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DE

Ó PTICA O FTÁLMICA

© Essilor International

MATERIALES Y TRATAMIENTOS COMPENDIO DE ÓPTICA OFTÁLMICA

C OMPENDIO

Copyright © 2010 ESSILOR ACADEMY EUROPE, 13 rue Moreau, 75012 Paris, France - All rights reserved – Do not copy or distribute.

Autor Dominique Meslin Essilor Academy Europe

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ISBN 979-10-90678-11-8

9 791090 678118 Copyright © 2010 ESSILOR ACADEMY EUROPE, 13 rue Moreau, 75012 Paris, France - All rights reserved – Do not copy or distribute.

Introducción Delgadez y ligereza A Delgadez 1) Efecto del índice de refracción del material 2) Efecto de la asfericidad de las superficies 3) Efecto de la finura del retallado

p.6

B Ligereza

p.8

Los materiales orgánicos y minerales A Los materiales orgánicos 1) Los materiales orgánicos de índice básico 2) Los materiales orgánicos de índice medio 3) Los materiales orgánicos de índice alto y muy alto

p.9

B Los materiales minerales 1) Los materiales minerales estándar 2) Los materiales minerales con índices altos

p.14

Complemento: Principios de fabricación de las lentes minerales

2

p.15

Transparencia y durabilidad A Color del material

p.20

B Cromatismo del material

p.21

C Tratamiento de resistencia al arañazo 1) Principio del tratamiento de resistencia al arañazo 2) Aplicación de los tratamientos de resistencia al arañazo

p.23

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

1

p.5

Índice

Índice

Complemento: Características del fenómeno de la abrasión, evolución histórica de los tratamientos de resistencia al arañazo, medición y control de la resistencia a la abrasión p.26 D Tratamiento antirreflejante 1) Diferentes tipos de reflejos y sus efectos

p.28

Complemento: Beneficios visuales de los tratamientos antirreflejantes p.31 2) Principio del tratamiento antirreflejante 3) Características y resultados de los tratamientos antirreflejantes Complemento: El sistema colorimétrico. Franjas de interferencia en la superficie de las lentes organicas de altos indices 4) Aplicación de los tratamientos antirreflejantes E Tratamientos contra la suciedad y el polvo 1) Tratamiento contra la suciedad 2) Tratamiento contra el polvo Complemento: Tecnología de fabricación de los tratamientos antirreflejantes, contra la suciedad y contra el polvo

p.32 p.33 p.26 p.36 p.37 p.38 p.39

3 Copyright ©2010 ESSILOR ACADEMY EUROPE, 13 rue Moreau, 75012 París, Francia - Todos los derechos reservados – Difusión y reproducción prohibidas

3

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Índice

Índice Resistencia y protección A Resistencia a los impactos 1) Cómo se produce una rotura 2) Normas de resistencia a los impactos

p.42 p.43

B Protección contra la luz 1) Necesidad de proteger el ojo contra la radiación solar 2) Información general sobre las lentes con filtro

p.45 p.46

Complemento: Características de las propiedades de transmisión de una lente oftálmica 3) Lentes con filtro de transmisión fija a) Lentes solares b) Lentes que filtran los rayos ultravioleta y la luz azul c) Lentes polarizadas d) Filtros especiales Complemento: Tecnología de fabricación de lentes con filtro de transmisión fija 4) Lentes con filtro de transmisión variable a) Principio general del fotocromatismo b) Fotocromatismo y lentes orgánicas Complemento: Características de las propiedades de las lentes fotocromáticas

p.48 p.50

p.54 p.56

p.58

c) Fotocromatismo y lentes minerales Complemento: Tecnología de fabricación de las lentes con filtro de transmisión variable

4

p.61

Estética y moda A Curva

p.62

B Coloración

p.63

C Reflejos

p.63

Conclusión

p.64

Anexo: Información sobre la naturaleza y la estructura de la materia

p.65

4

3 Copyright ©2010 ESSILOR ACADEMY EUROPE, 13 rue Moreau, 75012 París, Francia - Todos los derechos reservados – Difusión y reproducción prohibidas

En las últimas décadas, los materiales y los tratamientos han experimentado una profunda evolución. Los materiales orgánicos han substituido al vidrio mineral, el uso de tratamientos de resistencia al arañazo y antirreflejantes se ha generalizado y han aparecido nuevos Materiales y Tratamientos. Las lentes oftálmicas tienen una estructura compleja. Son fruto de la combinación de un material con una serie de tratamientos que responden a necesidades especificas: finura, ligereza, transparencia, durabilidad, resistencia, protección, estética... Asimismo, una lente oftálmica puede contar con hasta una veintena de capas colocadas sobre sus superficies anterior y posterior (figura 1). Los materiales y los tratamientos forman un conjunto indisociable. A pesar de que el material tiene como función esencial garantizar la corrección óptica, tiene también por objeto servir de sustrato para los diferentes tratamientos. El estudio de los materiales no puede separarse del estudio de los tratamientos y, también al contrario, los tratamientos no pueden estudiarse independientemente de los materiales a los que irán asociados. Por este motivo, "Materiales y Tratamientos" se han unido aquí en un único cuaderno. Para ofrecer un resumen estructurado, todas las nociones presentadas en este cuaderno se tratan en primer lugar desde el punto de vista de las necesidades del usuario de las lentes y, a continuación, se abordan las soluciones técnicas que responden a dichas necesidades. De este modo, el cuaderno se divide en cuatro partes: I) Delgadez y ligereza II) Transparencia y durabilidad III) Resistencia y protección IV) Estética y moda En cada una de estas partes, se describen primero las necesidades y expectativas de los usuarios, y a continuación, se presentan las técnicas de diseño y fabricación utilizadas. El cuaderno "Materiales y Tratamientos" del "Compendio de Óptica Oftálmica" tiene por objeto presentar de manera resumida las nociones esenciales de la composición y diseño interno de las lentes. Le invitamos a tomar parte en un apasionante viaje al corazón de las lentes oftálmicas.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los materiales y los tratamientos constituyen la parte fundamental de las lentes oftálmicas, ya que garantizan la corrección óptica y ofrecen confort visual. Más concretamente, los materiales, junto con la geometría de las superficies, son los responsables de la función óptica de la lente, mientras que los tratamientos aportan el confort visual y ofrecen a las lentes múltiples propiedades. En conjunto, tienen la función de hacer olvidar a los usuarios que llevan lentes correctoras.

Introducción

Introducción

Antimanchas

Antirreflejante

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Antirayado

Antiruputura Coloración (opcional) Material Figura 1: Estructura de una lente oftálmica.

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Delgadez y ligereza

1. Delgadez y ligereza Desde que existen las lentes, los fabricantes no han cesado en su empeño de hacerlas cada vez más finas y ligeras en respuesta a las exigencias de los usuarios. Los índices de refracción de los materiales se han elevado, las superficies de las lentes se han hecho cada vez más asféricas, el retallado de las lentes se ha minimizado y, sobre todo, los pesados materiales minerales se han substituido por los ligerísimos materiales orgánicos. En efecto, para ofrecer lentes tanto estéticas, por su delgadez, como cómodas, por su ligereza, deben combinarse numerosos parámetros. Detallemos a continuación los principales parámetros que permiten conseguir lentes más finas y ligeras.

A Delgadez El espesor de una lente es fruto de la combinación de 3 factores: el índice de refracción del material, la asfericidad de las superficies y la finura del retallado aplicado.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

1. Efecto del índice de refracción del material Es el principal factor que permite reducir el grosor de una lente. Para una potencia dada, cuanto mayor es el índice de refracción del material, más delgada es la lente. Más concretamente, cuanto mayor es el índice, más capacidad tiene el material para desviar la luz y más planas pueden ser las curvaturas de las caras anterior y posterior de la lente para producir una potencia óptica dada y, por consiguiente, más fina es la lente.

Para una lente de potencia -6,00 D de 65 mm de diámetro, emplear un material con un índice de 1,6, y con un grosor en el centro idéntico, permite reducir el grosor en el borde 1,5 mm más que la misma lente realizada con un material con un índice de 1,5 (7,5 mm frente a 9,0 mm). La asfericidad añade una reducción adicional de 0,4 mm y hace que la lente sea ligeramente más plana. El retallado fino permite ganar 0,8 mm más (1,2 mm frente a 2,0 mm). En total, la reducción de grosor es de 2,7 mm (6,3 mm frente a 9,0 mm), es decir, del 30%.

Índice de refracción – definición El índice de refracción compara la velocidad de propagación de la luz en un medio transparente con la velocidad de propagación en el vacío. Asimismo, mide la capacidad de un medio transparente para refractar (es decir, para desviar) la luz en la frontera que separa dos medios (dioptrio). Así pues, el índice de refracción mide la capacidad del material para producir un efecto óptico. El índice de refracción de un medio transparente es la relación n=c/v entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío (c) y la velocidad de propagación de la luz en dicho medio (v). Dicho índice es un número (sin unidad y siempre superior a 1) que cuantifica el poder refractante del medio. Cuanto más elevado es el índice de refracción, mayor es la desviación de un haz de luz que pasa del aire a dicho medio. Los índices de refracción de los materiales empleados en óptica oftálmica varían de 1,5, para los materiales más tradicionales, hasta 1,76 (vidrio orgánico) y 1,9 (vidrio mineral), para los materiales más recientes (véase la tabla de materiales).

1) Efectos del índice de refracción

2) Efectos de la asfericidad

La asfericidad de las superficies es un factor indirecto de reducción del grosor, que permite realizar lentes más planas y, por consiguiente, más finas. Más específicamente, la asfericidad permite utilizar bases, o curvaturas de la cara anterior, más planas sin alterar las cualidades ópticas de la lente. En las lentes convexas, la flecha de la superficie anterior (es decir, su altura) se reduce y el grosor en el centro de la lente puede reducirse ligeramente acercando la superficie posterior. Además, el aplanamiento global de la lente ayuda a dar la sensación de finura. En las lentes cóncavas, ya planas de por sí, el efecto de la asfericidad en el grosor es menor, pero sigue siendo significativo. Esta asfericidad óptica no debe confundirse con la asfericidad geométrica, una especie de redondeo periférico que, en ocasiones, se realiza en los bordes de las lentes con grandes potencias y que tiene que ver más con la geometría que con la óptica.

3) Efectos del retallado

Figura 2a: Efectos del índice de refracción (1), la asfericidad (2) y del retallado (3) en una lente de potencia -6,00 D.

3. Efecto del retallado Un factor importante en la reducción del grosor de una lente es la capacidad del fabricante para conseguir un retallado muy fino. En función de las propiedades mecánicas del material (rigidez y solidez) las posibilidades varían considerablemente. El grosor mínimo que se puede obtener en el centro de una lente cóncava puede variar de 1,0 mm a más de 2,0 mm según los materiales y las potencias. De la misma manera, el grosor mínimo en el borde de una lente convexa, en el punto más fino, puede variar de menos de 0,5 mm a más de 1,0 mm.

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2. Efecto de la asfericidad de las superficies

Delgadez y ligereza

En las mismas condiciones, la reducción de grosor en el centro de una lente de potencia +4,00 D y 65 mm de diámetro obtenida gracias a un material con un índice de 1,6 es de 0,6 mm. La ganancia adicional que ofrece la asfericidad es de 0,2 mm y viene acompañada por un claro aplanamiento de la lente. Finalmente, el retallado fino aporta una ganancia de 0,5 mm. En total, la reducción de grosor es de 1,3 mm (4,1 mm frente a 5,4 mm), es decir, del 25%.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Por otro lado, el grosor de la lente varía también en función del tipo de montura empleada: - para un montaje con montura, se recomienda un grosor mínimo en el borde de 0,8 mm para el biselado de la lente; - para un montaje de tipo nylor, el grosor en el borde necesario para efectuar la hendidura de la lente es, como mínimo, de 1,6 mm para una montura de hilo de nylon y de 2,2 mm para una montura de hilo de metal; - para un montaje de tipo montura al aire, el grosor mínimo requerido en los puntos de taladro es de 1,5 mm para una lente de policarbonato, de 1,8 mm para una lente de alto índice y de 2,3 mm para una lente de CR39 tradicional. Cabe destacar que estos valores son los mínimos que deben respetarse y que, por lo general, se aconseja añadir entre 0,2 y 0,3 mm. Finalmente, y como el grosor que importa es el de las lentes biseladas, la elección de la montura por parte del óptico y la optimización del grosor de las lentes desempeñan un papel importante. Para obtener lentes más finas, la montura debe escogerse de manera que la lente tenga el diámetro mínimo necesario para realizar el centrado, es decir, que debe ser de pequeño tamaño, de forma redondeada y con una distancia parecida a la distancia interpupilar del usuario. Además, las lentes deben estar "precalibradas", es decir, tener un grosor calculado y minimizado exactamente de acuerdo con la montura y el centrado; esta técnica es particularmente eficaz para reducir el grosor de las lentes convexas.

1) Efectos del índice de refracción

Figura 2b: Efectos del índice de refracción (1), la asfericidad (2) y del retallado (3) en una lente de potencia +4,00 D.

Ni que decir tiene que, utilizando un índice de refracción más elevado y superficies más asféricas, la reducción de grosor sería aún mayor: con un índice de 1,74, y en relación con el índice de 1,5, sería de 3,8 mm (5,2 mm frente 9,0 mm) para la lente de -6,00 D y de 2,7 mm (2,7 mm frente a 5,4 mm) para la lente de +4,00 D, lo cual equivale a una reducción de cerca del 50%. Además, una elección cuidadosa de la montura y el precalibrado de las lentes permitirían reducir aún más el grosor.

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3) Efectos del retallado

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2) Efectos de la asfericidad

Figura 3: Efecto del precalibrado en las lentes.. En resumen, el espesor de una lente es fruto de la combinación de varios factores. La elección de un material de índice elevado permite ganar diversos milímetros, el uso de la asfericidad amplía dicha reducción en varias décimas de milímetro y la finura del retallado aplicado puede hacer ganar varias décimas más. En total, entre una lente esférica con un índice de 1,5 y una lente asférica con un índice de 1,74, el grosor se reduce un 50% de media. Asimismo, la elección de la montura y el precalibrado de las lentes se suman a los efectos anteriores y ofrecen una ganancia adicional del orden de un milímetro. De esta manera, la suma de la pericia del fabricante y el óptico permitirá ofrecer a los usuarios lentes biselades más finas y, por lo tanto, más estéticas.

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Delgadez y ligereza MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B Ligereza La ligereza de una lente es fruto de la combinación de su espesor y de la ligereza del material empleado en su fabricación. Más concretamente, la combinación del volumen de la lente y la densidad del material determina el peso de la lente. El volumen de la lente depende de la geometría de sus superficies, de la forma y el calibre de la montura, y del grosor necesario para garantizar la resistencia de la lente y permitir su montaje (grosores mínimos en el centro de las lentes cóncavas o en el borde de las lentes convexas). La densidad, a su vez, depende de la naturaleza del material y de su composición química, y varía considerablemente de un material a otro. Va de 1,1 para los materiales orgánicos más ligeros a cerca de 4,0 para los materiales minerales más pesados (véase la tabla de materiales). En general, cuanto más elevado es el índice de refracción de un material, mayor es su densidad, ya que el aumento del índice de refracción se obtiene introduciendo átomos pesados en la estructura química del material. Por lo tanto, las lentes más ligeras se obtienen combinando de la mejor manera posible el espesor de la lente y la ligereza del material, es decir, optimizando simultáneamente el grosor (índice + asfericidad + retallado) y la densidad.

Densidad absoluta y densidad relativa de un material – definiciones: La densidad absoluta es un valor que cuantifica la masa por unidad de volumen de un material. Se define como la relación entre la masa y su volumen, y se expresa generalmente en gramos por centímetro cúbico (g/cm3). La densidad relativa es la relación entre la densidad absoluta de una sustancia y la densidad absoluta de otra sustancia tomada como referencia (el agua en el caso de los sólidos y los líquidos), por lo que se expresa como un número sin unidad. Debido a que la densidad absoluta del agua, elegida como sustancia de referencia, es de 1 g/cm3, su densidad relativa coincide con su densidad absoluta. La densidad absoluta da una medida precisa del peso del material, pero sólo ofrece una estimación aproximada del peso de la lente. No puede utilizarse como único dato para comparar lentes. Solamente el peso de la lente cortada, que es una combinación de su volumen exacto y la densidad absoluta del material, ofrece una comparación precisa y pertinente.

a) Materiales orgánicos: Denominaciones comerciales

Índice de refracción (ne / nd)

Índice bajo

Orma® (Essilor)

1,502 / 1,500

58 / 58

1,32

355 nm

Índice bajo

Trivex® (PPG)

1,533 / 1,530

43 / 44

1,11

395 nm

Índice medio

Airwear® (Essilor) 1,591 / 1,586

31 / 31

1,20

385 nm

Índice medio

Ormix®/ Thin & Lite 1,60 (Essilor)

1,596 / 1,592

41 / 42

1,31

400 nm

Stylis®/ Thin & Lite 1,67 1,665 / 1,660 (Essilor)

32 / 32

1,36

400 nm

Lineis®/ Thin & Lite 1,74 (Essilor)

33 / 33

1,47

400 nm

Categorías

Índice alto

Índice muy alto

1,734 / 1,728

Constringencia Densidad (ve / vd)

Corte UV

b) Materiales minerales: Categorías

Denominaciones comerciales

Índice de refracción (ne / nd)

Índice bajo

Stigmal 15 (Essilor)

1.525 / 1,523

59 / 59

2,61

330 nm

Índice medio

Stigmal 16 (Essilor)

1,604 / 1,600

41 / 42

2,63

335 nm

Índice alto

Fit 40 (Essilor)

1,705 / 1,701

41 / 42

3,21

335 nm

Índice muy alto

Stigmal 18 (Essilor)

1,807 / 1,802

34 / 35

3,65

330 nm

Índice muy alto

19 (BBGR)

1,892 / 1,885

30 / 30

3,99

340 nm

Constringencia Densidad (ve / vd)

Corte UV

Figura 4: Tabla de los principales materiales.

En resumen, los materiales con un índice de refracción elevado, una densidad baja y que admiten un retallado fino son los que permiten realizar las lentes más finas y ligeras. En este sentido, los materiales orgánicos con índices elevados, y especialmente el policarbonato, son los materiales que, a día de hoy, ofrecen la mejor respuesta.

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Para satisfacer cada vez con mayor eficacia la demanda de lentes finas y ligeras, permanentemente se realizan estudios sobre la química de los materiales. Dichos estudios han permitido desarrollar el uso de materiales nuevos y, en cuestión de varias décadas, han transformado profundamente la industria de la óptica oftálmica. Pero sobre todo han permitido, para alegría de los usuarios, reducir en prácticamente la mitad el peso y el grosor de las lentes correctoras. A continuación se describen las características de estos materiales.

A Los materiales orgánicos Aplicados en óptica oftálmica desde los años 60, los materiales orgánicos (o plásticos) han ido substituyendo progresivamente a los materiales minerales (o cristales) y en la actualidad representan más del 90% de los materiales empleados. Además de sus cualidades intrínsecas de ligereza y resistencia a los impactos, se han ido eliminando poco a poco todos los escollos que ponían freno a su desarrollo: mejora de la resistencia al rayado gracias a tratamientos de dureza; menor grosor gracias a materiales de índice elevado; mayor fiabilidad de los tratamientos antirreflejantes gracias a las nuevas tecnologías de aplicación al vacío; disponibilidad de versiones fotocromáticas gracias a la agregación en superficie, etc. Hoy en día, se han convertido en los materiales de referencia de la óptica oftálmica.

Los materiales termoplásticos tienen la propiedad de ablandarse bajo la acción del calor, por lo que se les puede dar forma en caliente o moldearlo por inyección. Al ser la transformación mecánica, y no química, es reversible y permite que estos materiales sean reciclables. Los materiales termoplásticos son empleados en numerosas industrias, sin embargo sólo el policarbonato ha sido aplicarlo con éxito en la fabricación de lentes oftálmicas.

Por lo general, los materiales orgánicos se dividen en dos grupos:

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- Los materiales termoendurecibles: Los materiales termoendurecibles son productos cuya transformación química, bajo el efecto del calor, deriva en compuestos macromoleculares tridimensionales duros y rígidos. Están formados por cadenas moleculares relativamente cortas y muy reactivas que se unen químicamente. Bajo el efecto del calor, se produce una reacción química, denominada reticulación o cocción, que crea vínculos rígidos entre todas las moléculas presentes para formar una red tridimensional. La estructura reticulada resultante confiere al material propiedades particulares de estabilidad química y resistencia mecánica. La molécula básica, o monómero, se presenta en forma líquida y tiene la propiedad de poder polimerizarse bajo la acción del calor o los rayos ultravioleta y/o un catalizador. Esta reacción de polimerización consiste en el encadenamiento de moléculas idénticas del monómero para dar origen a una nueva molécula, el polímero, de naturaleza, dimensiones y propiedades diferentes. La materia pasa del estado de monómero líquido al estado de polímero sólido. Esta transformación es química y, por lo tanto, irreversible. En cuanto el monómero se polimeriza, el material se vuelve duro, infusible, insoluble, resistente a los impactos y a los productos químicos, y dimensionalmente estable. A este grupo de materiales termoendurecibles pertenecen la mayoría de los materiales empleados en óptica oftálmica, empezando por el CR39®.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los materiales orgánicos y los materiales minerales

Los materiales orgánicos y los materiales minerales

Figura 5: Materiales termoendurecibles y materiales termoplásticos.

Algunos materiales, de aparición más reciente, combinan las características de las resinas termoendurecibles y las resinas termoplásticas.

- Los materiales termoplásticos: Los materiales termoplásticos se forman apilando largas cadenas moleculares lineales o ligeramente ramificadas y entremezcladas las unas con las otras, pero no unidas entre sí. Sólo su enredamiento y las pequeñas fuerzas intermoleculares es lo que da a estos materiales el aspecto de sólido, porque, en realidad, las cadenas no están unidas entre sí de manera química. Esta estructura molecular más libre le confiere excelentes cualidades de resistencia a los impactos, ya que las cadenas pueden desplazarse unas respecto de otras y absorber así la energía de los impactos.

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Los materiales orgánicos y los materiales minerales

El CR39®

El Trivex®

Tras varios infructuosos intentos de desarrollar lentes con materiales termoplásticos (lentes Igard® de PMMA o Plexiglas®, hacia 1940) y materiales termoendurecibles (lentes Orma® 500, hacia 1950), el CR39®(*) se convirtió en el material orgánico de referencia de la óptica oftálmica. El alil diglicol carbonato, conocido con el nombre de CR39®, es el material básico empleado en la fabricación de la mayoría de las lentes orgánicas. Descubierto durante la Segunda Guerra Mundial por los químicos de la Columbia Corporation (una división de la empresa norteamericana PPG o Pittsburg Plate Glass), su nombre se debe a que fue la "Columbia Resin" n.° 39 de una serie de monómeros estudiados por dichos químicos para las fuerzas aéreas de los EE. UU. Fue aplicada por primera vez en la fabricación de lentes correctoras en los años 1955 a 1960 por la empresa LOR (Lentilles Ophtalmiques Rationnelles), una de las empresas originarias de Essilor, y permitió la introducción de las lentes Orma® 1000 (de Organic Material, hoy en día conocidas simplemente como Orma®), las primeras en conjugar ligereza y resistencia a los impactos. El CR39® es una resina termoendurecible, por lo que se presenta en forma de monómero líquido que puede verterse en moldes y endurecerse (es decir, polimerizarse) bajo el efecto del calor y un catalizador. Han hecho falta muchos años de investigación para desarrollar y dominar su proceso de fabricación. El CR39® tiene muchas ventajas para la óptica oftálmica que han favorecido su éxito en detrimento de los materiales minerales, a saber, un índice de refracción de 1,5 (cercano al del vidrio mineral tradicional), una densidad de 1,32 (casi la mitad que el vidrio mineral), una constringencia de 58-59 (es decir, muy poco cromatismo), una gran resistencia a los impactos, una excelente transparencia y múltiples posibilidades de coloración y de tratamiento. Aunque puede utilizarse tal cual, el CR39® es sensible al rayado, por lo que se recomienda aplicar algún tratamiento de endurecido en sus superficies. Su tratamiento antirreflejante ha experimentado grandes avances técnicos (véase la parte II de este cuaderno). Su aplicación para el biselado y el montaje por parte de los ópticos es muy fácil.

El Trivex®(**), introducido después del año 2000 por PPG Industries Inc y comercializado con diferentes nombres de lentes, es un material clasificado como "casi termoendurecible" que combina las cualidades de las resinas termoendurecibles y termoplásticas. Desarrollado originariamente para las viseras de los cascos del ejército, se presenta en forma de monómero líquido para polimerizar, igual que las resinas termoendurecibles. Sin embargo, su particular estructura química permite controlar el nivel de interconexión de las moléculas durante la polimerización, lo cual le confiere cualidades parecidas a las de una resina termoplástica. El Trivex® reúne tres cualidades que responden a las expectativas de los usuarios de lentes oftálmicas: calidad óptica, ligereza y seguridad (de ahí su nombre de Trivex®). La calidad óptica le viene de la pureza del monómero, de la transparencia y bajo cromatismo del material (constringencia ν = 43 a 45) y de la facultad del material para recibir los tratamientos antirrayado y antirreflejante. La ligereza la obtiene de la bajísima densidad del material (d = 1,11) combinada con un índice de refracción más elevado que el del CR39® (ne = 1,533, nd = 1,530), y también de que el material admite un retallado muy fino (grosor mínimo de 1,0 mm en el centro de las lentes cóncavas). Finalmente, la seguridad se la aporta la gran resistencia del material a los impactos y su alta protección natural contra los rayos ultravioleta (corte UV de 395 nm). El Trivex® es un material sensible al rayado que requiere un tratamiento antirrayado sistemático de sus dos caras. También puede colorearse, pero para ello requiere el uso de técnicas adaptadas. Su biselado y ranurado es especial y exige el uso de funciones específicas sobre las biseladoras. La perforación y el montaje son relativamente fáciles.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

1. Los materiales orgánicos de índice básico (1,48 ≤ n < 1,54)

Figura 6: Molécula de CR39®

Figura 7: Estructura química del Trivex® (Fuente: PPG).

(*) CR39® es una marca registrada de PPG Industries Ohio, Inc.

(**) Trivex es una marca registrada de PPG industries.

