Corso di chimica. Materiali per l Ottica:

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1 Corso di chimica Materiali per l Ottica: 1. Il vetro Oftalmico 2. Proprietà chimico-fisiche dei Materiali per Lenti a Contatto (LAC) 3. Soluzioni per LAC 4. Materiali plastici per Ottica Oftalmica (II modulo) 5. Materiali plastici per LAC (II modulo) Il materiale riportato è stato tratto dal corso Materiali per l Ottica tenuto da Vincenzo Malatesta, che ringrazio, negli scorsi anni accademici.

2 Parte 1: Il vetro Oftalmico

3 Vetro Il vetro è un materiale solido non cristallino, che si forma quando un materiale viscoso opportuno viene solidificato rapidamente, in modo tale che non abbia il tempo di formare una regolare struttura cristallina. Il risultato è la formazione di un solido amorfo, privo di ordine a lungo raggio, con fratturazione di tipo concoide. 3

4 Vetro Allo stato fuso ed in prossimità del punto di solidificazione è dotato di altissima viscosità. Se raffreddato abbastanza velocemente non ha il tempo di cristallizzare secondo percorsi geometrici definiti. Gli atomi che lo compongono non hanno infatti la mobilità sufficiente per realizzare quegli spostamenti relativi, necessari al raggiungimento di una configurazione cristallina, e danno così origine ad uno stato metastabile intermedio detto stato vetroso. 4

5 Viscosità La viscosità è probabilmente la più importante proprietà di un vetro. La stessa formazione dello stato vetroso dipende dal fatto di possedere una certa viscosità ad una determinata temperatura, così come la capacità di dare forma ad una massa vetrosa e di poterla lavorare convenientemente dipendono esclusivamente dalla viscosità e dalla temperatura in quel momento. La viscosità dinamica è una grandezza che descrive la resistenza opposta da un fluido allo scorrimento sotto l azione di una forza e varia in un intervallo molto ampio in funzione della temperatura. Nei liquidi la viscosità decresce all'aumentare della temperatura, nei gas invece cresce. La sua unità di misura è il dpa s o poise. 5

6 Solidi cristallini e vetrosi Transizione solido-liquido 6

7 Forme cristalline e amorfe Solido cristallino Solido amorfo 7

8 Vetro comune Il vetro comune è costituito quasi esclusivamente da biossido di silicio (SiO 2 ) (silice, lo stesso componente del quarzo) e dalla sua forma policristallina, la sabbia. In forma pura, la silice ha un punto di fusione di circa 2000 C ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze per abbassare questa temperatura. Una di queste è il carbonato di sodio Na 2 CO 3 (soda) oppure il carbonato di potassio K 2 CO 3 (potassa) che abbassano il punto di fusione a circa 1000 C. La presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica certo non desiderabile), per cui viene aggiunto anche ossido di calcio CaO (calce) per ripristinare l'insolubilità. 8

9 Vetro ottico Vetro d'ottica o vetro ottico: molto utilizzato in ottica, questo vetro deve presentare alti valori di isotropia (medesimo indice di rifrazione in tutte le direzioni), essere trasparente, inalterabile, omogeneo, capace di subire lavorazione a freddo fino al perfetto pulimento. Devono inoltre essere assenti difetti come bolle o strie e il vetro deve essere privo di tensioni interne. Le sue proprietà ottiche sono definite dall indice di rifrazione e dalla variazione dello stesso in funzione della differente lunghezza d'onda dei raggi luminosi (dispersione). 9

10 Composizione dei vetri minerali per occhialeria I componenti dei vetri minerali costituiscono la miscela vetrificabile o composizione che viene introdotta nel forno per la fusione sotto forma di materie prime di grande purezza, per ottenere una pasta di vetro di qualità perfetta. 10

11 Vetri Minerali COMPONENTI BASE: silice, allumina I componenti di base, come il biossido di silicio (silice) e l ossido di alluminio (allumina), vengono introdotti rispettivamente sotto forma di sabbia de-ferrizzata (sabbia di Fontainbleu) e di feldspato. OSSIDI ALCALINI o ALCALINO-TERROSI: Na, K, Ca, Mg Gli ossidi alcalini vengono aggiunti generalmente sotto forma di carbonati o di nitrati di sodio e potassio. Gli ossidi di calcio (calce) e di magnesio sono talvolta sostituiti dal calcare e dalla dolomite. A questi componenti di base ne aggiungono altri, ad esempio le terre rare. 11

12 Ruolo dei diversi componenti Gli ossidi che entrano nella composizione dei vetri si dividono in due categorie: vetrificanti e correttori 1) Gli ossidi che formano il reticolo (vetrificanti), base di ogni composizione, che possono già quasi da soli formare il vetro. Es: SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5 12

13 Gli ossidi correttori (stabilizzatori) 2) Modificando le proprietà basilari degli ossidi che formano il reticolo con essi è possibile intervenire su caratteristiche che vanno dalla viscosità alle proprietà elettriche, dalla resistenza chimica al coefficiente di dilatazione. Es: K 2 O, Na 2 O, BaO Alcuni ossidi svolgono la doppia funzione, a seconda della composizione, sia di vetrificanti che di stabilizzatori; si tratta di ossidi intermedi. Es: Al 2 O 3, ZnO, TiO 2 13

