OPTICA

Optica a devenit prezenta pretutindeni in zilele noastre, chiar daca deseori trecem cu vederea acest fapt. Pe langa aplicatiile evidente (aparate foto, ochelari de vedere sau de soare, lentile de contact, telescoape si microscoape) principiile opticii se aplica si la CD-playere ori DVD-playere, in domeniul telecomunicatiilor, la mousurile optice, la fibra optica, in tehnologia medicala, la celulele fotovoltaice, diode si in multe alte cazuri. Optica este partea din fizica care se ocupa cu studiul proprietatilor si comportamentului luminii, precum si ramura tehnologica ce se ocupa cu fabricarea de instrumente ce detecteaza, folosesc si modifica lumina.

Cateva dintre fenomenele opticii sunt reflexia, refractia, dispersia si difractia.

Reflexia este fenomenul prin care lumina este respinsa, in totalitate sau in parte, atunci cand intalneste un mediu diferit. Ea poate fi de doua feluri: reflexie speculara, atunci cand lumina este reflectata simetric (cum este cazul suprafetelor lucioase) si reflexie difuza, atunci cand lumina este reflectata in toate directiile, aleator (o suprafata mata). Oglinda produce o reflexie speculara, o piatra produce o reflexie difuza.

Refractia apare atunci cand lumina isi schimba directia la intrarea in alt mediu, datorita faptului ca i se schimba viteza. Refractia se observa usor daca privim un pai intr-un pahar de apa. Paiul va aparea indoit, cu linia de indoitura la suprafata apei. Lumina se refracta in apa datorita faptului că viteza ei in apa este mai mica decat viteza in aer. Curcubeul este rezultatul refractiei luminii in interiorul picaturilor de apa din atmosfera si a dispersiei acesteia la iesire, iar culorile lui se datoreaza faptului ca lumina este compusa din mai multe lungimi de unda care sunt refractate mod diferit.

Dispersia este un fenomen derivat din refractie si consta in despartirea luminii albe in culorile ei componente (rosu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo si violet) atunci cand intra intr-o lentila sau alte medii specifice si se datoreaza diferentelor dintre lungimile de unda ale acestor culori. Cu cât o culoare are o lungime de unda mai mica (si o frecventa mai mare), cu atat aceasta va fi refractata mai mult. Refractia si dispersia luminii sunt si motivul pentru care cerul pare albastru. Culorile cu lungimi de unda mai mici (violet, indigo si albastru) sunt refractate si dispersate mai mult decât celelalte culori ale spectrului. Aceasta refractie si dispersie apare în moleculele de aer din atmosfera si imprastie lungimile de undă mai mici de la o molecula la alta in timp ce culorile cu lungimi de unda mai mari sunt imprastiate mai putin, traseul lor fiind mai drept in lipsa unei refractii pronuntate. Astfel, in orice directie ne-am uita, cerul pare albastru (nu pare violet asa cum ar trebui de fapt pentru ca ochiul uman este mult mai receptiv la culoarea albastra decat la violet).

Difractie inseamna imprastierea undelor (luminoase, sonore, radio etc.) atunci cand intalnesc un obstacol sau cand trec printr-un orificiu. Difractia este cu mult diminuata daca obiectul sau orificiul sunt mai mari decat lungimea undei respective. De exemplu, daca cineva vorbeste iar cel care asculta se aseaza dupa un copac, acesta din urma nu va avea probleme in a auzi ce spune primul deoarece undele sonore sunt mai lungi decat diametrul unui trunchi de copac obisnuit. Pe de alta parte, lumina nu va trece la fel de usor de trunchiul unui copac deoarece lungimea sa de unda este cu mult mai mica (umbra se datoreaza difractiei foarte scazute a luminii atunci cand intalneste obiecte macroscopice). Difractia este intr-un sens opusul relexiei. Microscopul (ca si telescopul de altfel) functioneaza datorita reflexiei luminii; exista insa o limita pana la care poate functiona si nu este o limita data de puterea lentilelor ci o limita a opticii. Microscopul optic ne este util doar daca obiectul observat are dimensiunile egale sau mai mari cu lungimea de unda a luminii folosite. Daca obiectul este mai mic undele luminoase pur si simplu il vor ocoli, nereflectandu-se suficient de multe unde inapoi catre privitor pentru a putea fi observat.

Avantajele stratului antireflex

Primele incercari de atenuare a reflexiei cu ajutorul unor aplicatii de mai multe straturi s-au facut in productia instrumentelor militare. Aceste straturi au fost aplicate pe suprafata lentilei de sticla in conditii de vacuum printr-un proces de intarire prin aburire. Incepand din anii 60, procesele de atenuare a reflexiei s-au raspsndit nu doar in productia instrumentelor optice si in domeniul cercetarilor cosmice ci luand proportii din ce in ce mai mari – si in tehnica lentilelor optice.

