___________________________________________________________________________
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
ElŜbieta 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”
1
Recenzenci:
dr inŜ. Marcin Leśniewski
dr n. med. Marian Adam Rojek
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. ElŜbieta 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”
2
SPIS TREŚCI
1.
Wprowadzenie
3
2.
Wymagania wstępne
4
3.
Cele kształcenia
5
4.
Materiał nauczania
6
4.1.
Rodzaje materiałów optycznych
6
4.1.1. Materiał nauczania
6
4.1.2. Pytania sprawdzające
17
4.1.3. Ćwiczenia
18
4.1.4. Sprawdzian postępów
20
4.2.
Powłoki cienkowarstwowe, materiały fotochromowe
21
4.2.1. Materiał nauczania
21
4.2.2. Pytania sprawdzające
28
4.2.3. Ćwiczenia
28
4.2.4. Sprawdzian postępów
31
5. Sprawdzian osiągnięć 32
6. Literatura 37
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1.
WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach stosowanych
w optyce, ich właściwościach, wytwarzaniu, sposobach ich badań a takŜe przydatności
zaleŜnie od zastosowania. W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ 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 juŜ 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”
4
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,
–
rozróŜniać elementy optyczne,
–
korzystać z róŜnych źródeł informacji,
–
obsługiwać komputer,
–
współpracować w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
rozróŜnić materiały optyczne,
−
ocenić przydatność materiału optycznego do projektowania elementów optycznych,
−
scharakteryzować surowce stosowane do wytopu szkła optycznego,
−
wyjaśnić metody wytwarzania materiałów optycznych,
−
określić najwaŜniejsze 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 zaleŜności 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 zaleŜnie od jego właściwości,
−
zastosować metody utwardzania tworzyw sztucznych,
−
określić właściwości powłok antyrefleksyjnych,
−
wyjaśnić budowę i działanie filtrów polaryzacyjnych,
−
określić warunki prawidłowego powlekania próŜniowego,
−
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 przeciwpoŜarową i ochroną środowiska.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
4.
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. NaleŜą 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 naleŜą:
– 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 wyraŜający się wzorem:
υ
c
n
=
gdzie:
c – prędkość światła w próŜni
υ
– prędkość światła w danym materiale
Uwaga! Przedstawiony wzór dotyczy tzw. bezwzględnego współczynnika załamania,
czyli mierzonego względem próŜni lub (w przybliŜeniu) powietrza. Współczynnik względny
mierzony jest względem ośrodka, w którym znajduje się dany element (moŜe to być np. szkło
w wodzie) i wtedy wyraŜa się wzorem:
1
2
υ
υ
=
n
gdzie:
2
υ
– prędkość światła w ośrodku otoczenia
1
υ
– prędkość światła w danym materiale
– określony współczynnik dyspersji, czyli tzw. liczba Abbego, wyraŜająca się wzorem:
C
F
D
n
n
n
−
−
=
1
ν
gdzie:
n
D
– współczynnik załamania dla Ŝółtej linii sodu
n
F
– współczynnik załamania dla niebieskiej linii wodoru
n
C
– współczynnik załamania dla czerwonej linii wodoru
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
Światło padając na powierzchnię rozdzielającą ośrodki o róŜnych współczynnikach
załamania (np. powietrze – woda, powietrze – szkło, woda – szkło itp.) ulega częściowemu
odbiciu od tej powierzchni, ale większa część padającego światła przejdzie dalej. JeŜeli
promień świetlny pada na powierzchnię pod kątem większym niŜ
o
0 (rys.1), wówczas ulega
załamaniu. Przechodząc z ośrodka o niŜszym współczynniku załamania do ośrodka
o wyŜszym współczynniku, promień załamuje się do normalnej (kąt załąmania jest mniejszy
od kąta padania). JeŜeli światło przechodzi z ośrodka o wyŜszym współczynniku załamania
do ośrodka o współczynniku niŜszym, wtedy sytuacja jest odwrotna, czyli kąt załamania jest
większy od kąta padania.
