Просветляющие покрытия и физика света. Советы начинающим оптикам. В.Н.ИВАНИДЗЕ, профессор
Известны случаи, когда клиенты "уличали" продавцов в недобросовестности: мол, антирефлексное покрытие должно отливать зеленым, а на моих очках этого нет. К сожалению, продавцы в подобных ситуациях затрудняются дать человеку исчерпывающее объяснение, почему линзы его очков "не отливают зеленым". Что же касается пропаганды просветляющих покрытий среди пациентов со стороны врачей, она явно недостаточна.
Нередко мы ставим наших пациентов в тупик, поясняя им, что просветляющее покрытие обеспечивает прохождение света в объеме 99%. Ведь если человек не имеет оптического образования, он может подумать, что без покрытия было бы 100% и оно устраняет блики ценой уменьшения светопропускания на 1%. В действительности дело обстоит совершенно иначе. Если человек носит очки, то общий объем поступающего в глаза света уменьшается. При коэффициенте преломления стекла близком к 1,5 от передней и задней поверхностей линзы отражается примерно 4% лучей - в сумме получается 8% (а при коэффициенте преломления пластика CR-39 равном 1,499 от передней и задней поверхности отражается почти 14% лучей, т.к. происходит поглощение лучей самим материалом). Иными словами, при ношении очков с прозрачными линзами в глаза поступает лишь около 92% видимого света. Хотя, чем больше коэффициент преломления очковой линзы, тем больше коэффициент отражения. Например, у высокоиндексных минеральных линз показатель преломления равен 1,9, а коэффициент отражения достигает 18%. В этом случае в глаз попадает всего 82% информации. Такое же отражение имеют и высокоиндексные полимерные линзы, т.к. они лучше пропускают свет по сравнению с обычными полимерными линзами. Для того чтобы линзы не отбирали часть информации, идущей от всего спектра излучения, необходимо уменьшить отражение от поверхности линзы и увеличить пропускание во всем видимом диапазоне спектра. В этом случае и применяются просветляющие покрытия.
Основное назначение просветляющих покрытий - не ликвидация поверхностных бликов на очковых линзах, а увеличение светопропускания за счет уменьшения отражения. Общеупотребительное название этих покрытий - "антирефлексные", т.е. противоотражающие - как раз характеризуют их главную особенность.
Учитывая, что видимый диапазон широкий, то необходимо снятие бликов во всем световом потоке. Только тогда будет достигнуто 99% пропускания во всем видимом диапазоне. Но ряд фирм производят просветление в отдельных полосах пропускания, обеспечивая просветление только в узком диапазоне света. Сейчас наибольшее распространение получили просветляющие покрытия, увеличивающие светопропускание в зеленой области спектра - поэтому остаточный блик или, как говорят оптики, остаточная паразитная засветка зеленая. Такие покрытия весьма экологичны, поскольку зеленый свет обладает релаксирующим действием. Кроме того, они технологически просты и дешевы в изготовлении, поэтому и стали у нас синонимом антирефлексного покрытия вообще. Основной недостаток таких покрытий заключается в том, что при снижении коэффициента отражения в узкой области спектра он может даже увеличиваться по сравнению с непросветленной поверхностью. Другой недостаток таких покрытий в том, что они обеспечивают отражение только, если свет падает перпендикулярно на поверхность. Т.е. если свет будет падать не под прямым углом к поверхности линзы эффект просветления будет снижаться, и тем больше, чем на больший угол будет смещаться световой луч, идущий на поверхность линзы. Например, при угле падения света под углом 65 градусов, коэффициент отражения будет составлять почти 10%. К сожалению многие фирмы выпускающие линзы с просветляющими покрытиями в узкой области (например в зеленой, желтой, голубой, фиолетовой и др.) умалчивают о том, что в большинстве случаев эти покрытия имеют только декоративный характер. Но все эти покрытия не являются плохими, т.к. отрезают вредный для глаза ультрафиолетовый свет.
Например, фирма Satis Vacuum производит просветляющие покрытия с различными спектральными характеристиками. На рисунке 1 показано просветление ~98,4 в узкой желто-зеленой области спектра.
