光學原理在農作物害鳥防治中的應用

歐英雷

（廣東工貿職業技術學院 電氣自動化系，廣東 廣州510510）

1 引 言

自然光入射到非均勻介質的界面上，會發生反射、散射和色散現象．我們將利用光在金屬界面上所發生的反射、散射和色散現象，并結合農業生產中經常出現的害鳥防治問題，研制了能驅趕害鳥的光學系統，依靠自然光與物質相互作用時的漫反射、散射和色散現象，仿真出鳥類的天敵，對害鳥的視覺系統造成影響，防止其對農作物的破壞作用，達到綠色農業、物理防治的目的．

2 理論依據

在光學性質不同或2種折射率不同的非均勻介質的界面上，無論太陽光是直射還是斜射，都會在各個方向上觀察到反射光、散射光和色散光，或者是它們中的某種光．

2．1 反射光的測定

設入射光在分界面上的截面積為ΔAi，入射光能流密度為Si，入射角為θi，則入射光能流為

每秒入射到分界面的單位面積上的光能量為［1］

根據理論證明，入射光的平均能流密度為

所以

其中：ε0，μ0和n1均為介質常量，E0i為入射光的電矢量．

用同樣的方法，可以推導出從分界面單位面積上每秒反射的能量為［2］

式中：θr為反射角，E0r為反射光的電矢量．反射率R為

我們希望反射光強盡可能大，從上述公式中可見，反射率R和3個因素有關：入射光的偏振態、入射角以及介質的折射率，這里不對這些影響反射率的因素做進一步的討論．

對于不均勻界面，太陽光照射到各個細小部分的入射角不等，其反射光將射向各個方向，形成漫反射．一個完美的漫射體，或者稱之為朗伯漫射體，在任何角度下均有相同的表觀亮度，單位立體角內發出的輻射為I0cosθ1′，其中θ1′為輻射方向與表面法線的夾角，I0是面元在垂直方向的輻射強度．

2．2 散射光的測定

任何物質的表面不可能是完美的幾何界面，由于分子的熱運動，界面還在不斷地變化．在入射的自然光波長范圍內，界面上的任何凹凸部分都可認為是一個非常小的不規則“區域”，入射自然光的散射現象就是由于大量排列不規則的非均勻的小“區域”的集合造成的，這些非均勻小“區域”的線度一般比自然光波長?。畬τ诿總€小“區域”，散射會使入射光在原來傳播方向上的光強度減弱，遵從指數規律［4］：

式中：αa是吸收系數，as是散射系數，兩者之和α稱為衰減系數，l為傳播距離．上式表征光入射介質時因介質的散射和吸收的共同作用而使光強度減弱的程度．

2．3 色散光的測定

光學材料的折射率隨波長的變化稱之為色散．光學晶體的折射率在可見光范圍內變化的幅度通常在1．45～1．90之間，色散的大小與所選定的波長范圍有關，一般人眼的感光范圍為0．4～0．76μm．在以人眼作為接收器的光學系統中，多選擇 F 線 （λ＝0．486 1μm）和 C 線 （λ＝0．656 3μm）作為校正色差的范圍，在這個范圍之外，人眼的靈敏度是很低的．通常所說的色散就是指這個波長范圍，用nF－nC或γ（阿貝數）表示［5］．

自然光入射到非均勻介質的界面上，介質表面部分是很“粗糙”的，凹凸不平的線度可以與自然光的波長相比擬．“粗糙”的界面就等同于微棱鏡，光照射在這微棱鏡上會發生色散，如果在介質表面上鍍上1層或幾層分光膜，也可使入射的光線發生分光．分光膜可以將投射到膜層的光束按照一定比例的光強度或光譜分布要求分成反射和透射2束光．常用的光強度分光膜是透射和反射相同的半透半反膜，其鍍層材料多為金屬鉻．光譜分光膜卻將投射到膜層上的光線中的某一部分波長的光反射，另一部分波長的光透射，形成特定的光譜分布［6］．