−
α
kąt padania
−
β
kąt załamania
Rys. 1. Przechodzenie światła przez granicę dwóch ośrodków: a) z ośrodka rzadszego optycznie do gęstszego
(
α
β
〈
), b) z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego (
〉
β
α
) [opracowanie własne]
W takim przypadku współczynnik załamania moŜna przedstawić takŜe za pomocą wzoru:
β
α
sin
sin
=
n
Jeśli będziemy zwiększać kąt padania światła na powierzchnię łamiącą podczas
przechodzenia z ośrodka gęstszego optycznie (o wyŜszym 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”
8
1
α
– kąt graniczny
Rys. 2. Całkowite wewnętrzne odbicie [opracowanie własne]
Kąt graniczny zaleŜny 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 moŜna równieŜ zmierzyć metodą
pośrednią, mierząc kąty pryzmatu wykonanego z badanego szkła, a następnie obliczając
współczynnik załamania ze wzoru.
Wszystkie materiały stosowane do wytwarzania elementów optycznych moŜna 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
2
) oraz substancji szkłotwórczych, takich jak tlenki:
sodu, potasu, wapnia, boru, glinu, w temperaturze ok.
C
o
1500
. Masę tę poddaje się następnie
przechłodzeniu, aŜ do otrzymania ciała stałego bez krystalizacji, oraz powolnemu studzeniu
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
(odpręŜaniu) 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, poniewaŜ 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. MoŜna je dostrzec przez lupę
w ukośnym oświetleniu na ciemnym tle, a większe nawet okiem nieuzbrojonym. Inne wady
materiałowe to napręŜenia, wykrywalne za pomocą polaryskopu, smuŜystość, którą moŜna
zaobserwować przy uŜyciu cienioskopu oraz zabarwienie nie zawsze dostrzegalne gołym
okiem, ale moŜliwe 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 moŜe 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 Ŝeliwnych (rys. 4) z uŜyciem zawiesiny proszku
szlifierskiego (korundu Al
2
O
3
albo karborundu SiC), a takŜe tarcz szlifierskich, natomiast
polerowanie wykonuje się za pomocą narzędzi z okleiną plastyczną (rys. 5), z uŜyciem tlenku
ceru.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
Rys. 4. Narzędzia Ŝeliwne 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 uŜywa się róŜnych narzędzi, zaleŜnie od grubości przecinanego
bloku i od stanu jego powierzchni. Do cienkich płyt polerowanych o grubości do 6 mm
moŜna uŜywać noŜa diamentowego, płyty grubsze i matowe moŜna przecinać przy uŜyciu
krajaka, przy czym krajak nadaje się równieŜ do cięcia płyt cieńszych. Grube bloki szklane
tnie się przy uŜyciu piły diamentowej do szkła (frezu diamentowego). Do wiercenia w szkle
otworów uŜywa się równieŜ narzędzi zróŜnicowanych, zaleŜnie od srednicy wykonywanego
otworu. Wiertła diamentowe stosuje się do wiercenia bardzo małych otworów – o średnicy
do 3 mm, do większych otworów uŜywa się wierteł spiralnych lub piórkowych z nakładkami
widiowymi, oraz frezów rurkowych. Fazowanie ostrych krawędzi moŜna wykonywać
na tarczach szlifierskich, ale takŜe za pomocą płyt lub czasz Ŝeliwnych z uŜyciem 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”
11
Współczynnik załamania szkła wynosi przeciętnie ok. 1,5, ale zaleŜnie od gatunku szkła
moŜe się wahać w granicach od 1,44 do 1,9. Liczba Abbego równieŜ jest zaleŜna od gatunku
szkła i wynosi od 20,9 do 54 (szkła flintowe) oraz powyŜej 54 do 67,7 (szkła kronowe).
Gęstość szkła mineralnego wynosi od ok. 2,6 do 4 i więcej g/cm
3
, zaleŜnie od gatunku szkła,
przy czym wzrasta ona wraz ze współczynnikiem załamania. RóŜne 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 bliŜy miał podszlifowaną powierzchnię na inny promień krzywizny niŜ
pozostała część soczewki. Współczesne soczewki dwuogniskowe wykonuje się w ten sposób,
Ŝe segment do bliŜy stanowi wtopka o innym współczynniku załamania niŜ cała soczewka
(najczęściej wyŜszym), 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 takŜe trwałe układy powinny być
wykonane
ze
szkła
mineralnego,
które
odpornością
chemiczną,
mechaniczną
i właściwościami optycznymi przewyŜsza materiały organiczne oraz pozwala na duŜo
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 zbliŜonymi 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 duŜe 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
naleŜy np. polimetakrylan metylu (PMMA) czy poliwęglan, natomiast do drugiej CR39,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
poliakryl, poliuretan. Do najnowszej generacji tworzyw sztucznych naleŜy tworzywo
poliuretanowe NXT oraz Trivex, a takŜe Phoenix (PNX).
