多媒體教室光環境對師生視力影響的探討

多媒體教室隨著信息技術的高速發展正以人們無法預料的態勢在大、中、小學廣泛推廣使用，而這些多媒體教室的構成又都無一例外地是以大屏幕投影機為整個系統的顯示核心設備。為了能夠得到投影的最佳效果，人們往往是以降低教室的光環境為代價，這就有可能成為影響長期在教室中進行教學活動的師生視力的重要因素。為了對這一現象產生的原因和對視力影響的因果關系有一個大致的了解，本文從投影機的實際光通量、教室的實際光照度、學生視力下降的趨勢等問題的分析出發，用數據來提醒我們教育裝備人必須對此引起高度重視。

　　1.投影機的實際光通量及測量

　　1.1測量原理

　　投影機廠商在提供投影機的“亮度”標稱值時使用的單位(ANSI流明)實際為光通量的單位(ANSI是AmericanNationalStandardsInstitute即美國國家標準學會的英文縮寫)，而并非光度學意義上的亮度單位。光通量這個物理量是用來說明在一個固定的立體角中所具有的全部光功率，在光度學中光通量常用大寫希臘字母Φ來表示，單位為流明(lumen，簡記作lm)。與此相關的另一個物理量是光強，即發光強度，一般用大寫拉丁字母I來表示，單位為燭光或坎德拉(candle，簡記作cd);光強是單位立體角內的光通量。我們平常使用最多的光度學中的物理量是光照度，或簡稱照度，常用大寫拉丁字母E來表示，單位為勒克斯(lux或簡記作lx);照度是單位面積上通過的光通量，所以照度與光通量的單位之間的換算為1lux=1lm/m2。光度學中的亮度常被稱為輝度，它是反映一個被光照射的物體對光反射的情況，一般用大寫拉丁字母L來表示，單位為尼特(nit，1nit=1cd/m2);對于投影機來說，這個物理量的大小取決于投影幕的質量和反射光的效率。1反映了上述這些物理圖量之間的關系，這是我們進行實際測量時的依據。一個具有4cd發光強度的發光體在如圖所示的立體角中產生了4lm的光通量，在距離該發光體1m遠的地方，并恰好充滿在這個立體角中有一個1m2的平面S1，則在S1上面產生的照度就應該是4lux。在距離該發光體2m遠，并也充滿該立體角的平面S2的面積顯然應該為4m2，S2上面產生的照度就是1lux。在所以，當投影幕越大且離投影機越遠時，它上面的照度就越低。而我們則可以根據在投影幕處測量的照度值，用它乘以投影幕的面積，就能夠計算出該投影機光通量的流明數。

　　圖1各光度學物理量之間的關系

　　在普通多媒體教室中測量投影機的實際光通量(即廠商說的投影機亮度)可采用下面的方法，測量時需要使用光照度計。(1)打開投影機并預熱5分鐘以上;(2)在投影幕上投出,如圖2所示的純黑白圖像(使用Word或PowerPoint都可以);(3)用照度計在圖像中白(實際為亮)的部分測出照度值Ew，在圖像中黑(實際為暗)的部分測出照度值Eb;(4)根據

　　投影幕的尺寸計算出其面積S(參考表1)[1];(5)利用關系式Φ=(Ew-Eb)*S計算出的數值

　　Φ，即該投影機實際能夠產生的光通量，也就是投影機廠商所說的亮度的實際值。

　　圖2用于測試的圖像

　　這種測量方法的原理是這樣的。首先，我們認為對投影幕圖像上產生的光照度，除了投影機的貢獻外還有室內燈光和透過玻璃窗室外日光的共同作用，并且室內燈光和室外日光作用在銀幕上的光線是均勻分布的。投影幕上圖像中黑色部分沒有來自投影機的光線，因為這部分光線被投影機中光學系統的相關部分擋住了，只有室內燈光和室外日光的作用。而圖像中白色部分除了室內燈光和室外日光的作用外，主要還有來自投影機而產生最大照度的那些光線，所以(Ew-Eb)的數值就成為投影機在投影幕上產生的最大照度。用這個照度值乘以投影幕的總面積，就得出了投影機的實際光通量(即投影機的實際亮度)。這是因為投影機產生的全部光通量都作用而且僅作用在投影幕上的結果。

　　表1各種常用投影幕尺寸與面積

　　1.2實際測量

　　采用上面的方法，我們對幾個學校共計8個多媒體教室投影機的光通量進行了實際測量，結果開列在表2中。測量時為了使數據可靠而使用了3個不同型號的測光設備，其中有深圳產LX-1010B數字式照度計、臺灣產TES-1330A數字式照度計和香港產AR813A數字式照度計。各個教室的照明條件也不相同，1號和6號教室的玻璃窗朝向陽面，而且將室內電燈和遮陽窗簾都全部打開;2號和3號教室的玻璃窗朝向陰面，室內電燈和遮陽窗簾也都被全部打開;5號教室的玻璃窗朝向陰面，將室內電燈全部關閉但遮陽窗簾被打開;7號和8號教室內電燈全部打開但遮陽窗簾被關閉;4號教室的電燈和遮陽窗簾全部都是關閉的。另外，7號教室使用的是一塊長寬比16:9的電子白板，尺寸為100英寸。其它7個教室的投影幕都是4:3長寬比的。從實測的結果可以看出：(1)所有投影機的實際光通量都沒有達到產品標稱值;(2)銀幕上顯示圖像實際對比度與室內照明的關系十分緊密;(3)面積50㎡左右的教室為了提高投影顯示效果，應該選用80到100英寸的投影幕，沒有必要采用120英寸的。

　　1.3其它因素

　　還有一個實際情況必須加以強調說明。筆者在進行測量的時候正值學校師生在許多多媒體教室上課，為了不影響正常教學，我們選擇了那些沒有安排課程的空教室進行測量，所以測試時的光環境并非都是真實的課堂環境。而當筆者經過那些正在上課的多媒體教室時，通過走廊的小玻璃門窗可以看到室內實際的照明情況，其中大部分教室是關閉遮光窗簾而打開部分電燈，用肉眼估計室內的照度應該小于100lux。另外一些教室為了追求投影的圖像效果則是關閉了全部電燈和窗簾，估計室內照度在50lux以下。除此之外，對測量工具的情況也必須介紹清楚。本次測量的設備有LX-1010B、TES-1330A和AR813A等三種型號的數字式照度計，這些設備的光傳感器前加裝了濾片。

　　市面上的所有照度計的光傳感器部分其實都加裝了濾光片，使用濾光片和不使用濾光片測量的結果是不同的。這里有一個理念的問題，即我們用光傳感器測量光照度的目的是什么。如果用照度計測量實際客觀物理量就不應加裝濾光片，此時，照度計反映出的照度值是光源在測試點產生的實際照度分布。但是，因為人眼的光感對光的波長來說是非線性的(如圖3)，人們測量的照度是光度學中的物理量，而光度學的研究目的是針對人眼對光的感覺來處理光環境，為了使照度計與人眼的光感一致則必須加裝濾光片。所以，我們在實際測量時使用了帶有濾光片的光傳感器。