lezione10

Materiali per l’ottica

Ottica lineare: la dispersione della luce

0

a

Absorption coefficient

Refractive index

0

n–1

Frequency, w



Teoria di Sellmeier

Teoria di Cauchy

A,Bi,Ci= parametri empirici

Dispersione normale nel visibile : lontano dall’assorbimento (ww0)

Coefficient Value

B1 1.03961212

B2 2.31792344x10−1

B3 1.01046945

C1 6.00069867x10−3 μm2

C2 2.00179144x10−2 μm2

C3 1.03560653x102 μm2



Ridotta trasmittanza nell’ultravioletto (filtro UV)

L’incorporazione di Na2O porta alla presenza di O non-pontanti (“difetti”)

L’energia di eccitazione degli elettroni varia Allargamento e presenza di bande addizionali intorno a 170nm

Esempio: la silice


Il vetro: effetti composizionali su trasmittanza

Se N vetri noti (indice di rifrazione ni e densità i) partecipano in percentuale di

peso ci alla formazione di un vetro, l’indice di rifrazione può essere calcolato con la formula di Huggins e Sun (sovrapposizione lineare)


Il vetro: effetti composizionali su n()

N

iii

ncn1

)(1)(

Il vetro avrà densità

N

iii

c1

Riflettanza nell’ultravioletto Dipende dalla composizione del materiale. Esempio: variazione della riflettività di vetri silicati con il contenuto di PbO


Il vetro: effetti composizionali su riflettanza

Lo spettro di assorbimento dell’elemento dipende dalla sua valenza (donore/accettore)


Il vetro: effetti impurità su trasmittanza


Il vetro: la diffusione



(A)Particelle di dimensioni inferiori a

(Rayleigh scattering)

IR~-4

(B)Particelle dalle dimensioni

paragonabili a (Mie scattering)

IR~-1

(C)Particelle di dimensioni superiori a IR~0

Schema del pattern di intensità diffusa dalle particelle

Dipendente da (colori a dati angoli di vista)

Diffusione della luce da parte di particelle disperse nel materiale

1. Presenza di particelle non disciolte 2. Presenza di bolle o fasi diverse (devitrificazione) 3. Fluttuazioni di densità

Cause

La composizione e la tecnica di melting (dimensione delle impurezze o disomogeneita’) influisce sull’esponente Iscat -m

m=3.4-4.8

Vetro crown (SiO2-CaO-Na2O) m basso Vetro flint (SiO2-PbO) m alto



Lenti oftalmiche

Potere diottrico

21 R

1

R

1)1n(

f

1D

R2

R1

n= indice di rifrazione della lente

D>0 raggi paralleli convergono dopo la lente D<0 raggi paralleli divergono dopo la lente

Tipo di vetro utilizzato in passato: vetro crown con indice di rifrazione 1.523

Per forti disturbi visivi si utilizzano lenti a più alto indice di rifrazione per diminuire il peso della lente e potenziare l’effetto visivo (solo per poteri maggiori di 5/6D)


Caratteristiche fisiche di un materiale di impiego nel campo oftalmico Peso specifico materiali vetrosi 2.4-4.5 g/cm3

(densità) materiali organici 1.1-1.4 g/cm3

Materiale Densità Indice di rifrazione

@546nm

Costringenza

@546nm

Vetro crown 2.54 1.523 60

Vetro flint 3.60 1.620 36

Vetro flint pesante 4.00-4.20

1.650-2.000 29/32

Vetro flint di bario 3.30-3.80

1.600-1.680 44/46

Vetro fotocromatico alto indice

2.70 1.600 42

Vetro fotocromatico 2.40-2.50

1.525 56/60

PMMA 1.19-1.21

1.490 57.5

CR-39 1.32 1.498 56.0

Policarbonato 1.20 1,590 29.5

Materiali ad alto indice di rifrazione normalmente sono più pesanti

Da: manuale per Ottica e Contattologia, A. Rossetti P. Gheller


secondo la legge di Snell si ha che

detti e gli indici di rifrazione dei mezzi

La riflessione totale avviene se l'angolo ϑt raggiunge l'ampiezza di π/2 , cioè se

non esiste più onda rifratta. Questo fenomeno può avvenire nel passaggio da un

mezzo più denso a uno meno denso (ovvero, n1 > n2) e l'angolo

per cui non esiste onda rifratta è detto angolo critico.

Quando θ > θcrit non appare alcun raggio rifratto: la luce incidente subisce una

riflessione interna totale ad opera dell'interfaccia. Si genera un'onda di superficie,

o onda evanescente (leaky wave), che decade esponenzialmente all'interno del

mezzo con indice di rifrazione n2.

