Óptica II. Técnica Óptica. TECNOL.

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Tecnología

Parte de la Ó. que comprende el estudio de los materiales refringentes (materias primas) y los procesos de fabricación de las piezas ópticas.

1. Materias primas. Entre las materias primas, el vidrio es la de uso más común. Al igual que cualquier otro material óptico, debe reunir una serie de condiciones como ser homogéneo, es decir, no contener heterogeneidades ni defectos de masa, e isótropo, o sea, la velocidad de la luz ha de ser constante en cualquier dirección (el índice de refracción n=constante). Es importante distinguir entre vidrio y cristal. El vidrio puede definirse como un líquido sub-enfriado (su viscosidad es tan grande que no modifica su estructura externa). El cristal es un conjunto ordenado perfecto y su procedencia puede ser natural o por síntesis.

Cristales (v. CRISTALOGRAFÍA). Son usados en la fabricación de determinadas piezas ópticas, por las propiedades que tienen, el cloruro sódico (sal de roca), el bromuro potásico, la fluorita, el cuarzo, la calcita, la mica, el yodosulfato de quinina, etc. Así, p. ej., el bromuro potásico se emplea cuando se trata de aparatos que trabajan en el infrarrojo; el cuarzo y la mica para la fabricación de láminas de media onda y cuarto de onda; el espato de Islandia (C03Ca) para la fabricación de prismas polarizantes. Ante la dificultad de encontrar cristales naturales de tamaño suficiente, se recurre a procedimientos de síntesis.

Plásticos. También los plásticos están siendo utilizados en Ó. El metacrilato y poliestireno fueron los primeros en ser utilizados para estos fines. El avance de la química de los plásticos permite ir incorporando nuevos elementos que generalmente se conocen con nombres comerciales, como el ORMA. Estos materiales, por el momento, tienen características tales, que hacen que los vidrios sean todavía fundamentales en la Ó.

2. Características de los vidrios ópticos. Índice de refracción. Relación de la velocidad de la luz en el vidrio con respecto a la misma en el vacío:

v

n=-, c

donde v=velocidad en el vidrio; c=velocidad en el vacío - 3.000.000 Km/seg. El índice de refracción n varía para cada radiación del espectro (v. LUZ) y cuando no se especifica es el correspondiente a la raya amarilla del espectro. Hay dos amarillas y se suele tomar el valor medio de las dos. El coeficiente v característico del vidrio que valora la dispersión vale:

nD-1

v=

nF-nc

siendo nD, nF y nc los índices de refracción del vidrio para la raya del espectro amarillo, verde-azulado y rojo. Transmitancia espectral. Cantidad relativa de energía radiante (luz) que deja pasar el vidrio de cada una de las radiaciones del espectro. Es función del espesor del vidrio y generalmente se da para espesores de 2 mm. Si la transmitancia no es uniforme, el vidrio tiene color (fig. 1). _

Durabilidad. Resistencia de una superficie de vidrio pulido a los ataques atmosféricos; ataques producíos por la humedad por tener el vidrio elementos solubles.

Dureza. Se mide, entre otros, por los procedimientos clásicos de Brinel, Vickers y Rockwell.

Coeficiente de dilatación. Variación que experimenta la unidad de volumen (superficie, longitud) al aumentar un grado su temperatura. Es de gran interés conocer este

dato para hacer los ajustes de las piezas ópticas en sus monturas. Hay casos, como el de los espejos de los grandes telescopios, en que las variaciones de dimensión por dilatación pueden dar origen a grandes errores, por lo que se usan vidrios de pequeño coeficiente de dilatación.

3. Trabajo de superficies ópticas. Este trabajo difiere mucho en su según se trate de repetir una pieza un gran número de veces, un número reducido, prototipos o pequeña serie. Otro factor diferencial se presenta según consideremos Ó. de precisión o no, como el caso de la anteojería.

