Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych

___________________________________________________________________________

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Elżbieta Joanna Nycz

Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych
322[16].Z2.01

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
dr inż. Marcin Leśniewski
dr n. med. Marian Adam Rojek

Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Elżbieta Jarosz

Konsultacja:
mgr Małgorzata Sienna

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 322[16].Z2.01
„Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych”, zawartego w modułowym programie
nauczania dla zawodu technik optyk.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Rodzaje materiałów optycznych

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2.

Powłoki cienkowarstwowe, materiały fotochromowe

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć 32
6. Literatura 37

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach stosowanych

w optyce, ich właściwościach, wytwarzaniu, sposobach ich badań a także przydatności
zależnie od zastosowania. W poradniku zamieszczono:
–

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

–

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

–

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,

–

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,

–

ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,

–

sprawdzian postępów,

–

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

–

literaturę uzupełniającą.

Schemat układu jednostek modułowych

322[16].Z2

Optyka

322[16].Z2.02

Projektowanie elementów

i układów optycznych

322[16].Z2.03

Stosowanie urządzeń,

przyrządów optycznych

i optoelektronicznych.

322[16].Z2.01

Ocena jakości i stosowanie

materiałów optycznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

stosować jednostki układu SI,

–

przeliczać jednostki,

–

określać właściwości i parametry materiałów optycznych,

–

wyjaśniać podstawowe zjawiska optyczne,

–

rozróżniać elementy optyczne,

–

korzystać z różnych źródeł informacji,

–

obsługiwać komputer,

–

współpracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

rozróżnić materiały optyczne,

−

ocenić przydatność materiału optycznego do projektowania elementów optycznych,

−

scharakteryzować surowce stosowane do wytopu szkła optycznego,

−

wyjaśnić metody wytwarzania materiałów optycznych,

−

określić najważniejsze parametry materiałów optycznych,

−

rozpoznać wady występujące w materiałach optycznych i podać sposoby ich
wykrywania,

−

przedstawić metody i określić warunki prawidłowego cięcia szkła,

−

scharakteryzować budowę narzędzi do obróbki szkła,

−

zastosować proszki ścierne w zależności od ich właściwości,

−

scharakteryzować budowę narzędzi do obróbki tworzyw sztucznych,

−

zastosować tworzywo sztuczne do wyrobu określonych elementów optycznych,

−

porównać właściwości mechaniczne i optyczne szkła mineralnego i tworzyw
organicznych,

−

określić warunki sklejania elementów optycznych,

−

dobrać klej do szkła zależnie od jego właściwości,

−

zastosować metody utwardzania tworzyw sztucznych,

−

określić właściwości powłok antyrefleksyjnych,

−

wyjaśnić budowę i działanie filtrów polaryzacyjnych,

−

określić warunki prawidłowego powlekania próżniowego,

−

scharakteryzować materiały fotochromowe,

−

zmierzyć współczynniki załamania i dyspersji materiału optycznego,

−

ocenić jakość barwienia materiałów optycznych,

−

zastosować materiały barwione i fototropowe,

−

zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bezpieczeństwa i higieny pracy,
ochroną przeciwpożarową i ochroną środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Rodzaje materiałów optycznych

4.1.1. Materiał nauczania

Elementy optyczne są to takie części układu optycznego, które bezpośrednio wpływają

na zmianę kierunku biegu światła, lub jego charakterystykę. Należą do nich wszelkiego
rodzaju filtry, podziałki, testy świecące, płytki ogniskowe, soczewki, pryzmaty, zwierciadła,
światłowody. W większości przypadków światło przechodzi przez te elementy, tylko
w zwierciadłach i niektórych rodzajach pryzmatów odbijających ulega odbiciu od
zewnętrznej powierzchni. Z tego względu elementy optyczne wykonuje się z materiałów
o charakterystycznych cechach.

Charakterystyka materiałów optycznych

Materiały stosowane do wyrobu znacznej większości elementów optycznych muszą

posiadać wspólne właściwości, do których należą:

– przezroczystość, czyli przepuszczalność światła w całym zakresie widma widzialnego,

bądź w jego części.
– jednorodność, czyli takie same właściwości optyczne w całej masie materiału.
– określony współczynnik załamania wyrażający się wzorem:

gdzie:
c – prędkość światła w próżni

– prędkość światła w danym materiale

Uwaga! Przedstawiony wzór dotyczy tzw. bezwzględnego współczynnika załamania,

czyli mierzonego względem próżni lub (w przybliżeniu) powietrza. Współczynnik względny
mierzony jest względem ośrodka, w którym znajduje się dany element (może to być np. szkło
w wodzie) i wtedy wyraża się wzorem:

gdzie:

– prędkość światła w ośrodku otoczenia

– prędkość światła w danym materiale

– określony współczynnik dyspersji, czyli tzw. liczba Abbego, wyrażająca się wzorem:

−

gdzie:

– współczynnik załamania dla żółtej linii sodu

– współczynnik załamania dla niebieskiej linii wodoru

– współczynnik załamania dla czerwonej linii wodoru

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Światło padając na powierzchnię rozdzielającą ośrodki o różnych współczynnikach

załamania (np. powietrze – woda, powietrze – szkło, woda – szkło itp.) ulega częściowemu
odbiciu od tej powierzchni, ale większa część padającego światła przejdzie dalej. Jeżeli
promień świetlny pada na powierzchnię pod kątem większym niż

0 (rys.1), wówczas ulega

załamaniu. Przechodząc z ośrodka o niższym współczynniku załamania do ośrodka
o wyższym współczynniku, promień załamuje się do normalnej (kąt załąmania jest mniejszy
od kąta padania). Jeżeli światło przechodzi z ośrodka o wyższym współczynniku załamania
do ośrodka o współczynniku niższym, wtedy sytuacja jest odwrotna, czyli kąt załamania jest
większy od kąta padania.

−

kąt padania

−

kąt załamania

Rys. 1. Przechodzenie światła przez granicę dwóch ośrodków: a) z ośrodka rzadszego optycznie do gęstszego

(

〈

), b) z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego (

〉

) [opracowanie własne]

W takim przypadku współczynnik załamania można przedstawić także za pomocą wzoru:

sin

Jeśli będziemy zwiększać kąt padania światła na powierzchnię łamiącą podczas

przechodzenia z ośrodka gęstszego optycznie (o wyższym współczynniku załamania)
do ośrodka rzadszego optycznie, to po przekroczeniu kąta granicznego, przy którym światło
„ślizga się” po powierzchni, następuje całkowite wewnętrzne odbicie, czyli światło nie
wychodzi poza granicę ośrodka, tylko odbija się wewnątrz niego. Zjawisko to
wykorzystywane jest m.in. w światłowodach czy pryzmatach odbijających. Wewnętrzne
odbicie przedstawia rys. 2.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

– kąt graniczny

Rys. 2. Całkowite wewnętrzne odbicie [opracowanie własne]

Kąt graniczny zależny jest od współczynnika załamania materiału, w którym zachodzi

całkowite wewnętrzne odbicie i od współczynnika załamania otoczenia.

Do pomiaru współczynnika załamania stosuje się refraktometry. Są to przyrządy,

w których wykorzystuje się całkowite wewnętrzne odbicie na granicy ośrodka badanego
i ośrodka o znanych parametrach. Współczynnik załamania można również zmierzyć metodą
pośrednią, mierząc kąty pryzmatu wykonanego z badanego szkła, a następnie obliczając
współczynnik załamania ze wzoru.

Wszystkie materiały stosowane do wytwarzania elementów optycznych można podzielić

na dwie grupy: szkło mineralne i tworzywa sztuczne (szkło organiczne).

Szkło mineralne

Szkło mineralne jest to materiał otrzymany w wyniku przetopienia mieszaniny piasku

kwarcowego (dwutlenku krzemu SiO

) oraz substancji szkłotwórczych, takich jak tlenki:

sodu, potasu, wapnia, boru, glinu, w temperaturze ok.

