繆昳聞，潘 瑾,尹亞玲，崔 璐

(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

太陽眼鏡根據(jù)功能分類，鏡片分為遮光鏡片與偏振鏡片，其中遮光鏡片用于減弱光強(qiáng)即控制光通量，而偏振鏡片可用于過濾炫光. 由此可見，抗紫外線能力、控制光通量能力與偏振特性是綜合衡量太陽眼鏡優(yōu)劣的三大因素.

1 原理簡介

鑒于紫外線會對人眼造成傷害、人眼的可調(diào)光通量有限以及炫光會影響視覺，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)來研究太陽眼鏡鏡片吸收、反射紫外線和控制光通量的作用以及偏振特性.

1.1 吸收、反射紫外線

1)波長320～400 nm(UVA)和波長275～320 nm(UVB)是太陽輻射到達(dá)地表最主要的紫外線，其中UVA約占90%，UVB約占10%[1]. 紫外線中UVA是導(dǎo)致白內(nèi)障的元兇，UVB則可導(dǎo)致眼部癌變和眼角膜病變.

2)一年四季中，夏季紫外線輻射最強(qiáng)，冬季(如12月)晴朗天氣時(shí)紫外線輻射量占太陽總輻射的0.8%左右，而夏季(如6月)該比例增加至3.37%. 所以在夏季保護(hù)眼睛免受紫外線的傷害顯得尤為重要. 合格的太陽眼鏡片基內(nèi)都會加有抗UV因子，以此吸收、反射紫外線輻射.

1.2 控制光通量

眼睛的瞳孔可以根據(jù)光線的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)大小，光線強(qiáng)時(shí)瞳孔縮小，光線暗時(shí)瞳孔擴(kuò)大，以達(dá)到保護(hù)視網(wǎng)膜細(xì)胞、視神經(jīng)的作用，這就如同相機(jī)鏡頭光圈的原理與作用. 當(dāng)人從強(qiáng)光環(huán)境中突然進(jìn)入相對較暗的環(huán)境時(shí)，眼睛的瞳孔尚處在縮小狀態(tài)，進(jìn)入視網(wǎng)膜的光線不足以使視神經(jīng)感受到光，因此，會有短暫的黑暗感，視神經(jīng)對光線的適應(yīng)需要一定的時(shí)間. 同理，當(dāng)人從黑暗中突然進(jìn)入強(qiáng)光中也會看不清東西. 在光線較強(qiáng)的夏季，僅依靠瞳孔的自我調(diào)節(jié)能力對人眼傷害較大，故需要依靠太陽眼鏡對光通量的調(diào)節(jié)作用來保護(hù)人眼.

光通量的計(jì)算公式為

F=ES,

(1)

其中，F(xiàn)為光通量，E為照度，S為被照面面積. 當(dāng)光線照度過高時(shí)，人眼通過調(diào)節(jié)瞳孔大小即被照面面積大小調(diào)節(jié)光通量，即

(2)

其中，E為光照度，I為光強(qiáng)，R為被照面與光源間距. 在R不變的情況下，E與I呈正比關(guān)系.

1.3 偏振特性

光是一種電磁波(橫波)，時(shí)諧平面波場強(qiáng)全表達(dá)式[2]為

E(x,t)=E0ei(k·x-ωt),

(3)

如果太陽眼鏡只是單純地降低光通量、減少光強(qiáng)，那么效果和黑夜降臨時(shí)類似，不僅是太陽光減弱了，周圍景物的可見度也降低了. 但是實(shí)際情況是：我們能明顯感到太陽光光強(qiáng)變?nèi)趿?，但周圍的景物仍然清晰可見，這就是太陽眼鏡的偏振作用.

偏振鏡片還可以消除生活中隨處可見的炫光現(xiàn)象. 炫光是向四面八方反射而影響視覺的光，它是由于光照射在凹凸不平的物體表面而引起的，常見于烈日下的海面與雨后初晴的樹林等. 而對于參加沖浪等海上運(yùn)動(dòng)的人來說，炫光可能會給他們帶來危險(xiǎn)，這時(shí)偏振太陽眼鏡就成為必需品. 因?yàn)槠耒R片可以周期性地消除特定振動(dòng)方向的偏振光，從而起到過濾炫光的效果.

2 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 驗(yàn)證太陽眼鏡吸收、反射紫外線的能力

2.1.1 定性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：普通紙幣、4副太陽眼鏡(如圖1所示)、365 nm紫外光源.

