MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
El\
bieta 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 in\
. Marcin Leśniewski
dr n. med. Marian Adam Rojek
Opracowanie redakcyjne:
mgr in\
. El\
bieta 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
1
SPIS TREÅšCI
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 sprawdzajÄ…ce 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 sprawdzajÄ…ce 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
2
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach stosowanych
w optyce, ich właściwościach, wytwarzaniu, sposobach ich badań a tak\
e przydatności
zale\
nie od zastosowania. W poradniku zamieszczono:
 wymagania wstępne  wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć ju\
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 ju\
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.
322[16].Z2
Optyka
322[16].Z2.02
322[16].Z2.01
Projektowanie elementów
Ocena jakości i stosowanie
i układów optycznych
materiałów optycznych
322[16].Z2.03
Stosowanie urządzeń,
przyrządów optycznych
i optoelektronicznych.
Schemat układu jednostek modułowych
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
2. WYMAGANIA WST
PNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
 stosować jednostki układu SI,
 przeliczać jednostki,
 określać właściwości i parametry materiałów optycznych,
 wyjaśniać podstawowe zjawiska optyczne,
 rozró\
niać elementy optyczne,
 korzystać z ró\
nych z
ródeł informacji,
 obsługiwać komputer,
 współpracować w grupie.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
3. CELE KSZTAA
CENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- rozró\
nić materiały optyczne,
- ocenić przydatność materiału optycznego do projektowania elementów optycznych,
- scharakteryzować surowce stosowane do wytopu szkła optycznego,
- wyjaśnić metody wytwarzania materiałów optycznych,
- określić najwa\
niejsze 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 zale\
ności 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 zale\
nie od jego właściwości,
- zastosować metody utwardzania tworzyw sztucznych,
- określić właściwości powłok antyrefleksyjnych,
- wyjaśnić budowę i działanie filtrów polaryzacyjnych,
- określić warunki prawidłowego powlekania pró\
niowego,
- 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,
ochronÄ… przeciwpo\
arową i ochroną środowiska.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
4. MATERIAA
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. Nale\
Ä… 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 nale\
Ä…:
 przezroczystość, czyli przepuszczalność światła w całym zakresie widma widzialnego,
bÄ…dz
w jego części.
 jednorodność, czyli takie same właściwości optyczne w całej masie materiału.
 określony współczynnik załamania wyra\
ajÄ…cy siÄ™ wzorem:
c
n =
Å
gdzie:
c  prędkość światła w pró\
ni
Å  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚a w danym materiale
Uwaga! Przedstawiony wzór dotyczy tzw. bezwzględnego współczynnika załamania,
czyli mierzonego względem pró\
ni lub (w przybli\
eniu) powietrza. Współczynnik względny
mierzony jest względem ośrodka, w którym znajduje się dany element (mo\
e to być np. szkło
w wodzie) i wtedy wyra\
a siÄ™ wzorem:
Å2
n =
Å1
gdzie:
Å2  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚a w oÅ›rodku otoczenia
Å1  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚a w danym materiale
 określony współczynnik dyspersji, czyli tzw. liczba Abbego, wyra\
ajÄ…ca siÄ™ wzorem:
nD -1
½ =
nF - nC
gdzie:
nD  współczynnik załamania dla \
ółtej linii sodu
nF  współczynnik załamania dla niebieskiej linii wodoru
nC współczynnik załamania dla czerwonej linii wodoru
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
Światło padając na powierzchnię rozdzielającą ośrodki o ró\
nych współczynnikach
załamania (np. powietrze  woda, powietrze  szkło, woda  szkło itp.) ulega częściowemu
odbiciu od tej powierzchni, ale większa część padającego światła przejdzie dalej. Je\
eli
promień świetlny pada na powierzchnię pod kątem większym ni\
0o (rys.1), wówczas ulega
załamaniu. Przechodząc z ośrodka o ni\
szym współczynniku załamania do ośrodka
o wy\
szym współczynniku, promień załamuje się do normalnej (kąt załąmania jest mniejszy
od kÄ…ta padania). Je\
eli światło przechodzi z ośrodka o wy\
szym współczynniku załamania
do ośrodka o współczynniku ni\
szym, wtedy sytuacja jest odwrotna, czyli kąt załamania jest
większy od kąta padania.