1500

. Masę tę poddaje się następnie

przechłodzeniu, aż do otrzymania ciała stałego bez krystalizacji, oraz powolnemu studzeniu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(odprężaniu) do temperatury otoczenia. Otrzymuje się ciało bezpostaciowe, nie wykazujące
uporządkowanej budowy sieciowej, charakteryzującej np. metale.

Do wytapiania szkła optycznego konieczne jest zachowanie ścisłych proporcji wagowych

wszystkich składników, ponieważ decydują one o parametrach otrzymanego szkła.

Podczas wytopu wewnątrz szkła mogą powstać wady materiałowe, które częściowo lub

całkowicie dyskwalifikują je do zastosowania w optyce. Najczęściej powstające
i najłatwiej rozpoznawalne są pęcherze i wtrącenia stałe. Można je dostrzec przez lupę
w ukośnym oświetleniu na ciemnym tle, a większe nawet okiem nieuzbrojonym. Inne wady
materiałowe to naprężenia, wykrywalne za pomocą polaryskopu, smużystość, którą można
zaobserwować przy użyciu cienioskopu oraz zabarwienie nie zawsze dostrzegalne gołym
okiem, ale możliwe do wykrycia za pomocą przyrządu do pomiaru transmitancji. Istnieją
normy, według których klasyfikuje się jakość danej próbki szkła do odpowiedniej kategorii,
a następnie ocenia jej przydatność do wykonania określonego elementu.

Półfabrykatem otrzymanym z wytopu może być blok, płyta, lub prasówka. Aby uzyskać

określony element optyczny, półfabrykaty te poddaje się obróbce mechanicznej: szlifowaniu
zgrubnemu, dokładnemu i jeśli trzeba – polerowaniu. Dodatkowymi operacjami są:
przecinanie płyt lub bloków szklanych, wiercenie otworów oraz fazowanie ostrych krawędzi.

Rys. 3. Przykłady narzędzi do obróbki szkła – frezy diamentowe: a) frez garnkowy do obróbki powierzchni

kulistych, b) frez tarczowy do cięcia szkła, c) frez palcowy do obróbki otworów

[opracowanie własne]

Operacje szlifowania przeprowadza się za pomocą narzędzi diamentowych (frezów –

rys. 3) i wtedy mówimy o frezowaniu, lub żeliwnych (rys. 4) z użyciem zawiesiny proszku
szlifierskiego (korundu Al

albo karborundu SiC), a także tarcz szlifierskich, natomiast

polerowanie wykonuje się za pomocą narzędzi z okleiną plastyczną (rys. 5), z użyciem tlenku
ceru.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 4. Narzędzia żeliwne do obróbki szkła: a) tarcza do szlifowania płaszczyzn,

b) czasza wypukła do szlifowania powierzchni wklęsłych, c) czasza wklęsła do szlifowania powierzchni

wypukłych [opracowanie własne]

Do przecinania szkła używa się różnych narzędzi, zależnie od grubości przecinanego

bloku i od stanu jego powierzchni. Do cienkich płyt polerowanych o grubości do 6 mm
można używać noża diamentowego, płyty grubsze i matowe można przecinać przy użyciu
krajaka, przy czym krajak nadaje się również do cięcia płyt cieńszych. Grube bloki szklane
tnie się przy użyciu piły diamentowej do szkła (frezu diamentowego). Do wiercenia w szkle
otworów używa się również narzędzi zróżnicowanych, zależnie od srednicy wykonywanego
otworu. Wiertła diamentowe stosuje się do wiercenia bardzo małych otworów – o średnicy
do 3 mm, do większych otworów używa się wierteł spiralnych lub piórkowych z nakładkami
widiowymi, oraz frezów rurkowych. Fazowanie ostrych krawędzi można wykonywać
na tarczach szlifierskich, ale także za pomocą płyt lub czasz żeliwnych z użyciem zawiesiny
proszku szlifierskiego.

Rys. 5. Narzędzia z warstwą plastyczną do polerowania szkła: a) tarcza do polerowania płaszczyzn, b) czasza

wypukła do polerowania powierzchni wklęsłych, c) czasza wklęsła do polerowania powierzchni wypukłych

[opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Współczynnik załamania szkła wynosi przeciętnie ok. 1,5, ale zależnie od gatunku szkła

może się wahać w granicach od 1,44 do 1,9. Liczba Abbego również jest zależna od gatunku
szkła i wynosi od 20,9 do 54 (szkła flintowe) oraz powyżej 54 do 67,7 (szkła kronowe).
Gęstość szkła mineralnego wynosi od ok. 2,6 do 4 i więcej g/cm

, zależnie od gatunku szkła,

przy czym wzrasta ona wraz ze współczynnikiem załamania. Różne gatunki szkła optycznego
zebrane są w katalogach i oznaczone symbolami.

Bardzo ciekawą rzecz stanowi wytwarzanie soczewek dwuogniskowych (bifokalnych) ze

szkła mineralnego. Dawniej soczewki dwuogniskowe wykonywano z jednego kawałka szkła,
w którym segment do bliży miał podszlifowaną powierzchnię na inny promień krzywizny niż
pozostała część soczewki. Współczesne soczewki dwuogniskowe wykonuje się w ten sposób,
że segment do bliży stanowi wtopka o innym współczynniku załamania niż cała soczewka
(najczęściej wyższym), natomiast promień krzywizny powierzchni jest stały.

Rys. 6. Soczewka dwuogniskowa (bifokalna) ze szkła mineralnego z wtopką [opracowanie własne]

Szkło mineralne ciągle jeszcze odgrywa znaczącą rolę w produkcji wielu elementów

optycznych. Szczególnie bardzo precyzyjne i dokładne, a także trwałe układy powinny być
wykonane

szkła

mineralnego,

które

odpornością

chemiczną,

mechaniczną

i właściwościami optycznymi przewyższa materiały organiczne oraz pozwala na dużo
dokładniejszą obróbkę.

Tworzywa sztuczne

Coraz większą rolę w produkcji elementów optycznych, a w szczególności soczewek

okularowych odgrywają materiały organiczne, czyli tworzywa sztuczne. Muszą one
charakteryzować się właściwościami zbliżonymi do szkła mineralnego, a więc być
przezroczyste, jednorodne, mieć określony współczynnik załamania oraz względnie wysoką
liczbę Abbego. Ich niewątpliwą zaletą w porównaniu ze szkłem mineralnym jest znacznie
mniejsza masa, co właśnie w przypadku soczewek okularowych ma duże znaczenie.

Tworzywa sztuczne są polimerami, czyli wielocząsteczkowymi związkami powstałymi

w wyniku polimeryzacji monomeru na skutek wygrzewania w specjalnym piecu. Polimery
dzielą się na dwie grupy: tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne. Do pierwszej grupy
należy np. polimetakrylan metylu (PMMA) czy poliwęglan, natomiast do drugiej CR39,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

poliakryl, poliuretan. Do najnowszej generacji tworzyw sztucznych należy tworzywo
poliuretanowe NXT oraz Trivex, a także Phoenix (PNX).

W tabeli 1 przedstawiono porównanie właściwości niektórych tworzyw sztucznych,

stosowanych w optyce.

Tabela 1.

Materiał

Gęstość g/cm

Wsp.załamania n

Liczba Abbego υ

PMMA

1,18

1,50

Poliwęglan

1,2

1,5961

CR 39

1,32

1,501

Trivex

1,11

1,53

43–45

NXT

1,1

1,53

PNX

1,12

1,53

Jak widać z powyższej tabelki, gęstość tworzyw organicznych jest co najmniej
dwukrotnie mniejsza niż szkła mineralnego, ale również niższa jest liczba Abbego (poza

CR39). Cały czas trwają prace nad otrzymaniem tworzywa o jak najlepszych parametrach,
czyli względnie wysokim współczynniku załamania i możliwie dużej liczbie Abbego.

