Tratamentos das lentes oftálmicas

Transcript

1 Tratamentos das lentes oftálmicas Tipo e orde dos revestimentos A unha lente poden aplicarse tres tipos de tratamentos ou revestimentos, por unha ou as dúas superficies. Non sempre se aplican os tres, pero sempre van na seguinte orde: 1. Na superficie da lente ou en contacto con ela: Se a lente é mineral, un temperado para millorar a resistencia a impactos. Se a lente é orgánica, un revestimento antiabrasión. 2. Un revestimento antirreflectante. 3. Unha capa hidrófoba. Ademáis: Os tratamentos antiabrasión son máis comúns na cara máis exposta a raiaduras, que é a convexa. Polo mesmo, os tratamentos antireflectantes son máis comúns na cara cóncava. Temperado de lentes minerais Consideremos os seguintes datos: 1

2 Resistencia do vidro á compresión: 100 kg/mm 2 Resistencia do vidro á extensión: Máximo teórico: 2500 kg/mm 2 Real: kg/mm 2 A enorme discrepancia entre resistencia teórica e real radica en que a primeira está calculada supoñendo que o vidro non ten defectos na súa estructura, o cal non é certo. A maioría dos defectos están na superficie do vidro e son debidos a raiaduras, polo que: As fracturas comenzan nalgunha superficie sometida a extensión. Este fenómeno aproveitase para cortar o vidro simplemente facendo unha raiadura e logo tensionándoo. Vexamos algunhas fracturas típicas por impacto (Fanin&Grosvenor): Obxecto pequeno a gran velocidade:

3 Obxecto medio a velocidade intermedia e lente negativa: Obxecto lento e pesado sobre lente positiva: Fractura causada por unha onda elástica nun defecto situado lonxe do punto de impacto: Existen dúas técnicas para reducir a fracturas: o temperado térmico e o químico

4 Temperado térmico Quéntase a lente ata unha temperatura próxima ó seu punto de abrandamento (600 C 650 C para vidro crown) e polo tanto dilata. Despois enfríase rápidamente a súa superficie cun chorro de aire mantendo o interior quente e dilatado. Así o exterior da lente endurece cun volume maior do orixinal. Posteriormente o interior vai enfriando e tenta contraerse, pero non pode facelo totalmente porque o exterior xa formou unha especie de coiraza ríxida e dilatada. Esta situación xenera fortes tensións na lente: superficie comprimida e interior expandido, pero é beneficiosa para a súa resistencia a impactos. Para xenerar unha fractura non só hai que extender superficie, senón que previamente é necesario descomprimila. É o procedemento máis usado. (Salvadó & Fransoy) Nota: 1000 libras/pulgada 2 7 kg/mm 2 Temperado químico Mergúllase o vidro nunha mistura de sais fundidos (NO 3 K, NO 3 Na) a unha temperatura arredor de 450 C durante varias horas. Os catións Na + da superficie do vidro intercámbianse cos K + do sal. Como estos últimos ocupan máis volume, a superficie tende a dilatar, pero no interior do vidro mantense ainda a composición orixinal que impide esa dilatación. En consecuencia a superficie queda comprimida. A compresión na superficie é maior que no caso do temperado térmico, pero a fondura da capa de compresión é menor.

5 Comparación (Fanin&Grosvenor)

6 Térmico Químico + Proceso rápido e barato - Proceso lento + Equipo sinxelo - Equipo caro e complexo - Compresión máis baixa + Compresión alta e homoxénea - Perde resistencia coas raiaduras - Perde moita resistencia coas raiaduras (capa de compresión moi fina) - Non sirve para lentes moi positivas >5 D + Non hai límite de potencias (T inferior) - Grosor mínimo alto >3.3 mm + Non hai espesor mínimo - Non sirve para fotocromáticos - Composición do vidro: Na 2 O e Al 2 O 3 - Aumenta o tamaño da lente Notas: O temperado debe ser posterior ó biselado Un polariscopio permite detectar un temperado térmico. Endurecido de lentes orgánicas O principal defecto das lentes orgánicas é a súa baixa resistencia ó raiado. As solucións adoptadas (cronoloxicamente) foron: Deposición en alto baleiro ( 10 8 atm) dunha capa de SiO 2 sobre a lente orgánica, tentando dotala dunha resistencia ó raiado similar á do vidro (1970). Os resultados foron pobres: O sustrato orgánico é flexible e defórmase baixo unha presión local, mentras que a capa de SiO 2 non soporta a flexión e fractura: aparece unha raiadura permanente. Mala adherencia entre a capa e o sustrato, e coeficientes de dilatación térmica moi diferentes (20 veces menor o do SiO 2 ), o que combinado co problema anterior da lugar ó desconchado da superficie.

