Aby podnieść właściwości optyczne soczewek okularowych ich estetykę i własności użytkowe w oftalmice używa się powłok uszlachetniających. Do najpopularniejszych zaliczamy: barwienia, utwardzania i warstwy antyrefleksyjne.

Pierwszym materiałem, z którego wykonywano soczewki okularowe na masową skale było szkło, tak, więc na nim powstały pierwsze barwienia i powłoki antyrefleksyjne (zwane powłokami AR). Dodanie specjalnych barwników do masy szklanej w trakcie wytopu szkła powodowało jego zabarwienie, Np. sole niklu i kobaltu - odcień fioletowy. W ten sposób zabarwione szkło było wykorzystywane do produkcji soczewek bezdioptryjnych (do okularów przeciwsłonecznych). W soczewkach korekcyjnych ta metoda nie zdała egzaminu gdyż barwa soczewek zmieniała się wraz z ich mocą (grubość soczewek). Druga metoda to nakładanie warstw barwnika na powierzchnię szkła metodą próżniową. Wyeliminowało to różnicę w kolorze przy różnych mocach soczewek jednak gama kolorów i ich intensywność jest niezwykle ograniczona i mało ekonomiczna.

Inaczej wygląda to przy soczewkach organicznych, jednak i tu wyróżniamy dwie metody barwienia.

1. Barwienie materiału w masie - stosowane przy masowej produkcji bezdioptryjnych soczewek przeciwsłonecznych - dodanie barwnika do monomeru przed jego odlewaniem i polimeryzacją ( tworzywa termoutwardzalne), lub barwnik dodany do granulatu przed jego formowaniem wtryskowym (tworzywa termoplastyczne, Np. poliwęglan)

2. Barwienie powierzchniowe w kąpielach barwiących ( tu wyzwaniem może być materiał średnio i wysoko indeksowy jednak wielu producentów i z tą przeszkodą radzi sobie doskonale). Polega ona na wprowadzeniu pigmentów o różnych kolorach pod powierzchnię soczewki. Barwniki wnikają w drobniutkie pory tworzywa organicznego, z którego wykonana jest soczewka. Pory te rozszerzają się w podwyższonej temperaturze i zamykają po ostudzeniu zatrzymując pigmenty na głębokości setnych milimetra. (Im ciemniejsze barwienie tym głębiej wnika pigment)

Do kąpieli barwnych można używać:

• Barwników - dobrze rozpuszczalnych w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych, jednak ich trwałość i odporność jest mniejsza z powodu słabszych oddziaływań międzycząsteczkowych.

• Pigmentów - które są nierozpuszczalnymi cząsteczkami wymagającymi procesu dyfuzji (rozproszenia) w celu ich użycia w procesie barwienia, są bardziej odporne na promieniowanie (światło, wysoka temperatura)

Soczewki barwione zarówno mineralne jak i organiczne:

- zabezpieczają oczy przed szkodliwym promieniowaniem UV, oraz ostrym promieniowaniem słonecznym i mogą być stosowane jako soczewki przeciwsłoneczne

- zmniejszają ryzyko zachorowania na zapalenie spojówek i łagodzą jego skutki

- wybrane barwy rozjaśniają obraz i zwiększają jego kontrast

- stanowią ciekawy dodatek do stroju, poprawiają ogólny wygląd i skutecznie kryją zmęczenie oczu

Soczewki barwione zalecane są przy

• Chorobach oczu wymagających ograniczenia dopływu światła (jaskra, katarakta)

• Prowadzeniu samochodu w słoneczne dni (wybrane modele )

• Aktywnej rekreacji

• W czasie silnego nasłonecznienia

Wartości użytkowe soczewek barwionych organicznych zdecydowanie polepsza proces utwardzania.

Podstawowym materiałem do produkcji soczewek okularowych jest tworzywo CR39 - niestety powierzchnię takiej soczewki niezwykle łatwo uszkodzić. Dla zwiększenia twardości materiału a tym samym polepszeniu jego właściwości użytkowych opracowano metody ich utwardzania.