Ä… - kÄ…t padania
² - kÄ…t zaÅ‚amania
Rys. 1. Przechodzenie światła przez granicę dwóch ośrodków: a) z ośrodka rzadszego optycznie do gęstszego
( ² )#Ä… ), b) z oÅ›rodka gÄ™stszego optycznie do rzadszego ( ² *# Ä… ) [opracowanie wÅ‚asne]
W takim przypadku współczynnik załamania mo\
na przedstawić tak\
e za pomocÄ… wzoru:
sinÄ…
n =
sin ²
Jeśli będziemy zwiększać kąt padania światła na powierzchnię łamiącą podczas
przechodzenia z ośrodka gęstszego optycznie (o wy\
szym 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
7
Ä…1  kÄ…t graniczny
Rys. 2. Całkowite wewnętrzne odbicie [opracowanie własne]
KÄ…t graniczny zale\
ny 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 mo\
na równie\
zmierzyć metodą
pośrednią, mierząc kąty pryzmatu wykonanego z badanego szkła, a następnie obliczając
współczynnik załamania ze wzoru.
Wszystkie materiały stosowane do wytwarzania elementów optycznych mo\
na 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 SiO2) oraz substancji szkłotwórczych, takich jak tlenki:
sodu, potasu, wapnia, boru, glinu, w temperaturze ok.1500oC . Masę tę poddaje się następnie
przechłodzeniu, a\
do otrzymania ciała stałego bez krystalizacji, oraz powolnemu studzeniu
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
(odprÄ™\
aniu) do temperatury otoczenia. Otrzymuje się ciało bezpostaciowe, nie wykazujące
uporzÄ…dkowanej budowy sieciowej, charakteryzujÄ…cej np. metale.
Do wytapiania szkła optycznego konieczne jest zachowanie ścisłych proporcji wagowych
wszystkich składników, poniewa\
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. Mo\
na je dostrzec przez lupÄ™
w ukośnym oświetleniu na ciemnym tle, a większe nawet okiem nieuzbrojonym. Inne wady
materiałowe to naprę\
enia, wykrywalne za pomocÄ… polaryskopu, smu\
ystość, którą mo\
na
zaobserwować przy u\
yciu cienioskopu oraz zabarwienie nie zawsze dostrzegalne gołym
okiem, ale mo\
liwe do wykrycia za pomocÄ… przyrzÄ…du do pomiaru transmitancji. IstniejÄ…
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 mo\
e 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 \
eliwnych (rys. 4) z u\
yciem zawiesiny proszku
szlifierskiego (korundu Al2O3 albo karborundu SiC), a tak\
e tarcz szlifierskich, natomiast
polerowanie wykonuje się za pomocą narzędzi z okleiną plastyczną (rys. 5), z u\
yciem tlenku
ceru.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
Rys. 4. Narzędzia \
eliwne 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 u\
ywa się ró\
nych narzędzi, zale\
nie od grubości przecinanego
bloku i od stanu jego powierzchni. Do cienkich płyt polerowanych o grubości do 6 mm
mo\
na u\
ywać no\
a diamentowego, płyty grubsze i matowe mo\
na przecinać przy u\
yciu
krajaka, przy czym krajak nadaje się równie\
do cięcia płyt cieńszych. Grube bloki szklane
tnie siÄ™ przy u\
yciu piły diamentowej do szkła (frezu diamentowego). Do wiercenia w szkle
otworów u\
ywa się równie\
narzędzi zró\
nicowanych, zale\
nie od srednicy wykonywanego
otworu. Wiertła diamentowe stosuje się do wiercenia bardzo małych otworów  o średnicy
do 3 mm, do większych otworów u\
ywa się wierteł spiralnych lub piórkowych z nakładkami
widiowymi, oraz frezów rurkowych. Fazowanie ostrych krawędzi mo\
na wykonywać
na tarczach szlifierskich, ale tak\
e za pomocą płyt lub czasz \
eliwnych z u\
yciem 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
10
Współczynnik załamania szkła wynosi przeciętnie ok. 1,5, ale zale\
nie od gatunku szkła
mo\
e się wahać w granicach od 1,44 do 1,9. Liczba Abbego równie\
jest zale\
na od gatunku
szkła i wynosi od 20,9 do 54 (szkła flintowe) oraz powy\
ej 54 do 67,7 (szkła kronowe).