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Resinas termoplásticas: el policarbonato. Empleados en los años 50 para la fabricación de las primeras lentes orgánicas, los materiales termoplásticos, como el PMMA o el Plexiglas®, resultaron ser muy poco resistentes a la abrasión y fueron substituidos rápidamente por el CR39®. Sin embargo, a partir de los años 1995-2000, experimentaron un nuevo impulso gracias al desarrollo del policarbonato y, más específicamente, del Airwear®. El policarbonato es un material relativamente viejo (apareció hacia 1955) que no fue usado realmente en óptica oftálmica hasta los años 90. Gracias a las numerosas mejoras de las que fue objeto, en especial por su uso en la industria del disco compacto, ofrece una calidad óptica totalmente comparable a la del resto de materiales orgánicos. Desde el punto de vista químico, el policarbonato pertenece a la familia de los policarbonatos aromáticos. Es un polímero lineal de estructura amorfa cuyo esqueleto carbonado está formado por una sucesión de secuencias de carbonato (-O-C=O-) y fenol (-C6H5OH). En la mayoría de los casos, se obtiene mediante la reacción química siguiente, denominada policondensación:

Los materiales orgánicos y los materiales minerales MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los materiales orgánicos de índice medio están en auge actualmente. Comparados con el CR39® tradicional, permiten fabricar lentes más finas y ligeras. Por lo general, tienen una densidad ligeramente inferior a la del CR39® (entre 1,20 y 1,32), un cromatismo más elevado (constringencia entre 31 y 42) y una mayor sensibilidad al calor, y ofrecen una mejor protección contra los rayos ultravioleta. Estos materiales son muy sensibles al rayado y requieren un tratamiento de endurecido sistemático en sus superficies. Pueden colorearse o recibir un tratamiento fotocromático mediante la colocación de una capa específica. Se recomienda especialmente un tratamiento antirreflejante. La mayoría de estos materiales son termoendurecibles. Únicamente el policarbonato es un material termoplástico. Empezaremos presentando este último material para pasar a explicar luego la familia de termoendurecibles de índice medio.

El policarbonato presenta ventajas que lo hacen particularmente interesante para la óptica oftálmica: una excelente resistencia a los impactos (la más elevada de todos los materiales oftálmicos), un índice de refracción elevado (ne = 1,591 / nd = 1,586), una gran ligereza (densidad = 1,20), la posibilidad de ser retallado fino (hasta 1,0 mm en el centro de las lentes cóncavas), una protección eficaz frente a los rayos ultravioleta (gracias a un aditivo que ofrece un corte UV de 385 nm) y una gran resistencia al calor (punto de ablandamiento, o de transición vítrea, Tg superior a 140 °C). Como todos los materiales orgánicos de índice medio, el policarbonato es un material sensible al rayado que debe llevar por fuerza un tratamiento endurecido. Su constringencia es relativamente baja (νe = 31, νd = 31), pero esto no tiene consecuencias para la mayoría de las prescripciones. Sus posibilidades de coloración y tratamiento son parecidas hoy en día a las del resto de materiales orgánicos. Como el policarbonato es por naturaleza difícil de tintar en superficie, la coloración se obtiene esencialmente por impregnación de un barniz tintable aplicado en la superficie posterior de la lente o atacando con rayos UV la superficie para permitir la difusión de colorantes en el material. El tratamiento antirreflejante se realiza de manera análoga al resto de materiales orgánicos. En cambio, el tallado y montaje de las lentes de policarbonato sí que es peculiar, ya que tiene que biselarse en seco, necesita ciclos adaptados y tienen que pulirse los cantos de las lentes.

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2. Los materiales orgánicos de índice medio (1,54 ≤ n < 1,64)

Figura 8: Resina termoplástica: molécula de policarbonato.

CH3 n HO

C CH3

CH3 OH

C CH3

O

C O

n

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a

El índice de refracción de un material orgánico puede aumentarse con cualquiera de las dos técnicas siguientes: - modificando la estructura molecular del material inicial, por ejemplo, al introducir estructuras aromáticas; - añadiendo átomos pesados, como el azufre, en una molécula inicial. Cabe decir que la introducción de átomos de tipo metálico o halógeno, técnica empleada en su día, ha dejado de realizarse porque provocaba un fuerte amarilleo de los materiales.

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La mayoría de los materiales orgánicos de índice elevado disponibles hoy en día son resinas termoendurecibles. Al prepararlas, los químicos se enfrentan a una ley física ineludible que vincula el índice de refracción, la dispersión cromática y la densidad del material. Por lo general, cuanto más elevado es el índice, más fuerte es la dispersión cromática y más pesado es el material. Por eso, a la hora de desarrollar nuevos materiales, los químicos buscan siempre la mejor combinación de estas tres características, sin olvidar el resto de propiedades esenciales del material, como la sensibilidad al calor, la tendencia a amarillear, la posibilidad de aplicar distintos tratamientos y la facilidad para biselarlos, ranurarlos y perforarlos.

b

Los primeros materiales orgánicos de índice elevado aparecieron en los años 80 y 90, y pertenecían a la familia de los alílicos. El aumento del índice se obtenía añadiendo funciones cíclicas (grupos aromáticos de tipo bencénico) en el interior de una molécula inicial de CR39®. Este proceso dio lugar a una familia de lentes de índice medio, n = 1,54 - 1,57, constringencia comprendida entre 36 y 43 y densidad del orden de 1,20. El material Ormex® (ne = 1,561 / nd = 1,558, νe = 37 / νd = 37, d = 1,23) pertenece a esta categoría. Como esta primera técnica sólo permitía aumentar el índice de refracción de forma limitada, los químicos se interesaron por la familia de los tiouretanos y por la química del azufre. La asociación de funciones tiol y funciones isocianato permitió el nacimiento, a partir de los años 1990/2000, de materiales de índice comprendido entre 1,58 y 1,61, con una constringencia que variaba entre 30 y 40 y una densidad de 1,30 a 1,40. El Ormil®, reemplazado más tarde por el Ormix®, y el Thin&Lite® 1,60 son ejemplos de este tipo de materiales.

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Los materiales orgánicos y los materiales minerales MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Resinas termoendurecibles:

Figura 9: Resina termoendurecible de índice medio, ejemplos de la molécula a) de Ormex® b) de Ormil®.

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Para obtener un índice de refracción más elevado, mediante la química de los tiouretanos, se emplearon tioles más ricos en azufre asociados a funciones isocianato. De esta manera, el índice de refracción pudo elevarse hasta 1,67, lo cual permitió el desarrollo del material Stylis®/Thin&Lite® 1,67. Cabe decir que, debido a su particular composición química, los materiales resultantes de la química de los tiouretanos (Ormix® y Stylis® / Thin&Lite® 1,60 y 1,67) se adaptan especialmente bien al ranurado y a la perforación. Finalmente, para elevar aún más el valor del índice de refracción, los químicos se interesaron por la química de los episulfuros, que permiten introducir átomos de azufre en mayores concentraciones. Así, aparecieron los materiales de índice muy elevado (n ≥ 1,74), como el Lineis® / Thin&Lite® 1,74. Sin embargo, cabe decir que, aunque estos materiales permiten fabricar lentes extremadamente finas, son más sensibles al calor, se rompen más fácilmente y son más difíciles de tintar. a

Orma®

Ormix® / Thin&Lite® 1,6

Stylis® / Thin&Lite® 1,67

Lineis® / Thin&Lite® 1,74

Carbono %

65

54

48

36

Oxígeno %

25

8

10

1

Azufre %

-

7

8

-

Soufre %

-

24

29

58

Hidrógeno %

10

7

5

5 1,74

Índice

1,5

1,6

1,67

Constringencia

58

41

32

33

Densidad

1,32

1,31

1,36

1,47

80°C

115°C

85°C

80°C

Tg (Temperatura de transición vítrea)

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Figura 11: Composición química de los materiales orgánicos.

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b

El desarrollo de un nuevo material es complejo, ya que no debe centrarse únicamente en la optimización de las características básicas (índice de refracción, constringencia y densidad), sino también en el control del resto de sus propiedades fisicoquímicas, en particular, su capacidad para ser retallado (mediante retallado tradicional y retallado digital), convertido en fotocromático, tintado, polarizado, tratado con procesos antirrayado y antirreflejantes y, finalmente, cortado, ranurado, perforado o muescado para ser montado. Huelga decir que, con el desarrollo de los conocimientos y los avances en química, los materiales están en un constante proceso de evolución y optimización. De esta manera, los trabajos de investigación en óptica oftálmica se dedican en gran medida a la química de los materiales, y los fabricantes de lentes oftálmicas están tan especializados en química como en óptica.

Los materiales orgánicos y los materiales minerales

En resumen, el aumento del índice de refracción de los materiales orgánicos se obtiene básicamente introduciendo átomos de azufre en el interior de diferentes familias de moléculas. De esta manera, y tal como muestra la siguiente tabla de composición química de los materiales, cuanto más elevada es la proporción de azufre mayor es el índice de refracción del material. La presencia de azufre en la composición de los materiales orgánicos de índice elevado explica el particular olor que se desprende al biselar las lentes.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

3. Los materiales orgánicos de índice elevado (1,64 ≤ n < 1,74) y muy elevado (n ≥ 1,74)

Figura 10: Resinas termoendurecibles de índice elevado y muy elevado: a) Stylis® / Thin&Lite® 1,67 b) Lineis® / Thin&Lite® 1,74

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Los materiales orgánicos y los materiales minerales MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B Los materiales minerales Durante varios siglos, desde el origen de la óptica hasta mediados del siglo XX, las lentes minerales fueron los únicos materiales empleados en óptica oftálmica. En cuestión de décadas, sin embargo, han sido destronados y substituidos por los materiales orgánicos. La lente mineral es un material sólido y amorfo (es decir, de estructura no periódica). Es duro y quebradizo a temperatura ambiente, y adquiere un estado viscoso a altas temperaturas. Se obtiene mediante la fusión, a unos 1500 °C, de una combinación de óxidos, como los de silicio (principal óxido empleado, ya que representa alrededor del 65% del material), calcio, sodio, potasio, plomo, bario, titanio, lantano, etc. La lente mineral no tiene una estructura química regular y, por lo tanto, no tiene un punto de fusión preciso en el que pase bruscamente de estado sólido a estado líquido. Además, con temperaturas elevadas, la lente se reblandece y pasa progresivamente de estado sólido a estado líquido, pasando por un estado denominado "vítreo" que se caracteriza por la ausencia de cristales. Esta exclusiva particularidad permite trabajar con el material en caliente y, por lo tanto, moldearlo. Desde el punto de vista de la óptica oftálmica, los materiales minerales presentan dos interesantes propiedades. Por un lado, transmiten la luz visible y, por otro, su superficie puede pulirse para hacerla transparente y no difusora.

El problema es que, al aumentar el índice, también aumenta la densidad del material, por lo que, aunque la lente es más delgada, acaba pesando lo mismo. Por consiguiente, una lente mineral, sea cual sea su índice, pesa por lo menos dos veces más que una lente orgánica. En cuanto al grosor, los nuevos materiales orgánicos de índice muy elevado permiten fabricar lentes con una finura comparable a la de las clásicas lentes minerales de índice alto (n = 1,7). Sin embargo, para correcciones muy fuertes, los materiales minerales de índice muy alto (n = 1,8 o n = 1,9) tienen una innegable ventaja de menor espesor respecto a las lentes orgánicas.

1. Los materiales minerales estándar El vidrio mineral de índice 1,5 es el material tradicional de la óptica oftálmica. Está formado en un 60-70% por óxido de silicio y, el resto, por componentes diversos, como óxido de calcio, de sodio o de boro. El vidrio mineral de índice 1,6 es el material mineral estándar. Su índice más elevado se obtiene añadiendo a la mezcla una proporción significativa de óxido de titanio. Por lo general, tendemos a clasificar los materiales minerales en 2 categorías en función de su composición química: - Los materiales sodocálcicos, que contienen proporciones importantes de sodio y calcio. Son materiales tradicionales en el mundo de la óptica. Su índice de refracción es un poco más elevado (ne = 1,525 / nd = 1,523) y su dispersión cromática es baja (constringencia del orden de 60); - Los borosilicatos, que contienen una gran cantidad de boro. Son materiales empleados para fabricar lentes fotocromáticas y lentes minerales de índice medio (ne = 1,604 / nd = 1,600)

2. Los materiales minerales con índices altos Los fabricantes de lentes han querido aumentar siempre el índice de refracción de los materiales para reducir el grosor de las lentes, pero manteniendo el cromatismo en niveles bajos. Para ello, se introducen átomos de metales o de tierras raras (plomo, titanio, lantano, etc.) en la composición del material. De esta manera, aparecieron, hacia 1975, las lentes de titanio de índice 1,7 y constringencia 41; posteriormente, alrededor de 1990, surgieron las lentes de lantano de índice 1,8 y constringencia 34; y, finalmente, hacia 1995, aparecieron las lentes de columbio de índice 1,9 y constringencia 30. Estos materiales permiten fabricar lentes más finas, pero sin reducir significativamente su peso.

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La fabricación de las lentes oftálmicas se realiza de 2 maneras: - Fabricación en “serie”, para producir en grandes cantidades las lentes acabadas más utilizadas (unifocales esféricas y asféricas) y para producir lentes semiacabadas, es decir, lentes gruesas con la cara anterior acabada y cuya cara posterior se retallará al gusto del cliente (véase figura). - Fabricación según “prescripción” • ya sea a partir de una lente semiacabada: la operación consiste en retallar la cara posterior según la corrección óptica del usuario y aplicar a la lente los diferentes tratamientos superficiales (coloración, antirrayado, antirreflejante, antisuciedad, etc.). • ya sea mediante retallado directo de las 2 caras de la lente o mediante polimerización directa, seguida de las diferentes operaciones de tratamiento de las superficies.

TERMINADO

SEMITERMINADO

FÁBRICA

FÁBRICA

La fabricación en serie se realiza a gran escala en plantas de producción (alrededor de 2/3 de las lentes). Por su parte, la fabricación según prescripción se efectúa de forma individual en los laboratorios de acabado (1/3 de las lentes). El número de combinaciones posibles, a saber, de correcciones ópticas, Materiales y Tratamientos, es muy elevado (unos 5000 millones aproximadamente). Ello hace que organizar la fabricación de las lentes sea algo muy complejo. Una de las grandes bazas de la industria de la óptica oftálmica es saber gestionar una cadena logística de producción muy compleja que permite fabricar lentes a medida a muy gran escala, y es que, cada año, se producen en el mundo unos 1000 millones de lentes.

LABORATORIO

(COLORACIÓN) ANTIRAYADO ANTIRREFLEJANTE

STOCK

RETALLADO

ANTIRREFLEJANTE

TALLER

TALLER

(COLORACIÓN) ANTIRAYADO

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Principios de fabricación de las lentes

Complemento

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MONTAJE

PROFESIONAL DE LA SALUD

PROFESIONAL DE LA SALUD

BISELADO

Figura 12: Principio general de la fabricación de lentes.

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A) Principios de fabricación de las lentes orgánicas 1. Fabricación en “serie” Como veremos a continuación, el método de fabricación varía considerablemente en función de si la resina empleada es termoendurecible o termoplástica.

Resinas termoplásticas

Tomemos como ejemplo el CR39. La industria química suministra este monómero en forma líquida, que luego pasa por las etapas de fabricación siguientes: - Preparación del monómero: filtración, desgasificación y agregación de un catalizador y aditivos. - Montaje de los moldes: están formados por dos mitades de vidrio o metal que pueden montarse apoyadas sobre un anillo y apretadas con una pinza, o bien con cinta adhesiva. - Llenado: el espacio vacío creado entre las dos mitades del molde se rellena con el monómero líquido. - Polimerización: los moldes rellenos se colocan en hornos y se someten a un ciclo de temperaturas durante varias horas (algunas materias se someten a radiaciones ultravioleta durante unos minutos), lo cual provoca el endurecimiento progresivo de la resina. - Desmoldado: se quitan la junta o la cinta y las mitades del molde, y se saca la lente. Este procedimiento se emplea para fabricar lentes en serie, tanto acabadas como semiacabadas, ya que sólo varía la forma del molde y la duración del proceso de polimerización. En general, el principio es el mismo para la mayoría de materiales orgánicos termoendurecibles empleados en óptica oftálmica.

Tomemos como ejemplo el policarbonato. El material básico ya es un polímero y se presenta en forma de granulado, cuya pureza se ha adaptado a la industria de la óptica. Este granulado se ablanda y se funde mediante calor, y luego se inyecta en moldes con la forma de las lentes. La tecnología consiste en fluidificar el material mediante calentamiento e introducirlo en moldes de metal o cristal. Un tornillo de extrusión se encarga de plastificar el material en el cilindro de inyección y actúa al mismo tiempo como pistón, empujando el material caliente por diversos canales hasta la cavidad de los moldes. Tras inyectar el material, se espera hasta que se enfría. Luego, se desmoldan las lentes. Las operaciones del proceso de fabricación son las siguientes: - Preparación del material: limpieza y secado del granulado con aire caliente y carga en la prensa. - Regulación de la prensa: preparación de los moldes, regulación de la presión del líquido, la temperatura del molde y el tiempo de inyección y enfriamiento, y calentamiento del material (a unos 300 °C). - Inyección: moldeado bajo presión del material fundido. - Enfriamiento: solidificación del material por conducción a través de los moldes. - Desmoldado: se abre la prensa y el bloque de soporte de los moldes. Esta tecnología permite fabricar lentes de cualquier geometría en función de la forma de los moldes que se insertan en la prensa de inyección. Estas lentes pueden presentarse como acabadas, y someterse a tratamientos tal cual, o como semiacabadas, y requerir un posterior retallado de la cara posterior antes de someterse a los diferentes tratamientos de superficie.

Figura 13: Fabricación en serie de lentes orgánicas de resina termoendurecible.

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Resinas termoendurecibles

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

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Figura 14: Fabricación en serie de lentes orgánicas de resina termoendurecible.

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2. Fabricación según “prescripción” Retallado tradicional

- Bloqueo y fijación de la lente semiacabada: protección de la cara mediante una película y colocación de una rueda de metal fundible (fijador) que servirá para sujetar la lente en las etapas siguientes.

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El retallado tradicional, realizado en los laboratorios de prescripción (es decir, de acabado de las lentes) consiste en mecanizar la cara posterior de una lente semiacabada (previamente fabricada en serie) para darle la potencia requerida. Dicho proceso comprende las etapas siguientes:

Figura 15 a: Retallado tradicional - Desbaste.

- Corte de la lente semiacabada según el diámetro deseado mediante fresado. - Desbaste: consiste en el fresado en espiral de la cara posterior de la lente. Al final de esta operación, la lente tiene su forma casi definitiva, pero su superficie sigue muy rugosa.

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- Afinado mediante generación: es el mecanizado final de la superficie y se realiza en un torno y una herramienta cortante (tradicionalmente, esta operación se realizaba mediante fricción con una herramienta de forma cubierta con una almohadilla abrasiva). Tras el afinado, la lente posee exactamente el grosor y la curvatura deseados. Aunque esté lisa, en esta etapa la superficie todavía no está pulida. - Pulido: mediante fricción con una herramienta de forma, que es un duplicado de la cara posterior de la lente, cubierta con un fieltro y rociada con un líquido para pulir que contiene un abrasivo muy fino. Esta operación le da a la lente su transparencia definitiva.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

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Complemento

Figura 15 b: Retallado tradicional - Afinado.

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El retallado tradicional, utilizado desde hace muchos años, requiere muchas herramientas y únicamente permite crear superficies posteriores con geometrías simples, ya sean esféricas o tóricas.

Figura 15 c: Retallado tradicional - Pulido.

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Retallado digital

Figura 16 a: Retallado digital - Mecanizado (acabado).

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento

Figura 16 b: Retallado digital - Pulido.

El retallado digital (o directo), desarrollado recientemente, se emplea básicamente para realizar superficies posteriores complejas, aunque también puede usarse para realizar superficies simples. El procedimiento consiste en mecanizar la superficie posterior de la lente mediante un proceso "punto por punto" y con ayuda de una máquina digital que guía las posiciones relativas de la lente y la herramienta, en tres dimensiones y con una precisión extrema. En comparación con el retallado tradicional descrito anteriormente: - Se repiten exactamente las operaciones de bloqueo y corte de la lente semiacabada. - La mecanización se divide en dos partes: el desbaste, realizado mediante fresado de la misma manera que con el retallado tradicional, y el acabado, realizado en un torno por medio de una herramienta específica de diamante (véase figura 16a). Estas operaciones, realizadas todas en una misma máquina con dos herramientas diferentes, siguen principios similares a los aplicados en el retallado tradicional. En cambio, en la etapa de acabado se controla la posición de la lente y se utiliza una herramienta más precisa que recurre a la calidad de corte del diamante, lo cual permite obtener al mismo tiempo una excelente geometría de la superficie posterior y una superficie casi transparente. - Como en el retallado tradicional, el pulido se realiza mediante fricción de la lente con una superficie suave rociada con un líquido abrasivo muy fino, pero se utilizan herramientas específicas del retallado digital rígidas y flexibles (véase figura 16b). Estas herramientas permiten pulir la superficie sin deformarla, es decir, la hacen perfectamente transparente respetando la geometría obtenida en la operación de acabado.

El retallado digital, de aplicación reciente en la fabricación según prescripción, ofrece inmensas posibilidades de realización para superficies ópticas complejas. Permite una optimización óptica de las lentes para cada prescripción y una personalización cada vez mayor de las lentes según las necesidades individuales de los usuarios: por ejemplo, teniendo en cuenta las características de la montura, la posición del centro de rotación del ojo, el comportamiento ojo-cabeza, etc. Para la óptica oftálmica, esto representa un campo de investigación enorme y abre una gran puerta a nuevos desarrollos. En este sentido, cabe decir que no es el mero uso de la tecnología de retallado digital la que consigue que la lente tenga mejores prestaciones, sino la pertinencia y la precisión de uso obtenidos con esta nueva tecnología. En otras palabras, no basta con que una lente se fabrique con retallado digital para que sea de mejor calidad; al contrario, un diseño óptico o un proceso mal controlado pueden derivar en diseños ópticos de mala calidad a pesar del uso de esta nueva tecnología.

Una vez realizada la operación de retallado, la lente podrá someterse entonces a las operaciones de tratamiento de sus superficies, que abordaremos más adelante.

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bien sujeta, se pone en contacto con una herramienta de forma, cubierta con una almohadilla abrasiva, que tiene una curvatura exactamente igual a la de la lente tratada. La lente y la herramienta se rocían con una mezcla abrasiva y lubricante. Al final de la operación, que dura varios minutos, la lente tiene exactamente el grosor y la curvatura deseados, pero su superficie todavía no es transparente. - Fase 3: el pulido es la operación de acabado que le aporta a la lente su transparencia definitiva. Es una operación similar a la anterior, con el uso de una pulidora flexible cubierta con un fieltro y una solución abrasiva de grano muy fino. Industrialmente, el retallado de las caras anteriores de las lentes minerales (del tipo que sean: esféricas, asféricas, bifocales o progresivas) se realiza en serie, mientras que el retallado de las caras posteriores se puede realizar en serie o de forma individual, según la demanda.

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Sea cual sea el tipo de material, la fabricación de una lente mineral consiste en retallar las caras anterior y posterior de un disco de vidrio mineral suministrado por la industria del vidrio. Este disco se fabrica moldeando el vidrio cuando todavía está incandescente tras salir del horno en el que se ha realizado la fusión de sus diversos componentes. Se presenta en forma de un vidrio muy grueso con superficies irregulares, pero una composición interna perfectamente homogénea. Posteriormente, se retallan sus caras anterior y posterior para obtener la lente. El retallado de cada una de las caras de la lente se divide en tres fases distintas: - Fase 1: el desbaste consiste en mecanizar la lente con una herramienta diamantada para darle su grosor y su curvatura. Tras el desbaste, la lente tiene ya su forma definitiva, pero todavía presenta una superficie rugosa y translúcida. - Fase 2: el afinado consiste en afinar el grano de la superficie de la lente sin modificar su radio de curvatura. Para ello, la lente,

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B) Principios de fabricación de las lentes minerales

Complemento

Complemento

Figura 17: Fabricación de lentes minerales.

Una vez que la lente tiene la geometría deseada, se aplican los tratamientos, de los que hablaremos más adelante.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Transparencia y durabilidad

2.Transparencia y durabilidad Para garantizar una corrección óptica excelente, una lente oftálmica tiene que ser totalmente transparente y no perder esta propiedad con el tiempo. Pero, aquí, surgen dos factores contrapuestos: por un lado están los efectos ópticos naturales de la reflexión, la absorción, la dispersión, la difracción y la difusión de la luz y, por otro, están los efectos del uso y del tiempo, es decir, los arañazos, la suciedad, el polvo y el envejecimiento de los materiales. Para luchar contra estos factores naturales enfrentados, se han estudiado muchas soluciones técnicas, que se han ido incorporando como características intrínsecas de los materiales o como tratamientos específicos. En esta segunda parte, abordamos este tema.

A Color del material El color de una lente viene determinado por la composición cromática de la luz que transmite. Si deja pasar de la misma manera todos los colores del espectro visible, la lente es blanca. En caso contrario, la lente adquiere el color complementario de la luz que no transmite. Por ejemplo, cuando la lente absorbe las radiaciones azules, el material adquiere un tono amarillo. Esto es lo que ocurre precisamente cuando queremos que un material absorba mejor la luz ultravioleta. Para solventar esto, se puede añadir un ligero tinte de color (marrón en el tratamiento UVX®), o se pueden incorporar a la composición química del material agentes azulantes, una especie de colorantes azulados destinados a compensar el matiz amarillo (como es el caso de los materiales orgánicos de altos índices). Todos los materiales orgánicos son sensibles a la luz y tienden a amarillear con el paso del tiempo. De hecho, según su estructura química, interactúan con las radiaciones ultravioleta y visibles y con el oxígeno en una reacción que se conoce con el nombre de fotooxidación: la estructura del material se ve modificada, los grupos químicos absorben más la luz azul y el material empieza a amarillear. Así, cuanto más se expone una lente a la luz solar y, por tanto, a los rayos ultravioleta, más deprisa amarillea. Este fenómeno es más patente en los materiales con altos índices, que, debido a la química del azufre, poseen una mayor afinidad por el oxígeno y una mayor tendencia a la oxidación. Los agentes azulantes incorporados en la composición de los materiales sirven para retrasar este fenómeno de envejecimiento natural.

Para evaluar correctamente el color… Para determinar el color de una lente, se suele observar la transmisión de la luz delante de una hoja de papel blanco, aunque esta técnica puede resultar engañosa. A menudo, el papel contiene agentes blanqueantes fluorescentes, es decir, que absorben la luz ultravioleta y la devuelven en el espectro visible. Estos agentes sirven para resaltar los tonos azules y dar al papel un aspecto más blanco. Al colocar la lente en contacto con la hoja, se elimina el efecto blanqueante de los rayos ultravioleta y vemos como, inevitablemente, la lente, o más bien dicho, el papel, amarillea. Así sólo se demuestran las cualidades de absorción de los UV que tiene el material y corremos el riesgo de interpretar mal este fenómeno y confundirlo con una falsa carencia de transparencia, cuando en realidad es una cualidad de filtración. Por si aún no lo vemos claro, basta con alejar la lente del papel para comprobar cómo éste recupera toda su blancura. En la práctica, la mejor manera de determinar el color de una lente es observar, por transmisión, una hoja de papel blanco sin agentes blanqueantes. La observación tiene que realizarse a través de la parte central de la lente, a una distancia de 10 a 20 cm y con iluminación blanca. Además, de vez en cuando hay que cambiar la hoja de papel para asegurarnos de que no amarillee.