RIFLESSIONE TOTALE

http://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Snell

http://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Snell

http://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_critico

http://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_critico

http://it.wikipedia.org/wiki/Onda_evanescente

http://it.wikipedia.org/wiki/Decadimento_esponenziale

5 – 10 µ

Vetro di silice di alta purezza. Si inseriscono ossido di boro o biossido di germanio, per modificare gradualmente n. L’uniformita’ delle dimensioni e l’assenza di ellitticita’ sono critiche: tolleranza di 1µ su 1Km.

Polimeri lineari: Polistirene, polietilene HD, polimetilmetacrilato, nylon, fluorocarburi,….

Polimeri ramificati: Polietilene LD

Polimeri reticolati: resine epossidiche, etc.

Polimeri a legami incrociati (vulcanizzazione): gomme elastiche

Forze di van der Waals e legami H

Meno compatti, quindi meno desi

Legami incrociti covalenti, ottenuti durante la sintesi con successiva reazione irreversibile

sforzo

deformazione

fragile

plastico

elastomero

Proprieta’ meccaniche dei polimeri un polimero puo’ essere fragile o plastico a seconda della temperatura. Nell’arco di 60C si puo’ passare da fragile a elastico. Il comportamento varia tra quello di un solido elastico e quello di un liquido viscoso: viscoelasticita’

carico deformazione elastica

t t

t t

deformazione visco-elastica risposta viscosa

Modulo di rilassamento Scala log

temperatura

vetroso

fluido viscoso

simile al cuoio

gommoso

fluido gommoso

Modulo di rilassamento, ovvero modulo elastico dipendente (decrescente) dal tempo:

𝐸 𝑡 =𝜎(𝑡)

𝜖0=forza necessaria a mantenere la deformazione/deformazione

La forza necessaria a mantenere una data deformazione diminuisce nel tempo

103

1

10-2

La temperatura di fusione dipende dalla lunghezza delle catene e dalla loro chimica (presenza di catene laterali etc.)

Materiali plastici in oftalmologia

pMMA polimetilmetacrilato resina sintetica, nota come Lucite o Plexiglas (USA) Perspex (UK) Allildiglicolecarbonato noto come Columbia Resin (CR39), sintetizzato per la prima volta nel 1940 alla Columbia Southern Division della Pittsburgh Plate Glass Industrie per motivi militari. Nel 1947 fu iniziata la produzione di CR39 presso la Armolite Lenses Co. Resina di policarbonato nota con il nome di Lexan, dall’elevata resistenza meccanica. Prodotta e commercializzata dal 1978.


Materiali plastici in oftalmologia

Le lenti sono preparate per: Stampaggio per compressione (pMMA e poliCarbonato) Stampaggio per iniezione (plastiche termoplastiche) Fusione (CR39, plastiche termoindurenti: i monomeri sono rinchiusi in stampi. Il prodotto è sottoposto al condizionamento e a post-trattamenti) Caratteristiche: Indice di rifrazione tipicamente inferiore al vetro (al massimo 1.74) Numero di Abbe paragonabile al vetro Peso specifico 1.18-1-50 g/cm3

Trasparenza migliore del vetro inorganico grazie al minor indice di rifrazione che riduce le perdite per riflessione alle interfacce Resistenza all’abrasione inferiore al vetro inorganico Resistenza all’impatto elevata Altro facilità di colorazione, possibile fotocromaticità (incorporazione di alogenuro di argento), meno resistente alla temperatura, resistente alla flessione


Materiali plastici

pMMA polimetilmetacrilato (polimeri di metacrilato di metile, estere dell’acido

metacrilico) si ottiene dall’ esterificazione dell'acido metacrilico con l'alcool metilico resina sintetica, nota come: Lucite o Plexiglas (USA) Perspex (UK) La reazione di polimerizzazione avviene a 40°C-60°C, catalizzata dal

perossido di sodio (Na2O2) con grado di polimerizzazione di 106. utilizzata per realizzare: - lenti a contatto rigide - lenti oftalmiche Igard (UK) caratteristiche: - infrangibile - poco resistente ai graffi - indice di rifrazione 1.49 a 546nm - costringenza 58 a 546nm - densità 1.19 g/cm3

- biocompatibile


http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:PMMA_struttura.PNG

1. il PMMA può essere modellato per riscaldamento a temperature relativamente basse (100°C circa);

