鏡片防霧功能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)＊

鐘義暉

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院 東莞分院，廣東 東莞 523343）

引 言

較熱的氣體遇較冷的材料會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，在材料表面凝結(jié)水霧。帶著眼鏡喝開(kāi)水，或者進(jìn)入溫暖的室內(nèi)時(shí)，鏡片上通常會(huì)凝結(jié)一層霧氣，阻擋視線，給生活帶來(lái)不便，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)。防霧眼鏡應(yīng)運(yùn)而生，目前普遍采用的方法是在鏡片上鍍一層親水物質(zhì)，得到穩(wěn)定均勻的防霧膜。防霧鏡片還廣泛用于游泳、滑雪、登山、潛水、醫(yī)護(hù)、勞保、科研生化、頭盔、宇航服、光學(xué)儀器儀表等，大部分眼鏡商場(chǎng)都有防霧鏡片銷售。而目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)商用化的鏡片防霧功能測(cè)試設(shè)備，也沒(méi)有測(cè)試規(guī)程和方法，導(dǎo)致鏡片防霧功能測(cè)試處于空白狀態(tài)。

借鑒歐洲光學(xué)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)EN 168∶2002對(duì)防霧鏡片的測(cè)試方法要求，提出一種全自動(dòng)防霧測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)方案，為國(guó)內(nèi)防霧眼鏡標(biāo)準(zhǔn)的修訂和防霧眼鏡市場(chǎng)的規(guī)范提供測(cè)試依據(jù)。

1 鏡片防霧測(cè)試裝置測(cè)試規(guī)范

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 168∶2002對(duì)鏡片防霧測(cè)試裝置規(guī)范如圖1所示，測(cè)試樣品8經(jīng)過(guò)預(yù)處理后擺放在水浴槽10上方的安置環(huán)2上，安置環(huán)內(nèi)有軟橡皮墊圈3以防水氣外泄。測(cè)試過(guò)程中環(huán)境溫度要求保持在23±5℃，水浴槽的溫度保持在50±0.5℃，水浴槽上方使用循環(huán)風(fēng)扇9使水浴槽上方為飽和的水蒸氣。初始化時(shí)用玻璃片蓋上測(cè)試口，在測(cè)試前循環(huán)風(fēng)扇關(guān)掉，測(cè)試樣品要求在測(cè)試口開(kāi)放后2s內(nèi)放入。

激光光源4經(jīng)過(guò)透鏡、半透半反鏡5、測(cè)試樣品，經(jīng)反射鏡1反射后，再經(jīng)過(guò)測(cè)試樣品、半透半反鏡5，投射至光闌6、光接受器7，通過(guò)測(cè)試樣品起霧前后光通量的變化，計(jì)算散射光傳導(dǎo)率τ，τ與光通量的關(guān)系為：

式（1）中，Φb為測(cè)試樣在起霧前的光通量數(shù)值，Φu為測(cè)試物體在起霧后的光通量數(shù)值［1］。EN 168∶2002規(guī)定Φb為剛放入時(shí)的光通量值，Φu為樣品放入8s后的光通量。通過(guò)測(cè)量8s后光通量的變化可判定鏡片是否具有防霧功能。EN 168規(guī)定：如果8s后光傳導(dǎo)率τ2大于80%，則認(rèn)為佩帶者在起霧狀態(tài)下能保持清晰的視線［2］，判定該產(chǎn)品具有防霧功能；反之，如果光傳導(dǎo)率τ2小于80%，則認(rèn)為佩帶者在起霧狀態(tài)下不能保持清晰的視線，判定該產(chǎn)品不具有防霧功能。圖1為鏡片防霧測(cè)試裝置示意圖。

2 各組件規(guī)格及設(shè)計(jì)原理

圖2為鏡片防霧測(cè)試裝置實(shí)體圖，主要包括激光源，透鏡組，水浴槽，照度及相關(guān)固定支架和控制電路。下面將說(shuō)明該裝置的設(shè)計(jì)原理及各項(xiàng)組件功能。

圖1 鏡片防霧測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic of the anti－fogging test system

圖2 防霧測(cè)試裝置實(shí)體圖Fig.2 Solid drawing of the anti－fogging test device

2.1 光學(xué)組件

2.1.1 激光光源及光束放大器

EN 168∶2002規(guī)范中規(guī)定光源需為激光光源，波長(zhǎng)（600±70）nm。市售氦氖激光光源在規(guī)格上有四種波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)分別為543nm（綠光）、594nm（黃光）、612nm（橘光）以及632nm（紅光）四種。圖2中9、10兩透鏡的目的是放大激光光束，將光束放大器外加在光束輸出口，可將光源輸出光束直徑放大20倍［3］。