Это покрытие не может обеспечить просветление во всей области спектра. Как правило - это декоративные покрытия. Такое покрытие не обеспечивает должной защиты от ультрафиолетового излучения.
На втором рисунке просветление выполнено в достаточно широкой области, но оно также не обеспечивает постоянного отражения на всей области видимого диапазона.
На рисунке 3 показано ахроматическое просветляющее покрытие, которое обеспечивает пропускание светового потока во всем видимом диапазоне, и уменьшает отражение на всем видимом диапазоне спектра приблизительно до 99,5%.
Правомерно ли говорить о таких покрытиях, что они гарантируют свободное прохождение 99% видимого света? Нет, неправомерно. Если светопропускание повышено лишь в зеленой области спектра, то оно возрастает только в этой области, а не во всем видимом диапазоне. Поэтому суммарное светопропускание на всем видимом диапазоне составит не 99%, а лишь на 94-95%.(в зависимости от показателя преломления материала линзы).
Но есть и другие типы просветляющих покрытий. В принципе их можно разработать сколько угодно, понижая отражение то в одной, то в другой спектральной полосе. На практике же получили применение лишь несколько типов просветляющих покрытий. Одно из наиболее сложных, технологически дорогостоящих и эффективных покрытий - ахроматическое, т.е. с серой паразитной засветкой. Оно повышает пропускание лучей каждой из семи частей спектра почти на 1%. Эффективность таких покрытий не снижается при падении светового луча под разными углами на поверхность линзы. Только такое покрытие, гарантирует 99% светопропускание. Много это или мало? В высокоточных оптических приборах необходимо 99,9% или даже 99,99%; что же касается человека, то 99% видимого света ему в повседневной жизни совершенно достаточно.
Ахроматическое просветляющее покрытие - наиболее качественное из всех известных. Но de facto линзы, на которые оно нанесено, пропускают не 99% света, а чуть меньше. Ведь необходимо учитывать также поглощение света стеклом или пластиком. Правда, оно незначительно - порядка 1% у стекла и чуть больше у пластика, если речь идет о линзах невысокой оптической силы (в пределах 4 D). Разумеется, и у линз с любым другим просветляющим покрытием фактическое светопропускание примерно на 1% меньше расчетного - по той же причине.
Так какие же задачи стоят перед просветляющими покрытиями?
Во-первых, это отсекание вредного ультрафиолетового света при повседневном ношении очков.
Во-вторых, улучшить пропускание светового потока по сравнению с линзами, которые не имеют просветляющего покрытия.
В-третьих, снять слишком большие поверхностные блики на линзах, которые повышают и комфорт для самого обладателя очков.
В-четвертых, придать более красивый, декоративный вид оправе в сочетании с линзами. Например, в золотистой оправе более удачно будут смотреться линзы с таким же золотистым отблеском.
И последний немаловажный факт: линзы с соответствующими отблесками значительно дороже, чем обычные линзы, а для многих это является элементом имиджа.
Физиологическое значение повышенного светопропускания состоит, прежде всего в облегчении работы оптического аппарата глаза. Поскольку мы видим предметы окружающего мира в отраженном свете, то чем лучше освещен объект, т.е. чем больше отраженного им света поступило в глаза, тем лучше мы этот объект различаем. Оптическая система глаза при этом осуществляет наводку на резкость, т.е. аккомодацию. Оптическая система глаза требует энергозатрат, которые возрастают при ухудшении освещенности, а значит, и при сильном отражении света от поверхностей очковых линз. Если же учесть, что глаз наводится на резкость в автоматическом режиме, в том числе на предметы, в данный момент нас не интересующие, а просто попавшие в поле зрения, то ясно, что изрядная часть выполняемой зрительной работы в известном смысле лишняя. Чем меньше энергии на нее затрачивается, тем лучше.
