太陽眼鏡的性質(zhì)及其工作原理的探究

繆昳聞，潘 瑾,尹亞玲，崔 璐

(華東師范大學 物理與電子科學學院，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，設計了一系列實驗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是導致白內(nèi)障的元兇，UVB則可導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，冬季(如12月)晴朗天氣時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)光線的強弱調(diào)節(jié)大小，光線強時瞳孔縮小，光線暗時瞳孔擴大，以達到保護視網(wǎng)膜細胞、視神經(jīng)的作用，這就如同相機鏡頭光圈的原理與作用. 當人從強光環(huán)境中突然進入相對較暗的環(huán)境時，眼睛的瞳孔尚處在縮小狀態(tài)，進入視網(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)對光線的適應需要一定的時間. 同理，當人從黑暗中突然進入強光中也會看不清東西. 在光線較強的夏季，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)作用來保護人眼.

光通量的計算公式為

F=ES,

(1)

其中，F(xiàn)為光通量，E為照度，S為被照面面積. 當光線照度過高時，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，R為被照面與光源間距. 在R不變的情況下，E與I呈正比關系.

1.3 偏振特性

光是一種電磁波(橫波)，時諧平面波場強全表達式[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，那么效果和黑夜降臨時類似，不僅是太陽光減弱了，周圍景物的可見度也降低了. 但是實際情況是：我們能明顯感到太陽光光強變?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動的人來說，炫光可能會給他們帶來危險，這時偏振太陽眼鏡就成為必需品. 因為偏振鏡片可以周期性地消除特定振動方向的偏振光，從而起到過濾炫光的效果.

2 實驗方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 驗證太陽眼鏡吸收、反射紫外線的能力

2.1.1 定性實驗

實驗器材：普通紙幣、4副太陽眼鏡(如圖1所示)、365 nm紫外光源.

圖1 實驗所用的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識，可以看到清晰的圖像，如圖2所示. 這時分別用4副太陽眼鏡遮擋紫外光源后再照射熒光標識，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 定量實驗

實驗器材：普通玻璃板、4副太陽眼鏡、365 nm紫外光源、紫外線強度測試儀(響應頻譜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?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識

圖3 加太陽眼鏡用紫外光源照射熒光標識

將紫外光源固定于暗室的實驗桌上，紫外線強度測試儀置于其1 m遠處，第1組實驗加太陽眼鏡前后分別讀出測試儀讀數(shù)，第2組實驗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度測試儀5 cm處. 實驗裝置示意圖如4所示.

(a)俯視圖

(b)正視圖圖4 紫外線強度定量測試實驗裝置示意圖

實驗數(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度的測量

表2 玻璃板吸收紫外線強度的測量

2.2 驗證太陽眼鏡可以降低光通量

實驗器材：日光燈、100 mm和60 mm凸透鏡、光功率計、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，用光功率計來探測光強. 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)進行實驗，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處的光強值.

先利用2個凸透鏡對日光燈光源進行會聚，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，將此坐標值加上60 mm即為60 mm透鏡的放置位置，使得通過第1個透鏡的像處在第2個透鏡的物方焦距上，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大小. 實驗測量數(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，平均光強數(shù)據(jù)點分布如圖7所示.

圖5 2號眼鏡鏡片

圖6 光源會聚實驗裝置示意圖

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 光強隨所照鏡片位置的變化

由圖7可以看出，透過鏡片的光強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

實驗器材：日光燈、100 mm和60 mm凸透鏡、光功率計、4副太陽眼鏡、偏振片.

2.3.1 驗證實驗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 檢驗光源偏振性實驗裝置示意圖

旋轉(zhuǎn)偏振片，每旋轉(zhuǎn)20°記錄光強的數(shù)值，將得到的數(shù)據(jù)進行描點，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IT隨偏振片θ旋轉(zhuǎn)的改變

光強數(shù)據(jù)在平均值變動幅度不超過0.004 mW，說明在旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中光強值幾乎不變. 將測得光強數(shù)值的最大與最小值代入偏振度計算公式[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)眼鏡偏振特性的驗證.

2.3.2 對4副太陽眼鏡的偏振性進行研究

將4副太陽眼鏡分別插入實驗示意圖中的第2個透鏡與偏振片之間，距離偏振片1 cm處，盡可能模擬人眼佩戴眼鏡時的情況. 旋轉(zhuǎn)偏振片并每隔20°記錄光強數(shù)值，將數(shù)據(jù)點繪制如圖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有明顯浮動，而相比1號眼鏡，2，3和4號眼鏡的浮動不明顯，將這4副眼鏡對應的光強最大值與最小值之差與其平均光強相比較，如表4所示.

表4 透過4副太陽眼鏡后的光強變化幅度

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最大值與最小值之差相對平均光強的偏差最大，達到了12%，而其他3副眼鏡的偏差都只有2%～3%，可以認為1號眼鏡鏡片的偏振性最強，使用的是偏振鏡片.

3 實驗誤差與后期展望

3.1 實驗誤差分析

1)實驗中使用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實驗中在2號鏡片從上至下等距取點時存在一定誤差.

3)由于沒有良好的固定儀器，所有實驗中，采取了手持太陽眼鏡的方式，雖然盡可能還原眼鏡佩戴時的情況，但并非十分嚴謹.

4)實驗中所用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)由于本文中實驗均在實驗室中完成，僅僅是對實際生活場景的模擬，后期計劃將在實際生活場景中(即太陽光光照下)驗證本實驗，并將實驗結果進行比對分析.

2)在光通量的相關實驗中，僅研究了顏色深度這一變量，后期將對不同的太陽眼鏡進行實驗，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 實驗結論及生活小技巧

1)4副太陽眼鏡抗紫外線強度超過90%. 在實際生活中，可以使用第一個實驗中的定性的方法來驗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系，一般來說，顏色越深，遮光能力越好. 鑒于實驗結果，建議在陽光直射較強的區(qū)域佩戴深色太陽眼鏡. 在日常生活中，應結合個人美觀需要和實際生活地區(qū)太陽輻射量，合理選取顏色適合的太陽鏡.

3)在實驗所用的4副眼鏡中，1號眼鏡的偏振性最強. 繼續(xù)利用手機屏幕的偏振特性，我們配戴4副眼鏡分別觀察手機屏幕，并旋轉(zhuǎn)手機屏幕，發(fā)現(xiàn)透過1號眼鏡觀察屏幕時，屏幕上有明顯的彩色條紋，且旋轉(zhuǎn)手機時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，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，可以用上述方法快速檢驗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