鐘義暉

（廣東省計量科學(xué)研究院 東莞分院，廣東 東莞 523343）

引 言

較熱的氣體遇較冷的材料會產(chǎn)生液化現(xiàn)象，在材料表面凝結(jié)水霧。帶著眼鏡喝開水，或者進入溫暖的室內(nèi)時，鏡片上通常會凝結(jié)一層霧氣，阻擋視線，給生活帶來不便，甚至產(chǎn)生危險。防霧眼鏡應(yīng)運而生，目前普遍采用的方法是在鏡片上鍍一層親水物質(zhì)，得到穩(wěn)定均勻的防霧膜。防霧鏡片還廣泛用于游泳、滑雪、登山、潛水、醫(yī)護、勞保、科研生化、頭盔、宇航服、光學(xué)儀器儀表等，大部分眼鏡商場都有防霧鏡片銷售。而目前國內(nèi)尚無商用化的鏡片防霧功能測試設(shè)備，也沒有測試規(guī)程和方法，導(dǎo)致鏡片防霧功能測試處于空白狀態(tài)。

借鑒歐洲光學(xué)設(shè)備標準EN 168∶2002對防霧鏡片的測試方法要求，提出一種全自動防霧測試裝置的設(shè)計方案，為國內(nèi)防霧眼鏡標準的修訂和防霧眼鏡市場的規(guī)范提供測試依據(jù)。

1 鏡片防霧測試裝置測試規(guī)范

歐洲標準EN 168∶2002對鏡片防霧測試裝置規(guī)范如圖1所示，測試樣品8經(jīng)過預(yù)處理后擺放在水浴槽10上方的安置環(huán)2上，安置環(huán)內(nèi)有軟橡皮墊圈3以防水氣外泄。測試過程中環(huán)境溫度要求保持在23±5℃，水浴槽的溫度保持在50±0.5℃，水浴槽上方使用循環(huán)風(fēng)扇9使水浴槽上方為飽和的水蒸氣。初始化時用玻璃片蓋上測試口，在測試前循環(huán)風(fēng)扇關(guān)掉，測試樣品要求在測試口開放后2s內(nèi)放入。

激光光源4經(jīng)過透鏡、半透半反鏡5、測試樣品，經(jīng)反射鏡1反射后，再經(jīng)過測試樣品、半透半反鏡5，投射至光闌6、光接受器7，通過測試樣品起霧前后光通量的變化，計算散射光傳導(dǎo)率τ，τ與光通量的關(guān)系為：

式（1）中，Φb為測試樣在起霧前的光通量數(shù)值，Φu為測試物體在起霧后的光通量數(shù)值［1］。EN 168∶2002規(guī)定Φb為剛放入時的光通量值，Φu為樣品放入8s后的光通量。通過測量8s后光通量的變化可判定鏡片是否具有防霧功能。EN 168規(guī)定：如果8s后光傳導(dǎo)率τ2大于80%，則認為佩帶者在起霧狀態(tài)下能保持清晰的視線［2］，判定該產(chǎn)品具有防霧功能；反之，如果光傳導(dǎo)率τ2小于80%，則認為佩帶者在起霧狀態(tài)下不能保持清晰的視線，判定該產(chǎn)品不具有防霧功能。圖1為鏡片防霧測試裝置示意圖。

2 各組件規(guī)格及設(shè)計原理

圖2為鏡片防霧測試裝置實體圖，主要包括激光源，透鏡組，水浴槽，照度及相關(guān)固定支架和控制電路。下面將說明該裝置的設(shè)計原理及各項組件功能。

圖1 鏡片防霧測試裝置示意圖Fig.1 Schematic of the anti－fogging test system

圖2 防霧測試裝置實體圖Fig.2 Solid drawing of the anti－fogging test device

2.1 光學(xué)組件

2.1.1 激光光源及光束放大器

EN 168∶2002規(guī)范中規(guī)定光源需為激光光源，波長（600±70）nm。市售氦氖激光光源在規(guī)格上有四種波長，其波長分別為543nm（綠光）、594nm（黃光）、612nm（橘光）以及632nm（紅光）四種。圖2中9、10兩透鏡的目的是放大激光光束，將光束放大器外加在光束輸出口，可將光源輸出光束直徑放大20倍［3］。