W tabeli 1 przedstawiono porównanie właściwości niektórych tworzyw sztucznych,
stosowanych w optyce.
Tabela 1.
Materiał
Gęstość g/cm
3
Wsp.załamania n
Liczba Abbego υ
PMMA
1,18
1,50
30
Poliwęglan
1,2
1,5961
31
CR 39
1,32
1,501
58
Trivex
1,11
1,53
43–45
NXT
1,1
1,53
45
PNX
1,12
1,53
43
Jak widać z powyŜszej tabelki, gęstość tworzyw organicznych jest co najmniej
dwukrotnie mniejsza niŜ szkła mineralnego, ale równieŜ niŜsza jest liczba Abbego (poza
CR39). Cały czas trwają prace nad otrzymaniem tworzywa o jak najlepszych parametrach,
czyli względnie wysokim współczynniku załamania i moŜliwie duŜej 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 odpręŜaniu. Druga
metoda (tworzywa termoplastyczne) polega na wtłaczaniu granulowanego polimeru do formy
pod wysokim ciśnieniem, przy uŜyciu wysokiej temperatury. W obu przypadkach produktem
jest bądź gotowa soczewka, bądź półfabrykat, który naleŜy 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) odpręŜanie – podgrzanie
i powolne studzenie, 5) gotowa soczewka lub półprodukt
[opracowanie własne na podstawie czasopisma Świat Okularów]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
JeŜeli 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
róŜne 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 uŜyciem innych materiałów. PoniewaŜ
tworzywa organiczne nie są kruche tak jak szkło, tylko bardziej ciągliwe, naleŜy uwaŜać, aby
podczas blokowania i obróbki nie powstały odkształcenia. Do obróbki zgrubnej stosuje się
frez diamentowy o liczbie ostrzy np. 8. Do szlifowania i polerowania uŜywa się takich
samych maszyn jak do szkła. Narzędzia równieŜ 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 moŜliwie niskiej temperaturze.
Soczewki dwuogniskowe z materiałów organicznych zbudowane są w ten sposób,
Ŝe segment do bliŜy ma inny promień krzywizny niŜ 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 duŜej liczby elementów istnieje wiele
powierzchni łamiących tj. takich, które rozdzielają ośrodki o róŜnych współczynnikach
załamania. Na kaŜdej z tych powierzchni występują straty światła wynikające z odbicia, które
są proporcjonalne do róŜnicy współczynników załamania sąsiadujących ośrodków. Wzór
Fresnela określa współczynnik odbicia:
2
1
2
1
2
+
−
=
n
n
n
n
r
o
Dla powietrza n
1
= 1
Przykładowo dla n = 1,5 współczynnik odbicia względem powietrza r
o
= 4%, a dla
n = 1,7 ten współczynnik wynosi juŜ ok. 6,7%. Im więcej powierzchni styka się z
powietrzem, tym więcej jest strat światła na odbiciach.
Z tego względu w układach złoŜonych 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. RównieŜ 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”
14
Rys. 8. Sklejanie soczewek: a) nałoŜenie 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
o
do +50
o
C)
–
o współczynniku załamania ok. 1,5.
PowyŜsze warunki spełniają kleje naturalne, jak np. balsam jodłowy i balsam jodłowy
plastyfikowany. Coraz częściej stosuje się takŜe kleje syntetyczne. NaleŜą 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 moŜna znaleźć w ksiąŜce Leguna – Technologia elementów optycznych.