14 Gli affinanti: hanno l essenziale funzione di favorire l eliminazione delle inclusioni gassose (bolle) della massa del vetro in fusione. Es: Ossido di Antimonio, Nitrati alcalini 14

15 I coloranti Per ottenere un vetro bianco (incolore) i coloranti devono essere totalmente assenti anche in piccolissime concentrazioni. Quando volutamente utilizzati provocano un assorbimento selettivo per le diverse lunghezze d onda dello spettro visibile, conferendo quindi al vetro una tinta del colore complementare. 1. FeO (ossido di Fe(II) o ferroso) e gli ossidi di Co assorbendo rosso e IR generano colorazione blu. 2. Fe 2 O 3 (ossido di Fe(III) o ferrico) assorbe UV, violetto e blu genera colorazione giallo-verdastra. 3. Una miscela di FeO+Fe 2 O 3 assorbe nella zona blu e rosso genera un colore verde. 4. Ossidi di nichel (colorazione bruna) e numerose terre rare (niobio, erbio). 15

16 Vetri ottici Vetri d'ottica: vetri molto pregiati. Ne esistono di vari tipi: 1) Crown. Tra questi ci sono i crown-borosilicati, leggeri, limpidi e poco dispersivi, contenenti boro, e i crown-bario, le cui particolarità sono dovute all'aggiunta di bario alla loro composizione. 2) Flint, vetri molto dispersivi, con alto indice di rifrazione, contengono percentuali di piombo e bario. Al 1930 risalgono i così detti vetri nuovi, di composizione varia e complessa (SiO 2 e B, P, Ba, Zn); successivamente compaiono molte varietà di vetro, fra le quali: a) quelli in cui la sostanza base, SiO 2, è stata sostituita con terre rare. b) quelli composti unicamente di SiO 2 e con tracce di titanio. I vetri irtran, trasparenti all'infrarosso. 16

17 Vetri Crown Vetri Crown: sono i vetri per occhialeria più utilizzati. La loro composizione si avvicina molto a quella del vetro da finestra, con una forte percentuale di silice, e % variabile di calce e soda (vetro soda-calcio). Hanno basso indice di rifrazione (~ 1.52) e bassa dispersione (numeri di Abbe tra 55 e 85). Crown extra bianco è un vetro a base di silice purissima che gli conferisce una grandissima trasparenza. Esistono anche dei crown colorati mediante aggiunta di ossidi metallici (nichel e cobalto), che danno ai vetri la loro colorazione e le loro proprietà di assorbimento. 17

18 Vetri Flint Vetri Flint: sono vetri ottici con indice di rifrazione relativamente alto (tra 1.45 e 2.00) e alta dispersione (numero di Abbe minore di 55). Tradizionalmente contengono 4% 60% di ossido di piombo, la cui lavorazione ed uso sono fonti di inquinamento. In molti vetri flint moderni il piombo è stato sostitiuto con altri additivi, quali il biossido di titanio e il biossido di zirconio, senza alterare significativemente le proprietà ottiche del vetro. 18

19 Vetri Crown/Flint La distinzione crown/flint è talmente importante nella tecnologia dei vetri ottici che molti nomi dei vetri, in particolare i vetri Schott, la incorporano. Una K nel nome di un vetro Schott indicata un vetro crown (krone in tedesco - Schott è una compagnia tedesca). La B in BK7 (usato in lenti di precisione per telescopi) indica che si tratta di un vetro borosilicato. 19

20 Vetri fotocromatici La loro composizione è più elaborata, il che conferisce particolari proprietà di reazione a certe radiazioni luminose. Sono costituiti da una struttura vetrosa molto stabile: un vetro borosilicato a forte tenore di boro, al quale vanno ad aggiungersi una serie di elementi che servono a sviluppare nel vetro dei microcristalli di alogenuro d argento, che provocano il fenomeno del fotocromatismo. Questi vetri contengono i sali AgCl o AgBr, che subiscono una reazione fotochimica secondo la quale si forma Ag metallico secondo la seguente reazione: Ag + + Cl - Ag + Cl In presenza di luce la reazione è spostata verso destra con formazione di colore scuro dovuta a cluster di Ag. 20

21 La presenza di Cu(I), presente nel vetro sotto forma di microcristalli di CuCl, rende reversibile il processo di scurimento in assenza di luce. Gli atomi di cloro formati dall esposizione alla luce vengono ridotti da Cu(I) secondo la reazione: Cu + + Cl Cu 2+ + Cl - Questa reazione previene il rilascio di cloro gassoso dalla matrice. Cu(II) reagisce con l argento metallico secondo la reazione: Cu 2+ + Ag Cu + + Ag + 21

22 Lenti in vetro fotocromatiche Schott 22

23 Lenti fotocromatiche Le lenti fotocromatiche sono lenti che scuriscono quando esposte alla radiazione UV. Quando la radizione UV viene rimossa (ad esempio entrando in un edificio) le lenti gradualmente ritornano allo stato chiaro. Le lenti fotocromatiche possono essere in vetro (sostanze fotocromatiche inorgnaniche) o plastica (sostanze fotocromatiche orgnaniche). La versione in vetro di questo tipo di lenti fu sviluppata da Corning negli anni

