新型激光防護眼鏡

激光是20世紀以來人類最偉大的發明之一。然而，激光也是一種危險的光源：具有一定強度的激光束，若照射到皮膚上，可能會造成局部的灼傷，若射入眼睛，將會導致更嚴重的問題——致盲。

即使嚴格控制激光束禁止直接照射到人體，經過物質表面散射的激光對人眼也是有害的。

人眼長期暴露在強散射光環境中，會造成玻璃體渾濁從而最終影響視力，對于那些經常置身于激光布景表演和直接接觸激光的工作人員來說，采取激光防護與保護非常必要的。激光防護眼鏡就是基于這樣的背景而產生的。

傳統的激光防護眼鏡，見過的人或許感覺它并不陌生，它與我們俗稱的“墨鏡”原理基本相同，即允許某些特定波長（或顏色）的光透射進入人眼，其他波長（或顏色）的光，特別是有害的激光由鏡片自身吸收而過濾掉，從而起到對人眼的保護作用。

比如，常見的波長532nm（納米）的綠色激光打到物體表面后，由于人眼對其比較敏感，因此，激光只要有點亮度，我們就會感覺刺眼，時間久了眼睛就會感覺干澀。

如果我們戴上一個紅色鏡片的眼鏡，散射到人眼的綠光激光就會被大大衰減，眼睛就會感覺到柔和很多。若是質量較好的防護鏡，綠光能被鏡片衰減至眼睛幾乎感覺不到的程度。

再比如，對于波長300nm以下的紫外激光或者波長5um以上的紅外激光，我們只要戴上一個普通的眼鏡，散射的激光基本就進入不了眼睛，這是因為，光學介質對紫外和紅外激光的衰減吸收是很大的。

激光防護鏡對某一特定波長的衰減度是用OD(Optical Density光密度)來表征的，該參數數值越大，表明對激光的衰減作用越強，但即使再高，也不能做到百分百衰減，因此，當遇有強烈的散射激光時，還是會有一部分激光透過防護鏡鏡片進入眼睛的。

在某些場合，甚至會有幾種不同顏色（波長）的強激光同時存在，雖然采用中性衰減片的防護鏡能對不同波長的激光同時進行衰減，但衰減只能控制在一定的范圍，若衰減過大，也就可能看不到除激光以為的其他物體了。因此，傳統激光防護鏡對人眼睛的防護作用和能力是有限的。

傳統激光防護眼鏡的缺陷是，不能把激光與人眼真正隔離開來，因而防護作用十分有限。如能實現一種將激光與人眼分開的激光防護工具，不僅將完全排除激光對人眼傷害的可能性，而且可以方便有效地開展激光應用的研究與生產工作。

如今，成像、光電探測、數字信號處理以及電光顯示等技術，都已發展到了一個前所未有的水平，因此研制這樣一種輕便且價格低廉，并能把人眼與激光真正隔離開來的新概念激光防護眼鏡已成為可能。

本文將介紹我們就這一想法所作的初步嘗試，并對所研制的具有該功能的這種新型激光防護眼鏡的特性和作用，給出詳細說明。

一、新型激光防護眼鏡的結構

圖1是我們研制的新型激光防護眼鏡的結構示意圖，從右至左的順序，自然光由鏡頭收集后匯聚成像于感光芯片上，感光芯片將圖像信號轉化為數字電信號，此信號由數字芯片進行高速處理后輸入微顯示器，再轉化成微圖像，最后由目鏡將圖像放大后成像于人眼。

其中，鏡頭為焦距可變的鏡頭，感光芯片采用的是CMOS芯片。

雖然CMOS在靈敏度、分辨率和信噪比等方面不如CCD，但在這里用于普通的視覺應用已經足已，而且CMOS自身也具有一定優勢。

首先它輸出的直接是數字信號，與數學芯片銜接便于高度集成；其次由于圖像采集方式不同，CMOS的功耗僅有CCD的1/3；還有CMOS的成本要遠低于CCD成本。

光電信號處理部分（即主板部分）采用的主要是DSP和FPGA芯片，用于控制CMOS采集圖像，并將其輸出信號進行處理后成像于微顯示器。

這部分還連接一控制手柄（用于提供電池電源并外部接收控制指令），FPGA接受控制手柄發來的指令可控制CMOS的參數如曝光時間、控制DSP對圖像信號進行如亮度、對比度、色溫（即紅、綠、藍三個通道的強度）等方面的處理，此外，還可以控制鏡頭進行自動焦距調節。

微顯示器采用的是OLED超微顯示屏，由于受到體積及精度的限制，超微OLED目前的分辨率還做得不夠高，這是此元件發展的一個技術瓶頸，不過隨著技術的不斷進步，更高分辨率更清晰的超微OLED將會不斷產生的。

目前其分辨率主要是640×480。目鏡的作用是將微小顯示器上的圖像給放大，使得上面顯示的物體與現實中的物體，以盡可能相近的視覺感受成像于人眼。

它的焦距可以做適當的小調整，以適合不同視力的眼睛，這樣即使近視的人也可以直接佩戴此防護鏡，而無需戴著近視鏡。

二、新型防護鏡在激光防護中的作用

從圖1的結構圖可以看出，此防護鏡是將光信息先變成電信號，然后由顯示器成像后再進入人眼的。

眼睛和眼睛外部的光完全隔離開，假如防護鏡沒有接通電源，眼前將會是一片漆黑，就如同給人帶了一個厚厚的眼罩似的。

因此，在戴有此眼鏡的情況下，即使有激光突然散射到眼睛方向，那至多使得CMOS輸出的信號亮度增加甚至飽和，眼睛感覺到的僅是顯示器變亮了；

假如發生如激光光束直接射向眼睛這樣的事故，若激光強度較弱，結果可能是會使得CMOS傳感器飽和甚至嚴重飽和，眼睛會看到顯示器一片白色，如若激光強度較高，結果或許是打壞CMOS傳感器或者燒壞防護眼鏡上的塑料框架，但不會對眼睛造成任何傷害。