Presentación del vidrio. óptica de precisión: a) Pequeña serie: El material de partida es el vidrio en pastillas (bloques) de donde se corta el trozo necesario para inscribir la pieza que se piensa fabricar (fig. 2).

b) Gran serie. En estos casos, con el fin de reducir el tiempo del proceso, se parte de piezas moldeadas (fig. 3). Éstas son piezas similares en volumen y forma a la pieza terminada, obtenidas por un proceso de moldeado en caliente. Puesto el trozo de vidrio adecuado a la temperatura de reblandecimiento, se prensa entre dos estampas que reproducen la forma de la pieza con las creces correspondientes para permitir el proceso de desbaste, afino, y que la pieza quede terminada con las cotas deseadas. El proceso termina con un recocido para eliminar las tensiones causadas por el enfriamiento brusco en el moldeo.

Proceso de una superficie. a) Corte. Pequeña serie: Precisión. Se corta el trozo de vidrio por medio de sierras de diamante. Se trata en realidad de muelas de diamante obtenidas por sinterización. Tienen como conglomerantes el bronce o latón y como abrasivo el polvo de diamante. Son herramientas que trabajan muy revolucionadas y con gran refrigeración. Se sigue el moldeo, empleado también en los procesos de gran serie, en precisión y no precisión.

b) Blocado. Sujeción de la pieza para facilitar el manejo durante el proceso (fig. 4). Puede hacerse: 1) Pieza a pieza, pegando con pez ésta se adhiere fuertemente al vidrio caliente. 2) En bloque, pegando con pez a un útil adecuado, de aluminio. Los útiles deben ser ligeros para no sobrepasar las presiones requeridas en la Ó. de precisión; en anteojería se usan de hierro. 3) Mediante aleaciones especiales de bajo punto de fusión (60 a 70°) que se adhieren al vidrio. En este caso se funde el soporte sobre el propio vidrio (anteojería). 4) En procesos técnicamente desarrollados (grandes series) se cogen las piezas mecánicamente con pinzas. 5) Mediante papeles adhesivos especiales.

En el caso de prismas, el procedimiento es similar.

c) Desbaste. Consiste en eliminar parte del vidrio sobrante para aproximarse a las superficies finales, con un grado de calidad superficial que depende del grano del abrasivo utilizado. Puede practicarse:

1) Con muela. Se utilizan muelas sinterizadas de diamante, generándose una superficie esférica, cóncava, convexa, tórica, cilíndrica, según lo deseado.

2) Método clásico. Se emplean útiles de fundición de hierro y un abrasivo mezclado con agua (corindón, esmeriles, etc.). El útil tiene el radio correspondiente a la superficie que deseamos.

d) Afino. Trabajo uniforme sobre la superficie con un grano de terminación mucho más fino. El tamaño de grano del abrasivo es mucho menor. En el caso de precisión los útiles empleados son de latón. En el de no precisión son de hierro fundido (anteojería).

e) Pulido. Es la última operación y consiste en la obtención de la superficie óptica perfectamente terminada. De mayor a menor precisión se usan pulidores de pez (fig. 5), de pez guateada, de papel, de seda, de paño, de, fieltro, etc. Recientemente, los plásticos entran también como elementos pulidores. Como abrasivos se emplean el óxido de cerio, el peróxido de hierro, el óxido de estaño, etc. El más usado es el óxido de cerio.

Es muy discutido cómo se desarrolla el proceso de pulido. Según unas escuelas, consiste en un flujo del vidrio de las crestas a los valles, rellenando los huecos que quedan en el afino.. Ayuda a este flujo la temperatura alcanzada por el rozamiento entre el vidrio y pulidor. Hay otras teorías que lo consideran como una continuación del proceso de afino. La creencia más general es la de que se trata de la combinación de las dos hipótesis anteriores. El que predomine uno de los fenómenos o el otro depende sencillamente de las presiones ;,n juego y del tipo de pulidor utilizado. Concretamente, pueden observarse en piezas de precisión trabajadas con pulidor de pez huellas sobre la superficie que se corresponden con el grano del elemento pulidor, de la misma forma que en el desbaste y afino. Por otro lado, en piezas trabajadas con pulidores de paño y presiones grandes, puede observarse, después de un ataque de la superficie, las huellas del proceso anterior de afino, demostrando la existencia de un flujo de material en el pulido. En 6. de precisión se pule casi siempre con pez. El útil soporte que se utiliza para formar el pulidor es de aluminio. Pulidores como los de papel, muselina, seda, etc., suelen usarse para el trabajo de determinados cristales. Para emulsionar el abrasivo se utiliza el agua, incluso en el caso de piezas solubles como las de cloruro sódico.