Istnieją dwie metody wytwarzania półfabrykatów oraz gotowych soczewek z tworzyw

sztucznych. Pierwsza z nich (tworzywa termoutwardzalne) polega na napełnieniu płynnym
monomerem szklanej formy, a następnie przeprowadzeniu polimeryzacji podczas której
otrzymuje się ciało stałe. Po wyjęciu z formy detal trzeba jeszcze poddać odprężaniu. Druga
metoda (tworzywa termoplastyczne) polega na wtłaczaniu granulowanego polimeru do formy
pod wysokim ciśnieniem, przy użyciu wysokiej temperatury. W obu przypadkach produktem
jest bądź gotowa soczewka, bądź półfabrykat, który należy jeszcze poddać obróbce
mechanicznej, aby otrzymać soczewkę jednoogniskową, bifokalną lub progresywną.

Na rys. 7 przedstawiono schemat wytwarzania półfabrykatu z płynnego monomeru.

Rys. 7. Wytwarzanie soczewki (półproduktu) z tworzywa sztucznego: 1) napełnianie formy płynnym

monomerem, 2) polimeryzacja – wygrzewanie w piecu, 3) wyjęcie z formy, 4) odprężanie – podgrzanie

i powolne studzenie, 5) gotowa soczewka lub półprodukt

[opracowanie własne na podstawie czasopisma Świat Okularów]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jeżeli otrzymany detal jest półproduktem, wtedy jego powierzchnia wypukła, zwana

bazą, jest wykonana na gotowo. Obróbce mechanicznej poddaje się tylko powierzchnię
wklęsłą, aby otrzymać określony promień krzywizny – dla soczewek sferycznych, albo dwa
różne promienie krzywizn – dla soczewek torycznych. W przypadku wytwarzania gotowych
soczewek, od razu wykonuje się obie powierzchnie o określonych promieniach krzywizn
i odpowiedniej grubości.

Obróbka mechaniczna tworzyw sztucznych wygląda podobnie jak obróbka szkła, ale

przeprowadza się ją nieco innymi narzędziami i z użyciem innych materiałów. Ponieważ
tworzywa organiczne nie są kruche tak jak szkło, tylko bardziej ciągliwe, należy uważać, aby
podczas blokowania i obróbki nie powstały odkształcenia. Do obróbki zgrubnej stosuje się
frez diamentowy o liczbie ostrzy np. 8. Do szlifowania i polerowania używa się takich
samych maszyn jak do szkła. Narzędzia również są takie same, tylko nakleja się na nie
specjalne jednorazowe samoprzylepne nakładki. Szlifowanie przeprowadza się na sucho
(np. poliwęglan) lub z dodatkiem wody jako chłodziwa. Do polerowania stosuje się zawiesinę
tlenku glinu o możliwie niskiej temperaturze.

Soczewki dwuogniskowe z materiałów organicznych zbudowane są w ten sposób,

że segment do bliży ma inny promień krzywizny niż pozostała część soczewki i dzięki temu
ma inną moc. Całość wykonana jest z jednego gatunku materiału.

Kleje stosowane do sklejania elementów optycznych

W układach optycznych składających się dużej liczby elementów istnieje wiele

powierzchni łamiących tj. takich, które rozdzielają ośrodki o różnych współczynnikach
załamania. Na każdej z tych powierzchni występują straty światła wynikające z odbicia, które
są proporcjonalne do różnicy współczynników załamania sąsiadujących ośrodków. Wzór
Fresnela określa współczynnik odbicia:













−

Dla powietrza n

= 1

Przykładowo dla n = 1,5 współczynnik odbicia względem powietrza r

= 4%, a dla

n = 1,7 ten współczynnik wynosi już ok. 6,7%. Im więcej powierzchni styka się z
powietrzem, tym więcej jest strat światła na odbiciach.

Z tego względu w układach złożonych jest wskazane, aby jak najmniej powierzchni

stykało się z powietrzem, co ograniczyłoby straty. W tym celu stosuje się sklejanie
powierzchni sąsiadujących. Muszą one jednak spełniać określone wymagania. Również kleje
stosowane do łączenia takich powierzchni muszą charakteryzować się określonymi
właściwościami.

Sklejane elementy muszą mieć powierzchnie spasowane tzn. muszą odpowiadać sobie

kształtem. Mogą to być płaszczyzny lub powierzchnie kuliste o jednakowym promieniu
krzywizny, ale przeciwnym znaku. Elementy dobiera się parami tak, aby odchyłki między
nimi były jak najmniejsze.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 8. Sklejanie soczewek: a) nałożenie kropli kleju na powierzchnię wklęsłą,

b) dociśnięcie soczewki wypukłej i wycentrowanie.

[opracowanie własne]

Klej stosowany do sklejania elementów optycznych powinien być:

–

przezroczysty

–

bezbarwny

–

odporny termicznie (od-40

do +50

–

o współczynniku załamania ok. 1,5.
Powyższe warunki spełniają kleje naturalne, jak np. balsam jodłowy i balsam jodłowy

plastyfikowany. Coraz częściej stosuje się także kleje syntetyczne. Należą do nich: klej
karbinolowy – balsamin, klej polimetakrylowy o nazwie handlowej KBMS, klej poliestrowy
– KAS oraz kleje epoksydowe – ETD i OK50. Właściwości poszczególnych klejów oraz ich
zastosowanie można znaleźć w książce Leguna – Technologia elementów optycznych.

Podczas sklejania bardzo ważne jest zachowanie bezwzględnej czystości, ponieważ

najmniejsze zanieczyszczenie powoduje nieprawidłową jakość klejenia. Z tego względu
w pomieszczeniu, gdzie przeprowadza się sklejanie, obowiązują bardzo ścisłe reżimy
odnośnie zachowania czystości. Powierzchnie przygotowane do sklejania muszą być
odtłuszczone i odkurzone. Dotyczy to zarówno sklejania klejami naturalnymi jak
i syntetycznymi. Różnica polega na tym, że podczas sklejania balsamem elementy sklejane
muszą być ogrzane do temperatury ok. 150

, a po sklejeniu i wycentrowaniu pozostawione do

ostygnięcia. Kleje syntetyczne nie wymagają podgrzewania, ponieważ twardnieją na skutek
polimeryzacji. Po sklejeniu elementów przeprowadza się ich kontrolę: sprawdza się czystość
sklejania (nie powinno być widocznych pęcherzy, pyłków ani wtrąceń), grubość sklejonych
elementów (musi być zgodna z dokumentacją) oraz w przypadku soczewek – ich ogniskową.

Soczewki kontaktowe

Ta część materiału została wydzielona ze względu na szczególny charakter soczewek

kontaktowych i właściwości, kórymi powinny się wyróżniać. Soczewki kontaktowe stosuje
się obecnie coraz częściej nie tylko w celach korekcyjnych, ale również terapeutyczno-
-leczniczych lub kosmetycznych. Soczewki takie nakładane są bezpośrednio na gałkę oczną,
a więc stykając się z rogówką lub twardówką, muszą posiadać właściwości, które nie są
wymagane w odniesieniu do soczewek okularowych oraz innych elementów optycznych.

Ze względu na wielkość i kształt powierzchni wewnętrznej rozróżnia się trzy

podstawowe rodzaje soczewek kontaktowych:
– soczewki rogówkowe, o średnicy zewnętrznej mniejszej niż średnica rogówki

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

soczewki rogówkowo-twardówkowe, pokrywające rąbek rogówki i część twardówki

– soczewki twardówkowe, zwane nagałkowymi, przykrywające rogówkę i przednią część

twardówki

Rys. 9. Rodzaje soczewek kontaktowych: a) rogówkowe, b) rogówkowo-twardówkowe, c) twardówkowe

[wg Zając M. Optyka okularowa]

W zależności od rodzaju, soczewki te różnią się kształtem powierzchni wewnętrznej. W

przypadku soczewek sferycznych może ona być jednokrzywiznowa lub wielokrzywiznowa.