Gęstość szkła mineralnego wynosi od ok. 2,6 do 4 i więcej g/cm3, zale\
nie od gatunku szkła,
przy czym wzrasta ona wraz ze współczynnikiem załamania. Ró\
ne gatunki szkła optycznego
zebrane sÄ… w katalogach i oznaczone symbolami.
Bardzo ciekawÄ… rzecz stanowi wytwarzanie soczewek dwuogniskowych (bifokalnych) ze
szkła mineralnego. Dawniej soczewki dwuogniskowe wykonywano z jednego kawałka szkła,
w którym segment do bli\
y miał podszlifowaną powierzchnię na inny promień krzywizny ni\

pozostała część soczewki. Współczesne soczewki dwuogniskowe wykonuje się w ten sposób,
\
e segment do bli\
y stanowi wtopka o innym współczynniku załamania ni\
cała soczewka
(najczęściej wy\
szym), 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 tak\
e trwałe układy powinny być
wykonane ze szkła mineralnego, które odpornością chemiczną, mechaniczną
i właściwościami optycznymi przewy\
sza materiały organiczne oraz pozwala na du\
o
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 zbli\
onymi 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 du\
e znaczenie.
Tworzywa sztuczne są polimerami, czyli wielocząsteczkowymi związkami powstałymi
w wyniku polimeryzacji monomeru na skutek wygrzewania w specjalnym piecu. Polimery
dzielÄ… siÄ™ na dwie grupy: tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne. Do pierwszej grupy
nale\
y np. polimetakrylan metylu (PMMA) czy poliwęglan, natomiast do drugiej CR39,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
poliakryl, poliuretan. Do najnowszej generacji tworzyw sztucznych nale\
y tworzywo
poliuretanowe NXT oraz Trivex, a tak\
e Phoenix (PNX).
W tabeli 1 przedstawiono porównanie właściwości niektórych tworzyw sztucznych,
stosowanych w optyce.
Tabela 1.
MateriaÅ‚ GÄ™stość g/cm3 Wsp.zaÅ‚amania n Liczba Abbego Å
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 powy\
szej tabelki, gęstość tworzyw organicznych jest co najmniej
dwukrotnie mniejsza ni\
szkła mineralnego, ale równie\
ni\
sza jest liczba Abbego (poza
CR39). Cały czas trwają prace nad otrzymaniem tworzywa o jak najlepszych parametrach,
czyli względnie wysokim współczynniku załamania i mo\
liwie du\
ej 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 odprę\
aniu. Druga
metoda (tworzywa termoplastyczne) polega na wtłaczaniu granulowanego polimeru do formy
pod wysokim ciśnieniem, przy u\
yciu wysokiej temperatury. W obu przypadkach produktem
jest bÄ…dz
gotowa soczewka, bÄ…dz
półfabrykat, który nale\
y 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) odprę\
anie  podgrzanie
i powolne studzenie, 5) gotowa soczewka lub półprodukt
[opracowanie własne na podstawie czasopisma Świat Okularów]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
Je\
eli 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
ró\
ne 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 u\
yciem innych materiałów. Poniewa\

tworzywa organiczne nie są kruche tak jak szkło, tylko bardziej ciągliwe, nale\
y uwa\
ać, aby
podczas blokowania i obróbki nie powstały odkształcenia. Do obróbki zgrubnej stosuje się
frez diamentowy o liczbie ostrzy np. 8. Do szlifowania i polerowania u\
ywa siÄ™ takich
samych maszyn jak do szkła. Narzędzia równie\
sÄ… takie same, tylko nakleja siÄ™ 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 mo\
liwie niskiej temperaturze.
Soczewki dwuogniskowe z materiałów organicznych zbudowane są w ten sposób,
\
e segment do bli\
y ma inny promień krzywizny ni\
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 du\
ej liczby elementów istnieje wiele
powierzchni łamiących tj. takich, które rozdzielają ośrodki o ró\
nych współczynnikach
załamania. Na ka\
dej z tych powierzchni występują straty światła wynikające z odbicia, które
są proporcjonalne do ró\
nicy współczynników załamania sąsiadujących ośrodków. Wzór
Fresnela określa współczynnik odbicia:
2
ëÅ‚ - n1
öÅ‚
n2
ro = ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
n2 + n1
íÅ‚ Å‚Å‚
Dla powietrza n1 = 1
Przykładowo dla n = 1,5 współczynnik odbicia względem powietrza ro = 4%, a dla
n = 1,7 ten współczynnik wynosi ju\
ok. 6,7%. Im więcej powierzchni styka się z
powietrzem, tym więcej jest strat światła na odbiciach.