El pulido a paño es el de uso común en anteojería. El pulidor es un paño más o menos grueso que se pega a un útil de hierro.

Un elemento diferenciador entre el pulido de precisión y el de no precisión es también la presión utilizada en el proceso. Mientras que en precisión es del orden de los gr/cmz, en el otro es del orden de los Kg/cmz.

4. Elementos de control. En la 6. de precisión el control se realiza en función de los anillos de interferencia (v.; fig. 6). Se utiliza como patrón una pieza de vidrio que es justamente la contrapartida de la pieza que queremos controlar. Estos patrones se hacen generalmente en vidrio de pequeño coeficiente de dilatación y en parejas, cóncavo y convexo. Se fabrican a mano y se controlan por procedimientos de laboratorio (interferometría, colimación, etc.). El calibre se utiliza luego para el control de las piezas

durante la fabricación (durante el pulido). El control se hace por interferencias producidas en la lámina de aire comprendida entre la superficie patrón y la que estamos puliendo. Siempre que el espesor de dicha lámina sea múltiplo de a/2 (X=longitud de onda de la luz empleada en la observación, p. ej., luz de sodio) aparecerá por reflexión una interferencia sustractiva (mínimo nulo).

Si se trata de controlar una superficie esférica, los lugares geométricos de igual espesor de la capa de aire serán circunferencias concéntricas (anillos de Newton; fig. 7). De acuerdo con este criterio podemos, en función del error admisible en el radio de una superficie, calcular el espesor de la lámina de aire que queda entre calibre y pieza y determinar el número de anillos de Newton que deben aparecer. Se miden planitudes hasta del orden de la fracción de franja interferencial. Cuando el control se hace con luz compleja, se utiliza el color uniforme como signo de homogeneidad de la capa de aire (identidad de superficie de calibre y pieza).

5. Centrado de lentes. Consiste esta operación en tornear la lente de manera que su eje óptico coincida con el geométrico. Esta operación se realiza generalmente haciendo coincidir el eje óptico con el eje geométrico de un mandril sobre el que va montada la lente, observando por reflexión la imagen de un punto luminoso en la superficie de la lente mientras está en rotación. Coinciden uno y otro cuando la imagen queda estacionaria.

6. Prismas. Pieza óptica de gran uso en la Ó. técnica. Hay una gran variedad de prismas. En general podemos decir que la misión de los mismos es actuar sobre el camino de los rayos cambiándolos de dirección, en función de su forma geométrica y del número de reflexiones. Pueden invertir imágenes, hacerlas girar, etc. La precisión requerida para sus ángulos es muy distinta, llegando a exigencias del orden de los segundos; tal es el caso de los prismas de techo de los teodolitos. Cuando se manejan estas precisiones, el sistema de bloqueado que se utiliza es por contacto óptico. Las superficies idénticas, desprovistas de. grasa y polvo se ponen en contacto y se presionan ligeramente, sale la capa de aire de separación quedando una unión perfecta de gran resistencia, que únicamente puede romperse calentando y por deslizamiento.

7. Tratamientos térmicos. Recocido. Cuando se parte de piezas moldeadas, debido al enfriamiento brusco del vidrio en el momento del moldeo, se produce un gradiente de temperaturas de la superficie de la pieza al núcleo, por lo que se crean unas tensiones en la masa, que si son grandes pueden llegar a romper el vidrio y siempre producen una falta de isotropía. Por esta causa, después del

moldeo se someten las piezas a un proceso denominado recocido, consistente en aumentar la temperatura de la pieza hasta una temperatura próxima al reblandecimiento y posteriormente a un enfriamiento lento.

Templado. Algunas veces, concretamente en anteojería, se utilizan técnicas de endurecimiento de lentes para transformarlas en material de protección contra los impactos. Esto se consigue sometiendo la pieza óptica a un foco calorífico intenso y a una corriente adecuada de aire; de este modo se crean fuertes tensiones que aumentan la resistencia del vidrio y al mismo tiempo, en caso de rotura, el material se pulveriza en partículas de cantos redondeados.

