本文由「Light科普坊」出品

撰稿：王曉傑（南開大學物理科學學院，南開大學物理科普基地）

審稿專家：高輝（華中科技大學）

作為上班族，駕車是我們常用的出行方式。白天，太陽光強烈，很多人會選擇用遮陽闆去遮擋陽光，不僅弄來弄去很麻煩，還會擋住視線，但不擋又不行，長時間迎着陽光開車，容易出現各種眼部疾病，而強光使眼睛不适，造成危險駕駛。

所以，“太陽鏡”成為了司機的“必備神器”，然而，普通太陽鏡可以防護紫外線和藍光，對眩光卻無可奈何。從道路、水、雪或者前車玻璃等水平表面反射的光會産生眩光，照射到司機眼裡嚴重影響視線，而短暫視野盲區容易引發交通事故。

于是，偏光太陽鏡就成為了駕車一族的更優選擇，可以有效地減少眩光。但是，有一種情景需要特别強調：在光線不足的情況下，比如晚上，尤其是在駕駛時，佩戴任何類型的太陽鏡都會使光線進一步變弱，影響視野，所以不建議晚上佩戴。

之前講到偏光太陽鏡比普通太陽鏡更神奇？這是為什麼？今天就讓我們共同探索偏光太陽鏡的秘密。

圖1（封面圖）：偏光太陽鏡

圖源：Light科普坊/VEER

從字面上看，偏光太陽鏡和普通太陽鏡的區别主要體現在 “偏光”二字，這簡單的兩個字背後隐藏着什麼玄機呢？要想弄清楚偏光太陽鏡的秘密，我們需要先來認識偏光太陽鏡的核心結構——偏振片。

一、偏光太陽鏡的核心結構——偏振片

現代光學理論告訴我們，光是一種電磁波。既然是波，那光是橫波還是縱波呢？

1809年，法國物理學家馬呂斯（Etienne Louis Malus）發現了光的偏振現象，證明了光是一種橫波，這表明光波電矢量的振動方向與光的傳播方向垂直。在與傳播方向垂直的二維空間裡的電矢量有各式各樣的振動狀态，稱之為光的偏振态或者偏振結構。

根據光波電矢量大小和方向的變化規律，可以将光分為自然光（圖2a）、線偏振光（圖2b）、部分偏振光（圖2c）等。我們生活中常見的光源屬于自然光，例如太陽光、燈光等，發出光線的振動方向雜亂無章，宏觀看起來包含了沿所有方向的振動，經由界面反射會轉換成線偏振光或部分偏振光。線偏振光振動方向通常都非常固定，隻包含單一振動方向，部分偏振光則是介于自然光和線偏振光之間的光，不同方向上的振動強度不同。了解了光的不同狀态之後，我們就可以應用這一理論分析偏光太陽鏡發揮作用的具體過程了。

圖2：幾種常見的光振動分布（a）自然光；（b）線偏振光；（c）部分偏振光。 圖源：王曉傑

光的橫波特性與機械波中的橫波特性類似，我們可以利用機械波模拟光的偏振現象。偏光太陽鏡之所以能過濾眩光，是因為偏光太陽鏡隻在某個特定的方向上對光吸收較少，光可以較多地通過（圖3a）；而其他方向的振動被吸收得較多，光通過得很少（圖3b）。這一性質被稱作二向色性，具有二向色性的光學元器件被稱為偏振片，其中能透過光的振動方向稱為透振方向。

圖3：利用機械波模拟光的偏振現象（a）波的振動方向與狹縫平行；（b）波的振動方向與狹縫垂直。 圖源：王曉傑

一般情況下，實驗室中用的偏振片為電氣石晶體或者硫酸碘奎甯晶體。偏光太陽鏡一般具有一定的柔性，因此其偏光層的材質多是将聚乙烯醇（PVA）拉伸膜和醋酸纖維素膜（TAC）經多次複合、拉伸、塗布等工藝制成的一種複合材料。

二、偏光太陽鏡阻擋眩光的原理

眩光往往是太陽光在地面反射形成的，因此我們需要先弄清楚反射光的偏振态。一般來說，光在界面上的行為分為反射和折射，能量在它們之間的分配比例與入射角有關。作為一種波動，光在界面上的行為除了能量分配以外，還應考慮光的偏振态變化等問題。

自然光可以表示成垂直于紙面和沿紙面的振動分布，分别用和表示。和分别取自德文senkrecht（垂直）和parallel（平行）兩字的字頭。根據電磁理論可以推導出，自然光經界面反射後，沿紙面的振動分量（分量）會變弱，因此自然光就變成了部分偏振光（圖4）。

圖4：自然光反射和折射後振動的分布。其中，圓點表示振動方向垂直于紙面，即s分量，橙色線段表示振動方向沿紙面，即p分量。 圖源：王曉傑

知道了上面的原理，我們看一下偏光太陽鏡是如何阻擋眩光的。

當陽光照射在路面上發生反射時，反射光的光振動以分量為主，即平行于路面振動分量較強，而垂直于路面振動分量較弱。要遮住反射光應阻擋偏振方向平行于路面的光線。因此，偏光鏡的透振方向應為豎直方向，這樣反射的光大部分就會被過濾掉，從而減弱眩光（圖5）。以上就是偏光太陽鏡防止眩光的基本原理。