Z tego względu w układach zło\
onych 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. Równie\
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
13
Rys. 8. Sklejanie soczewek: a) nało\
enie 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-40o do +50oC)
 o współczynniku załamania ok. 1,5.
Powy\
sze warunki spełniają kleje naturalne, jak np. balsam jodłowy i balsam jodłowy
plastyfikowany. Coraz częściej stosuje się tak\
e kleje syntetyczne. Nale\
Ä… 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 mo\
na znalez
ć w ksią\
ce Leguna  Technologia elementów optycznych.
Podczas sklejania bardzo wa\
ne jest zachowanie bezwzględnej czystości, poniewa\

najmniejsze zanieczyszczenie powoduje nieprawidłową jakość klejenia. Z tego względu
w pomieszczeniu, gdzie przeprowadza się sklejanie, obowiązują bardzo ścisłe re\
imy
odnośnie zachowania czystości. Powierzchnie przygotowane do sklejania muszą być
odtłuszczone i odkurzone. Dotyczy to zarówno sklejania klejami naturalnymi jak
i syntetycznymi. Ró\
nica polega na tym, \
e podczas sklejania balsamem elementy sklejane
muszÄ… być ogrzane do temperatury ok. 150°, a po sklejeniu i wycentrowaniu pozostawione do
ostygnięcia. Kleje syntetyczne nie wymagają podgrzewania, poniewa\
twardniejÄ… 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 wyró\
niać. Soczewki kontaktowe stosuje
się obecnie coraz częściej nie tylko w celach korekcyjnych, ale równie\
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 rozró\
nia siÄ™ trzy
podstawowe rodzaje soczewek kontaktowych:
 soczewki rogówkowe, o średnicy zewnętrznej mniejszej ni\
średnica rogówki
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
 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 ZajÄ…c M. Optyka okularowa]
W zale\
ności od rodzaju, soczewki te ró\
nią się kształtem powierzchni wewnętrznej. W
przypadku soczewek sferycznych mo\
e 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 u\
yto go do wyrobu soczewek kontaktowych.
Okazały się one du\
o lepsze ni\
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 (zwil\
alność),
 gazoprzepuszczalność,
 nietoksyczność,
 stabilność kształtu i rozmiarów, bez wzgędu na zmiany temperatury,
 odporność na gromadzenie złogów,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
 mo\
liwość czyszczenia i dezynfekcji,
 niski koszt w produkcji masowej
Parametry optyczne materiałów stosowanych na soczewki kontaktowe powinny być
zbli\
one do parametrów optycznych rogówki. Współczynnik załąmania mo\
e się zawierać
w granicach od 1,37 do 1,49, a gęstość od 1,10 do 1,18 g / cm3 . 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
charakteryzujÄ… siÄ™ du\
ą stabilnością kształtu i wymiarów, natomiast miękkie są elastyczne.
Wszystkie materiały na soczewki kontaktowe powinny pozwalać na zwil\
anie 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 tak\
e w zale\
ności od czasu u\
ytkowania
soczewki czyli od tego, czy soczewka ma być noszona tylko w ciągu dnia, przez cały miesiąc
bez przerwy, czy te\
ma być u\
ywana przez cały rok.
Soczewki twarde wykonuje się z materiałów gazoprzepuszczalnych, o coraz wy\
szych
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
Å‚zowego pod soczewkÄ….
Soczewki miękkie wykonuje się z hydro\
elu, 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 ró\
ne 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
rozwiÄ…zaniem sÄ… soczewki hydro\
elowo-silikonowe, które pomimo niskiego uwodnienia mają
wielokrotnie wy\
szy współczynnik przepuszczalności.
Soczewki kontaktowe wytwarza się ró\
nymi metodami, zale\
nie od wielkości produkcji.
Jedną z metod jest obróbka skrawaniem. Obie powierzchnie soczewki otrzymuje się
w procesie toczenia, szlifowania i polerowania. Mo\
na w ten sposób wykonywać równie\

soczewki miękkie, poniewa\
materiał hydro\
elowy 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 du\
ą 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 zale\
nie od
prędkości wirowania oraz lepkości materiału. Po uzyskaniu odpowiedniego kształtu soczewkę
naświetla się promieniami ultrafioletowymi w celu przeprowadzenia polimeryzacji. Soczewki
hydro\
elowe poddaje się następnie uwadnianiu. W ten sposób mo\
na 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 u\
ycia. PÅ‚ynny 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 hydro\
elowe poddaje się następnie uwodnieniu.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
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 sprawdzajÄ…ce
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 sÄ… rodzaje soczewek kontaktowych?