24 Lenti in vetro fotocromatiche Molte sostanze inorganiche esibiscono proprietà fotocromatiche. In particolare, il cloruro di argento, AgCl, è molto usato nella produzione di lenti fotocromatiche in vetro. Anche altri alogenuri di argento e zinco hanno proprietà fotocromatiche. 24

25 Lenti plastiche fotocromatiche Nell occhialeria a partire dagli anni 1980 le lenti infrangibili in materiale plastico stanno via via sostituendo le lenti in vetro. Recentemente sono state commercializzate versioni in plastica di lenti fotocromatiche. La prima lente infrangibile fotocromatica fu la lente Photolite venduta nei primi anni 1980 dall American Optical Corporation, ma la prima di successo commerciale fu introdotta dalla Transitions Optical nel Nelle lenti in plastica la sostanza fotocromatica viene inserita in uno strato sulla lente (minore dipendenza delle proprietà dallo spessore rispetto a quelle in vetro dove la sostanza fotocromatica è introdotta nella massa della lente). 25

26 Lenti plastiche fotocromatiche Transizione 26

27 Il fenomeno del fotocromatismo (organico) UV HEAT Per molte sostanze la transizione allo stato chiaro avviene per via termica. Vi è quindi una dipendenza dalla temperatura: più alta è la temperatura ambientale minore è l'effetto fotocromatico. Di conseguenza le prestazioni migliori si hanno a bassa temperatura. 27

28 Spettro della radiazione elettromagnetica 28

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30 Vetri: Proprietà ottiche

31 Indice di rifrazione L'indice di rifrazione di un materiale è un parametro macroscopico, solitamente indicato col simbolo n, che rappresenta il fattore numerico indicante di quanto la velocità di propagazione di una radiazione elettromagnetica viene rallentata, rispetto alla sua velocità nel vuoto, quando questa attraversa un materiale. Se IR = 1.5 vuol dire che in quel vetro una particolare lunghezza d onda si propaga a una velocità ridotta a 1 / 1.5 = 0.67 rispetto a quella che ha nel vuoto. Essendo funzione della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica e della natura del materiale attraversato, la sua misura in condizioni controllate può essere usata per identificare il materiale stesso. 31

32 Indice di rifrazione dei materiali Indice di rifrazione per alcuni materiali Materiale n a λ= 5 8 9, 3 n m elio 1, aria in condizioni normali 1, anidride carbonica 1, ghiaccio 1,31 acqua (20 C) 1,333 etanolo 1,36 glicerina 1,472 9 sale 1,516 bromo 1,661 vetro (tipico) da 1,5 a 1,9 diamante 2,419 silicio 3,4 fosfuro di gallio 3,5 32

33 Indice di rifrazione L indice di rifrazione (n) di un vetro viene misurato con la radiazione gialla dell Elio (riga d) o con la radiazione verde del mercurio (riga e), che corrispondono alle lunghezze d onda a metà dello spettro del visibile. In occhialeria per realizzare lenti monofocali e progressive si utilizzano vetri di indice n d = Un altra gamma di vetri di elevato indice si utilizza per la zona del vicino nelle lenti multifocali. 33

34 È merito della struttura del vetro se è possibile realizzare una gamma così varia di indici di rifrazione, pur conservando la prerogativa delle caratteristiche ottiche, fisiche e chimiche tradizionali di questo materiale. L'importanza pratica di questa gamma consiste nel permettere l ottimizzazione della geometria delle lenti, scegliendo indici diversi in funzione della correzione e dei poteri che si vogliono realizzare. 34

35 Vetri ad alto indice di rifrazione Per ottenere un vetro ad alto indice di rifrazione, era abitudine introdurre nella sua composizione dell ossido di piombo che aumentava notevolmente la densità del materiale (Flint). Oggi per realizzare vetri ad alto indice per lenti monofocali, si sostituisce l ossido di piombo con l ossido di titanio, che permette di conservare un indice di rifrazione elevato diminuendo la densità del vetro (vetro al titanio); sono presenti anche altri elementi come niobio, lo zirconio,lo stronzio, che correggono le proprietà ottiche. Per ottenere la gamma dei vetri per lenti multifocali, si utilizza dell ossido di bario in sostituzione all ossido di piombo (vetri al bario). 35

36 Lenti Calcolo f: 1/f = (n/n 1) [1/R 1 + 1/R 2 + (n-1)d/nr 1 R 2 ] n = indice rifrazione della lente n = indice rifrazione del mezzo in cui è immerse la lente d = distanza fra due superfici (spessore) f: positivo per lenti convergenti; negativo per divergenti 1/f = potere diottrico della lente 36

37 Aberrazione sferica Una superficie sferica è facile da costruire ma non è la superficie ideale per realizzare una lente. In un sistema ottico con lenti sferiche si ha formazione di una immagine distorta: aberrazione sferica. I raggi distanti dall'asse vengono focalizzati ad una distanza differente dalla lente rispetto a quelli centrali. 37

38 Aberrazione Cromatica In ottica l'aberrazione cromatica è un difetto nella formazione dell'immagine dovuta al diverso valore dell indice di rifrazione delle diverse lunghezze d'onda che compongono la luce che passa attraverso il mezzo ottico. Questo si traduce in immagini che presentano ai bordi dei soggetti, aloni (frange) colorati (rosso/blu). È un difetto dal quale, in diversa misura, sono affetti tutti i sistemi ottici. 38

