用微型光谱仪验证“透明镜片"对眼部紫外线防护效果

 

 

众所周知，长时间的眼部紫外线照射会影响长期的眼部健康。虽然通常可以通过纺织品或涂抹防晒霜来有效保护皮肤，但对眼睛敏感组织和周围皮肤进行有效的日常紫外线防护是一项技术挑战。 

 

 

太阳镜构成了当前眼睛抵御紫外线的标准保护。澳大利亚太阳镜标准是常见的紫外线防护基准，这些标准将 315 至 400 nm 范围内的光定义为有害 UVA。尽管在阳光明媚的天气下在户外佩戴太阳镜是社会可接受的，但在所有潜在的紫外线暴露条件下（例如阴天条件下以及室内），其使用并不普遍被接受。此外，实际原因限制了（矫正）太阳镜在相当长期的紫外线暴露情况下的使用，因为频繁更换矫正透明眼镜很麻烦，此外还需要存放一副额外的眼镜。 但有害的紫外线照射并不仅限于在阳光明媚的天气下长时间在户外停留。相反，紫外线暴露不断发生，无论是在上班途中（例如上班途中）的短期阳光照射期间。作为乘客在车内，通过侧窗暴露在外，甚至在室内也是如此。因此，如果透明镜片也能有效减少紫外线照射，就能达到最佳的紫外线防护效果。

 

 

实验安排

 

来自于德国Tuebingen大学眼科研究学院的KATHARINA RIFAI研究员在2018年的研究中详细描述了实验设计过程和数据分析，基本的实验安排如下：

 

人眼的辐照度由放置在扩散板后面的光谱传感器收集，扩散板放置在假人头部左眼的位置，放置在角膜的自然位置。提供人体模型，配备眼镜架。如下图2。

 

图2. a) 光谱仪光纤和 PTFE 扩散板的眼形安装座，箭头指示光纤（浅红色）和扩散板（深红色）的位置，b) 人体模型头部的机械旋转安装座，

c) 头部旋转示意图, d) 配备眼镜架和传感器的人体模型头部照片。

 

光源经过D65校准后，距离人体模型眼部（光谱仪探头）距离是2.9米，另外一个光谱仪作为参考，有小部分光经过分束镜反射回来到参考光谱仪。原理图如下图3.其中光源用的是OSRAM公司的氙灯光源，光谱传感器用的是德国insion公司的UV VIS SENS系列光谱仪。

 

图3.左侧： 实验测量原理示意图；右侧; insion公司的UV VIS SENS系列光谱仪

 

下图4显示了受测透明镜片相对于肉眼的眼部辐照度的清晰图片。18% 的入射辐照度已被框架过滤。在剩余的辐照度中，绝大多数（肉眼处总辐照度的 79 ±3%）通过空眼镜框进入眼睛。当镜架配备透明眼镜镜片 L0 Basic 时，Idirect 的贡献占裸眼总辐照度的 32 ±4%，而总辐照度为裸眼总辐照度的 83 ±5%。因此，尽管减少了，但大部分紫外线仍然通过眼镜进入眼睛。 在我们的示例中，肉眼处的总辐照度中只有 3.1 ±2.6% 来自绕过框架的间接光。

 

图 4.  350 - 400 nm 范围内到达眼睛的紫外线辐照度实验数据概述。Idirect、Iindirect、Iback 作为空镜框以及四种不同透明镜片的堆叠条形图。

 

 

 

实验总结

 

在这项工作中，根据透明镜片对眼睛紫外线防护的效率进行比较。通过在位于人体头部内的眼睛的真实几何模拟中模拟和测量眼睛的紫外线辐照度来评估对整体紫外线暴露的贡献，配备相应的眼镜镜片。 实验和模拟评估了类太阳光源在眼睛位置的紫外线辐照度。辐照度由扩散板后面的光谱传感器测量。对于所有实际的光入射角，分别确定以下对紫外线照射的贡献：通过透明眼镜镜片进入眼睛的紫外线（I直接）、绕过眼镜镜片和镜框进入眼睛的紫外线（I间接）以及紫外线光线通过镜片表面的背反射 (Iback) 进入眼睛，见图 5。评估了旨在最大限度地减少眼部紫外线照射的三种眼镜镜片的影响：第一种眼镜镜片，最大限度地减少了通过镜片的紫外线透射 (Idirect)高达 400 nm（L1UV 阻挡）、第二个眼镜镜片，通过眼镜镜片背面的增透膜（L2 Back-UV）最大限度地减少紫外线背向反射，以及结合了两者的第三个眼镜镜片（L3 组合）。

 

图 5. 辐照度方案，a) C1，贡献 Iindirect，b) C2，贡献 Iback，c) C3，贡献 Idirect。

 

实验结果表明，眼镜镜片 L1 紫外线阻挡可最大限度地减少 Idirect 的影响，相对于肉眼，将整体紫外线暴露量降低至 7%。肉眼总曝光中只有 1% 来自背反射，而 L2 Back-UV 眼镜片将这一比例降至 0.3%。L3 眼镜片结合了这两种优点，可将紫外线暴露减少至 6%。

 

 

 

结论

 

模拟了三种可最大程度地减少眼睛处紫外线辐照度的眼镜镜片（紫外线阻挡、后紫外线和组合），并随后对眼睛处的太阳辐照度进行了实验评估。 紫外线辐照度通过放置在扩散板后面的光谱传感器进行评估。与从镜片表面反射回来的光相比，通过眼镜镜片到达眼睛的辐照度高出一个数量级以上。因此，带有定制紫外线吸收剂的透明镜片可有效保护眼睛免受紫外线侵害，补充太阳镜佩戴以实现全天保护。

 

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LED光源光谱图：

图 6. 宽带LED光源光谱响应图

 

透射光谱系统：

 

 

SC30杂散光算法：

图 8. SC30杂散光算法校准线性度

 

3片不同厚度滤光片透射测量的吸光度经过SC30杂散光算法校准以后线性度大于3AU。