13. Jakie sÄ… sposoby wytwarzania soczewek kontaktowych?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Przeprowadz
badanie próbek materiału i oceń ich jakość.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) pobrać próbki do badań,
2) zbadać próbkę pod kątem smu\
ystości,
3) zbadać próbkę na obecność pęcherzy i wtrąceń stałych,
4) sprawdzić obecność naprę\
eń w szkle,
5) ocenić przydatność badanego szkła w elementach optycznych.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 próbki do badań,
 cienioskop,
 polaryskop,
 lampa oświetleniowa z kondensorem,
 ciemny ekran,
 poradnik dla ucznia,
 literatura,
 obowiązujące normy materiałowe.
Ćwiczenie 2
Sprawdz
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 zało\
eniami,
4) sprawdzić sklejony zespół na obecność naprę\
eń,
5) dokładnie obejrzeć sklejone elementy i ocenić jakość sklejenia.
Wyposa\
enie 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
18
Ćwiczenie 3
Oceń właściwości mechaniczne soczewek wykonanych ze szkła mineralnego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) pobrać soczewki do badań,
2) określić cię\
ar badanych soczewek,
3) przeprowadzić próbę odporności na ścieranie,
4) przeprowadzić próbę odporności na zarysowanie,
4) zanotować wyniki badań.
Wyposa\
enie 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 cię\
ar badanych soczewek,
3) przeprowadzić próbę odporności na ścieranie,
4) przeprowadzić próbę odporności na zarysowanie,
4) zanotować wyniki badań.
Wyposa\
enie 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
19
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 cię\
ar badanych soczewek,
3) porównać odporność na ścieranie badanych soczewek,
4) porównać odporność na zarysowanie,
4) wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.
Wyposa\
enie 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
20
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 tak\
e filtry antyUV), wygaszania odblasków
(filtry polaryzacyjne), zmiany zakresu przepuszczalności (filtry barwne, materiały
fotochromowe). Stosowane są ró\
ne metody nanoszenia powłok, zale\
ne 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
najwy\
szy współczynnik odbicia. Do takich elementów nale\
ą: 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 pró\
niowe  przez wyparowywanie srebra w aparaturze pró\
niowej. W obu
przypadkach warstwÄ™ srebra zabezpiecza siÄ™ przed zadrapaniem przez pokrycie cienkÄ…
warstwÄ… miedzi oraz lakieru bakelitowego z proszkiem aluminiowym. Celem uzyskania
zwierciadła zewnętrznego, najczęściej pokrywa się szkło warstwą aluminium metodą
naparowywania pró\
niowego, a następnie zabezpiecza się ją warstwą tlenku krzemu, który
po wygrzaniu w wy\
szej temperaturze utlenia siÄ™ tworzÄ…c dwutlenek krzemu.
Rys. 12. Ró\
ne 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
21
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 du\
e
straty na odbiciach. Równie\
w odniesieniu do soczewek okularowych, stosowanie powłok
antyrefleksyjnych jest coraz bardziej rozpowszechnione, a dotyczy szczególnie soczewek
wysokoindeksowych, czyli wykonanych z materiału o podwy\
szonym współczynniku
załamania. Wzór na współczynnik odbicia przytoczono na str.13 i wynika z niego, \
e ro
wzrasta proporcjonalnie do współczynnika załamania. Obecnie dla soczewek
wysokoindeksowych powłoki antyrefleksyjne stanowią standard wykonawczy. Powłoki
antyrefleksyjne na soczewkach okularowych, poza własnościami u\
ytkowymi (zmniejszenie
odbicia) stanowią równie\
element dekoracyjny. Są to najczęściej powłoki wielowarstwowe,
które zale\
nie od długości fali światła wygaszonego, dają odbicie resztkowe określonej
barwy.
Na rysunku pokazano schematy ró\
nego 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 ni\
szym ni\
współczynnik
załamania materiału, z którego wykonano element optyczny (np. fluorek wapnia, fluorek
magnezu i wiele innych). Drugą cechą powłoki antyrefleksyjnej, wynikającą z interferencji
1 1
w cienkich warstwach, jest jej grubość równa /4  lub wielokrotności /4 , gdzie 
odpowiada długości fali. Taka grubość jest warunkiem wygaszenia fal podczas interferencji.