39 Aberrazione Cromatica 39

40 Aberrazione Cromatica di una lente Per effetto della aberrazione cromatica le diverse componenti cromatiche della luce bianca subiscono deviazioni diverse al passaggio attraverso un mezzo rifrangente. In sostanza, la lente ha lunghezze focali diverse per i diversi colori in cui è possibile scomporre la luce. 40

41 Aloni colorati Aberrazione Cromatica 41

42 Aberrazione Cromatica: correzione Il problema viene in genere risolto utilizzando lenti multiple di materiali con diversa dispersione, in modo che le differenze tra gli angoli di rifrazione per la stessa lunghezza d'onda si annullino tra loro: si parla quindi di doppietto acromatico, tripletto acromatico e così via. L'aberrazione cromatica può essere in questo modo grandemente ridotta, ma non del tutto eliminata. È possibile anche utilizzare lenti costruite in materiali a bassa dispersione come la fluorite. 42

43 Numero di Abbe Il numero di Abbe è un parametro che indica il potere dispersivo della sostanza presa in esame. Viene generalmente definito come: dove n D, n F e n C sono gli indici di rifrazione del materiale alle lunghezze d'onda delle linee spettrali D-, F- e C- di Fraunhofer (589.2 nm(na), nm(h) e nm(h)), rispettivamente. 43

44 Sensibilità dell occhio umano 44

45 Numero di Abbe Possono anche essere usate lunghezze d onda diverse, ad es: UK, USA : riga gialla d di Fraunhofer (o D3) dell elio a nm(he) V d = (n d -1)/(n F -n C ) F ( nm, H) e C ( nm, H) = estremi blu e rosso dello spettro EUROPA : linea e verde del mercurio a nm(hg) V e = (n e -1)/(n F -n C ) F e C sono le righe blu e rossa del Cadmio a nm e nm Vetro crown N-BK7 (Schott): n d = ; n F = ; n C = ; n F -n C = : V d = n e = ; n F = ; n C = ; n F -n C = : V e = Vetro flint SF66 (Schott): n d = ; n F = ; n C = ; n F -n C = : V d = n e = ; n F = ; n C = ; n F -n C = : V e =

46 Lunghezze d onda delle linee dello spettro usate per misura Indici di Rifrazione 46

47 Indice di Rifrazione a λ diverse Formula di dispersione: n 2 = A 0 + A 1 λ 2 + A 2 λ -2 + A 3 λ -2 + A 4 λ -6 + A 5 λ -8 A 0, A 1, A 5 = coefficienti dell espansione seriale λ = lunghezza d onda in μm 47

48 Numero di Abbe Generalmente più alto è l indice di rifrazione di un vetro, più basso è il numero di Abbe; questa caratteristica influenza la dispersione cromatica. 48

49 nd/vd 49

50 Notazione giapponese(int)/ tedesca 50

51 Indice di rifrazione L' indice di rifrazione del materiale usato è una proprietà del materiale di cui è costituita la lente. Più è alto l' indice di rifrazione, minore è lo spessore al bordo della lente, a parità di Potere diottrico della lente (grado di miopia), Dimensione e forma del cerchio della montatura utilizzata, Distanza interpupillare. I materiali più usati per costruire le lenti oftalmiche si possono dividere in 2 grandi categorie: 1. Lenti in vetro minerale 2. Lenti in materiale organico Le lenti in vetro minerale si suddividono a loro volta in: Lenti in vetro crown 1.5 Lenti in vetro crown 1.6 Lenti al titanio 1.7 Lenti al lantanio 1.8 Lenti al lantanio

52 Vetro crown 1.5+ (B) Le lenti in vetro crown 1.5 sono, fra quelle in vetro minerale, le più utilizzate per la compensazione di miopie ed ipermetropie leggere. Questo materiale ha indice di rifrazione e peso specifico 2.61, ha ottime proprietà ottiche, come ad esempio la bassa dispersione cromatica (Numero di Abbe 58.8), l'elevata trasparenza che può essere ulteriormente esaltata con l' applicazione di un trattamento antiriflesso sulle 2 superfici, al fine di ridurre al minimo i riflessi. E' disponibile colorato o fotocromatico, ha la fragilità propria del vetro. 52

53 Vetro crown 1.6+ (SK) Le lenti in vetro crown 1.6 sono utilizzate per la compensazione di miopie ed ipermetropie leggere e medie. Questo materiale ha indice di rifrazione 1.60, peso specifico 2.63 e Numero di Abbe 55.5, ha le medesime caratteristiche del crown 1.5 tranne l' indice di rifrazione leggermente più alto, ne consegue che a parità delle altre condizioni, lo spessore sarà leggermente inferiore, e la dispersione cromatica leggermente più elevata in quanto inversamente proporzionale al Numero di Abbe. 53

54 Vetro al titanio 1.7+ Le Lenti al titanio 1.7 sono più indicate per le miopie medie, elevate ed elevatissime. L'indice di rifrazione è pari a 1.70 e il peso specifico è Rispetto al vetro crown, ha una maggiore dispersione cromatica (Numero di Abbe 35 o 40), maggiore riflessione sulle superfici e maggiore fragilità, oltre al peso notevolmente più elevato. Come tutte le lenti in vetro, anche il vetro al titanio, è colorabile. Pregio delle lenti al titanio è l' alto indice e quindi il ridotto spessore al bordo. Su questo tipo di lenti è raccomandato il trattamento antiriflesso. 54

