眼镜片研发中心的镜片镀膜加工之实验教学设计

厉以宇

温州医学院眼视光学院 浙江温州 325027

眼镜片研发中心的镜片镀膜加工之实验教学设计

厉以宇

温州医学院眼视光学院 浙江温州 325027

系统介绍眼镜片镀膜加工实验教学的设计思路，侧重实验教学方法的选择和灵活运用，突出对学生实践技能的有效锻炼和工程技术思维的训练，按照项目驱动教学法的思路设计本实验教学内容，提高教师实验教学质量。通过本次实验教学，学生不仅掌握先进实验设备的使用方法，而且深刻体会到理论基础知识在科研与实践过程中发挥的重要作用。

眼镜片；镀膜加工；实验制备；教学设计

眼镜学是研究眼镜及其应用的一门学科，是眼视光专业一门重要的基础课程。眼镜学不仅涉及眼科学、视光学，还与光学、材料学等有着紧密联系。以往受制于实验硬件条件不足，无法开展眼镜片加工的实验教学，只能通过参观眼镜生产企业，让学生对相关技术进行简单了解。由于缺乏具体的实践培训，学生对眼镜加工技术缺乏深入认识，单纯的理论教学模式效果不佳。眼镜片光学镀膜作为眼镜学实验教学的重点内容之一，具有多学科交叉、理论性强、浓厚的工程背景等特点。现在随着眼镜研发中心的建立和专用实验设备的配置完善，视光专业已经可以开设眼镜片光学镀膜的工艺实验课程，学生能够参与包括膜系设计、制备与性能检测在内的整个实验流程。

1 教学设计理念

把握高等院校培养视光专业科研与技能型人才的方向，注重理论知识的实践应用，通过项目式教学方法，安排大量的实践性教学环节，使理论与实践形成互补；完善视光专业的教学质量体系建设，补充工程技术的实践教学模块，建立具有光学工程特色的视光专业培养模式；重视技能传授与科研探索并重，培养学生从工程实践到基础科研的岗位适应能力，满足视光产业各层次的专业人才需求。

2 教学对象

授课对象是五年制的视光专业本科生。他们已经系统性地学习了应用光学和眼镜学这两门专业基础课程，具备一定的专业基础理论知识，对眼镜片设计、加工以及检测具有一定程度的了解，但还没有接触具体的工艺技术，尤其对眼镜片镀膜的工程技术较为陌生。通过本实验教学，能够使理论知识得到活学活用，同时激发出学生对新技术、新事物的学习兴趣。

3 教学目标和教学难点

通过本实验教学的实施，学生掌握眼镜片镀膜加工的完整工艺过程，锻炼并提高学生的科研与实验技能，这是教学的目标。在教师引导下，使学生合理分析工艺技术要求，选择合适的工艺方法，使用正确的加工材料，编写准确的工艺控制程序，培养学生独立分析问题和计划决策能力；以项目管理方式要求学生在规定时限内完成具体的技术指标任务，培养学生对加工流程的组织管理能力和科研工作的职责意识，这是教学的难点。

4 教学方法

针对学生的专业背景和本实验课工程技术性强的特点，采用以项目驱动法为主的教学方法，以眼镜片镀膜加工为中心任务，在完成膜系设计、制备、检测的完整过程中实现对学生实验技能、科研素质及组织管理能力的培养。项目驱动法分4个环节，即目标分析、项目分解、具体实施和检测评估，形成以学生为主体参与项目运行、以教师为引导推进实验项目进度的教学方式。

5 实习环境与条件配置

眼镜片研发中心拥有镜片镀膜设备共计3台，可满足镜片镀膜实验的需要；有检测设备5台，可满足膜层厚度测量、透过率测量、摩擦雾度实验、膜层硬度和附着力等实验的需要。

6 教学过程

6.1 目标分析

图1是所要制备的减反膜膜系结构设计以及理论计算的眼镜片镀膜后的透过率曲线，目标是完成该镜片减反膜的加工。

6.2 项目分解

从图纸中首先获得初步的加工信息，包括薄层厚度与折射率。根据膜层的折射率要求，教师引导学生讨论具体膜层的材料选择。对于低折射率材料，大部分学生会选择二氧化硅；对于高折射率材料，部分学生会选择二氧化钛，部分学生则会选择氮化硅。教师可以从镀膜设备、材料成本和加工效率3个方面协助分析，得出结论：由于使用磁控溅射镀膜系统，氮化硅和二氧化硅可以共用一个硅靶，节省原料，提高效率。进而学生作出决定：选择氮化硅作为高折射率材料。根据膜层厚度要求，教师引导学生讨论膜厚的监控方式。部分学生采用光学监控方式，部分学生采用石英晶振或时间监控方式。教师可以从眼镜片镀膜对膜厚控制精度的要求方面进行分析，得出结论：膜厚控制精度要求不高，而且是小批量试制，磁控溅射的工艺稳定性很好。学生作出决定：采用时间监控法进行膜厚的控制。

在确定膜层材料和监控方式之后，引导学生对下一步的具体工序进行思考和讨论，要求学生回答：编制镀膜加工工艺，选择镜片材料，选配镜片的工装夹具，编制工序进程文件，镀膜系统的操作，检测设备的校准和样品光学特性的测量等。

6.3 具体实施

引导学生思考在眼镜片镀膜加工时如何安排工艺工序问题。首先指导学生使用膜系设计软件对膜系结构进行优化设计，并计算薄膜的沉积时间，然后选择镜片基片。研发中心常备的镜片尺寸规格有F60、F65、F70，每种规格都按折射率分为1.50、1.56、1.60和1.67四小类，总共12种不同规格和折射率的镜片基片。让学生根据已知的膜系设计和镜片度数要求，选择一种镜片并作理由说明。这实际上就完成镜片镀膜加工的前期工序的准备。

