太阳眼镜的性质及其工作原理的探究

缪昳闻，潘 瑾,尹亚玲，崔 璐

(华东师范大学 物理与电子科学学院，上海 200241)

太阳眼镜根据功能分类，镜片分为遮光镜片与偏振镜片，其中遮光镜片用于减弱光强即控制光通量，而偏振镜片可用于过滤炫光. 由此可见，抗紫外线能力、控制光通量能力与偏振特性是综合衡量太阳眼镜优劣的三大因素.

1 原理简介

鉴于紫外线会对人眼造成伤害、人眼的可调光通量有限以及炫光会影响视觉，设计了一系列实验来研究太阳眼镜镜片吸收、反射紫外线和控制光通量的作用以及偏振特性.

1.1 吸收、反射紫外线

1)波长320～400 nm(UVA)和波长275～320 nm(UVB)是太阳辐射到达地表最主要的紫外线，其中UVA约占90%，UVB约占10%[1]. 紫外线中UVA是导致白内障的元凶，UVB则可导致眼部癌变和眼角膜病变.

2)一年四季中，夏季紫外线辐射最强，冬季(如12月)晴朗天气时紫外线辐射量占太阳总辐射的0.8%左右，而夏季(如6月)该比例增加至3.37%. 所以在夏季保护眼睛免受紫外线的伤害显得尤为重要. 合格的太阳眼镜片基内都会加有抗UV因子，以此吸收、反射紫外线辐射.

1.2 控制光通量

眼睛的瞳孔可以根据光线的强弱调节大小，光线强时瞳孔缩小，光线暗时瞳孔扩大，以达到保护视网膜细胞、视神经的作用，这就如同相机镜头光圈的原理与作用. 当人从强光环境中突然进入相对较暗的环境时，眼睛的瞳孔尚处在缩小状态，进入视网膜的光线不足以使视神经感受到光，因此，会有短暂的黑暗感，视神经对光线的适应需要一定的时间. 同理，当人从黑暗中突然进入强光中也会看不清东西. 在光线较强的夏季，仅依靠瞳孔的自我调节能力对人眼伤害较大，故需要依靠太阳眼镜对光通量的调节作用来保护人眼.

光通量的计算公式为

F=ES,

(1)

其中，F为光通量，E为照度，S为被照面面积. 当光线照度过高时，人眼通过调节瞳孔大小即被照面面积大小调节光通量，即

(2)

其中，E为光照度，I为光强，R为被照面与光源间距. 在R不变的情况下，E与I呈正比关系.

1.3 偏振特性

光是一种电磁波(横波)，时谐平面波场强全表达式[2]为

E(x,t)=E0ei(k·x-ωt),

(3)

如果太阳眼镜只是单纯地降低光通量、减少光强，那么效果和黑夜降临时类似，不仅是太阳光减弱了，周围景物的可见度也降低了. 但是实际情况是：我们能明显感到太阳光光强变弱了，但周围的景物仍然清晰可见，这就是太阳眼镜的偏振作用.

偏振镜片还可以消除生活中随处可见的炫光现象. 炫光是向四面八方反射而影响视觉的光，它是由于光照射在凹凸不平的物体表面而引起的，常见于烈日下的海面与雨后初晴的树林等. 而对于参加冲浪等海上运动的人来说，炫光可能会给他们带来危险，这时偏振太阳眼镜就成为必需品. 因为偏振镜片可以周期性地消除特定振动方向的偏振光，从而起到过滤炫光的效果.

2 实验方法及数据分析

2.1 验证太阳眼镜吸收、反射紫外线的能力

2.1.1 定性实验

实验器材：普通纸币、4副太阳眼镜(如图1所示)、365 nm紫外光源.

图1 实验所用的4副太阳眼镜

由于波长320～400 nm的UVA是自然光中紫外线的主要组成部分，所以选取了处于这个范围中的具有代表性的365 nm紫外光源. 用紫外光源照射纸币上的荧光标识，可以看到清晰的图像，如图2所示. 这时分别用4副太阳眼镜遮挡紫外光源后再照射荧光标识，看不到任何图像，如图3所示. 由此可以定性说明4副太阳眼镜都有吸收和反射紫外线的功能.

2.1.2 定量实验

实验器材：普通玻璃板、4副太阳眼镜、365 nm紫外光源、紫外线强度测试仪(响应频谱290～390 nm).

由于玻璃对短波紫外线也具有吸收效果，所以选取1块厚度与太阳眼镜镜片相当的普通玻璃，分别测定4副太阳眼镜和普通玻璃吸收与反射紫外线的能力.

图2 不加太阳眼镜用紫外光源照射荧光标识

图3 加太阳眼镜用紫外光源照射荧光标识

将紫外光源固定于暗室的实验桌上，紫外线强度测试仪置于其1 m远处，第1组实验加太阳眼镜前后分别读出测试仪读数，第2组实验加普通玻璃前后分别读出测试仪读数，太阳眼镜和普通玻璃均距离紫外线强度测试仪5 cm处. 实验装置示意图如4所示.

(a)俯视图

(b)正视图图4 紫外线强度定量测试实验装置示意图

实验数据如表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线的功能，但是出射的紫外线强度平均约为83%. 由表1可以看出，加了4副太阳眼镜后出射的紫外线强度都已不足10%，充分证明太阳眼镜镜片上的涂层(抗UV因子)起到了吸收或者反射紫外线的作用.