Hay que tener en cuenta que el tratamiento de resistencia al arañazo que se aplica en las superficies del cristal orgánico no influye prácticamente en el color del material. Como su grosor es menor, no amarillea, pero tampoco protege al material frente a los cambios de color. En cambio, el tratamiento antirreflejante es un factor de protección contra el amarilleo, no porque elimine las radiaciones ultravioletas, sino porque actúa como barrera contra la difusión del oxígeno dentro del material. Por lo tanto, una lente con tratamiento antirreflejante tiende menos a amarillear que una lente sin tratamiento.

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Para cuantificar el cromatismo transversal en cualquier punto de una lente, se utiliza la relación TCA = D / ν, de la desviación D de los rayos en este punto (expresada en minutos de arco o dioptrías prismáticas) y de la constringencia ν del material utilizado. Con una desviación D para una lente unifocal, según la aproximación de Prentice, igual a h x P, donde h es la distancia que separa el punto de la lente del centro óptico y P es la potencia de la lente, resulta que TCA = h x P / ν. Así, vemos que el cromatismo transversal depende de 3 factores: la excentricidad de la vista del usuario, la potencia de la lente y la constringencia del material.

La variación del índice de refracción con la longitud de onda de la luz es responsable del fenómeno de la dispersión cromática de la luz blanca cuando se produce la refracción. Como el índice de refracción es mayor para las longitudes de onda cortas, se produce una propagación de la refracción de la luz visible del rojo hacia el azul. La dispersión cromática es una característica importante para la óptica oftálmica, pero no tanto como para la óptica instrumental. De hecho, el propio ojo humano se ve muy afectado por el cromatismo. El cromatismo ocurre en todas las lentes. Se considera despreciable en el centro, dado que la aberración cromática longitudinal de la lente es pequeña comparada con la del ojo. En cambio, el cromatismo puede hacerse muy patente cuando el ojo mira hacia las zonas excéntricas de la lente, ya que la aberración cromática transversal de la lente (o TCA, de Transverse Chromatic Aberration) crea imágenes de colores múltiples y desplazadas unas respecto de las otras. El usuario de las lentes puede percibir estas imágenes como una irisación de colores alrededor de los objetos (ver figura).

Constringencia o número de Abbe – definición: Para caracterizar el poder de dispersión de un material, se utiliza una cantidad llamada constringencia o número de Abbe (definido por Ernst Abbe, físico e industrial Alemán, 1840-1905) que se representa con la letra griega ν. Es un número inversamente proporcional a la dispersión cromática del material y que responde a una definición algo diferente según el país, dependiendo de las longitudes de onda escogidas para su definición. en Europa y en Japón:

νe =

νe

ne – 1 nF’ – nC’

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donde ne : índice para λe = 546,07 nm ((raya verde del mercurio) nF’ : índice para λF’ = 479,99 nm (raya azul del cadmio) nC’ : índice para λC’ = 643,85 nm (raya roja del cadmio)

En los países anglosajones

νd =

νd

nd – 1 nF – nC

donde nd : índice para λe = 587,56 nm (raya amarilla del helio) nF : índice para λF = 486,13 nm (raya azul del hidrógeno) nC : índice para λC = 656,27 nm (raya roja del hidrógeno)

Transparencia y durabilidad

1. El cromatismo en las lentes oftálmicas

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B Cromatismo del material

En la práctica, los valores de la constringencia νe y νd difieren muy poco. De hecho, sólo es diferente el primer decimal. La constringencia varía en óptica oftálmica entre 60, para los materiales menos dispersivos, y 30 para los más dispersivos. En general, cuanto mayor es el índice de refracción de un material, mayor es su dispersión cromática y, por ende, menor es su constringencia (ver cuadro de los materiales).

Figura 18: Aberración cromática longitudinal y transversal.

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a Excentricidad de la dirección de mirada (grados)

Asimismo, dado que el cromatismo sólo es perceptible cuando los ojos apuntan a direcciones excéntricas, es importante considerar la zona de la lente que realmente utiliza el ojo en visión foveal. En este sentido, la coordinación de los movimientos de los ojos y de la cabeza del usuario tiene un papel primordial, ya que determina en todo momento la posición de la línea de visión en la lente. Cualquier movimiento de la cabeza provoca, generalmente, un centrado del ojo y reduce la zona de la lente que realmente explora la mirada. Las mediciones han demostrado que el 80% de las fijaciones oculares se producen en un ángulo de ±15° a 20° y el 100% en un ángulo de ±30°. Así que, a efectos prácticos, el cromatismo sólo puede influir en la visión en esta zona central de la lente, de unos 15 mm de radio alrededor del centro óptico.

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

ν =58 ν =42 ν =37 ν =32 ν =30

1

2

3

4

5

6

Potencia de la lente (dioptrías)

b

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Entre los efectos del cromatismo en la visión, es importante diferenciar dos tipos: por un lado, su percepción por parte del usuario y, por otra, su efecto en la agudeza visual. - La percepción del cromatismo es muy subjetiva y cambia de una persona a otra: de media, se produce con un nivel de cromatismo de 2,5 minutos de arco, es decir, el producido por un prisma plano de CR39® (ν = 58-59) de unas 4 dioptrías prismáticas (Δ). - El efecto del cromatismo en la agudeza visual, por ejemplo, la pérdida de legibilidad de una línea en una escala de agudeza a intervalos de 0,1 LogMAR, requiere un cromatismo 3 veces superior, o sea, de unos 7,5 minutos de arco o, lo que es lo mismo, el cromatismo producido por un prisma plano de CR39® de aproximadamente 12,5 Δ.

Excentricidad de la dirección de mirada (grados)

80 70

ν =42 ν =37 ν =32 ν =30

60 50 40 30

De acuerdo con la ley de Prentice, estos umbrales se pueden traducir en excentricidades de la mirada en función de la potencia de la lente y para diferentes valores de constringencia: - en la figura 19 a), relativa a la percepción de las irisaciones, podemos ver que, por ejemplo, para una lente de potencia 4,00 D realizada con un material clásico de constringencia 58, el cromatismo se empieza a percibir a partir de una rotación del ojo de 20°. Por un lado, observamos que no se percibe cromatismo en la parte central de la lente y, por otro lado, vemos que, con un material de baja constringencia, se necesita una lente con una potencia superior a 2,50 D para que, al girar el ojo 20°, el usuario perciba irisaciones de colores. Cabe destacar que, a este nivel de cromatismo, la agudeza visual no se ve afectada significativamente. - En la figura 19 b), relativa al efecto sobre la agudeza visual, observamos que, en un ángulo de rotación del ojo de ±20°, la potencia de la lente tiene que ser superior a 7,00 D con un material de constringencia baja (caso más extremo) para que la agudeza visual se vea afectada. Por consiguiente, resulta que los efectos del cromatismo se manifiestan más en el exterior de las zonas exploradas por el ojo en visión foveal y que, por tanto, la mayoría de las veces esto no afecta de manera significativa a la agudeza visual. Así pues, se comprueba que el cromatismo sólo tiene una influencia limitada en el rendimiento visual y no tiene mayores consecuencias para la mayoría de los usuarios. Sólo se percibe un efecto real en la zona periférica de las lentes con altas graduaciones hechas de materiales muy dispersivos. A causa de las desviaciones ópticas naturales, este efecto es más perceptible en el caso de los hipermétropes que en el de los miopes, ya que los desplazamientos de la mirada son más exagerados. También es más perceptible en el caso de los présbitas, que utilizan lentes progresivas, cuando bajan la vista para ver de cerca.

20 10 0

1,00 2,00

3,00 4,00

5,00 6,00

7,00 8,00

9,00

10,00

Potencia de la lente (dioptrías)

Figura 19: Efecto del cromatismo en la visión. a) Umbral de percepción de las irisaciones de colores. b) Umbral del efecto sobre la agudeza visual. Para remediar este problema, los químicos intentan desarrollar materiales con poco cromatismo y, por tanto, con mucha constringencia. Desgraciadamente, su margen de maniobra está relativamente limitado y, siempre que se aumenta el índice de refracción de un material, generalmente también se incrementa su cromatismo. En la práctica, sólo se pueden paliar los efectos hasta cierto punto, por lo que el usuario tendrá que acostumbrarse a un cierto nivel de cromatismo en las lentes. Por último, cabe decir que el cromatismo es un fenómeno que está presente siempre en las lentes y que se suma a los demás defectos ópticos existentes, como las aberraciones causadas por defectos de potencia o de astigmatismo de los haces oblicuos, o como los reflejos parásitos. Así pues, hay que evitar la acumulación de defectos ópticos asegurándose de que las superficies son perfectamente asféricas y aplicando sistemáticamente tratamientos antirreflejantes.

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Transparencia y durabilidad MATERIALES Y TRATAMIENTOS

2. Efectos del cromatismo en la visión

Entre los enemigos más habituales de una lente oftálmica, las rayas son, quizá, el más temible. De manera general, se pueden dividir en dos tipos: - las rayas finas, que son resultado de la abrasión por el frotamiento de pequeñas partículas sobre las dos caras de la lente. Son, por ejemplo, las rayas producidas al limpiar la lente. Tienden a aumentar la difusión de la luz por las superficies de la lente y crean una sensación de desenfoque difuso. - las rayas gruesas, causadas por la fricción de partículas grandes o por el contacto con objetos diversos. En este caso, la superficie está realmente erosionada y, ópticamente, esto actúa como las líneas de una red de difracción. El usuario experimenta una borrosidad marcada justo en el lugar donde se encuentra la raya, algo muy visible y molesto.

Difusión y difracción de la luz – definiciones:

Transparencia y durabilidad

C Tratamiento de resistencia al arañazo

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Difracción de la luz: La difracción es un fenómeno que consiste en la modificación de la dirección de propagación de las ondas lumínicas que se produce cuando éstas tropiezan con obstáculos de pequeñas dimensiones (del orden de algunas veces la longitud de la onda en cuestión). La luz se reemite en una o varias direcciones concretas y con una intensidad que la hace visible. La difracción no carece de importancia en la óptica oftálmica, ya que delata posibles irregularidades de la superficie de las lentes y, más concretamente, rayas causadas por el uso.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Difusión de la luz: La difusión es un fenómeno que consiste en la reemisión de la luz en todas direcciones con la misma intensidad. Se produce en la superficie de cualquier cuerpo y dentro de los materiales transparentes. Es lo que permite al ojo percibir los objetos y determinar su color. En una lente oftálmica, la difusión superficial, en teoría, no existe, ya que el retallado de la lente y, más concretamente, su pulido, sirve para eliminarla. En cambio, aparece cuando se acumula contaminación externa o grasa en sus superficies o cuando la superficie presenta rayas finas. La difusión en el grosor de la lente también es muy limitada. En algunos casos, puede conferir al cristal un aspecto amarillento o lechoso. A pesar de todo, la cantidad de luz difundida por una lente oftálmica sigue siendo muy escasa y se suele considerar despreciable.

Figura 20 : Diferentes tipos de rayas: rayas finas y rayas gruesas

Para evitar la aparición de rayas y mantener sus cualidades originales, se intenta aumentar la resistencia al rayado de las lentes orgánicas mediante un tratamiento específico de endurecimiento de sus superficies. Este tratamiento consiste en aplicar en las caras de la lente una fina capa de una sustancia más dura y más resistente a las agresiones que el material que hay debajo. La principal función de este tratamiento es mejorar la resistencia al rayado, pero también permite y favorece la aplicación posterior de tratamientos antirreflejantes de buena calidad. A continuación se detalla el principio y la aplicación de este tratamiento antirrayado.

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Proteger las superficies de una lente oftálmica contra el rayado consiste en combatir de manera eficaz tanto las rayas finas provocadas al limpiar la lente como las rayas gruesas causadas por el contacto con objetos. Así pues, la solución tiene que ser doble: por un lado, una mayor dureza de la superficie para protegerla de las agresiones de las partículas finas y, por otro, una gran flexibilidad para amortiguar la agresión de las partículas de mayor tamaño. Una de las soluciones eficaces que se ha encontrado para el problema del rayado es aplicar en la superficie de las lentes unas películas de nanocompuestos (ver historia más abajo), llamados de esta manera porque están formados por elementos orgánicos e inorgánicos mediante la integración de partículas minerales de tamaño nanométrico en una matriz orgánica. Estos barnices resuelven el problema del rayado gracias a su doble función: resistencia a las rayas finas debido a la dureza de su parte inorgánica y resistencia a las rayas gruesas debido a la flexibilidad que les confiere su parte orgánica.

Para reforzar aún más el efecto amortiguador, se intercala otra capa con propiedades mecánicas intermedias entre el tratamiento de resistencia al arañazo y el tratamiento antirreflejante. Esta capa, llamada “Scratch Resistance Booster”, garantiza una perfecta continuidad de la estructura de la lente, desde su núcleo blando orgánico hasta el fino caparazón inorgánico de su tratamiento antirreflejante. De esta manera, gracias a la continuidad y a la interpenetración de las diferentes capas, se mejora considerablemente la resistencia al rayado de la lente. La incorporación de esta capa adicional es una de las peculiaridades del tratamiento Crizal Forte®.

a

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a

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Transparencia y durabilidad MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Además, este tipo de tratamiento se ha hecho necesario para resolver, en particular, el problema de las lentes con tratamiento antirreflejante, que consiste en aplicar, encima del tratamiento de resistencia al arañazo, otras capas muy finas de elementos puramente minerales y, por tanto, muy duros y quebradizos. Entonces, el papel del tratamiento de resistencia al arañazo es el de compensar el desequilibrio entre las propiedades mecánicas de los materiales de base orgánica y las de las capas finas inorgánicas del tratamiento antirreflejante, intercalando entre estas dos capas una capa con unas propiedades intermedias. La estructura original de los nanocompuestos, con características tanto orgánicas como inorgánicas, garantiza una transición mecánica, con una especie de efecto amortiguador, entre la capa antirreflejante y el substrato de la lente. Ésta es una de las características fundamentales del tratamiento Crizal®.

1. Principio del tratamiento de resistencia al arañazo:

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b

b

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Figura 21: Principio del tratamiento de resistencia al arañazo: a) Rayas finas b) Rayas gruesas.

Figura 22 : Tratamiento antirayado y tratamiento antireflejante: a) Tratatmiento clásico b) Tratamiento con “Scratch resistance Booster”.

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Transparencia y durabilidad

2. Aplicación de los tratamientos de resistencia al arañazo

Este procedimiento consiste en colocar la lente en un soporte que gira a una velocidad controlada y aplicar en el centro una gota de tratamiento líquido que, al repartirse por acción de la fuerza centrífuga, crea en la lente un revestimiento uniforme. A continuación, se polimeriza el barniz, ya sea mediante cocción en un horno o por exposición a radiación ultravioleta. Este procedimiento, en el que las caras de la lente se tratan por separado, es más adecuado para tiradas de producción pequeñas. Las propiedades de resistencia al arañazo de los revestimientos aplicados con esta técnica son bastante pobres cuando la polimerización se realiza con rayos UV.

Figura 23: Principio del barnizado por inmersión.

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Recubrimiento por centrifugación (spin coating):

Es un procedimiento en el que las lentes reciben una capa de tratamiento simultáneamente en las dos caras. Primero se limpian las lentes y se preparan para aplicar el barniz en diferentes baños de ultrasonidos. Luego, se sumergen en un baño de recubrimiento líquido y viscoso de donde se sacan a una velocidad constante para controlar exactamente el grosor de la capa (ver figura 23). A continuación, se polimeriza el recubrimiento, es decir, se endurece, cociéndolo a una temperatura cercana a los 100 °C. Así se transforma en una capa sólida y dura que confiere a la lente un revestimiento más o menos resistente al rayado en función de la composición y del grosor. Todas estas operaciones se realizan en una atmósfera limpia (sala blanca) con temperatura e higrometría controladas.

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Recubrimiento por inmersión (dip coating):

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

El tratamiento de resistencia al arañazo de las lentes orgánicas consiste en aplicar una capa de 3 a 5 micras de grosor sobre las dos superficies de la lente. Esto se puede realizar mediante dos técnicas distintas: la inmersión o la centrifugación.

Figura 24: Principio del recubrimiento por centrifugación.

El uso de los tratamientos de resistencia al arañazo en las lentes orgánicas se ha generalizado. Más de dos tercios de las lentes orgánicas ya llevan este tipo de tratamiento. La voluntad, cada vez mayor, de proteger la inversión que representan las lentes para los usuarios y el uso, cada vez más frecuente, de materiales con índices altos, en los que este tipo de tratamiento es imprescindible y sistemático, no hacen más que fomentar su aplicación. Los tratamientos de resistencia al arañazo ya no se consideran opcionales, sino que se incluyen de serie en todas las lentes orgánicas.

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Características del fenómeno de la abrasión

Histórica de los tratamientos antirrayado

Para comprender mejor los tratamientos que se aplican para mejorar la resistencia de las lentes, hay que entender bien el fenómeno de la abrasión. Éste puede describirse considerando una partícula abrasiva como si fuera una punta que ejerce localmente una presión en la superficie de la lente. Esta superficie reacciona a la presión en función de sus características mecánicas. Cuando se suprime esta presión, queda una huella, de forma variable, que es el resultado de la interacción entre la partícula abrasiva y la superficie de la lente. Esta huella depende de dos factores: la dureza y la capacidad de deformación del material. A título ilustrativo, si aplicamos una punta abrasiva, con una presión idéntica, sobre diferentes materiales, éstos reaccionarán de formas distintas: - un bloque de goma se deformará de manera totalmente elástica y volverá a su estado inicial al retirar la punta, sin dejar ninguna huella; - un bloque de vidrio mineral se deformará muy poco y luego se fracturará si la presión supera un determinado umbral, dejando una huella muy visible; - un bloque de aluminio se deformará por fluencia del material y la huella tendrá la forma de la deformación máxima producida. Podemos hablar entonces una "ley de comportamiento" propia de cada material. Los técnicos suelen representarla con una gráfica en cuyo eje de abscisas figura el % de deformación y, en el de ordenadas, el valor de la presión (σ, en pascales). Para cualquier material, la ley de comportamiento está representada por una curva que parte de 0 y que acaba en un punto R, donde se produce la rotura. σR es la presión y XR la deformación, ambas en el momento de la rotura. En la figura se representan las leyes de comportamiento típicas de una lente mineral y de una lente orgánica (CR39®). Podemos ver: - que la lente mineral presenta una fractura, por el efecto de una presión relativamente elevada, pero sin experimentar una gran deformación, y a la inversa, - que el polímero se raya, como consecuencia de la rotura, a presiones claramente inferiores que las que soporta la lente mineral y que, por debajo de su umbral de deformación a rotura, puede sufrir una deformación permanente importante, sin rotura ni astillas. Para determinar la protección endurecedora que se puede aplicar, es fundamental conocer el comportamiento de cada material.

El problema de la resistencia al rayado ha existido desde la aparición de las lentes orgánicas. Con el tiempo, se han ido probando diferentes soluciones, que han permitido superar uno de los principales obstáculos al desarrollo de las lentes orgánicas e introducir materiales con índices más altos. A continuación, explicaremos brevemente su historia. La primera generación de tratamientos de resistencia al arañazo (que aparecieron hacia 1970) se basaba solamente en el concepto de dureza y consistía en aplicar, por evaporación en vacío, un revestimiento mineral, hecho de sílice, sobre las superficies de una lente orgánica. Este tratamiento, a menudo llamado quartzage, era eficaz contra las rayas finas, pero se rompía ante agresiones fuertes y no resolvía el problema de las rayas gruesas.

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a

b

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento

Figura 26: Principio del “Quartzage”: a) Rayas finas b) Rayas gruesas.

Presión

MINERAL R= Punto de rotura

σR'

Dominio elástico

ORGÁNICO R'= Punto de rotura

Deformación

ΧR

Χ' R'

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σR

Esta primera generación vino seguida (desde 1975) por la aplicación de capas de materiales orgánicos con una dureza mayor y más capaces de deformarse sin romperse. Esto representó la llegada de los primeros tratamientos endurecedores, compuestos polisiloxanos o acrílicos, que constituyeron la segunda generación de tratamientos. Herederos de la química de las siliconas, donde los átomos de carbono se sustituyen por átomos de silicio, los tratamientos polisiloxanos constituían un puente entre los materiales orgánicos y los inorgánicos, ya que la presencia de silicio confería a la superficie la dureza necesaria para resistir las rayas finas y la existencia de cadenas largas de hidrocarburos aportaba la elasticidad necesaria para resistir las agresiones fuertes. Sin embargo, estos tratamientos no resultaban un soporte mecánico lo bastante rígido como para servir adecuadamente de base para aplicar el tratamiento antirreflejante.

Figura 25: Ley de comportamiento de una lente mineral y de una lente orgánica.

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Complemento

Complemento

Figura 27: Principio de los tratamientos clásicos: estructura organosilícea. Una década más tarde, la resolución del problema particular que planteaban las lentes antirreflejantes dio origen a una tercera generación de revestimientos endurecedores: los nanocompuestos. La idea era compensar la diferencia entre las propiedades mecánicas de los polímeros orgánicos y las de las capas delgadas inorgánicas antirreflejantes para crear una estructura más homogénea y flexible. Los tratamientos con nanocompuestos, consistentes en una matriz orgánica en la que se dispersan nanopartículas inorgánicas, podían contener hasta casi un 50 % de sílice y, gracias a ello, presentaban una rigidez mayor que la de los tratamientos con polisiloxanos. Además, el tamaño nanométrico de estas partículas (de 10 a 20 nm) eliminaba el riesgo de difusión de la luz y garantizaba una transparencia perfecta. Al mismo tiempo que resolvían el problema de los tratamientos antirreflejantes, aportaron una solución real al problema del rayado gracias a la resistencia a las rayas finas que tiene su componente inorgánico y a la resistencia a las rayas gruesas que tiene su componente orgánico.

La medición de la resistencia a la abrasión de las lentes es fundamental para poderla controlar. Debe poderse hacer de una manera rápida y sencilla, y los resultados tienen que ser fáciles de interpretar. Los fabricantes han desarrollado métodos de prueba que consisten en someter las lentes a simulaciones de abrasión o de rayado utilizando muestras representativas de un lote de fabricación. Éstas son algunas de las pruebas más utilizadas: - Test Bayer: se mueve la lente con un movimiento alternativo en un recipiente con un polvo abrasivo (arena o alúmina) con una granulometría definida. Entonces, se compara el valor de la difusión de la luz de la lente con una lente de referencia que sirve para calcular la abrasión producida. - Test del abrasímetro: una cinta con finas partículas abrasivas incrustadas (carborundo, por ejemplo) pasa una determinada cantidad de veces, bajo una carga dada, por encima de la lente de muestra. Entonces, se compara la luz difundida en transmisión con la de una lente de referencia. - Test de la lana de acero: existen varias maneras de frotar, de forma mecánica y reproducible o manual y demostrativa, una lente con un taco de lana de acero fina. Se comparan las lentes de muestra con la de referencia, ya sea visualmente o con la ayuda de un aparato normalizado para medir la difusión.

La polimerización por plasma, en sus diversas variantes, fue un intento más de hacer frente al problema del rayado. La tecnología consiste en crear un plasma en una cámara de vacío, es decir, una descarga eléctrica en un gas a baja presión, e introducir un monómero gaseoso rico en siloxanos. Éste último se polimeriza gracias a la energía proporcionada por el plasma y, por condensación, forma una película sólida sobre las lentes que hay en el interior de la cámara. Sin embargo, este procedimiento no terminó de desarrollarse porque era muy caro, la técnica de fabricación era muy difícil de controlar y, además, adolecía del defecto de amplificar las irregularidades de la superficie de las lentes.

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El quartzage hizo de nuevo aparición en el mercado (hacia los años 1990) como una respuesta más al desafío concreto que planteaba la protección de las lentes con tratamientos antirreflejantes. La idea consistía en aplicar sobre el polímero una capa inorgánica gruesa y dura que sirviera de base al tratamiento antirreflejante. La resistencia a las agresiones leves era buena, pero la capa se rompía ante las agresiones fuertes y el comportamiento global no resultaba satisfactorio.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

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Medición y control de la resistencia a la abrasión

Figura 28: Medición de la resistencia a la abrasión: el test Bayer.

Al final, los tratamientos con nanocompuestos resultaron la mejor alternativa para aumentar la resistencia al rayado de las lentes orgánicas y su uso se generalizó.

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Los reflejos parásitos de la luz sobre las superficies de la lente pueden ser de diversos tipos: reflejos en la cara anterior, reflejos en la cara posterior y reflejos internos. La consecuencia de todos ellos es una reducción de la transmisión de la lente y reflejos no deseados, que resultan molestos para el usuario y poco estéticos para el observador. A continuación, detallamos los efectos de los diferentes tipos de reflejos y las soluciones que han proporcionado los tratamientos antirreflejantes.

1. Diferentes tipos de reflejos y sus efectos a. Reflexión en la cara anterior y reflexión interna en la cara posterior Simultáneamente al fenómeno de la refracción de la luz a través de cada superficie de la lente (que da lugar al efecto corrector de la lente), se produce un fenómeno de reflexión de la luz en cada una de sus caras. En primer lugar en la cara anterior de la lente, pero también en la cara posterior, después de haber atravesado todo el grosor de la lente. Estos reflejos reducen la intensidad de luz transmitida por la lente. La intensidad de la luz reflejada es mayor cuanto más elevado es el índice de refracción del material. Su magnitud se puede calcular para cada cara según el coeficiente de reflexión R=

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Transparencia y durabilidad MATERIALES Y TRATAMIENTOS

D Tratamiento antirreflejante

( )

2

n–1

n+1

Así pues, la cantidad total de luz perdida por reflexión al atravesar las dos caras de una lente es: Índice

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

Luz total reflejada

7,8 %

10,4 %

12,3 %

15,7 %

18,3 %

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Si consideramos que el índice de las lentes más habituales es de n = 1,6, tenemos que la cantidad de luz perdida por reflexión ronda, de media, el 10% del flujo luminoso incidente. Por ello, se hace necesario aplicar tratamientos antirreflejantes a las lentes con índices de refracción elevados, ya que la pérdida de luz puede alcanzar el 15 o el 20%. Con un tratamiento antirreflejante, se puede reducir la proporción de luz reflejada, y por tanto perdida, a menos del 1% (ver más abajo). Figura 29: Reducción de la intensidad de luz transmitida por culpa de su reflexión en las caras de la lente.

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Figura 30: Alteración del contraste de la visión causada por la reflexión en la cara posterior de la lente.