因此，此防護眼鏡對人眼的激光防護是安全的，不會發生激光傷害眼睛的情況。

圖2是一束2W左右的激光打到黑色金屬表面后，通過我們研制的該防護眼鏡觀察到的散射光情況。

可以看出，散射光是相當強的，但此激光的波長是900nm，用裸眼我們在金屬表面是看不到任何東西的，但激光的的確確存在，而裸眼并不能感知它的存在和位置，因此對眼睛的傷害是必然的。這種情況對于那些同樣在此激光器周邊而非正在利用激光束作業的人員來說也是十分危險的。

圖3是一束綠光打到一黑色金屬表面后防護眼鏡顯示的圖像。

若沒有眼鏡，因為太刺眼，我們是不能用眼睛直接觀察此光斑的；若強制眼睛去看一會，那再去看其他物體時，就會視覺模糊，需適應一會才行。

但若轉化成防護鏡顯示的圖像，我們只會觀察到圖中顯示的淡綠色，眼睛并不會感覺不舒服。因為人眼對綠光比較敏感，所以即使有一點綠色激光，人眼就會反應強烈。

圖3中的激光功率只有200mW，相對于圖2中2W的非可見光功率要弱很多，可見若不戴防護眼鏡，后者會有更多的激光輻射進入眼睛，對眼睛的傷害要大得多，只是我們看不到而已。

一束直徑為2mm、功率為25mW、波長為750nm的飛秒激光打在手或者皮膚上，我們基本是沒有感覺的，但若射入眼睛會嚴重燒傷玻璃體和視網膜。

圖4是此激光打在防護眼鏡鏡頭邊緣時微顯示器所成的圖像；圖5是此激光束有部分直接射到防護鏡的CMOS感光芯片上時所成的圖像。

可以看出，CMOS芯片已經嚴重飽和，此時眼睛的感覺會是眼前的顯示器突然變亮變白，不過對眼睛自身沒有任何損害。因為功率較弱，雖已使CMOS嚴重飽和，但并沒有燒毀其感光面元，因此防護鏡可以繼續使用。

通過實驗我們得知，我們這種新型防護眼鏡在對眼睛的防護方面是不選擇激光波長的，不論紅光、綠光、藍光甚至紫外激光或者紅外激光，它都能起到百分百的防護作用，這個性能是傳統防護眼鏡所不能比擬的。

三、新型防護眼鏡在激光操作和使用過程中的其他效用

圖2已經說明過，人類裸眼看不到波長900nm的激光，在戴有此防護鏡的情況下就能看到。測試證明，防護鏡的CMOS芯片對波長高達1064nm的激光也有感應，這樣就為激光工作人員操作非可見的紅外激光提供了方便。

他們在調節光路時無需再使用專門的紅外卡片去尋找激光點，如圖6所示，對于1064nm波長的紅外皮秒激光振蕩器，激光在腔內各個鏡片上的光斑位置一目了然。

我們在介紹防護眼鏡的結構時，說明過它的控制手柄具有控制圖像的紅、藍、綠三個顏色通道的強度，以及調節圖像的亮度等功能，這在激光調節過程中還是相當有用的。

圖7(a)中的鈦寶石激光振蕩器內充滿了綠光，由于太刺眼而不能用裸眼直接觀察腔內，即使通過防護眼鏡形成電子圖像，雖然不刺眼了，但或許因為綠色太深眼睛仍舊感覺不舒服，此時我們可以通過控制防護眼鏡的操作手柄，降低圖像中綠光顏色通道的強度。

當其強度降低至原來的50%時，圖像中的綠色部分基本就不怎么刺眼了，如圖7(b)所示；當強度降低至原來的20%時，圖像中的綠色成分就基本消失了，如圖7(c)所示，當然圖(b)和(c)中圖像的整體亮度也有所降低，我們可以再通過手柄對圖像的亮度進行適當的增加，即可得到圖7(d)所示的圖像，這樣可以光線柔和地調節控制激光。

具體什么樣的圖像合適，這是因人而異的，使用者可以根據自己的要求來調節圖像參數。

人們在調節激光器特別是振蕩器時，在激光器起振之前，常會用熒光來對準激光光路并調節各個鏡架，然而熒光一般較弱，而且若是近紅外光，裸眼也看不到，因此，人們常會紅外夜視儀觀測熒光位置。

但由于其個頭較大，用起來并不是很方便，若用我們的新型防護眼鏡，是否能看到這種熒光呢？答案是肯定的。

圖8(a)中的光斑就是鈦寶石激光振蕩器的熒光在防護鏡上所成的圖像，可以看出，光斑相對背景光還是比較明顯的，若關閉或者減弱室內光線強度，效果會更加顯著，見8(b)。

由于我們的新型防護鏡所具有的CMOS光電圖像探測以及DSP高速數字圖像處理功能，使其具有了以上所介紹的幾種特性，從而為激光調節和激光應用帶來了極大方便。

四、結論

本文介紹的上述激光防護眼鏡采用了與傳統激光防護鏡幾乎完全不同的設計理念，因此，實現了人眼與激光的真正隔離，對眼睛起到了非常安全的防護作用，其特有的數字功能也為人們調節激光提供了極大便利。

這種新型激光防護鏡的使用，將使得一線工作的激光操作不再是一項存在危險的工作，在激光實驗室中是非常必備的保護手段。