Pierwszą metodą jest próżniowe nanoszenie na powierzchnię soczewki warstwy utwardzającej na bazie krzemu. Jednak powłoka nakładana tą metodą nie jest w pełni zadowalająca ze względu na małą odporność mechaniczną, pękanie i łuszczenie - zwłaszcza w warunkach szoku termicznego.

Drugą znacznie korzystniejszą metodą utwardzania soczewek organicznych jest metoda chemiczna (bardziej odporna na zarysowania i zatarcia). Z metod chemicznych najskuteczniejszą jest metoda lakierowania.

Jest to naniesienie na gotową soczewkę (również barwioną) powłoki lakieru o grubości kilku mikrometrów, a następnie poddanie jej procesowi utwardzania metodą polimeryzacji. Lakier jest krzemo pochodnym polimerem syntetycznym (silikonem) o wiele twardszym od podstawowego materiału soczewki.

Wyróżniamy dwie metody nanoszenia lakieru:

1. Spinningu - czyli nanoszenie przez wirowanie - na wirującą soczewkę nanosimy porcję lakieru, co powoduje zwilżenie tylko jednej strony soczewki; utwardzenie drugiej strony wymaga odwrócenia soczewki i powtórzenia całej operacji. Naniesiony lakier utwardzamy promieniami ultrafioletowymi.

2. Dipingu - czyli zanurzeniu soczewki w lakierze, ostrożnym wyjęciu, wysuszeniu i wygrzewaniu przez wiele godzin w podwyższonej temperaturze, co powoduje polimeryzację powłoki i jej stwardnienie. Jednocześnie utwardzamy obie strony soczewek, - co, Np. doskonale sprawdza się przy soczewkach dwuogniskowych.

Metoda dipingu składa się z następujących etapów:

• Mocowanie soczewek w uchwytach

• Mycie ultradźwiękowe

• Suszenie

• Lakierowanie

• Polimeryzacja, czyli wstępne podsuszanie lakieru

• Wyjęcie soczewek z uchwytów

• Polimeryzacja ostateczna, czyli właściwe utwardzanie lakieru na soczewce

Właściwości powłok utwardzających:

- utwardzają powierzchnię soczewek zabezpieczając je przed uszkodzeniami mechanicznymi; podnosi ich trwałość; ma współczynnik załamania światła zgodny ze współczynnikiem załamania szkła organicznego

- chroni materiał soczewki przed starzeniem (utlenianiem powierzchni) i wpływami czynników atmosferycznych

- zabezpiecza barwniki w szkłach barwionych chemicznie

- podwyższa estetykę soczewek

- nie zmienia przepuszczalności światła

- ułatwia nanoszenie dodatkowych powłok uszlachetniających

Zjawisko odbicia

Odbicie od powierzchni przedniej Odbicie od powierzchni wewnętrznych Odbicie od powierzchni tylnej

W optyce okularowej najważniejszą rolą powłoki antyrefleksyjnej jest, jak sama nazwa wskazuje, zminimalizowanie refleksów (odbić) występujących na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania światła (soczewka - powietrze). Na skutek wielokrotnego odbicia światła od obu powierzchni soczewek do oka docierają obrazy niejednoznaczne w postaci szumów informacyjnych, światła rozproszonego i przypadkowych refleksów. Zastosowanie powłok antyrefleksyjnych ma szczególne znaczenie w przypadku soczewek wysoko indeksowych, ponieważ wraz ze wzrostem współczynnika wzrasta odbicie dla każdej powierzchni (nawet powyżej 10% straty światła), a co za tym idzie straty w przejrzystości soczewek.

