光学原理在农作物害鸟防治中的应用

欧英雷

（广东工贸职业技术学院 电气自动化系，广东 广州510510）

1 引 言

自然光入射到非均匀介质的界面上，会发生反射、散射和色散现象．我们将利用光在金属界面上所发生的反射、散射和色散现象，并结合农业生产中经常出现的害鸟防治问题，研制了能驱赶害鸟的光学系统，依靠自然光与物质相互作用时的漫反射、散射和色散现象，仿真出鸟类的天敌，对害鸟的视觉系统造成影响，防止其对农作物的破坏作用，达到绿色农业、物理防治的目的．

2 理论依据

在光学性质不同或2种折射率不同的非均匀介质的界面上，无论太阳光是直射还是斜射，都会在各个方向上观察到反射光、散射光和色散光，或者是它们中的某种光．

2．1 反射光的测定

设入射光在分界面上的截面积为ΔAi，入射光能流密度为Si，入射角为θi，则入射光能流为

每秒入射到分界面的单位面积上的光能量为［1］

根据理论证明，入射光的平均能流密度为

所以

其中：ε0，μ0和n1均为介质常量，E0i为入射光的电矢量．

用同样的方法，可以推导出从分界面单位面积上每秒反射的能量为［2］

式中：θr为反射角，E0r为反射光的电矢量．反射率R为

我们希望反射光强尽可能大，从上述公式中可见，反射率R和3个因素有关：入射光的偏振态、入射角以及介质的折射率，这里不对这些影响反射率的因素做进一步的讨论．

对于不均匀界面，太阳光照射到各个细小部分的入射角不等，其反射光将射向各个方向，形成漫反射．一个完美的漫射体，或者称之为朗伯漫射体，在任何角度下均有相同的表观亮度，单位立体角内发出的辐射为I0cosθ1′，其中θ1′为辐射方向与表面法线的夹角，I0是面元在垂直方向的辐射强度．

2．2 散射光的测定

任何物质的表面不可能是完美的几何界面，由于分子的热运动，界面还在不断地变化．在入射的自然光波长范围内，界面上的任何凹凸部分都可认为是一个非常小的不规则“区域”，入射自然光的散射现象就是由于大量排列不规则的非均匀的小“区域”的集合造成的，这些非均匀小“区域”的线度一般比自然光波长小．对于每个小“区域”，散射会使入射光在原来传播方向上的光强度减弱，遵从指数规律［4］：

式中：αa是吸收系数，as是散射系数，两者之和α称为衰减系数，l为传播距离．上式表征光入射介质时因介质的散射和吸收的共同作用而使光强度减弱的程度．

2．3 色散光的测定

光学材料的折射率随波长的变化称之为色散．光学晶体的折射率在可见光范围内变化的幅度通常在1．45～1．90之间，色散的大小与所选定的波长范围有关，一般人眼的感光范围为0．4～0．76μm．在以人眼作为接收器的光学系统中，多选择 F 线 （λ＝0．486 1μm）和 C 线 （λ＝0．656 3μm）作为校正色差的范围，在这个范围之外，人眼的灵敏度是很低的．通常所说的色散就是指这个波长范围，用nF－nC或γ（阿贝数）表示［5］．

自然光入射到非均匀介质的界面上，介质表面部分是很“粗糙”的，凹凸不平的线度可以与自然光的波长相比拟．“粗糙”的界面就等同于微棱镜，光照射在这微棱镜上会发生色散，如果在介质表面上镀上1层或几层分光膜，也可使入射的光线发生分光．分光膜可以将投射到膜层的光束按照一定比例的光强度或光谱分布要求分成反射和透射2束光．常用的光强度分光膜是透射和反射相同的半透半反膜，其镀层材料多为金属铬．光谱分光膜却将投射到膜层上的光线中的某一部分波长的光反射，另一部分波长的光透射，形成特定的光谱分布［6］．

2．4 鸟类视觉系统的特性

鸟类主要靠视觉寻找食物，在感觉器官中以视觉最发达，听觉次之，嗅觉最为退化．鸟眼的相对大小，在脊椎动物中是占第一位的；视觉的敏锐程度，在脊椎动物中也是首屈一指的．鸟眼的视网膜上有2个中央凹，人类每只眼睛中只有1个中央凹；鸟眼中央凹的感光细胞每平方毫米多达100万个左右，而人眼仅约15万个．鸟眼比人眼敏锐，能够看清距离1 000 m以外的物体，视力比人类高出8倍．鸟类的眼内具有神奇的“双重调节”的能力，一是以睫状肌的收缩来改变水晶体的形状和水晶体与角膜间的距离；二是改变角膜的凸度．能在瞬间把“远视眼”调节为“近视眼”［7］．

鸟类视网膜上的感光细胞有2种，一种是锥状细胞，另一种是柱状细胞．白天活动的鸟类视网膜上的感光细胞主要是锥状细胞；夜间活动的鸟类主要是由柱状细胞组成．锥状细胞具有色觉感应，柱状细胞具有光强感应．而锥状细胞又主要对3种不同的波长的光有反应，它们分别是蓝光、绿光和红光．因此，鸟眼视网膜上的锥状细胞使它们能够分辨出色彩斑斓的物体，看清环境、食物或天敌．鸟类自身羽毛的结构色，又称物理色，是由于鸟类羽毛上有极薄的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构，使光波发生散射、衍射或干涉而产生的各种颜色，这是鸟类视觉能分辨到的颜色．

鸟类的眼睛长在头部的两侧，和人类的眼睛不同，它不能上下左右灵活地转动，这是由于它们的眼球实在太大的缘故，和头部的体积相比，人类的眼球约占1%的体积，而鸟类的眼球却占10%以上，周边的动眼肌也不发达．鸟类眼球的外围，还有1圈巩骨包围，也使得眼球转动不易．因此，对于来自不同方向的、频繁改变入射角度的光线，将感到无法适从．

