用微型光譜儀驗(yàn)證“透明鏡片”對眼部紫外線防護(hù)效果

背景

眾所周知，長時(shí)間的眼部紫外線照射會影響長期的眼部健康。雖然通?？梢酝ㄟ^紡織品或涂抹防曬霜來有效保護(hù)皮膚，但對眼睛敏感組織和周圍皮膚進(jìn)行有效的日常紫外線防護(hù)是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。 

太陽鏡構(gòu)成了當(dāng)前眼睛抵御紫外線的標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)。 澳大利亞太陽鏡標(biāo)準(zhǔn)是常見的紫外線防護(hù)基準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)將 315 至 400 nm 范圍內(nèi)的光定義為有害 UVA。 盡管在陽光明媚的天氣下在戶外佩戴太陽鏡是社會可接受的，但在所有潛在的紫外線暴露條件下（例如陰天條件下以及室內(nèi)），其使用并不普遍被接受。 此外，實(shí)際原因限制了（矯正）太陽鏡在相當(dāng)長期的紫外線暴露情況下的使用，因?yàn)轭l繁更換矯正透明眼鏡很麻煩，此外還需要存放一副額外的眼鏡。 但有害的紫外線照射并不僅限于在陽光明媚的天氣下長時(shí)間在戶外停留。 相反，紫外線暴露不斷發(fā)生，無論是在上班途中（例如上班途中）的短期陽光照射期間。 作為乘客在車內(nèi)，通過側(cè)窗暴露在外，甚至在室內(nèi)也是如此。 因此，如果透明鏡片也能有效減少紫外線照射，就能達(dá)到zui佳的紫外線防護(hù)效果。

圖1.太陽鏡和防護(hù)鏡防紫外線照射

實(shí)驗(yàn)安排

來自于德國Tuebingen大學(xué)眼科研究學(xué)院的KATHARINA RIFAI研究員在2018年的研究中詳細(xì)描述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程和數(shù)據(jù)分析，基本的實(shí)驗(yàn)安排如下：

人眼的輻照度由放置在擴(kuò)散板后面的光譜傳感器收集，擴(kuò)散板放置在假人頭部左眼的位置，放置在角膜的自然位置。提供人體模型，配備眼鏡架。如下圖2。

圖2. a) 光譜儀光纖和 PTFE 擴(kuò)散板的眼形安裝座，箭頭指示光纖（淺紅色）和擴(kuò)散板（深紅色）的位置，b) 人體模型頭部的機(jī)械旋轉(zhuǎn)安裝座，

c) 頭部旋轉(zhuǎn)示意圖, d) 配備眼鏡架和傳感器的人體模型頭部照片。

光源經(jīng)過D65校準(zhǔn)后，距離人體模型眼部（光譜儀探頭）距離是2.9米，另外一個(gè)光譜儀作為參考，有小部分光經(jīng)過分束鏡反射回來到參考光譜儀。原理圖如下圖3.其中光源用的是OSRAM公司的氙燈光源，光譜傳感器用的是德國INSION公司的UV VIS SENS系列光譜儀。

圖3.左側(cè)： 實(shí)驗(yàn)測量原理示意圖；右側(cè); insion公司的UV VIS SENS系列光譜儀

下圖4顯示了受測透明鏡片相對于肉眼的眼部輻照度的清晰圖片。 18% 的入射輻照度已被框架過濾。 在剩余的輻照度中，絕大多數(shù)（肉眼處總輻照度的 79 ±3%）通過空眼鏡框進(jìn)入眼睛。 當(dāng)鏡架配備透明眼鏡鏡片 L0 Basic 時(shí)，Idirect 的貢獻(xiàn)占裸眼總輻照度的 32 ±4%，而總輻照度為裸眼總輻照度的 83 ±5%。 因此，盡管減少了，但大部分紫外線仍然通過眼鏡進(jìn)入眼睛。 在我們的示例中，肉眼處的總輻照度中只有 3.1 ±2.6% 來自繞過框架的間接光。

圖 4.  350 - 400 nm 范圍內(nèi)到達(dá)眼睛的紫外線輻照度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概述。Idirect、Iindirect、Iback 作為空鏡框以及四種不同透明鏡片的堆疊條形圖。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

在這項(xiàng)工作中，根據(jù)透明鏡片對眼睛紫外線防護(hù)的效率進(jìn)行比較。通過在位于人體頭部內(nèi)的眼睛的真實(shí)幾何模擬中模擬和測量眼睛的紫外線輻照度來評估對整體紫外線暴露的貢獻(xiàn)，配備相應(yīng)的眼鏡鏡片。 實(shí)驗(yàn)和模擬評估了類太陽光源在眼睛位置的紫外線輻照度。 輻照度由擴(kuò)散板后面的光譜傳感器測量。 對于所有實(shí)際的光入射角，分別確定以下對紫外線照射的貢獻(xiàn)：通過透明眼鏡鏡片進(jìn)入眼睛的紫外線（I直接）、繞過眼鏡鏡片和鏡框進(jìn)入眼睛的紫外線（I間接）以及紫外線光線通過鏡片表面的背反射 (Iback) 進(jìn)入眼睛，見圖 5。評估了旨在zui大限度地減少眼部紫外線照射的三種眼鏡鏡片的影響：第1種眼鏡鏡片，zui大限度地減少了通過鏡片的紫外線透射 (Idirect)高達(dá) 400 nm（L1UV 阻擋）、第二個(gè)眼鏡鏡片，通過眼鏡鏡片背面的增透膜（L2 Back-UV）zui大限度地減少紫外線背向反射，以及結(jié)合了兩者的第三個(gè)眼鏡鏡片（L3 組合）.

圖 5. 輻照度方案，a) C1，貢獻(xiàn) Iindirect，b) C2，貢獻(xiàn) Iback，c) C3，貢獻(xiàn) Idirect。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，眼鏡鏡片 L1 紫外線阻擋可zui大限度地減少 Idirect 的影響，相對于肉眼，將整體紫外線暴露量降低至 7%。 肉眼總曝光中只有 1% 來自背反射，而 L2 Back-UV 眼鏡片將這一比例降至 0.3%。 L3 眼鏡片結(jié)合了這兩種優(yōu)點(diǎn)，可將紫外線暴露減少至 6%。

結(jié)論

模擬了三種可zui大程度地減少眼睛處紫外線輻照度的眼鏡鏡片（紫外線阻擋、后紫外線和組合），并隨后對眼睛處的太陽輻照度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估。 紫外線輻照度通過放置在擴(kuò)散板后面的光譜傳感器進(jìn)行評估。 與從鏡片表面反射回來的光相比，通過眼鏡鏡片到達(dá)眼睛的輻照度高出一個(gè)數(shù)量級以上。 因此，帶有定制紫外線吸收劑的透明鏡片可有效保護(hù)眼睛免受紫外線侵害，補(bǔ)充太陽鏡佩戴以實(shí)現(xiàn)全天保護(hù)

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LED光源光譜圖：

圖 6. 寬帶LED光源光譜響應(yīng)圖

透射光譜系統(tǒng)：

圖 7. BASkit透射光譜測量系統(tǒng)

SC30雜散光算法：

圖 8. SC30雜散光算法校準(zhǔn)線性度

3片不同厚度濾光片透射測量的吸光度經(jīng)過SC30雜散光算法校準(zhǔn)以后線性度大于3AU。

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