2．4 鳥類視覺系統的特性

鳥類主要靠視覺尋找食物，在感覺器官中以視覺最發達，聽覺次之，嗅覺最為退化．鳥眼的相對大小，在脊椎動物中是占第一位的；視覺的敏銳程度，在脊椎動物中也是首屈一指的．鳥眼的視網膜上有2個中央凹，人類每只眼睛中只有1個中央凹；鳥眼中央凹的感光細胞每平方毫米多達100萬個左右，而人眼僅約15萬個．鳥眼比人眼敏銳，能夠看清距離1 000 m以外的物體，視力比人類高出8倍．鳥類的眼內具有神奇的“雙重調節”的能力，一是以睫狀肌的收縮來改變水晶體的形狀和水晶體與角膜間的距離；二是改變角膜的凸度．能在瞬間把“遠視眼”調節為“近視眼”［7］．

鳥類視網膜上的感光細胞有2種，一種是錐狀細胞，另一種是柱狀細胞．白天活動的鳥類視網膜上的感光細胞主要是錐狀細胞；夜間活動的鳥類主要是由柱狀細胞組成．錐狀細胞具有色覺感應，柱狀細胞具有光強感應．而錐狀細胞又主要對3種不同的波長的光有反應，它們分別是藍光、綠光和紅光．因此，鳥眼視網膜上的錐狀細胞使它們能夠分辨出色彩斑斕的物體，看清環境、食物或天敵．鳥類自身羽毛的結構色，又稱物理色，是由于鳥類羽毛上有極薄的蠟層、刻點、溝縫或鱗片等細微結構，使光波發生散射、衍射或干涉而產生的各種顏色，這是鳥類視覺能分辨到的顏色．

鳥類的眼睛長在頭部的兩側，和人類的眼睛不同，它不能上下左右靈活地轉動，這是由于它們的眼球實在太大的緣故，和頭部的體積相比，人類的眼球約占1%的體積，而鳥類的眼球卻占10%以上，周邊的動眼肌也不發達．鳥類眼球的外圍，還有1圈鞏骨包圍，也使得眼球轉動不易．因此，對于來自不同方向的、頻繁改變入射角度的光線，將感到無法適從．

3 實驗分析

自然光在非均勻介質界面上發生反射、散射和色散現象，可以應用在農業生產的過程中，利用這些光學現象來驅趕害鳥對農作物的破壞作用．在對害鳥的防治方面，到目前為止還沒有找到一套行之有效的防治方法．害鳥種類繁多，分布范圍廣，單是我國就有鳥類1 180種，占全世界鳥類種數的13%以上，是世界上擁有鳥類最多的國家．鳥類的主要食物是以粒料中未經加工的植物籽實為主，包括植物種子、瓜果類及青綠的菜葉等，因此，對害鳥的防治具有現實的意義．為此提出了3種利用鐳射太陽光反射膜來仿真鳥類的天敵，達到防治害鳥的做法．

3．1 光學材料的選型

分別選取了3種對太陽光具有良好反射、散射和色散作用的薄膜，如圖1～3所示，其厚度在10－5～10－4mm之間，寬度約為5～20 cm，正反兩面均鍍上凹凸不平的、非均勻的鋁層、銀層或其他金屬膜層，這些金屬鍍膜對太陽光產生強烈的反射、散射和色散作用，在其表面將產生多種顏色的、有不規則圖案的色散光．這種混合光線對鳥類的眼球將造成強烈的影響，其主要原因是白天活動的鳥類的感光細胞主要由錐狀細胞組成，錐狀細胞對藍光、綠光和紅光波長的光波敏感，鳥類自身羽毛的色彩也是由這些波長范圍內的光波構成的．而從金屬薄膜上反射出來的光波，卻不在上述波長范圍之內，不屬于構成鳥類羽毛色彩的光波，這種超出鳥類視網膜正常感光范圍的光線，往往會被鳥類誤認為是來自自己天敵身上發出的光線，來自銀白色、金色或鐳射薄膜上的反射光線，與來自鳥類自身羽毛的藍光、綠光和紅光也是完全不同的，這就有效地干擾鳥類的視覺判斷系統，使之錯將從金屬薄膜上反射回來的光波當作從天敵身上反射出的光線．因此，金屬薄膜就具有了仿真鳥類天敵的功能，起到了借助鳥類“天敵”來驅趕害鳥的作用．

