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为什么这种太阳镜可以防眩光?文章来源:科普中国 发布时间:2022-09-28

作为上班族,驾车是我们常用的出行方式。白天,太阳光强烈,很多人会选择用遮阳板去遮挡阳光,不仅弄来弄去很麻烦,还会挡住视线,但不挡又不行,长时间迎着阳光开车,容易出现各种眼部疾病,而且强光使眼睛不适,还可能造成危险驾驶。

所以,“太阳镜”成为了司机的“必备神器”,然而,普通太阳镜可以防护紫外线和蓝光,对眩光却无可奈何。从道路、水、雪或者前车玻璃等水平表面反射的光会产生眩光,照射到司机眼里严重影响视线,而短暂视野盲区容易引发交通事故。

于是,偏光太阳镜就成为了驾车一族的更优选择,可以有效地减少眩光。但是,有一种情景需要特别强调:在光线不足的情况下,比如晚上,尤其是在驾驶时,佩戴任何类型的太阳镜都会使光线进一步变弱,影响视野,所以不建议晚上佩戴。

之前讲到偏光太阳镜比普通太阳镜更神奇?这是为什么?今天就让我们共同探索偏光太阳镜的秘密。

从字面上看,偏光太阳镜和普通太阳镜的区别主要体现在 “偏光”二字,这简单的两个字背后隐藏着什么玄机呢?要想弄清楚偏光太阳镜的秘密,我们需要先来认识偏光太阳镜的核心结构——偏振片。

一、偏光太阳镜的核心结构

——偏振片[1]

现代光学理论告诉我们,光是一种电磁波。既然是波,那光是横波还是纵波呢

1809 年,法国物理学家马吕斯(Etienne Louis Malus)发现了光的偏振现象,证明了光是一种横波,这表明光波电矢量的振动方向与光的传播方向垂直。在与传播方向垂直的二维空间里的电矢量有各式各样的振动状态,称之为光的偏振态或者偏振结构。

根据光波电矢量大小和方向的变化规律,可以将光分为自然光(图2a)、线偏振光(图2b)、部分偏振光(图2c)等。我们生活中常见的光源属于自然光,例如太阳光、灯光等,发出光线的振动方向杂乱无章,宏观看起来包含了沿所有方向的振动,经由界面反射会转换成线偏振光或部分偏振光。线偏振光振动方向通常都非常固定,只包含单一振动方向,部分偏振光则是介于自然光和线偏振光之间的光,不同方向上的振动强度不同。了解了光的不同状态之后,我们就可以应用这一理论分析偏光太阳镜发挥作用的具体过程了。

 

图片来源:王晓杰

光的横波特性与机械波中的横波特性类似,我们可以利用机械波模拟光的偏振现象。偏光太阳镜之所以能过滤眩光,是因为偏光太阳镜只在某个特定的方向上对光吸收较少,光可以较多地通过(图3a);而其他方向的振动被吸收得较多,光通过得很少(图3b)。这一性质被称作二向色性,具有二向色性的光学元器件被称为偏振片,其中能透过光的振动方向称为透振方向。

 

图3:利用机械波模拟光的偏振现象(a)波的振动方向与狭缝平行;(b)波的振动方向与狭缝垂直。图片来源:王晓杰

一般情况下,实验室中用的偏振片为电气石晶体或者硫酸殿奎宁晶体。偏光太阳镜一般具有一定的柔性,因此其偏光层的材质多是将聚乙烯醇( PVA )拉伸膜和醋酸纤维素膜( TAC )经多次复合、拉伸、涂布等工艺制成的一种复合材料。

二、偏光太阳镜阻挡眩光的原理

眩光往往是太阳光在地面反射形成的,因此我们需要先弄清楚反射光的偏振态。一般来说,光在界面上的行为分为反射和折射,能量在它们之间的分配比例与入射角有关。作为一种波动,光在界面上的行为除了能量分配以外,还应考虑光的偏振态变化等问题。

自然光可以表示成垂直于纸面和沿纸面的振动分布,分别用 s 和 p 表示。s 和 p 分别取自德文 senkrecht (垂直)和 parallel (平行)两字的字头。根据电磁理论可以推导出,自然光经界面反射后,沿纸面的振动分量( p 分量)会变弱,因此自然光就变成了部分偏振光(图4)。