Je\
eli powłoka jest jednowarstwowa, wtedy redukuje odbicia dla określonej długości fali,
natomiast powłoki wielowarstwowe redukują odbicia w znacznie szerszym zakresie widma.
Mówi się o nich, \
e jest to antyrefleks szerokopasmowy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
a) b)
Rys. 14. Wykresy obni\
enia stopnia odbicia dla ró\
nych powłok antyrefleksyjnych: a) dla powłoki
jednowarstwowej odbicie wynosi 1,4%, a dla dwuwarstwowej poni\
ej 0,5% w wÄ…skim zakresie widma,
b) powłoka wielowarstwowa pozwala na obni\
enie odbicia w szerokim paśmie [opracowanie na podstawie
czasopisma Świat Okularów]
Powłoki antyrefleksyjne nanosi się metodą naparowywania pró\
niowego za pomocą dział
elektronowych, ale tak\
e coraz częściej stosowanych dział plazmowych i z
ródeł 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 pró\
niowe nanoszenie na
powierzchnię soczewki warstwy utwardzającej na bazie krzemu. Jednak metoda ta nie zdała
egzaminu, poniewa\
powłoka była mało odporna mechanicznie, łatwo pękała i łuszczyła się
przy zmianie temperatury. Du\
o 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 du\
o twardszy
od podstawowego materiału soczewki. Stosuje się dwie metody nanoszenia lakieru
na powierzchniÄ™ soczewki: metodÄ™ spinningu i metodÄ™ dippingu.
Metoda spinningu polega na nało\
eniu kropli lakieru na wirujÄ…cÄ… soczewkÄ™. 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 mo\
e
być stosowana do utwardzania soczewek dwuogniskowych, poniewa\
ich budowa
konstrukcyjna nie pozwala na równomierne rozprowadzenie lakieru na powierzchni
zewnętrznej. Poniewa\
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 podwy\
szają 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, podwy\
szają estetykę soczewek i ułatwiają nanoszenie dodatkowych powłok
uszlachetniajÄ…cych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Nale\
y nadmienić, \
e wszystkie sposoby utwardzania tylko wtedy mogą dać
zadowalające wyniki, gdy będą przeprowadzone w odpowiednich warunkach. Nale\
Ä… 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 ochronÄ™ powierzchni przed zawilgoceniem. Powierzchnia pokryta
taką powłoką nie ulega zwil\
aniu przez wodę. Powłoki hydrofobowe nanosi się
na powierzchnię soczewki metodą naparowywania pró\
niowego. Powłoka oleofobowa
równie\
stosowana jest na soczewkach okularowych i ma na celu ułatwienie mycia
i czyszczenia powierzchni soczewek.
Filtry antyUV
Filtry antyUV stosowane sÄ… przede wszystkim w soczewkach okularowych, poniewa\
ich
zadaniem jest ochrona wzroku przed promienowaniem nadfioletowym.. MajÄ… 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 zało\
enia 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
pró\
niowego. Podobnie nanosi siÄ™ 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 mo\
na przedstawić jako drgania przebiegające we wszystkich
płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Światło takie nazywamy
naturalnym lub niespolaryzowanym. Je\
eli na drodze promienia światła naturalnego
ustawimy np. kryształ turmalinu, to po przejściu przez niego drgania będą się odbywać
w jednej wyró\
nionej płaszczyz
nie. Mówimy wtedy, \
e światło jest spolaryzowane liniowo.
Podobnie ze zjawiskiem polaryzacji mamy tak\
e do czynienia wtedy, gdy światło naturalne
ulega odbiciu od błyszczącej powierzchni. Jednak stopień polaryzacji zale\
ny jest od kÄ…ta
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
24
odbity (spolaryzowany) tworzy z promieniem przechodzÄ…cym (zaÅ‚amanym) kÄ…t 90°. KÄ…t
Brewstera zale\
y od współczynnika załamania ośrodka od którego następuje odbicie, a więc
jest ró\
ny dla ró\
nych oÅ›rodków. I tak np. dla wody wynosi 53°, a dla szkÅ‚a
o współczynniku zaÅ‚amania n = 1,5 ten kÄ…t 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 mo\
na zaobserwować podczas odbicia światła
od powierzchni wody, mokrej szosy, lakierowanego blatu, powierzchni szkła itp. Jednak oko
nie rozró\
nia światła naturalnego od spolaryzowanego. Dopiero obserwacja promieni
odbitych przez filtr polaryzacyjny pozwala na stwierdzenie, czy światło jest spolaryzowane.
