Lentes polaroides ( 9 capas)

Propiedades Ópticas de los Vidrios
Antes de comenzar a enumerar las propiedades ópticas, examinaremos los
caracteres esenciales de la luz y su modo de propagación en el vidrio.
La luz es un fenómeno periódico, es decir el rayo luminoso se produce idéntico al
cabo de un cierto tiempo (T) llamado periodo.
Se llama frecuencia al número de periodos comprendidos en la unidad de
tiempo y la longitud de onda, el espacio recorrido durante un periodo.
La experiencia demuestra que la velocidad de la radiación luminosa varía según
el medio que recorre. Se define longitud de onda en relación a la velocidad de la
luz en el vacío.
La velocidad de propagación, siendo uno de los factores de la longitud de onda,
influye sobre su valor.
La luz blanca tal como se presenta casi siempre, procedente del sol ó de fuentes
luminosas, es compleja. Efectivamente si se hace caer un rayo de luz blanca sobre un
prisma, se observa a la salida, su descomposición en una serie de bandas de colores
que forman el espectro, cada color tiene una longitud de onda.
Las longitudes de onda luminosas son extremadamente finas, se las evalúa en
micrones, es decir en milésimas de milímetro (µ). También se las evalúa en Ángstrom
(A) que es 10E-4 micrones.
Las radiaciones están divididas en radiaciones visibles y radiaciones invisibles.
Cuando un rayo de luz proveniente del
aire incide sobre la superficie de un
vidrio formando un angulo θ1 con la
normal, la mayor parte de luz es
refractada con un angulo θ2 de menor
valor, ya que el vidrio es más denso
que el aire, y una menor parte de la luz
incidente, es reflejada por la superficie
del vidrio, siguiendo las leyes de la
reflexión con un angulo
θʹ1, esta reflexión depende de varios
factores, la frecuencia de radiación, el
angulo de incidencia, el indice de
refracción y la condición superficial.
R = Factor de reflexón
n1 = Indice de refracción del vidrio
n2 = Indice de refracción del aire
En donde (n) es el índice de refracción del vidrio, para los vidrios de cal su valor es de
1,52 y R es 0,043 ó sea un 4,3% de la luz incidente. Esta pérdida sucede en las dos
caras del vidrio representa un total de 8,6%.
Por ejemplo para un vidrio Crown (n=1,525) el factor de reflexión es:
Esta perdida por reflexión se produce en cada cara del vidrio, si tenemos un sistema con varias lentes,
por ejemplo con cinco lentes, en cada una de ellas se pierde 8,6% de la luz incidente.
La cantidad de luz transmitida es 91,4% para cada lente, por lo que la cantidad total de luz transmitida
es:
Total de luz transmitida = 0,914 x 5 lentes = 0,637 = 63,7%
Y las perdidas por reflexión es:
100% - 63,7% = 36,3 %
Para solucionar estos inconvenientes se empezarón a utilizar metodos, para tratar quimicamente las
superficies de las lentes y reducir las perdidas producidas por reflexión.
Todos estos metodos se basan en la interferencia de los rayos de luz y consisten en aplicar una fina
pelicula transparente con un bajo indice de refracción
Una ley fundamental de la reflexión en los materiales pulimentados es que el ángulo de
incidencia es igual al ángulo de reflexión. Cuando un rayo luminoso llega oblicuamente
del aire al vidrio, se quiebra en la superficie de separación de los dos medios y se acerca
a la normal, la relación que existe entre los ángulos de incidencia y de refracción, es
constante para un mismo vidrio y define el índice de refracción.
Cuando se considera las velocidades de la luz en los dos medios aire-vidrio, se
encuentra que el índice del vidrio en relación al aire es precisamente igual a la relación
de la velocidad en el aire a la velocidad en el vidrio.
Si utilizamos la formula de la potencia para una superficie óptica:
P =
n -1
r
P = potencia
n= indice de refracción
r = radio de curvatura
Dispersión
Las siete radiaciones monocromáticas del espectro visible, aunque tengan
diferentes longitudes de onda se propagan en el vacío con la misma velocidad y lo
mismo sucede para la propagación en el aire y el resultado es la luz blanca.
En un medio denso como el vidrio, el color de mayor longitud de onda es
el rojo y se propaga más rápido, mientras que el de menor longitud de onda y
menor velocidad de propagación es el violeta.