55 Vetro al lantanio 1.8 e lantanio 1.9 Le lenti al lantanio 1.8 e le lenti al lantanio 1.9, presentano proprietà simili alle lenti al titanio 1.7, con l'accentuazione di tutti i difetti del titanio, e con l' unico vantaggio di una maggiore riduzione di spessore dovuta al più alto indice di rifrazione (1.80 per il lantanio 1.8, e 1.89 per il lantanio 1.9). In conclusione, le lenti al lantanio sono indicate nelle miopie elevate ed elevatissime, o in tutti i casi in cui il soggetto vede come assolutamente prioritaria la riduzione di spessore. 55

56 Vetri: Proprietà fisiche

57 Peso specifico E fondamentale per il peso delle lenti. Per determinare il peso di un vetro, occorre agire sugli ossidi che entrano nella sua composizione. I borosilicati sono più leggeri dei crown, mentre per i vetri ad alto indice i vetri al titanio sono più leggeri dei vetri al bario o al piombo. 57

58 Coefficiente di dilatazione termica lineare E la misura dell allungamento del vetro per unità di lunghezza per una variazione di temperatura di 1 C. Viene dato per un intervallo di temperatura da 25 C a 300 C. Un basso coefficiente di dilatazione permette ai vetri di sopportare senza danni i trattamenti di tempra e di deposito sottovuoto, di colorazione o antiriflesso, che li espongono a dei cicli di alta temperatura. Parimenti gli sbozzi devono resistere alle operazioni di finitura che li espongono ad un apprezzabile riscaldamento seguito da un brusco raffreddamento. Anche in questo caso la natura del vetro ha un ruolo decisivo. È per questo che i borosilicati hanno una composizione che assicura loro un basso coefficiente di dilatazione, cioè la loro buona resistenza agli shock termici. 58

59 Temperatura della transizione vetrosa Temperatura transizione vetrosa Tg : a cui un vetro si trasforma da uno stato vetroso a quello di un liquido superraffreddato (corrisponde a una viscosità dinamica di circa poise). A Ts l espansione termica smette di crescere (cede sotto il peso): viscosità dinamica dell ordine di poise. 59

60 Punto di annealing: T temperatura a cui gli stress interni si rilassano dopo pochi minuti. (Viscosità dinamica Poise) Punto di rammollimento: T temperatura a cui il vetro inizia a ammorbidirsi e deformarsi sotto il suo peso. Viscosità dinamica Poise. Altre proprietà termiche: Coefficiente medio di espansione termica lineare: α -30/+70 ºC o α 100/300 ºC [10-6 /K] Conducibilità termica: rapporto fra calore trasferito attraverso l unità di area nell unità di tempo diviso la differenza di temperatura per unità di lunghezza [W/(m.K] Capacità termica specifica cp: rapporto fra capacità termica e massa cioè quantità di calore richiesta per incrementare di una unità (K o ºC) la temperatura di un grammo di sostanza [J/g.K] 60

61 Resistenza all abrasione Il vetro è un materiale duro che resiste molto bene ai graffi: questo lo rende molto adatto all impiego in occhialeria. La resistenza all abrasione può essere misurata confrontando la perdita di massa di un campione sottoposto ad abrasione controllata rispetto a un riferimento esposto al medesimo trattamento. F A = (m/d)/(m0/d0) x 100 d = densità del campione d 0 = densità del riferimento m = massa persa dal campione m 0 =massa persa dal riferimento 61

62 La tinta Il colore è l indicatore delle proprietà di assorbimento dei vetri nella porzione visibile dello spettro della radiazione elettromagnetica. Per conoscere le reali proprietà dei vetri colorati, si deve fare riferimento alla loro curva di trasmittanza. La curva indica la percentuale di luce trasmessa nelle diverse zone dello spettro e permette di controllare le proprietà di assorbimento dei vetri. Nell ottica oftalmica, i vetri colorati sono classificati nella normativa secondo il loro fattore di trasmissione. 62

63 Trasmittanza T = trasmittanza = I/I 0 frazione di luce incidente di λ specificata che passa attraverso il campione (100 x T = % T) 63

64 Trasmittanza % di una lente colorata Lente plastica contenente melanina 64

65 Densità ottica La densità ottica è l assorbanza di una lunghezza d onda per unità di distanza : l = distanza percorsa dalla luce attraverso il campione (spessore) misurata in cm A λ = Assorbanza alla lunghezza d onda λ (A= log 1/T) T = trasmittanza = I/I 0 frazione di luce incidente di λ specificata che passa attraverso il campione (100 x T = % T) I 0 = intensità luce incidente I = intensità luce trasmessa T = e -αl ; α = coefficiente di attenuazione; l = cammino ottico 65

