1 Caratteristiche dei materiali utilizzati in ottica oftalmica
di Alessandro Farini
Esaminiamo in questo capitolo le principali caratteristiche dei vari materiali utilizzati
nel campo dell'ottica oftalmica, per capire quali sono le grandezze fondamentali che
possono essere modificate utilizzando un appropriato trattamento.
1.1 Caratteristiche ottiche dei materiali oftalmici
Quando la radiazione luminosa passa dall’aria in un materiale usato in ottica
oftalmica possono accadere essenzialmente tre tipi di fenomeni(Fig.1.1):
• Riflessione (la radiazione è rimandata nel mezzo di partenza, anche se non
necessariamente nella stessa direzione)
• Rifrazione (la radiazione attraversa il mezzo oftalmico, potendone però essere
deviata)
• Assorbimento (la radiazione rimane assorbita dal mezzo oftalmico, generalmente
riscaldandolo)
Ogni materiale oftalmico avrà diverse caratteristiche dal punto di vista della
percentuale di radiazione assorbita, riflessa e trasmessa, ma tali percentuali potranno
essere modificate anche grazie all'utilizzo dei trattamenti.
La scelta di un certo materiale e di un certo trattamento dipenderà essenzialmente
dall’uso che si deve fare delle lenti. Se ad esempio si tratta di lenti oftalmiche da vista
trasparenti il materiale dovrà lasciar passare interamente lo spettro visibile, evitando
riflessioni e assorbimenti, ma sarebbe ugualmente utile una riduzione del contributo
della parte ultravioletta e infrarossa dello spettro.
1.1.1 Trasmittanza, riflettanza e assorbanza
Per quantificare il comportamento di un mezzo ottico da questo punto di vista si
possono introdurre alcune grandezze, quali ad esempio la trasmittanza, la riflettanza e
l’assorbanza.
Per trasmittanza T(λ) si intende il rapporto tra l’intensità luminosa emergente Ie e
quella che incide sulla lente Ii (Fig.1.2):
I (! )
T (! ) = e
I i (! )
Spesso si ricorre all'utilizzo di una trasmittanza percentuale T(λ)% che si ottiene
semplicemente moltiplicando per 100 la trasmittanza e che spesso viene chiamata
anch'essa trasmittanza:
I (" )
T (" )% = e
! 100
I i (" )
Nell’espressione della trasmittanza compare la dipendenza dalla lunghezza d’onda λ,
che è il parametro che ci permette di distinguere tra loro le radiazioni. Le lunghezze
d’onda dell’ultravioletto saranno diverse da quelle del rosso, del verde, del blu o
dell’infrarosso, solo per fare alcuni esempi. Il fatto che T dipenda da λ ci indica che il
comportamento di una lente può variare, e talvolta in maniera anche decisiva come
vedremo per le lenti colorate, secondo il tipo di radiazione che vi arriva sopra.
Una lente trattata potrà quindi lasciar passare certe radiazioni, riflettendone di più
altre e assumendo una determinata colorazione (si veda il Cap.5 dedicato al
trattamento antiriflesso).
Una trasmittanza del 100% indica che tutta la radiazione, di quella lunghezza d’onda,
che arriva sulla lente riesce ad attraversarla, mentre una trasmittanza dello 0% ci
indica che tutta quella radiazione è assorbita o riflessa.
In maniera similare si possono definire la riflettanza e l’assorbanza.
La riflettanza sarà data da:
I (" )
R(" )% = r
! 100
I i (" )
dove con I r si indica la parte di radiazione riflessa mentre l’assorbanza sarà:
I (" )
A(" )% = a
! 100
I i (" )
con I a pari all’intensità di radiazione assorbita.
1.1.2 Spettri di trasmittanza
Per capire rapidamente il comportamento di una lente è necessario avere a
disposizione uno spettro di trasmittanza, quale ad esempio quello di Fig.1.3.
Con il termine spettro di trasmittanza di una lente si indica un grafico in cui in ascissa
compare la lunghezza d’onda, a partire generalmente da quella dell’ultravioletto di
circa 200 nm per terminare intorno ai 2000 nm. Sull’asse delle ordinate compare la
trasmittanza in percentuale delle lenti.
A meno di fenomeni diffusivi, di cui parleremo in seguito, possiamo affermare che
T (! )% + R(! )% + A(! )% = 100%
Tutte queste grandezze, come detto, dipendono dalla lunghezza d’onda; non ci
forniscono quindi un informazione generalizzata sulla radiazione trasmessa su tutto lo
spettro elettromagnetico. Per questo motivo si è introdotto il fattore luminoso di
trasmissione τv. Tale valore è dato dal rapporto tra la luce che arriva alla retina dopo
aver attraversato la lente filtrante che stiamo analizzando e la luce che arriva alla
retina in assenza della lente stessa. La sua corretta definizione è descritta in
Appendice A
1.1.3 Indice di rifrazione
Tra le caratteristiche fondamentali di un materiale è necessario ricordare l’indice di
rifrazione n di un mezzo, che è dato dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e
la velocità della luce nel mezzo considerato. Questo numero, sempre maggiore o
uguale a uno, è tanto più grande quanto più la radiazione risulta deviata dal mezzo
ottico, ed è quindi parametro di fondamentale importanza per descrivere il
comportamento delle lenti. Anche l’indice di rifrazione è una grandezza che dipende
criticamente dalla lunghezza d’onda, come approfondiremo nella trattazione dei
trattamenti antiriflesso.