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También puede producirse un fenómeno particular de desdoblamiento de las imágenes a causa de los reflejos internos de la lente. El funcionamiento es el siguiente: tras producirse la refracción del haz de luz al pasar por la primera cara de la lente, éste alcanza la segunda cara y entonces se produce, por un lado, una nueva refracción del haz y, por otra, una segunda reflexión que crea un haz de luz secundario. Este último, tras reflejarse de nuevo en la cara anterior de la lente y refractarse al atravesar la superficie posterior, da lugar a una segunda imagen de menor intensidad que la imagen principal y ligeramente desplazada respecto de ésta. Para el usuario, esto provoca la percepción de un desdoblamiento de la imagen, como si una segunda imagen de menor intensidad hiciera un eco de la imagen principal de mayor intensidad. Este fenómeno puede resultar molesto, sobre todo cuando hay poca luz (como al conducir de noche), pero puede paliarse en gran medida aplicando un tratamiento antirreflejante en las dos caras de la lente.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

c. Doble reflexión interna

Un fenómeno importante es el de la reflexión en la cara posterior de la lente de una luz procedente de una fuente situada detrás del usuario. Este fenómeno resulta muy molesto visualmente, sobre todo cuando hay poca iluminación, como, por ejemplo, al conducir de noche. Esta luz reflejada se superpone a la luz procedente de la escena observada y provoca una reducción del contraste y, por tanto, de la calidad de visión. También puede causar deslumbramiento. Si desea más detalles, consulte el punto siguiente "Complemento: beneficios visuales de los tratamientos antirreflejantes". Con un tratamiento antirreflejante, se pueden reducir considerablemente estos efectos luminosos tan molestos, es decir, mantener el contraste de la visión del usuario y minimizar las consecuencias de un eventual deslumbramiento.

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b. Reflexión en la cara posterior

Figura 31: Desdoblamiento de las imágenes debido a los reflejos internos de la lente.

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Beneficios visuales de los Los beneficios de los tratamientos antirreflejantes son principalmente visuales y, en segundo lugar, estéticos, porque aportan ante todo un mayor confort de visión al usuario de las lentes y contribuyen, además, a la estética de las lentes. Estas ventajas no siempre son bien asimiladas por los propios profesionales de la visión y, en última instancia, por el público en general. A continuación, con el apoyo de los resultados de estudios experimentales, detallaremos los dos beneficios visuales más significativos: la mejora del contraste de la visión y la reducción de los efectos de deslumbramiento.

d. Reflexión en la cara anterior El fenómeno de la reflexión de la luz más notorio y también más conocido es el efecto "espejo". Consiste en que la luz se refleja en la cara anterior de la lente, algo muy evidente para un observador situado en frente, el cual percibe una imagen especular de la fuente de luz ambiente (el sol, iluminación exterior o interior). Esto no molesta para nada al usuario, pero no deja ver al observador los ojos de su interlocutor. Es básicamente un problema estético, que no afecta a la visión del usuario de las lentes. Aunque, a menudo, se ha utilizado para promover el uso de los tratamientos antirreflejantes, este argumento publicitario ha hecho a veces un flaco favor a la causa, ya que el aspecto puramente estético no suele ser lo bastante convincente para que el usuario se decida a utilizar este tipo de tratamiento. Con un tratamiento antirreflejante, se puede reducir mucho este efecto "espejo".

A) Mejora del contraste Para describir la mejora del contraste que aporta un tratamiento antirreflejante, analizaremos el ejercicio visual de un sujeto que intenta discernir dos objetos puntuales y, para ello, examinaremos la formación de las imágenes sobre su retina. Como cualquier otro aparato óptico, el ojo presenta imperfecciones y la imagen que el ojo da de un objeto puntual en la retina no es un punto, sino una mancha luminosa. Así, la visión de dos puntos se presenta como la yuxtaposición de dos manchas luminosas más o menos mezcladas. Si la distancia que separa los dos puntos es suficiente, la imagen formada en la retina permite distinguirlos. Pero, a medida que los puntos se acercan, las dos manchas tienden a confundirse y el sujeto empieza a percibir sólo un punto en vez de dos. Este fenómeno puede cuantificarse a partir de la intensidad mínima y máxima de la mancha luminosa en forma del contraste de la imagen formada según la fórmula: C = (a – b) / (a + b), donde a es la intensidad máxima y b la intensidad mínima de la mancha luminosa retiniana (ver figura). Para que los dos puntos se perciban como entes separados, C tiene que ser superior a un valor correspondiente al umbral de detección del ojo.

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Complemento

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Figura 33a : Formación de imágenes retinianas de puntos separados.

Figura 32: Efecto "espejo" producido por la reflexión de la luz en la cara delantera de la lente.

(1) Stuart G. Coupland, Trevor H. Kirkham: Increased contrast sensitivity with antireflective coated lenses in the presence of glare, Canadian Journal of Ophthalmology, 1981; 16 : 137-140 (2) Trevor H. Kirkham, Stuart G. Coupland: Increased visual field area with antireflective coated lenses in the presence of glare, Canadian Journal of Ophthalmology, 1981; 16 : 141-144 (3) Catherine Eastell: The effectiveness of AR-Multireflection coatings on night driving, Cardiff College of Optometry, University of Wales, 1991 (4) Estudio realizado en Estados Unidos por un centro independiente de investigación de la visión, 2004/2005

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Complemento

tratamientos antirreflejantes B) Reducción del deslumbramiento

Supongamos que nuestro sujeto sea un conductor que circula de noche e intenta distinguir claramente a lo lejos los faros de dos ciclistas que vienen en sentido contrario. Entonces, detrás de él, aparece un coche cuyos faros se reflejan en la cara posterior de sus lentes. Los reflejos parásitos crean en la retina una mancha luminosa de intensidad uniforme que se suma a la intensidad de los dos puntos observados (los faros de los ciclistas). El resultado es una clara disminución del contraste, que sería C’ = (a’ – b’) / (a’ + b’). Esto puede ocasionar que el conductor fusione en una sola imagen la visión de los dos ciclistas, que antes se percibían como dos objetos distintos, o incluso impedirle que se percate de su presencia. Al reducir la reflexión de la luz en la cara posterior de la lente, un tratamiento antirreflejante habría eliminado o, cuando menos, minimizado este efecto.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los estudios(1) han demostrado que, en presencia de una fuente luminosa perturbadora, los tratamientos antirreflejantes permiten mejorar considerablemente la sensibilidad al contraste. En estos estudios, los sujetos tenían que observar unas miras de contraste normalizadas alternativamente con lentes sin tratamiento y luego con tratamiento antirreflejante, y sometiéndolos o no a un deslumbramiento procedente de atrás (ver figura). Los resultados que se muestran en la figura siguiente representan: - la curva de sensibilidad al contraste normal de estos sujetos en ausencia de deslumbramiento; - la disminución de la sensibilidad al contraste causada por el deslumbramiento usando lentes sin tratamiento antirreflejante; - la recuperación de sensibilidad al contraste conseguida con el tratamiento antirreflejante en condiciones de deslumbramiento idénticas. De la misma manera, han podido determinar que, en ciertas condiciones de deslumbramiento, el campo visual de un usuario de gafas correctoras es considerablemente más amplio con tratamiento antirreflejante que sin él(2). Además, se ha demostrado(3) que, en conducción nocturna, una lente con tratamiento antirreflejante permite reducir de 2 a 5 segundos el tiempo de recuperación de la visión normal tras un deslumbramiento comparado con las lentes sin tratamiento. En ese tiempo, a 50 km/h, se recorre una distancia de 28 a 70 m.

a

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b

Figura 33b: Formación de imagen y contraste

Por último, un estudio(4) realizado con un centenar de pacientes reveló una clara preferencia de los usuarios por las lentes tratadas con antirreflejante comparado con las lentes no tratadas según diferentes criterios de evaluación (visión global, trabajar con ordenador, conducir de noche, confort visual y reflejos). También demostró que llevar lentes con tratamiento antirreflejante proporcionaba una reducción significativa de la fatiga visual. Las lentes antirreflejantes permiten limitar considerablemente los efectos indeseados de la reflexión de la luz, ya que mejoran el contraste de la visión, reducen los efectos del deslumbramiento (en particular en condiciones de poca iluminación) y proporcionan a los usuarios un confort visual claramente superior. Sensibilidad al contraste

1000

a'

b'

Figura 33c: Mejora del contraste gracias a los tratamientos antirreflejantes.

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b

Deslumbramiento con tratamiento antirreflejante

Deslumbramiento sin tratamiento antirreflejante 10

1 1

10 20 Frecuencia espacial

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a

Sin deslumbramiento

100

Figura 34: Reducción de los efectos de deslumbramiento conseguida con los tratamientos antirreflejantes.

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El cálculo muestra que, para que se anule la luz reflejada, es necesario que la capa de tratamiento aplicada sobre la lente: - tenga un índice de refracción n’ igual a la raíz cuadrada del índice del material n; - tenga un grosor que sea un múltiplo de λ/4n’, donde λ es la longitud de onda de la luz que se quiere conseguir.

El tratamiento antirreflejante consiste en aplicar en las superficies de la lente una serie de capas finas que hacen que los rayos de luz reflejada interfieran entre sí de tal manera que se anulen. Para ello, se aprovecha la naturaleza ondulatoria de la luz y se intenta provocar una interferencia destructiva entre las ondas luminosas reflejadas.

Con un tratamiento monocapa de este tipo, se puede anular la reflexión de una longitud de onda determinada, pero es imposible anular todo el espectro de radiación visible. Por eso, lo que se intenta es anular concretamente la reflexión de las longitudes de onda a las que el ojo es más sensible, es decir, la luz verde-amarilla (λ = 555 nm). Por este motivo, la reflexión residual será siempre de color azul o morado.

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2. Principio del tratamiento antireflejante

Figura 35: Principio del tratamiento antirreflejante. Consideremos el fenómeno que se produce con una capa aislada de tratamiento (figura 34). El haz que llega hasta esta capa se descompone en un haz reflejado por la capa y un haz refractado que la penetra. Este último llega hasta la superficie de la lente y se divide, a su vez, en un haz reflejado y un haz refractado. Si se escoge bien el grosor y el índice de refracción de la capa aplicada sobre la lente, se puede conseguir que estas dos ondas reflejadas se anulen. Para ello, hace falta que se superpongan en fases de oscilación opuestas, es decir, que cuando una onda se encuentre en su máximo de intensidad, la otra esté en su mínimo, y viceversa. Así se consigue anular la luz reflejada. La luz que no es reflejada se transmite, por lo que la transmisión de la lente mejora considerablemente.

Para conseguir atenuar globalmente todo el espectro, se emplea un principio de tratamiento multicapa que consiste en eliminar la reflexión residual combinando las interferencias entre las ondas reflejadas por varias capas. Cada una de estas capas genera una onda de luz reflejada y cada una de estas ondas está desfasada respecto de las demás, por lo que interfieren entre sí varias veces. Gracias a un complejo cálculo, se puede encontrar la manera de anular casi toda la luz reflejada. Si, para un tratamiento monocapa, la reflexión residual de luz es del orden del 2% por cara, con un tratamiento multicapa se llega a valores inferiores al 1%. El efecto cromático (es decir, el color del reflejo residual), algo importante en los tratamientos monocapa, se reduce mucho con los tratamientos multicapa. Aquí vale la pena precisar que la eficacia de un tratamiento antirreflejante no es directamente proporcional al número de capas aplicadas, sino que depende de su organización y de la interacción de las diferentes ondas reflejadas entre sí. Según el fabricante, un tratamiento antirreflejante multicapa puede tener entre 3 y 8 capas. Para terminar, cabe mencionar que, por principio, el tratamiento antirreflejante funciona en la superficie de contacto entre la lente y el aire, y que, por lo tanto, siempre se aplica en la última fase de la cadena de fabricación de la lente.

a

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b

Figura 36a: Principio del tratamiento antirreflejante multicapa: Múltiples interferencias.

Figura 36b: Principio del tratamiento antirreflejante multicapa: Cancelación de ondas reflejadas.

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b. Color residual

La eficacia de un tratamiento antirreflejante se mide a partir de su espectro de reflexión, curva que, una vez aplicado el tratamiento, da la intensidad de la luz reflejada en función de la longitud de onda (ver figura 37). El área que queda debajo de la curva representa la cantidad de luz que se refleja siempre. Groso modo, la eficacia del tratamiento antirreflejante se puede clasificar según las tres categorías siguientes:

El color residual de un tratamiento antirreflejante se define por la composición espectral de la luz que refleja. Según el tipo de tratamiento aplicado, el reflejo residual puede presentar colores diferentes. De este modo, en la figura 36, que representa el espectro de reflexión de una cara de una lente de índice 1,5: - la línea blanca representa la reflexión sin tratamiento: todas las longitudes de onda se reflejan de manera uniforme en un porcentaje del 4%; - la curva azul representa la reflexión de un tratamiento antirreflejante monocapa: la intensidad reflejada es mayor en el azul y el rojo, y crea un tono morado. - la curva amarilla representa la reflexión de un tratamiento multicapa tipo Crizal®, con reflejo residual amarillo-verde. Cabe decir que dominar el color del reflejo residual es un ejercicio técnico difícil, ya que la más leve variación del índice de refracción o del grosor de las capas del tratamiento antirreflejante tiene un resultado inmediatamente visible en el color del reflejo. Por esta razón, las dos lentes de una misma montura suelen recibir el tratamiento antirreflejante en las mismas tiradas de fabricación en los laboratorios de prescripción. Para las lentes que se fabrican en serie, se requiere un control exhaustivo que permita juntar, en una misma montura, lentes fabricadas en momentos diferentes y con equipos diferentes. Por esta razón, en cada tirada de fabricación se añaden lentes de control para comprobar que se cumplan a rajatabla las especificaciones de reflexión y de colorimetría de los tratamientos antirreflejantes que se realizan.

Eficacia

Reflexión por cara (ρ)

Transmisión (τ)

0,3 à 1,0 %

97,5 à 99,5 %

Media

1,0 à 1,8 %

96,0 à 97,5 %

Estándar

1,8 à 2,5 %

94,0 à 96,0 %

Reflexión (%)

Alta

6

5

4

3

1

0 350 400 380

500

600

700

800 780 Longitud de onda (nm)

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2

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a. Eficacia del tratamiento antirreflejante

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

3. Características y resultados del tratamiento antirreflejante

Además de por razones estéticas, la elección del color residual de un tratamiento antirreflejante también se puede hacer siguiendo criterios técnicos, especialmente en función de la sensibilidad absoluta o diferencial del ojo a los colores. Por ello, se ha optado por el reflejo verde-amarillo del tratamiento Crizal®. Es posible aplicar tratamientos acromáticos, es decir, que tengan una reflexión residual uniforme de los diferentes colores del espectro y que no presenten un color específico al observarlos, pero, a veces, esto puede dificultar su identificación y reconocimiento.

Figura 37: Espectro de reflexión de un tratamiento antirreflejante.

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El sistema colorimétrico L*, a*, b*

Franjas de interferencia en la superficie de las lentes orgánicas de altos índices

Para caracterizar el reflejo residual de un tratamiento antirreflejante se utiliza el sistema colorimétrico L*a*b*, propuesto en 1976 por la Comisión Internacional de Iluminación. Este sistema es un mapa de los colores establecido según el eje verde-rojo en las abscisas y el eje azul-amarillo en las ordenadas. Cualquier color P se define por sus coordenadas a* en el eje verde-rojo y b* en el eje azul-amarillo, y se puede cuantificar según sus dos características esenciales: - su ángulo de tono h*, que determina el color, representado por el ángulo que forma el segmento OP con el eje verde-rojo (eje de las a*); - su saturación o croma C*, que determina la intensidad del color, representada por la longitud del segmento OP, desde la ausencia de tonalidad (acromático), en el centro del sistema, hasta el tono puro (monocromático), en el perímetro. a

En ocasiones, se produce un desagradable fenómeno de interferencias ópticas en la superficie de las lentes de altos índices revestidas con un tratamiento de resistencia al arañazo de índice clásico y con tratamiento antirreflejante. Se manifiesta mediante franjas de interferencia, es decir, una alternancia de bandas claras y oscuras, que se pueden observar en la superficie de la lente. Estas franjas son el resultado de la interferencia de las ondas luminosas reflejadas, por un lado, por el tratamiento de resistencia al arañazo y, por otro, por el substrato, y se acentúan con el tratamiento antirreflejante. Este fenómeno sólo se presenta en una situación muy particular en que se dan las tres condiciones siguientes: - una diferencia significativa entre el índice de la lente y el índice del tratamiento de resistencia al arañazo. Por ejemplo, un material de índice 1,74 y un tratamiento de índice 1,5; - una iluminación monocromática. Por ejemplo, un fluorescente (luz policromática con picos monocromáticos). Las franjas no aparecen en la luz blanca natural; - una variación del grosor del tratamiento aplicado en la superficie de la lente. Este fenómeno altera levemente la estética de la lente, pero no tiene ninguna consecuencia visual para el usuario, ya que no lo percibe.

Amarillo b*

P

C*

h*

Verde

Rojo a*

O

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento

Azul

La solución técnica a este problema es doble: - ya sea mediante el uso de un tratamiento de resistencia al arañazo con un elevado índice de refracción que atenúe el fenómeno de las interferencias reduciendo la diferencia entre los índices del tratamiento y del substrato (técnica de adaptación del índice de refracción). - ya sea introduciendo una capa suplementaria entre el substrato y el tratamiento destinada a eliminar, por interferencia destructiva, la onda reflejada por el substrato (técnica de la lámina de cuarto de onda). El uso de estas técnicas tiende a generalizarse en la fabricación de las lentes orgánicas con índices de refracción muy altos (n > 1,7).

Figura 38a: El sistema colorimétrico L*, a*, b*. Este sistema colorimétrico permite distribuir los diferentes colores de los reflejos según se ilustra en la siguiente figura. b

C

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A

A

B

B

D

-20

-15

-10

-5

0

5

10

D

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C

Figura 39: Principio de aparición de franjas de interferencia en la superficie de las lentes.

Figura 38b : Diferentes reflejos residuales.

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c

Transparencia y durabilidad MATERIALES Y TRATAMIENTOS

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Para explicar este fenómeno, se puede poner como ejemplo un usuario de gafas que observa un objeto de intensidad 100 con el sol, de intensidad 500, a su espalda. Para una lente de índice de refracción 1,5, la reflexión en cada cara es del 4% sin tratamiento antirreflejante y del 0,4% con tratamiento. La reflexión de la luz solar en la cara posterior de la lente genera una imagen parásita de intensidad 500 x 4% = 20. Hay que fijarse en la intensidad de la luz que el ojo del usuario recibe y, más concretamente, en la relación entre la intensidad de la luz parásita que se recibe del sol al reflejarse sobre la cara posterior y la intensidad de la luz emitida por el objeto observado y transmitida por la lente. A esta relación se la denomina "índice de incomodidad". Pueden darse cuatro situaciones: - Si la lente es blanca y sin tratamiento antirreflejante, la luz que se transmite es 100 x 0,96 x 0,96 = 92 y el índice de incomodidad es 20 / 92 = 22% (figura 40a). - Si la lente es blanca y con tratamiento antirreflejante en ambas caras, la luz que se transmite es 100 x 0,996 x 0,996 = 99 y la luz reflejada es 500 x 0,004 = 2. Por lo tanto, el índice de incomodidad es 2 / 99 = 2% (figura 40b). - Si la lente lleva filtro y posee una absorción interna del 67%, la luz que se transmite es 100 x 0,96 x 0,33 x 0,96 = 30. La luz parásita reflejada por la cara posterior es de 20, por lo que el índice de incomodidad es 20 / 30 = 67% (figura 40c). Cabe destacar que, si el filtro solar fuera más fuerte, la luz parásita podría ser igual o incluso más intensa que la luz recibida del objeto. - Si esta misma lente recibe un tratamiento antirreflejante en la cara posterior, la luz transmitida será 100 x 0,96 x 0,33 x 0,996 = 32 y la luz parásita será 500 x 0,004 = 2, por lo que el índice de incomodidad será 2 / 32 = 6% (figura 40d). De esta forma se demuestra la importancia de aplicar un tratamiento antirreflejante en la cara posterior de las lentes solares para mejorar el confort visual de los usuarios. Es una pena que su uso no esté muy extendido.

b

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En una lente solar, el tratamiento antirreflejante es especialmente útil, ya que sirve para eliminar los reflejos que se producen en la cara posterior de la lente. Mientras que el tratamiento antirreflejante de la cara anterior de una lente solar no tiene especial interés, el de la cara posterior puede resultar esencial para garantizar el confort visual del usuario. De hecho, aplicar un tratamiento antirreflejante a la cara anterior de una lente solar para mejorar su transmisión se contradice con la propia misión de la lente, la de atenuar la intensidad de la luz que llega hasta el ojo. Sin tratamiento antirreflejante en la cara anterior, se puede eliminar un 4% de la luz, para una lente de índice 1,5, antes de que ésta penetre en la lente. Por ello, aparte de por razones estéticas, la cara anterior de muchas lentes solares es de espejo. En cambio, en la cara posterior, el tratamiento antirreflejante tiene otra misión: eliminar los reflejos de la luz que viene de detrás del usuario.

a

d

Figura 40: Transmisión y reflexión de la luz en una lente solar (de índice 1,5 y absorción 67%): a) Lente blanca no tratada con antirreflejante (índice de incomodidad = 22%). b) Lente blanca tratada con antirreflejante (índice de incomodidad = 2%). c) Lente solar no tratada con antirreflejante (índice de incomodidad = 67%). d) Lente solar tratada con antirreflejante (índice de incomodidad = 6%).

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Tratamiento antirreflejante en la cara posterior para las lentes solares

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El tratamiento antirreflejante requiere un material muy sofisticado y una tecnología muy avanzada, incluso más que la que se necesita para fabricar las propias lentes. La técnica de fabricación del tratamiento antirreflejante consiste en depositar sobre cada una de las caras de la lente una serie de capas finas con un índice de refracción específico, una transparencia absoluta y un grosor muy pequeño y controlado con una precisión nanométrica, es decir, de ± 10-10 m. La tecnología de la evaporación al vacío es la única que permite satisfacer estas exigencias y transferir a las lentes, mediante condensación, un material muy puro cuya composición química está rigurosamente controlada y cuyo grosor es el apropiado y está perfectamente medido. La evaporación al vacío, o sublimación, consiste en pasar las sustancias minerales que constituyen el antirreflejante a estado gaseoso calentándolas a temperaturas muy altas en una atmósfera de alto vacío. Las sustancias vaporizadas en el interior del recipiente al vacío se depositan en la superficie de la lente. Su grosor se controla en tiempo real mediante una microbalanza piezoeléctrica de cuarzo. Las diferentes substancias que forman las capas del antirreflejante se evaporan sucesivamente y, de esta forma, se superponen las capas del tratamiento. Encontrará más detalles sobre las tecnologías de fabricación en el "Complemento: tecnología de fabricación de los tratamientos antirreflejantes".

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4. Aplicación de los tratamientos antirreflejantes

Figura 41: Esquema de un recipiente de evaporación al vacío.

Los tratamientos antirreflejantes proporcionan una indiscutible mejora del confort visual de los usuarios. Su uso se ha extendido progresivamente en las últimas décadas, pero su penetración es muy variable en función del país, ya que en países como Japón se aplica sistemáticamente y, en cambio, en los mercados emergentes, rara vez se utiliza. En general, aproximadamente el 50% de las lentes reciben, en la actualidad, tratamientos antirreflejantes en todo el mundo, y no hay duda de que van a seguir extendiéndose en los próximos años.

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1. Tratamiento contra la suciedad

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Un tratamiento antirreflejante presenta, a escala microscópica, una superficie irregular donde se puede depositar la suciedad, compuesta por moléculas acuosas o lipídicas. Las capas finas de este tratamiento son relativamente porosas, por lo que las partículas de grasa y las impurezas se pueden incrustar en las porosidades de la última capa. Para paliar este inconveniente, se aplican las mismas técnicas que se usan en la fabricación de componentes electrónicos, la aplicación de un revestimiento que confiere propiedades hidrófobas y oleófobas, es decir, que reduce considerablemente la adherencia del agua y de las partículas de grasa. Estos tratamientos actúan de 3 formas: - repeliendo de las moléculas de suciedad y reducción de su adherencia gracias a una tensión superficial muy baja; - evitando que las moléculas de suciedad se introduzcan en las microporosidades del tratamiento antirreflejante mediante la obturación de los espacios intersticiales; - facilitando su eliminación al hacer que la superficie de la lente sea muy resbaladiza.

Figura 42: Principio del tratamiento contra la suciedad: b) Estructura química del revestimiento contra la suciedad.

Este revestimiento contra la suciedad es extremadamente delgado, del orden de unos pocos nanómetros de grosor, por lo que no tiene ningún efecto sobre las propiedades antirreflejantes. Está formado por compuestos químicos que contienen cadenas fluoradas o hidrocarbonadas. Podemos citar, por ejemplo, los polisilazanos fluorados, cuyas moléculas tienen una estructura bastante compleja. Por un lado, poseen radicales que actúan a modo de ganchos sobre la sílice (que constituye la última capa del tratamiento antirreflejante) y le proporcionan al tratamiento una muy buena adherencia. Por otro lado, poseen secuencias ricas en flúor dotadas de una fuerte repulsión química hacia el agua y las grasas.

Figura 42: Principio del tratamiento contra la suciedad: a) Obturación de los espacios intersticiales del tratamiento antirreflejante.

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La eficacia de un tratamiento contra la suciedad se puede medir según el "ángulo de contacto" de una gota de agua depositada sobre la superficie de la lente. Este ángulo es el que se forma entre la superficie de la lente y la tangente del borde de la gota. Aumenta al disminuir la superficie de contacto de la gota con la lente y, por tanto, al disminuir su adherencia. La eficacia contra la suciedad también se puede medir utilizando el "ángulo de deslizamiento". La medida consiste en depositar una gota de agua de dimensiones calibradas sobre la superficie de la lente, colocada horizontalmente, e inclinarla progresivamente hasta que la gota resbale por la superficie. El ángulo de deslizamiento es el ángulo de inclinación de la lente en el momento en que la gota empieza a resbalar. Cuánto más pequeño es este ángulo, más resbaladiza es la superficie y, por lo tanto, más eficaz es el tratamiento contra la suciedad.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

E Tratamientos contra la suciedad y el polvo

Figura 43: Eficacia del tratamiento contra la suciedad: a) Ángulo de contacto. b) Ángulo de deslizamiento.

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Para evitar este fenómeno, el tratamiento contra el polvo consiste en añadir en el tratamiento antirreflejante una capa conductora transparente que favorece la circulación de las cargas. Éstas se eliminan en unos pocos milisegundos y, al no permanecer en la superficie, dejan de atraer las partículas de polvo. De este modo, las lentes quedan totalmente limpias y sin polvo. Esta técnica, en un principio aplicada a los tratamientos Crizal® A2 / Crizal® AST, también se aplica al Crizal Forte®. Además, es una de las características de la gama de tratamientos Crizal®.