表1 太阳眼镜吸收紫外线强度的测量

表2 玻璃板吸收紫外线强度的测量

2.2 验证太阳眼镜可以降低光通量

实验器材：日光灯、100 mm和60 mm凸透镜、光功率计、2号太阳眼镜.

利用偏振度较小的日光灯模拟太阳作为光源，用光功率计来探测光强. 猜想镜片的颜色会对其光通量造成影响，考虑到每副眼镜镜片的材质各不相同，涂层成分不同，相关参量尚未可知，所以仅选取了镜片颜色从上至下由深变浅的2号眼镜(图5)进行实验，以保证除颜色深浅度外其他因素不变，随后在镜片上从上至下等距地测量10处的光强值.

先利用2个凸透镜对日光灯光源进行会聚，得到1束均匀的平行光. 将100 mm透镜置于光具座上，用光屏找到成像位置，将此坐标值加上60 mm即为60 mm透镜的放置位置，使得通过第1个透镜的像处在第2个透镜的物方焦距上，从而得到平行光如图6所示.

测量2号眼镜镜片不同位置透过的光强大小. 实验测量数据如表3所示,表中l为测量位置距镜片上端的距离，平均光强数据点分布如图7所示.

图5 2号眼镜镜片

图6 光源会聚实验装置示意图

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

图7 光强随所照镜片位置的变化

由图7可以看出，透过镜片的光强大小随距镜片上端距离的增加而增加，说明镜片的颜色越深，遮光效果越好.

2.3 镜片偏振特性的探究

实验器材：日光灯、100 mm和60 mm凸透镜、光功率计、4副太阳眼镜、偏振片.

2.3.1 验证实验所用光源的偏振度为零

首先用与2.2同样的方式会聚光束得到平行光，搭建如图8所示装置.

图8 检验光源偏振性实验装置示意图

旋转偏振片，每旋转20°记录光强的数值，将得到的数据进行描点，并与它们的平均值作比较，得到图像如图9所示.

图9 光源光强IT随偏振片θ旋转的改变

光强数据在平均值变动幅度不超过0.004 mW，说明在旋转偏振片的过程中光强值几乎不变. 将测得光强数值的最大与最小值代入偏振度计算公式[4]：

(4)

得到P=0.009，偏振度很小，所用日光灯光源不会影响后续眼镜偏振特性的验证.

2.3.2 对4副太阳眼镜的偏振性进行研究

将4副太阳眼镜分别插入实验示意图中的第2个透镜与偏振片之间，距离偏振片1 cm处，尽可能模拟人眼佩戴眼镜时的情况. 旋转偏振片并每隔20°记录光强数值，将数据点绘制如图10所示.

图10 4副太阳眼镜的偏振性

由图10可以看出1号眼镜的曲线呈现明显的正弦性，最大值与最小值相对于平均光强有明显浮动，而相比1号眼镜，2，3和4号眼镜的浮动不明显，将这4副眼镜对应的光强最大值与最小值之差与其平均光强相比较，如表4所示.

表4 透过4副太阳眼镜后的光强变化幅度

从表4中同样可以看出透过1号眼镜的光在透过偏振片后的光强最大值与最小值之差相对平均光强的偏差最大，达到了12%，而其他3副眼镜的偏差都只有2%～3%，可以认为1号眼镜镜片的偏振性最强，使用的是偏振镜片.

3 实验误差与后期展望

3.1 实验误差分析

1)实验中使用365 nm紫外光，虽然具有一定代表性，但是仍然不足以涵盖290～400 nm的有害紫外线频谱.

2)由于镜片存在曲率，2.2实验中在2号镜片从上至下等距取点时存在一定误差.

3)由于没有良好的固定仪器，所有实验中，采取了手持太阳眼镜的方式，虽然尽可能还原眼镜佩戴时的情况，但并非十分严谨.

4)实验中所用4副太阳眼镜不足以代表所有太阳眼镜，也没有显著的分类特征.

3.2 后期展望

1)由于本文中实验均在实验室中完成，仅仅是对实际生活场景的模拟，后期计划将在实际生活场景中(即太阳光光照下)验证本实验，并将实验结果进行比对分析.

2)在光通量的相关实验中，仅研究了颜色深度这一变量，后期将对不同的太阳眼镜进行实验，探究镜片材质、涂层成分、颜色种类等因素对光通量的影响.

4 实验结论及生活小技巧

1)4副太阳眼镜抗紫外线强度超过90%. 在实际生活中，可以使用第一个实验中的定性的方法来验证太阳眼镜吸收和反射紫外线的能力.

2)太阳眼镜的光通量与其颜色有一定关系，一般来说，颜色越深，遮光能力越好. 鉴于实验结果，建议在阳光直射较强的区域佩戴深色太阳眼镜. 在日常生活中，应结合个人美观需要和实际生活地区太阳辐射量，合理选取颜色适合的太阳镜.

3)在实验所用的4副眼镜中，1号眼镜的偏振性最强. 继续利用手机屏幕的偏振特性，我们配戴4副眼镜分别观察手机屏幕，并旋转手机屏幕，发现透过1号眼镜观察屏幕时，屏幕上有明显的彩色条纹，且旋转手机时彩色条纹会改变形状(见图11)；而通过其他3副眼镜观察屏幕时，并没有发现明显现象(见图12). 因此在购买偏振镜片的太阳眼镜时，可以用上述方法快速检验试戴眼镜的偏振特性.

图11 1号眼镜观察到的屏幕

图12 2,3和4号眼镜观察到的屏幕