D – średnica strefy optycznej

Rys. 10. Kształty powierzchni wewnętrznych soczewek kontaktowych: a) jednokrzywiznowa, b)

dwukrzywiznowa, c) trójkrzywiznowa, [Zając M. Optyka okularowa]

Pierwsze soczewki kontaktowe zaczęto wytwarzać w latach 30-tych ub. wieku ze szkła

mineralnego. Były one kruche, a więc niebezpieczne dla oka. W tym czasie wynaleziono
pierwsze tworzywo sztuczne nadające się do celów optycznych – polimetakrylan metylu,
zwany PMMA lub potocznie plexi. Wówczas użyto go do wyrobu soczewek kontaktowych.
Okazały się one dużo lepsze niż szklane. Wyszczególniono cechy, jakie powinny
charakteryzować materiały stosowane na soczewki kontaktowe. Są to:
– parametry optyczne (współczynnik załamania, liczba Abbego, przezroczystość),
– właściwości mechaniczne (elastyczność, wytrzymałość, twardość),
– właściwości powierzchniowe (zwilżalność),
– gazoprzepuszczalność,
– nietoksyczność,
– stabilność kształtu i rozmiarów, bez wzgędu na zmiany temperatury,
– odporność na gromadzenie złogów,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

– możliwość czyszczenia i dezynfekcji,
– niski koszt w produkcji masowej

Parametry optyczne materiałów stosowanych na soczewki kontaktowe powinny być

zbliżone do parametrów optycznych rogówki. Współczynnik załąmania może się zawierać
w granicach od 1,37 do 1,49, a gęstość od 1,10 do 1,18

/ cm

. Materiały te powinny

przepuszczać światło widzialne, czyli dla długości fali w zakresie od 400 do 700 nm.

Stosuje się materiały na soczewki kontaktowe twarde i miękkie. Soczewki twarde

charakteryzują się dużą stabilnością kształtu i wymiarów, natomiast miękkie są elastyczne.
Wszystkie materiały na soczewki kontaktowe powinny pozwalać na zwilżanie powierzchni
rogówki oraz na dostęp do niej tlenu. Jednym z podstawowych parametrów
charakteryzujących soczewki kontaktowe jest współczynnik transmisji tlenu Dk/t,
gdzie Dk – przepuszczalność, a t oznacza grubość soczewki.

Materiały na soczewki kontaktowe dobiera się także w zależności od czasu użytkowania

soczewki czyli od tego, czy soczewka ma być noszona tylko w ciągu dnia, przez cały miesiąc
bez przerwy, czy też ma być używana przez cały rok.

Soczewki twarde wykonuje się z materiałów gazoprzepuszczalnych, o coraz wyższych

parametrach. Najnowsze soczewki twarde, zwane RGP pozwalają na przepływ tlenu
do rogówki w bardzo wysokim stopniu. Dodatkową rolę w dostarczaniu tlenu do rogówki
odgrywa mruganie powiekami, co powoduje ruch soczewki na oku i stałą wymianę filmu
łzowego pod soczewką.

Soczewki miękkie wykonuje się z hydrożelu, czyli uwodnionego polimeru. Zawartość

wody pozwala na dopływ tlenu do rogówki (tlen rozpuszcza się w wodzie i przenikając przez
soczewkę dostaje się do rogówki). Jednak woda wchłania różne zanieczyszczenia, które
przedostają się pod soczewkę i powodują tworzenie się złogów. Z drugiej strony szybkie
odparowywanie wody z soczewki powoduje po pewnym czasie jej wysychanie. Nowszym
rozwiązaniem są soczewki hydrożelowo-silikonowe, które pomimo niskiego uwodnienia mają
wielokrotnie wyższy współczynnik przepuszczalności.

Soczewki kontaktowe wytwarza się różnymi metodami, zależnie od wielkości produkcji.
Jedną z metod jest obróbka skrawaniem. Obie powierzchnie soczewki otrzymuje się

w procesie toczenia, szlifowania i polerowania. Można w ten sposób wykonywać również
soczewki miękkie, ponieważ materiał hydrożelowy przed uwodnieniem jest twardy. Dopiero
po wykonaniu gotowej soczewki i nadaniu jej odpowiedniej gładkości poddaje się ją
uwodnieniu. Na skutek tego procesu soczewka mięknie. Jednak ta metoda nie nadaje się do
produkcji masowej ze względu na dużą czasochłonność i materiałochłonność. Inną metodą
jest odlewanie odśrodkowe, polegające na wykorzystaniu siły odśrodkowej na skutek
wirowania formy z ciekłym monomerem. Kształt powierzchni zewnętrznej odpowiada
dokładnie kształtowi formy, natomiast powierzchnię wewnętrzną otrzymuje się zależnie od
prędkości wirowania oraz lepkości materiału. Po uzyskaniu odpowiedniego kształtu soczewkę
naświetla się promieniami ultrafioletowymi w celu przeprowadzenia polimeryzacji. Soczewki
hydrożelowe poddaje się następnie uwadnianiu. W ten sposób można otrzymać bardzo cienką
soczewkę i uzyskać wysoką gładkość powierzchni wewnętrznej, ale trudno wykonać
dokładnie jej kształt. W tym celu stosuje się trzecią metodę polegającą na tłoczeniu w formie.
Najczęściej są to formy dwuczęściowe plastikowe, jednorazowego użycia. Płynny monomer
jest wlewany do formy, a po jej zamknięciu przepuszcza się przez nią promienie UV lub
podgrzewa, co powoduje polimeryzację, a więc zmianę stanu skupienia z ciekłego na stały.
Soczewki hydrożelowe poddaje się następnie uwodnieniu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 11. Tłoczenie soczewek kontaktowych w formie a) napełnianie formy płynnym monomerem,

b) tłoczenie i polimeryzacja, c) wyjęcie gotowej soczewki z formy

[opracowanie własne na podstawie czasopisma Świat Okularów]

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Co oznacza współczynnik załamania?

Czym jest współczynnik dyspersji?

Jakie surowce wchodzą w skład szkła optycznego?

Jakie wady mogą powstać w szkle podczas wytopu?

Jakie znasz tworzywa sztuczne stosowane w optyce?

W jaki sposób powstaje półfabrykat na soczewkę z tworzywa organicznego?

Jakimi właściwościami charakteryzuje się szkło mineralne?

Jakie właściwości mają tworzywa organiczne?

9. Jakie kleje stosuje się do sklejania materiałów optycznych?

10.

Jakie warunki muszą być spełnione podczas sklejania elementów optycznych?

11. Jakie cechy powinien mieć materiał na soczewki kontaktowe?
12. Jakie są rodzaje soczewek kontaktowych?
13. Jakie są sposoby wytwarzania soczewek kontaktowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeprowadź badanie próbek materiału i oceń ich jakość.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać próbki do badań,
2) zbadać próbkę pod kątem smużystości,
3) zbadać próbkę na obecność pęcherzy i wtrąceń stałych,
4) sprawdzić obecność naprężeń w szkle,
5) ocenić przydatność badanego szkła w elementach optycznych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– próbki do badań,
– cienioskop,
– polaryskop,
– lampa oświetleniowa z kondensorem,
– ciemny ekran,
– poradnik dla ucznia,
– literatura,
– obowiązujące normy materiałowe.