Podczas sklejania bardzo waŜne jest zachowanie bezwzględnej czystości, poniewaŜ
najmniejsze zanieczyszczenie powoduje nieprawidłową jakość klejenia. Z tego względu
w pomieszczeniu, gdzie przeprowadza się sklejanie, obowiązują bardzo ścisłe reŜimy
odnośnie zachowania czystości. Powierzchnie przygotowane do sklejania muszą być
odtłuszczone i odkurzone. Dotyczy to zarówno sklejania klejami naturalnymi jak
i syntetycznymi. RóŜnica polega na tym, Ŝe 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, poniewaŜ 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 wyróŜniać. Soczewki kontaktowe stosuje
się obecnie coraz częściej nie tylko w celach korekcyjnych, ale równieŜ 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 rozróŜnia się trzy
podstawowe rodzaje soczewek kontaktowych:
– soczewki rogówkowe, o średnicy zewnętrznej mniejszej niŜ średnica rogówki
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
–
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 zaleŜności od rodzaju, soczewki te róŜnią się kształtem powierzchni wewnętrznej. W
przypadku soczewek sferycznych moŜe 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 uŜyto go do wyrobu soczewek kontaktowych.
Okazały się one duŜo lepsze niŜ 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 (zwilŜalność),
– gazoprzepuszczalność,
– nietoksyczność,
– stabilność kształtu i rozmiarów, bez wzgędu na zmiany temperatury,
– odporność na gromadzenie złogów,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
– moŜliwość czyszczenia i dezynfekcji,
– niski koszt w produkcji masowej
Parametry optyczne materiałów stosowanych na soczewki kontaktowe powinny być
zbliŜone do parametrów optycznych rogówki. Współczynnik załąmania moŜe się zawierać
w granicach od 1,37 do 1,49, a gęstość od 1,10 do 1,18
3
/ cm
g
. 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 duŜą stabilnością kształtu i wymiarów, natomiast miękkie są elastyczne.
Wszystkie materiały na soczewki kontaktowe powinny pozwalać na zwilŜanie 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 takŜe w zaleŜności od czasu uŜytkowania
soczewki czyli od tego, czy soczewka ma być noszona tylko w ciągu dnia, przez cały miesiąc
bez przerwy, czy teŜ ma być uŜywana przez cały rok.
Soczewki twarde wykonuje się z materiałów gazoprzepuszczalnych, o coraz wyŜszych
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 hydroŜelu, 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 róŜne 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 hydroŜelowo-silikonowe, które pomimo niskiego uwodnienia mają
wielokrotnie wyŜszy współczynnik przepuszczalności.
Soczewki kontaktowe wytwarza się róŜnymi metodami, zaleŜnie od wielkości produkcji.
Jedną z metod jest obróbka skrawaniem. Obie powierzchnie soczewki otrzymuje się
w procesie toczenia, szlifowania i polerowania. MoŜna w ten sposób wykonywać równieŜ
soczewki miękkie, poniewaŜ materiał hydroŜelowy 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 duŜą 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 zaleŜnie od
prędkości wirowania oraz lepkości materiału. Po uzyskaniu odpowiedniego kształtu soczewkę
naświetla się promieniami ultrafioletowymi w celu przeprowadzenia polimeryzacji. Soczewki
hydroŜelowe poddaje się następnie uwadnianiu. W ten sposób moŜna 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 uŜycia. 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 hydroŜelowe poddaje się następnie uwodnieniu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
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.
1.
Co oznacza współczynnik załamania?
2.
Czym jest współczynnik dyspersji?
3.
Jakie surowce wchodzą w skład szkła optycznego?
4.
Jakie wady mogą powstać w szkle podczas wytopu?
5.
Jakie znasz tworzywa sztuczne stosowane w optyce?
6.
W jaki sposób powstaje półfabrykat na soczewkę z tworzywa organicznego?
7.
Jakimi właściwościami charakteryzuje się szkło mineralne?
8.
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”
18
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 smuŜystości,
3) zbadać próbkę na obecność pęcherzy i wtrąceń stałych,
4) sprawdzić obecność napręŜeń w szkle,
5) ocenić przydatność badanego szkła w elementach optycznych.
WyposaŜenie 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 załoŜeniami,
4) sprawdzić sklejony zespół na obecność napręŜeń,
5) dokładnie obejrzeć sklejone elementy i ocenić jakość sklejenia.
WyposaŜenie 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”
19
Ćwiczenie 3
Oceń właściwości mechaniczne soczewek wykonanych ze szkła mineralnego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) pobrać soczewki do badań,
2) określić cięŜar badanych soczewek,
3) przeprowadzić próbę odporności na ścieranie,
4) przeprowadzić próbę odporności na zarysowanie,
4) zanotować wyniki badań.
