红外防近视仪的设计研究

时间：2024-05-20

许粲羚

中国人民大学附属中学，北京 100080

0 引言

伴随着21世纪的高科技潮流，电视、电脑广泛进入中国普通家庭；人们对更清晰、更真实视觉感受的追求催生出大量的、各种各样的屏幕。然而高清屏幕对人的眼睛有强烈的辐射，随之而来的是青少年的近视问题。据中国卫生部调查报告，中国青少年近视眼发病率高达60%～70%，远远超过其他国家，排在世界第二位。调查结果显示，大部分青少年近视的原因是握笔、看书的姿势不正确及过度上网、看电视。

青少年普遍的近视问题也促使了防近视产品的研发。目前市场上主要有两类防近视产品：1）利用水平仪的防近视仪，利用水平仪感应学生读书、写字时脑袋弯曲的程度。如果感应到弯曲程度过大，仪器就会亮灯或振动，或者用音乐进行提醒；2）运用红外探测器测距原理的耳麦式防近视仪，运用红外探测器，对眼睛与书本之间的距离进行探测。如果距离小于33cm～35cm，仪器会发出提示信号。

上述两类防近视仪，虽可在一定程度上校正不正确的读书姿势，防止近视，但是还存在缺陷和很多不完善的地方。第一类防近视仪感应人体弯曲程度，却不能感应距离，无法判断眼睛与书本的距离是否合适。尤其是对于幼龄儿童而言，由于身高不够，即使姿势正确，眼睛到书本的距离仍然有可能小于33cm～35cm；另外，这类防近视仪只能防止握笔、读书姿势不正确，而不能有效保证青少年在使用电脑时的用眼健康。第二类防近视仪虽能感应距离，但是角度响应范围很小，只有当传感器与书本表面呈固定夹角时才能准确工作。角度变化时就会出现误差；同样，这类防近视仪也不能有效保证青少年在使用电脑时的正确姿势及合适距离；再者，这类防近视仪也没有考虑电脑屏幕与书本的材质不一样，这同样会给距离测量带来误差。

本文提出并设计一种红外防近视仪，这种防近视仪能够比现有的防近视产品更有效地纠正不正确的握笔、读书写字姿势，而且能有效防止过度用眼带来的近视问题。

1 红外防近视仪的工作原理

所设计的红外防近视仪运用红外探测器测量眼睛与书本或电脑屏幕的距离，当距离小于一定范围时发出警告信号。红外光入射到物体表面发生反射，探测器感应反射红外光的强度，从而计算距离。红外探测器的响应强度受到多种外界因素的影响：目标物体的表面特征[1，2]、入射光与物体表面的夹角[1，2]、目标物体的颜色、红外探测器的距离响应[1，2]。

1.1 目标物体表面特征

红外光与表面发生相互作用，产生散射、吸收和反射等现象。在同一光照条件下，不同的表面对光的散射、吸收和反射的比例是不相同的。为了准确测量探测器到目标物体的距离，必须先测量目标物体的表面特征，即散射、吸收和反射系数。

图1所示是描述探测器发射红外光，红外光与物体表面相互作用的模型。经过推导，可得障碍物与物体表面的距离：

图1 红外光与表面相互作用

式（1）中，c0、c1为障碍物的红外辐射参数，r、E分别为红外探测器的半径和接受的红外光能量。E可以通过探测器读数直接读出，一旦知道了α，就可以得到障碍物距离。

图2是在不同材质表面，红外探测器的距离响应[1]。从图中可以看出，不同材质构成的表面能很大程度影响探测器的距离响应。

图2 不同材质表面，红外探测器的距离响应

1.2 入射光与物体表面夹角

红外探测器发出的光有一定的角度范围，如图3和图4所示。当探测器与表面垂直时，探测器会接收绝大部分的能量，仅有小部分损失；而当探测器与表面不是垂直关系，如图4所示，则有部分能量不在光敏面积之内，接收的能量相比垂直情况下要少，那么响应强度也会减小。

因此，在同一距离下，探测器与表面的相对倾角不同，响应强度也不同。已有的结果表明[2]，距离12cm时在某一倾角观测时，探测器的响应值与18cm处探测器与表面相对垂直时的值相等，这时就会出现错误。在距离大于25cm时，探测器的响应同样相差很小。为了判断这两种情况，改善探测器的角度响应精确性显得尤为重要。

图3 探测器与表面垂直

图4 探测器相对表面有倾角

1.3 目标物体颜色

不同颜色对红外光的吸收程度不一，因此同一距离、同一倾角、同一表面的情况下，如果颜色不一样，探测器接收的能量也不一样。黑色表面将吸收绝大部分的能量，很少发生反射；而白色表面几乎不吸收，绝大部分能量被反射。如图5所示：

图5 不同颜色表面时，探测器的响应曲线

2 方案设计

根据前面对目前市场上防近视仪的影响因素的分析，本方案选择致力于：1）改善影响探测器测距精度的四个因素；2）通过对使用者用眼角度，用眼距离，及用眼时间的提示并纠正，帮助保护使用者视力，防止用眼不当和用眼过度。

目标物体的表面特征。探测器面对的表面是书本、纸张、电子书屏幕、电脑屏幕等。这些表面的反射特性都是不一样的，在不同表面下获得的同一读数可能对应的是不同的距离。所以使用探测器时一定要有针对性。在本方案中，将存储多组数据，以适应不同表面下的探测器响应。

入射光与物体表面夹角。由于人体的晃动，入射光与表面的夹角总是在变化的，相对角度的变化会影响探测器的读数。采用倾角传感器直接感应红外探测器与水平面的夹角。

目标物体的颜色。探测器发出的红外光有一定的覆盖面积，而且一张纸上不可能全是一种颜色，而是黑白相间的字体和空白的组合，故其颜色对探测器的影响可以忽略。

红外探测器在3cm～25cm范围内能精确测距，小于3cm，探测器饱和；大于25cm，信号太弱，探测器检测不到。针对红外探测器这一特性，本方案单独用另一套测距装置，并将其测出的数据与红外线仪器相结合，以纠正由于距离的远近而存在的偏差。

用眼时间的控制，根据前面测出的目标物体的表面特征，对应数据可确定用眼时面对的是电脑，纸质书本，还是电子书等，再对应不同用眼情况确定最佳一次用眼时间，以计时器计时。

3 方案说明

图6所示是方案的原理框图。红外探测器与角度传感器必须平行，保证角度测量的准确性。红外探测器感应物体表面的功能，可以采用人性化设计，使用按键控制。面对纸张时，探测器工作模式为1；面对电子书，探测器模式为2；面对电脑屏幕时，探测器工作模式为3。这些模式之间的切换使用按键实现。当红外探测器面对电脑屏幕时，探测器将默认屏幕与水平面垂直，为了保证测距的准确性，可以考虑±10°的变化范围，利用软件算法，保证测距的准确性。为了增加探测器的使用时间，探测器的电源设计为可充电电源。

图6 原理框图