Protección contra a radiación electromagnética

Transcript

1 Protección contra a radiación electromagnética As lentes oftálmicas, ademáis de compensar ametropias, tamén poden servir como protección frente á radiación electromagnética. Espectro electromagnético e necesidade dos filtros ópticos As ondas electromagnéticas se clasifican según a longura de onda (λ) ainda que os límites entre as rexións non son estrictos. En orde crecente de λ, e en xeral en orde decrecente de perigrosidade: Raios gamma: absorbido pola atmósfera, perigosos só os de orixe artificial. 1

2 Raios X: absorbido pola atmósfera, perigosos só os de orixe artificial. Ultravioleta (UVC, UVB e UVA): a atmósfera filtra case todo o UVC e só parcialmente o UVB e o UVA; agora menos debido á reducción de ozono estratosférico. A córnea absorbe UVC e UVB, que producen conxuntivite e ceratite. O cristalino absorbe UVB e UVA, sendo principalmente os primeiros os que xeneran cataratas nun proceso acumulativo. Á retina prácticamente non chega UV, salvo en afáquicos que precisan lentes que filtren o UV e parte do azul. Visible: a luz visible excesivamente intensa pode producir molestias, menor agudeza visual ou canseira. Nese caso, o ollo ten mecanismos naturais de defensa: peche do iris e parpadeo. Outro aspecto destacable é que a rexión azul é máis propensa a esparexerse nos medios oculares reducindo o contraste da imaxe. Infravermello (IR): parcialmente absorbido polo H 2 O e o CO 2 da atmósfera. Pode producir queimaduras na retina e polo tanto cegueira se se mira directamente ó Sol. Entre as fontes artificiais perigosas neste rango espectral atopamos fornos de fundición, soldadores e lámpadas de xenón ou de tugsteno. Microondas: as fontes son esencialmente de orixe artificial: fornos microondas domésticos e teléfonos móbiles (hai debate sobre a súa inocuidade). Ondas de TV e de radio (FM e AM). Entre as fontes artificiais merecen unha mención especial os láseres. Son perigosos os que emiten no visible cunha potencia media-alta (entre 1 e 5 mw) e moi perigosos os de potencia superior. Tamén son moi perigosos todos os que emiten fóra do visible (UV ou IR) independentemente da súa potencia. Un exemplo extremo son os láseres de CO 2 para corte e soldadura que teñen potencias de varios kw no infravermello ( 10µm). (Salvadó&Fransoy)

3 (Adaptado de Salvadó&Fransoy) Un filtro óptico é un dispositivo que reduce a intensidade da luz que o atravesa. A reducción pode ser a mesma en todo o espectro ou selectiva para eliminar ou atenuar radiación con longuras de onda determinadas. Por exemplo, os requerimentos básicos dun filtro de protección solar son: protección fronte o UV, atenuación da luminancia ata o óptimo, e fidelidade cromática (ou non)

4 Caracterización dun filtro óptico Curva de transmitancia espectral A información relativa ó comportamento óptico dun filtro está na súa curva de transmitancia espectral τ(λ) que nos informa da proporción de radiación que transmite o filtro para cada longura de onda λ. Obsérvese que: normalmente τ(λ) aporta información do comportamento do filtro en UV, visible e IR; 0 < τ(λ) < 1. Vexamos algúns exemplos: UV A 1 Visíbel τ λ (%) Longura de onda (nm) 1. Filtro contra ou UV 2. Filtro de contraste 3. Filtro contra o IR ou filtro de calor 4. Filtro neutro 5. Filtro que absorbe o amarelo (cores máis vívidas?)

5 Un parámetro equivalente á transmitancia espectral é a densidade óptica, D(λ), definida como: D(λ) = log 10 1 τ(λ) = log 10 τ(λ) Ademáis, tamén hai outras magnitudes que se poden obter a partir da curva de transmitancia espectral e que ofrecen información útil e resumida. Punto de corte no UV Defínese como a menor λ para a cal τ(λ) = 0.01 = 1%. Algúns exemplos para espesores usuais: Vidro crown 280 nm Vidro crown UV 390 nm CR nm Policarbonato 380 nm Transmitacia luminosa, τ v É a transmitancia media no visible ponderada pola sensibilidade espectral relativa do ollo en visión fotópica V (λ) e pola distribución espectral do iluminante patrón D65, S D65 (λ). O ollo ten a súa sensibilidade máxima para λ = 555nm, a cal se reduce apreciablemente para outras longuras de onda según a seguinte curva: (Benito&Villegas)

