激光是20世紀(jì)以來(lái)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一。然而，激光也是一種危險(xiǎn)的光源：具有一定強(qiáng)度的激光束，若照射到皮膚上，可能會(huì)造成局部的灼傷，若射入眼睛，將會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的問(wèn)題——致盲。

即使嚴(yán)格控制激光束禁止直接照射到人體，經(jīng)過(guò)物質(zhì)表面散射的激光對(duì)人眼也是有害的。

人眼長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)散射光環(huán)境中，會(huì)造成玻璃體渾濁從而最終影響視力，對(duì)于那些經(jīng)常置身于激光布景表演和直接接觸激光的工作人員來(lái)說(shuō)，采取激光防護(hù)與保護(hù)非常必要的。激光防護(hù)眼鏡就是基于這樣的背景而產(chǎn)生的。

傳統(tǒng)的激光防護(hù)眼鏡，見(jiàn)過(guò)的人或許感覺(jué)它并不陌生，它與我們俗稱(chēng)的“墨鏡”原理基本相同，即允許某些特定波長(zhǎng)（或顏色）的光透射進(jìn)入人眼，其他波長(zhǎng)（或顏色）的光，特別是有害的激光由鏡片自身吸收而過(guò)濾掉，從而起到對(duì)人眼的保護(hù)作用。

比如，常見(jiàn)的波長(zhǎng)532nm（納米）的綠色激光打到物體表面后，由于人眼對(duì)其比較敏感，因此，激光只要有點(diǎn)亮度，我們就會(huì)感覺(jué)刺眼，時(shí)間久了眼睛就會(huì)感覺(jué)干澀。

如果我們戴上一個(gè)紅色鏡片的眼鏡，散射到人眼的綠光激光就會(huì)被大大衰減，眼睛就會(huì)感覺(jué)到柔和很多。若是質(zhì)量較好的防護(hù)鏡，綠光能被鏡片衰減至眼睛幾乎感覺(jué)不到的程度。

再比如，對(duì)于波長(zhǎng)300nm以下的紫外激光或者波長(zhǎng)5um以上的紅外激光，我們只要戴上一個(gè)普通的眼鏡，散射的激光基本就進(jìn)入不了眼睛，這是因?yàn)?，光學(xué)介質(zhì)對(duì)紫外和紅外激光的衰減吸收是很大的。

激光防護(hù)鏡對(duì)某一特定波長(zhǎng)的衰減度是用OD(Optical Density光密度)來(lái)表征的，該參數(shù)數(shù)值越大，表明對(duì)激光的衰減作用越強(qiáng)，但即使再高，也不能做到百分百衰減，因此，當(dāng)遇有強(qiáng)烈的散射激光時(shí)，還是會(huì)有一部分激光透過(guò)防護(hù)鏡鏡片進(jìn)入眼睛的。

在某些場(chǎng)合，甚至?xí)袔追N不同顏色（波長(zhǎng)）的強(qiáng)激光同時(shí)存在，雖然采用中性衰減片的防護(hù)鏡能對(duì)不同波長(zhǎng)的激光同時(shí)進(jìn)行衰減，但衰減只能控制在一定的范圍，若衰減過(guò)大，也就可能看不到除激光以為的其他物體了。因此，傳統(tǒng)激光防護(hù)鏡對(duì)人眼睛的防護(hù)作用和能力是有限的。

傳統(tǒng)激光防護(hù)眼鏡的缺陷是，不能把激光與人眼真正隔離開(kāi)來(lái)，因而防護(hù)作用十分有限。如能實(shí)現(xiàn)一種將激光與人眼分開(kāi)的激光防護(hù)工具，不僅將完全排除激光對(duì)人眼傷害的可能性，而且可以方便有效地開(kāi)展激光應(yīng)用的研究與生產(chǎn)工作。