Los resultados de estos tratamientos contra la suciedad son tan buenos que son muy resbaladizos. Siendo esta ventaja a la vez un inconveniente. Después de aplicar el tratamiento contra la suciedad, se tiene que añadir una capa suplementaria provisional para hacerlo temporalmente menos resbaladizo y que el óptico pueda efectuar el bloqueo de las lentes sin correr el riesgo de que se descentren o se escapen al rectificarlas. Una vez finalizado el montaje, el óptico puede retirar fácilmente esta capa provisional, de color azul. Es entonces cuando se hace patente el efecto antirreflejantes de la lente.

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a

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Transparencia y durabilidad MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Las primeras generaciones de tratamientos contra la suciedad sólo conseguían alisar parcialmente la superficie (1a generación de Crizal®, por ejemplo). Sin embargo, las nuevas moléculas aplicadas a las siguientes generaciones han permitido crear un verdadero lacado de las superficies de la lente, que se nota perfectamente al limpiarla (Crizal Alizé®). Esta propiedad ha sido reforzada con Crizal Forte® aumentando la densidad de moléculas fluoradas que actúan contra la suciedad mediante el procedimiento HSD (High Surface Density) (ver más adelante el "Complemento: tecnología de fabricación de los tratamientos contra la suciedad").

b

Figura 44: Capa “azul”.

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Los tratamientos contra la suciedad han permitido superar uno de los principales escollos para el avance de los tratamientos antirreflejantes. De hecho, eran la principal queja que los usuarios de lentes al respecto de dichos tratamientos.

2. Tratamiento contra el polvo Además de ensuciarse, la superficie de una lente orgánica puede atraer el polvo por efecto de la electricidad electrostática. El material orgánico es aislante, por lo que no conduce las cargas eléctricas. En cuanto frotamos la superficie, sobre todo al limpiarla, se generan cargas electrostáticas que tardan en disiparse de la superficie de la lente. Estas cargas negativas atraen todas las partículas de polvo que tienen carga positiva. Así pues, la lente nunca está totalmente limpia y sin polvo.

Figura 45: Principio en el que se basa el tratamiento contra el polvo: a) Atracción electrostática del polvo. b) Repulsión de las partículas de polvo en una lente tratada.

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La tecnología de fabricación de los tratamientos antirreflejantes es muy sofisticada y requiere equipos de alta tecnología. Consiste en depositar sobre la superficie de las lentes una serie de capas transparentes extremadamente finas y de grosores totalmente controlados. El tratamiento se aplica a las lentes una vez terminadas, es decir, previamente talladas, coloreadas en caso que sea necesario y, en las lentes orgánicas, siempre barnizadas. Las lentes se introducen en un recipiente al vacío donde se depositan las diferentes capas del tratamiento mediante evaporaciones sucesivas de sus componentes. A continuación, se detallan las diferentes etapas de fabricación de estos tratamientos.

A) Preparación de las lentes antes del tratamiento Antes de depositar las capas del tratamiento antirreflejante, se debe limpiar la superficie de las lentes para eliminar los residuos de las anteriores etapas de fabricación y obtener una superficie de una pureza casi perfecta a escala molecular. Esta limpieza se efectúa en tanques con productos detergentes activados mediante ultrasonidos (gracias al fenómeno de la cavitación, que consiste en variar bruscamente y a alta frecuencia la presión del líquido, cosa que actúa como un cepillado enérgico). Estas lentes ultralimpias se introducen en la cámara de vacío en una atmósfera de sala blanca, es decir, un ambiente en el que se controla la presencia de polvo, la higrometría y la temperatura. Además, la atmósfera está en condiciones de sobrepresión, con lo cual se evita que entre cualquier mota de polvo que pudiera echar a perder la lente al provocar la aparición de puntos brillantes en la superficie. Finalmente, se realiza una limpieza final al vacío, justo antes de aplicar las capas antirreflejantes: - ya sea mediante descarga luminiscente, es decir, mediante descargas eléctricas en un gas a baja presión, - ya sea mediante bombardeo iónico, una especie de limpieza de la superficie de la lente usando un cañón de iones (parecido a limpiar un muro mediante un chorro de agua a alta presión). A esta técnica se la conoce por el nombre de Ion Pre-Cleaning o IPC.

B) Evaporación al vacío

Para realizar el tratamiento, es necesario medir y controlar en tiempo real el grosor de cada capa mientras se deposita sobre la superficie de la lente. Uno de los métodos más utilizados consiste en pesar el material aplicado mediante una microbalanza piezoeléctrica de cuarzo. Esta balanza consiste en un cristal de cuarzo que puede vibrar con una frecuencia muy precisa, por eso se utiliza en los relojes de cuarzo. La frecuencia cambia si se deposita una masa en una de sus caras. Esto es precisamente lo que ocurre al depositar la capa de tratamiento sobre un cristal de cuarzo situado en el interior de la cámara, al mismo nivel que las lentes. Gracias a un tratamiento electrónico, la variación de frecuencia se transforma en una medida precisa del grosor y de la velocidad de deposición de la capa. De esta forma, se puede controlar el grosor de las capas depositadas con una precisión de décimas de nanómetro.

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La evaporación al vacío consiste en pasar un cuerpo al estado gaseoso calentándolo en una atmósfera de vacío (sublimación). En el caso de los materiales utilizados en el tratamiento antirreflejante, para obtener capas de buena calidad es necesario calentarlas a temperaturas comprendidas entre 1000 y 2200 °C.

Para conseguir estas temperaturas, se colocan los materiales en un crisol en el que se genera calor siguiendo uno de los métodos siguientes: - calentamiento por efecto Joule: un crisol de metal refractario (tungsteno o tantalio) o de carbono se rellena de material sólido y se hace pasar una corriente eléctrica intensa hasta alcanzar una temperatura elevada. El material se funde, luego se evapora y esos vapores se envían hacia la cámara donde están las lentes. El efecto Joule es bien conocido y se utiliza, por ejemplo, para hacer funcionar los radiadores eléctricos. - calentamiento por bombardeo electrónico: un cañón de electrones, basado en el mismo principio que el de los tubos catódicos (el de los antiguos televisores), emite un haz de electrones, focalizado mediante electroimanes, sobre el material que se quiere evaporar, ubicado en una cavidad con la forma adecuada. Los electrones son absorbidos por el material y le transfieren su energía en forma de calor, aumentando su temperatura hasta evaporarlo.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Tecnología de fabricación de los tratamientos antirreflejantes

Complemento

Complemento

Figura 46: Esquema de una cámara de evaporación al vacío.

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¿Qué es el vacío? ¿Y por qué se utiliza?

C) Características de las capas antirreflejantes

En cualquier recipiente lleno de gas, las moléculas están permanentemente en movimiento, siguen trayectorias rectilíneas y colisionan, ya sea unas con otras o con las paredes del recipiente. Si disminuye el número de moléculas presentes en el recipiente, es decir, si se hace el vacío, dejan de colisionar entre sí y colisionan únicamente con las paredes del recipiente. Este principio es el que se utiliza en los equipos de tratamiento antirreflejante. Se crea el vacío mediante bombeo y se introducen en el recipiente las moléculas del tratamiento vaporizadas. Éstas se dispersan sin colisionar las unas con las otras hasta que se topan con las paredes de la cámara o con la superficie de las lentes que se quiere tratar. El nivel de vacío que se crea en la cámara es muy elevado. Se reduce la presión a aproximadamente 10-6 milibares, es decir, unas diez veces menor que el vacío existente en la superficie de la luna, y mil millones de veces menos que la presión atmosférica terrestre.

Se obtiene el efecto antirreflejante mediante la superposición de capas de diferentes materiales, sucesivamente vaporizadas en la cámara y depositadas en la superficie de las lentes. Los materiales utilizados son óxidos como los de silicio (SiO2), de zirconio (ZrO2), de titanio (TiO2), de niobio (Nb2O5) y, para las lentes minerales, de fluoruro de magnesio (MgF2). La composición exacta de las capas y el grosor relativo de cada una dependen de la habilidad del fabricante. Las propiedades de las capas depositadas están muy condicionadas por el sustrato sobre el que se aplican. Por ejemplo, mientras que el vidrio mineral puede calentarse hasta los 300 °C, es totalmente imposible someter la materia orgánica a más de 100 °C, ya que amarillearía y luego se descompondría. Así pues, ha sido necesario desarrollar procedimientos de fabricación a baja temperatura para poder tratar las lentes orgánicas. Además, los coeficientes de dilatación térmica de los materiales orgánicos son muy superiores a los de los materiales minerales utilizados para las capas del tratamiento antirreflejante y pueden comportar la aparición de tensiones en la superficie de contacto entre el substrato y el tratamiento. Esto explicaría, por ejemplo, la aparición de grietas cuando la lente se somete a un choque térmico (por ejemplo, si el óptico la calienta en el ventilete o debido a una exposición prolongada al sol en el salpicadero de un coche). Además, para el tratamiento de las lentes orgánicas, es necesario controlar muy bien la temperatura de la superficie de las lentes cuando se depositan las capas. En definitiva, el procedimiento de superposición de las capas antirreflejantes es complejo y tiene que adaptarse a cada material específico. © Essilor International

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento

Figura 47: Presión atmosférica y atmósfera de una cámara de vacío.

Hoy en día, la tecnología de la evaporación al vacío es la única que permite realizar tratamientos antirreflejantes de calidad. Dicha tecnología: - permite transferir a las lentes, mediante condensación, materiales muy puros con una composición química muy controlada; - posibilita la creación de capas superpuestas con un grosor extremadamente preciso (± 0,1 nm); - garantiza una óptima adherencia de las diversas capas gracias a que las superficies de contacto están libres de cualquier contaminación externa.

D) Organización de la fabricación Para recibir el tratamiento antirreflejante, las lentes se depositan una a una sobre soportes con forma de sectores que se sujetan mediante unos anillos adaptados. Estos sectores se ponen sobre una tapa con forma de cúpula que, a continuación, se introduce en la cámara al vacío. Las lentes se agrupan en series de 100 a 150 como máximo y en función de sus índices de refracción. Se cierra la cámara y se crea el vacío mediante varias bombas primarias y secundarias. A continuación, se realiza el tratamiento, que consiste en una sucesión de evaporaciones de los diversos constituyentes que se depositarán sobre la cara de la lente que da al interior de la cúpula. El tiempo de bombeo es de aproximadamente media hora y un ciclo total de evaporaciones dura aproximadamente una hora. Una vez terminado el ciclo, se abre la cámara, se extrae la cúpula y se giran las lentes con cuidado. A continuación, se realiza la misma operación de bombeo y evaporación para tratar la otra cara de la lente. Una vez finalizado el tratamiento, las lentes se retiran y se inspeccionan.

La aplicación de tratamientos antirreflejantes requiere equipos sofisticados y caros, así como un buen conocimiento de los procedimientos. Luego, todo depende de la habilidad y la experiencia del fabricante.

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Este revestimiento es un compuesto químico que contiene, por un lado, cadenas fluoradas e hidrocarbonadas y, por otro lado, moléculas a base de silicio que permiten enganchar estas moléculas fluoradas a la superficie del tratamiento antirreflejante. Suele presentarse como un material líquido que se vaporiza en la cámara de vacío al final del tratamiento antirreflejante, mediante un procedimiento de evaporación similar al que se utiliza en las diferentes capas del tratamiento antirreflejante. Se deposita como una capa extremadamente fina, de unos pocos nanómetros, sobre la superficie de la última capa de antirreflejante para alisar las irregularidades y las porosidades.

b

La primera generación de tratamiento contra la suciedad (Crizal®) introducía un número limitado de cadenas fluoradas, por lo que la superficie era parcialmente hidrófoba y oleófoba. En la siguiente generación, el número aumentó considerablemente hasta obtener una superficie muy resbaladiza (Crizal Alizé®). Esta técnica obligó a depositar otra capa suplementaria provisional para aumentar la fricción de la superficie y permitir que los ópticos pudieran realizar el montaje. En la siguiente generación, el procedimiento HSD (High Surface Density Process™) ha permitido aumentar aún más la cantidad de moléculas fluoradas depositadas en la superficie del tratamiento antirreflejante, recubrir mejor la superficie con una capa más densa y gruesa, y mejorar la eficacia del tratamiento contra la suciedad (Crizal Forte®).

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Figura 48: Aumento de la densidad del tratamiento contra la suciedad mediante el procedimiento HSD.

Complemento

a

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La fabricación del tratamiento contra la suciedad consiste en poner debajo de la última capa del tratamiento antirreflejante, una capa hidrófoba y oleófoba muy fina (de tan sólo unos pocos nanómetros). Este revestimiento se puede aplicar de dos formas diferentes: - por un procedimiento de inmersión similar al que se utiliza para aplicar el tratamiento contra las rayaduras, pero más sencillo; - mediante la evaporación al vacío en el recipiente del tratamiento antirreflejante. En este caso, la aplicación se efectúa inmediatamente sobre la última capa de tratamiento antirreflejante.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Tecnología de fabricación de los tratamientos contra la suciedad

Tecnología de fabricación de los tratamientos contra el polvo

Las condiciones de fijación de esta capa deben estar totalmente controladas para obtener, por un lado, una buena conductividad y, por otro, una transparencia perfecta. Para ello se utiliza la tecnología i-technology™, que permite controlar el grosor y la densidad de esta capa transparente y conductora. Es un procedimiento de fijación del tratamiento antirreflejante basado en el uso de iones, derivado de la tecnología aeroespacial y de la fibra óptica: - por un lado, y antes de depositar las capas de antirreflejante, se bombardea la superficie con iones para limpiarla y permitir una adhesión perfecta y duradera del tratamiento; - por otro lado, y durante el proceso de evaporación, los iones excitan las moléculas, con lo que se consigue una mayor densidad de la capa antiestática y una disposición perfectamente uniforme.

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El principio de fabricación del tratamiento contra el polvo consiste en introducir en la serie de capas de antirreflejante una capa suplementaria transparente y conductora de la electricidad. Esto dota al tratamiento de propiedades antiestáticas. Las cargas electrostáticas negativas que se crean al frotar las lentes se eliminan inmediatamente por conducción y dejan de atraer las motas de polvo con carga positiva.

Figura 49: Tratamiento contra el polvo mediante i-tecnology™.

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Además de ser delgado, ligero y transparente, el cristal oftálmico debe proteger también. Debe ser resistente a los impactos y garantizar una protección eficaz del ojo frente a los efectos nocivos de la radiación solar. En esta tercera parte, abordaremos en detalle las propiedades de resistencia y filtrado de los cristales.

A Resistencia a los impactos La resistencia a los impactos es una propiedad fundamental y absolutamente necesaria. Cualquier lente oftálmica tiene que poder resistir las agresiones del día a día sin romperse. Además, no puede representar ningún riesgo para la persona que las lleva. Al contrario, debe servir de protección. Con el tiempo, la resistencia a los impactos de las lentes oftálmicas se ha ido reforzando considerablemente. Las lentes, inicialmente minerales, eran quebradizas y se rompían con relativa facilidad. De hecho, al principio se sometían a tratamientos de templado químico o térmico para mejorar su resistencia. Posteriormente, hicieron aparición las lentes orgánicas, que poseían una resistencia natural superior, cualidad que contribuyó en gran manera a su éxito. Finalmente, entró en escena la reglamentación, que impuso a las lentes oftálmicas una serie de exigencias de resistencia y garantizó a los usuarios toda la seguridad necesaria. A continuación, describiremos los factores que hacen que una lente se rompa y detallaremos las normas de resistencia a los impactos que se aplican a las lentes oftálmicas.

Por otra parte, cabe destacar que los tratamientos antirrayado y antirreflejantes hacen que la lente se vuelva menos resistente que las lentes sin tratar. En caso de impacto, la fisura se produce en las capas de tratamiento antirreflejante, de naturaleza más quebradiza al ser minerales, se transmite al tratamiento de endurecido y de ahí al sustrato. Así, toda la lente se debilita a partir de su elemento más débil. Para solucionar este problema y reforzar la resistencia de estas lentes a los impactos, actualmente se incorpora una capa de tratamiento primario entre el sustrato y el tratamiento endurecido de tipo elastomérico, capaz de detener la propagación de la fisura gracias a su elasticidad. Esta capa también sirve para favorecer la adherencia del tratamiento de resistencia al arañazo y permite aplicar tratamientos más duros.

1. Cómo se produce una rotura La resistencia a los impactos de una lente oftálmica es el resultado de la combinación de la resistencia natural del material utilizado, el grosor del vidrio, la presencia de tratamientos de resistencia al arañazo y antirreflejantes y, en su caso, de tratamientos contra los golpes. En caso de impacto, que normalmente suele producirse en la cara frontal del lente, el proceso de ruptura es el siguiente: tras una determinada amplitud de deformación se crea sobre la superficie posterior una fisura inicial que constituye un punto débil donde se concentra la energía mecánica del golpe, lo cual supone un ensanchamiento de la fisura y su propagación en forma de grieta a través del grosor de la lente. Los materiales orgánicos y los minerales se comportan de forma completamente distinta al sufrir un golpe: - Los minerales, que son muy frágiles, tienen un umbral de resistencia muy bajo y se rompen con relativa facilidad. Por ello, requieren tratamientos de templado térmico o químico, que los hace más difíciles de manipular y que les ha hecho caer en desuso. - Los cristales orgánicos, en cambio, tienen un comportamiento intrínseco mucho más favorable, ya que su estructura molecular les proporciona una buena plasticidad y una gran amplitud de deformación antes de la rotura. De esta manera, son capaces de absorber una gran parte de la energía del impacto y resistirlo mejor. Los diferentes tipos de materiales orgánicos tienen propiedades distintas. Los materiales termoplásticos, gracias a la relativa libertad de movimiento de sus cadenas moleculares, son capaces de disipar mejor la energía recibida en el impacto. Los materiales termoestables, que presentan una estructura reticulada, son más rígidos y ofrecen menor resistencia. Así pues, el CR39® cumple las normas sobre condiciones de grosor mínimas y el Trivex® muestra una buena resistencia, pero puede llegar a romperse, mientras que el policarbonato demuestra una excelente resistencia y no se rompe, lo que lo convierte en el material resistente por excelencia. De hecho, es el que se utiliza para fabricar las lentes de protección. Los materiales orgánicos de alto índice son, por lo general, más resistentes que el CR39® pero menos que el policarbonato.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Resistencia y protección

3. Resistencia y protección

Figura 50: Cómo se produce la ruptura de una lente oftálmica: aparición de fisuras en la cara cóncava que podrían propagarse al grosor de la lente y provocar su rotura.

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En función del país, las normas sobre resistencia a los impactos que se exigen a las lentes oftálmicas difieren ligeramente. En los Estados Unidos, la norma en vigor promulgada por la Food and Drug Administration (FDA) se basa en dejar caer una bola sobre el cristal, mientras que en Europa y en Asia se mide la resistencia a la presión de una carga de 100 newtons, según las exigencias aplicables del Comité Europeo de Normalización (CEN). A continuación se analizan ambas normas en detalle: - Norma de la FDA (resistencia dinámica): estipula que todas las lentes oftálmicas deben poder resistir el impacto de la caída de una bola de acero de 16 g de masa, 16 mm de diámetro ("5/8 inch steel ball") y lanzada desde una altura de 1,27 m (50 pulgadas) contra el centro de la cara convexa de la lente. Del total de muestras sometidas a ensayo se acepta una tolerancia del 6,5% de lentes rotas. Esta norma se publicó en 1972 y ha marcado el gran desarrollo de las lentes orgánicas en Estados Unidos y otros países que también la han adoptado.

b

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- Norma del CEN (resistencia estática): estipula que todo cristal oftálmico debe poder resistir una presión de 100 newtons (equivalente a una masa de 10 kg) aplicada durante 10 segundos sobre la superficie convexa sin romperse, sin agrietarse con pérdida de materia y sin deformarse (la flecha no puede variar más de 4,5 mm). Todas las lentes deben cumplir las exigencias de esta norma; para validar el cumplimiento se someten a ensayo las lentes más frágiles, es decir, las de potencia negativa. Estas normas establecen mínimos de resistencia a los impactos de obligado cumplimiento para todas las lentes. Los fabricantes son libres de mejorar la calidad de sus productos a partir de estos mínimos. Essilor se ha impuesto unos niveles de exigencia mayores que los de estas normas respecto a la resistencia a los impactos de sus lentes.

La resistencia a los impactos es una característica esencial para proteger los ojos de los usuarios de gafas contra cualquier agresión mecánica y aportar a las lentes toda la durabilidad necesaria. Resulta crucial, además, para las gafas de uso infantil. Los materiales orgánicos han conseguido dar una respuesta satisfactoria a la resistencia a los impactos. El policarbonato, por ejemplo, es su mejor expresión, ya que es prácticamente irrompible.

Resistencia y protección

a

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

2. Normas de resistencia a los impactos

Figura 51: Ensayos de resistencia a los impactos a) Ensayo FDA: se deja caer una bola de acero de 16 g de masa y de 16 mm de diámetro desde una altura de 1,27 m sobre la cara convexa de la lente. b) Ensayo CEN: se aplica sobre la cara convexa de la lente una carga de 100 newtons durante 10 segundos.

Normas de resistencia a los impactos actualmente vigentes: Norma ISO 14889, norma ANSI Z 80.1 - 1987, norma ISO 2859-1.

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El ojo humano posee varios mecanismos de defensa natural que le permiten protegerse de la luz: el reflejo de cerrar los párpados, la contracción de la pupila, el filtrado por parte de los humores del ojo, la adaptación de la retina a la cantidad de luz, etc., aunque esta protección puede ser insuficiente y la luz podría, por efecto acumulativo, provocar lesiones en la propia estructura ocular. Por eso se recurre a la protección adicional que brindan las lentes con filtro, ya sea de manera permanente (para mejorar la protección y la comodidad del ojo) o específica (para proteger

el ojo de los rayos de luz intensos). La lente con filtro desempeña una doble función. Por un lado, reduce la intensidad de la luz que alcanza el ojo y, por otro, absorbe las radiaciones nocivas. Puede ser de transmisión fija (con tono uniforme o graduado) o de transmisión variable, es decir, fotocromática. Seguidamente se analiza por qué es necesaria la protección frente a la radiación solar, se tratan los principios generales de la protección solar y, finalmente, se describen los distintos tipos de lentes con filtro.

Información sobre la radiación solar

Ultravioleta

UVC 200

UVB 280

315

Luz visible

Infrarrojo

Radar

Luz visible

10 4

10 2

10

Rayos Televi- FM hercianos sión Microondas

Onda Onda Onda corta media larga

Longitud de onda λ (m)

Infrarrojo

UVA 380 400

500

600

700

780 800 Wavelength λ (nm)

Figura 52: Radiación electromagnética y luz solar.

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Ultravioleta

10 -4

Rayos X

10 -6

Rayos Y

10 -8

10 -10

10 -14 Rayos cósmicos

10 -2

•los rayos UVA (de 380 a 315 nm), cuyo efecto bronceador resulta bien conocido y •los rayos UVB (de 315 a 280 nm), que pueden causar quemaduras en la piel. La radiación ultravioleta que alcanza la tierra se compone de un 95% de rayos UVA y un 5% de UVB. Más allá existen otras radiaciones, como los rayos UVC (entre 280 y 200 nm), que resultan peligrosas, aunque la capa de ozono que rodea la atmósfera se encarga de detenerlas. - fuera del espectro visible están los rayos infrarrojos, que se extienden entre λ = 780 nm y λ = 2000 nm, y que son retenidos por el vapor de agua presente en la atmósfera. La luz visible, pues, no es más que una pequeña fracción del espectro electromagnético, pero que destaca por su interacción con el ojo humano y porque nos permiten ver lo que nos rodea.

La radiación solar que alcanza la tierra no es más que una pequeña fracción del amplio espectro de vibraciones electromagnéticas, que va desde la radiación cósmica hasta las ondas radioeléctricas. Cada radiación se caracteriza por una frecuencia ν o por una longitud de onda λ = c / ν (c = velocidad de la luz, es decir, 300.000 km/s). La radiación solar que afecta a la superficie terrestre se sitúa en el intervalo comprendido entre aproximadamente λ = 300 nm y λ = 2000 nm y comprende lo siguiente: - la luz visible, es decir, la que después de haber atravesado los humores del ojo estimula los receptores retinianos. Según los valores normalizados, su longitud de onda está entre λ = 380 nm (violeta) y λ = 780 nm (rojo); - más allá de lo visible se encuentran los rayos ultravioleta (llamados también simplemente "UV"), con una longitud de onda entre λ = 380 nm y 280 nm, y que se dividen en dos tipos:

10 -12

Resistencia y protección MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B Protección contra la luz

El sol marca nuestro ritmo de vida y nos aporta luz y calor, si bien no todas las radiaciones que proceden de él son beneficiosas. Algunas de ellas, en especial la radiación ultravioleta y la luz azul, pueden ser peligrosas a largo plazo; a continuación se estudian sus efectos sobre la visión y sobre las estructuras oculares.

Transmisión de la luz a través de las distintas estructuras del ojo - La luz visible, incluidas las longitudes de ondas cortas de alta energía, llegan a la retina. - Los rayos UVA son, en su mayor parte, absorbidos por el cristalino, aunque pueden alcanzar la retina, sobre todo en los niños. - Los rayos UVB son absorbidos mayoritariamente por la córnea, aunque una pequeña porción llega al cristalino. - Los rayos UVC son absorbidos en su totalidad por la capa de ozono.

b. Efectos de la luz azul

CÓRNEA

RETINA

200 nm

380 nm

UVC UVB UVA

450 nm 490 nm 560 nm 590 nm 630 nm

LUZ VISIBLE

70% 35,5%

11% 13%

19% 50%

1,5%

780 nm

CRISTALINO

MÁCULA

Figura 53: Transmisión de la luz a través de las distintas estructuras del ojo.

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315 nm

CAPA DE OZONO

280 nm

La luz azul es la fracción más energética del espectro visible y abarca las longitudes de 380 a 500 nm, de los violetas (380 a 420 nm) a los azules (420 a 500 nm). Contiene mucha energía, si bien se dispersa más en la atmósfera que las demás longitudes de onda del espectro visible (según la Ley de Rayleigh). Por eso el cielo nos parece azul cuando está despejado. La luz azul está presente en la luz directa del sol, pero también es emitida por numerosas fuentes de iluminación artificial. Al penetrar en el interior del ojo, afecta a la visión y a la retina: - Efectos sobre la visión: dada su mayor difusión por los medios transparentes, es un factor importante de deslumbramiento. Además, como el sistema óptico del ojo la enfoca en la parte delantera de la retina, puede provocar una impresión borrosidad. - Efectos sobre la retina: al igual que la radiación ultravioleta, la luz azul provoca la degradación de las células retinianas (epitelio pigmentario y fotorreceptores). La exposición repetida y/o prolongada a la luz azul puede originar fototraumatismos en la retina. A largo plazo, las consecuencias acumulativas de la exposición a la luz azul se consideran un factor de riesgo en la degeneración macular asociada a la edad (DMAE) y, por tanto, en la pérdida de agudeza visual.