Quando la differenza tra gli indici di rifrazione delle varie radiazioni visibili diventa
troppo grande la luce bianca rischia di essere separata in fasci di luce colorata,
evidenziando il fenomeno della dispersione e provocando sgradevoli e dannose
conseguenze.
La validità o meno di un mezzo ottico dal punto di vista dell’indice di rifrazione è
ben evidenziata dal numero di Abbe ν, che è dato da:
n !1
Rifrazione
"= d
=
n F ! nC Dispersione
dove con F, d, C si indica che gli indici di rifrazione sono relativi a tre particolari
lunghezze d’onda nel Blu, nel Giallo e nel Rosso, lunghezze d’onda facilmente
isolabili dal punto di vista spettroscopico anche all’epoca di Abbe (1840-1905). Il
termine al denominatore è tanto più grande quanto maggiore è l’effetto dispersivo
degli indici di rifrazione, mentre il numeratore aumenta all’aumentare della
rifrangenza del materiale. E’ quindi evidente che un materiale avrà caratteristiche
ottiche tanto migliori quanto più grande è il suo numero di Abbe.
Esistono altre definizioni del numero di Abbe, a seconda delle righe spettroscopiche
considerate. Le principali righe spettroscopiche e le definizioni più comuni sono in
Tab.1.1 e Tab.1.2. Per capire l'importanza del numero di Abbe dal punto di vista della
qualità ottica si possono consultare testi relativi alle aberrazioni (Abati2).
1.2 Caratteristiche meccaniche dei materiali oftalmici
Non si deve pensare che l’importanza dei trattamenti nelle lenti oftalmiche sia da
ridurre alle proprietà ottiche delle lenti. In realtà il buon comportamento di una lente
dipende anche da certe sue caratteristiche meccaniche, che lo rendono adatto a tutte le
circostanze. Particolare importanza rivestono la resistenza alle abrasioni e agli urti.
La resistenza alle abrasioni di una lente indica la capacità della lente stessa di
resistere ai graffi. Una buona resistenza ai graffi non è importante esclusivamente dal
punto di vista estetico, ma è essenziale poiché graffiature possono rovinare
sensibilmente le proprietà ottiche delle lenti.
L’importanza della resistenza agli urti è ancora più evidente e tale proprietà deve
essere talvolta necessariamente aumentata grazie a specifici trattamenti che
descriveremo in seguito. Una misura di questo fattore è offerto dal calcolo del
modulo di rigidità.
Entrambe queste proprietà possono essere testate con specifiche misure di
laboratorio, che sono disciplinate da specifiche normative relative alle lenti
oftalmiche. Purtroppo queste due proprietà risultano legate a caratteristiche opposte
dei materiali, giacché i materiali come il vetro sono resistentissimi ai graffi, ma
presentano prestazioni peggiori rispetto ai materiali plastici per ciò che riguarda la
resistenza agli urti. Come vedremo migliorare una proprietà avverrà spesso a scapito
dell’altra, anche nel campo dei trattamenti.
Non si potrà poi trascurare la resistenza delle lenti ad agenti chimici ed atmosferici,
cioè la capacità dei materiali oftalmici, come anche dei trattamenti, di resistere
quando vengono attaccati da alcuni acidi o di altre sostanze che è ormai facile
incontrare nelle varie attività quotidiane.
1.3 Caratteristiche comuni ai vari trattamenti
Prima di iniziare un esame dei vari tipi di trattamenti disponibili, vediamo alcune
caratteristiche comuni necessarie a tutti i trattamenti. In primo luogo un trattamento
deve avere ottime caratteristiche dal punto di vista della resistenza meccanica; deve
cioè aderire perfettamente alla lente, senza staccarsi durante un porto normale e senza
impedire una normale manutenzione.
Altrettanto importante è la facilità nella realizzazione del trattamento. E’ infatti ovvio
che un trattamento difficile da farsi richiederebbe tecnologie avanzatissime con il
rischio di un alto numero di pezzi mal realizzati; rischierebbe quindi di risultare assai
costoso per il cliente. E’ semplice in questo senso fare un confronto tra i trattamenti
antiriflesso dei telescopi astronomici, praticamente perfetti ma onerosissimi, ed i
tradizionali trattamenti nelle lenti oftalmiche. Un trattamento deve inoltre essere
perfettamente riproducibile, al fine di non sostituire entrambe le lenti quando siamo
in presenza di lenti trattate.
Il rispetto di queste condizioni, insieme alle specifiche qualità del trattamento e alla
rispondenza al compito affidatogli, sono parametri importantissimi che bisogna
tenere presente quando si vogliano migliorare le caratteristiche di partenza di un
materiale usato in una lente oftalmica.
Figure
Luce
Incidente
Luce Riflessa
Lente
Luce
Assorbita
Luce
Trasmessa
Ii
Ie