Ćwiczenie 2

Sprawdź sklejone elementy i oceń jakość sklejenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać próbki sklejonych elementów optycznych,
2) dokonać niezbędnych pomiarów (grubość, moc, współosiowość),
3) sprawdzić ich zgodność z założeniami,
4) sprawdzić sklejony zespół na obecność naprężeń,
5) dokładnie obejrzeć sklejone elementy i ocenić jakość sklejenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– próbki do badań,
– przyrządy pomiarowe (suwmiarka, śruba mikrometryczna),
– frontofokometr,
– kolimator,
– polaryskop,
– lampa,
– poradnik dla ucznia,
– literatura.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Oceń właściwości mechaniczne soczewek wykonanych ze szkła mineralnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać soczewki do badań,
2) określić ciężar badanych soczewek,
3) przeprowadzić próbę odporności na ścieranie,
4) przeprowadzić próbę odporności na zarysowanie,
4) zanotować wyniki badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– waga laboratoryjna,
– wata stalowa,
– lupa,
– rysik metalowy,
– lampa biurkowa,
– kartka, mazak,
– poradnik dla ucznia,
– literatura,
–

soczewki ze szkła mineralnego.

Ćwiczenie 4

Oceń właściwości mechaniczne soczewek wykonanych z tworzywa sztucznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

– waga laboratoryjna,
– wata stalowa,
– lupa,
– rysik metalowy,
– lampa biurkowa,
– kartka, mazak,
– poradnik dla ucznia,
– literatura,
–

soczewki z tworzyw sztucznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 5

Porównaj właściwości soczewek wykonanych ze szkła mineralnego i z tworzywa

sztucznego, korzystając z wyników ćwiczeń 3 i 4.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować wyniki badań z ćwiczeń 3 i 4,
2) porównać ciężar badanych soczewek,
3) porównać odporność na ścieranie badanych soczewek,
4) porównać odporność na zarysowanie,
4) wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– wyniki poprzednich badań
– poradnik dla ucznia
– literatura

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić pojęcie współczynnika załamania?

wyjaśnić pojęcie dyspersji?

scharakteryzować całkowite wewnętrzne odbicie?

scharakteryzować szkło mineralne?

określić charakterystyczne cechy tworzyw organicznych?

wyszczególnić wady materiałowe szkła?

określić właściwości klejów do materiałów optycznych?

określić warunki prawidłowego sklejania elementów optycznych?

scharakteryzować materiały na soczewki kontaktowe?

10)

omówić metody wytwarzania soczewek kontaktowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Powłoki cienkowarstwowe, materiały fotochromowe

4.2.1. Materiał nauczania

Powłoki cienkowarstwowe stosuje się do pokrywania powierzchni elementów

optycznych w celu zwiększenia współczynnika odbicia (powłoka lustrzana), zmniejszenia
współczynnika odbicia (powłoka antyrefleksyjna), utwardzenia (powłoka utwardzająca),
ochrony (powłoka hydrofobowa i oleofobowa, a także filtry antyUV), wygaszania odblasków
(filtry polaryzacyjne), zmiany zakresu przepuszczalności (filtry barwne, materiały
fotochromowe). Stosowane są różne metody nanoszenia powłok, zależne od materiału,
grubości, stawianych wymagań, zastosowania.

Powłoka lustrzana

Powłoka lustrzana stosowana jest do pokrywania elementów optycznych, których

powierzchnia powinna odbijać jak największą ilość światła, a więc powinna mieć jak
najwyższy współczynnik odbicia. Do takich elementów należą: zwierciadła zewnętrzne
i wewnętrzne, niektóre pryzmaty odbijające. Powłoki odbijające wewnętrzne uzyskuje się
najczęściej pokrywając powierzchnię szkła warstwą srebra. Istnieją dwie metody pokrywania
szkła srebrem: srebrzenie chemiczne – przez zanurzenie w płynie srebrzącym, oraz
naparowywanie próżniowe – przez wyparowywanie srebra w aparaturze próżniowej. W obu
przypadkach warstwę srebra zabezpiecza się przed zadrapaniem przez pokrycie cienką
warstwą miedzi oraz lakieru bakelitowego z proszkiem aluminiowym. Celem uzyskania
zwierciadła zewnętrznego, najczęściej pokrywa się szkło warstwą aluminium metodą
naparowywania próżniowego, a następnie zabezpiecza się ją warstwą tlenku krzemu, który
po wygrzaniu w wyższej temperaturze utlenia się tworząc dwutlenek krzemu.

Rys. 12. Różne rodzaje zwierciadeł: a) wewnętrzne, b) zewnętrzne [opracowannie własne]

Współczynnik odbicia powłoki srebrowej wynosi 88–92%. Powłoka aluminiowa

z warstwą dwutlenku krzemu ma współczynnik odbicia 86–88%.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Powłoka antyrefleksyjna

Powłoki antyrefleksyjne stosuje się w celu zmniejszenia strat na odbiciach

od powierzchni i po to aby jak największa ilość światła padającego na soczewkę przeszła
przez nią. Znajduje to zastosowanie w wielosoczewkowych układach, gdzie występują duże
straty na odbiciach. Również w odniesieniu do soczewek okularowych, stosowanie powłok
antyrefleksyjnych jest coraz bardziej rozpowszechnione, a dotyczy szczególnie soczewek
wysokoindeksowych, czyli wykonanych z materiału o podwyższonym współczynniku
załamania. Wzór na współczynnik odbicia przytoczono na str.13 i wynika z niego, że

wzrasta

proporcjonalnie

współczynnika

załamania.

Obecnie

dla

soczewek

wysokoindeksowych powłoki antyrefleksyjne stanowią standard wykonawczy. Powłoki
antyrefleksyjne na soczewkach okularowych, poza własnościami użytkowymi (zmniejszenie
odbicia) stanowią również element dekoracyjny. Są to najczęściej powłoki wielowarstwowe,
które zależnie od długości fali światła wygaszonego, dają odbicie resztkowe określonej
barwy.

Na rysunku pokazano schematy różnego rodzaju „niekorzystnych” odbić od powierzchni

soczewek okularowych i rogówki.

Rys. 13. Przykłady wielokrotnych odbić światła od obu powierzchni soczewki okularowej

oraz od powierzchni rogówki [opracowanie wg Vigo – System]

Takie właściwości, które pozwalają na zmniejszenie współczynnika odbicia, wykazuje

powłoka wykonana z materiału o współczynniku załamania niższym niż współczynnik
załamania materiału, z którego wykonano element optyczny (np. fluorek wapnia, fluorek
magnezu i wiele innych). Drugą cechą powłoki antyrefleksyjnej, wynikającą z interferencji
w cienkich warstwach, jest jej grubość równa

λ lub wielokrotności

λ, gdzie λ

odpowiada długości fali. Taka grubość jest warunkiem wygaszenia fal podczas interferencji.
Jeżeli powłoka jest jednowarstwowa, wtedy redukuje odbicia dla określonej długości fali,
natomiast powłoki wielowarstwowe redukują odbicia w znacznie szerszym zakresie widma.
Mówi się o nich, że jest to antyrefleks szerokopasmowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b)

Rys. 14. Wykresy obniżenia stopnia odbicia dla różnych powłok antyrefleksyjnych: a) dla powłoki

jednowarstwowej odbicie wynosi 1,4%, a dla dwuwarstwowej poniżej 0,5% w wąskim zakresie widma,

b) powłoka wielowarstwowa pozwala na obniżenie odbicia w szerokim paśmie [opracowanie na podstawie

czasopisma Świat Okularów]

Powłoki antyrefleksyjne nanosi się metodą naparowywania próżniowego za pomocą dział

elektronowych, ale także coraz częściej stosowanych dział plazmowych i źródeł jonowych.
Najnowsze urządzenia pozwalają na precyzyjną kontrolę grubości nanoszonej powłoki.