WyposaŜenie 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:
1) pobrać soczewki do badań,
2) określić cięŜar badanych soczewek,
3) przeprowadzić próbę odporności na ścieranie,
4) przeprowadzić próbę odporności na zarysowanie,
4) zanotować wyniki badań.
WyposaŜenie 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”
20
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 cięŜar badanych soczewek,
3) porównać odporność na ścieranie badanych soczewek,
4) porównać odporność na zarysowanie,
4) wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
– wyniki poprzednich badań
– poradnik dla ucznia
– literatura
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wyjaśnić pojęcie współczynnika załamania?
2)
wyjaśnić pojęcie dyspersji?
3)
scharakteryzować całkowite wewnętrzne odbicie?
4)
scharakteryzować szkło mineralne?
5)
określić charakterystyczne cechy tworzyw organicznych?
6)
wyszczególnić wady materiałowe szkła?
7)
określić właściwości klejów do materiałów optycznych?
8)
określić warunki prawidłowego sklejania elementów optycznych?
9)
scharakteryzować materiały na soczewki kontaktowe?
10)
omówić metody wytwarzania soczewek kontaktowych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
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 takŜe filtry antyUV), wygaszania odblasków
(filtry polaryzacyjne), zmiany zakresu przepuszczalności (filtry barwne, materiały
fotochromowe). Stosowane są róŜne metody nanoszenia powłok, zaleŜne 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
najwyŜszy współczynnik odbicia. Do takich elementów naleŜą: 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 próŜniowe – przez wyparowywanie srebra w aparaturze próŜniowej. 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 próŜniowego, a następnie zabezpiecza się ją warstwą tlenku krzemu, który
po wygrzaniu w wyŜszej temperaturze utlenia się tworząc dwutlenek krzemu.
Rys. 12. RóŜne 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”
22
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 duŜe
straty na odbiciach. RównieŜ w odniesieniu do soczewek okularowych, stosowanie powłok
antyrefleksyjnych jest coraz bardziej rozpowszechnione, a dotyczy szczególnie soczewek
wysokoindeksowych, czyli wykonanych z materiału o podwyŜszonym współczynniku
załamania. Wzór na współczynnik odbicia przytoczono na str.13 i wynika z niego, Ŝe
o
r
wzrasta
proporcjonalnie
do
współczynnika
załamania.
Obecnie
dla
soczewek
wysokoindeksowych powłoki antyrefleksyjne stanowią standard wykonawczy. Powłoki
antyrefleksyjne na soczewkach okularowych, poza własnościami uŜytkowymi (zmniejszenie
odbicia) stanowią równieŜ element dekoracyjny. Są to najczęściej powłoki wielowarstwowe,
które zaleŜnie od długości fali światła wygaszonego, dają odbicie resztkowe określonej
barwy.
Na rysunku pokazano schematy róŜnego 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 niŜszym niŜ 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
1
/
4
λ lub wielokrotności
1
/
4
λ, gdzie λ
odpowiada długości fali. Taka grubość jest warunkiem wygaszenia fal podczas interferencji.
JeŜeli powłoka jest jednowarstwowa, wtedy redukuje odbicia dla określonej długości fali,
natomiast powłoki wielowarstwowe redukują odbicia w znacznie szerszym zakresie widma.
Mówi się o nich, Ŝe jest to antyrefleks szerokopasmowy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
a) b)
Rys. 14. Wykresy obniŜenia stopnia odbicia dla róŜnych powłok antyrefleksyjnych: a) dla powłoki
jednowarstwowej odbicie wynosi 1,4%, a dla dwuwarstwowej poniŜej 0,5% w wąskim zakresie widma,
b) powłoka wielowarstwowa pozwala na obniŜenie odbicia w szerokim paśmie [opracowanie na podstawie
czasopisma Świat Okularów]
Powłoki antyrefleksyjne nanosi się metodą naparowywania próŜniowego za pomocą dział
elektronowych, ale takŜe 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 próŜniowe nanoszenie na
powierzchnię soczewki warstwy utwardzającej na bazie krzemu. Jednak metoda ta nie zdała
egzaminu, poniewaŜ powłoka była mało odporna mechanicznie, łatwo pękała i łuszczyła się
przy zmianie temperatury. DuŜo 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 duŜo twardszy
od podstawowego materiału soczewki. Stosuje się dwie metody nanoszenia lakieru
na powierzchnię soczewki: metodę spinningu i metodę dippingu.