Podczas całkowitej polaryzacji zachodzi zale\
ność:
Õ +È = 90o
Zjawisko polaryzacji podczas odbicia ilustruje poni\
szy 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]
Je\
eli na drodze światła spolaryzowanego ustawimy płytkę polaryzacyjną (analizator)
zgodnie z kierunkiem polaryzacji, to światło przez nią przejdzie. Jeśli natomiast polaryzator
skręcimy o 90o , wówczas nastąpi wygaszenie promieni świetlnych.
PÅ‚ytkÄ™ polaryzujÄ…cÄ… mo\
na 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
polaryzacyjnÄ….
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
Rys. 17. Budowa soczewki polaryzacyjnej [według czasopisma Izoptyka]
Filtry polaryzacyjne wykorzystuje siÄ™ w fotografii celem uzyskania wyraz
niejszego
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, tak\
e 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 siÄ™ 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
26
grubości) zabarwienie w masie spowoduje niejednakową intensywność koloru  będzie ona
zale\
na od grubości soczewki (rys. 18).
Barwienie powierzchniowe zapewnia jednakową intensywność na całej powierzchni
soczewki, bez względu na jej grubość.
Barwienie powierzchniowe przez zanurzenie nosi nazwÄ™ barwienia chemicznego. Polega
ono na tym, \
e barwnik wnika w pory materiału, a więc znajduje się tu\
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 ju\

bardzo dawno, ale dopiero w latach 60-tych ubiegłego stulecia poczyniono pierwsze próby
zastosowania ich w soczewkach okularowych. Ró\
nica polegała na tym, \
e 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 \
yczenia. Przede wszystkim po zaciemnieniu ponowne
odbarwienie przebiegało bardzo wolno. Tak długi czas reakcji stanowił powa\
nÄ…
niedogodność. Poza tym odbarwienie nie było całkowite, zawsze pozostawało zbarwienie
wstępne. Inną wadą było to, \
e materiał fototropowy rozło\
ony był w całej masie szkła,
a więc stopień zaciemnienia był zale\
ny od jego grubości (podobnie jak w przypadku
soczewek barwionych w masie  patrz rys. 18). W zwiÄ…zku 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 wa\
nÄ… rzeczÄ… w soczewkach
fototrpowych jest stopień pochłaniania promieniowania UV, poniewa\
przy zaciemnionej
soczewce z
renica 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 ró\
nych stadiach zabarwienia: a) odbarwiona  w pomieszczeniu ciemnym,
b) zabarwiona częściowo  przy lekkim nasłonecznieniu, c) zabarwiona mocno  przy silnym nasłonecznieniu
[opracowanie własne]
Obecnie w przewa\
ającej 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 le\
acÄ… tu\
pod
powierzchnią zewnętrzną, co zapewnia równomierne zaciemnienie bez względu na grubość
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
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
zale\
y 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,
nale\
y zachować czystość, odpowiednią temperaturę i wilgotność powietrza. Wszystkie te
czynniki majÄ… bardzo powa\
ny wpływ na jakość otrzymanej powłoki, jej działanie i trwałość.
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
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 siÄ™ 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 ró\
nych soczewek (zerowej, dodatniej,
ujemnej),
3) wyciągnąć wnioski z oględzin.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 biała kartka A4,
 lampa,
 literatura,
 soczewki barwione w masie  mineralne.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
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 ró\
nych soczewek (zerowej, dodatniej,
ujemnej),
3) wyciągnąć wnioski z oględzin.
Wyposa\
enie 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) poło\
yć 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, \
e drugi pomiar wykonać na zewnątrz,
8) zanotować wyniki pomiarów i obserwacji.
Wyposa\
enie 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) poło\
yć soczewki na białej kartce w silnie nasłonecznionym miejscu wewnątrz
pomieszczenia,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
5) zmierzyć czasy całkowitego zaciemnienia soczewek,
6) zmierzyć temperaturę w miejscu pomiaru,
7) powtórzyć czynności od 2) do 6) z tym, \
e drugi pomiar wykonać na zewnątrz,
8) zanotować wyniki pomiarów i obserwacji.