Resistencia y protección

La exposición a los rayos ultravioleta es una causa importante de lesiones oculares. Algunas de ellas son irreversibles y pueden significar la pérdida total o parcial de la visión. Más concretamente, la luz ultravioleta puede originar irritación ocular, sequedad ocular, lesiones de la conjuntiva, fotoqueratitis, oftalmias (o quemaduras de la córnea como la "ceguera de la nieve"), oscurecimiento del cristalino, cataratas precoces y también daños en la retina, en particular en los niños. La luz ultravioleta constituye, pues, un peligro cotidiano, más aún cuando su concentración es especialmente elevada: en verano, cuando la intensidad de los rayos solares es máxima, al mediodía, cuando el sol alcanza su cenit; en la montaña, ya que la nieve refleja el 80% de la radiación; en lugares elevados, donde su presencia aumenta en un 10% cada 1.000 m, junto al mar, puesto que el agua refleja la radiación (20%) o la arena (10%) o en la ciudad, donde las superficies brillantes reflejan tanto la luz visible como los rayos UV. Por todo ello es necesario protegerse los ojos, al menos tanto como se protege la piel.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

a. Efecto de los rayos ultravioleta

1. Necesidad de proteger el ojo contra la radiación solar

Llegados a este punto hay que precisar que no todas las lentes solares protegen eficazmente contra los rayos ultravioleta ni, menos aún, contra la luz azul. Las lentes tintadas que no filtran las radiaciones nocivas protegen el ojo del deslumbramiento causado por la reducción de la intensidad de la luz visible, pero al dilatarse la pupila de manera refleja deja penetrar en el ojo una mayor cantidad de luz y, en consecuencia, un mayor nivel de radiaciones nocivas. Así pues, una lente solar de mala calidad puede ser peor aún que no llevar protección en los ojos. Resulta absolutamente inaceptable que los profesionales de la visión ofrezcan este tipo de lentes.

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Los filtros de luz se caracterizan por sus propiedades físicas de transmisión lumínica (factor de transmisión τ, curva de transmisión y corte UV) y también por las características fisiológicas correspondientes, como el factor relativo de transmisión en el espectro visible (τν). Este factor τν es específico de la óptima oftálmica y resume las propiedades fisiológicas del filtro por medio de un número único, que es el cociente del flujo lumínico que emerge de la lente y el flujo lumínico que incide sobre la misma, tal y como son percibidos por el ojo humano, es decir, ponderados para cada longitud de onda según la eficacia espectral relativa νλ del ojo (véase la definición exacta en el complemento "Características de las propiedades de transmisión de una lente oftálmica"). Este factor responde a una definición internacional normalizada y permite clasificar las lentes en cinco categorías de transmisión lumínica, que van de 0 (cristales claros) a 4 (cristales oscuros). Los criterios de clasificación no sólo se basan en las propiedades de transmisión de la lente en el espectro visible, sino también en las longitudes del espectro correspondientes a los rayos UVA y UVB. Se establecen a partir de lentes planas con un grosor de 2,0 mm y en condiciones de incidencia normal.

a. Principio de filtración/absorción de las lentes La materia está compuesta por moléculas constituidas por átomos, que, a su vez, están formados por un núcleo y unos electrones. La interacción de esas moléculas con la luz se traduce principalmente en una excitación de los electrones, que pasan de un estado electrónico fundamental S0 a un estado excitado S1. La diferencia entre estos dos niveles de energía puede registrarse con un espectrómetro, gracias al cual se obtendrían, según la opción elegida, una representación gráfica llamada espectro (o curva) de absorción o bien de transmisión. Los espectros son como huellas características de una molécula o de una determinada cadena de moléculas. Toda la materia absorbe luz, pero en zonas distintas del espectro solar. Cuanta mayor densidad electrónica presente el conjunto de moléculas que constituye el polímero (cosa que depende de los átomos y los enlaces entre ellos), más se desplazará el espectro hacia mayores longitudes de onda. En el caso de las lentes incoloras, la propia constitución del polímero basta, en general, para detener la mayoría de los rayos ultravioleta o, de no ser así, permite agregar moléculas adicionales llamadas "absorbedoras de rayos UV" que proporcionan una protección total. Para lograr una protección suplementaria dentro del espectro visible, por ejemplo en las lentes solares, se incorporan al polímero colorantes que, gracias a su gran densidad de electrones, desplazan el espectro de absorción visible y de esta manera garantizan el filtrado de la luz.

Categoría Catégorie del filtro du filtre

Dominio delespectro Domaine spectral del UV ultraviolet

Dominiospectral del Domaine espectro del visible visible

Valor maximale máximo Valor maximale máximo Valeur Valeur la transmission transmisión la transmission transmisión de la de la UV-B UV-A solaireUV-B solaireUV-A

Transmisión Transmission en ellevisible dans visible

τ

SUVB

2

Energía

UVB (%)

τv τv

1 0,125 τv

3

Espectro

Longitud de onda nm

S0

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V4 V3 V2 V1 V0

4

Transmisión

Espectro

Longitud de onda nm

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Absorción

S1

v

380-780nm

SUVA

315-380 nm PAS DE TRADUCTION De de

280-315 nm UVB (%) 0

V4 V3 V2 V1 V0

τ

τ

0,5 τv 1,0

(%) (%)

A à (%) (%)

80,0

100,0

43,0

80,0

18,0

43,0

8,0

18,0

3,0

8,0

Figura 55: Clasificación de las lentes según la transmisión lumínica A cada una de estas categorías de transmisión lumínica le corresponde una descripción, una indicación de uso y una representación gráfica normalizadas y que se ilustran en la figura 55: - La categoría 0 corresponde a las lentes incoloras o de tonos ligeros de uso permanente. - La categoría 1 corresponde a las lentes de tonos intermedios, que se sitúan entre las incoloras y las solares. - Las categorías 2, 3 y 4 se refieren a las lentes solares y corresponden a niveles de insolación medio, fuerte y excepcional, respectivamente. Los pictogramas también se han normalizado y reflejan de forma gráfica y válida internacionalmente el uso recomendado para cada tipo de tono, así como sus límites. Esta clasificación normalizada de los tonos va acompañada de restricciones de uso que el usuario debe conocer, en concreto que no se recomienda utilizar cristales de una intensidad igual o superior a 1 para conducir de noche o que no se recomienda conducir con lentes de la categoría 4.

Figura 54: Modelo teórico de absorción lumínica.

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Resistencia y protección MATERIALES Y TRATAMIENTOS

b. Clasificación de las lentes según la transmisión lumínica

2. Información general sobre las lentes con filtro

1

Verre ligeramente Lentes légèrement teinté coloreadas

2

Lentes Verre medianamente moyennement teinté coloreadas

Luminosité solaire Luminosidad solar moyenne media

3

Verre foncé Lentes oscuras

Forte luminosité solaire Fuerte luminosidad solar

4

Verre Lentes très foncmuy é oscuras

Luminosité solaire Luminosidad solar exceptionnelle. excepcional. Verre non adapté conduite No adaptada paraàlalaconducción automobile. de automóviles

Intérieuro-cielo Ciel voilé Interior nuboso

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Luminosité solaire Luminosidad solar aténuée atenuada PAS DE TRADUCTION

Figura 56: Descripción e indicaciones de uso correspondientes a las distintas categorías de transmisión lumínica.

c. Tono y transmisión de una lente El tono de una lente viene determinado por la composición cromática de la luz que transmite, excepto en el caso particular de las lentes de espejo. Es el resultado de la superposición de las radiaciones visibles que recibe el ojo del observador. Es difícil establecer con precisión las propiedades de transmisión de una lente sólo a partir del tono. Con todo, se pueden establecer ciertos principios generales: • el tono gris es el que transmite las radiaciones visibles más uniformemente, • el marrón presenta una mayor absorción de azul-verde que de naranja-rojo, • la intensidad del tono indica el grado de absorción del espectro visible, • el tono no guarda relación alguna con la absorción de rayos ultravioleta o infrarrojos. Y, al contrario, resulta igual de difícil predecir el color de una lente a partir de su curva de transmisión. La elección del tono se realiza en función de determinadas propiedades de absorción buscadas o de la posible tendencia ametrópica del sujeto (con preferencia por el marrón en caso de miopía y del verde en caso de hipermetropía), pero también depende de los gustos de la persona. También influye la tradición cultural. Así, los anglosajones consideran que el gris y los colores neutros son mejores filtros, mientras que la Europa continental prefiere lentes de color marrón porque protegen mejor frente a las radiaciones de la parte inferior del espectro visible y refuerzan el contraste.

Más allá de la reducción lumínica que suponen las lentes con filtro, cabe plantearse también la alteración cromática que provocan, ya que todos los filtros de color, al poseer una determinada selectividad espectral, deforman inevitablemente la visión de los colores. Gracias al fenómeno de la adaptación cromática, el cerebro humano es capaz de minimizar sus efectos y restituir, en gran parte, la escala relativa de los colores naturales. Aun así, este fenómeno presenta limitaciones y los colores percibidos corresponden a la deformación residual tras la adaptación cromática, lo que sin duda depende del filtro lumínico y, de forma más precisa, de su selectividad espectral. Eso es lo que ha llevado a desarrollar determinados tipos de tonos (como los PhysioTints®) que minimizan la deformación de los colores y, en especial, reducen el recorrido cromático de adaptación que debe realizar el sistema visual. El procedimiento seguido se basa en seleccionar, de entre los tonos clásicos de color marrón, gris, gris-verde o negro, aquel que desde un punto de vista teórico transforme la menor cantidad de coordenadas colorimétricas de una fuente luminosa cromática de referencia (véase la figura 58) y que, desde un punto práctico, sea el más apreciado por los usuarios. Para su determinación se utiliza el cálculo de un índice teórico de reproducción de los colores que suma las distorsiones cromáticas finales tras una simulación de adaptación cromática basada en muestras de colores de referencia. Se utiliza para llevar a cabo una primera selección de tonos que posteriormente se evalúan en una muestra de pacientes. De esta manera puede proponerse a las personas que llevan lentes solares la opción más cómoda visualmente y elegir los tonos en función de criterios fisiológicos y no sólo subjetivos o estéticos.

Resistencia y protección

0

Verre clair Lentes claras oumuy trèsligeramente légèrement o teinté coloreadas

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

d. Alteración de la visión de los colores

Indications d'usage indicaciones de uso

Pictogrammes Pictograms

Description Cat. Descripción

a

τν

b

100

80

40

20

780

750

700

650

600

550

500

450

400

380

0

λ(nm) Figura 57: Curvas de transmisión según distintos tonos (gris, marrón, verde).

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60

Figura 58: índice de distorsión de los colores: campo vectorial de una lente tintada: b) PhysioTints® a) Tono clásico (Los vectores cortos indican una distorsión débil de los colores, con menor perturbación y mayor comodidad visual).

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento Características de las propiedades de transmisión de una lente oftálmica A. Características de la transmisión de una lente oftálmica

La luz transmitida por una lente no es otra cosa que la luz que no resulta ni reflejada ni absorbida por ésta. Depende de la composición química del material y de los tratamientos a los que se hayan sometido las superficies de la lente. Dicho esto, el flujo lumínico Φτ que alcanza el ojo corresponde al flujo incidente Φ sobre la cara exterior de la lente menos el flujo Φρ reflejado por las dos superficies de la lente y el flujo Φα que pueda absorber el material, es decir, Φτ + Φρ + Φα = Φ. La percepción del usuario es el resultado de la combinación de 3 elementos: la intensidad y la composición espectral de la luz incidente, la reflexión y la absorción por parte de la lente y sus correspondientes selectividades espectrales y, finalmente, la sensibilidad ocular a las distintas radiaciones visibles. A continuación se describen en detalle los diferentes factores que sirven para caracterizar las propiedades de transmisión, reflexión y absorción de las lentes oftálmicas.

Factor de transmisión τ Se define por la relación τ = Φτ / Φ y caracteriza las propiedades de transmisión de una lente mediante el producto del flujo lumínico Φτ que emerge de su superficie de salida y del flujo luminoso Φ que incide sobre la superficie de entrada. Por lo general, este factor se calcula para cada longitud de onda λ de la luz y pasa a adoptar el nombre de factor de transmisión espectral τ(λ).

Curva de transmisión Describe las propiedades físicas de la lente como filtro lumínico y representa la variación de su factor de transmisión espectral τ(λ) en función de la longitud de onda. Esta curva permite observar la selectividad espectral del filtro.

Factor relativo de transmisión visible τv

La transmisión comparada con la absorción de la luz :

Este factor es específico de la óptica oftálmica y resume las propiedades fisiológicas del filtro a partir de un número único resultante del cociente del flujo lumínico emergente de la lente y el flujo lumínico incidente en el cristal, tal y como son percibidos por el ojo, es decir, con las distintas longitudes de onda ponderadas según la eficacia espectral relativa ν(λ) del ojo. Para calcular el factor se emplea la siguiente fórmula:

La luz que atraviesa la lente experimenta una atenuación debida a la reflexión superficial y la absorción por parte del material. La reflexión se caracteriza por el factor de reflexión ρν y la absorción por la absorción interna αi , es decir, por la proporción de luz absorbida entre los lados de entrada y salida de la lente (véase más abajo). Así pues, si la absorción fuese del 15%, significaría que se produciría una reducción interna del flujo lumínico del 15%, que vendría a sumarse a la provocada por la reflexión de la luz sobre las superficies de la lente incolora. En el caso de una lente oftálmica incolora, esta absorción es despreciable, pero si se trata de una lente con filtro, ésta sería precisamente una de sus funciones. Según se ha definido, la absorción no representa el efecto de atenuación total de la intensidad lumínica de la lente, sino sólo la atenuación interna. Ello explica que normalmente se prefiera hablar de la luz transmitida (la que integra el conjunto de fenómenos que actúan sobre la intensidad lumínica) en vez de luz absorbida, que no tendría en cuenta la absorción interna de la lente.

φλ

τ

60

τv =

λ (%) 100

80

80

60

60

40

40

20

20

τ (λ) . V(λ) . SD65(λ).dλ

∫

780

V (λ). SD65 (λ).dλ

donde τ(λ) = factor de transmisión espectral del filtro, ν(λ) = eficacia lumínica espectral relativa del ojo y SD65(λ) = distribución espectral de la radiación del iluminante normalizado. Este coeficiente τν es el que se utiliza para definir las categorías de tonos de las lentes oftálmicas y su clasificación a partir de la transmisión lumínica.

φλ 60

40

40

0 380 400 450

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

0 380 400 450

φλ

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

0 380 400 450

20

(W/m2.μm)

20

(W/m2.μm)

780

380

ν

λ (%) 100

380

∫

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

τν

φλ

ν

λ (%) 100

60

0 380 400 450

60

80 40

40 60 40

20

(W/m2.μm)

(W/m2.μm)

20

20 0 380 400 450

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

0 380 400 450

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

0 380 400 450

500 550 600 650 700 750 780 dλ λ(nm)

Figura 59: Transmisión de una lente oftálmica.

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B) Características de la reflexión de una lente oftálmica Factor de reflexión ρ Se define por la relación ρ = Φρ / Φ y caracteriza la reflexión en la interfaz entre dos medios transparentes mediante la correspondencia entre el flujo lumínico reflejado Φρ y el flujo lumínico incidente Φ. Normalmente se determina el factor de reflexión espectral ρ(λ) correspondiente a cada longitud de onda λ de la luz incidente. En un dioptrio que separase el aire de un medio transparente con un índice de refracción n, el factor de reflexión vendría dado por la siguiente fórmula descubierta por Fresnel (Augustin Fresnel, físico francés, 1788-1827)

( )

ρ=

n–1

2

C) Características de la absorción de una lente oftálmica Factor de absorción αi Se define mediante la relación αi = Φα / Φin y caracteriza la absorción de la lente a través de la relación entre el flujo lumínico Φα = Φin - Φex absorbido entre los lados de entrada y de salida de la lente y el flujo lumínico Φin que ha penetrado en la lente. Si la absorción de la lente varía en función de la longitud de onda, el factor de absorción espectral interna αiλ de la lente se determina de la misma manera para cada longitud de onda λ de luz incidente. La cantidad de luz absorbida al atravesar el material se calcula por medio de la Ley de Lambert (Johann Heinrich Lambert, matemático de origen francés, 1728-1777), que estipula que las capas de materiales del mismo grosor producen una absorción de luz igual (en %) independientemente de la intensidad de la luz (dicho de otro modo, que la absorción es una función exponencial del grosor). De ello se deduce que el flujo lumínico Φex que alcanza la superficie de salida de la lente viene dado por la fórmula Φex = Φin . e-kx, donde k es el coeficiente de extinción específico del material y x el grosor del material atravesado por la luz. El factor de absorción interna se obtiene con la fórmula αi = 1 - e-kx y se aplica como coeficiente atenuador del modo siguiente: Φex = Φin · (1 - αi).

n+1

en condiciones de incidencia lumínica normal. Este factor marca el límite de la penetración de la luz a través del dioptrio y se usa como coeficiente atenuador aplicado al flujo lumínico incidente. Según esto, un flujo luminoso Φ que atravesase un dioptrio con factor de reflexión perdería una fracción Φρ y pasaría a ser, una vez atravesado el dioptrio, Φ·( 1 - ρ ). Por lo que respecta a las lentes oftálmicas, el fenómeno de la reflexión se produce en las caras anterior y posterior de la lente y el flujo total reflejado viene dado por Φρ = Φ · ρ · (2 - ρ), en ausencia de absorción interna de la luz.

Factor de reflexión visible ρv Este factor se utiliza en óptica oftálmica para caracterizar el efecto visual de la reflexión mediante la relación entre el flujo lumínico reflejado y el flujo lumínico incidente tal y como son percibidos por el ojo, es decir, 780 con las distintas longitudes de ρ (λ) . V(λ) . SD65 (λ).dλ onda ponderadas según la ρv = 380 780 eficacia espectral relativa V (λ) V (λ). SD65 (λ).dλ 380 del ojo. Se calcula del modo siguiente: donde τ(λ) = factor de transmisión espectral del filtro, V(λ) = eficacia lumínica espectral relativa del ojo y SD65(λ) = distribución espectral de la radiación del iluminante normalizado.

∫

Complemento

La óptica oftálmica estudia concretamente las propiedades de absorción de los rayos ultravioleta y la caracteriza a partir del índice de transmisión ultravioleta de la lente (UVA y UVB) o de su corte UV. El índice de transmisión ultravioleta es la proporción de luz transmitida en la zona UVA (315 a 380 nm) y la zona UVB (280 a 315 nm) y se expresa en %. El corte UV se determina en la curva de transmisión de la lente por la longitud de onda a partir de la cual la lente transmite menos del 1% de la luz. Se expresa en nm.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Transmisión y corte UV

Aplicación: cálculo del flujo lumínico transmitido por una lente: Dado un flujo lumínico incidente Φ que alcanza la superficie de una lente, - tras la reflexión parcial en el primer dioptrio, el flujo que penetra en la lente sería: Φ · ( 1 − ρ ) - este flujo es atenuado al atravesar la lente y pasa a ser Φ · ( 1 − ρ )·( 1 – αi ) al llegar a la segunda cara de la lente - entonces se produce una nueva reflexión y el flujo emergente es el siguiente: Φτ = Φ · ( 1 − ρ )2 · ( 1 – αi ).

∫

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Categorías

PHYSIOBRUN

PHYSIOGRIS

PHYSIOXV

PHYSIOBLACK

0

a. Lentes solares

La eliminación de los rayos ultravioleta es, además, un factor esencial de la protección solar. Hay que señalar que, a pesar de que los materiales orgánicos de alto índice los bloquean sistemáticamente, no sucede lo mismo con el CR39, al cual debe añadirse obligatoriamente un absorbedor de rayos UV. Este aditivo se incorpora al monómero (lentes solares planas fabricadas en grandes tiradas de producción) o bien aplicarse en la superficie (lentes correctoras fabricadas a medida). Huelga decir que no deben comercializarse lentes que no filtren los rayos UV, ya que pueden ser más perjudiciales que beneficiosas. Por desgracia, no todas las lentes solares que se comercializan siguen esta pauta, por lo que resulta indispensable que los profesionales consulten al fabricante las características exactas de las lentes antes de ofrecerlas a sus pacientes o clientes. Por otra parte, el filtro solar puede ser selectivo desde el punto de vista espectral, es decir, puede eliminar determinados colores del espectro y/o provocar que se transfiera una parte concreta del espectro. Esta selectividad se emplea sobre todo para eliminar los rayos ultravioleta y la luz azul. En el anterior capítulo sobre tratamientos antirreflejantes se analizaron los beneficios para la vista de estos tratamientos realizados en la cara posterior de las lentes tintadas. Pero, más allá del confort visual que proporcionan estas lentes, algunos tratamientos antirreflejantes se aplican de forma especial para reducir la reflexión en la superficie posterior de las lentes solares no sólo de la luz visible, sino también, de forma específica, de la radiación ultravioleta (por ejemplo Crizal Sun®).

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1

La protección frente a la radiación solar consiste, por una parte, en reducir el nivel de intensidad de la luz visible (entre el 60 y el 95%) y, por otra, en eliminar las radiaciones nocivas, en particular las ultravioleta. Para conseguirlo, la lente solar debe desempeñar una función doble: debe eliminar los rayos ultravioleta (lo que se consigue con el material) y reducir la intensidad de la luz visible (a través de la coloración de la lente). La anterior definición internacional establece 3 categorías de lentes que pueden usarse para la protección contra los rayos solares: - categoría 2 (τν del 43 al 18%) para insolaciones medias, - categoría 3 (τν del 18 al 8%) para insolaciones fuertes, - categoría 4 (τν del 8 al 3%) para insolaciones excepcionales. La transmisión de rayos UVA (λ = 315 a 380 nm) debe tener un valor máximo equivalente a τν en el caso de la categoría 2, que se reduce a la mitad en las categorías 3 y 4. La de rayos UVB (λ = 280 a 315 nm) no puede sobrepasar la décima parte del valor τν sea cual sea la categoría de tono.

2

3

4

Figura 60 : Gama PhysioTints®.

τν 100 90

Categoría 0

80 Categoría 1

70 60 50

Categoría 2

40 30 Categoría 3

20

Categoría 4

10 0 280

330

380

430

480

530

580

630

680

730

780

Longitud de onda (nm)

Figura 61: Curvas de transmisión correspondientes a las distintas categorías de intensidad (CR39 marrón, categorías 0 a 4).

b. Lentes que filtran los rayos ultravioleta y la luz azul 1) Lentes con melanina incorporada La melanina es un pigmento natural presente en el cabello, la piel y los ojos. Protege contra los efectos nocivos del sol, en particular de los rayos ultravioleta y la luz azul, y aporta a la piel, por ejemplo, su característico tono bronceado. A nivel ocular, actúa contra la degradación de las células retinianas al absorber los fotones y disipar su energía. Por lo general, la cantidad de melanina que contiene el organismo de forma natural es mayor cuanto más oscuro sea el color de los ojos, el cabello o la piel.

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Resistencia y protección MATERIALES Y TRATAMIENTOS

3. Lentes con filtro de transmisión fija

2) Tonos para uso deportivo

c. Lentes polarizadas La luz es una vibración electromagnética que se propaga en todos los planos alrededor de su dirección de propagación. Cuando es reflejada por una superficie plana, se polariza, es decir, pasa a vibrar en un único plano, el perpendicular al plano de incidencia (que viene definido por la dirección del rayo de luz y la normal de la superficie en el punto de incidencia). Por ejemplo, cuando la luz del sol se refleja en una superficie horizontal como la del suelo o el agua, pasa a vibrar únicamente en el plano perpendicular al plano vertical que atraviesa el punto de incidencia y que incluye la dirección de reflexión de la luz (véase la figura 62). En este plano, el eje de vibración de la luz es horizontal.

b

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La práctica deportiva a menudo requiere llevar una protección ocular especial. El entorno, las condiciones de luminosidad y las limitaciones visuales dependen del deporte practicado, por lo que el tipo de cristal que se recomiende dependerá del deporte en cuestión. Al margen de la corrección óptica, la lente desempeña, gracias a su tono específico, un papel de refuerzo de la percepción de los contrastes, lo que optimiza el rendimiento visual de los deportistas. Para dar respuesta a esta demanda, se ha ensayado una gama de tintes de uso deportivo (llamados SOL-utions™) en colaboración con deportistas de alto nivel. Esta gama se compone de distintos tipos de tonos, cada uno de ellos adaptado específicamente a las particularidades del deporte o actividad en concreto. Así, por ejemplo, la práctica del golf requiere lentes de tono marrón claro (categoría 2), el ciclismo lentes polarizadas amarillas (categoría 2), los deportes náuticos lentes polarizadas marrones (categoría 3), el alpinismo lentes marrón oscuro (categoría 4), etc. Los colores se realizan sobre lentes de policarbonato, ya que aligeran el peso y resisten los impactos. Todas las lentes de esta gama eliminan el 100% de los rayos UV y, como mínimo, el 92% de la luz azul y garantizan una perfecta protección ocular que mejora la percepción de los contrastes. Además, se les puede incorporar en la cara posterior un tratamiento antirreflejante, que protege de los rayos UV, específico para lentes solares (Crizal® Sun) y, en la cara anterior, un acabado de espejo (Flash Clean Touch opcional).

Resistencia y protección

a

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Si se intercala entre esta luz reflejada y el ojo un filtro polarizador de eje vertical (cuya dirección de polarización es perpendicular al plano de vibración de la luz reflejada) es posible eliminarla totalmente. El funcionamiento de las lentes polarizadas se basa en este principio.

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Las lentes que contienen melanina incorporan en su composición pigmentos de melanina sintética, dentro del propio vidrio, lo que refuerza la protección natural del ojo. Entre las propiedades de estas lentes destaca su capacidad para proteger contra el deslumbramiento ambiental (provocado, básicamente, por la luz azul), mejorar el contraste de la visión y contribuir a frenar el envejecimiento de la retina y la piel que rodea los ojos. Eliminan el 100% de los rayos UV y el 98% de la luz azul y de esta manera ayudan a preservar la visión de los usuarios. Son lentes de color marrón fabricadas en policarbonato a las que se añade una película tintada de grosor uniforme en la masa, durante la fabricación, sobre la cara delantera de la lente, que después se recubre con un tratamiento protector. De esta manera proporcionan un tono natural y uniforme, independientemente de la potencia de la lente. Las lentes de melanina van dirigidas en especial a los niños, para los que la protección resulta esencial; a las personas de ojos claros y piel blanca, que no tienen tanta protección natural; y a las personas de más de 60 años, puesto que la protección natural se reduce con el paso de los años.