El índice de refracción varia con la longitud de onda de la luz incidente, se lo
representa con la (n) seguida de un subíndice que indica la longitud de onda en el
vacío a 15°C, nd indica el índice de refracción de la luz amarilla de la raya del sodio
cuya longitud de onda es 5893 amstrong. (1A=1x10E-10)
La dispersión es un fenómeno que pone de manifiesto que el índice de refracción
depende de la longitud de onda. La diferencia de los índices de refracción de un
vidrio determinado para dos longitudes de onda diferentes se llama dispersión
entre esas dos longitudes de onda.
En óptica sin embargo se utiliza habitualmente su valor inverso, que se denomina
número de abbe, ya que es mucho más fácil de manejar, los valores elevados
indican menor dispersión y son los más deseables en las lentes oftálmicas.
Habitualmente se establece una clasificación en dos grupos de vidrios según el
número de abbe, vidrios Crown número de abbe iguales mayores de 50, estos son
vidrios duros y los vidrios Flint, que son vidrios más blandos con número de abbe
igual menores de 50.
Vd= Número de Abbe
Nd= Indice de refracción (587,6 nm)amarilo
NF= Indice de refracción (486,1 nm)azul
NC= Indice de refracción (656,3 nm) rojo
Los números de Abbe se usan para clasificar los vidrios.
Materiales con baja dispersión tendrán un número de Abbe grande. Así, cuanto mayor sea el número de Abbe, mejor
será la calidad de la lente. Una buena lente suele corresponder a valores de V superiores a 40. Valores más bajos,
en torno a 20 corresponden a vidrios flint muy densos, y alrededor de 30 a policarbonato.
Los vidrios se clasifican por medio de un diagrama de Abbe.
Los vidrios que son recocidos y homogéneos son isótropos con sus
propiedades idénticas en toda su masa.
Sin embargo cuando una pieza de vidrio se fuerza sin uniformidad, como al
enfriarse con demasiada rapidez, tiene un índice de refracción, para la luz que vibra en
la dirección del esfuerzo que es completamente diferente al índice para la luz que vibra
en ángulo recto con aquella dirección. Por lo que el vidrio se ha transformado en
birrefringente, la diferencia entre los dos índices es el valor de birrefringencia.
La birrefringencia o doble refracción, lo que hace es desdoblar un rayo de luz incidente en
dos rayos linealmente polarizados de manera perpendicular entre sí como si el material
tuviera dos índices de refracción distintos: la primera de las dos direcciones sigue las leyes
normales de la refracción y se llama rayo ordinario; la otra tiene una velocidad y un índice
de refracción variables y se llama rayo extraordinario. Este fenómeno sólo puede ocurrir si
la estructura del material es anisótropa.
La birrefringencia está cuantificada por la relación:
donde no y ne son los índices de refracción para las polarizaciones perpendicular (rayo
ordinario) y paralela al eje de anisotropía (rayo extraordinario), respectivamente.
Ley de Brewster
Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos medios no conductores,
parte del mismo se refleja de vuelta al medio de origen, y parte se transmite al segundo
medio. En 1812 Brewster observó que cuando las direcciones de los haces transmitido y
reflejado formaban un ángulo de 90° , el haz de luz reflejado resultaba polarizado
linealmente.
Por lo que podemos decir que la polarización por reflexión es máxima cuando la
tangente del ángulo de incidencia es igual al índice de refracción de la sustancia.
Cuando el haz que incide lo hace con el ángulo de polarización, el haz reflejado es
perpendicular al haz transmitido. Por lo tanto, el ángulo de refracción ϴP es el ángulo
complementario al ángulo de polarización ϴB.
Absorción y Transmisión
Todas las sustancias muestran cierto grado de reflexión y absorción
selectivas, algunas absorben todos los colores visibles en absoluto y aparecen negras,
otras reflejan todos los colores y aparecen blancas, mientras que una sustancia roja
mirada con luz blanca, reflejan este color y absorben el resto por lo que se ve de
color rojo, si la miramos con luz verde se verá negra, ya que la luz verde no tiene rojo
para reflejar.
Cuando la absorción de luz está distribuida de manera uniforme en todo el
espectro y es pequeña, el vidrio aparece incoloro si la absorción uniforme es mayor
el vidrio toma un tinte grisáceo.
Cuando la absorción es significativamente mayor para un color, la luz
transmitida aparece del color complementario y depende del espesor de la
muestra.
Los vidrios ópticos que están exentos de hierro y otras impurezas
transmiten el 99% de la luz del espectro visible, los vidrios comunes pueden
transmitir de 85 a 95% según su calidad.
La suma del flujo radiante reflejado, absorbido y transmitido es igual al flujo incidente.
El flujo radiante perdido es la suma de la porción reflejada más la absorbida.
Luz perdida = reflexión + absorción
Para un vidrio Crown sin antireflex tenemos:
Flujo radiante incidente.................................100%
Reflexión en la 1°cara...................................4%
Absorción en la lente.....................................1%
Reflexión en la 2°cara...................................4%
Perdida de luz total........................................9%
Transmisión...................................................91%
Consiste en depositar capas finas sobre la superficie del vidrio con la finalidad de:
●
●
●
Disminuir los reflejos y mejorar la transmisión (antireflex)
Aumentar la absorción (lentes de protección y filtros)
Endurecimiento de la superficie (capas duras para evitar rayaduras)
Debido a la gran diferencia entre el indice de refracción del vidrio y el aire, en cada superficie limitante se
tienen reflexiones que representan una perdida de luz.
Para obtener una disminución del reflejo, es necesario que interfieran las ondas reflejadas en ambas caras de la capa
fina.
Para ello es necesario determinar el espesor de la capa y el indice de refracción de forma que coincidan los maximos y
los minimos de las ondas reflejadas para que se anulen.
La base fisica de este principio, la dan las formulas que se conocen como condición de fase y condición de amplitudes
Condición de amplitud
ns =
Ns= condición de amplitud
Vo= indice de refracción del vidrio
vo
Condición de fase
ns . ds =
ns= condición de amplitud
ds= espesor de capa
λ= longitud de onda luz incidente
4
Ejemplo para un vidrio Crown (1,525)
λ = 550 nm
550 nm
ns =
1,525 = 1,23
ds =
4
ns
=
4
1,23
= 111,8
Estos cálculos son teóricos, en la practica no existe una materia solida con un índice de
1,23 y una cierta dureza mecánica y química.
Por lo que es imposible eliminar los reflejos con un monócapa.
Como la luz solar es mezcla de radiaciones que van desde los 380 a los 780 nm, se
produce un reflejo residual y la suma de los rayos reflejados en la capa fina dan un
color que es complementario, para el que se calculo la capa.
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Por lo que es imposible eliminar los reflejos con un monocapa.
Como la luz solar es mezcla de radiaciones que van desde los 380 a los 780 nm, se produce un reflejo
residual y la suma de los rayos reflejados en la capa fina dan un color que es complemetario, para el que
se calculo la capa.
Las capas se suelen calcular para el verde-amarillo y la reflexión residual nos da un color violeta-purpura.
Se utiliza el fluoruro de magnesio(MgF²) que tiene un índice de refracción de 1,371,38, se lo deposita en ambas superficies de la lente.
El fluoruro de magnesio no cumple con las condiciones de amplitud para el vidrio
Crown, pero igual se lo utiliza debido a su dureza y adherencia.
En las lentes de vidrio Flint las perdidas por reflexión son más altas, del orden del
7% por cara.
En el diagrama de reflexión-longitud de onda, el vidrio Crown sin tratamiento
antireflex, es casi horizontal con una reflexión media de 4,3%.
Al realizar un AR monócapa sobre la superficie, vemos que para la longitud de onda
de 500nm y 600nm, la superficie solo refleja el 1,3%, mientras para las radiaciones
de rojo y violeta reflejan algo más (2,3% aproximadamente).
Una doble capa hace posible tener una considerable reducción de los reflejos, hasta
valores inferiores al 1%.
La condición es la misma que en el monócapa, pero la de amplitud varia.
En la capa que limita con el vidrio se pueden utilizar:
Oxido de lantano= 1,78 (La²O³)
Oxido de titanio= 2,25 a 2,28 (TiO²)
Oxido de silicio= 1,46 (SiO²)
En la capa externa se sigue utilizando el fluoruro de magnesio= 1,38 (MgF²)
La elección del espesor de capa y del material nos permiten diferentes soluciones:
Una curva que contiene dos mínimos a 400nm y 600nm, pero presentando un
pronunciado máximo entre ellos, justo para la zona de máxima sensibilidad
espectral del ojo, tiene como desventaja la pendiente de la curva en la zona de
longitudes cortas y largas.
Una mejor solución, es tener un solo mínimo aproximadamente a los 500nm, pero
con un aumento más pronunciado de la reflexión en la zona periférica del espectro.
Nos permiten obtener una reducción de los reflejos prácticamente a cero.