如今，成像、光電探測(cè)、數(shù)字信號(hào)處理以及電光顯示等技術(shù)，都已發(fā)展到了一個(gè)前所未有的水平，因此研制這樣一種輕便且價(jià)格低廉，并能把人眼與激光真正隔離開(kāi)來(lái)的新概念激光防護(hù)眼鏡已成為可能。

本文將介紹我們就這一想法所作的初步嘗試，并對(duì)所研制的具有該功能的這種新型激光防護(hù)眼鏡的特性和作用，給出詳細(xì)說(shuō)明。

一、新型激光防護(hù)眼鏡的結(jié)構(gòu)

圖1是我們研制的新型激光防護(hù)眼鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，從右至左的順序，自然光由鏡頭收集后匯聚成像于感光芯片上，感光芯片將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，此信號(hào)由數(shù)字芯片進(jìn)行高速處理后輸入微顯示器，再轉(zhuǎn)化成微圖像，最后由目鏡將圖像放大后成像于人眼。

其中，鏡頭為焦距可變的鏡頭，感光芯片采用的是CMOS芯片。

雖然CMOS在靈敏度、分辨率和信噪比等方面不如CCD，但在這里用于普通的視覺(jué)應(yīng)用已經(jīng)足已，而且CMOS自身也具有一定優(yōu)勢(shì)。

首先它輸出的直接是數(shù)字信號(hào)，與數(shù)學(xué)芯片銜接便于高度集成；其次由于圖像采集方式不同，CMOS的功耗僅有CCD的1/3；還有CMOS的成本要遠(yuǎn)低于CCD成本。

光電信號(hào)處理部分（即主板部分）采用的主要是DSP和FPGA芯片，用于控制CMOS采集圖像，并將其輸出信號(hào)進(jìn)行處理后成像于微顯示器。

這部分還連接一控制手柄（用于提供電池電源并外部接收控制指令），F(xiàn)PGA接受控制手柄發(fā)來(lái)的指令可控制CMOS的參數(shù)如曝光時(shí)間、控制DSP對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行如亮度、對(duì)比度、色溫（即紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的強(qiáng)度）等方面的處理，此外，還可以控制鏡頭進(jìn)行自動(dòng)焦距調(diào)節(jié)。

微顯示器采用的是OLED超微顯示屏，由于受到體積及精度的限制，超微OLED目前的分辨率還做得不夠高，這是此元件發(fā)展的一個(gè)技術(shù)瓶頸，不過(guò)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，更高分辨率更清晰的超微OLED將會(huì)不斷產(chǎn)生的。

目前其分辨率主要是640×480。目鏡的作用是將微小顯示器上的圖像給放大，使得上面顯示的物體與現(xiàn)實(shí)中的物體，以盡可能相近的視覺(jué)感受成像于人眼。

它的焦距可以做適當(dāng)?shù)男≌{(diào)整，以適合不同視力的眼睛，這樣即使近視的人也可以直接佩戴此防護(hù)鏡，而無(wú)需戴著近視鏡。

二、新型防護(hù)鏡在激光防護(hù)中的作用

從圖1的結(jié)構(gòu)圖可以看出，此防護(hù)鏡是將光信息先變成電信號(hào)，然后由顯示器成像后再進(jìn)入人眼的。

眼睛和眼睛外部的光完全隔離開(kāi)，假如防護(hù)鏡沒(méi)有接通電源，眼前將會(huì)是一片漆黑，就如同給人帶了一個(gè)厚厚的眼罩似的。

因此，在戴有此眼鏡的情況下，即使有激光突然散射到眼睛方向，那至多使得CMOS輸出的信號(hào)亮度增加甚至飽和，眼睛感覺(jué)到的僅是顯示器變亮了；

假如發(fā)生如激光光束直接射向眼睛這樣的事故，若激光強(qiáng)度較弱，結(jié)果可能是會(huì)使得CMOS傳感器飽和甚至嚴(yán)重飽和，眼睛會(huì)看到顯示器一片白色，如若激光強(qiáng)度較高，結(jié)果或許是打壞CMOS傳感器或者燒壞防護(hù)眼鏡上的塑料框架，但不會(huì)對(duì)眼睛造成任何傷害。