2. il PMMA è più trasparente del vetro alla luce visibile; 3. A differenza del vetro, il PMMA non ferma la luce ultravioletta, quando necessario viene

pertanto rivestito con pellicole apposite; 4. il PMMA è trasparente alla luce infrarossa fino a 2800 nm, mentre la luce di lunghezze

d'onda maggiori viene sostanzialmente bloccata. Esistono specifiche formulazioni di PMMA atte a bloccare la luce visibile e a lasciar passare la luce infrarossa di un dato intervallo di frequenze (usate, ad esempio, nei telecomandi e nei sensori rivelatori di fonti di calore);

5. Pezzi di PMMA possono essere saldati a freddo usando adesivi a base di cianoacrilati oppure sciogliendone gli strati superficiali con un opportuno solvente - diclorometano o cloroformio. La giuntura che si crea è quasi invisibile. Gli spigoli vivi del PMMA possono inoltre essere facilmente lucidati e resi trasparenti;

6. Il PMMA brucia in presenza di aria a temperature superiori a 460°C; la sua combustione completa produce anidride carbonica e acqua.

E’ tra i pochi materiale non permeabile utilizzato in oftalmologia. Questo materiale è stabile, duro, ha elevata qualità ottica, non è attaccabile da enzimi organici ed è ben tollerato dai tessuti con i quali viene a contatto. Per assenza di polarità, non assorbe acqua e lega scarsamente con le sostanze contenute nel film lacrimale, o lacrima.



Utilizzi 1. i fanali posteriori delle automobili, 2. le barriere di protezione negli stadi 3. grandi finestre degli acquari 4. produzione dei "laser disc" (videodischi) e occasionalmente nella

produzione dei DVD; per questi ultimi (e per i CD) è tuttavia preferito il più costoso policarbonato, per via della sua migliore resistenza all'umidità.

5. La vernice acrilica consiste essenzialmente di una sospensione di PMMA in acqua, stabilizzata con opportuni composti tensioattivi, dato che il PMMA è idrofobo.

6. lenti a contatto rigide; 7. in ortopedia il PMMA è usato come "cemento" per fissare impianti o per

rimodellare parti di osso perdute. Viene commercializzato in forma di polvere da miscelare al momento dell'uso con metacrilato di metile (MMA) liquido per formare una pasta che indurisce gradualmente. Nei pazienti trattati in questo modo, l'odore del metacrilato di metile può essere percepibile nel loro respiro. Benché il PMMA sia biocompatibile, l'MMA è una sostanza irritante. Anche le otturazioni dentali sono realizzate con un "cemento" analogo. In chirurgia estetica, iniezioni di micro-sfere di PMMA sotto pelle vengono usate per ridurre rughe e cicatrici.



CR 39 Columbia Resin (CR39) appartenente al gruppo allilici: allildiglicolecarbonato

Caratterizzato da peso molecolare elevato, con

doppi legami all’estremità che consentono la formazione di macromolecole reticolate.

utilizzata per realizzare: - lenti oftalmiche caratteristiche: - infrangibile - resistente ai graffi e abrasione grazie alla

reticolazione delle macromolecole - indice di rifrazione 1.498 a 546nm - assorbimento da l< 360nm - costringenza 62.3 a 546nm - densità 1.32 g/cm3

- chimicamente inerte, resiste all’appannaggio e facilmente colorabile

- scarse proprietà fotocromatiche


Policarbonato noto con la sigla PC, Lexan, Makrolon, Resartglas

In generale appartengono alla famiglia dei policarbonati i poliesteri dell'acido carbonico.

I primi studi su questo polimero risalgono al 1928 da parte di E. I. Carothers della DuPont. Lo sfruttamento commerciale del materiale avviene solo intorno al 1960 da parte della Bayer e della General Electric, in entrambi i casi si tratta del policarbonato di bisfenolo A.

Formula acido carbonico

A seconda della polimerizzazione, i policarbonati di bisfenolo A hanno pesi molecolari medi che variano tra 20.000 e 200.000: I policarbonati con pesi tra 22.000 e 32.000 vengono processati per iniezione (viscosità intrinseca =0.45-0.58 dL/g a 30°C in diclorometano), mentre quelli con pesi superiori a 60.000 (=0.95 dL/g) hanno un alta viscosità del fuso e devono essere processati in soluzione.


