紅外防近視儀的設計研究

許粲羚

中國人民大學附屬中學，北京 100080

0 引言

伴隨著21世紀的高科技潮流，電視、電腦廣泛進入中國普通家庭；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烈的輻射，隨之而來的是青少年的近視問題。據中國衛生部調查報告，中國青少年近視眼發病率高達60%～70%，遠遠超過其他國家，排在世界第二位。調查結果顯示，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、看電視。

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

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人體彎曲程度，卻不能感應距離，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距離，但是角度響應范圍很小，只有當傳感器與書本表面呈固定夾角時才能準確工作。角度變化時就會出現誤差；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不一樣，這同樣會給距離測量帶來誤差。

本文提出并設計一種紅外防近視儀，這種防近視儀能夠比現有的防近視產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

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

1.1 目標物體表面特征

紅外光與表面發生相互作用，產生散射、吸收和反射等現象。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。為了準確測量探測器到目標物體的距離，必須先測量目標物體的表面特征，即散射、吸收和反射系數。

圖1所示是描述探測器發射紅外光，紅外光與物體表面相互作用的模型。經過推導，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，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是在不同材質表面，紅外探測器的距離響應[1]。從圖中可以看出，不同材質構成的表面能很大程度影響探測器的距離響應。

圖2 不同材質表面，紅外探測器的距離響應

1.2 入射光與物體表面夾角

紅外探測器發出的光有一定的角度范圍，如圖3和圖4所示。當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；而當探測器與表面不是垂直關系，如圖4所示，則有部分能量不在光敏面積之內，接收的能量相比垂直情況下要少，那么響應強度也會減小。

因此，在同一距離下，探測器與表面的相對傾角不同，響應強度也不同。已有的結果表明[2]，距離12cm時在某一傾角觀測時，探測器的響應值與18cm處探測器與表面相對垂直時的值相等，這時就會出現錯誤。在距離大于25cm時，探測器的響應同樣相差很小。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，探測器的響應曲線

2 方案設計

根據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，幫助保護使用者視力，防止用眼不當和用眼過度。

目標物體的表面特征。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可能對應的是不同的距離。所以使用探測器時一定要有針對性。在本方案中，將存儲多組數據，以適應不同表面下的探測器響應。

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。采用傾角傳感器直接感應紅外探測器與水平面的夾角。

目標物體的顏色。探測器發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，本方案單獨用另一套測距裝置，并將其測出的數據與紅外線儀器相結合，以糾正由于距離的遠近而存在的偏差。

用眼時間的控制，根據前面測出的目標物體的表面特征，對應數據可確定用眼時面對的是電腦，紙質書本，還是電子書等，再對應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，保證角度測量的準確性。紅外探測器感應物體表面的功能，可以采用人性化設計，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。當紅外探測器面對電腦屏幕時，探測器將默認屏幕與水平面垂直，為了保證測距的準確性，可以考慮±10°的變化范圍，利用軟件算法，保證測距的準確性。為了增加探測器的使用時間，探測器的電源設計為可充電電源。

圖6 原理框圖

4 結論

本方案純屬原理設計，是對紅外防近視儀的一個改進設想，在實際的軟件及儀器的設計上仍需完善。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。

[1]吳芳，孫志浩，李永峰，等.紅外測距在防近視中的應用[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，2005(1)：23-25.