因此，此防護(hù)眼鏡對(duì)人眼的激光防護(hù)是安全的，不會(huì)發(fā)生激光傷害眼睛的情況。

圖2是一束2W左右的激光打到黑色金屬表面后，通過(guò)我們研制的該防護(hù)眼鏡觀察到的散射光情況。

可以看出，散射光是相當(dāng)強(qiáng)的，但此激光的波長(zhǎng)是900nm，用裸眼我們?cè)诮饘俦砻媸强床坏饺魏螙|西的，但激光的的確確存在，而裸眼并不能感知它的存在和位置，因此對(duì)眼睛的傷害是必然的。這種情況對(duì)于那些同樣在此激光器周邊而非正在利用激光束作業(yè)的人員來(lái)說(shuō)也是十分危險(xiǎn)的。

圖3是一束綠光打到一黑色金屬表面后防護(hù)眼鏡顯示的圖像。

若沒(méi)有眼鏡，因?yàn)樘萄?，我們是不能用眼睛直接觀察此光斑的；若強(qiáng)制眼睛去看一會(huì)，那再去看其他物體時(shí)，就會(huì)視覺(jué)模糊，需適應(yīng)一會(huì)才行。

但若轉(zhuǎn)化成防護(hù)鏡顯示的圖像，我們只會(huì)觀察到圖中顯示的淡綠色，眼睛并不會(huì)感覺(jué)不舒服。因?yàn)槿搜蹖?duì)綠光比較敏感，所以即使有一點(diǎn)綠色激光，人眼就會(huì)反應(yīng)強(qiáng)烈。

圖3中的激光功率只有200mW，相對(duì)于圖2中2W的非可見(jiàn)光功率要弱很多，可見(jiàn)若不戴防護(hù)眼鏡，后者會(huì)有更多的激光輻射進(jìn)入眼睛，對(duì)眼睛的傷害要大得多，只是我們看不到而已。

一束直徑為2mm、功率為25mW、波長(zhǎng)為750nm的飛秒激光打在手或者皮膚上，我們基本是沒(méi)有感覺(jué)的，但若射入眼睛會(huì)嚴(yán)重?zé)齻Ａw和視網(wǎng)膜。

圖4是此激光打在防護(hù)眼鏡鏡頭邊緣時(shí)微顯示器所成的圖像；圖5是此激光束有部分直接射到防護(hù)鏡的CMOS感光芯片上時(shí)所成的圖像。

可以看出，CMOS芯片已經(jīng)嚴(yán)重飽和，此時(shí)眼睛的感覺(jué)會(huì)是眼前的顯示器突然變亮變白，不過(guò)對(duì)眼睛自身沒(méi)有任何損害。因?yàn)楣β瘦^弱，雖已使CMOS嚴(yán)重飽和，但并沒(méi)有燒毀其感光面元，因此防護(hù)鏡可以繼續(xù)使用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們得知，我們這種新型防護(hù)眼鏡在對(duì)眼睛的防護(hù)方面是不選擇激光波長(zhǎng)的，不論紅光、綠光、藍(lán)光甚至紫外激光或者紅外激光，它都能起到百分百的防護(hù)作用，這個(gè)性能是傳統(tǒng)防護(hù)眼鏡所不能比擬的。

三、新型防護(hù)眼鏡在激光操作和使用過(guò)程中的其他效用

圖2已經(jīng)說(shuō)明過(guò)，人類(lèi)裸眼看不到波長(zhǎng)900nm的激光，在戴有此防護(hù)鏡的情況下就能看到。測(cè)試證明，防護(hù)鏡的CMOS芯片對(duì)波長(zhǎng)高達(dá)1064nm的激光也有感應(yīng)，這樣就為激光工作人員操作非可見(jiàn)的紅外激光提供了方便。