Metoda spinningu polega na nałoŜeniu 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 moŜe
być stosowana do utwardzania soczewek dwuogniskowych, poniewaŜ ich budowa
konstrukcyjna nie pozwala na równomierne rozprowadzenie lakieru na powierzchni
zewnętrznej. PoniewaŜ 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 podwyŜszają 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, podwyŜszają estetykę soczewek i ułatwiają nanoszenie dodatkowych powłok
uszlachetniających.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
NaleŜy nadmienić, Ŝe wszystkie sposoby utwardzania tylko wtedy mogą dać
zadowalające wyniki, gdy będą przeprowadzone w odpowiednich warunkach. NaleŜą 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 zwilŜaniu przez wodę. Powłoki hydrofobowe nanosi się
na powierzchnię soczewki metodą naparowywania próŜniowego. Powłoka oleofobowa
równieŜ 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, poniewaŜ 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 załoŜenia 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
próŜniowego. 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 moŜna przedstawić jako drgania przebiegające we wszystkich
płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Światło takie nazywamy
naturalnym lub niespolaryzowanym. JeŜeli na drodze promienia światła naturalnego
ustawimy np. kryształ turmalinu, to po przejściu przez niego drgania będą się odbywać
w jednej wyróŜnionej płaszczyźnie. Mówimy wtedy, Ŝe światło jest spolaryzowane liniowo.
Podobnie ze zjawiskiem polaryzacji mamy takŜe do czynienia wtedy, gdy światło naturalne
ulega odbiciu od błyszczącej powierzchni. Jednak stopień polaryzacji zaleŜny 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”
25
odbity (spolaryzowany) tworzy z promieniem przechodzącym (załamanym) kąt 90°. Kąt
Brewstera zaleŜy od współczynnika załamania ośrodka od którego następuje odbicie, a więc
jest róŜny dla róŜnych 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 moŜna zaobserwować podczas odbicia światła
od powierzchni wody, mokrej szosy, lakierowanego blatu, powierzchni szkła itp. Jednak oko
nie rozróŜnia światła naturalnego od spolaryzowanego. Dopiero obserwacja promieni
odbitych przez filtr polaryzacyjny pozwala na stwierdzenie, czy światło jest spolaryzowane.
Podczas całkowitej polaryzacji zachodzi zaleŜność:
o
90
=
+
ψ
ϕ
Zjawisko polaryzacji podczas odbicia ilustruje poniŜszy 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]
JeŜeli na drodze światła spolaryzowanego ustawimy płytkę polaryzacyjną (analizator)
zgodnie z kierunkiem polaryzacji, to światło przez nią przejdzie. Jeśli natomiast polaryzator
skręcimy o
o
90 , wówczas nastąpi wygaszenie promieni świetlnych.
Płytkę polaryzującą moŜna 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”
26
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, takŜe 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”
27
grubości) zabarwienie w masie spowoduje niejednakową intensywność koloru – będzie ona
zaleŜna 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, Ŝe barwnik wnika w pory materiału, a więc znajduje się tuŜ 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 juŜ
bardzo dawno, ale dopiero w latach 60-tych ubiegłego stulecia poczyniono pierwsze próby
zastosowania ich w soczewkach okularowych. RóŜnica polegała na tym, Ŝe 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 Ŝyczenia. Przede wszystkim po zaciemnieniu ponowne
odbarwienie przebiegało bardzo wolno. Tak długi czas reakcji stanowił powaŜną
niedogodność. Poza tym odbarwienie nie było całkowite, zawsze pozostawało zbarwienie
wstępne. Inną wadą było to, Ŝe materiał fototropowy rozłoŜony był w całej masie szkła,
a więc stopień zaciemnienia był zaleŜny 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 waŜną rzeczą w soczewkach
fototrpowych jest stopień pochłaniania promieniowania UV, poniewaŜ 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 róŜnych stadiach zabarwienia: a) odbarwiona – w pomieszczeniu ciemnym,
b) zabarwiona częściowo – przy lekkim nasłonecznieniu, c) zabarwiona mocno – przy silnym nasłonecznieniu
[opracowanie własne]
Obecnie w przewaŜającej 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 leŜacą tuŜ pod
powierzchnią zewnętrzną, co zapewnia równomierne zaciemnienie bez względu na grubość
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
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
zaleŜy 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,
naleŜy zachować czystość, odpowiednią temperaturę i wilgotność powietrza. Wszystkie te
czynniki mają bardzo powaŜny 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 róŜnych soczewek (zerowej, dodatniej,
ujemnej),
3) wyciągnąć wnioski z oględzin.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
– biała kartka A4,
– lampa,
– literatura,
–
soczewki barwione w masie – mineralne.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
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 róŜnych soczewek (zerowej, dodatniej,
ujemnej),
3) wyciągnąć wnioski z oględzin.