Reflexia:
Faptul ca razele de lumina incidente se reflecta partial pe suprafetele limita dintre aer si sticla este un fenomen fizic deja cunoscut. Reflexia depinde de indicele de refractie al mediilor refractante si de unghiul de incidenta a luminii. Gradul reflexiei () in cazul razelor de lumina perpendiculare pe suprafata limita dintre aer-sticla sau sticla-aer poate fi calculat foarte simplu folosind formula Fresnel:

p= nG – nLlnG + nL2

La sticlele traditionale tubulare in cazul luminii incidente perpendicular gradul reflexiei este de 4,2%. Luand in considerare ca in cazul lentilelor de ochelari exista 2 suprafete limita reflexia totala va fi de 8%.

In trecut, cand nu exista decat sticla tubulara simpla, problema reflexiei nu era atat de grava incat sa merite eforturile de atenuare cu ajutorul straturilor. Schimbarea recenta a acestei atitudini se datoreaza in primul rand faptului ca exigenţele oamenilor au crescut, iar pe de alta parte au crescut si cerintele fata de o vedere mai buna. Un exemplu bun il constituie raspandirea locurilor de munca computerizate sau acele situatii stresante care apar zilnic in traficul rutier, generate de vitezele excesive de circulatie. In al treilea rand, putem afirma, ca industria optica lucreaza deja cu materiale noi, astfel ponderea pe piata a lentilelor de sticla si cele plastice este in continua crestere, acestea avand indicele de refractie de 1,7 sau chiar 1,9. Prima diagrama ne arata ca, materialele cu indicele de refractie mai ridicat reflecta o mai mare parte a luminiii, acest fenomen generand o vedere incomoda sau chiar insuportabila. Gradul reflexiei la lentila Punktal (n=1,52) este de 8,6 %, la lentila Tital (n=1,7) este de 13,4 % iar in cazul lentilei Lantal (n=1,9) 19,2%.

Pierderi de lumină la lentilele reflectante:
Transmisia lentilelor de ochelari se micsoreaza datorita reflexiei in masura gradului de reflexie. Acest fenomen se poate observa in special la lentilele cu indicele de refactie mai ridicat, respectiv a caror putere de refractie este pozitiva si datorita zonei centrale mai groase capacitatea lor de permeabilitate este si asa mai scazuta.

In cazul unui nivel scazut de luminozitate orice avantaj – care este in masura sa accentueze intensitatea luminii ajunsa pe membrana nervoasa – trebuie valorificat. Acest lucru devine deosebit de important la persoanele mai în vârstă, deoarece în comparaţie cu tinerii- exigenţele lor de lumină sunt mai mari

Cu ajutorul straturilor moderne antireflex, reflexia totala de lumina a suprafetei lentilei poate fi redusa sub valoarea de 0,5% din lumina incidenta. Astfel capacitatea de permeabilitate a lentilelor plastice cu indicele de refractie de 1,67 creste cu cca. 13%, conform diagramei 2. Standardul DIN 58216 prevede ca transmisia mijloacelor de inlesnire a vederii in conditii de trafic nocturn trebuie sa fie cel putin 80%, in aceste cazuri recomandandu-se in mod special stratul antireflex.

Reflexii deranjante si sensibilate la contraste:
Lumina incidenta care soseste din spate atinge suprafata dorsală a lentilei de ochelari si ajungand in ochi genereaza pe retina datorita reflexiei lumina divergenta suplimentara. Aceasta lumina divergenta nedorita nu contine informatii referitoare la imagine reducand doar contrastul acesteia formata pe membrana nervoasa si provocand in acest timp senzatii neplacute.

Avantajele straturilor antireflex apar în special în condiţii medii de iluminare, când purtătorul de ochelari nu este deranjat de sursa de lumină din spatele lui (ex: reflectoarele automobilelor, reclamele luminoase, proiectorul de film din cinematografe) senzaţia vederii devenind mai contrastantă în câmpul lui vizual. Alte exemple pentru acest fenomen: activitatea din faţa computerului, privirea ecranului de televizor. Atenuarea reflexiei datorită efectului de mărire a contrastului poate fi deosebit de avantajoasă la acele persoane, car au cataractă, sau care poartă lentile de ochi încorporate, respectiv suferă de malformaţii la nivelul retinei sau al nervului de vedere, care reduce sensibilitatea la contraste.

Principiul fizic de funcţionare al stratului antireflex:
Pentru intelegerea avantajelor estetice oferite de straturile de diferite structuri este important sa cunoaştem modul de functionare si proprietatile caracteristice ale acestora. In cazul aplicatiilor de un singur strat, se impun doua conditii pentru ca sa se produca extinctia reciproca a undelor reflectate de suprafata limita dintre aer – strat si strat – sticla suport: in primul rand se impune indicele de refractie corespunzator pentru stratul aplicat prin aburire, rezultand amplitudini identice de unda. In al doilea rand, trebuie respectata conditia de faza, care prevede grosimea stratului pentru ca sa poata genera intoarcerea de faza necesara extinctiei reciproce a undelor.