66 Legge di Lambert-Beer per soluzioni 66

67 Spettri assorbimento di filtri UV usati in lenti di plastica 67

68 Trasmittanza interna e codice colore La trasmittanza interna τ è la trasmittanza ottenuta escludendo le perdite per riflessione su superfici all entrata ed uscita del vetro. I valori della trasmittanza interna fra 280 e 1550 nm sono calcolati da misure di trasmittanza su una coppia di campioni con diverso spessore: 5 e 10 mm e i valori riportati come τ 5mm e τ 10mm. Il valore di trasmittanza interna di un vetro di spessore arbitrario d può essere ottenuto da questi due valori tramite: τ= τ 0 d/ d 0 dove 0 è il valore della trasmittanza interna di un vetro con spessore d 0 uguale a 5 o 10 mm. 68

69 Codice colore nm; 10 +/- 0.1 mm 69

70 nd/vd 70

71 71

72 72

73 Vetri Crown/Flint a confronto 73

74 Processo produttivo del vetro 74

75 Stabilizzanti: CaCO 3 che rende non solubile in acqua il prodotto finito. BaCO 3 che eleva l indice di rifrazione, il peso specifico e la sonorità dei vetri. L ossido di piombo che impartisce al vetro perfetta trasparenza, lucentezza e ne facilita la molatura. Accessori: affinanti, decoloranti, coloranti ed opacizzanti Affinanti: sviluppano, sotto l azione del calore, dei gas che omogeneizzano la massa fusa trascinando a galla bollicine di gas che si formano durante la fusione. Tali bolle sono originate dalla decomposizione dei carbonati e dei solfati iniziali in ossidi e anidride carbonica o solforica. Ossido di Antimonio, Nitrati alcalini: facilitano notevolmente l operazione, in quanto fanno aumentare il volume delle bolle e ne provocano l espulsione, oppure permettono la diminuzione della solubilità dei gas nel vetro. Decoloranti: Le impurezze di ossido di ferro presenti nelle materie prime danno una colorazione non richiesta, per eliminarla si utilizza biossido di manganese MnO 2, il selenio, l ossido di nichel. 75

76 Coloranti: affinché i vetri risultino colorati è necessario introdurre sostanze minerali contenenti metalli di transizione che nella loro forma ionica conferiscono varie colorazioni al campione. FeO per avere tonalità verdeazzurra, Fe 2 O 3 per verde bottiglia, Cu 2 O per il rosso, CuO per blu-verde, Cr 2 O 3 per verde-giallo, CoO per blu scuro, Au per il rosso rubino. Gli opacizzanti sono formati da fosfati o fluoruri di Na o Ca, da talco o da ossido di stagno che persistono nella massa vetrosa sotto forma cristallina diminuendone la trasparenza, in quanto la riflessione della luce avviene all'interno del vetro stesso, a causa del diverso indice di rifrazione delle sostanze opacizzanti cristalline. 76

77 Le moderne tecniche di fabbricazione La preparazione della composizione È una operazione molto importante, perché già determinante per l omogeneità e l indice di rifrazione del vetro finito. Consiste nel preparare le materie prime e nel mescolarle a fondo per ottenere la composizione che verrà introdotta nel forno. Ricevimento materie prime Pesatura Miscelazione 77

78 Ricevimento materie prime Le materie prime ono accompagnate da un certificato di analisi del fornitore. I fornitori sono selezionati in tutto il mondo, tenendo conto della varietà dei prodotti necessari. Nel laboratorio dello stabilimento vengono eseguiti altri controlli. 78

79 Pesatura I componenti vengono pesati con precisione per rispettare le quantità di materie richieste sulla scheda di pesatura dei vetri. La precisione della pesata può raggiungere valori molto alti nel caso di certi componenti che con piccole dosi influiscono su certe proprietà dei vetri. 79

80 Miscelatura Il mescolamento dei vari componenti viene realizzato con un miscelatore. Per ogni vetro si deve rispettare un tempo prestabilito di miscelazione. A questo punto le composizioni vengono trasferite ai forni di fusione 80

81 Elaborazione del vetro ottico 81

82 Elaborazione del vetro ottico 82

83 1) La fusione La composizione viene introdotta nella parte del forno nella quale viene effettuata la fusione, mescolata con vetro in polvere, vetro della stessa composizione, recuperato nel ciclo di fabbricazione e macinato (cullet). Una certa dose di vetro in polvere è utile per facilitare la fusione della composizione. Per fondere la composizione e rendere omogenea la sua massa, il forno deve essere portato ad una temperatura tale da portare allo stato liquido il bagno di vetro. La temperatura può variare da 1000 a 1500 C, secondo il tipo di vetro. Per la costruzione di un forno vengono usati diversi materiali refrattari, secondo la loro posizione nel forno e le temperature alle quali vengono portati. 83

84 Il riscaldamento ad alta temperatura viene assicurato con l apporto di forme energetiche diverse: gas, gasolio, elettricità, o una loro combinazione. Nel caso del riscaldamento elettrico il bagno di vetro funziona come una resistenza. Una delle proprietà poco conosciuta del vetro è quella di essere conduttore ad altissima temperatura; il vetro, perfettamente isolante a temperatura ambiente, può avere una resistività di qualche ohm quando è alla sua temperatura di fusione. 84

