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. Lascalculos capas se parano el existe verde-amarillo la reflexión residual nos dacierta un Estos sonsuelen teoricos,calcular en la practica una materia y solida con un indice de 1,23 y una Dureza y quimica. colormecanica violeta-purpura. 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. Teñidora de Orgánicos 6 bateas construidas en acero inoxidable con aislamiento térmico interno. Tanques circulares de acero inoxidable con tapa, capacidad 700ml. Control digital de temperatura. Muestra en la pantalla la temperatura para mayor precisión. Corte térmico automático cuando llega a la temperatura deseada.Temperatura: 0-100º 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