WyposaŜenie 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) połoŜyć 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, Ŝe drugi pomiar wykonać na zewnątrz,
8) zanotować wyniki pomiarów i obserwacji.
WyposaŜenie 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) połoŜyć soczewki na białej kartce w silnie nasłonecznionym miejscu wewnątrz
pomieszczenia,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
5) zmierzyć czasy całkowitego zaciemnienia soczewek,
6) zmierzyć temperaturę w miejscu pomiaru,
7) powtórzyć czynności od 2) do 6) z tym, Ŝe drugi pomiar wykonać na zewnątrz,
8) zanotować wyniki pomiarów i obserwacji.
WyposaŜenie 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.
WyposaŜenie 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.
WyposaŜenie 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 moŜna wykorzystać światło słoneczne zamiast lampy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
rozróŜnić powłoki lustrzane wewnętrzne i zewnętrzne?
2) omówić zastosowanie powłok antyrefleksyjnych?
3) określić właściwości powłok antyrefleksyjnych?
4) rozróŜnić rodzaje antyrefleksu?
5) omówić metody nakładania powłok utwardzających?
6) wyjaśnić działanie filtru antyUV?
7) wyjaśnić zjawisko polaryzcji?
8) wyjaśnić działanie filtrów polaryzacyjnych?
9) rozróŜnić soczewki barwione w masie i powierzchniowo?
10) rozpoznać soczewkę fotochromową?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
Instrukcja dla ucznia
1.
Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.
Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.
Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.
Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5.
Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
6.
Zadania wymagają prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed wskazaniem
poprawnego wyniku.
7.
Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8.
Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
9.
Na rozwiązanie testu masz 60 min.
Powodzenia!
Materiały dla ucznia:
−−−−
instrukcja,
−−−−
zestaw zadań testowych,
−−−−
karta odpowiedzi.
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1.
Masz dwie soczewki o jednakowym kształcie – jedną ze szkła mineralnego, drugą
z tworzywa organicznego. RozróŜnisz je zwracając uwagę na
a)
gładkość powierzchni.
b)
przejrzystość.
c)
zabarwienie.
d)
cięŜar.
2. Podstawowym surowcem do wytopu szkła jest
a)
dwutlenek krzemu.
b)
dwutlenek glinu.
c)
węglik wapnia.
d)
tlenek ceru.
3. Temperatura wytapiania szkła wynosi ok.
a)
150°C.
b)
300°C.
c)
800°C.
d)
1500°C.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4. Współczynnik załamania mierzy się w
a)
m/s.
b)
km/s.
c)
km/h.
d)
jest liczbą niemianowaną.
5. Liczba Abbego to inaczej
a)
współczynnik załamania.
b)
współczynnik dyspersji.
c)
współczynnik odbicia.
d)
dyspersja średnia.
6. SmuŜystość w materiałach optycznych wykrywa się za pomocą
a)
refraktometru.
b)
goniometru.
c)
polaryskopu.
d)
cienioskopu.
7. Za pomocą noŜa diamentowego moŜna przecinać płyty szklane
a)
matowe o grubości do 3 mm.
b)
polerowane o grubości do 6 mm.
c)
matowe o grubości do 6 mm.
d)
polerowane o grubości powyŜej 6 mm.