Figura 62: Funcionamiento de una lente polarizada: a) Polarización de la luz reflejada b) Eliminación gracias al filtro polarizador.

Ventajas de las lentes polarizadas Las lentes polarizadas suponen dos grandes ventajas para las personas que llevan gafas de sol. Por un lado, reducen el deslumbramiento y, por otro, refuerzan la percepción del relieve y de los colores. Ambas cosas son posibles gracias a la eliminación de la luz reflejada horizontalmente. Esta luz reflejada por reverberación no sólo es muy intensa y una de las principales causas de deslumbramiento, sino que además resulta molesta porque se superpone a la luz que emite el objeto contemplado. Eliminándola de forma selectiva, se suprime una de las causas del deslumbramiento y de la perturbación luminosa del contraste. El resultado es una visión más cómoda y agradable gracias a la reducción de la fatiga visual vinculada al deslumbramiento y gracias a la mejora del contraste de los objetos.

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a’

b’

Figura 63: Beneficios de las lentes polarizadas: a-a’) Antideslumbramiento b-b’) Refuerzo del contraste.

En comparación, las lentes solares tradicionales contribuyen a reducir el deslumbramiento provocado por el sol y sus reflejos únicamente a través de la disminución global del nivel de transmisión de la luz visible. No actúan de forma específica sobre la molesta luz reflejada y sólo aportan un confort visual limitado a diferencia de las lentes polarizadas. En cuanto a la calidad del filtrado de las lentes polarizadas, vale la pena destacar las particularidades siguientes: - La atenuación de la luz es consecuencia, por una parte, del propio principio de la polarización: la eliminación de todas las ondas que no vibran en el plano vertical. - Las películas polarizadoras siempre son tintadas, normalmente de gris, gris-verde o marrón, aunque también pueden adquirir otros colores y su intensidad puede llegar a la categoría 3. - Los filtros polarizadores no protegen de forma natural de los rayos UV. Esta cualidad depende de la calidad del material al que estén asociados y/o del tratamiento concreto al que dicho material se haya sometido. Además, cabe señalar que la utilización de lentes polarizadas puede dar lugar a la aparición de fenómenos curiosos: - La percepción de los tonos azules o púrpuras en determinados parabrisas de vehículos a causa de la polarización de la luz que transmiten (y que es el resultado de su composición o del tratamiento al que han sido sometidos). - Una disminución considerable, o incluso eliminación, de la luz al observar pantallas de cristal líquido o de plasma (por ejemplo de GPS, teléfonos, ordenadores portátiles, televisores, etc.) debido a que la luz que emiten está polarizada. Este problema se ha resuelto en la actualidad polarizando la luz oblicua en vez de la horizontal.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

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b

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Resistencia y protección

a

Cómo reconocer una lente polarizada Resulta relativamente sencillo verificar si una lente es o no polarizada. Basta con observar, a través de ella, la intensidad de la luz reflejada, por ejemplo por el suelo o el capó de un coche, o la luz emitida por una pantalla de cristal líquido o plasma girando la lente sobre su eje. Si la luz resulta atenuada o desaparece por completo en un determinado ángulo o resulta máxima en una orientación perpendicular, la lente está polariza. En cambio, si la intensidad de la luz no varía, la lente no está polarizada. Los filtros polarizadores se obtienen, por ejemplo, estirando capas de acetato de polivinilo (o PVA) de intensidad reforzada con colorantes. El gran estiramiento de las moléculas logra polarizar la luz. En cuanto a las lentes oftálmicas, ya sean solares afocales o correctoras, el efecto polarizador se consigue incorporando una película polarizadora muy fina en el interior del propio vidrio en el momento de su fabricación (véase el siguiente complemento). Esta película posee una orientación concreta y, por tanto, debe insertarse en la lente teniendo en cuenta la disposición axial que se haya prescrito (por ejemplo eje de astigmatismo u orientación de una lente progresiva). Para ello, las lentes polarizadas correctoras incluyen puntos de referencia permanentes (grabados) o provisionales (marcas) que facilitan su orientación en el momento del montaje. Las lentes polarizadas se fabrican principalmente a base de CR39 y policarbonato, pero también pueden ser lentes orgánicas de alto índice o lentes minerales. Las lentes polarizadas tienen un campo de aplicación muy extenso por lo que respecta a las lentes solares, ya que además de atenuar la luz sirven para reducir el deslumbramiento y mejorar el contraste. Resultan especialmente útiles para conductores, amantes de las actividades náuticas o pescadores, puesto que eliminan la luz reflejada por el pavimento mojado o la superficie del agua. Aunque la polarización se utiliza ampliamente en las lentes solares afocales, su utilización en las lentes correctoras (unifocales y progresivas) es más reciente y su empleo todavía no está muy extendido. La gama de lentes Xperio™ (que significa "eXperience the outdoors like never before") pretende dar impulso a este mercado.

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Existen numerosos filtros, entre los que destacan los ejemplos siguientes:

Resistencia y protección

El objetivo de estos filtros es transmitir selectivamente determinadas radiaciones y absorber otras de forma total o parcial. Pueden desempeñar dos funciones distintas: - proteger los ojos reduciendo o anulando la nocividad de determinadas longitudes de onda y/o atenuando la energía lumínica que penetra en ellos; - estimular los ojos mediante la transmisión selectiva de determinadas longitudes de onda con la intención de mejorar la percepción visual.

Las lentes orgánicas fabricadas a partir de CR39 permiten adoptar numerosos filtros, tanto si son afocales como si son correctoras. Pueden aplicarse eficazmente en pacientes afectados por ambliopía, afaquia, albinismo, degeneración macular asociada a la edad (DMAE), retinopatía diabética, retinitis pigmentaria o glaucoma. Estos filtros protegen contra los rayos ultravioleta, mejoran la visión del contraste y aportan un mayor confort visual, al mismo tiempo que potencian la agudeza visual. Por desgracia, no existe una relación unívoca entre las características del filtro y los trastornos visuales y el confort que pueden aportar. Tan sólo la realización de pruebas con el paciente, en condiciones de uso reales y ensayando con distintas caras, permite determinar el tono y la intensidad más apropiados. a

100% 80% 60% 40% 20% 380 400

Filtros de alta absorción Son filtros que absorben los rayos ultravioleta y la parte inferior del espectro visible y que sólo transmiten la parte superior. Por ejemplo, un tratamiento de color marrón rojizo oscuro (categoría 3 o 4) que corte cualquier radiación hasta 445 nm (categoría 3) o 560 nm (categoría 4) y transmita selectivamente la parte superior del espectro visible permite reducir el estímulo de las células retinianas (bastones), lo que posibilita que el sistema escotópico entre en reposo a la vez que mantiene la agudeza visual (figura 64c).

600

700 780

500

600

700 780

500

600

700 780

100% 80% 60% 40% 20% 380 400

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b

Filtros que mejoran el contraste Estos filtros absorben los rayos ultravioleta y la luz azul, y transmiten específicamente la parte central del espectro visible. Por ejemplo, un filtro de color amarillo claro (categoría 1) elimina la difusión de los azules y transmite, en concreto, las longitudes de onda cercanas al punto máximo de sensibilidad ocular (figura 64b). De esta manera, permite mejorar la percepción del contraste en días nublados y resulta de utilidad para conductores, montañeros o cazadores. Del mismo modo, un filtro de color amarillo anaranjado de una intensidad superior a las categorías 1, 2 o 3 filtra los rayos ultravioleta y azules hasta 400, 445 y 455 nm, respectivamente, y transmite de forma específica la parte central del espectro (figura 64b). Su aplicación puede mejorar la visión y el confort visual en personas con problemas de ambliopía o afaquia.

500

c

100% 80% 60% 40% 20% 380 400

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Los filtros que mejoran la absorción natural de los rayos ultravioleta por medio de materiales orgánicos y minerales incoloros pueden aplicarse para proteger los ojos de estas radiaciones. Para que el usuario pueda llevar siempre estas lentes, se buscan filtros que sólo atenúen ligeramente la transmisión del espectro visible. Por ejemplo, el bloqueo de rayos UV a través de un material tradicional como el CR39, de 355 nm, puede llegar hasta los 400 nm si se aplica un tratamiento superficial consistente en un filtro ultravioleta asociado a un ligero tono marrón de categoría 0 (figura 64a). De lo contrario, la lente adquiriría un tono amarillento. Por lo general, los materiales orgánicos filtran mejor los rayos ultravioleta que los minerales y, entre los orgánicos, los materiales de alto índice (incluido el policarbonato) filtran mejor que el CR39.

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Filtros que bloquean los rayos ultravioleta

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

d. Filtros especiales

Figura 64: Curvas de transmisión de algunos filtros especiales: a) filtro UV sobre Orma (UVX®) b) filtro amarillo (Kiros®) y amarillo anaranjado (Lumior®) c) filtro marrón rojizo (RT®).

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Tecnología de fabricación de lentes con filtro de transmisión fija Coloración interna de la masa y coloración por tratamiento superficial Desde el punto de vista del proceso de fabricación pueden distinguirse dos grandes categorías de lentes tintadas: - lentes teñidas en la propia masa, es decir, lentes cuyo material de fabricación ya incorpora el color antes del retallado; - lentes teñidas mediante tratamiento superficial. El tratamiento de coloración se aplica una vez retalladas. Estas dos técnicas se utilizan tanto con las lentes orgánicas como con las minerales. La elección de uno u otro tipo depende del material, naturalmente, pero también de limitaciones logísticas, en concreto del volumen de fabricación. Globalmente podría decirse que la gran mayoría de lentes solares afocales se fabrican mediante coloración interna de la masa, mientras que la gran mayoría de lentes solares correctoras se elaboran mediante tratamiento superficial.

La coloración de las lentes orgánicas ofrece muchas posibilidades. El procedimiento es relativamente sencillo. Las lentes pueden teñirse por separado, por parejas o por lotes, para lo que se recurre a patrones. La experiencia y el "buen ojo" del profesional encargado de la coloración resultan esenciales, ya que la coloración de lentes orgánicas es un arte en sí misma.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Complemento

Complemento

A. Lentes orgánicas 1. Coloración interna de la masa : Los materiales orgánicos teñidos internamente en la masa se emplean exclusivamente para fabricar lentes solares afocales y han dejado de utilizarse en las correctoras. En cuanto a los materiales termoendurecibles, se obtienen añadiendo, al monómero, distintos colorantes en el momento de la formulación y antes de la polimerización. Los materiales termoplásticos, y más concretamente el policarbonato, integran los colorantes desde la fabricación de los gránulos poliméricos o bien desde el momento en que se realiza la fusión del polímero, anterior al proceso de inyección. A todos estos materiales se les incorporan normalmente absorbedores de rayos UV, que mejoran la protección contra la radiación. Los materiales orgánicos teñidos internamente en la masa permiten producir grandes tiradas de lentes solares planas, de todos los tonos e intensidades.

2. Coloración mediante impregnación superficial: Consiste en impregnar de colorantes las superficies de la lente. Se lleva a cabo por inmersión en una solución que contiene colorantes y distintos coadyuvantes que favorecen la coloración. Los colorantes penetran en el material hasta un grosor aproximado de 6 a 10 micras. La coloración se suele efectuar antes del tratamiento endurecido. La intensidad del tono viene determinada por la naturaleza y la concentración de colorante, así como por la duración de la inmersión, que puede durar entre un minuto, en el caso de los tonos más claros, y 2 horas, en el de los más oscuros. El color del tinte se obtiene combinando las concentraciones relativas de los tres colorantes primarios: azul, amarillo y rojo. A partir de ellos se consigue una paleta de tonos ilimitada. La coloración puede ser, además, uniforme en toda la lente, degradada (más intensa en la parte superior que en la inferior), doblemente degradada (por la parte inferior y por la superior) e incluso tricolor, combinando un degradado doble con un fondo de color uniforme. El degradado se consigue desplazando la lente en el baño de coloración: se sostiene con una pinza, se sumerge por completo, con la parte superior hacia abajo, y después se retira del baño muy lentamente y se deja la parte superior más tiempo en contacto con el baño, de manera que se impregna más de los colorantes que la parte inferior de la lente.

Figura 65: Coloración de lentes orgánicas por impregnación superficial.

3. Coloración por impregnación de una capa de tratamiento: Aunque el CR39 es muy permeable a la coloración, no sucede lo mismo con todos los materiales, en particular si se trata de termoplásticos como el policarbonato. En este caso deberá recurrirse a distintas técnicas de coloración en función de las cualidades de absorción que se pretenda obtener. Por ejemplo, puede atacarse la superficie con rayos UV y difundir los colorantes por el material a partir de la superficie de las lentes o también se puede aplicar en la cara posterior de la lente un tratamiento teñible que posteriormente se impregna de colorantes.

4. Coloración por sublimación: Este procedimiento es más reciente y consiste en imprimir en una hoja de papel especial la tinta del color con el que se impregnarán las lentes. La hoja se coloca encima de las lentes, que se disponen sobre una bandeja y se aíslan por medio de un soporte que rodea cada lente. A continuación, se introduce el conjunto en un horno al vacío que posibilita la transferencia de la tinta a la lente al pasar de estado sólido al gaseoso (sublimación) y depositarse sobre la superficie de la lente. Luego, se introducen las lentes en un horno durante varias horas a 150 °C, lo cual permite que los colorantes atraviesen la superficie y se adhieran al sustrato. Este procedimiento de coloración por sublimación, desarrollado inicialmente para teñir materiales orgánicos de índice muy alto que no podían tratarse por inmersión, podría abrir una nueva era en la coloración de las lentes. Además de que permite teñir nuevos materiales, posee la ventaja de ser un procedimiento limpio, ya que utiliza hojas impresas en lugar de polvos químicos. Esto elimina el riesgo de emisiones nocivas, evita tener que reciclar los baños de color y no consume agua. Tiene, pues, todos los ingredientes para su implantación a largo plazo.

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Complemento

Las lentes polarizadas son un caso particular dentro de la coloración de las lentes, ya que se obtienen introduciendo una película muy delgada de acetato de polivinilo (PVA) teñido de un grosor aproximado de entre 35 y 40 micras en el mismo núcleo de la lente orgánica. Para fabricar lentes graduadas, se utilizan dos técnicas distintas: - la tecnología de la capas incrustadas ("embedded films") aplicada a los materiales termoplásticos (por ejemplo el CR39®), y que consiste en introducir una lente polarizada dentro del molde, rellenar con monómero a ambos lados de la película y efectuar la polimerización. - la tecnología de obleas ("wafers"), que se emplea con las lentes de policarbonato. Consiste en la fabricación de láminas polarizadoras formadas por una película polarizadora que se encierra entre dos finas capas de policarbonato, con un grosor total de aproximadamente 0,6 mm. El conjunto se coloca en la cara delantera de los moldes (o insertos) que se introducen en la prensa encargada de inyectar el material. En los dos casos, la película polarizadora queda atrapada entre los dos lados del material. Estos procedimientos permiten fabricar básicamente lentes semiacabadas unifocales o progresivas que seguidamente se pulen por la cara posterior. En la fabricación de lentes solares polarizadas se emplean técnicas idénticas, aunque a gran escala. Como ya se ha visto anteriormente, las capas polarizadoras poseen una orientación especial (eje de polarización vertical), por lo que deben introducirse en la lente teniendo en cuenta el eje prescrito en caso de astigmatismo o la orientación en caso de superficie progresiva. Así, aunque el proceso de fabricación de lentes polarizadas es relativamente simple cuando se trata de lentes afocales solares (que pueden orientarse posteriormente), resulta más complejo en el caso de las lentes correctoras (que deben orientarse en el momento de fabricarse).

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

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5. Coloración por inserción de una película

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Figura 66: Coloración por sublimación.

Figura 67: Lentes polarizadas: introducción de la película polarizadora dentro de la lente.

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1. Coloración interna de la masa: La coloración interna en la masa de material mineral se consigue incorporando a la composición sales metálicas con propiedades de absorción concretas, como, por ejemplo, sales de níquel y cobalto (púrpuras), cobalto y cobre (azules), cromo (verdes), hierro y cadmio (amarillas), oro, cobre y selenio (rojas), etc. Estos materiales para teñir la masa se utilizan esencialmente para la fabricación en serie de lentes afocales solares y protectoras. También existen algunos materiales que tiñen ligeramente la masa (de tono marrón, gris, verde o rosa) y que actúan específicamente como filtros. Se emplean en la fabricación de lentes correctoras, aunque su uso es actualmente muy limitado. Presentan el inconveniente de que la intensidad del tono depende del grosor de la lente, por lo que han sido relegadas por las lentes orgánicas.

2. Coloración por tratamiento superficial: La coloración superficial de lentes minerales se realiza depositando al vacío sobre una de las caras de la lente un revestimiento de compuestos metálicos. Las lentes se calientan hasta los 200-300 °C y el revestimiento se deposita por la evaporación en una atmósfera de alto vacío (10-5 milibares) de materiales como, por ejemplo, óxidos de cromo, de molibdeno o de titanio mezclados con monóxido de silicio o fluoruro de magnesio. Según los materiales utilizados y el color y la intensidad buscados, el revestimiento puede estar formado por una sola capa gruesa y continua, o bien por la superposición de distintas capas delgadas alternas con un grosor total del orden de una micra. La intensidad de la coloración viene determinada por el grosor de la capa depositada y el color por los materiales utilizados. Los óxidos producen normalmente tonos marrones, mientras que los grises se obtienen sobre todo a partir de una mezcla de metal y compuestos transparentes como la sílice. Las capas aplicadas presentan una distribución uniforme para que el color de la lente también lo sea. La paleta de tonos que pueden realizarse es, con todo, limitada. La tecnología aplicada a la coloración de las lentes minerales es sofisticada, parecida a la de los tratamientos antirreflejantes.

4. Lentes con filtro de transmisión variable a. Principio general del fotocromatismo La protección que ofrece una lente protectora de transmisión fija es eficaz, pero tiene el inconveniente de no ser aplicable a cualquier situación. Por ejemplo, si la lente es solar, resulta demasiado oscura para su uso en interiores, mientras que si es de baja intensidad resulta excesivamente clara para usarse en el exterior. Las lentes fotocromáticas, en las que la transmisión varía en función de la intensidad de la luz y se adapta a las distintas condiciones de iluminación, son una solución a este problema. Además de sus propiedades filtrantes de la luz visible, estas lentes también poseen la cualidad de eliminar totalmente las radiaciones UVA y UVB. Cuando se llevan permanentemente constituyen una verdadera barrera protectora y pueden contribuir a conservar la vista a largo plazo. Desde una perspectiva técnica, las lentes fotocromáticas (del griego "fotós" = luz y "croma" = color) poseen la propiedad fundamental de oscurecerse bajo la acción de los rayos ultravioleta y aclararse en su ausencia o por la acción del calor. Esta particularidad es reversible y las propiedades de transmisión de la lente oscilan entre dos extremos: el estado de claridad, llamado "no activado" y el estado de oscuridad, llamado "activado". Desde el punto de vista de la química, el fotocromatismo es una transformación reversible entre dos estados que confieren al cristal diferentes propiedades de transmisión y color. El funcionamiento es el siguiente: los rayos ultravioleta (cuya longitud de onda oscila entre 340 y 380 nm) aportan la energía necesaria para la transformación química que provoca el oscurecimiento de la lente, mientras que el calor ambiental induce el regreso al estado de claridad normal.

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Complemento MATERIALES Y TRATAMIENTOS

B. Lentes minerales

Figura 68: Principio general del fotocromatismo. De este principio general se derivan distintas consecuencias: - Puesto que el fotocromatismo se activa mediante los rayos UV, las lentes fotocromáticas pueden oscurecerse en ausencia de insolación visible, por ejemplo cuando el cielo está gris. - Dado que la intensidad del tono adquirido por la lente depende del equilibrio entre el número de moléculas activadas por los rayos UV y el de moléculas desactivadas por el calor ambiental, las lentes fotocromáticas tienen tendencia a oscurecerse menos cuando hace calor que cuando hace frío. - Además, como el oscurecimiento viene dado por los rayos UV y éstos son total o parcialmente bloqueados por las lentes, el fotocromatismo no funciona en interiores y, en particular, no oscurece las lentes (o las oscurece poco) a través del parabrisas de un vehículo (a excepción de un tipo concreto de lentes que se activan con la luz visible pero que, precisamente por eso, siempre están ligeramente tintadas).

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Las lentes fotocromáticas orgánicas se basan en varias de estas moléculas simultáneamente. Sus efectos combinados permiten obtener, según la proporción, los tonos grises o marrones que piden los clientes.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

El desarrollo de lentes fotocromáticas orgánicas ha avanzado tanto que actualmente se dispone de distintas versiones, por ejemplo una de menor intensidad pero de cinética más rápida con nuevos tonos (Transitions® light) que permite adaptar la oferta a las distintas tendencias o estilos de vida de los clientes.

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Las lentes fotocromáticas orgánicas son de aparición relativamente reciente. No empezaron a generalizarse hasta la década de 1990, tras el lanzamiento de las primeras lentes Transitions®, es decir, 25 años más tarde que las lentes fotocromáticas minerales. El principio del fotocromatismo mineral no resultaba aplicable a los materiales orgánicos porque las estructuras y dimensiones de las moléculas son muy distintas. Era necesario, pues, descubrir otro tipo de moléculas. El efecto fotocromático de las lentes orgánicas procede de la incorporación al material o la aplicación de capas de compuestos fotosensibles que, bajo la acción de determinadas radiaciones UV, experimentan un cambio de estructura que modifica sus propiedades de absorción de la luz visible. Se utilizan diferentes familias de moléculas que pueden experimentar diferentes tipos de modificaciones estructurales: ruptura de enlaces, formación de enlaces, isomerizaciones, etc. Para ilustrar este fenómeno, a continuación se describe el principio de funcionamiento de una molécula fotocromática empleada en las lentes Transitions® (figura 69): bajo la acción de los rayos ultravioleta, la molécula se abre y se despliega en el espacio de forma que adquiere temporalmente una configuración plana, una posición en la cual la deslocalización de los electrones es máxima y provoca una fuerte absorción de la luz visible, lo que hace que la lente se oscurezca. Una vez ha cesado la estimulación, la molécula regresa a su estado inicial incoloro a consecuencia de la temperatura ambiente.

Resistencia y protección

b. Fotocromatismo y lentes orgánicas

Figura 69: Principio de funcionamiento del fotocromatismo orgánico.

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Características de las propiedades de las lentes fotocromáticas los rayos ultravioleta. En las lentes fotocromáticas orgánicas intervienen distintas moléculas (Transitions VI utiliza entre 5 y 7, según la versión). Cada una de ellas tiene la propiedad de absorber una parte concreta del espectro de la luz visible. Cuando estas sustancias no reaccionan todas al mismo tiempo, se produce una variación del color de la lente durante el fenómeno fotocromático (el llamado "efecto camaleón"). Esta particularidad, propia de las primeras generaciones de lentes fotocromáticas orgánicas, ha sido corregida en buena medida en las generaciones siguientes.

Transmisión en estado claro y oscuro Las propiedades de transmisión lumínica de una lente fotocromática se ven reflejadas claramente en las respectivas curvas de transmisión o coeficientes τv obtenidos en estado claro y oscuro. La variación de transmisión creada por el fenómeno fotocromático también está perfectamente descrita. Las generaciones más avanzadas de lentes fotocromáticas orgánicas proporcionan rendimientos bastante notables. Por una parte, son totalmente transparentes en estado claro (τv > 90%) y, por otra, ofrecen niveles de tintado solar de categoría 3 en estado oscurecido (τv < 20%), siempre y cuando la temperatura ambiente sea moderada.

Sensibilidad a las condiciones climáticas

τν 90 80 70 60 50 40

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

100

30 20 10 0 280

330

380

430

480

530

580

630

680

730

780

Longitud de onda (nm)

Figura 70: Curvas de transmisión en estado claro y estado oscuro (Transitions VI gris y marrón) (Fuente: Transitions® Optical).

Cinéticas de oscurecimiento y aclaramiento Las propiedades fotocromáticas normalmente se representan por medio de las curvas de oscurecimiento y aclaramiento de la lente. Éstas muestran la evolución de τv en función del tiempo en las fases de oscurecimiento y posterior aclaramiento de la lente a una temperatura de 23°C /73° F. En el ejemplo de la figura 71, puede apreciarse que el valor τv desciende en la fase de oscurecimiento y aumenta en la de aclaramiento posterior. La pendiente de las curvas muestra que el oscurecimiento es significativamente más rápido que el posterior aclaramiento.

Estabilidad del color El fotocromatismo de una lente se consigue introduciendo moléculas fotosensibles que reaccionan al ser estimuladas por

τν%

El calor ambiental estimula de forma natural el aclaramiento de la lente fotocromática y garantiza la reversibilidad del fenómeno. Se produce, pues, una reacción antagónica entre los rayos ultravioleta y el calor. Con la misma radiación ultravioleta, las lentes fotocromáticas tienen tendencia a oscurecerse más cuanto más baja es la temperatura. Eso explica que el mismo cristal fotocromático se oscurezca más en la montaña en invierno que en la playa en verano. Para describir este efecto, se mide la capacidad de oscurecimiento de la lente en distintas condiciones climáticas simuladas, en especial en condiciones de elevada temperatura (35°C/95°F). Las diferencias obtenidas en las distintas curvas de oscurecimiento resultantes reflejan el efecto real de las condiciones climáticas sobre el fenómeno fotocromático.

Evolución con el paso del tiempo Con el tiempo, las propiedades del fotocromatismo de las lentes orgánicas varían. La oxidación de las moléculas fotosensibles hace que el alcance del efecto fotocromático tenga tendencia a reducirse. Así, al cabo de unos años, la lente se oscurece un poco menos que al principio. Resulta interesante, por tanto, medir en el laboratorio la magnitud real de estos cambios. Para ello, se selecciona una lente recién salida de la fábrica y se miden sus cinéticas de oscurecimiento y aclaramiento. Posteriormente, la lente se envejece de manera artificial exponiéndola a una radiación ultravioleta intensa durante 200 horas. Entonces se vuelven a medir las cinéticas del fotocromatismo y se comparan con las obtenidas inicialmente para cuantificar la variación de las propiedades de la lente. Todas las propiedades de las lentes fotocromáticas mencionadas se miden en laboratorio por medio de instrumentos de gran precisión que tratan de recrear artificialmente las condiciones climatológicas reales en las que se usarán.

τν%

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 0,5

5

10

15 mn

0 1 0,5

5

10

15

20 mn

Figura 71: Cinéticas de oscurecimiento y aclaramiento (Transitions VI gris y marrón) (Fuente: Transitions® Optical).