6 Nótese que 0 < V (λ) 1. Por outra banda o iluminante D65 simula a luz solar na superficie da Terra presentando un comportamento comparativamente máis uniforme ó longo do espectro visible Iluminante A Iluminante D Longura de onda (nm) Polo tanto, τ v é unha media de τ(λ) ó longo do visible pero dándolle máis peso ás longuras de onda para as cales o ollo é máis sensible. Matemáticamente, a forma de facer esa media ponderada é mediante o cociente de integrais seguinte: 780nm τ(λ)v (λ)s D65 (λ) dλ τ v = 380nm 780nm 380nm V (λ)s D65 (λ) dλ Tamén podemos dicir que τ v é a sensación luminosa relativa con e sen filtro. Obsérvese que: τ v contén información resumida ( incompleta) da atenuación do filtro en visible. Non aporta información do comportamento en UV ou en IR. 0 τ(λ) 1 0 τ v 1

7 Transmitacia para un sinal de tráfico, τ sinal É análoga a τ v, pero agora o iluminante é a luz procedente dun sinal de tráfico, que á súa vez está composto polo iluminante padrón A e un filtro de transmitancia espectral τ s (λ). Defínense catro valores de τ sinal, un para cada unha das cores estandarizadas (UNE EU-ISO 13666:1998): azul 1, verde, amarelo, vermello coas respectivas τ s (λ). 780nm τ(λ)v (λ) S A (λ)τ s (λ)dλ τ sinal = 380nm 780nm 380nm V (λ)s A (λ)τ s (λ) dλ Nótese que o papel que desempeña S D65 (λ) na definición de τ v, agora é realizado polo producto S A (λ) τ s (λ). Polo tanto τ sinal indica a atenuación do brillo co que se aprecia un sinal de tráfico cando se usa un filtro dado τ (λ) S S A ( λ ) V( λ ) Coeficiente de atenuación visual relativo, Q É a proporción entre τ sinal (que indica a transmitancia nunha cor determinada) e τ v (transmitancia promediada no visible): Q = τ sinal τ v Indica a distorsión coa que se observan as cores de sinais de tráfico observadas a través do filtro. En concreto, nun filtro neutro, Q estará próximo a 1 para as catro cores. 1 Para o azul reemprázase o iluminante A polo espectro do corpo negro a 3200K

8 Norma europea para filtros de protección solar A transmitancia luminosa τ v utilízase na norma europea para clasificar os filtros en 5 tipos diferentes, de 0 a 4 a medida que atenúan máis (ver táboa máis adiante). Ademáis os filtros deben verificar unha serie de condicións xerais e outras específicas para poderen ser usados para conducir. Normas xerais A trasmitancia espectral τ(λ) en calquer longura de onda dentro do UVB debe ser, como moito, a décima parte da transmitancia luminosa do filtro. No UVA a norma distingue entre: tipos 0 a 2: a trasmitancia espectral τ(λ) en calquer longura de onda dentro do UVA debe ser menor ou igual á transmitancia luminosa do filtro. tipos 3 e 4: a trasmitancia espectral τ(λ) en calquer longura de onda dentro do UVA debe ser menor ou igual á metade da transmitancia luminosa do filtro. Normas específicas para a conducción Coducción diurna: τ v > 8% τ(λ) > 0.2τ v para 500nm< λ < 650nm Q, o coeficiente de atenuación visual relativo, debe ser maior que: 0.8 para vermello e amarelo 0.6 para verde e 0.4 para azul Conducción nocturna: ademáis das anteriores, τ v > 75% Se unhas gafas non cumplen as condicións específicas para conducción, deben advertilo explícitamente, ou ben cun texto: Non axeitado para a conducción de automóbiles nen usuarios da estrada, ou ben cun pictograma:

9 Nas seguintes táboas resúmese a norma europea. Tipo de Valor máximo Intervalo Recomendacións de uso filtro de τ(λ) de τ v nm 380nm % Interiores. Conducción diurna e nocturna. 1 τ v 43-80% Dia nuboso. Conducción só diurna. 2 τ v / % Dia soleado. Conducción só diurna. 3 τ v /2 8-18% Dia moi soleado. Conducción só diurna % Luminosidade excepcional. Non conducir. Transmitancia luminosa (τ v ): τ v Conducción diurna >8% Conducción nocturna >75% Fidelidade cromática (Q = τ sinal /τ v ) para conducción: azul verde amarelo vermello Q > 0, 4 Q > 0, 6 Q > 0, 8 τ(λ) > 0, 2τ v 500nm < λ < 650nm Fabricación e tipo de filtros ópticos Minerais masivos Engádese unha pequena cantidade (< 1%) dalgún óxido metálico na fabricación do vidro. O óxido debe absorber no visible e dependendo do metal empregado a cor é diferente:

10 manganeso: violeta cobalto: azul cromo: verde uranio: amarelo A absorción ten lugar no interior do material. Sen embargo, se a lente ten potencia, o seu espesor varía según o punto considerado e polo tanto a lente será máis oscura nas zonas máis grosas. Esto non é opticamente desexable nen resulta estético, polo que o uso deste tipo de filtros restrínxese a potencias nula. Orgánicos tinxidos por inmersión Mergullase a lente nunha disolución que conteña o tinte orgánico axeitado. Este penetra na lente formando unha capa de espesor uniforme, de 6 a 10 µm. Polo tanto a absorción non depende das variacións de espesor entre o centro e a beira da lente. Ademáis permite facer branqueados, retincións, combinacións de tintes distintos e degradados. O resultado é pouco reproducible xa que depende moito das condicións na tinción (tempo, temperatura, concentración... ), polo que é recomendable tinxir simultanteamente as dúas lentes do par. Algúns tratamentos superficiais (endurecido, antirreflexos) non son compatibles co tinxido xa que impiden o paso dos tintes. Recubrimentos de películas delgadas Deposítanse óxidos metálicos (molibdeno, cromo ou titanio) e dieléctricos (monóxido e dióxido de silico, e fluoruro de magnesio) coa mesma técnica que a de fabricación de tratamentos antirreflexos: deposición en alto baleiro, pero o espesor final é maior, da orde da micra. Admite degradados variando o espesor da capa. Fotocromáticos A transmitancia destos filtros redúcese na presencia de UV ou violeta no ambiente (estado activado), e retorna a valores próximos os dunha lente branca en ausencia desta radiación (estado desactivado). Ainda que depende do fabricante, a activación non é instantánea senón que tarda un ou dous minutos en completarse. A desactivación é máis lenta, da orde de 15 minutos. Unha temperatura baixa do filtro fotocromático reduce a transmitancia en estado activado e aumenta o tempo de desactivacion.

11 (Fanin&Grosvenor) (Benito&Villegas) Fabrícanse tanto lentes fotocromáticas minerais como orgánicas.

12 Fotocromáticos minerais Engádense na composición do vidro sais de prata, que normalmente son transparentes. Sen embargo, baixo radiación UV, disóciase o enlace: Cl Ag+hν Ag + + Cl. Os ións de prata absorben no visible, o que oscurece a lente. A matriz ríxida do vidro impide que os ións Ag + e Cl se alonxen, e en ausencia de UV vólvese a formar o sal aclarándose a lente. Ainda que estos filtros se poden considerar minerais masivos dende o punto de vista da fabricación, o seu oscurecemento é bastante homoxéneo en toda a lente con independencia do seu espesor. Isto é así por que o vidro absorbe no UV, polo que a disociación só afecta a unha capa superficial. Os vidros fotocromáticos novos e os que levan tempo sen seren activados precisan dun tempo de rodaxe para o seu funcionamento óptimo. Co paso do tempo tamén sufren un certo deterioro. Fabrícanse en dúas cores: cinza e castaña. Fotocromáticos orgánicos Empregan un ou varios pigmentos orgánicos que cambian de configuración cando incide radiación UV. Por exemplo a spiroxazina ten unha estructura plana no estado activado mentras que no desactivado ten unha forma tridimensional constituida por dúas partes contidas en planos perpendiculares. Como se poden combinar varias moléculas fotocromáticas: Existe un maior abano de cores dispoñibles que en fotocromáticas minerais: azul, verde, cinza, castaño, laraxa, rosa, etc. No proceso de activación e desactivación pode cambiar a cor do filtro, mentras que a densidade óptica pode cambiar ou quedar aproximadamente igual. P. ex. amarelo (desact.) laranxa (activ.) ou vermello (desact.) púrpura (activ.). Unha característica negativa dos filtros fotocromáticos orgánicos é a súa fatiga: perden capacidade de activación co tempo, especialmente cando están expostas ó osíxeno. As moléculas fotocromáticas poden incorporarse á lente polos seguinte métodos: En masa: engádense no monómero. Cando as moléculas superficiais se fatigan a radiación UV penetra máis na lente onde atopa novas moléculas polo que o filtro segue funcionando correctamente. Usan este método: Rodenstock, Indo, Corning, Hoya.