Powłoka utwardzająca

Tworzywa organiczne są zdecydowanie mniej odporne na ścieranie i zadrapanie

od szkła mineralnego, więc muszą być poddane utwardzaniu. Istnieje kilka sposobów
utwardzania soczewek organicznych. Pierwszym z nich było próżniowe nanoszenie na
powierzchnię soczewki warstwy utwardzającej na bazie krzemu. Jednak metoda ta nie zdała
egzaminu, ponieważ powłoka była mało odporna mechanicznie, łatwo pękała i łuszczyła się
przy zmianie temperatury. Dużo lepsze wyniki dała metoda utwardzania chemicznego, czyli
pokrywania powierzchni soczewki warstwą lakieru o grubości kilku mikrometrów,
a następnie poddania procesowi polimeryzacji. Lakier do utwardzania jest tworzywem
opartym na polimerach krzemopochodnych (silikonach) i jest dużo twardszy
od podstawowego materiału soczewki. Stosuje się dwie metody nanoszenia lakieru
na powierzchnię soczewki: metodę spinningu i metodę dippingu.

Metoda spinningu polega na nałożeniu kropli lakieru na wirującą soczewkę. Na skutek

działania siły odśrodkowej lakier rozpłynie się po całej powierzchni. Jeśli chcemy utwardzić
całą soczewkę, musimy ją odwrócić i postąpić analogicznie z drugą stroną. Następnie lakier
utwardza się pod wpływem działania promieniowania ultrafioletowego. Metoda ta nie może
być stosowana do utwardzania soczewek dwuogniskowych, ponieważ ich budowa
konstrukcyjna nie pozwala na równomierne rozprowadzenie lakieru na powierzchni
zewnętrznej. Ponieważ obecnie standardem jakościowym jest utwardzanie obustronne
soczewek organicznych, częściej stosuje się metodę dippingu. Polega ona na zanurzeniu całej
soczewki w lakierze, a następnie wygrzewaniu w wysokiej temperaturze, co powoduje
polimeryzację powłoki i jej utwardzenie.

Powłoki utwardzające na soczewkach posiadają właściwości, które pod wieloma

względami podwyższają jakość soczewek. Poza utwardzeniem powierzchni, czyli
zwiększeniem jej odporności na zarysowania i zadrapania, chronią materiał soczewki przed
wpływami czynników atmosferycznych, zabezpieczają barwniki w soczewkach barwionych
chemicznie, podwyższają estetykę soczewek i ułatwiają nanoszenie dodatkowych powłok
uszlachetniających.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Należy nadmienić, że wszystkie sposoby utwardzania tylko wtedy mogą dać

zadowalające wyniki, gdy będą przeprowadzone w odpowiednich warunkach. Należą do nich:
bezwzględna czystość na stanowisku pracy, odpowiednia temperatura i wilgotność powietrza.

Powłoka hydrofobowa i oleofobowa

Powłoka hydrofobowa stosowana jest szczególnie w odniesieniu do soczewek

okularowych i ma na celu ochronę powierzchni przed zawilgoceniem. Powierzchnia pokryta
taką powłoką nie ulega zwilżaniu przez wodę. Powłoki hydrofobowe nanosi się
na powierzchnię soczewki metodą naparowywania próżniowego. Powłoka oleofobowa
również stosowana jest na soczewkach okularowych i ma na celu ułatwienie mycia
i czyszczenia powierzchni soczewek.

Filtry antyUV

Filtry antyUV stosowane są przede wszystkim w soczewkach okularowych, ponieważ ich

zadaniem jest ochrona wzroku przed promienowaniem nadfioletowym.. Mają one na celu
odcięcie promieniowania szkodliwego dla wzroku, a więc obejmującego cały zakres
ultrafioletu, a przepuszczenia tylko części widma do długości fali 420 nm. Szkło mineralne
przeznaczone na soczewki okularowe z założenia odcina część promieniowania UV, jednak w
niedostatecznym stopniu. Aby skutecznie zabezpieczyć wzrok przed szkodliwymi
promieniami, nakłada się na powierzchnię dodatkowy filtr antyUV. Najczęściej jest on
połączony z powłoką antyrefleksyjną i nanoszony na powierzchnię metodą naparowywania
próżniowego. Podobnie nanosi się filtr ochronny antyUV na soczewki organiczne.

Rys. 15. Wykresy transmitancji filtru antyUV i powłoki Blue Blocker

[opracowanie na podstawie czasopisma Świat Okularów]

Filtry polaryzacyjne

Falę świetlną można przedstawić jako drgania przebiegające we wszystkich

płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Światło takie nazywamy
naturalnym lub niespolaryzowanym. Jeżeli na drodze promienia światła naturalnego
ustawimy np. kryształ turmalinu, to po przejściu przez niego drgania będą się odbywać
w jednej wyróżnionej płaszczyźnie. Mówimy wtedy, że światło jest spolaryzowane liniowo.
Podobnie ze zjawiskiem polaryzacji mamy także do czynienia wtedy, gdy światło naturalne
ulega odbiciu od błyszczącej powierzchni. Jednak stopień polaryzacji zależny jest od kąta
padania i od współczynnika załamania ośrodka, na który pada światło. Kąt padania, przy
którym zachodzi maksymalna polaryzacja nosi nazwę kąta Brewstera. Wówczas promień

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

odbity (spolaryzowany) tworzy z promieniem przechodzącym (załamanym) kąt 90°. Kąt
Brewstera zależy od współczynnika załamania ośrodka od którego następuje odbicie, a więc
jest różny dla różnych ośrodków. I tak np. dla wody wynosi 53°, a dla szkła
o współczynniku załamania n = 1,5 ten kąt wynosi 56° .

Polaryzacja ma miejsce tylko wtedy, gdy materiałem odbijającym światło jest ciecz lub

dielektryk. W przypadku odbicia np. od płyty metalowej, światło nie ulegnie polaryzacji.
W praktyce zjawisko polaryzacji można zaobserwować podczas odbicia światła
od powierzchni wody, mokrej szosy, lakierowanego blatu, powierzchni szkła itp. Jednak oko
nie rozróżnia światła naturalnego od spolaryzowanego. Dopiero obserwacja promieni
odbitych przez filtr polaryzacyjny pozwala na stwierdzenie, czy światło jest spolaryzowane.

Podczas całkowitej polaryzacji zachodzi zależność:

Zjawisko polaryzacji podczas odbicia ilustruje poniższy rysunek:

Rys. 16. Polaryzacja światła przy odbiciu od powierzchni dielektryka: 1) promień padający światła

naturalnego, 2) promień odbity – spolaryzowany, 3) promień przechodzący –załamany [opracowanie własne]

Jeżeli na drodze światła spolaryzowanego ustawimy płytkę polaryzacyjną (analizator)

zgodnie z kierunkiem polaryzacji, to światło przez nią przejdzie. Jeśli natomiast polaryzator
skręcimy o

90 , wówczas nastąpi wygaszenie promieni świetlnych.

Płytkę polaryzującą można otrzymać poprzez rozciąganie w jednym kierunku błony

wykonanej z APW (polialkoholu winylowego). Taką błonę wkleja się następnie między dwie
płytki ochronne tworząc filtr polaryzacyjny lub między dwie soczewki, tworząc soczewkę
polaryzacyjną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 17. Budowa soczewki polaryzacyjnej [według czasopisma Izoptyka]

Filtry polaryzacyjne wykorzystuje się w fotografii celem uzyskania wyraźniejszego

obrazu. Soczewki polaryzacyjne stosuje się w okularach przeciwsłonecznych w celu
wygaszenia odblasków np. od mokrej szosy, powierzchni wody itp.

Filtry barwne

W optyce niejednokrotnie poza materiałami bezbarwnymi stosuje się filtry barwne, czyli

elementy przepuszczające światło o określonej długości fali. Mogą to być np. filtry cieplne –
niebieskie, inne filtry barwne, soczewki przeciwsłoneczne zabarwione na szaro, brązowo czy
zielono itp, także soczewki korekcyjne.