圖1 銀白色鍍膜薄膜

圖2 金色鍍膜薄膜

圖3 表面不均勻的鐳射薄膜

3．2 光學器材的安裝及使用方法

選取上述提到的3種金屬鍍膜薄膜中的任何一種，長度約為幾m，根據需要防止害鳥的農作物和果樹的高矮、形狀來決定．將薄膜的一端系于植物體上，另一端處于自由狀態，如圖4所示．安裝時，首先，應盡量使整個薄膜體都暴露在太陽光線的直接照射之下，讓全天的太陽光都能直射到該薄膜上．第二，應將該薄膜安裝在能被風吹到的地方，這樣一來，在風力的作用下，長度為2 m，重量為10－2g的金屬鍍膜薄膜就會不停地擺動，這種擺動改變了入射光的入射角，使反射光的傳播方向也發生了改變．還可以通過改變金屬條帶的寬度、厚度和長度，來改變其重量和受風力、受光照的面積，在風力不定時，使金屬條帶的擺動頻率和擺動角度發生變化．金屬條帶的無規則擺動、飄動和扭動，增加了入射角度改變的頻率，使反射光強發生了變化．從上述理論推導的公式中可以得知，反射光強由反射率來決定，而金屬薄膜的反射率又與入射角有關，入射角的改變將造成反射光強的改變．根據鳥類視網膜上柱狀細胞具有光強感應的特點，頻率和強度均隨時間發生變化的光線，將使鳥眼的晶狀體做“多重”的調節，最終影響其視覺的判斷能力．第三，該薄膜裝置只在白天起作用，夜晚將失去應有的功能．害鳥是一種白天活動的鳥類，在夜晚幾乎處于休息狀態，不會對農作物造成危害，因此，這種光學裝置對于防止害鳥在白天對農作物的破壞作用，具有獨到之處．

圖4 金屬鍍膜薄膜的安放

4 結束語

物理防治害鳥技術在綠色農業生產中具有舉足輕重的作用，尋求安全、高效、環保、低碳的農業生產新技術是當前的一個發展方向．自然光在特殊光學材料界面上發生的現象，對自然界中大多數鳥類的視覺系統都構成重大影響，除了影響其眼球獨特的“雙重調節”功能外，還可以設計出不同的界面構造，使自然光色散出不同顏色、不同圖案的圖像來，利用這些特別圖案來對鳥類造成威懾或恐嚇的作用，將其趕走．當鳥眼觀察到不利于自己的圖像時，會受到嚴重的影響，因為鳥類是一種視覺反應能力極強的動物，在人類視覺系統看來無關緊要的改變，對鳥類視覺系統卻會造成強烈的反應，人類視而不見的圖景，在鳥類看來都是巨大的變化．

［1］ 歐英雷．強光對視力近視者的影響及其對策［J］．物理實驗，2012，32（2）：32－33．

［2］ 歐英雷．光的偏振特性在機動車安全駕駛中的應用［J］．物理與工程，2011，21（6）：37．

［3］ 胡亞范，朱二曠，陳海良．測量棱鏡色散規律的方法改進［J］．物理實驗，2010，30（1）：29．

［4］ 姚啟鈞．光學教程［M］．3版．北京：高等教育出版社，2004：383．

［5］ 胡家升．光學工程導論［M］．2版．大連：大連理工大學出版社，2005：494．

［6］ 王崢，徐平，王文文，等．瑞利散射和米氏散射現象的實驗演示［J］．物理實驗，2010，30（7）：28．

［7］ 董潤民，于微光．鳥的飼馴與玩賞［M］．上海：上?？茖W技術文獻出版社，2001：30．