镜片防雾功能测试装置设计＊

钟义晖

（广东省计量科学研究院 东莞分院，广东 东莞 523343）

引 言

较热的气体遇较冷的材料会产生液化现象，在材料表面凝结水雾。带着眼镜喝开水，或者进入温暖的室内时，镜片上通常会凝结一层雾气，阻挡视线，给生活带来不便，甚至产生危险。防雾眼镜应运而生，目前普遍采用的方法是在镜片上镀一层亲水物质，得到稳定均匀的防雾膜。防雾镜片还广泛用于游泳、滑雪、登山、潜水、医护、劳保、科研生化、头盔、宇航服、光学仪器仪表等，大部分眼镜商场都有防雾镜片销售。而目前国内尚无商用化的镜片防雾功能测试设备，也没有测试规程和方法，导致镜片防雾功能测试处于空白状态。

借鉴欧洲光学设备标准EN 168∶2002对防雾镜片的测试方法要求，提出一种全自动防雾测试装置的设计方案，为国内防雾眼镜标准的修订和防雾眼镜市场的规范提供测试依据。

1 镜片防雾测试装置测试规范

欧洲标准EN 168∶2002对镜片防雾测试装置规范如图1所示，测试样品8经过预处理后摆放在水浴槽10上方的安置环2上，安置环内有软橡皮垫圈3以防水气外泄。测试过程中环境温度要求保持在23±5℃，水浴槽的温度保持在50±0.5℃，水浴槽上方使用循环风扇9使水浴槽上方为饱和的水蒸气。初始化时用玻璃片盖上测试口，在测试前循环风扇关掉，测试样品要求在测试口开放后2s内放入。

激光光源4经过透镜、半透半反镜5、测试样品，经反射镜1反射后，再经过测试样品、半透半反镜5，投射至光阑6、光接受器7，通过测试样品起雾前后光通量的变化，计算散射光传导率τ，τ与光通量的关系为：

式（1）中，Φb为测试样在起雾前的光通量数值，Φu为测试物体在起雾后的光通量数值［1］。EN 168∶2002规定Φb为刚放入时的光通量值，Φu为样品放入8s后的光通量。通过测量8s后光通量的变化可判定镜片是否具有防雾功能。EN 168规定：如果8s后光传导率τ2大于80%，则认为佩带者在起雾状态下能保持清晰的视线［2］，判定该产品具有防雾功能；反之，如果光传导率τ2小于80%，则认为佩带者在起雾状态下不能保持清晰的视线，判定该产品不具有防雾功能。图1为镜片防雾测试装置示意图。

2 各组件规格及设计原理

图2为镜片防雾测试装置实体图，主要包括激光源，透镜组，水浴槽，照度及相关固定支架和控制电路。下面将说明该装置的设计原理及各项组件功能。

图1 镜片防雾测试装置示意图Fig.1 Schematic of the anti－fogging test system

图2 防雾测试装置实体图Fig.2 Solid drawing of the anti－fogging test device

2.1 光学组件

2.1.1 激光光源及光束放大器

EN 168∶2002规范中规定光源需为激光光源，波长（600±70）nm。市售氦氖激光光源在规格上有四种波长，其波长分别为543nm（绿光）、594nm（黄光）、612nm（橘光）以及632nm（红光）四种。图2中9、10两透镜的目的是放大激光光束，将光束放大器外加在光束输出口，可将光源输出光束直径放大20倍［3］。

2.1.2 光学元件选择

测试装置反射镜选择激光专用平面镜，反射效果应大于90%；反射镜在水浴槽内，所以势必受到水蒸汽的影响，使得反射效果不佳［4］。设计使用电热线，对反射镜加热，使其在水蒸气的环境中，仍保有良好反射效果。

透镜方面选择双凸聚焦镜片，并依照EN 168∶2002要求，采用透镜焦距为10mm、100mm、400mm的镜片。

2.1.3 照度计

防雾测试装置光接收器输出结果用光通量表示，光通量可使用光度计测量，然而光度计价格较高。光通量值等于照度值乘以光照面积，因此用照度计配合面积固定的光阑以达到测试要求［5］。

2.2 水浴槽设计

EN 168∶2002要求水浴槽内水面上方体积需超过4L，并有上盖和水温加热器，水浴槽外部设一注水口进行起雾水源的补充。为保证测试结果的重复性，水源应为纯净水。

EN 168∶2002要求水浴槽内保持水温50℃±0.5℃，上方循环空气应为饱和水蒸气，并能提供测试样品所需的稳定的起雾条件。

2.3 结构设计

镜片防雾测试装置结构设计包含光学透镜组装、光学测量组件、光学水平桌面以及反射镜防雾设备等四项设计。

2.3.1 光学透镜调节

起雾测试使用的光学透镜在测试装置台上可以透过光学滑轨上下调整位置，因此光学滑轨必须被垂直地固定在特定位置。通过自行设计的组件搭配及固定光学滑轨的使用来解决。

2.3.2 光学测量组件

组件功能在于整合照度计感应测头、半透半反镜及透镜三个组件，三个组件能维持精准的水平度以确保测量的准确性，设计安装高度配合采购的光学透镜组件规格，并且辅以可调式分光镜高度将三个组件作精准的水平光轴控制。