Свет поступающий в глаза, как правило, бесцветный или, если угодно, белый - исходящий либо от Солнца, либо от искусственного источника. Но представление о "бесцветности", "белизне" света вырабатывается зрительным анализатором в два этапа: первый - анализ, второй - синтез. Дело в том, что роговица, в норме обладающая оптической силой около 40 D, представляет собой сильную (крутую) линзу, и свет, падающий на нее в любом направлении, отличном от ее оптической оси, разлагается на составляющие. Аналогичным эффектом обладает хрусталик - его оптическая сила 20 D. Таким образом, белый свет благодаря свойствам глаза как оптической системы структурируется по спектральным характеристикам, а затем головной мозг вновь собирает их воедино.
Интересный вопрос, на какие именно составляющие разлагается цвет. При прохождении пучка света через прозрачную среду под определенным углом к поверхности, или при прохождении света через разнотолщинный оптический элемент, которым является любая линза, белый свет разлагается на семь цветов, которые и являются элементами видимого спектра. Человеческий глаз реагирует на электромагнитные колебания, которые имеют длину волны от 380 до 780 нм, причем максимум световой чувствительности глаза смещается по спектру в зависимости от уровня освещенности, что объясняется наличием колбочкового и палочкового зрения. При дневном зрении участвуют только колбочки, при ночном зрении, с участием только палочек, максимум чувствительности смещается в коротковолновую область. В длинноволновой области спектра палочки обладают меньшей чувствительностью, чем колбочки. Каждая палочка или колбочка сетчатки глаза содержит пигмент, который поглощает излучение в каком-то участке спектра лучше, чем в другом. Сетчатка содержит рецепторы четырех типов: три типа колбочек и один вид палочек. Палочки ответственны за способность человека, видеть при слабом освещении без восприятия цвета объектов. Восприятие цвета осуществляется колбочковым аппаратом сетчатки. Пигменты колбочек трех типов имеют максимумы поглощения в области 560, 530 и 430 нм, поэтому разные колбочки условно называют "красными", "зелеными" и "голубыми". Каждый тип колбочек имеет широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зеленых колбочек.
Все цвета делятся на ахроматические (белый, серый, черный) и хроматические (остальные). Человеческий глаз может различать до 300 оттенков ахроматического цвета и несколько тысяч хроматических цветов в различных сочетаниях.
Большинство цветов являются сложными и имеют непрерывный спектр. Если весь спектр разделить на три зоны: первая зона - 380 - 480 нм, вторая - 480 -560 нм, третья - 560 - 780 нм. Сумма монохроматических лучей первой зоны дает ощущение синего цвета, второй - зеленого, третьей - красного.
Наиболее яркими человеческий глаз видит желто-зеленые цвета (т.е. максимум соответствует длине волны 556 нм). Яркость остальных цветов уменьшается по мере удаления от желто-зеленых к крайним красным, и синим цветам.
Зрительная система глаза заинтересована в максимально возможном прохождении видимого света на сетчатку глаза для обеспечения необходимого контраста изображения. При увеличении светового потока глаз начинает приспосабливаться, реагируя на это сужением зрачка. При уменьшении светового потока - зрачок расширяется, компенсируя тем самым недостаток света. Когда этот световой поток достаточно мал, в колбочках чувствительность возрастает в несколько раз, по сравнению с чувствительностью к дневному свету. При этом все цвета воспринимаются искаженными, т.е. бесцветными.
Иногда пациентам с дефектами зрения рекомендуют носить темные очки, пропускающие 25% света. Это не самая удачная рекомендация, поскольку энергозатраты на различение предметов в таких очках существенно возрастают, что со временем может привести к усугублению дефекта зрения.
Теперь о другом аспекте применения просветляющих покрытий. Мы неоднократно подчеркивали преимущества линз из высокоиндексных материалов, особенно при аметропиях высокой степени. Но с ростом коэффициента преломления усиливается отражение от поверхностей линз. Отсюда вывод: на высокоиндексных линзах, как стеклянных, так и пластиковых, просветляющее покрытие абсолютно необходимо. И если человек к тому же занят зрительно напряженным трудом, то не кто иной как врач должен рекомендовать ему не обычное (с зеленым бликом), а ахроматическое покрытие. Надо разъяснить пациенту его преимущества, к которым относится и практическое отсутствие даже остаточной паразитной засветки. Максимум, что можно увидеть на линзе с таким покрытием, это легкая серая тень. Бликов они не дают, ни под каким углом освещения.