圖5：偏光鏡工作原理

圖源：王曉傑

三、判斷偏光太陽鏡的效果

那麼，如何判斷我們的太陽鏡是不是偏光太陽鏡呢？

根據上面的介紹，我們知道當自然光通過偏振片時，隻剩下沿偏振片透振方向的分量（圖6）。

圖6：自然光透過偏振片後振動的分布

（圖源：王曉傑）

如果将兩個偏振片沿其透振方向平行放置，光線經過第一個偏振片後，仍可以順利通過第二個偏振片，因此，偏振片看上去還是透明的，隻是光強稍弱一些（圖7a）。如果将第二個偏振片旋轉90°，光線經過第一個偏振片後，就無法通過第二個偏振片，看上去将是漆黑一片（圖7b）。利用這個原理我們就可以判斷偏光太陽鏡是不是偏光鏡了。

圖7：光線分别通過透振方向平行和垂直兩偏振片時的透光情況（a）兩偏振片的透振方向平行；（b）兩偏振片的透振方向垂直。 （圖源：王曉傑）

如果手邊沒有偏振片，我們可以利用液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）。液晶顯示屏利用液晶與偏振器結合的光調制特性來控制顯示屏的亮暗，因此液晶屏發出的光是偏振光。我們可以拿太陽鏡放在眼睛前方觀察液晶屏幕，同時轉動太陽鏡。如果能觀察到光線發生亮→暗→亮→暗的變化，那麼這幅太陽鏡就是偏光太陽鏡（圖8）。嚴格來說光線最暗和最亮時太陽鏡的角度差是90°（圖7）。

圖8(gif)：借助LCD檢測偏光太陽鏡

圖源：王曉傑

進一步地，我們還可以利用LCD判斷偏光太陽鏡的質量。我們把最暗和最亮狀态下的光強比稱之為消光比。消光比是衡量偏振器件質量的重要參數。消光比愈小，偏振器件産生的偏振光的偏振度高。一般人造偏振片的消光比約為1:1000。

從上面的介紹可以知道，偏光太陽鏡因增加了偏振片層（偏光層），可有效減弱因反射等各種因素所造成的眩光。同時，偏光太陽鏡中往往還會增加紫外線過濾層、吸收層等，可以在一定程度上阻隔有害的紫外光線，達到對人眼的有效保護。普通太陽眼鏡隻具有減弱光強的作用，無法有效阻隔眩光等有害光線。

四、偏振片的其他應用

偏光鏡除了用作偏光太陽鏡以外，在生活中還有很多其他應用。例如，對于攝影愛好者來說，偏光鏡是再熟悉不過的工具之一。拍攝水面或者玻璃房間内的景物時，往往由于光線在水面或者玻璃上的反射，産生很強的反光，影響拍攝質量。此時，在鏡頭前面加一個偏光鏡阻擋反射光，能使人清楚地觀測水裡或玻璃後面的景物（圖9）。

圖9：利用偏光鏡拍攝室内景物（a）未加偏光鏡；（b）加偏光鏡。 圖源：王曉傑

當想要觀測日食時，為了保護眼睛免于太陽光的傷害，使用雙層偏振片制成的眼鏡可以降低陽光的強度，這樣就可以進行觀測了（圖10）。

圖10：在日食期間手持特殊的眼鏡

圖源：Light科普坊/VEER

此外，我們平時觀看的3D電影，也是利用了光的偏振特性。拍攝3D電影時，需要用兩個攝影機同時拍下同一物體的兩個畫面，再分别對兩個畫面進行偏振化處理。利用偏振片做成的3D眼鏡，其透振方向相互垂直（圖11）。觀看電影時，每個鏡片隻允許偏振方向與其透振方向相同的畫面進入人眼，兩隻眼睛看到的畫面不同，從而形成立體化的影像。

圖11：偏振3D眼鏡

圖源：Light科普坊/VEER

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參考資料：

[1].趙凱華. 新概念物理教程 光學[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

[2].宋峰. 文科物理-生活中的物理學[M]. 北京:科學出版社, 2013.

作者簡介

王曉傑，南開大學物理科學學院助理研究員，博士，主要從事物理教學科研工作。目前主持國家自然科學基金青年項目1項，教育部産學合作協同育人項目1項，作為第一作者/通訊作者在等國内外期刊發表論文多篇，以第一完成人授權國家專利3項，軟件著作3項。科普工作者，中國物理學會“蒲公英計劃”科普宣講專家、Light科普仿科普作者、南開大學物理科普基地科普宣講團專家。曾獲天津市科普微視頻大賽一等獎等科普獎勵。

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編輯 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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來源：中國光學

編輯：Tammy

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