8. Antirreflejante. Es un tratamiento de aplicación en la 6. de precisión por el que se consiguen instrumentos mucho más luminosos (fig. 8). Cuando incide la luz sobre una superficie de vidrio pulida, parte se refleja y parte se refracta, de acuerdo con las leyes de la reflexión, refracción y la fórmula de Fresnel, que proporciona el tarito por ciento (2 al 4) de energía que se refleja. Esta energía reflejada en las superficies origina, además de una disminución de luz en la pupila de salida del instrumento, una energía parásita, que hace disminuir el contraste de la imagen. El tanto por ciento de luz reflejada depende de la relación de los índices del dioptrio. Se elimina esta reflexión depositando por alto vacío una lámina de un material que tenga un índice de refracción que sea la raíz cuadrada del índice del vidrio y de espesor óptico igual al cuarto de la longitud de onda considerada. Como la luz normal es compleja, se maneja la de máxima sensibilidad del ojo si se trata de instrumentos de observación, y si de fotográficos, la correspondiente de la placa. Estos depósitos se hacen de fluoruro de magnesio, en alto vacío (10-5 mm. Hg.) después de una limpieza química (disolventes) y física (barrido iónico) del vidrio.

9. Anteojería. Características de fabricación de esta parte de la Ó.: a) Se parte siempre de moldeado. b) El desbaste se hace con muelas de diamante. c) El pulido con paño o similares. d) El control se hace con esferómetros o plantillas.

Las piezas ópticas varían en cuanto a sus características. Además de las lentes de tipo esférico (meniscos) se utilizan superficies que no son de revolución, como los cilindros y los toros para la corrección de los astigmatismos. Otras piezas de uso corriente son los bifocales, destinados a proporcionar una visión correcta para lejos y cerca al présbita tanto emétrope como amétrope (v: ojo). Tienen, por tanto, una zona destinada a la corrección a distancia y otra a la de cerca. Podemos dividir los bifocales en tres categorías: a) Fundidos. Realizados partiendo de una lente de corrección de lejos se hace un alojamiento esférico que se rellena con un vidrio de índice superior para dar la adición (diferencia de potencia (a)( b) entre lejos y cerca). b) Monobloques. Son lentes que una de las superficies tiene dos curvaturas distintas. c) De potencia progresiva. Son lentes en las que la parte superior corresponde a la corrección de lejos mientras que la parte inferior- es de radio variable, de manera que la potencia aumenta conforme nos acercamos al borde inferior. Junto con los bifocales, tenemos el trifocal, lente que tiene tres focos distintos. Se usan para présbitas de más de 2 dioptrías de adición.

Las facetas son lentes negativas fuertes cuya zona óptica está reducida a la parte central, mientras que el resto es una zona no óptica que permite adaptaciones más estéticas y confortables al haber reducido el peso de las lentes.

Las lenticulares tienen aplicación para los operados de catarata o hipermétropes fuertes y con la misma idea de confort que el anterior. Se construyen por soldadura siendo la zona óptica únicamente la parte central.

Tanto en las facetas como en los lenticulares, no se pierde campo de visión, porque la utilización de una lente de potencia grande no se realiza más que por la zona central, debido a la gran cantidad de astigmatismo oblicuo que tienen estas lentes de fuerte potencia. Puede reducirse este efecto mediante el uso de superficies esféricas, muy costosas.

10. Filtros de protección. Lentes neutras o no, que tienen como misión regular la energía radiante que penetra en el ojo, concretamente el ultravioleta y visible (en los rayos solares). Estos filtros se caracterizan por sus curvas de transmitancia espectral (energía relativa que dejan pasar por cada longitud de onda). Hay filtros protectores para soldadura, hornos de fundición, fuentes de radiaciones tales como el Laser, etc.

11. Lentes de contacto. También éstas entran dentro de la Ó. técnica. Se dividen en: lentes esclerales, que cubren el globo del ojo y permanecen sujetas por los párpados, y lentes corneales, que se mantienen por tensión superficial flotando en el líquido lacrimal.

J. P. IRISARRI.

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