7 Substrato ríxido Substrato flexíbel Deposición dunha capa de barniz de 3 a 5 µm de polisiloxanos (1975). Os polisiloxanos son polímeros que inclúen silicio na súa estructura e con propiedades intermedias entre orgánico e mineral: máis duro que o orgánico e máis flexible que o mineral. Poden depositarse mediante dúas técnicas: inmersión no monómero e extracción a velocidade uniforme para controlar o espesor da capa, e centrifugado, faise rotar a lente e déixase caer unha gota de monómero. A velocidade de rotación, o tempo e a viscosidade do monómero determinan o espesor da capa.

8 Unha vez depositada a capa, polimerizase por cocción (100 C). Deposición dun verniz con compósitos, deseñado para servir como base para o tratamento antirreflectante. É unha millora da técnica anterior mediante a inclusión no monómero organosilíceo de nanopartículas de SiO 2 dun tamaño de 10 a 20 nm ( λ). Así auméntase a resistencia ó afundimento e mantense a flexibilidade para seguir ó sustrato. Tratamentos antirreflexos (AR) Os reflexos nas lentes oftálmicas Cando a luz incide sobre a superficie dunha lente, polo xeral unha pequena parte se reflicte e a maioría se transmite. Para explicar estas proporcións hai quer en conta o caracter ondulatorio e vectorial da luz. En incidencia normal (ou próxima) á superficie as fórmulas de Fresnel predín que a reflectancia (R) e a transmitancia (T ) só dependen dos índices de refracción dos dous medios, que neste caso valen 1 (aire) e n (índice da lente): R = ( ) 2 n 1 T = 4n2 n + 1 (n + 1) 2 Estas fórmulas tamén son válidas cando a luz sae normalmente da lente. Nótese que a intesidade do reflexo é maior canto maior sexa o índice de refracción da lente. n R T 1.5 4% 96% % 90.4%

9 As reflexións múltiples en lentes oftálmicas (ou a córnea) poden producir os seguintes efectos perxudiciais: Aparición de imaxes fantasma cando se dan as seguintes condicións: Forte contraste: imaxe fantasma dun obxecto brillante sobre un fondo oscuro. Exemplo: conducción nocturna. A imaxe está enfocada ou pode ser enfocada polo ollo. Perda de contraste Estéticos: impiden ver ben os ollos do usuario. Reflexos formadores dunha imaxe da fonte de luz Ordearemolos según a súa intensidade de máis a menos: Luz que incide na cara anterior da lente e se reflicte nela ou na cara posterior. Resulta antiestética pero non afecta á visión do usuario. R TRT n R TRT 1.5 4% 3.7% % 7.9% Luz que incide na cara posterior da lente e se reflicte nela ou na cara anterior. Son reflexos igual de intensos que os anteriores. Afortunadamente non soen producir molestias xa que as fontes quedan tapadas pola cabeza do usuario, salvo que as lentes sexan moi grandes. Poderían eliminarse cambiando as lentes por outras cunha potencia posterior distinta ou usando tratamentos AR. R TRT

10 Luz reflectida internamente na cara posterior da lente, despois na anterior e finalmente entra no ollo. Xenera a imaxe fantasma máis problemática; aparece en lentes neutras ou negativas de baixas potencias. A única solución é o uso de tratamentos antirreflexos. TRRT n TRRT % % Luz reflectida na córnea e despois na cara posterior da lente. A imaxe fantasma é perceptible para potencias negativas altas, arredor do rango de -10 a -14 D. Pode eliminarse cambiando a distancia de vértice, a potencia da cara posterior da lente ou con tratamentos AR. TTRcR Nota: R c = 2.5% é a reflectancia da córnea n TTR c R % % Luz reflectida na córnea e despois na cara anterior da lente. Ten unha intensidade semellante á do caso anterior, pero agora a imaxe fantasma é perceptible para potencias positivas altas; elimínase igual. TTRcTRT n TTR c R % % As demáis imaxes fantasmas involucran 3 ou máis reflexións e polo tanto son moito menos intensas.