In timp ce conditia de fazaj – prin controlarea stricta a procesului de aburire poate fi satisfacuta in cea mai mare masura, in ceea ce priveste conditia indicelui pot aparea dificultati materiale, deoarece materialele care pot fi aplicate prin aburire si cu un indice de refractie oarecare nu ne stau intotdeanua la dispozitie. Astfel reflexia sticlei tubulare simple nu poate fi redusa la zero cu ajutorul stratului de fluor de magneziu (MgF2, n=1,38), dupa cum se vede si pe diagrama 4. Reducerea reflexiei – in cazul sticlelor cu indice de refractie relativ mic se poate imbunatati doar prin folosirea mai multor straturi. La aplicatiile de mai multe straturi ca si in cazul unui singur strat fazele si indicele de refractie al undelor reflectate de pe suprafetele limita pot fi egalate, pentru ca in final sa obtinem „reflexia nul” in cazul respectivei lungimi de unda.

Constructia /4-/2 poate fi vazuta pe diagrama 5, desi reflexia este inabusita in zonele cu unde mai scurte sau mai lungi ale spectrului vizibil, dar la 550 nm reflexia este la fel de puternica ca in cazul unui singur strat.

Aplicatiile de 3 straturi sunt mult mai avantajoase, de ex. acel sir de /4-/2-/4 (diagrama 6) Nu putem obtine intotdeauna proprietatile cele mai bune ale materialului aplicat, dar exista solutii, care permit evitarea acestei probleme prin impartirea straturilor pe straturi partiale mai mici. Astfel aplicatiile de mai multe straturi pot fi considerate ca variaţiuni ale aplicaţiilor cu 3 straturi. In domeniul opticii de ochelari numarul straturilor aplicate pa baza motoului „cu cat mai mult, cu atat mai bine” nu ofera garantia unei calitati deosebite. Calitatea depinde in cea mai mare masura de forma si latimea de banda a curbei de reflexie a imaginii coloristice.

Estetica: Influenta afectiva a lentilei de ochelari stralucitoare respectiv reflectanta poate deranja in anumite situatii, daca ne gandim la importanta contactului vizual in relatiile interpersonale. Posibilitatile opticii moderne permit deja oamenilor sa nu mai fie nevoiti sa poarte „ochelari cu lentile de sticla de lapte”, dar este foarte important tocmai la sticlele noi cu indice de refractie inalt, ca reflexia insemnata sa nu deranjeze simpatia dintre doua persoane in timpul contactului vizual. Intamplarile cotidiene ne arata ca personajele vietii publice nu consacra contactului vizual atentia cuvenita. Cele mai elocvente sunt acele situatii cand pe obrazul prezentatorului de emisiuni putem detecta munca specialistului responsabil cu lumina aflat in fata lui sau chiar imaginea prompterului.

Cu ajutorul aplicatiilor moderne, de mai multe straturi reflexiile pot fi eliminate aproape in totalitate. Trebuie sa evitam in toate cazurile ca reflexiile remanente sa capete nuante dezavantajoase din punct de vedere estetic (verde albastrui, verde galbui). Culoarea de reflexie avantajoasa este indispensabila la demonstratia convingatoare a mostrelor de lentila.

Lumina reflectata se compara cu sensibilitatea spectrala a ochiului la lumina si trebuie evaluata cu gravitate zona valorii de 550 nm. Ca sa evitam reflexiile remanente verzui, aceasta zona trebuie redusa sub un anumit prag. Deoarece capacitatea perceperii coloristice a ochiului este cea mai eficienta in domeniul 490 nm-590 nm, astfel aici se afla zonele minime ale reflexiei straturilor moderne antireflex.

Aplicatiile antireflex cele mai noi au deja o nuanta gri, fiind capabile sa pastreze aceasta nuanta in conditii atat naturale cat si artificiale de iluminare. In cazul luminii incidente sub un lunghi oarecare pe suprafata reflectata se modifica grosimile efective ale structurii de straturi si astfel si aparitia spectrala a curbei de reflexie. Rezultatul este schimbarea culorii reflexiei remanente ceea ce este mai special in cazul aplicatiilor cu mai multe straturi.

Reducerea reflexiei este mai avantajoasa in timpul zilei, deoarece persoanele din jurul purtatorului de ochelari nu percep reflexiile deranjante. Lentilele de ochelari din punct de vedere cosmetic dau impresia ca si cum lentilele ar lipsi din ramele de ochelari, ajutand astfel comunicatia dintre parti. Un alt avantaj important al aplicatiilor antireflex il constitue marirea contrastului subiectiv perceput la nivel scazut de iluminare. Purtatorii de ochelari se pot convinge despre acest fapt in teatre, cinematografe, la urmarirea emisiunilor Tv, lucrand in fata computerului sau in timpul conducerii nocturne. Este deosebit de convingator cand la depasire reflectoarele automobileleor se apropie foarte tare.