2.1.2 光學(xué)元件選擇

測試裝置反射鏡選擇激光專用平面鏡，反射效果應(yīng)大于90%；反射鏡在水浴槽內(nèi)，所以勢必受到水蒸汽的影響，使得反射效果不佳［4］。設(shè)計使用電熱線，對反射鏡加熱，使其在水蒸氣的環(huán)境中，仍保有良好反射效果。

透鏡方面選擇雙凸聚焦鏡片，并依照EN 168∶2002要求，采用透鏡焦距為10mm、100mm、400mm的鏡片。

2.1.3 照度計

防霧測試裝置光接收器輸出結(jié)果用光通量表示，光通量可使用光度計測量，然而光度計價格較高。光通量值等于照度值乘以光照面積，因此用照度計配合面積固定的光闌以達到測試要求［5］。

2.2 水浴槽設(shè)計

EN 168∶2002要求水浴槽內(nèi)水面上方體積需超過4L，并有上蓋和水溫加熱器，水浴槽外部設(shè)一注水口進行起霧水源的補充。為保證測試結(jié)果的重復(fù)性，水源應(yīng)為純凈水。

EN 168∶2002要求水浴槽內(nèi)保持水溫50℃±0.5℃，上方循環(huán)空氣應(yīng)為飽和水蒸氣，并能提供測試樣品所需的穩(wěn)定的起霧條件。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏡片防霧測試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計包含光學(xué)透鏡組裝、光學(xué)測量組件、光學(xué)水平桌面以及反射鏡防霧設(shè)備等四項設(shè)計。

2.3.1 光學(xué)透鏡調(diào)節(jié)

起霧測試使用的光學(xué)透鏡在測試裝置臺上可以透過光學(xué)滑軌上下調(diào)整位置，因此光學(xué)滑軌必須被垂直地固定在特定位置。通過自行設(shè)計的組件搭配及固定光學(xué)滑軌的使用來解決。

2.3.2 光學(xué)測量組件

組件功能在于整合照度計感應(yīng)測頭、半透半反鏡及透鏡三個組件，三個組件能維持精準的水平度以確保測量的準確性，設(shè)計安裝高度配合采購的光學(xué)透鏡組件規(guī)格，并且輔以可調(diào)式分光鏡高度將三個組件作精準的水平光軸控制。

2.3.3 光學(xué)水平桌面設(shè)計

光學(xué)水平桌面用于提供光學(xué)組件水平安裝位置，以及對水浴槽裝置起外蓋的功能，用鋁合金光學(xué)水平板作為架構(gòu)。

2.3.4 反射鏡防霧設(shè)備

反射鏡位于水浴槽充滿水氣的環(huán)境下，因此會在鏡面上發(fā)生水珠凝結(jié)的現(xiàn)象，在測試一段時間后會影響測試數(shù)據(jù)，輔以加熱設(shè)備加熱鏡面來防止鏡面起霧。使用電熱線，對反射鏡加熱，使其在水蒸氣的環(huán)境中，仍保有良好反射效果。

2.4 自動化測試

測試裝置會受到測試人員汗水，體溫及其他環(huán)境因素所引起的起霧狀態(tài)的影響，為了增加測試的準確性，必須減少人為操作誤差，于是測試裝置將其電路設(shè)計成由電腦程序自動操作。使用AD／DA卡的A／I和D／O功能，加上電路和軟件設(shè)計完成自動化測試。

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計上由于需要控制激光電源及風(fēng)扇電源兩個組件，則在組件選擇上采用固態(tài)繼電器，利用零觸發(fā)的技術(shù)原理讓微機控制器能安全地運行，防止因機械開關(guān)瞬間造成跳火現(xiàn)象［6］，避免跳火現(xiàn)象影響微機控制器的穩(wěn)定運作。圖3為控制系統(tǒng)電路，包括微控制器U1，連接在U1的輸入端的清零開關(guān)、模擬輸出器J1及啟動按鈕SW0，連接在U1輸出端的固態(tài)繼電器SW1、SW2，固態(tài)繼電器SW1的輸出端與接口J2相連，接口J2與循環(huán)風(fēng)扇9相連，固態(tài)繼電器SW2的輸出端與接口J3相連，接口J3與激光源4相連。