他們?cè)谡{(diào)節(jié)光路時(shí)無(wú)需再使用專(zhuān)門(mén)的紅外卡片去尋找激光點(diǎn)，如圖6所示，對(duì)于1064nm波長(zhǎng)的紅外皮秒激光振蕩器，激光在腔內(nèi)各個(gè)鏡片上的光斑位置一目了然。

我們?cè)诮榻B防護(hù)眼鏡的結(jié)構(gòu)時(shí)，說(shuō)明過(guò)它的控制手柄具有控制圖像的紅、藍(lán)、綠三個(gè)顏色通道的強(qiáng)度，以及調(diào)節(jié)圖像的亮度等功能，這在激光調(diào)節(jié)過(guò)程中還是相當(dāng)有用的。

圖7(a)中的鈦寶石激光振蕩器內(nèi)充滿(mǎn)了綠光，由于太刺眼而不能用裸眼直接觀察腔內(nèi)，即使通過(guò)防護(hù)眼鏡形成電子圖像，雖然不刺眼了，但或許因?yàn)榫G色太深眼睛仍舊感覺(jué)不舒服，此時(shí)我們可以通過(guò)控制防護(hù)眼鏡的操作手柄，降低圖像中綠光顏色通道的強(qiáng)度。

當(dāng)其強(qiáng)度降低至原來(lái)的50%時(shí)，圖像中的綠色部分基本就不怎么刺眼了，如圖7(b)所示；當(dāng)強(qiáng)度降低至原來(lái)的20%時(shí)，圖像中的綠色成分就基本消失了，如圖7(c)所示，當(dāng)然圖(b)和(c)中圖像的整體亮度也有所降低，我們可以再通過(guò)手柄對(duì)圖像的亮度進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?，即可得到圖7(d)所示的圖像，這樣可以光線柔和地調(diào)節(jié)控制激光。

具體什么樣的圖像合適，這是因人而異的，使用者可以根據(jù)自己的要求來(lái)調(diào)節(jié)圖像參數(shù)。

人們?cè)谡{(diào)節(jié)激光器特別是振蕩器時(shí)，在激光器起振之前，常會(huì)用熒光來(lái)對(duì)準(zhǔn)激光光路并調(diào)節(jié)各個(gè)鏡架，然而熒光一般較弱，而且若是近紅外光，裸眼也看不到，因此，人們常會(huì)紅外夜視儀觀測(cè)熒光位置。

但由于其個(gè)頭較大，用起來(lái)并不是很方便，若用我們的新型防護(hù)眼鏡，是否能看到這種熒光呢？答案是肯定的。

圖8(a)中的光斑就是鈦寶石激光振蕩器的熒光在防護(hù)鏡上所成的圖像，可以看出，光斑相對(duì)背景光還是比較明顯的，若關(guān)閉或者減弱室內(nèi)光線強(qiáng)度，效果會(huì)更加顯著，見(jiàn)8(b)。

由于我們的新型防護(hù)鏡所具有的CMOS光電圖像探測(cè)以及DSP高速數(shù)字圖像處理功能，使其具有了以上所介紹的幾種特性，從而為激光調(diào)節(jié)和激光應(yīng)用帶來(lái)了極大方便。

四、結(jié)論

本文介紹的上述激光防護(hù)眼鏡采用了與傳統(tǒng)激光防護(hù)鏡幾乎完全不同的設(shè)計(jì)理念，因此，實(shí)現(xiàn)了人眼與激光的真正隔離，對(duì)眼睛起到了非常安全的防護(hù)作用，其特有的數(shù)字功能也為人們調(diào)節(jié)激光提供了極大便利。

這種新型激光防護(hù)鏡的使用，將使得一線工作的激光操作不再是一項(xiàng)存在危險(xiǎn)的工作，在激光實(shí)驗(yàn)室中是非常必備的保護(hù)手段。