Minerální brýlové čočky

Rozdělení podle typu skla a indexu lomu

Sklo je amorfní materiál, který se při běžné teplotě (23 °C) vyskytuje v pevném skupenství a je možné ho rozbít, a který je zároveň možné za zvýšení teploty přivést do viskózního stavu. Sklo je získáváno z takzvaného sklářského kmene, který je při teplotě přibližně 1500 °C uveden do stavu taveniny. Standardní sklářský kmen obsahuje přibližně 70 % takzvaných sklotvorných oxidů, 20 % tavidel, stabilizátory, odbarvovače, barviva a další přísady. Ke sklotvorným oxidům řadíme oxid křemičitý (SiO₂) ve formě křemenného písku, oxid boritý (B₂O₃) a oxid fosforečný (P₂O₅). K hlavním tavidlům patří uhličitan sodný (Na₂CO₃, neboli soda) a uhličitan draselný (K₂CO₃, neboli potaš). Tavidla se používají k zajištění vysoké teploty (1700 °C). Stabilizátory (oxid vápenatý, CaO) zajišťují chemickou stálost, mechanickou pevnost a tvrdost skla. Zpevnění skla zajišťuje oxid hlinitý (Al₂O₃), oxid zinečnatý (ZnO) a oxid manganatý (MgO). Požadovanou změnu indexu lomu umožňuje oxid olovnatý (PbO) a oxid barnatý (BaO).

Tavení skla probíhá v tavících pecích. Při tavení skla rozlišujeme tři technologické stupně:

• Růst bublinek (1200 °C)

  Sklářský kmen se zahřívá několik hodin na teplotu 1200 °C. Díky velkému množství fyzikálně-chemických reakcí vzniká velké množství plynů (zejména CO₂).

• Čeření (1750 °C)

  Do sklářského kmene se přidávají čeřiva, které mají za úkol odstranit bubliny a plyn z taveniny. Čeřiva (např. dusičnan sodný, NaNO₃, neboli ledek) jsou látky, které se za vysokých teplot rozkládají. Plyn, který se z nich uvolňuje, difunduje do bublin v tavenině. Následně tyto bubliny stoupají vzhůru a opouští taveninu. Vlastním čeřícím plynem je tedy kyslík.

• Ochlazení s odstraněním plynů a chlazení (pod 900 °C)

  Poslední plyny se z taveniny vylučují před snížením teploty na 1200–900 °C. Následuje stáčení skla do připravených předehřátých van. Celkové chlazení skla trvá podle jeho druhu týdny i měsíce. Způsob chlazení umožňuje jemnou korekci indexu lomu a disperzi skla.
  Sklo o standardním indexu lomu 1.5 je převážně složeno z 60–70 % oxidů křemíku. Zbytek tvoří oxidy vápníku, sodíku a boru. Sklo o indexu lomu 1.6 obsahuje příměs dioxidu titanu. Materiály pro výrobu minerálních brýlových čoček můžeme dělit do dvou skupin:
  • Křemíko-vápenaté sklo má obvykle index lomu 1.523 a Abbeovo číslo okolo 60
  • Boro-silikátové sklo má obvykle hodnotu indexu lomu 1.6
  nebo
  • Korunové – draselno-vápenaté – nízkoindexové (Abbeovo číslo vyšší než 55)
  • Flintové – draselno-olovnaté – vysokoindexové (Abbeovo číslo nižší než 55) [4]

Vysokoindexové materiály byly vyvíjeny již od roku 1975 s cílem dosáhnout vysokého indexu a zároveň nízké disperze (vysoké Abbeovo číslo). Nejprve se objevil materiál s indexem lomu 1.7 (Abbeovo číslo 41), který obsahoval oxidy titanu. Přibližně v roce 1990 se objevil materiál s indexem lomu 1.8 s příměsí oxidů Lanthanu a Abbeovým číslem 34. V roce 1995 byl poprvé použit jako příměs oxid nobia a byl vytvořen materiál s indexem lomu 1.9 a Abbeovým číslem 30. Tyto materiály umožňují vyrábět tenčí brýlové čočky, u kterých můžeme očekávat snížení váhy a celkového objemu čočky.

Tab. 1: Složení materiálů pro výrobu minerálních brýlových čoček (% obsahu) [1]

Tab. 2: Vlastnosti některých minerálních materiálů [1]

Barvené sklo

Sklo může být barveno přidáním solí se specifickou schopností absorpce. Jedná se například o soli niklu a kobaltu (fialová), kobaltu a mědi (modrá), chromu (zelená), železa, kadmia (žlutá), zlata, mědi, selenu (červená) atd. Tyto materiály se používají nejčastěji pro výrobu slunečních nedioptrických brýlí.

Minerální fototropní materiály

První minerální fototropií čočky zvané Bestlite začala vyrábět americká firma Corning Glass Works v roce 1964. O čtyři roky později se na optickém trhu objevily pod názvy Photogray a Photobrown. V roce 1970 vyrobila svou první fototropní minerální čočku firma Zeiss (Umbramatic). Firma Rodenstock tento typ čoček nabízí pod názvem Colormatic. Na naše území se dostávají fototropní čočky pod názvem Heliovar ze skláren Schott z Jeny [3].

Fototropií materiály reagují na intenzitu slunečního záření tak, že modifikují svojí absorpci. Při dopadu UV-A záření tmavnou a při běžné teplotě blednou. Velikost absorpce je určena poměrem mezi aktivovanými fotosenzitivními molekulami a molekulami deaktivovanými teplem. Obvykle tento materiál obsahuje molekuly chloridu stříbra. Tento materiál reaguje s UV zářením. Podstatou ztmavení je po ozáření uvolnění elektronu z atomu chlóru a přijetí tohoto elektronu atomem stříbra. Stříbro tak získá vlastnosti kovu a zvýší svou absorpci pro světlo. Když ozáření materiálu skončí, uvolní se elektron z atomu stříbra a vrací se zpět do atomu chlóru.

Obr. 1: Fototropní reakce u minerálního materiálu [1]

AgCl Ag + Cl

Rovnice 1: Vratná fotochemická reakce [3]

Průběh a rychlost chemické reakce závisí na složení skla, koncentraci a druhu halogenidů (AgCl reaguje na světlo o vlnové délce pod 400 nm, AgBr do 550 nm a AgCl a AgJ až do 650 nm). Dále na druhu a koncentraci stabilizátorů, způsobu tepelného zpracování, okolní teplotě (vysoká teplota znamená nižší intenzitu zabarvení) a intenzitě elektromagnetického záření. Proces tmavnutí je mnohem rychlejší než proces blednutí. Další nevýhodou u minerálních čoček je rozdílný odstín barvy v různých místech čočky podle její tloušťky. Tomuto jevu lze předcházet například metodou tmelení stejně silné vrstvy fototropního skla na brýlovou čočku.

Na trhu jsou obvykle k dostání fototropní čočky, které se zabarvují do šedé, hnědé nebo šedohnědé. Absorpce těchto čoček se obvykle mění od 15 do 75 %. Při dlouhodobém skladování může dojít k utlumení této reakce a ta se musí následně tzv. „nastartovat“ opakovaným vystavením UV-záření. Běžné fototropní čočky nejsou obvykle doporučovány pro řidiče, neboť fotoreakce uvnitř automobilu nedosahuje potřebných kvalit.