圖1 實(shí)驗(yàn)所用的4副太陽眼鏡

由于波長320～400 nm的UVA是自然光中紫外線的主要組成部分，所以選取了處于這個(gè)范圍中的具有代表性的365 nm紫外光源. 用紫外光源照射紙幣上的熒光標(biāo)識，可以看到清晰的圖像，如圖2所示. 這時(shí)分別用4副太陽眼鏡遮擋紫外光源后再照射熒光標(biāo)識，看不到任何圖像，如圖3所示. 由此可以定性說明4副太陽眼鏡都有吸收和反射紫外線的功能.

2.1.2 定量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：普通玻璃板、4副太陽眼鏡、365 nm紫外光源、紫外線強(qiáng)度測試儀(響應(yīng)頻譜290～390 nm).

由于玻璃對短波紫外線也具有吸收效果，所以選取1塊厚度與太陽眼鏡鏡片相當(dāng)?shù)钠胀úＡ?，分別測定4副太陽眼鏡和普通玻璃吸收與反射紫外線的能力.

圖2 不加太陽眼鏡用紫外光源照射熒光標(biāo)識

圖3 加太陽眼鏡用紫外光源照射熒光標(biāo)識

將紫外光源固定于暗室的實(shí)驗(yàn)桌上，紫外線強(qiáng)度測試儀置于其1 m遠(yuǎn)處，第1組實(shí)驗(yàn)加太陽眼鏡前后分別讀出測試儀讀數(shù)，第2組實(shí)驗(yàn)加普通玻璃前后分別讀出測試儀讀數(shù)，太陽眼鏡和普通玻璃均距離紫外線強(qiáng)度測試儀5 cm處. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如4所示.

(a)俯視圖

(b)正視圖圖4 紫外線強(qiáng)度定量測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～2所示. 由表2可以看出普通玻璃也具有吸收或者反射紫外線的功能，但是出射的紫外線強(qiáng)度平均約為83%. 由表1可以看出，加了4副太陽眼鏡后出射的紫外線強(qiáng)度都已不足10%，充分證明太陽眼鏡鏡片上的涂層(抗UV因子)起到了吸收或者反射紫外線的作用.

表1 太陽眼鏡吸收紫外線強(qiáng)度的測量

表2 玻璃板吸收紫外線強(qiáng)度的測量

2.2 驗(yàn)證太陽眼鏡可以降低光通量

實(shí)驗(yàn)器材：日光燈、100 mm和60 mm凸透鏡、光功率計(jì)、2號太陽眼鏡.

利用偏振度較小的日光燈模擬太陽作為光源，用光功率計(jì)來探測光強(qiáng). 猜想鏡片的顏色會對其光通量造成影響，考慮到每副眼鏡鏡片的材質(zhì)各不相同，涂層成分不同，相關(guān)參量尚未可知，所以僅選取了鏡片顏色從上至下由深變淺的2號眼鏡(圖5)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以保證除顏色深淺度外其他因素不變，隨后在鏡片上從上至下等距地測量10處的光強(qiáng)值.

先利用2個(gè)凸透鏡對日光燈光源進(jìn)行會聚，得到1束均勻的平行光. 將100 mm透鏡置于光具座上，用光屏找到成像位置，將此坐標(biāo)值加上60 mm即為60 mm透鏡的放置位置，使得通過第1個(gè)透鏡的像處在第2個(gè)透鏡的物方焦距上，從而得到平行光如圖6所示.

測量2號眼鏡鏡片不同位置透過的光強(qiáng)大小. 實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表3所示,表中l(wèi)為測量位置距鏡片上端的距離，平均光強(qiáng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖7所示.

圖5 2號眼鏡鏡片

圖6 光源會聚實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

l/cmIT/mW左右平均0.50.5970.5930.5951.00.5990.5960.5981.50.6030.5980.6012.00.6050.6010.6032.50.6080.6040.6063.00.6100.6070.6093.50.6130.6080.6114.00.6150.6110.6134.50.6170.6130.6155.00.6190.6150.617

圖7 光強(qiáng)隨所照鏡片位置的變化

由圖7可以看出，透過鏡片的光強(qiáng)大小隨距鏡片上端距離的增加而增加，說明鏡片的顏色越深，遮光效果越好.

2.3 鏡片偏振特性的探究

實(shí)驗(yàn)器材：日光燈、100 mm和60 mm凸透鏡、光功率計(jì)、4副太陽眼鏡、偏振片.

2.3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所用光源的偏振度為零

首先用與2.2同樣的方式會聚光束得到平行光，搭建如圖8所示裝置.

圖8 檢驗(yàn)光源偏振性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

旋轉(zhuǎn)偏振片，每旋轉(zhuǎn)20°記錄光強(qiáng)的數(shù)值，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)，并與它們的平均值作比較，得到圖像如圖9所示.