圖3 控制系統(tǒng)電路Fig.3 Control system circuit

2.5 測試結(jié)果處理

首先打開加熱器電源將水槽內(nèi)的水加熱至50℃±0.5℃，等待水溫上升的過程中則將控制箱電源及照度計同時打開，微機控制系統(tǒng)啟動并先抓取環(huán)境信號10s（此時激光尚未自動開啟），待數(shù)值抓取完畢后屏幕顯示測試人員可將鏡片放在安置座上，屏幕顯示2s后激光自動開啟并開始等候100s使激光功率處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當測試人員按下測試鈕后則立刻開始采集初始照度值的平均值，采集過程（20s），信號采集頻率為2Hz／s。初始值采集完畢后風(fēng)扇自動關(guān)閉并開始正式抓取起霧照度值，測試8s后的照度值。若測試者需再測試不同的樣品，按下Restart按鈕即可回到系統(tǒng)初始狀態(tài)，重新進行測試。圖4為測試裝置測試結(jié)果處理流程。

圖4 測試結(jié)果處理流程Fig.4 Testing process flowchart

3 測 試

利用測試裝置對一些普通眼鏡片和多個防霧眼鏡進行測試。結(jié)果表明：普通眼鏡片都未能通過測試；疏水性防霧鏡片均能通過防霧測試要求，與其他測試方法測試結(jié)果相同；而吸水性防霧鏡片則不穩(wěn)定，光通量值跳動較大，重復(fù)性較差，無法進行測試。為測試其重復(fù)性，對其中一個普通眼鏡片和防霧眼鏡片進行重復(fù)測試。表1為這兩個鏡片5次測試數(shù)據(jù)，防霧鏡片起霧前后變化率均大于85%，說明鏡片具有良好的防霧能力.另外，測試數(shù)據(jù)中兩個鏡片的標準差均小于0.02，表明裝置有良好的重復(fù)性。

4 結(jié) 論

根據(jù)歐洲光學(xué)設(shè)備標準EN 168∶2002對防霧鏡片的測試方法要求，提出一種全自動防霧測試裝置的設(shè)計方案。測試裝置模擬測試人員汗水，體溫及其他環(huán)境因素所引起的起霧狀態(tài)環(huán)境，并將其電路配置設(shè)計成由電腦程序自動操作，配合自行編制的軟件，實現(xiàn)鏡片防霧功能的自動測量。裝置操作方便，數(shù)據(jù)直觀，為眼鏡生產(chǎn)中提高眼鏡質(zhì)量帶來幫助。

科學(xué)技術(shù)的進步推動眼鏡制造業(yè)的不斷變革和創(chuàng)新，鍍膜工藝的日漸成熟，研究防霧測試裝置具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。防霧測試裝置受到水槽中霧氣影響，每次測量時照度值有些變化，雖然從測量結(jié)果上看影響似乎不大，但為了實驗的精確度，下一步將對霧氣控制和測試穩(wěn)定性進行研究。

［1］TORGERSEN D，SHEEDY J，BULLIMORE M，et al.DIN EN 168－2002Personal eye－protection－non－optical test methods［S］.Brussels：CEN，2002.

［2］SHEEDY J，SCHANZ P，DZIUBAN R L，et al.DIN EN 166－2002Personal eye－protection－specifications［S］.Brussels：CEN，2002.

［3］DAIN S J，HOSKIN A K，WINDER C，et al.Assessment of fogging resistance of anti－fog personal eye protection［J］.Ophthalmic Physiol Opt，1999，19（4）：357－361.

［4］王少清，婁 濁，金衛(wèi)東，等.激光光散射系統(tǒng)的標定與測試［J］.光學(xué)儀器，2006，28（2）：7－11.

［5］屈恩世，張恒金，曹劍中，等.對光學(xué)設(shè)計中照度計算公式的討論［J］.光學(xué)學(xué)報，2008，28（7）：1364－1368.

［6］林 裕.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：中國勞動出版社，1997.