2.1.2 光學(xué)元件選擇

測(cè)試裝置反射鏡選擇激光專用平面鏡，反射效果應(yīng)大于90%；反射鏡在水浴槽內(nèi)，所以勢(shì)必受到水蒸汽的影響，使得反射效果不佳［4］。設(shè)計(jì)使用電熱線，對(duì)反射鏡加熱，使其在水蒸氣的環(huán)境中，仍保有良好反射效果。

透鏡方面選擇雙凸聚焦鏡片，并依照EN 168∶2002要求，采用透鏡焦距為10mm、100mm、400mm的鏡片。

2.1.3 照度計(jì)

防霧測(cè)試裝置光接收器輸出結(jié)果用光通量表示，光通量可使用光度計(jì)測(cè)量，然而光度計(jì)價(jià)格較高。光通量值等于照度值乘以光照面積，因此用照度計(jì)配合面積固定的光闌以達(dá)到測(cè)試要求［5］。

2.2 水浴槽設(shè)計(jì)

EN 168∶2002要求水浴槽內(nèi)水面上方體積需超過(guò)4L，并有上蓋和水溫加熱器，水浴槽外部設(shè)一注水口進(jìn)行起霧水源的補(bǔ)充。為保證測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性，水源應(yīng)為純凈水。

EN 168∶2002要求水浴槽內(nèi)保持水溫50℃±0.5℃，上方循環(huán)空氣應(yīng)為飽和水蒸氣，并能提供測(cè)試樣品所需的穩(wěn)定的起霧條件。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏡片防霧測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含光學(xué)透鏡組裝、光學(xué)測(cè)量組件、光學(xué)水平桌面以及反射鏡防霧設(shè)備等四項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2.3.1 光學(xué)透鏡調(diào)節(jié)

起霧測(cè)試使用的光學(xué)透鏡在測(cè)試裝置臺(tái)上可以透過(guò)光學(xué)滑軌上下調(diào)整位置，因此光學(xué)滑軌必須被垂直地固定在特定位置。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的組件搭配及固定光學(xué)滑軌的使用來(lái)解決。

2.3.2 光學(xué)測(cè)量組件

組件功能在于整合照度計(jì)感應(yīng)測(cè)頭、半透半反鏡及透鏡三個(gè)組件，三個(gè)組件能維持精準(zhǔn)的水平度以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)安裝高度配合采購(gòu)的光學(xué)透鏡組件規(guī)格，并且輔以可調(diào)式分光鏡高度將三個(gè)組件作精準(zhǔn)的水平光軸控制。

2.3.3 光學(xué)水平桌面設(shè)計(jì)

光學(xué)水平桌面用于提供光學(xué)組件水平安裝位置，以及對(duì)水浴槽裝置起外蓋的功能，用鋁合金光學(xué)水平板作為架構(gòu)。

2.3.4 反射鏡防霧設(shè)備

反射鏡位于水浴槽充滿水氣的環(huán)境下，因此會(huì)在鏡面上發(fā)生水珠凝結(jié)的現(xiàn)象，在測(cè)試一段時(shí)間后會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)，輔以加熱設(shè)備加熱鏡面來(lái)防止鏡面起霧。使用電熱線，對(duì)反射鏡加熱，使其在水蒸氣的環(huán)境中，仍保有良好反射效果。

2.4 自動(dòng)化測(cè)試

測(cè)試裝置會(huì)受到測(cè)試人員汗水，體溫及其他環(huán)境因素所引起的起霧狀態(tài)的影響，為了增加測(cè)試的準(zhǔn)確性，必須減少人為操作誤差，于是測(cè)試裝置將其電路設(shè)計(jì)成由電腦程序自動(dòng)操作。使用AD／DA卡的A／I和D／O功能，加上電路和軟件設(shè)計(jì)完成自動(dòng)化測(cè)試。

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上由于需要控制激光電源及風(fēng)扇電源兩個(gè)組件，則在組件選擇上采用固態(tài)繼電器，利用零觸發(fā)的技術(shù)原理讓微機(jī)控制器能安全地運(yùn)行，防止因機(jī)械開(kāi)關(guān)瞬間造成跳火現(xiàn)象［6］，避免跳火現(xiàn)象影響微機(jī)控制器的穩(wěn)定運(yùn)作。圖3為控制系統(tǒng)電路，包括微控制器U1，連接在U1的輸入端的清零開(kāi)關(guān)、模擬輸出器J1及啟動(dòng)按鈕SW0，連接在U1輸出端的固態(tài)繼電器SW1、SW2，固態(tài)繼電器SW1的輸出端與接口J2相連，接口J2與循環(huán)風(fēng)扇9相連，固態(tài)繼電器SW2的輸出端與接口J3相連，接口J3與激光源4相連。