Rys. 18. Soczewki barwione w masie: a) dodatnia, b) ujemna [opracowanie własne]

Elementy wykonane ze szkła mineralnego najczęściej barwi się w masie, czyli

do wytopu dodaje się odpowiednie składniki wpływające na kolor otrzymanego szkła.
Natomiast elementy wykonane z tworzyw sztucznych barwi się powierzchniowo – przez
zanurzenie w odpowiednim barwniku. Czas przetrzymywania w kąpieli barwiącej wpływa
na intensywność otrzymanego koloru. W przypadku soczewek korekcyjnych (o zmiennej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

grubości) zabarwienie w masie spowoduje niejednakową intensywność koloru – będzie ona
zależna od grubości soczewki (rys. 18).

Barwienie powierzchniowe zapewnia jednakową intensywność na całej powierzchni

soczewki, bez względu na jej grubość.

Barwienie powierzchniowe przez zanurzenie nosi nazwę barwienia chemicznego. Polega

ono na tym, że barwnik wnika w pory materiału, a więc znajduje się tuż pod jego
powierzchnią. Utwardzanie chemiczne powoduje zasklepianie tych porów. Zwiększa to
trwałość zabarwienia, ale powoduje jego nieodwracalność.

Materiały fotochromowe

Materiały srebrowe, reagujące na stopień intensywności oświetlenia znane były już

bardzo dawno, ale dopiero w latach 60-tych ubiegłego stulecia poczyniono pierwsze próby
zastosowania ich w soczewkach okularowych. Różnica polegała na tym, że halogenki srebra
zawarte w emulsji fotograficznej przyciemniały się pod działaniem światła i był to proces
nieodwracalny. Natomiast soczewki okularowe miały ulegać zaciemnieniu pod wpływem
światła, ale po ustaniu naświetlania wrócić do poprzedniego stanu, czyli rozjaśnić się.

Pierwsze materiały fototropowe stosowane były tylko w soczewkach mineralnych, a ich

jakość pozostawiała wiele do życzenia. Przede wszystkim po zaciemnieniu ponowne
odbarwienie przebiegało bardzo wolno. Tak długi czas reakcji stanowił poważną
niedogodność. Poza tym odbarwienie nie było całkowite, zawsze pozostawało zbarwienie
wstępne. Inną wadą było to, że materiał fototropowy rozłożony był w całej masie szkła,
a więc stopień zaciemnienia był zależny od jego grubości (podobnie jak w przypadku
soczewek barwionych w masie – patrz rys. 18). W związku z tym soczewki okularowe
dodatnie były ciemniejsze w środku, a na brzegach jaśniejsze, natomiast soczewki ujemne
były w środku jaśniejsze, a na brzegach ciemniejsze. Bardzo ważną rzeczą w soczewkach
fototrpowych jest stopień pochłaniania promieniowania UV, ponieważ przy zaciemnionej
soczewce źrenica rozszerza się i przepuszcza więcej promieni do wnętrza oka. Klasyczne
soczewki fototropowe pochłaniają częściowo to szkodliwe promieniowanie, ale
w niedostatecznym stopniu.

a) b) c)

Rys. 19. Soczewka fotochromowa w różnych stadiach zabarwienia: a) odbarwiona – w pomieszczeniu ciemnym,

b) zabarwiona częściowo – przy lekkim nasłonecznieniu, c) zabarwiona mocno – przy silnym nasłonecznieniu

[opracowanie własne]

Obecnie w przeważającej większości stosuje się materiały fototropowe organiczne.

Soczewki fotochromowe nowszej generacji odcinają promieniowanie UV w większym
stopniu, do ok.400 nm. Materiał fototropowy stanowi w nich cienką warstwę leżacą tuż pod
powierzchnią zewnętrzną, co zapewnia równomierne zaciemnienie bez względu na grubość

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

soczewki. Najnowsze soczewki fotochromowe mają materiał światłoczuły rozmieszczony
w całej masie, ale po zaciemnieniu warstwa powierzchniowa blokuje zaciemnianie w głąb
materiału. W związku z tym zaciemnienie jest jednakowe na całej powierzchni soczewki i nie
zależy od jej grubości. Czas reakcji na zmianę oświetlenia uległ znacznemu skróceniu,
co poprawiło komfort stosowania takich okularów. Najnowsze fotochromowe soczewki
organiczne charakteryzują się prawie całkowitym brakiem zabarwienia wstępnego i pełnym
powrotem do stanu wyjściowego.

We wszystkich przypadkach nanoszenia powłok na powierzchnię szkła czy tworzywa,

należy zachować czystość, odpowiednią temperaturę i wilgotność powietrza. Wszystkie te
czynniki mają bardzo poważny wpływ na jakość otrzymanej powłoki, jej działanie i trwałość.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie znasz rodzaje powłok lustrzanych?
2. W jakim celu stosuje się powłoki lustrzane?
3. Jaki jest cel stosowania powłok antyrefleksyjnych?
4. Jakie cechy powinna posiadać powłoka antyrefleksyjna?
5. Jakie znasz rodzaje powłok antyrefleksyjnych?
6. Jakie jest działanie powłoki hydrofobowej?
7. Po co stosuje się powłoki oleofobowe?
8. Jakie warunki muszą być spełnione podczas nanoszenia powłok?
9. Jakimi metodami nanosi się powłoki cienkowarstwowe?

10. W jakim celu stosuje się filtry antyUV?
11. Czym charakteryzuje się światło spolaryzowane?
12. Kiedy następuje polaryzacja światła?
13. Jakie są sposoby barwienia elementów optycznych?
14. Jakie jest działanie materiałów fototropowych?
15. Jakie cechy posiadają najnowsze materiały fototropowe?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj i oceń soczewki barwione w masie – mineralne.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać barwione soczewki mineralne,
2) porównać stopień intensywności zabarwienia różnych soczewek (zerowej, dodatniej,

ujemnej),

3) wyciągnąć wnioski z oględzin.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– biała kartka A4,
– lampa,
– literatura,
–

soczewki barwione w masie – mineralne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj i oceń soczewki barwione powierzchniowo – z tworzyw sztucznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać barwione soczewki z tworzywa sztucznego,
2) porównać stopień intensywności zabarwienia różnych soczewek (zerowej, dodatniej,

ujemnej),

3) wyciągnąć wnioski z oględzin.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– biała kartka A4,
– lampa,
– literatura.
– soczewki barwione powierzchniowo – z tworzyw sztucznych.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj i oceń jakość soczewek fotochromowych mineralnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać soczewki fotochromowe mineralne,
2) pozostawić soczewki w ciemnym miejscu na ok. 10 min.,
3) ocenić stan zabarwienia wstępnego,
4) położyć soczewki na białej kartce w silnie nasłonecznionym miejscu wewnątrz

pomieszczenia,

5) zmierzyć czasy całkowitego zaciemnienia soczewek,
6) zmierzyć temperaturę w miejscu pomiaru,
7) powtórzyć czynności od 2) do 6) z tym, że drugi pomiar wykonać na zewnątrz,
8) zanotować wyniki pomiarów i obserwacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– biała kartka A4,
– termometr,
– literatura,
– soczewki fotochromowe mineralne.

Ćwiczenie 4

Scharakteryzuj i oceń jakość soczewek fotochromowych organicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) pobrać soczewki fotochromowe organiczne,
2) pozostawić soczewki w ciemnym miejscu na ok. 10 min.,
3) ocenić stan zabarwienia wstępnego,
4) położyć soczewki na białej kartce w silnie nasłonecznionym miejscu wewnątrz

pomieszczenia,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

– biała kartka A4,
– termometr,
– literatura,
– soczewki fotochromowe organiczne.