在实际加工前，首先要编写膜层加工的程序文件。教师提出：镜片材料一般为有机的聚合物，容易产生静电形成灰尘吸附，难以清除，镀膜后会出现局部瑕疵。由此引出第一道工序——镜片表面的低压等离子预清洗。教师从原理上解释等离子体形成机理以及它对眼镜片表面的物理轰击和表面改性作用。第二步，让学生参考历史进程文件中的参数设置和与之对应的实际膜系的光谱特性，经过讨论回答：降低气体电离电压并增加反应气体的流量，可以降低薄膜材料的折射率；反之，则可以提高薄膜材料的折射率。学生会提出疑问：提高薄膜材料折射率的同时，镀膜镜片在短波区域的吸收相应增大，透过率降低，如何解决？电压提高使电离后氩离子的密度提高，膜层材料沉积速度加快，靶材原子未能与工作气体充分反应。由此，教师可给出针对性的解答并提出解决方案：减小氩气的流量，从而减少氩离子数量。第三步，教师提问：镜片的前后表面都需要制备减反膜，但镀膜系统一次只能在镜片单面制备减反膜，如何在不打开真空室的情况下，实现镜片的自动翻转和双面镀膜？引出镜片的自动翻面指令Flip。向学生展示镀膜系统中的镜片自动翻转机构，现场讲解并演示Flip指令的具体运行过程。与此同时，向学生演示镜片的行星夹具机构，采用图片放映方式让学生了解其他类型的夹具结构，通过比较，引导学生讨论回答：采用行星夹具可以满足眼镜片等球形表面镀膜的膜厚均匀性要求。加深学生对这套镀膜系统结构和性能的了解。

图1 眼镜片减反膜膜系设计和理论计算的透过率曲线

根据工序的安排，首先是镜片装架。教师先向学生演示用套圈固定镜片并将套圈固定于行星工件架的过程。教师提问：不同度数的镜片能否放在一起镀膜？引导学生从镜片度数与镜片面形的关系进行讨论，度数不同的镜片具有不同的面形高度，意味着不同度数的镜片在镀膜时与靶材的距离不同，薄膜材料的沉积速率也不同，影响薄膜质量的统一性，由此得出讨论结果：在同一批次镀膜的镜片中，度数差异越小越好。第二步，编写镀膜程序。5层减反膜只包含二氧化硅和氮化硅2种材料，引导学生用CXSiO和CXSiN两个指令对减反膜的制备程序进行编写。学生会提出疑问：CXSiO和CXSiN两个指令只能得到2种折射率的膜层材料，如何得到中间折射率的薄膜材料？引出渐变折射率薄膜制备指令varia，将其与CXSiO和CXSiN两个指令进行对比分析，加深学生对varia指令的理解与掌握。

镀膜系统操作练习和膜系实验制备时，首先由教师进行讲解和示范，重点介绍操作的流程规范，举例说明违规操作将引起的严重后果，增强学生在实验过程中的安全意识。镀膜系统属于大型实验设备，学生初次接触会有畏惧感和陌生感，影响实验教学效果，所以要注意帮助学生树立操控大型实验设备的信心，主要通过组织学生进行有序的设备操作练习，教师对设备工作原理进行详细讲解并在现场进行实时点评。镜片镀膜系统的自动化程度非常高，镀膜程序编写的准确性是学生进行镜片镀膜实验并获得成功的关键。为避免输入错误的工艺参数，学生在运行自行编写的镀膜程序之前，需要由教师对程序进行确认，避免因错误参数导致设备运行故障和实验失败。

6.4 检测评估

学生在完成眼镜片镀膜加工后，进行镀膜镜片的光学性能检测，主要是利用分光光度计测量镀膜镜片在可见光波段的透过率，出具检测报告，并与行业标准QB 2682-2005镀膜眼镜镜片减反射膜层性能质量要求中规定的技术指标进行比对。随后由教师进行项目完成情况评价。在整个实验教学过程中，学生掌握眼镜片减反膜的设计、镀膜工艺的安排、镀膜系统的基本操作以及镜片规格和膜层材料的合理选择，在编程过程中熟悉4种指令的运用和执行过程，获得操作镀膜系统等大型实验设备的实践经验，并在镜片镀膜实验过程中做到规范操作。

7 作业设计

设计2个层次的作业：1）必选作业，即总结实验过程，填写实验报告，掌握眼镜片镀膜加工技术要点和实验设备操作技能；2）探索与提升，即分析实验结果，提出工艺改进方案，尝试进行减反膜膜系的二次优化和镀膜程序的再编程，实现工艺循环优化。

[1]瞿佳,姚进.眼镜学[M].北京∶人民卫生出版社,2004

[2]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京∶机械工业出版社,2006

[3]唐晋发,顾培夫.现代光学薄膜技术[M].杭州∶浙江大学出版社,2006

Experiment Instruction Design of Eyeglass Coating Process in R&D Center of Ophthalmic Lens

Li Yiyu

Experiment instruction design of eyeglass coating process is systematically described,which focuses on the choice and flexible use of teaching methods, highlight the importance of training in practical skills and engineering thinking for the undergraduates. The teaching content is designed in accordance with project-driven approach to improve the teaching quality. Through this experiment instruction, undergraduates not only master the use of advanced laboratory equipments, but also realize that theoretical and basic knowledge play an important role in the process of scientific research and practice.

ophthalmic lens; coating process; experimental preparation; instructional design

Author’s address School of Optometry and Ophthalmology, Wenzhou Medical College, Wenzhou,Zhejiang, China 325027

G642.423

B

1671-489X(2011)03-0096-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.096