8. Piła tarczowa do szkła to inaczej
a)
tarcza szlifierska.
b)
tarcza polerska.
c)
frez garnkowy.
d)
frez tarczowy.
9.
Najbardziej efektywnym materiałem ściernym do szkła jest
a)
karborund.
b)
diament.
c)
korund.
d)
piasek.
10. Materiałem polerskim do obróbki tworzyw sztucznych jest tlenek
a)
krzemu.
b)
Ŝelaza.
c)
glinu.
d)
ceru.
11.
Tworzywo organiczne stosuje się do wyrobu
a)
pryzmatów w przyrządach wojskowych.
b)
pryzmatów odwracających w lornetkach.
c)
soczewek mikroskopowych.
d)
soczewek okularowych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
12. Elementy optyczne skleja się w celu
a)
zmniejszenia wymiarów.
b)
zwiększenia ostrości obrazu.
c)
zmniejszenia strat na odbiciach.
d)
uzyskania większej dokładności.
13. Zakres wytrzymałości termicznej kleju do szkła powinien wynosić
a)
od –
C
o
10
do +
C
o
50
.
b)
od –
C
o
40
do +
C
o
50
.
c)
od –
C
o
10
do +
C
o
20
.
d)
od –
C
o
40
do +
C
o
80
.
14. Utwardzanie chemiczne soczewek z tworzyw sztucznych polega na
a)
naparowaniu warstwy utwardzającej na powierzchnię.
b)
pokryciu powierzchni lakierem silikonowym.
c)
wygrzewniu w piecu elektrycznym.
d)
trzymaniu w niskiej temperaturze.
15. Grubość powłoki antyrefleksyjnej powinna wynosić
a)
¼ długości fali.
b)
½ długości fali.
c)
1 długość fali.
d)
2 długości fali.
16. Materiał powłoki antyrefleksyjnej powinien mieć współczynnik załamania
a)
duŜo większy niŜ materiał soczewki.
b)
niewiele większyniŜ materiał soczewki.
c)
taki sam jak materiał soczewki.
d)
mniejszy niŜ materiał soczewki.
17.
W powłokach antyrefleksyjnych wykorzystuje się zjawisko
a)
dyfrakcji.
b)
dyspersji.
c)
polaryzacji.
d)
interferencji.
18. Soczewki polaryzacyjne w okularach stosuje się w celu
a)
wygaszenia odblasków wewnątrz materiału.
b)
wygaszenia promieni odbitych.
c)
przyciemnienia.
d)
rozjaśnienia.
19. Kąt Brewstera to kąt między promieniem
a)
padającym i załamanym przy maksymalnej polaryzacji.
b)
padającym i odbitym przy maksymalnej polaryzacji.
c)
padającym i normalną przy maksymalnej polaryzacji.
d)
odbitym (spolaryzowanym) i załamanym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
20. JeŜeli materiał światłoczuły w soczewce fotochromowej mineralnej rozmieszczony jest
w jej całej masie, wtedy
a)
soczewka jest ciemniejsza w środku.
b)
soczewka jest ciemniejsza na brzegach.
c)
stopień zaciemnienia jest zaleŜny od mocy soczewki.
d)
stopień zaciemnienia jest jednakowy na całej powierzchni.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko ...............................................................................
Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr zadania
Odpowiedź
Punkty
1
a
b
c
d
2
a
b
c
d
3
a
b
c
d
4
a
b
c
d
5
a
b
c
d
6
a
b
c
d
7
a
b
c
d
8
a
b
c
d
9
a
b
c
d
10
a
b
c
d
11
a
b
c
d
12
a
b
c
d
13
a
b
c
d
14
a
b
c
d
15
a
b
c
d
16
a
b
c
d
17
a
b
c
d
18
a
b
c
d
19
a
b
c
d
20
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
6. LITERATURA
1.
Legun Z.: Technologia elementów optycznych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1982
2.
Szczeniowski S.:Fizyka doświadczalna cz.IV Optyka. PWN, Warszawa 1967
3.
Szymański J.: Budowa i montaŜ aparatury optycznej. WSiP, Warszawa 1985
4.
Wagnerowski T.: Optyka praktyczna. Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa
1961
5.
Zając M.: Optyka okularowa. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2003
Czasopisma:
–
Info
–
Izoptyka
–
Optometria
–
Świat Okularów