 

图4:自然光反射和折射后振动的分布。其中,圆点表示振动方向垂直于纸面,即s分量,橙色线段表示振动方向沿纸面,即p分量。图片来源:王晓杰

知道了上面的原理,我们看一下偏光太阳镜是如何阻挡眩光的

当阳光照射在路面上发生反射时,反射光的光振动以 s 分量为主,即平行于路面振动分量较强,而垂直于路面振动分量较弱。要遮住反射光应阻挡偏振方向平行于路面的光线。因此,偏光镜的透振方向应为竖直方向,这样反射的光大部分就会被过滤掉,从而减弱眩光(图5)。以上就是偏光太阳镜防止眩光的基本原理。

 

三、判断偏光太阳镜的效果

那么,如何判断我们的太阳镜是不是偏光太阳镜呢

根据上面的介绍,我们知道当自然光通过偏振片时,只剩下沿偏振片透振方向的分量(图6)。

 

如果将两个偏振片沿其透振方向平行放置,光线经过第一个偏振片后,仍可以顺利通过第二个偏振片,因此,偏振片看上去还是透明的,只是光强稍弱一些(图7a)。如果将第二个偏振片旋转 90° ,光线经过第一个偏振片后,就无法通过第二个偏振片,看上去将是漆黑一片(图7b)。利用这个原理我们就可以判断偏光太阳镜是不是偏光镜了。

 

如果手边没有偏振片,我们可以利用液晶显示屏( Liquid Crystal Display,LCD )。液晶显示屏利用液晶与偏振器结合的光调制特性来控制显示屏的亮暗,因此液晶屏发出的光是偏振光。我们可以拿太阳镜放在眼睛前方观察液晶屏幕,同时转动太阳镜。如果能观察到光线发生亮→暗→亮→暗的变化,那么这幅太阳镜就是偏光太阳镜(图8)。严格来说光线最暗和最亮时太阳镜的角度差是 90° (图7)。

 

进一步地,我们还可以利用 LCD 判断偏光太阳镜的质量。我们把最暗和最亮状态下的光强比称之为消光比。消光比是衡量偏振器件质量的重要参数。消光比愈小,偏振器件产生的偏振光的偏振度高。一般人造偏振片的消光比约为 1:1000 。

从上面的介绍可以知道,偏光太阳镜因增加了偏振片层(偏光层),可有效减弱因反射等各种因素所造成的眩光。同时,偏光太阳镜中往往还会增加紫外线过滤层、吸收层等,可以在一定程度上阻隔有害的紫外光线,达到对人眼的有效保护。普通太阳眼镜只具有减弱光强的作用,无法有效阻隔眩光等有害光线。

四、偏振片的其他应用[2]

偏光镜除了用作偏光太阳镜以外,在生活中还有很多其他应用。例如,对于摄影爱好者来说,偏光镜是再熟悉不过的工具之一。拍摄水面或者玻璃房间内的景物时,往往由于光线在水面或者玻璃上的反射,产生很强的反光,影响拍摄质量。此时,在镜头前面加一个偏光镜阻挡反射光,能使人清楚地观测水里或玻璃后面的景物(图9)。

 

当想要观测日食时,为了保护眼睛免于太阳光的伤害,使用双层偏振片制成的眼镜可以降低阳光的强度,这样就可以进行观测了。此外,我们平时观看的 3D 电影,也是利用了光的偏振特性。拍摄 3D 电影时,需要用两个摄影机同时拍下同一物体的两个画面,再分别对两个画面进行偏振化处理。利用偏振片做成的 3D 眼镜,其透振方向相互垂直(图10)。观看电影时,每个镜片只允许偏振方向与其透振方向相同的画面进入人眼,两只眼睛看到的画面不同,从而形成立体化的影像。

看完上面的介绍,大家还能想到生活中哪些现象是利用了光的偏振原理?

参考资料:

[1].赵凯华. 新概念物理教程 光学[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

[2].宋峰. 文科物理-生活中的物理学[M]. 北京:科学出版社, 2013.

作者|王晓杰 南开大学物理科学学院,南开大学物理科普基地

审核高 辉 华中科技大学

来源:中国光学

本文封面图片及文内图片来自版权图库