13 Introdúcense na cara anterior unha vez fabricada a lente nun proceso que require quentar a lente obténdose unha capa de 50 a 200 micras. Despois deposítase unha capa antiabrasión que ademáis dificulta o paso do osíxeno. Non sirve para o CR-39 nen para o policarbonato; si sirve para o Trivex. Usan este método: Essilor (Transitions), Hoya, Zeiss e AO Sola. Nun revestimento, aplicado: por centrifugado na cara anterior (método: Beloptix) por inmersion, co que se obteñen revestimentos nas dúas caras (fabricante: InvictaVision). Sobre este revestimento, aplícase outro antiabrasión. Activado Escuro Desactivado Claro

14 Polarizantes Cosisten nunha lámina polarizadora (tipo Polaroid) entre dous vidros tallados para obter a potencia desexada. Tamén se fabrican pegando o polarizador na cara anterior ou posterior dunha lente orgánica. Neste caso insírese a película polarizadora no molde antes de introducir o monómero. Tamén se utilizan suplementos polarizantes desmontables sobre lentes convencionais. Os filtros polarizantes poden ser neutros ou presentar algunha coloración, pero o seu modo de funcionamento proporciona propiedades diferenciadas dos demáis filtros. A luz do Sol non está polarizada. A luz reflectida polos obxectos podemos descompoñela en dúas partes: Reflexión difusa: a luz sae en todas direccións, tampouco está polarizada e aporta a información da cor do obxecto; é máis intensa canto máis rugosa sexa a superficie. Reflexión especular: é semellante á que ocorre nunha superficie perfectamente pulida. A luz reflíctese na dirección predita pola lei de Snell sen entrar no obxecto, dando lugar a brillos moi intensos e brancos (sen información cromática do obxecto). Sen embargo cando a luz incide a un certo ángulo, especialmente se é próximo ó ángulo de Brewster, o reflexo especular está parcial ou totalmente polarizado. Isto ocorre porque a reflectancia da luz con polarización contida no plano de incidencia é menor que a reflectancia da luz polarizada perpendicularmente (R < R ). É dicir, os reflexos están polarizados perpendicularmente ó plano de incidencia e paralelamente á superficie que xenerou o reflexo. Por outra banda a maior parte das superficies que xeneran reflexos especulares intensos (auga, area, asfalto... ) son horizontais polo que os seus reflexos están horizontalmente polarizados. Posto que os polarizadores se montan co eixo de transmisión vertical, cancelan ou atenúan fortemente estos reflexos especulare; mentras que os reflexos difusos quedan atenuados en menor medida ( 50%) por non estaren polarizados. Polo tanto, a diferencia doutros filtros, os polarizadores logran: Eliminar selectivamente os brillos intensos e molestos. Saturar as cores. Millorar o contraste de obxectos debaixo da auga. Os filtros polarizadores son especialmente útiles en actividades como a pesca, o esquí ou a conducción. Sen embargo presentan algúns efectos secundarios:

15 É usual que os materiais transparentes tensionado presenten birrefrinxencia e polo tanto alteren a polarización da luz. Así os vidros dos automóbiles ou as xanelas dos avións poden presentar padróns curiosos cando se observan a través dos polarizadores. As pantallas LCD (cristal líquido) emiten luz polarizada. O ángulo que forma a dirección de polarización desta luz coa do eixo de transmisión do filtro determina a cantidade de luz que pasa. Afortunadamente a polarización dos LCDs soe ser vertical.