Actualmente se utilizan paquetes de capas, en las cuales cada una de las capas
está dividida en otras capas secundarias, siempre la capa externa es de fluoruro
de magnesio.
Tiene como contra no tener muy buena resistencia al desgaste, además las
manchas sobre la superficie de la lente son mucho más visibles y perturban la
visión.
En el grafico se ve como influye en los reflejos los tratamientos monocapa, bicapa y tricapa.
La capa de MgF² se difunde dentro de la
capa superficial de silicato del vidrio mineral,
este proceso de interfusión necesita una
temperatura de 300°c durante el proceso de
evaporación.
La adherencia también depende del pase de
iones .
La base de un buen recubrimiento es una
cuidadosa limpieza de 8 a 10 lavados con
ultrasonido y secado libre de residuos.
Las lentes se colocan en calotas, donde giran
sobre los evaporadores, con el fin de obtener
un espesor de capa uniforme sobre todas las
lentes.
El fluoruro de magnesio es colocado en
navecillas de chapa de molibdeno.
Para la medición del espesor de capa, se
utiliza un oscilador de cuarzo, el cual varia su
oscilación a medida que se va depositando la
capa.
La radiación no ionizante es la más nociva para el globo ocular, esta constituida por:
El ojo humano cuenta con mecanismos de protección tales como los parpados y el iris, que se cierran cuando la
radiación es excesiva, pero estos mecanismos solo se activan con la radiación visible y no con la invisible, de
aquí la necesidad de la protección.
Para obtener el tinte de un vidrio es necesario añadir óxidos metálicos en su masa
inicial.
Las lentes coloreadas en la masa tienen la ventaja de que los deterioros de su
superficie apenas afectan a la transmisión. Tiene como desventaja que la transmisión si
varia del centro de la lente a los bordes para los pacientes que presentan
anisometropia (cuando existen defectos de refracción, con una diferencia entre ambos
ojos de +2 dioptrías, si este valor fuera menor se llama isometropia)
En las lentes orgánicas no se les puede depositar una capa por evaporación, ya que las
altas temperaturas del proceso deforman la superficie de las lentes orgánicas.
La coloración se realiza por inmersión en distintas soluciones, la densidad del color
depende del colorante y del tiempo de inmersión.
El colorante penetra en la capa superficial de la lente de manera uniforme, una ventaja
de este proceso es la posibilidad de revertir el proceso, si el resultado no fuera el
deseado, lo que se hace es sumergir la lente en una solución blanqueadora.
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La luz solar no esta polarizada, pero cuando es reflejada por la superficie de un
materia, se transforma en parcial o en totalmente polarizada, dependiendo del
ángulo de incidencia y de la naturaleza del material reflejante.
Los materiales que mejor polarizan la luz son los no-conductores (dieléctricos)
como el vidrio, pavimento,arena,etc.
La luz reflejada por una superficie dieléctrica esta totalmente polarizada para un
especifico ángulo de incidencia, denominado ángulo de Brewster, este sumado al
ángulo del rayo refractado nos da 90°. Esto ocurre cuando la tangente del ángulo de
incidencia es igual al índice de refracción del medio reflejante.
tg i = n
Por ejemplo:
La luz reflejada en un vidrio Crown (1,523) tiene un ángulo de brewster
de 57°.
<
tg i
=
n
i = arctg 1,523 = 56° 42`
Los filtros polarizantes tienen una transmitancia selectiva en la dirección dela oscilación del campo eléctrico.
Como la luz es una radiación electromagnetica con tres vectores, el longitudinal en la misma dirección de la luz, el
transversal que es perpendicular al longitudinal y produce el movimiento oscilatorio y el tercero que es la rotación.
El polarizador actua como una rejilla permitiendo el paso de la luz que oscila en el mismo plano que la rejilla.
Lentes polaroides ( 9 capas)
Capa externa que asegura una resistencia al rayado
Capa soporte que le confiere una resistencia a la rotura
Capa interna que absorbe rayos UV
Capa con filtro polarizador
Capa que absorbe rayos UV
Capa soporte para resistencia a la rotura
Capa que absorbe rayos IR
Capa soporte
Capa de resistencia al rayado
Con estas capas las lentes pueden absorber el 96% de los rayos UV, el 60% de los rayos IR y polarizan
el 80% del espectro.