http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:Polic.gif

http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:Carbonic-acid-2D.png

Il policarbonato presenta una struttura con limitata libertà di rotazione attorno ai legami assiali della catena polimerica con conseguente irrigidimento della stessa. L’impaccamento delle macromolecole risulta difficile e la cristallizzazione non avviene spontaneamente. Il polimero può cristallizzare attraverso prolungato riscaldamento ad elevata temperatura (180°C per otto giorni) o per stiramento dei film a 186°C. I policarbonati altamente cristallini fondono a circa 260°C e sono meno solubili di quelli amorfi ma presentano il problema di avere una superficie tenera e graffiabile. La temperatura di transizione vetrosa è di 150°C, alta se paragonata a quella di molti altri polimeri: ciò è correlato alla sua stabilità dimensionale come pure alla notevole resistenza alla frattura sotto carico. L'estrusione del policarbonato prevede infatti temperature intorno ai 300 °C e ciò richiede macchine e stampi speciali, differenti da quelli utilizzabili per la maggior parte delle materie plastiche. Il modulo elastico resta costante anche fino a 130°C. Esistono però anche dei problemi connessi con tale alta temperatura di transizione vetrosa, problemi legati soprattutto alla lavorabilità.


http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:Polic.gif

Il policarbonato di bisfenolo-A è caratterizzato da:

Le proprietà meccaniche (allungamento, carico a rottura, resistenza all’urto e alla flessione) aumentano con il peso molecolare fino a raggiungere un plateau per valori del peso molecolare intorno ai 22000, peso per il quale è ancora garantita una buona lavorabilità per estrusione e stampaggio. elevata tenacità, il policarbonato è sensibile all’intaglio, con conseguente riduzione della resistenza a fatica.

- termicamente resistente (fino a 130°C-140°C), - resistente ai graffi e abrasione, - indice di rifrazione a 546nm 1.586 dovuto al suo carattere aromatico, - assorbimento da l< 380nm (Assorbimento UV causa ingiallimento, si utilizzano perciò

degli stabilizzatori come i benzotriazoli o delle protezioni applicate sulla superficie esposta agli agenti atmosferici),

- trasmissività VIS dell’ordine del 89%, - costringenza 30 a 546nm (dispersione cromatica significativa), - densità 1.20 g/cm3, - facilmente lavorabile e resistente ai post-trattamenti, - è curvabile a freddo, - elevate proprietà meccaniche.


Utilizzo: 1. nell’ottica per le lenti degli occhiali, 2. nell’elettronica per i computer e per i compact disc, 3. nel campo delle costruzioni per coperture trasparenti, 4. nel settore dei trasporti per i caschi e per le coperture dei fanali, 5. nel campo medico il policarbonato ha trovato largo impiego: la possibilità di

sterilizzare gli oggetti di tale materiale ne ha permesso l’utilizzo nelle apparecchiature per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima infanzia e le cure domiciliari (biberon, aerosol, incubatrici).

Plastiche a medio ed alto indice materiali con indice di rifrazione da 1.56-1.74 dispersione cromatica più elevata elevata rigidità e inferiore distorsione utilizzate per realizzare: - lenti oftalmiche

Altri materiali:


1.Selezione delle materie prime: Alto titolo (in genere >99.7%), in particolare percentuali di ossidi

metallici inferiori allo 0.01% che colorerebbero il vetro di tinte azzurrine, così come nel vetro comune

Granulometria controllata (0,1-0,5 mm a seconda del forno) in modo da ottenere un fuso omogeneo

2.Pesatura delle materie prime

Accurata pesatura dei componenti: la composizione del fuso determinerà le sue caratteristiche meccaniche e ottiche

3.Miscelazione

La massa viene mescolata orizzontalmente (per prevenire segregazione) al fine di ottenere un fuso omogeneo


Il vetro ottico: processo di preparazione

Prima del fuso


Il vetro ottico: processo di preparazione

11. Finitura. Gli sbozzi vengono sottoposti alla lavorazione finale che prevede

Sbozzatura

Affinatura

Pulitura


Lenti oftalmiche: processo di finitura

Sbozzatura Si trasforma lo sbozzo (già do giusto diametro) in una lente grezza avente spessore e curvature corrispondenti al potere correttivo richiesto



Affinatura (lappatura) Si riduce la rugosità della superficie tramite abrasione meccanico-chimica sfregando la lente su un supporto girevole avente lo stesso raggio di curvatura della lente. La lente è ancora opaca.



Lucidatura In maniera analoga alla procedura precedente, la lente viene abrasa in modo chimico meccanico con panni imbevuti di abrasivi a granulometria molto piccola (sub micrometrica) e durezza relativamente bassa. Le due superfici della lente b Vengono trattate una alla volta. Al termine del processo la lente è lucida e pronta per le fasi di controllo qualità.

Cap. 14, 21

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