圖3 控制系統(tǒng)電路Fig.3 Control system circuit

2.5 測(cè)試結(jié)果處理

首先打開(kāi)加熱器電源將水槽內(nèi)的水加熱至50℃±0.5℃，等待水溫上升的過(guò)程中則將控制箱電源及照度計(jì)同時(shí)打開(kāi)，微機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)并先抓取環(huán)境信號(hào)10s（此時(shí)激光尚未自動(dòng)開(kāi)啟），待數(shù)值抓取完畢后屏幕顯示測(cè)試人員可將鏡片放在安置座上，屏幕顯示2s后激光自動(dòng)開(kāi)啟并開(kāi)始等候100s使激光功率處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)測(cè)試人員按下測(cè)試鈕后則立刻開(kāi)始采集初始照度值的平均值，采集過(guò)程（20s），信號(hào)采集頻率為2Hz／s。初始值采集完畢后風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉并開(kāi)始正式抓取起霧照度值，測(cè)試8s后的照度值。若測(cè)試者需再測(cè)試不同的樣品，按下Restart按鈕即可回到系統(tǒng)初始狀態(tài)，重新進(jìn)行測(cè)試。圖4為測(cè)試裝置測(cè)試結(jié)果處理流程。

圖4 測(cè)試結(jié)果處理流程Fig.4 Testing process flowchart

3 測(cè) 試

利用測(cè)試裝置對(duì)一些普通眼鏡片和多個(gè)防霧眼鏡進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：普通眼鏡片都未能通過(guò)測(cè)試；疏水性防霧鏡片均能通過(guò)防霧測(cè)試要求，與其他測(cè)試方法測(cè)試結(jié)果相同；而吸水性防霧鏡片則不穩(wěn)定，光通量值跳動(dòng)較大，重復(fù)性較差，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試。為測(cè)試其重復(fù)性，對(duì)其中一個(gè)普通眼鏡片和防霧眼鏡片進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。表1為這兩個(gè)鏡片5次測(cè)試數(shù)據(jù)，防霧鏡片起霧前后變化率均大于85%，說(shuō)明鏡片具有良好的防霧能力.另外，測(cè)試數(shù)據(jù)中兩個(gè)鏡片的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.02，表明裝置有良好的重復(fù)性。

4 結(jié) 論

根據(jù)歐洲光學(xué)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)EN 168∶2002對(duì)防霧鏡片的測(cè)試方法要求，提出一種全自動(dòng)防霧測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)方案。測(cè)試裝置模擬測(cè)試人員汗水，體溫及其他環(huán)境因素所引起的起霧狀態(tài)環(huán)境，并將其電路配置設(shè)計(jì)成由電腦程序自動(dòng)操作，配合自行編制的軟件，實(shí)現(xiàn)鏡片防霧功能的自動(dòng)測(cè)量。裝置操作方便，數(shù)據(jù)直觀，為眼鏡生產(chǎn)中提高眼鏡質(zhì)量帶來(lái)幫助。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)眼鏡制造業(yè)的不斷變革和創(chuàng)新，鍍膜工藝的日漸成熟，研究防霧測(cè)試裝置具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。防霧測(cè)試裝置受到水槽中霧氣影響，每次測(cè)量時(shí)照度值有些變化，雖然從測(cè)量結(jié)果上看影響似乎不大，但為了實(shí)驗(yàn)的精確度，下一步將對(duì)霧氣控制和測(cè)試穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

［1］TORGERSEN D，SHEEDY J，BULLIMORE M，et al.DIN EN 168－2002Personal eye－protection－non－optical test methods［S］.Brussels：CEN，2002.

［2］SHEEDY J，SCHANZ P，DZIUBAN R L，et al.DIN EN 166－2002Personal eye－protection－specifications［S］.Brussels：CEN，2002.

［3］DAIN S J，HOSKIN A K，WINDER C，et al.Assessment of fogging resistance of anti－fog personal eye protection［J］.Ophthalmic Physiol Opt，1999，19（4）：357－361.

［4］王少清，婁 濁，金衛(wèi)東，等.激光光散射系統(tǒng)的標(biāo)定與測(cè)試［J］.光學(xué)儀器，2006，28（2）：7－11.

［5］屈恩世，張恒金，曹劍中，等.對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)中照度計(jì)算公式的討論［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（7）：1364－1368.

［6］林 裕.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：中國(guó)勞動(dòng)出版社，1997.