2.3.3 光学水平桌面设计

光学水平桌面用于提供光学组件水平安装位置，以及对水浴槽装置起外盖的功能，用铝合金光学水平板作为架构。

2.3.4 反射镜防雾设备

反射镜位于水浴槽充满水气的环境下，因此会在镜面上发生水珠凝结的现象，在测试一段时间后会影响测试数据，辅以加热设备加热镜面来防止镜面起雾。使用电热线，对反射镜加热，使其在水蒸气的环境中，仍保有良好反射效果。

2.4 自动化测试

测试装置会受到测试人员汗水，体温及其他环境因素所引起的起雾状态的影响，为了增加测试的准确性，必须减少人为操作误差，于是测试装置将其电路设计成由电脑程序自动操作。使用AD／DA卡的A／I和D／O功能，加上电路和软件设计完成自动化测试。

在控制系统硬件设计上由于需要控制激光电源及风扇电源两个组件，则在组件选择上采用固态继电器，利用零触发的技术原理让微机控制器能安全地运行，防止因机械开关瞬间造成跳火现象［6］，避免跳火现象影响微机控制器的稳定运作。图3为控制系统电路，包括微控制器U1，连接在U1的输入端的清零开关、模拟输出器J1及启动按钮SW0，连接在U1输出端的固态继电器SW1、SW2，固态继电器SW1的输出端与接口J2相连，接口J2与循环风扇9相连，固态继电器SW2的输出端与接口J3相连，接口J3与激光源4相连。

图3 控制系统电路Fig.3 Control system circuit

2.5 测试结果处理

首先打开加热器电源将水槽内的水加热至50℃±0.5℃，等待水温上升的过程中则将控制箱电源及照度计同时打开，微机控制系统启动并先抓取环境信号10s（此时激光尚未自动开启），待数值抓取完毕后屏幕显示测试人员可将镜片放在安置座上，屏幕显示2s后激光自动开启并开始等候100s使激光功率处于稳定状态。

当测试人员按下测试钮后则立刻开始采集初始照度值的平均值，采集过程（20s），信号采集频率为2Hz／s。初始值采集完毕后风扇自动关闭并开始正式抓取起雾照度值，测试8s后的照度值。若测试者需再测试不同的样品，按下Restart按钮即可回到系统初始状态，重新进行测试。图4为测试装置测试结果处理流程。

图4 测试结果处理流程Fig.4 Testing process flowchart

3 测 试

利用测试装置对一些普通眼镜片和多个防雾眼镜进行测试。结果表明：普通眼镜片都未能通过测试；疏水性防雾镜片均能通过防雾测试要求，与其他测试方法测试结果相同；而吸水性防雾镜片则不稳定，光通量值跳动较大，重复性较差，无法进行测试。为测试其重复性，对其中一个普通眼镜片和防雾眼镜片进行重复测试。表1为这两个镜片5次测试数据，防雾镜片起雾前后变化率均大于85%，说明镜片具有良好的防雾能力.另外，测试数据中两个镜片的标准差均小于0.02，表明装置有良好的重复性。

4 结 论

根据欧洲光学设备标准EN 168∶2002对防雾镜片的测试方法要求，提出一种全自动防雾测试装置的设计方案。测试装置模拟测试人员汗水，体温及其他环境因素所引起的起雾状态环境，并将其电路配置设计成由电脑程序自动操作，配合自行编制的软件，实现镜片防雾功能的自动测量。装置操作方便，数据直观，为眼镜生产中提高眼镜质量带来帮助。

科学技术的进步推动眼镜制造业的不断变革和创新，镀膜工艺的日渐成熟，研究防雾测试装置具有一定的理论意义和应用价值。防雾测试装置受到水槽中雾气影响，每次测量时照度值有些变化，虽然从测量结果上看影响似乎不大，但为了实验的精确度，下一步将对雾气控制和测试稳定性进行研究。

［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，娄 浊，金卫东，等.激光光散射系统的标定与测试［J］.光学仪器，2006，28（2）：7－11.

［5］屈恩世，张恒金，曹剑中，等.对光学设计中照度计算公式的讨论［J］.光学学报，2008，28（7）：1364－1368.

［6］林 裕.电子技术基础［M］.2版.北京：中国劳动出版社，1997.