85 2) L affinazione In questo stadio dell elaborazione, l affinazione consiste nell aumentare la temperatura del vetro per renderlo più liquido e per eliminare i gas ancora presenti al momento della fusione. Questa operazione viene effettuata in una seconda parte del forno, detta camera di affinazione. Tenuto conto delle temperature (fino a 1000 C e più), non si possono utilizzare i materiali refrattari classici, perché verrebbero attaccati e introdurrebbero impurezze, soprattutto coloranti nel vetro. Si usa il platino, materiale refrattario praticamente inattaccabile dal vetro caldo. 85

86 3) Il condizionamento A questo stadio il vetro è ad una temperatura troppo alta per poter essere utilizzato per lo stampaggio poiché è troppo fluido e insufficientemente omogeneo. È per questo che, all uscita della zona di affinazione, la temperatura del vetro deve essere abbassata, allo scopo di avere allo stampaggio un vetro più viscoso e la temperatura sia uguale in tutta la massa. Per questo in tutta la zona di condizionamento è disposto un gran numero di termocoppie indicatrici e regolatrici. Questi dispositivi permettono di mantenere costanti la temperatura con una tolleranza di un grado! Per arrivare ad una qualità ottica, cioè ad un vetro perfettamente omogeneo, il vetro deve essere rimescolato senza interruzione, con un processo di movimentazione detto Guinandage dal nome del suo inventore Guinand. Dopo le operazioni di rimescolamento e la discesa omogenea di temperatura il vetro esce da tubi di colata con viscosità di lavoro che variano da 1000 a poise. 86

87 4) La distribuzione del vetro Scopo di questa operazione è quello di fornire alle presse quantità di vetro di peso costante. Per ottenerle, la colata di vetro che esce dal tubo di colata di vetro a erogazione costante viene tagliato con cesoie in acciaio speciale; il ciclo di funzionamento delle cesoie è sincrono con quello della pressa. Queste quantità di vetro di peso costante sono chiamate masse. 87

88 5) Stampaggio automatico Per ottenere degli sbozzi di buona qualità, è indispensabile avere delle gocce di vetro pastoso aventi viscosità richiesta. Le gocce cadono negli stampi che si trovano sul disco rotante della pressa; ogni posizione della pressa corrisponde ad una fase precisa della lavorazione: carico, stampaggio, raffreddamento, sformatura. Questo sistema di stampaggio in continuo permette di ottenere delle cadenze di parecchie migliaia di sbozzi l ora. L utensile di stampaggio determina le caratteristiche dimensionali dello sbozzo. Esso è formato da quattro parti essenziali: 1. L anello che forma il diametro esterno. 2. Il piano che dà la curvatura convessa. 3. Il punzone (controstampo), che comprime la massa del vetro e realizza la curvatura concava; 4. Il cerchio che assicura la chiusura dell insieme determina la forma dei bordi dello sbozzo. Secondo le forme degli stampi e in funzione delle caratteristiche fisiche del vetro, vengono impiegati tipi diversi di presse. 88

89 6) Il trattamento termico: la ricottura Quando lo sbozzo esce dalla pressa, viene trasportato mediante un nastro trasportatore in un tunnel di ricottura. Per i vetri classici, il tunnel è utilizzato per effettuare l operazione di ricottura vera e propria, che ha come scopo di diminuire molto sensibilmente le sollecitazioni o tensioni interne di origine termica. Perciò lo sbozzo viene portato ad una temperatura tra i 550 C e i 700 C, secondo la natura del vetro e raffreddato a velocità controllata. La riduzione delle tensioni interne dello sbozzo faciliterà il successivo trattamento della superficie. 89

90 7) Tipi differenti di sbozzi Alla loro uscita dalla fabbrica, le lenti grezze per occhialeria sono degli sbozzi, forniti in forme diverse dipendenti dalla lavorazione che essi dovranno subire, per essere trasformati in lenti correttive dalle particolari caratteristiche ottiche. 90

91 Lenti/Sbozzi Gli sbozzi sono definiti da: - un diametro - una combinazione di curve (convessa e concava) espressa in diottrie sulla base di un preciso indice di rifrazione (es. n d = 1.523) - spessori, al centro e al bordo - particolarità di forma (specialmente profilo del bordo) 91

92 8) La sbozzatura La sbozzatura viene fatta su uno sbozzo avente l'esatto diametro, curve e spessori approssimativi adatti. L'operazione consiste nel consumare il vetro con una fresa a corona diamantata, per dargli lo spessore definitivo e i precisi raggi di curvatura corrispondenti al potere di correzione prescritto. Lente asferica 92

93 9) La molatura Consiste nell'affinare, mediante smerigliatura, le due facce del vetro sbozzato, senza modificare i raggi di curvatura e nel preparare la fase successiva. Il principio è quello di sfregare il vetro su una controforma in ghisa dolce, avente lo stesso raggio o gli stessi raggi di curvatura dello sbozzo. Il vetro e la controforma sono dotati di un movimento di rotazione, mentre dello smeriglio in sospensione nell'acqua bagna la lente durante tutta l'operazione. Da qualche anno lo smeriglio è stato progressivamente sostituito da una pellicola abrasiva fissata sulla controforma. Tale pellicola è composta da grani finissimi di diamante annegati in un legante di bronzo sinterizzato. Al termine della molatura, il diametro, le curve e lo spessore del vetro hanno tutta la precisione richiesta. Le due facce della lente sono lisce ma opache. E' necessario lucidarle per renderle trasparenti. 93