Powłoki antyrefleksyjne nakładane są na soczewki organiczne i mineralne, a ich barwa odbicia resztkowego zależy od:

- współczynnika załamania światła podłoża

- kąta obserwacji

- promienia krzywizny soczewki

- subiektywnego postrzegania barw przez różnych obserwatorów

- warunków obserwacji ( różne źródło światła)

Oprócz podniesienia parametrów optycznych nanoszone powłoki antyrefleksyjne mają za zadanie poprawę walorów użytkowych samej powłoki. Należy tu wymienić:

• Hydrofobowość - powłoka, która „nie lubi wody” - krople wody nie rozmazują się i swobodnie spływają z powierzchni soczewki.

• Oleofobowość - soczewki nie zatłuszczają się tak szybko i nie tracą swej przejrzystości

• Antystatyczność - dzięki której soczewka nie elektryzuje się, a co za tym idzie nie przyciąga kurzu.

Wszystkie metody nakładania powłok antyrefleksyjnych opierają się na warunkach wysokiej próżni. Wyróżniamy trzy metody wykorzystywane w przemyśle oftalmicznym:

1. Proces PVD (fizyczne odparowanie próżniowe)

W pierwszych maszynach, które stosowano do nanoszenia powłok AR na podłoże mineralne stosowano dwuelektrodowe odparowniki termiczne, pomiędzy którymi umieszczano „łódkę” z materiałem. „Łódkę” rozgrzewano napięciem ok. 24V, co pozwalało na odparowanie materiału. Niestety nie wszystkie materiały wykorzystywane do produkcji powłok AR na soczewkach organicznych można odparować w ten sposób, dlatego wprowadzono działo elektronowe, które jest źródłem elektronów przyspieszanych za pomocą wysokiego napięcia rzędu 8 kV i za pomocą magnesów kierowych na materiał znajdujący się w tygielku molibdenowym. Po podtopieniu w ten sposób materiału do odpowiedniej temperatury następuje odparowywanie materiału, który na skutek kondensacji odkłada się na powierzchni soczewek znajdujących się na obracającym się uchwycie. Przebieg procesu jest kontrolowany przez ustawienie odpowiedniego ciśnienia, temperatury podłoża, prędkości odparowywania materiału, objętości asystujących gazów oraz parametrów działa jonowego.

2. Proces CVD (chemiczne odparowywanie próżniowe)

Wykorzystujemy gazy, które dostarczane do komory próżniowej reagują z plazmą. Plazma rozdziela gaz na część, która osadza się na soczewce i na cześć, która wysysana jest z aparatu za pomocą pomp. Proces ten jest powtarzany do momentu uzyskania warstwy o żądanej grubości. Plazma jest nośnikiem energii umożliwiającym nanoszenie warstwy bez podnoszenia temperatury procesu.

3. Sputtering

Polega na przyłożeniu wysokiego napięcia do katody, na której umieszczony jest materiał do odparowania. W skutek wyładowania elektrycznego wytwarzana jest plazma, która jest nośnikiem ładunku potrzebnego do przeprowadzenia procesu. Dodatnio naładowane jony gazu przyspieszają w stronę ujemnie naładowanej katody, co powoduje wybicie cząsteczek i osadzanie ich na powierzchni soczewek.

Model nowoczesnej wielowarstwowej powłoki Ar na soczewkach organicznych

Nowoczesne powłoki AR są wielowarstwowe i oprócz dobrych parametrów optycznych mają wspomniane już własności hydrofobowe, oleofobowe czy antystatyczne, zawsze należy pamiętać o kolejności wykonywania poszczególnych uszlachetnień, aby ich właściwości zachowały najwyższą jakość (barwienie, utwardzanie, powłoka AR), przy czym do indeksu 160 utwardzanie może występować jako samodzielne uszlachetnienie soczewek organicznych, a na wszystkich soczewkach jest częścią składową powłoki AR

Bibliografia:

Materiały szkoleniowe pracowników działu sprzedaży JZO

Izooptyka Wrzesień 99

Kwiecień 2001

Czerwiec 2001

Kwiecień 2006

Marzec 2009

Czerwiec 2010

Wrzesień 2010

5

---