Wyposa\
enie 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.
Wyposa\
enie 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.
Wyposa\
enie 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 mo\
na wykorzystać światło słoneczne zamiast lampy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz: Tak Nie
1) rozró\
nić powłoki lustrzane wewnętrzne i zewnętrzne?
2) omówić zastosowanie powłok antyrefleksyjnych?
3) określić właściwości powłok antyrefleksyjnych?
4) rozró\
nić rodzaje antyrefleksu?
5) omówić metody nakładania powłok utwardzających?
6) wyjaśnić działanie filtru antyUV?
7) wyjaśnić zjawisko polaryzcji?
8) wyjaśnić działanie filtrów polaryzacyjnych?
9) rozró\
nić soczewki barwione w masie i powierzchniowo?
10) rozpoznać soczewkę fotochromową?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
5. SPRAWDZIAN OSI
GNI
Ć
Instrukcja dla ucznia
1. Przeczytaj uwa\
nie instrukcjÄ™.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do ka\
dego zadania dołączone są 4 mo\
liwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki nale\
y błędną odpowiedz
zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedz
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 odłó\
jego rozwiÄ…zanie
na póz
niej i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
9. Na rozwiÄ…zanie testu masz 60 min.
Powodzenia!
Materiały dla ucznia:
- instrukcja,
-
-
-
- zestaw zadań testowych,
-
-
-
- karta odpowiedzi.
-
-
-
ZESTAW ZADAC
TESTOWYCH
1. Masz dwie soczewki o jednakowym kształcie  jedną ze szkła mineralnego, drugą
z tworzywa organicznego. Rozró\
nisz je zwracajÄ…c uwagÄ™ na
a) gładkość powierzchni.
b) przejrzystość.
c) zabarwienie.
d) ciÄ™\
ar.
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
32
4. Współczynnik załamania mierzy się w
a) m/s.
b) km/s.
c) km/h.
d) jest liczbÄ… niemianowanÄ….
5. Liczba Abbego to inaczej
a) współczynnik załamania.
b) współczynnik dyspersji.
c) współczynnik odbicia.
d) dyspersja średnia.
6. Smu\
ystość w materiałach optycznych wykrywa się za pomocą
a) refraktometru.
b) goniometru.
c) polaryskopu.
d) cienioskopu.
7. Za pomocÄ… no\
a diamentowego mo\
na 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 powy\
ej 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) \
elaza.
c) glinu.
d) ceru.
11. Tworzywo organiczne stosuje siÄ™ 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
33
12. Elementy optyczne skleja siÄ™ 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  10oC do +50oC .
b) od  40oC do +50oC .
c) od  10oC do + 20oC .
d) od  40oC do + 80oC .
14. Utwardzanie chemiczne soczewek z tworzyw sztucznych polega na
a) naparowaniu warstwy utwardzajÄ…cej na powierzchniÄ™.
b) pokryciu powierzchni lakierem silikonowym.
c) wygrzewniu w piecu elektrycznym.
d) trzymaniu w niskiej temperaturze.
15. Grubość powłoki antyrefleksyjnej powinna wynosić
a) ź długości fali.
b) ½ dÅ‚ugoÅ›ci fali.
c) 1 długość fali.
d) 2 długości fali.
16. Materiał powłoki antyrefleksyjnej powinien mieć współczynnik załamania
a) du\
o większy ni\
materiał soczewki.
b) niewiele większyni\
materiał soczewki.
c) taki sam jak materiał soczewki.
d) mniejszy ni\
materiał soczewki.
17. W powłokach antyrefleksyjnych wykorzystuje się zjawisko
a) dyfrakcji.
b) dyspersji.
c) polaryzacji.
d) interferencji.
18. Soczewki polaryzacyjne w okularach stosuje siÄ™ 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) padajÄ…cym i odbitym przy maksymalnej polaryzacji.
c) padajÄ…cym i normalnÄ… przy maksymalnej polaryzacji.
d) odbitym (spolaryzowanym) i załamanym.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
20. Je\
eli 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 zale\
ny od mocy soczewki.
d) stopień zaciemnienia jest jednakowy na całej powierzchni.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko ...............................................................................
Ocena jakości i stosowanie materiałów optycznych
Zakreśl poprawną odpowiedz
.
Nr zadania Odpowiedz
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
36
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 monta\
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
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37