Ćwiczenie 5

Porównaj jakość soczewek fotochromowych mineralnych i organicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować wyniki badań z ćwiczeń 3 i 4,
2) porównać wyniki pomiarów i badań,
3) porównać jakość soczewek mineralnych i organicznych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– wyniki badań i pomiarów z ćwiczeń 3 i 4,
– poradnik dla ucznia,
– literatura.

Ćwiczenie 6

Porównaj światło odbite od błyszczącej powierzchni metalowej płyty i dielektryka

(szklanej szyby).

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) ustawić lampę tak, aby światło odbijało się od metalowej płyty,
2) przeprowadzić obserwację odbitego światła przez filtr polaryzacyjny, obracając go wokół

osi,

3) wymienić metalową płytę na szklaną szybę,
4) przeprowadzić obserwację światła odbitego analogicznie jak w p.2),
5) porównać wyniki obu obserwacji,
6) opisać zachodzące zjawisko i wyciągnąć wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– płyta aluminiowa polerowana formatu min. A3
– szklana szyba polerowana formatu min. A3
– lampa biurkowa
– filtr polaryzacyjny
– kilka kartek, długopis
– literatura.

Uwaga! W pogodny dzień można wykorzystać światło słoneczne zamiast lampy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

rozróżnić powłoki lustrzane wewnętrzne i zewnętrzne?

2) omówić zastosowanie powłok antyrefleksyjnych?

3) określić właściwości powłok antyrefleksyjnych?

4) rozróżnić rodzaje antyrefleksu?

5) omówić metody nakładania powłok utwardzających?

6) wyjaśnić działanie filtru antyUV?

7) wyjaśnić zjawisko polaryzcji?

8) wyjaśnić działanie filtrów polaryzacyjnych?

9) rozróżnić soczewki barwione w masie i powierzchniowo?

10) rozpoznać soczewkę fotochromową?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

Instrukcja dla ucznia

Przeczytaj uważnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

Zadania wymagają prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed wskazaniem
poprawnego wyniku.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

Na rozwiązanie testu masz 60 min.

Powodzenia!

Materiały dla ucznia:

−−−−

instrukcja,

−−−−

zestaw zadań testowych,

−−−−

karta odpowiedzi.

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Masz dwie soczewki o jednakowym kształcie – jedną ze szkła mineralnego, drugą
z tworzywa organicznego. Rozróżnisz je zwracając uwagę na
a)

gładkość powierzchni.

przejrzystość.

zabarwienie.

ciężar.

2. Podstawowym surowcem do wytopu szkła jest

dwutlenek krzemu.

dwutlenek glinu.

węglik wapnia.

tlenek ceru.

3. Temperatura wytapiania szkła wynosi ok.

150°C.

300°C.

800°C.

1500°C.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. Współczynnik załamania mierzy się w

m/s.

km/s.

km/h.

jest liczbą niemianowaną.

5. Liczba Abbego to inaczej

współczynnik załamania.

współczynnik dyspersji.

współczynnik odbicia.

dyspersja średnia.

6. Smużystość w materiałach optycznych wykrywa się za pomocą

refraktometru.

goniometru.

polaryskopu.

cienioskopu.

7. Za pomocą noża diamentowego można przecinać płyty szklane

matowe o grubości do 3 mm.

polerowane o grubości do 6 mm.

matowe o grubości do 6 mm.

polerowane o grubości powyżej 6 mm.

8. Piła tarczowa do szkła to inaczej

tarcza szlifierska.

tarcza polerska.

frez garnkowy.

frez tarczowy.

Najbardziej efektywnym materiałem ściernym do szkła jest
a)

karborund.

diament.

korund.

piasek.

10. Materiałem polerskim do obróbki tworzyw sztucznych jest tlenek

krzemu.

żelaza.

glinu.

ceru.

11.

Tworzywo organiczne stosuje się do wyrobu
a)

pryzmatów w przyrządach wojskowych.

pryzmatów odwracających w lornetkach.

soczewek mikroskopowych.

soczewek okularowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12. Elementy optyczne skleja się w celu

zmniejszenia wymiarów.

zwiększenia ostrości obrazu.

zmniejszenia strat na odbiciach.

uzyskania większej dokładności.

13. Zakres wytrzymałości termicznej kleju do szkła powinien wynosić

od –

do +

od –

do +

od –

do +

od –

do +

14. Utwardzanie chemiczne soczewek z tworzyw sztucznych polega na

naparowaniu warstwy utwardzającej na powierzchnię.

pokryciu powierzchni lakierem silikonowym.

wygrzewniu w piecu elektrycznym.

trzymaniu w niskiej temperaturze.

15. Grubość powłoki antyrefleksyjnej powinna wynosić

¼ długości fali.

½ długości fali.

1 długość fali.

2 długości fali.

16. Materiał powłoki antyrefleksyjnej powinien mieć współczynnik załamania

dużo większy niż materiał soczewki.

niewiele większyniż materiał soczewki.

taki sam jak materiał soczewki.

mniejszy niż materiał soczewki.

17.

W powłokach antyrefleksyjnych wykorzystuje się zjawisko
a)

dyfrakcji.

dyspersji.

polaryzacji.

interferencji.

18. Soczewki polaryzacyjne w okularach stosuje się w celu

wygaszenia odblasków wewnątrz materiału.

wygaszenia promieni odbitych.

przyciemnienia.

rozjaśnienia.

19. Kąt Brewstera to kąt między promieniem

padającym i załamanym przy maksymalnej polaryzacji.

padającym i odbitym przy maksymalnej polaryzacji.

padającym i normalną przy maksymalnej polaryzacji.

odbitym (spolaryzowanym) i załamanym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20. Jeżeli materiał światłoczuły w soczewce fotochromowej mineralnej rozmieszczony jest

w jej całej masie, wtedy
a)

soczewka jest ciemniejsza w środku.

soczewka jest ciemniejsza na brzegach.

stopień zaciemnienia jest zależny od mocy soczewki.

stopień zaciemnienia jest jednakowy na całej powierzchni.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ...............................................................................

Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

Legun Z.: Technologia elementów optycznych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1982

Szczeniowski S.:Fizyka doświadczalna cz.IV Optyka. PWN, Warszawa 1967

Szymański J.: Budowa i montaż aparatury optycznej. WSiP, Warszawa 1985

Wagnerowski T.: Optyka praktyczna. Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa
1961

Zając M.: Optyka okularowa. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2003

Czasopisma:
–

Info

–

Izoptyka

–

Optometria

–

Świat Okularów

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych
MikroanalizaEDS, studia, semestr V, ocana jakosci technicznej materialow i wyrobow, ocena jakośći te
spektralne, studia, semestr V, ocana jakosci technicznej materialow i wyrobow, ocena jakośći technic
ODLEWNICTWO, studia, semestr V, ocana jakosci technicznej materialow i wyrobow, ocena jakośći techni
param. masy form, studia, semestr V, ocana jakosci technicznej materialow i wyrobow, ocena jakośći t
wypalanie kamienia wapiennego oraz ocena jakości produktu – wapna palonego. (3), materiały naukowe
wypalanie kamienia wapiennego oraz ocena jakości produktu – wapna palonego, materiały naukowe do sz
Zastosowanie defektoskopu ultradżwiękowej do oceny ksztatu grafitu, studia, semestr V, ocana jakosci
Sylabus Kontrola Procesw TechnologicznychMiBM TM inz, studia, semestr V, ocana jakosci technicznej m
wypalanie kamienia wapiennego oraz ocena jakości produktu – wapna palonego. (3), materiały naukowe
8 ocena jakości układów regulacji
Ocena bezpieczenstwa stosowania Nieznany
analiza egzamin 2010(1), technologia żywności, analiza i ocena jakości żywności
analiza 02, Studia SGGW, WNoŻ Inżynierskie 2008-2012, Sem IV, Ocena jakości
W 5, dietetyka II rok, analiza i ocena jakości żywności
Analiza i ocena jakości żywności W D 1

więcej podobnych podstron