗中選擇9片不同廠家生產的折射率標稱值從1.499～1.700的樹脂鏡片作為測試樣品。為了避免樣品材質不均勻產生的折射率偏差，試驗中選取樣品兩條相互垂直的直徑與鏡片邊棱交點處為測試位置（見圖4），并且取4個點的平均值為最終測試值。鏡片折射率值測試結果見表1。

本項實驗表明，寶石折射儀能夠用來測量樹脂鏡片折射率值，由于鍍膜原因應優先選擇鏡棱處作為測試部位，部分樣品需拋光處理，但這種微損檢測不影響鏡片后期銷售和使用。

3.2 使用寶石折射儀測量配裝眼鏡折射率的案例分析

配裝眼鏡是指根據驗光處方或特定要求定制的框架眼鏡，其特點是鏡片割邊處理并安裝于眼鏡框架上。本試驗選擇2副分別在線下實體店和網店定制的折射率標稱值同為1.700的配裝眼鏡作為測試樣品（見圖6），測量折射率值（見表2）。

本項實驗顯示，寶石折射儀可以用來測量配裝眼鏡的折射率。由于配裝眼鏡已割邊，測量時只須拆卸鏡片直接測量（見圖7），幾乎不需要對樣品進行前處理（制樣）。

3.3 結果判定分析

使用寶石折射儀測量眼鏡鏡片折射率時，由于入射光源波長產生的系統偏差為0.002～0.007，標準規定的折射率允差為±0.005，所以測量結果的判定原則如下：

a.當測量值與標稱值偏差值在-0.01～0.01范圍時，不合格風險判斷為較低。

b.當測量值與鏡片標稱值偏差絕對值在0.01～0.015范圍時，不合格風險待驗證，需要用更高精度的檢驗方法復檢確認。

c.當測量值與標稱值偏差絕對值＞0.015時，不合格風險判定為很高。

依據以上原則，實驗3.1中，1號鏡片折射率實測值1.543明顯高于標稱值1.499，偏差高達+0.0435，分析判定應為折射率誤標，將折射率“反向虛標”即高折射率標為低折射率的案例，筆者也是第一次遇到。

實驗3.2中，線下實體店定配的眼鏡鏡片折射率實測值為1.691，標稱值為1.700，偏差為-0.009，差值在合理范圍內，產品不合格風險較低；而網店定制的眼鏡鏡片折射率實測為1.662，標稱值為1.700，差值為-0.0385，偏差超出合理范圍，涉嫌折射率虛標，后經驗證，確認為虛標。

4 結論

通過系統實驗對寶石折射儀在眼鏡鏡片折射率測量的適用性進行驗證，結果發現寶石折射儀的以下特點在測量眼鏡鏡片折射率時的適用性良好：

a.寶石折射儀專門針對固體樣品設計，對樣品形狀、透明度等沒有要求，只須有良好的拋光面即可。

b.測量范圍廣（測量范圍1.35～1.81），能滿足市場上絕大多數眼鏡鏡片折射率測量范圍。

c.測量精度符合要求，寶石折射儀的分辨力為0.005，與標準規定的允差±0.005相當，可作為輔助檢測設備用于排查性檢驗、驗收檢驗等。

此外，寶石折射儀測量眼鏡鏡片具有以下優點：

a.操作簡便、快捷、無損（微損）。

b.技術成熟、測量穩定性和測量重復性良好，量值可溯源。

c.設備投資少、維護保養成本低，寶石折射儀的市場價格在500～2000元，使用中除接觸液（折射油）外，不需要其它輔助材料，維護、保養成本極低。

綜上所述，寶石折射儀作為鏡片折射率測量的輔助檢驗設備，用于檢驗檢測機構日常排查性檢驗或眼鏡企業驗收性檢驗，具有良好的適用性和一定的市場推廣前景。o

參考文獻

[1] 劉良合，蔡文苑.一種無損測量定配眼鏡樹脂鏡片折射率的新方法[J].輕工標準與質量，2013（6）：49-50.

[2] 侯蕊，關昕，蔣同春.一種無損檢測眼鏡鏡片折射率的方法[J].光學技術，2017，43（2）：118-121.

[3] 葛世圣，胡志雄，段亮成，等.一種基于頻域OTC測量眼鏡鏡片折射率的方法[J].光電子·激光，2023，34（4）.429-433.

[4] Jacobsohn S，Beloian E，Hess H．A rapid non-destructive method of determining the refractive index of lens components，using a spectrometer[J].Journal of the Optical Society of America，1947，37（12）：941-943.

[5] 張宗裕，徐紅梅.用阿貝折射儀測量單色光折射率[J].應用光學，1997，18（6）：44-46.

作者單位：煙臺市標準計量檢驗檢測中心