Сказанное не умаляет достоинств традиционных антирефлексных покрытий с зеленой засветкой. Повышение светопропускания в зеленой области физиологично, хотя бесполезно, например, при дальтонизме; кроме того, есть люди, которые не то чтобы совсем не различают, а плохо различают красный и зеленый (по принципу "больше - меньше", а не "да - нет"); им также не нужны дополнительные проценты пропускания зеленого.
Роль просветляющего покрытия не сводится к увеличению объема визуальной информации, поступающей к человеку. Дело в том, что все подобные покрытия должны отсекать ультрафиолет. Защитные свойства роговицы не беспредельны. В солнечную погоду ультрафиолетовая "атака" на глаза бывает такой силы, что роговица попросту не справляется с защитной функцией. А если человек носит корригирующие очки в постоянном режиме, то вдобавок возникает тот же эффект, как при выжигании дерева с помощью сильного увеличительного стекла: диоптрийные линзы - минусовые и особенно плюсовые - фокусируют солнечные лучи на сетчатке, подавая на нее избыточное излучение. Это одна из главных причин высокой частоты поражений сетчатки у нашего населения. От избыточного излучения, кроме того, страдают хрусталик и конъюнктива; результатом становятся соответственно катаракта и конъюнктивит. Просветляющее покрытие может служить прекрасным профилактическим средством от этих патологий. До сих пор мы говорили о двух типах просветляющих покрытий - "зеленом" и "сером", ахроматическом. (Подчеркиваю: визуально и то и другое бесцветно - речь об окраске остаточной паразитной засветки).
Применяются также покрытия с золотым отливом - у них повышенное светопропускание в желто-оранжевой области, что повышает контрастность изображения. Но систематически носить очки с такими покрытиями в солнечную погоду на улице нежелательно: во-первых, контрастный фильтр в этих условиях не нужен, а во-вторых, постепенно может произойти сбой в цветовосприятии. "Зеленое" и ахроматическое покрытия подобной опасности не несут: первое - потому что зеленый свет физиологичен, второе - потому что серый фильтр не влияет на цветопередачу.
Существуют также просветляющие покрытия специального применения.
Наиболее сложное из них предназначено для работы с компьютером. У этого покрытия несколько полос усиленного светопропускания (в желто-оранжевой области для повышения контрастности, в зеленой области для успокоения глаз и еще в некоторых областях спектра, влияющих на зрительную память, а кроме того, несколько полос ограниченного светопропускания, отсекающих лишние спектральные компоненты.
В заключении - о спектральной коррекции зрения в условиях интенсивных излучений. Есть специальные очки для работы с лазером; их линзы изготавливают из особого стекла СЗ-22 и СЗ-23. Из аналогичного стекла делают линзы очков для стоматологов. Оно эффективно задерживает
УФ - лучи высокой мощности. Отдельные продавцы оптики в подобных случаях предлагают очки с обычным просветляющим покрытием, но здесь оно не спасает, поскольку мощность УФ - излучения многократно превышает интенсивность солнечного УФ и даже тестового излучения спектрофотометра. Стекла типа СЗ решают проблему, но меняют цветопередачу – красный цвет через них видится почти черным. Чтобы устранить этот недостаток, на стекло СЗ наносят особое просветляющее покрытие сложного состава, восстанавливающее нормальную цветопередачу. Если ваш пациент - стоматолог или работает с лазерными излучениями, необходимо рекомендовать ему именно такие очки.
Подведем итоги. Целесообразность применения просветляющих покрытий связана с физическими особенностями света и механизмом его восприятия глазами человека - в частности, человека, который носит очки. Пропаганда просветляющих покрытий среди населения должна начинаться в кабинете врача-офтальмолога и продолжаться в оптическом магазине или салоне. Надеемся, что эта статья хотя бы отчасти восполняет имеющуюся нехватку информации по данному вопросу.