11 Outros reflexos Reflexos producidos na beira superior do segmento dos bifocais tipo E e D. É máis notorio para o usuario canto máis grosa sexa a beira do segmento. Os fabricantes intentan eliminalos inclinando a beira superior do segmento ou aplicandolle un revestimento AR. Reflexos procedentes da beira esmeridada da lente. Teñen as seguintes características Son relevantes en lentes moi negativas. Teñen un efecto antiestético importante. A súa intensidade é máis dificil de cuantificar xa que as primeiras reflexións ocurren con ángulos de incidencia altos, nas que a reflectancia depende da polarización da luz e do ángulo de incidencia. Son máis intensos para ángulos de observación oblicuos. Podense ver varios aros. Idea básica dos tratamentos antirreflexos: a monocapa A reducción da reflexión mediante unha capa depositada sobre a superficie aproveita as propiedades ondulatorias da luz. Baséase en xenerar dúas ondas reflectidas: unha na interfase aire-capa e outra na interfase capa-sustrato. Buscaremos as condicións para que interfiran destructivamente entre si de xeito que se cancele o reflexo. En realidade xenéranse reflexións múltiples

12 dentro da capa, pero só consideraremos as dúas citadas por seren as máis importantes.

13 Para que as dúas ondas se cancelen debe verificarse simultáneamente que: 1. As amplitudes das ondas deben ser iguais. Supoñendo que a amplitude da onda procedente da interfase capa-sustrato non se atenúa nos pasos aire-capa e capa-aire: r 1 = r 2 n c 1 n c + 1 = n s n c n s + n c n c = n s sendo: r 1 : o coeficiente de reflexión para amplitudes na interfase aire-capa r 2 : o coeficiente de reflexión para amplitudes na interfase capa-sustrato n c : o índice da capa n s : o índice do sustrato 2. As ondas deben estar en contrafase, é dicir a diferencia de camiño óptico debe ser a metade 1 da longura de onda (λ). Xa que a onda que se reflicte na superficie capa-sustrato recorre dúas veces o espesor da capa (d), a diferencia de camiño óptico entre as ondas será 2n c d. Polo tanto o espesor da capa que interesa é: 2n c d = λ/2 d = λ 4n c En realidade é dificil que se cumplan sempre as dúas condicións. Para un índice de sustrato típico de 1.5, o índice da capa debería ser de 1.225, pero non se coñece nengún sólido con ese índice no visible. Un material moi utilizado é o MgF 2, que ten boas propiedades mecánicas e de adherencia, pero posúe un índice de 1.38 que é óptimo para un sustrato de índice = Ainda así, cando se usa MgF 2 sobre un índice 1.5 o reflexo baixa ata o 1.4%. Por outra banda, o grosor óptimo dunha capa deste material para λ = 0.555µ (máximo de sensibilidade fotópica do ollo) é de 100 nm, o cal se pode controlar con bastante precisión na fabricación. Sen embargo este espesor non é óptimo para outras longuras de onda, polo que a reflectancia nos extremos do espectro visible aumenta dando lugar a un reflexo de cor morada. 1 Máis exactamente λ(m + 1/2) con m Z

14 Colocando máis capas gáñanse graos de liberdade para optimizar o deseño. Actualmente un bon recubrimento consta de 6 a 12 capas, baixando a reflectividade por debaixo do 0.5% en todo o visible. Para optimizar a resistencia ó raiado, a capa do tratamento AR máis lonxana ó sustrato soe ser de SiO 2. En lentes orgánicas a interfase entre a capa de endurecido e o sustrato tamén pode introducir unha reflexión adicional que interferirá coa onda resultante da multicapa. Como a capa de endurecido mide algunhas micras de espesor, para varias longuras de onda satisfarase a condición de interfencia destructiva e para outras intercaladas coas primeiras a de interferencia constructiva. (Jalie)

15 Fabricación A técnica máis usada é a de deposición en alto baleiro. Sirve tanto para evaporar metais (Al, Ag, Cu, Cr... ) por efecto Joule, como dieléctricos (MgF 2, ZnS, SiO, SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5... ) mediante cañón de electróns. O espesor da capa mídese cun cristal de cuarzo piezoeléctrico. Revestimento hidrófobo Cando a reflectividade é moi baixa, calquer mancha na superficie resulta moi obvia. Ademáis as capas do tratamento AR son porosas e a graxa penetra no seu interior, degradándose o seu funcionamento. Para evitar esto, deposítase unha capa antisuciedade como último paso da fabricación da multicapa. O seu espesor (uns poucos nm) é moito menor que a longura de onda da luz para que non afecte ó funcionamento da multicapa. Está formada por moléculas

16 que teñen dúas partes: unha posúe radicais que se adhiren fortemente á última capa do tratamento (por exemplo SiO 2 ) e a outra é repele a auga e as graxas. sen capa hidrófoba: con capa hidrófoba: En resume, a estructura de tódolos tratamentos para unha lente orgánica sería: