許粲羚

中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080

0 引言

伴隨著21世紀(jì)的高科技潮流，電視、電腦廣泛進(jìn)入中國普通家庭；人們對更清晰、更真實視覺感受的追求催生出大量的、各種各樣的屏幕。然而高清屏幕對人的眼睛有強(qiáng)烈的輻射，隨之而來的是青少年的近視問題。據(jù)中國衛(wèi)生部調(diào)查報告，中國青少年近視眼發(fā)病率高達(dá)60%～70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家，排在世界第二位。調(diào)查結(jié)果顯示，大部分青少年近視的原因是握筆、看書的姿勢不正確及過度上網(wǎng)、看電視。

青少年普遍的近視問題也促使了防近視產(chǎn)品的研發(fā)。目前市場上主要有兩類防近視產(chǎn)品：1）利用水平儀的防近視儀，利用水平儀感應(yīng)學(xué)生讀書、寫字時腦袋彎曲的程度。如果感應(yīng)到彎曲程度過大，儀器就會亮燈或振動，或者用音樂進(jìn)行提醒；2）運(yùn)用紅外探測器測距原理的耳麥?zhǔn)椒澜晝x，運(yùn)用紅外探測器，對眼睛與書本之間的距離進(jìn)行探測。如果距離小于33cm～35cm，儀器會發(fā)出提示信號。

上述兩類防近視儀，雖可在一定程度上校正不正確的讀書姿勢，防止近視，但是還存在缺陷和很多不完善的地方。第一類防近視儀感應(yīng)人體彎曲程度，卻不能感應(yīng)距離，無法判斷眼睛與書本的距離是否合適。尤其是對于幼齡兒童而言，由于身高不夠，即使姿勢正確，眼睛到書本的距離仍然有可能小于33cm～35cm；另外，這類防近視儀只能防止握筆、讀書姿勢不正確，而不能有效保證青少年在使用電腦時的用眼健康。第二類防近視儀雖能感應(yīng)距離，但是角度響應(yīng)范圍很小，只有當(dāng)傳感器與書本表面呈固定夾角時才能準(zhǔn)確工作。角度變化時就會出現(xiàn)誤差；同樣，這類防近視儀也不能有效保證青少年在使用電腦時的正確姿勢及合適距離；再者，這類防近視儀也沒有考慮電腦屏幕與書本的材質(zhì)不一樣，這同樣會給距離測量帶來誤差。

本文提出并設(shè)計一種紅外防近視儀，這種防近視儀能夠比現(xiàn)有的防近視產(chǎn)品更有效地糾正不正確的握筆、讀書寫字姿勢，而且能有效防止過度用眼帶來的近視問題。

1 紅外防近視儀的工作原理

所設(shè)計的紅外防近視儀運(yùn)用紅外探測器測量眼睛與書本或電腦屏幕的距離，當(dāng)距離小于一定范圍時發(fā)出警告信號。紅外光入射到物體表面發(fā)生反射，探測器感應(yīng)反射紅外光的強(qiáng)度，從而計算距離。紅外探測器的響應(yīng)強(qiáng)度受到多種外界因素的影響：目標(biāo)物體的表面特征[1，2]、入射光與物體表面的夾角[1，2]、目標(biāo)物體的顏色、紅外探測器的距離響應(yīng)[1，2]。

1.1 目標(biāo)物體表面特征

紅外光與表面發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射、吸收和反射等現(xiàn)象。在同一光照條件下，不同的表面對光的散射、吸收和反射的比例是不相同的。為了準(zhǔn)確測量探測器到目標(biāo)物體的距離，必須先測量目標(biāo)物體的表面特征，即散射、吸收和反射系數(shù)。

圖1所示是描述探測器發(fā)射紅外光，紅外光與物體表面相互作用的模型。經(jīng)過推導(dǎo)，可得障礙物與物體表面的距離：

圖1 紅外光與表面相互作用

式（1）中，c0、c1為障礙物的紅外輻射參數(shù)，r、E分別為紅外探測器的半徑和接受的紅外光能量。E可以通過探測器讀數(shù)直接讀出，一旦知道了α，就可以得到障礙物距離。

圖2是在不同材質(zhì)表面，紅外探測器的距離響應(yīng)[1]。從圖中可以看出，不同材質(zhì)構(gòu)成的表面能很大程度影響探測器的距離響應(yīng)。

圖2 不同材質(zhì)表面，紅外探測器的距離響應(yīng)

1.2 入射光與物體表面夾角

紅外探測器發(fā)出的光有一定的角度范圍，如圖3和圖4所示。當(dāng)探測器與表面垂直時，探測器會接收絕大部分的能量，僅有小部分損失；而當(dāng)探測器與表面不是垂直關(guān)系，如圖4所示，則有部分能量不在光敏面積之內(nèi)，接收的能量相比垂直情況下要少，那么響應(yīng)強(qiáng)度也會減小。

因此，在同一距離下，探測器與表面的相對傾角不同，響應(yīng)強(qiáng)度也不同。已有的結(jié)果表明[2]，距離12cm時在某一傾角觀測時，探測器的響應(yīng)值與18cm處探測器與表面相對垂直時的值相等，這時就會出現(xiàn)錯誤。在距離大于25cm時，探測器的響應(yīng)同樣相差很小。為了判斷這兩種情況，改善探測器的角度響應(yīng)精確性顯得尤為重要。

圖3 探測器與表面垂直

圖4 探測器相對表面有傾角

1.3 目標(biāo)物體顏色

不同顏色對紅外光的吸收程度不一，因此同一距離、同一傾角、同一表面的情況下，如果顏色不一樣，探測器接收的能量也不一樣。黑色表面將吸收絕大部分的能量，很少發(fā)生反射；而白色表面幾乎不吸收，絕大部分能量被反射。如圖5所示：

圖5 不同顏色表面時，探測器的響應(yīng)曲線

2 方案設(shè)計

根據(jù)前面對目前市場上防近視儀的影響因素的分析，本方案選擇致力于：1）改善影響探測器測距精度的四個因素；2）通過對使用者用眼角度，用眼距離，及用眼時間的提示并糾正，幫助保護(hù)使用者視力，防止用眼不當(dāng)和用眼過度。

目標(biāo)物體的表面特征。探測器面對的表面是書本、紙張、電子書屏幕、電腦屏幕等。這些表面的反射特性都是不一樣的，在不同表面下獲得的同一讀數(shù)可能對應(yīng)的是不同的距離。所以使用探測器時一定要有針對性。在本方案中，將存儲多組數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同表面下的探測器響應(yīng)。

入射光與物體表面夾角。由于人體的晃動，入射光與表面的夾角總是在變化的，相對角度的變化會影響探測器的讀數(shù)。采用傾角傳感器直接感應(yīng)紅外探測器與水平面的夾角。

目標(biāo)物體的顏色。探測器發(fā)出的紅外光有一定的覆蓋面積，而且一張紙上不可能全是一種顏色，而是黑白相間的字體和空白的組合，故其顏色對探測器的影響可以忽略。

紅外探測器在3cm～25cm范圍內(nèi)能精確測距，小于3cm，探測器飽和；大于25cm，信號太弱，探測器檢測不到。針對紅外探測器這一特性，本方案單獨(dú)用另一套測距裝置，并將其測出的數(shù)據(jù)與紅外線儀器相結(jié)合，以糾正由于距離的遠(yuǎn)近而存在的偏差。

用眼時間的控制，根據(jù)前面測出的目標(biāo)物體的表面特征，對應(yīng)數(shù)據(jù)可確定用眼時面對的是電腦，紙質(zhì)書本，還是電子書等，再對應(yīng)不同用眼情況確定最佳一次用眼時間，以計時器計時。

3 方案說明

圖6所示是方案的原理框圖。紅外探測器與角度傳感器必須平行，保證角度測量的準(zhǔn)確性。紅外探測器感應(yīng)物體表面的功能，可以采用人性化設(shè)計，使用按鍵控制。面對紙張時，探測器工作模式為1；面對電子書，探測器模式為2；面對電腦屏幕時，探測器工作模式為3。這些模式之間的切換使用按鍵實現(xiàn)。當(dāng)紅外探測器面對電腦屏幕時，探測器將默認(rèn)屏幕與水平面垂直，為了保證測距的準(zhǔn)確性，可以考慮±10°的變化范圍，利用軟件算法，保證測距的準(zhǔn)確性。為了增加探測器的使用時間，探測器的電源設(shè)計為可充電電源。

圖6 原理框圖

4 結(jié)論

本方案純屬原理設(shè)計，是對紅外防近視儀的一個改進(jìn)設(shè)想，在實際的軟件及儀器的設(shè)計上仍需完善。由于對儀器的要求很精確，目前可能還不支持大批量廉價生產(chǎn)。

[1]吳芳，孫志浩，李永峰，等.紅外測距在防近視中的應(yīng)用[J].科技信息，2008(15)：485-486.

[2]晏敏，顏永紅，曾云，等.非接觸式紅外測溫原理及誤差分析[J].計量技術(shù)，2005(1)：23-25.