3 实验分析

自然光在非均匀介质界面上发生反射、散射和色散现象，可以应用在农业生产的过程中，利用这些光学现象来驱赶害鸟对农作物的破坏作用．在对害鸟的防治方面，到目前为止还没有找到一套行之有效的防治方法．害鸟种类繁多，分布范围广，单是我国就有鸟类1 180种，占全世界鸟类种数的13%以上，是世界上拥有鸟类最多的国家．鸟类的主要食物是以粒料中未经加工的植物籽实为主，包括植物种子、瓜果类及青绿的菜叶等，因此，对害鸟的防治具有现实的意义．为此提出了3种利用镭射太阳光反射膜来仿真鸟类的天敌，达到防治害鸟的做法．

3．1 光学材料的选型

分别选取了3种对太阳光具有良好反射、散射和色散作用的薄膜，如图1～3所示，其厚度在10－5～10－4mm之间，宽度约为5～20 cm，正反两面均镀上凹凸不平的、非均匀的铝层、银层或其他金属膜层，这些金属镀膜对太阳光产生强烈的反射、散射和色散作用，在其表面将产生多种颜色的、有不规则图案的色散光．这种混合光线对鸟类的眼球将造成强烈的影响，其主要原因是白天活动的鸟类的感光细胞主要由锥状细胞组成，锥状细胞对蓝光、绿光和红光波长的光波敏感，鸟类自身羽毛的色彩也是由这些波长范围内的光波构成的．而从金属薄膜上反射出来的光波，却不在上述波长范围之内，不属于构成鸟类羽毛色彩的光波，这种超出鸟类视网膜正常感光范围的光线，往往会被鸟类误认为是来自自己天敌身上发出的光线，来自银白色、金色或镭射薄膜上的反射光线，与来自鸟类自身羽毛的蓝光、绿光和红光也是完全不同的，这就有效地干扰鸟类的视觉判断系统，使之错将从金属薄膜上反射回来的光波当作从天敌身上反射出的光线．因此，金属薄膜就具有了仿真鸟类天敌的功能，起到了借助鸟类“天敌”来驱赶害鸟的作用．

图1 银白色镀膜薄膜

图2 金色镀膜薄膜

图3 表面不均匀的镭射薄膜

3．2 光学器材的安装及使用方法

选取上述提到的3种金属镀膜薄膜中的任何一种，长度约为几m，根据需要防止害鸟的农作物和果树的高矮、形状来决定．将薄膜的一端系于植物体上，另一端处于自由状态，如图4所示．安装时，首先，应尽量使整个薄膜体都暴露在太阳光线的直接照射之下，让全天的太阳光都能直射到该薄膜上．第二，应将该薄膜安装在能被风吹到的地方，这样一来，在风力的作用下，长度为2 m，重量为10－2g的金属镀膜薄膜就会不停地摆动，这种摆动改变了入射光的入射角，使反射光的传播方向也发生了改变．还可以通过改变金属条带的宽度、厚度和长度，来改变其重量和受风力、受光照的面积，在风力不定时，使金属条带的摆动频率和摆动角度发生变化．金属条带的无规则摆动、飘动和扭动，增加了入射角度改变的频率，使反射光强发生了变化．从上述理论推导的公式中可以得知，反射光强由反射率来决定，而金属薄膜的反射率又与入射角有关，入射角的改变将造成反射光强的改变．根据鸟类视网膜上柱状细胞具有光强感应的特点，频率和强度均随时间发生变化的光线，将使鸟眼的晶状体做“多重”的调节，最终影响其视觉的判断能力．第三，该薄膜装置只在白天起作用，夜晚将失去应有的功能．害鸟是一种白天活动的鸟类，在夜晚几乎处于休息状态，不会对农作物造成危害，因此，这种光学装置对于防止害鸟在白天对农作物的破坏作用，具有独到之处．

图4 金属镀膜薄膜的安放

4 结束语

物理防治害鸟技术在绿色农业生产中具有举足轻重的作用，寻求安全、高效、环保、低碳的农业生产新技术是当前的一个发展方向．自然光在特殊光学材料界面上发生的现象，对自然界中大多数鸟类的视觉系统都构成重大影响，除了影响其眼球独特的“双重调节”功能外，还可以设计出不同的界面构造，使自然光色散出不同颜色、不同图案的图像来，利用这些特别图案来对鸟类造成威慑或恐吓的作用，将其赶走．当鸟眼观察到不利于自己的图像时，会受到严重的影响，因为鸟类是一种视觉反应能力极强的动物，在人类视觉系统看来无关紧要的改变，对鸟类视觉系统却会造成强烈的反应，人类视而不见的图景，在鸟类看来都是巨大的变化．

［1］ 欧英雷．强光对视力近视者的影响及其对策［J］．物理实验，2012，32（2）：32－33．

［2］ 欧英雷．光的偏振特性在机动车安全驾驶中的应用［J］．物理与工程，2011，21（6）：37．

［3］ 胡亚范，朱二旷，陈海良．测量棱镜色散规律的方法改进［J］．物理实验，2010，30（1）：29．

［4］ 姚启钧．光学教程［M］．3版．北京：高等教育出版社，2004：383．

［5］ 胡家升．光学工程导论［M］．2版．大连：大连理工大学出版社，2005：494．

［6］ 王峥，徐平，王文文，等．瑞利散射和米氏散射现象的实验演示［J］．物理实验，2010，30（7）：28．

［7］ 董润民，于微光．鸟的饲驯与玩赏［M］．上海：上海科学技术文献出版社，2001：30．