94 10) La politura o lucidatura Come principio questa operazione è identica alla precedente. La controforma è ricoperta da un feltro per lucidare o da una pellicola in plastica speciale. Lo smeriglio o il diamante in granelli sono sostituiti da un abrasivo ancora più fine, ad esempio l'ossido di cerio o di titanio, mescolato ad acqua. Durante la lucidatura viene levata una piccolissima quantità di materiale. Contemporaneamente si determina uno scorrimento: le rugosità che costituiscono la grana della superficie vengono progressivamente spinte nei vuoti, in modo da rendere perfettamente liscia la superficie. 94

95 Trattamenti per coating: Anti-Riflesso Lente normale: 4% della luce è riflessa quando passa attraverso ognuna delle superfici della lente: 92% arriva all occhio. Parte della luce riflessa può creare una immagine fantasma (ghost) e parte un bagliore (flare). Coatings AR aumentano la trasmissione della luce fino a 99%: SiO 2, ZrO 2, Al 2 O 3. Coatings multistrato < 0.2 μm 95

96 Coating AR Coating ¼ λ; se il coating ha spessore ¼ λ ed ha IR < al vetro allora: 96

97 Coating AR Il materiale scelto per realizzare questo strato è il fluoruro di magnesio (MgF 2 ), il cui indice (n = 1.38) e le cui proprietà fisico-chimiche sono le più appropriate. Perché il trattamento riesca bene, occorre che lo strato aderisca perfettamente sul vetro: la deposizione di questo strato viene effettuata in una campana sotto vuoto, per evaporazione, con un spessore dell'ordine di decine di nm alla pressione di 10-6 torr. Le temperature richieste vanno da 300 a 400 C. I limiti del trattamento monostrato: In pratica è impossibile ottenere una estinzione totale delle riflessioni depositando un solo strato sul vetro, e ciò per due motivi: 97

98 Coating AR 1) Non esiste un materiale da depositare il cui indice di rifrazione corrisponda esattamente all'indice teorico calcolato (n = 1.235) che renderebbe ambedue i raggi riflessi di uguale intensità. Il fluoruro di magnesio è quello che vi si avvicina di più. 2) Si possono mettere in opposizione solo fasi di due serie di onde della stessa lunghezza. Poiché la luce visibile non è monocromatica, si agisce sul settore dello spettro al quale l'occhio è più sensibile, cioè la luce verde-gialla (λ = 555 mm). Depositando un solo strato di fluoruro di magnesio per superficie, la riflessione residua per faccia resta dell'ordine dell'1.3 % per la radiazione gialla e del 2.5 % per gli estremi dello spettro visibile. Persiste dunque un riflesso blu. 98

99 Una soluzione valida: i trattamenti antiriflesso multistrato - Principio: consiste nell'eliminare la riflessione residua giocando sulle interferenze di strati addizionali. Ciascuno di questi strati produce una serie di onde riflesse. Queste serie di onde sono sfasate le une in rapporto alle altre, cosa che comporta interferenze multiple. Un calcolo complesso permette di determinare come ottenere una ultima serie di onde riflesse di ampiezza praticamente nulla. - La riflessione residua nei multistrato potrà essere inferiore allo 0.2 % per faccia, mentre nel monostrato è del 2.5 %. - L'effetto cromatico (blu), importante nel monostrato, sarà ridotto ad un debole riflesso residuo (porpora poco saturo) nel multistrato. 99

100 I trattamenti di colorazione I processi per depositare strati sottili permettono anche di colorare le lenti. E' interessante ricorrere a questi processi quando le lenti presentano grosse differenze di spessore che, in caso di impiego di vetri tinti nella massa, si tradurrebbero in antiestetiche e fastidiose differenze di intensità. Questi processi permettono inoltre di ottenere tutta una gamma di effetti (sfumati, specchiati, etc...) spesso richiesti nell'occhialeria da sole per motivi di moda. 100

101 Colorazione Metalli e ossidi metallici utilizzati nei trattamenti di colorazione: Il manganese in piccole quantità neutralizza il verde causato dalla presenza di ferro, mentre in quantità elevate dà il colore ametista. il selenio in piccole dosi è usato per decolorare, mentre in quantità elevate dona colore rosso. Piccole concentrazioni di cobalto ( %) danno colore blu. Da 2 al 3% di ossido di rame produce un colore turchese. Il nichel dipendentemente dalla concentrazione induce blu, violetto o anche nero. L'oro in concentrazioni minime (0.001%) produce un vivace colore rosso rubino, mentre una quantità minore dà sfumature meno intense di rosso. I composti dell'argento, in particolare il nitrato, producono una gamma di colorazioni comprese tra il rosso arancio ed il giallo. 101

102 Principio di realizzazione Si ricorre all'evaporazione e alla condensazione sotto bassa pressione (10-2 Torr) o sotto vuoto (10-6 Torr) di elementi metallici di transizione a valenza variabile (Fe, Cu, Ni, Cr, etc.). Una volta depositati, gli elementi sono colorati modificando il loro stato di ossidazione. Per ottenere il cromatismo voluto, si calcolano la natura e lo spessore dei depositi. I trattamenti di colorazione possono essere facilmente associati a quelli antiriflesso. 102