作为上班族,驾⻋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,⻓时间迎着阳光开⻋,容易出现各种眼部疾病,⽽强光使眼睛不适,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、雪或者前⻋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⻋⼀族的更优选择,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。
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,法国物理学家⻢吕斯(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、线偏振光、部分偏振光等。
我们⽣活中常⻅的光源属于⾃然光,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。
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;⽽其他⽅向的振动被吸收得较多,光通过得很少。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。⼀般情况下,实验室中⽤的偏振⽚为电⽓⽯晶体或者硫酸碘奎宁晶体。
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。
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⻆有关。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。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。以上就是偏光太阳镜防⽌眩光的基本原理。
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。
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。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。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。严格来说光线最暗和最亮时太阳镜的⻆度差是90°。
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。
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。当想要观测⽇⻝时,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。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。