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Complemento

Complemento

99% AR

Lente 1.6 incolora

0

1

100% 80% Transparente

τν

12% Transitions® VI

15%

0

- Cinética mejorada de aclaramiento posterior (figura 72d): el tiempo necesario para que la lente vuelva a aclararse siempre supera el del oscurecimiento. Éste sigue siendo el punto débil de las lentes fotocromáticas, aunque actualmente se haya reducido de forma considerable, ya que en 30 segundos la transmisión asciende del 12-15% al 25% de media y, en 2 minutos, al 45%. El proceso inverso, el aclaramiento a partir del punto de activación máxima, tarda en llegar al 70% 7 y 9 minutos en el caso de las lentes marrones y grises, respectivamente, mientras que para que la lente vuelva por completo al estado claro se necesitan entre 20 y 25 minutos aproximadamente.

3 4 18% 8% 3% Oscuro

b) Tan oscuro como una lente solar en estado activo

- Tan oscuro como una lente solar en estado activo (figura 72b): cuando se ha oscurecido, la transmisión de la lente desciende hasta el 12 o 15% tras una activación total de 15 mn a 23°C/73°F, por lo que alcanza el mismo nivel que un filtro de categoría 3. Por ello, las lentes fotocromáticas pueden competir con las solares, si bien el tono gris se oscurece ligeramente más que el marrón. - Cinética de oscurecimiento muy rápida (figura 72c): al cabo de 30 segundos de la activación, la transmisión de la lente desciende aproximadamente a un 30%. Después de 1 minuto, al 20% y, después de 2 minutos, al 15 %, lo cual demuestra la rapidez del fenómeno fotocromático. Se llega a un oscurecimiento casi total en menos de 2 minutos.

2 43%

1

100% 80% Transparente

2

3 4 18% 8% 3% Oscuro

43%

τν

c) Cinética de oscurecimiento muy rápida 30% 20% 12%/15% 30 s 1mn 15 mn 12%

Transitions® VI

15%

0

1

100% 80% Transparente

2

3 4 18% 8% 3% Oscuro

43%

τν

Complemento

Transitions® VI

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95% AR

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- Tan transparente como una lente incolora en estado inactivo (figura 72a): en estado claro, las lentes fotocromáticas muestran una transmisión de alrededor del 90% que llega al 95% si incorporan tratamiento antirreflejante. Así pues, se mantienen completamente claras cuando están inactivas y, en caso de llevar tratamiento antirreflejante, son más transparentes incluso que las lentes incoloras. Cabe destacar asimismo que el tratamiento antirreflejante, además de mejorar su transparencia, favorece también el fenómeno fotocromático, ya que aumenta la intensidad de la luz que penetra en la lente, por lo que resulta especialmente recomendado para las lentes fotocromáticas.

90% AR

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

a) Tan transparente como una lente incolora en estado inactivo

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Rendimiento de las lentes fotocromáticas orgánicas A lo largo de las numerosas generaciones de lentes que se han ido sucediendo, las lentes fotocromáticas han experimentado mejoras considerables. Partiendo del ejemplo de las lentes Transitions® VI, procederemos a evaluar sus características:

d) Cinética mejorada de aclaramiento posterior

El rendimiento de las lentes fotocromáticas orgánicas ha mejorado sensiblemente con el tiempo. Hoy en día pueden usarse en cualquier circunstancia, en interiores y exteriores, sin dejar de garantizar a los usuarios una protección óptima permanente contra la luz visible y ultravioleta.

70% 7-9 mn

45% 2 mn

25% 30s 12%

Transitions® VI

15%

0 100%

Transparente

1 80%

2 43%

3 4 18%

8% 3% Oscuro

τν

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- Menor sensibilidad a la temperatura: la temperatura ha sido un factor limitador del desarrollo de las lentes fotocromáticas durante mucho tiempo en los países cálidos, pero ya no lo es en la actualidad, puesto que a 35°C / 95°F la transmisión de la lente desciende a cerca de un 30%, con una capacidad de oscurecimiento ligeramente más marcada en el tono gris que en el marrón; es decir, equivalente a la de una lente con filtro de categoría 2.

Figura 72: Comportamiento de las lentes fotocromáticas (Transitions VI) (Fuente: Transitions® Optical).

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Resistencia y protección

Ventajas de las lentes fotocromáticas El fotocromatismo mineral es un concepto que se conoce desde hace muchos años. Fue introducido hacia 1965 por la empresa Corning con las primeras lentes Photogray® y mejorada posteriormente en las sucesivas generaciones de lentes. El principio del fotocromatismo de estas lentes se basa en incorporar al material mineral cristales de halogenuros de plata que, al reaccionar en presencia de rayos ultravioleta, provocan el oscurecimiento. Desde un punto de vista atómico, el mecanismo fundamental de este tipo de fotocromatismo es el intercambio de electrones entre el átomo de plata y el de cloro, presentes en forma de cloruro de plata (figura 73), y su entorno inmediato. En ausencia de luz, el enlace plata-cloro es iónico y el átomo de plata se mantiene transparente, por lo que la lente se mantiene en estado claro. En cambio, en presencia de radiación ultravioleta, el electrón inestable abandona el ión cloro para unirse al de plata, que precipita en forma metálica y detiene la luz, por lo que la lente pasa a estado oscuro. Cuando la radiación ultravioleta disminuye o desaparece, el electrón adicional abandona el átomo de plata y regresa al de cloro; la lente adquiere nuevamente su aspecto claro inicial.

Las lentes fotocromáticas suponen dos grandes ventajas para las personas que llevan lentes solares: se adaptan fácilmente a las fluctuaciones de la luminosidad y protegen de forma permanente de las radiaciones nocivas. La adaptación a las fluctuaciones lumínicas se efectúa mediante el ajuste automático del nivel de transmisión de la lente al nivel de intensidad de la luz solar. Facilita la adaptación del ojo a los cambios de intensidad luminosa y reduce los efectos del deslumbramiento. También disminuye la fatiga visual asociada a la variación lumínica que tanto suele afectar a los usuarios. La protección contra las radiaciones nocivas está plenamente garantizada gracias a las propiedades filtrantes de las lentes fotocromáticas, que eliminan el 100% de los rayos UVA y UVB en estado claro y refuerzan la protección frente a la luz azul en estado oscuro. Esta protección permanente, que se refuerza cuando la luz es más intensa, evita el efecto acumulativo de la exposición a la luz solar que puede provocar lesiones oculares. A largo plazo, las lentes fotocromáticas también pueden contribuir a preservar la visión de los pacientes.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

c. Fotocromatismo y lentes minerales

Aunque experimenta un crecimiento paulatino, el uso de lentes fotocromáticas todavía no se ha generalizado y varía según el continente. En Norteamérica y Australia, representa entre el 15 y el 20% de las lentes correctoras, mientras que en Europa el porcentaje apenas llega al 10% y en Asia es inferior al 5%. Su aplicación a los materiales orgánicos, en especial de la mano de Transitions® Optical, ha dado el empuje definitivo a las lentes orgánicas en detrimento de las minerales. Teniendo en cuenta el rendimiento de las últimas generaciones de lentes y la necesidad de las personas de proteger la vista, es de esperar que las lentes fotocromáticas tengan cada vez más éxito.

Figura 73: Fotocromatismo mineral.

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1. Lentes orgánicas

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La fabricación de las lentes fotocromáticas orgánicas se basa en la introducción de colorantes fotosensibles en las lentes, para lo que se emplean distintos procedimientos: - imbibición (o impregnación) por la superficie delantera de la lente, - aplicación de capas en la superficie delantera de la lente (o transbonding), - incorporación, antes de la polimerización, en el monómero líquido, - inserción de una película fotocromática (wafer) en el interior de la lente.

Por lo que respecta a la imbibición, el procedimiento se realiza a partir de lentes semiacabadas previamente fabricadas con un material cuya composición química se ha adaptado a las necesidades de la fotocromatización. Sobre la cara anterior de las lentes semiacabadas se deposita por centrifugación un tratamiento que contiene colorantes fotocromáticos. A continuación, se introducen en un horno a alta temperatura y, por efecto del calor, la estructura del material "se abre", los colorantes penetran en el interior (hasta una profundidad de aproximadamente 150 o 200 micras) y una vez enfriado, quedan atrapados en él. El tratamiento fotocromático, vaciado en esta fase ya de sus colorantes, pasa a retirarse de la superficie de la lente por aclarado. En cuanto a la aplicación de capas, (o transbonding), el tratamiento que contiene las moléculas fotocromáticas se deposita sobre la superficie anterior de la lente por contacto con el material y antes de los tratamientos antirrayado y antirreflejante, con un grosor total de entre 15 y 20 micras. La tecnología utilizada para la aplicación de este tratamiento se parece a la empleada para aplicar los tratamientos endurecidos. El tratamiento aporta al cristal su función fotocromática, pero debe permitir también la aplicación posterior de los tratamientos de resistencia al arañazo y antirreflejantes necesarios. Asimismo, debe poseer propiedades mecánicas que le permitan implantarse a la perfección en el conjunto formado por el material, el tratamiento endurecido y el tratamiento antirreflejante a fin de que el resultado final sea completamente homogéneo y resistente. Todos estos procedimientos de fotocromatización se llevan a cabo en serie en instalaciones especiales, siempre antes del retallado de la lente. A las lentes ya tratadas se aplica sistemáticamente un revestimiento protector de resistencia al arañazo. Con los materiales orgánicos fotocromáticos son posibles todas las geometrías de lentes, ya sean unifocales o progresivas, y en toda la gama de materiales de índice de refracción bajo, medio y alto.

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La tecnología de imbibición es la más empleada en la fabricación de lentes de índice 1,5, mientras que la aplicación de capas es la más utilizada con los materiales orgánicos de alto índice y el policarbonato. Gracias al crecimiento natural que experimentan estos últimos y a la ventaja que supone la aplicación de capas, que es relativamente independiente de las características de los materiales, el transbonding probablemente se convierta en la tecnología de referencia. Ambas tecnologías se emplean en la producción de las lentes Transitions®. Algunos fabricantes utilizan también la incorporación de compuestos fotocromáticos antes de la polimerización del monómero (como, por ejemplo, Corning y sus SunSensors®). La tecnología de película fotocromártica (wafers) es mucho más minoritaria. Figura 74: Fotocromatización de una lente fotocromática orgánica: a) Por imbibición b) Por aplicación de capas.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Tecnología de fabricación de las lentes de transmisión variable

Complemento

Complemento

2. Lentes minerales En las lentes minerales, el fenómeno fotocromático resulta posible gracias a unas sustancias que se introducen en el propio material, en este caso cristales de halogenuros de plata. La incorporación de estas sustancias fotocromáticas se realiza en la industria del vidrio en el momento de fabricar el material, durante la fusión a alta temperatura de los distintos componentes. Se lleva a cabo en forma de discos de superficie inicialmente irregular pero de composición completamente homogénea que posteriormente se pulen por ambas caras (según las técnicas antes descritas). Estos discos permiten obtener cualquier geometría, ya sea unifocal, bifocal o progresiva, dentro de unos índices de refracción de 1,5 y 1,6. En el caso de algunas lentes minerales concretas con índices muy altos, el fotocromatismo se consigue añadiendo una fina película de cristal fotocromático que se somete a polimerización (es decir, se adhiere) a la superficie delantera de la lente. El uso de estas lentes es prácticamente residual hoy en día. En general, cuando los compuestos fotocromáticos se incorporan a la masa de material, las lentes fotocromáticas minerales resultantes presentan el inconveniente típico del tintado realizado dentro de la masa. Así, al activarse, el tono es más acusado allí donde el grosor es mayor, es decir, en el centro, si es una lente convexa, o en el borde, si es cóncava. Es evidente que el empleo de lentes fotocromáticas minerales, al igual el de los materiales minerales en general, se encuentra en franca regresión, sobre todo teniendo en cuenta que el rendimiento fotocromático de los materiales orgánicos ha igualado, cuando no superado, el de los materiales fotocromáticos minerales.

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En la mayoría de los casos, el uso de lentes oftálmicas se considera una necesidad o una obligación, pero muy raramente se considera un placer. Por eso, cada vez se presta más atención a la estética de las lentes. Además, la evolución de las monturas y las tendencias de la moda generan una demanda de lentes que sigan estas tendencias, una demanda que se hace especialmente patente en el ámbito de la corrección óptica solar, donde los usuarios buscan combinar la necesidad de usar lentes con la última tendencia en moda. Así, las gafas se convierten en un accesorio de moda. De esta manera, la estética entra de lleno en la etapa de diseño de las lentes, donde destacan tres aspectos: la curva de las lentes, los tintes y los reflejos. Veamos a continuación en qué consisten.

A Curva a

Curva de las lentes y calidad óptica

Eje opticó

b

Ángulo de galbe

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Eje

opt icó

Dirreccíon de mirada

Ángulo de galbe

Figura 75: Lentes curvadas y calidad óptica a) lentes no curvas en una montura tradicional b) lentes con curva estándar en una montura curvada c) lentes curvadas para una montura curvada.

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c

Dirreccíon de mirada

La curvatura de las lentes oftálmicas responde a una demanda estética, pero también es una interesante cuestión de óptica. Recordemos que la potencia correctora de una lente oftálmica deriva de la suma (algebraica) de la potencia positiva de su cara anterior y la potencia negativa de su cara posterior y que existe una combinación óptima de las curvas de estas dos caras que permite reducir las aberraciones ópticas (la de las lentes denominadas de "mejor forma", correspondientes a las elipses de Tscherning). Sin esta combinación, aparecen aberraciones ópticas, de falta de potencia y astigmatismo de los haces oblicuos, que pueden alterar significativamente la visión del usuario cuando su mirada se aleja del centro. Es en este momento cuando la asfericidad de las superficies desempeña un papel fundamental, ya que permite modificar la curvatura de la lente sin alterar la calidad óptica compensando, en la superficie (o las superficies) de la lente, el defecto óptico que el ojo percibiría de otra manera. Si bien la asfericidad se ha utilizado básicamente para aplanar las lentes y hacerlas, por tanto, más finas, resulta interesante ver que su uso se impone también, por los mismos motivos, en el caso de las lentes curvadas. De hecho, la asfericidad es el medio para librarse, de manera relativa, de las limitaciones de curvatura de la lente, y ofrece a los diseñadores de lentes un grado de libertad adicional a la hora de elegir las curvaturas. Además, aunque las lentes con curva pueden presentar aberraciones ópticas laterales, en la mayoría de casos se dan en monturas muy curvadas cuya cara presenta un importante ángulo de curvatura respecto del rostro del usuario. El eje de visión del usuario alcanza la superficie posterior de la lente oblicuamente, lo cual genera aberraciones ópticas (de potencia, de astigmatismo de los haces oblicuos y de distorsión) que el usuario percibe en la posición primaria de su mirada. Por lo tanto, en el momento del retallado, resulta necesario compensar estas aberraciones ajustando las potencias de la lente en consecuencia e integrando un prisma a la corrección (es el caso de las lentes Essilor Openview®). Esta compensación se realiza punto por punto gracias a la tecnología de retallado digital. Las lentes poseen así una potencia mesurable ligeramente diferente a la de la prescripción y, por este motivo, el frontofocómetro da un valor para la "potencia prescrita" y otro para la "potencia leída".

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Dirreccíon de mirada

A este respecto, existen dos tendencias opuestas: por un lado, una demanda general de lentes planas de modo que resulten discretas y, por otro, una demanda de lentes muy curvas de modo que resulten más envolventes. Estas dos tendencias se resumen en una demanda única, que es la adaptación de la curvatura de las lentes a la de las monturas. Mientras que la demanda de lentes planas responde básicamente a criterios de corrección óptica, la demanda de lentes arqueadas responde a necesidades estéticas, deportivas y de protección.

Eje opticó

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Estética y moda

4. Estética y moda

Estética y moda

B Tintes

C Reflejos

Tintes uniformes

Tintes degradados

Categoría

Categoría

0

1

1

2

1

2

1

2

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Puede realizarse una amplia paleta de tintes (en lentes orgánicas), que varía considerablemente en función de los gustos de los consumidores y está sujeta una renovación regular de acuerdo con las tendencias de la moda. El ejemplo expuesto más abajo no es más que una muestra.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los reflejos de las lentes merecen también especial atención. La aplicación de espejos es una de las técnicas empleadas para contribuir a la estética de la lente y/o reforzar la eficacia de filtración. Pueden ser de intensidad variable: - si son de intensidad baja a moderada (del orden del 20% de reflexión), constituyen un elemento básicamente estético, aportan un efecto de espejo a la lente, respetan la percepción de su tinte y contribuyen muy poco a la protección solar; - si son de intensidad alta (reflexión superior al 60%), intervienen como un verdadero espejo, no permiten que un observador situado en frente perciba el tinte de la lente y desempeñan un papel protector real eliminando una parte significativa de la luz (es el caso, por ejemplo, de las lentes de alta protección solar usadas para esquiar). Técnicamente, la aplicación de espejos consiste en la colocación de una capa de un óxido metálico sobre la cara anterior de la lente. En función de la naturaleza de la capa colocada, el reflejo puede ser neutro (es decir, plateado) o tomar un aspecto dorado o coloreado. En la mayoría de los casos, se realiza sobre lentes tintadas, solares o de moda. El reflejo puede ser degradado e incluso bidegradado.

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Por motivos de confort o de moda, pueden realizarse numerosos tintes, uniformes o degradados. Los tintes, pensados para reducir ligeramente la luminosidad, destacar una mirada, introducir una nota de color o afirmar un estilo, son en su mayoría de baja intensidad y no constituyen en ningún caso una protección real contra la luz del sol. Sus tasas de transmisión luminosa suelen ser de categoría 0 (τν de 100 a 80%) o en ocasiones de categoría 1 (τν de 80 a 43%). En función del material empleado, los tintes pueden ser o no un buen filtro contra los rayos ultravioleta. Más allá del aspecto estético, resulta esencial que el usuario esté bien informado de las limitadas virtudes protectoras de estas lentes. La normalización de las categorías de los tintes y su indicación sistemática tiene por objeto contribuir a ello.

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Figura 76: Ejemplo de una gama de tintes de moda (Beauty Eyes®).

En lo que respecta a los materiales, los orgánicos son los únicos que pueden ofrecer una amplia gama de tintes y una gran variedad de tamaños, formas y curvaturas. En lo que se refiere al mundo del deporte, el policarbonato es el material por excelencia. Figura 77: Lentes con espejo. Además, gracias al fuerte desarrollo de la tecnología de los tratamientos antirreflejantes, también se puede elegir el color del reflejo residual en función del gusto del cliente o del color de la montura.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Conclusión

Conclusión

Al final de este viaje al corazón de las lentes oftálmicas, queremos volver a insistir en la complejidad de este producto en apariencia simple. La lente oftálmica es, a día de hoy, un sofisticado conjunto de Materiales y Tratamientos indisociablemente imbricados y unidos que ofrece al usuario un confort de visión máximo. Es una verdadera "alquimia de prestaciones" puesta al servicio de la visión.

Nadie duda de que las lentes oftálmicas seguirán mejorando en el futuro para resultar más discretas y cómodas. Estas innovaciones requerirán probablemente tecnologías procedentes de otros sectores o técnicas que, a día de hoy, todavía se están desarrollando o ni siquiera existen, y a buen seguro exigirán una actualización de este cuaderno.

Los investigadores, ingenieros y técnicos, ya sean químicos, físicos, ópticos, mecánicos, empresas de logística o fabricantes, despliegan todo su ingenio para mejorar constantemente sus prestaciones. Las numerosas innovaciones aportadas en las últimas décadas y las tecnologías cada vez más sofisticadas que emplea la industria dan buena cuenta de ello. Esta tecnicidad y complejidad de las lentes oftálmicas pasa totalmente inadvertida para el gran público e incluso para algunos profesionales de la visión.

Esperamos que este cuaderno de la serie Compendio de Óptica Oftálmica permita a los profesionales de la visión entender mejor los Materiales y Tratamientos que forman las lentes oftálmicas de su día a día, de modo que sepan valorar sus prestaciones y cualidades, y respetar su nobleza. Y para que puedan elegir con mayor acierto las lentes que mejor se adaptan a las necesidades de sus pacientes y clientes para que estos puedan ver más cómodamente y vivir de forma más agradable.

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Constitución de la materia La física se ha construido en torno al hecho de que, en el universo, todo cuerpo material está formado por átomos. Los átomos son corpúsculos en movimiento constante formados a su vez por partículas elementales unidas las unas con las otras, denominadas protones y neutrones, a cuyo alrededor gravitan, a cierta distancia, otras partículas más pequeñas denominadas electrones. El radio de los átomos es de 0,1-0,2 nanómetros. Los átomos son las piezas de las que están hechos todos los cuerpos materiales y los físicos han descubierto que, en todo el universo, no hay más de un centenar de átomos distintos. El químico ruso Dmitri Mendeleïev (1834-1907) confeccionó una lista, clasificándolos en forma de tabla, antes incluso de que se descubrieran todos. A esta lista se la denomina la tabla periódica de los elementos (figura 78).

1 2 3 4 5 6 7

IIa

IIIa

IVa

Va

VIa VIIa

0 2

H

He

3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

11

12

13

14

15

16

17

18

Al

Si

P

S

Cl

Kr

31

32

33

34

35

36

Na Mg IIIb IVb Vb VIb VIIb

VIII

21

22

23

24

25

K

Ca Sc

Ti

V

Cr

Mn Fe

Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br

Kr

37

38

39

40

41

42

43

45

53

54

Rb Sr

Y

Zr

Nb Mo Tc

Ru Rh Pd Ag Cd In

Sn Sb Te

I

Xe

55

56

57

72

73

74

75

76

78

79

82

85

86

Cs

Ba La

Hf

Ta

W

Re Os Ir

Pt

Au Hg Ti

Pb Bi

Po At

Rn

87

88

Fr

Ra Ac

58

59

60

63

64

67

69

71

44

61

27

77 62

28 46

29

IIb

20

89

26

Ib

19

47

30 48 80 65

49 81 66

50

51 83 68

Ce Pr

Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er

90

92

91

Th Pa U

93

94

95

96

97

52 84

70

Tm Yb Lu

98

99

100 101 102 103

Np Pu Am Cm Bk Cf

Es

Fm Md No Lr

1 2 3 4 5 6 6 7

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Ia 1

Figura 78: Tabla periódica de los elementos: clasificación de Mendeleïev.

MATERIALES Y TRATAMIENTOS

El estudio de los materiales y los tratamientos requiere ciertas nociones de física y química que a continuación explicaremos brevemente.

Anexo

Información sobre la naturaleza y la estructura de la materia

Para formar los cuerpos materiales, los átomos se agrupan en estructuras más o menos complejas que los químicos han descrito de la manera siguiente: - Cuerpos simples, formados por un solo tipo de átomo: hidrógeno, oxígeno, carbono, aluminio, hierro, azufre, helio, neón, titanio, etc. - Cuerpos compuestos, formados por un solo tipo de molécula que, a su vez, es una combinación rigurosamente cuantificada de átomos determinados: agua (H2O), cloruro de sodio (NaCl), alcohol etílico (C2H6O), sílice (SiO2), etc. Los cuerpos simples y los cuerpos compuestos se denominan cuerpos puros. En particular, se caracterizan por tener unas temperaturas de cambio de estado (fusión y vaporización) rigurosamente precisas que son constantes físicas de la materia. - Mezclas, formadas por proporciones no estrictamente definidas de cuerpos simples y cuerpos compuestos y que, por lo tanto, no se pueden representar mediante una fórmula química precisa: aire, acero, cristal, caucho, petróleo, miel, sangre, etc. Sus temperaturas de fusión y vaporización no son precisas y varían en función de su composición.

Orgánico e inorgánico (o mineral) En el medio ambiente terrestre, se ha definido una clasificación de los materiales en función de sus constituyentes atómicos esenciales. De esta manera, distinguimos entre: - materia inorgánica (o minerales), que incluye los cuerpos puros y las mezclas que forman las rocas de la corteza terrestre (denominadas "SIAL" y formadas básicamente por silicio y aluminio), así como sus derivados. Sus moléculas son combinaciones variadas de un pequeño número de átomos (de uno a una veintena) de toda la tabla periódica. En óptica oftálmica, los elementos más representativos pertenecen a la zona verde de la tabla de la figura 78. - materia orgánica, que incluye los cuerpos puros y las mezclas que forman básicamente los reinos vegetal y animal, así como sus cuerpos derivados, los combustibles fósiles y los materiales sintéticos de la química orgánica. La materia orgánica, muy diversa y compleja (los organismos vivos son buenos ejemplos), presentan a menudo moléculas formadas por un importante número de átomos (hasta varios millares) pero de muy pocos tipos diferentes, básicamente C, H, O y N (zona rosa de la tabla de la figura 78). El carbono (C) es, de alguna manera, el esqueleto de la materia viva; el H, el O y el N son los elementos de la atmósfera que permiten que haya vida.

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Anexo

La materia puede presentar tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Tomemos, por ejemplo, una gota de agua, formada por moléculas de H2O, es decir, dos átomos de hidrógeno combinados con un átomo de oxígeno. A temperatura ambiente, estas moléculas se mueven de forma permanente sin separarse, ya que ejercen una atracción entre sí que mantiene la cohesión de la gota de agua es el estado líquido. El movimiento de las moléculas es proporcional a la temperatura. Si la temperatura aumenta, el movimiento se acelera y las distancias entre las moléculas se incrementan. A una cierta temperatura, las fuerzas de atracción resultan insuficientes para mantener las moléculas juntas y éstas se dispersan en todas direcciones por el espacio, en forma de vapor, en estado gaseoso. A nuestros ojos, la gota de agua desaparece en forma de vapor invisible, pero sigue estando formada por moléculas de H2O. Por el contrario, si enfriamos la gota de agua, el movimiento se ralentiza, hasta que, de repente, las moléculas dejan de moverse y el conjunto permanece estático. Es lo que llamamos hielo, el estado sólido del agua. En el hielo, se observa una estructura regular periódica que forma una red cristalina (figura 79). Sin embargo, esto no ocurre con todos los materiales. El vidrio, por ejemplo, presenta en estado sólido una estructura no periódica denominada amorfa.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS

Los tres estados de la materia

Figura 79: Los tres estados de la materia : ejemplo del agua.

El paso de un estado de la materia a otro usa una terminología precisa que cabe recordar: - el paso del estado sólido al estado líquido se denomina fusión. A la inversa, el paso del estado líquido al estado sólido se denomina solidificación; - la vaporización designa el paso del estado líquido al estado gaseoso. A la inversa, el paso del estado gaseoso al estado líquido se conoce como licuefacción; - el paso directo del estado sólido al estado gaseoso lleva el nombre de sublimación. La transformación inversa, de estado gaseoso a estado sólido, se conoce también como solidificación.

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MATERIALES Y TRATAMIENTOS Autor Dominique Meslin Diseño y Redacción Dominique Meslin Essilor Academy Europe Varilux® University

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