圖9 光源光強(qiáng)IT隨偏振片θ旋轉(zhuǎn)的改變

光強(qiáng)數(shù)據(jù)在平均值變動(dòng)幅度不超過0.004 mW，說明在旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中光強(qiáng)值幾乎不變. 將測得光強(qiáng)數(shù)值的最大與最小值代入偏振度計(jì)算公式[4]：

(4)

得到P=0.009，偏振度很小，所用日光燈光源不會影響后續(xù)眼鏡偏振特性的驗(yàn)證.

2.3.2 對4副太陽眼鏡的偏振性進(jìn)行研究

將4副太陽眼鏡分別插入實(shí)驗(yàn)示意圖中的第2個(gè)透鏡與偏振片之間，距離偏振片1 cm處，盡可能模擬人眼佩戴眼鏡時(shí)的情況. 旋轉(zhuǎn)偏振片并每隔20°記錄光強(qiáng)數(shù)值，將數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制如圖10所示.

圖10 4副太陽眼鏡的偏振性

由圖10可以看出1號眼鏡的曲線呈現(xiàn)明顯的正弦性，最大值與最小值相對于平均光強(qiáng)有明顯浮動(dòng)，而相比1號眼鏡，2，3和4號眼鏡的浮動(dòng)不明顯，將這4副眼鏡對應(yīng)的光強(qiáng)最大值與最小值之差與其平均光強(qiáng)相比較，如表4所示.

表4 透過4副太陽眼鏡后的光強(qiáng)變化幅度

從表4中同樣可以看出透過1號眼鏡的光在透過偏振片后的光強(qiáng)最大值與最小值之差相對平均光強(qiáng)的偏差最大，達(dá)到了12%，而其他3副眼鏡的偏差都只有2%～3%，可以認(rèn)為1號眼鏡鏡片的偏振性最強(qiáng)，使用的是偏振鏡片.

3 實(shí)驗(yàn)誤差與后期展望

3.1 實(shí)驗(yàn)誤差分析

1)實(shí)驗(yàn)中使用365 nm紫外光，雖然具有一定代表性，但是仍然不足以涵蓋290～400 nm的有害紫外線頻譜.

2)由于鏡片存在曲率，2.2實(shí)驗(yàn)中在2號鏡片從上至下等距取點(diǎn)時(shí)存在一定誤差.

3)由于沒有良好的固定儀器，所有實(shí)驗(yàn)中，采取了手持太陽眼鏡的方式，雖然盡可能還原眼鏡佩戴時(shí)的情況，但并非十分嚴(yán)謹(jǐn).

4)實(shí)驗(yàn)中所用4副太陽眼鏡不足以代表所有太陽眼鏡，也沒有顯著的分類特征.

3.2 后期展望

1)由于本文中實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室中完成，僅僅是對實(shí)際生活場景的模擬，后期計(jì)劃將在實(shí)際生活場景中(即太陽光光照下)驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對分析.

2)在光通量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，僅研究了顏色深度這一變量，后期將對不同的太陽眼鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究鏡片材質(zhì)、涂層成分、顏色種類等因素對光通量的影響.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及生活小技巧

1)4副太陽眼鏡抗紫外線強(qiáng)度超過90%. 在實(shí)際生活中，可以使用第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的定性的方法來驗(yàn)證太陽眼鏡吸收和反射紫外線的能力.

2)太陽眼鏡的光通量與其顏色有一定關(guān)系，一般來說，顏色越深，遮光能力越好. 鑒于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議在陽光直射較強(qiáng)的區(qū)域佩戴深色太陽眼鏡. 在日常生活中，應(yīng)結(jié)合個(gè)人美觀需要和實(shí)際生活地區(qū)太陽輻射量，合理選取顏色適合的太陽鏡.

3)在實(shí)驗(yàn)所用的4副眼鏡中，1號眼鏡的偏振性最強(qiáng). 繼續(xù)利用手機(jī)屏幕的偏振特性，我們配戴4副眼鏡分別觀察手機(jī)屏幕，并旋轉(zhuǎn)手機(jī)屏幕，發(fā)現(xiàn)透過1號眼鏡觀察屏幕時(shí)，屏幕上有明顯的彩色條紋，且旋轉(zhuǎn)手機(jī)時(shí)彩色條紋會改變形狀(見圖11)；而通過其他3副眼鏡觀察屏幕時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯現(xiàn)象(見圖12). 因此在購買偏振鏡片的太陽眼鏡時(shí)，可以用上述方法快速檢驗(yàn)試戴眼鏡的偏振特性.

圖11 1號眼鏡觀察到的屏幕

圖12 2,3和4號眼鏡觀察到的屏幕