La exposición de la cornea a la radiación UV, puede causar fotoqueratitis , y es una
inflamación corneal que hasta puede provocar Cicatrices sobre la cornea)
Las longitudes de onda cortas, menores de 290nm afectan al epitelio corneal, entre
290 y 315nm dañan al estroma corneal, la membrana de descemet y al endotelio, y
longitudes inferiores de 380nm pueden dañar hasta el cristalino. También puede
provocar uveitis (enfermedad inflamatoria del ojo, afecta a la capa vascular del ojo,
esta formada por el iris, cuerpo ciliar y la coroides.
La radiación UV también es responsable de las patologías retinianas, como el
edema macular ( la macula es un área muy pequeña en el centro de la retina,
responsable de la visión detallada) el edema ocurre cuando los vasos
sanguíneos tienen escapes que inflaman la macula.
Para prevenir estos posibles daños, es necesaria la protección con filtros que
absorban o reflejen los rayos UV.
A las lentes de policarbonato se les añade una capa absorbente de UV que
proporciona una protección a partir de los 380nm, las lentes de resina de alto
índice (1,6) cortan el espectro a partir de los 380nm sin necesidad de ningún
tipo de aditivo.
Pero no hay ninguna lente que proporcione protección total contra los rayos UV,
por lo que hay que añadirle capas filtrantes.
Lentes de absorción
selectiva
Absorben casi toda la
radiación por debajo de los
500nm y por lo tanto
reduce considerablemente
la dispersión de luz para
longitudes de onda cortas
(azul), la máxima
sensibilidad de la retina la
tenemos para una longitud
de onda de 555nm, por lo
que se dice que las lentes
que tienen una alta
transmisión tiene
alrededor de este valor.
Las lentes amarillas ayudan
a mejorar la agudeza visual
en la noche.
Las lentes azules tienen uso
estrictamente cosmético
Las verde-azuladas tienen la
misma curva de transmisión
que un vidrio Crown en el
espectro
Visible y produce una reducción
de la transmisión de infrarrojo.
Estas lentes se denominan frías
y son recomendadas para las
personas que están expuestas
A superficies blancas
reflectantes o bien que tengan
una excesiva cantidad de
radiación IR.
El efecto fotocrómatico es la transformación química que se produce en el vidrio, la cual es reversible
y posee dos estados diferentes de absorción.
Las materias primas para la fabricación del vidrio fotocrómatico son las mismas que para el vidrio
Crown, más acido boro (Borosilicato) aunque sus datos ópticos correspondan a un vidrio Crown.
Tienen la propiedad de oscurecerse cuando están expuestos a la luz y se vuelven a su estado original
con la ausencia de la luz.
Esta propiedad es causada por la presencia de los haluros de plata (cloruro y bromuro de plata) en la
masa del vidrio, su tamaño es de 5 a 20nm y su concentración es 10E15 cm³ de material.
Con la acción del sol los haluros de plata se transforman en plata metálica, volviéndose a reconvertir
en haluros de plata cuando cesa la acción de la luz (película fotográfica)
Una condición necesaria para obtener el efecto fotocrómatico en el vidrio, es un tratamiento a una
temperatura de 600°C aproximadamente, el tipo y la duración de está temperatura influye en el
color base, su oscurecimiento y la velocidad de reacción.
Los vidrio fotocromáticas difieren del fotocrómatico orgánico, los minerales son inmunes a la fatiga
producida por el uso continuado, ya que los microcristales se encuentran dentro de la masa del
vidrio.
Algunas lentes fotocrómicas requieren de periodos de activación, en los cuales se somete a la lente
a varios ciclos de oscurecimiento-transparencia.
La transmisión oscurecido totalmente es de 20-24% y de 60-80% cuando está lo más claro
posible.
En los últimos años se han introducido fotocromáticas de alto índice (1,6)
Cuando aplicamos antireflex o tratamiento colorante a un vidrio fotocrómico, debemos realizarlo
a un rango de temperatura (230-375°C) para no perder las propiedades fotocrómicas.
También en lentes de elevada potencia se suele pegar una capa fotocrómica de 1,3mm para
poder obtener un coloreado uniforme.
Los factores que influyen en la transmitancia son:
Tipo de radiación ( reacciona de forma diferente con la radiación solar que con
una lámpara fluorescente)
Temperatura del vidrio ( se oscurece más a temperatura baja)
Intensidad y duración de la radiación
Se define transmisión saturada a la que se obtiene después de estar 15 minutos
expuesta a la radiación,
después se mide como de costumbre a 555nm de longitud de onda y 2mm de espesor