多媒体教室光环境对师生视力影响的探讨

多媒体教室光环境对师生视力影响的探讨（源于《中国教育技术装备》2010年第15期）艾伦1薛鹏2何智31首都师范大学1000482北京联合大学旅游学院1001013北京市教育技术设备中心100034摘要：本文从投影机的实际光通量、教室的实际光照度、学生视力下降的趋势等问题的分析出发，用数据来提醒我们教育装备人，必须对多媒体教室光环境有可能造成师生视力减退的问题引起高度重视。关键词：投影机；光通量；光照度；光环境；视力VisualAffectsofMultimediaClassroomLightEnvironmentAiLun1XuePeng2HeZhi31CapitalNormalUniversity1000482TourismInstituteofBeijingUnionUniversity1001013BeijingEducationalTechnologyEquimentCenter100034Abstract:Inthispaper,theactualluminousfluxprojector,theactualilluminationclassroom,studentsandothervisionproblemsdownthetrendanalysis,weusethedatatoremindoureducators,mustbemulti-mediaclassroomteachersandstudentsofLightvisionlosscausedbytheproblemseriously.Keywords:projector;flux;illumination;lightenvironment;vision多媒体教室随着信息技术的高速发展正以人们无法预料的态势在大、中、小学广泛推广使用，而这些多媒体教室的构成又都无一例外地是以大屏幕投影机为整个系统的显示核心设备。为了能够得到投影的最佳效果，人们往往是以降低教室的光环境为代价，这就有可能成为影响长期在教室中进行教学活动的师生视力的重要因素。为了对这一现象产生的原因和对视力影响的因果关系有一个大致的了解，本文从投影机的实际光通量、教室的实际光照度、学生视力下降的趋势等问题的分析出发，用数据来提醒我们教育装备人必须对此引起高度重视。1．投影机的实际光通量及测量1.1测量原理投影机厂商在提供投影机的“亮度”标称值时使用的单位（ANSI流明）实际为光通量的单位（ANSI是AmericanNationalStandardsInstitute即美国国家标准学会的英文缩写），而并非光度学意义上的亮度单位。光通量这个物理量是用来说明在一个固定的立体角中所具有的全部光功率，在光度学中光通量常用大写希腊字母Φ来表示，单位为流明（lumen，简记作lm）。与此相关的另一个物理量是光强，即发光强度，一般用大写拉丁字母I来表示，单位为烛光或坎德拉（candle，简记作cd）；光强是单位立体角内的光通量。我们平常使用最多的光度学中的物理量是光照度，或简称照度，常用大写拉丁字母E来表示，单位为勒克斯（lux或简记作lx）；照度是单位面积上通过的光通量，所以照度与光通量的单位之间的换算为1lux=1lm/m2。光度学中的亮度常被称为辉度，它是反映一个被光照射的物体对光反射的情况，一般用大写拉丁字母L来表示，单位为尼特（nit，1nit=1cd/m2）；对于投影机来说，这个物理量的大小取决于投影幕的质量和反射光的效率。图1反映了上述这些物理量之间的关系，这是我们进行实际测量时的依据。一个具有4cd发光强度的发光体在如图所示的立体角中产生了4lm的光通量，在距离该发光体1m远的地方，并恰好充满在这个立体角中有一个1m2的平面S1，则在S1上面产生的照度就应该是4lux。在距离该发光体2m远，并也充满该立体角的平面S2的面积显然应该为4m2，在S2上面产生的照度就是1lux。所以，当投影幕越大且离投影机越远时，它上面的照度就越低。而我们则可以根据在投影幕处测量的照度值，用它乘以投影幕的面积，就能够计算出该投影机光通量的流明数。图1各光度学物理量之间的关系在普通多媒体教室中测量投影机的实际光通量（即厂商说的投影机亮度）可采用下面的方法，测量时需要使用光照度计。（1）打开投影机并预热5分钟以上；（2）在投影幕上投出如图2所示的纯黑白图像（使用Word或PowerPoint都可以）；（3）用照度计在图像中白（实际为亮）的部分测出照度值Ew，在图像中黑（实际为暗）的部分测出照度值Eb；（4）根据投影幕的尺寸计算出其面积S（参考表1）[1]；（5）利用关系式SEEbw)(计算出的数值Φ，即该投影机实际能够产生的光通量，也就是投影机厂商所说的亮度的实际值。图2用于测试的图像这种测量方法的原理是这样的。首先，我们认为对投影幕图像上产生的光照度，除了投影机的贡献外还有室内灯光和透过玻璃窗室外日光的共同作用，并且室内灯光和室外日光作用在银幕上的光线是均匀分布的。投影幕上图像中黑色部分没有来自投影机的光线，因为这部分光线被投影机中光学系统的相关部分挡住了，只有室内灯光和室外日光的作用。而图像中白色部分除了室内灯光和室外日光的作用外，主要还有来自投影机而产生最大照度的那些光线，所以)(bwEE的数值就成为投影机在投影幕上产生的最大照度。用这个照度值乘以投影幕的总面积，就得出了投影机的实际光通量（即投影机的实际亮度）。这是因为投影机产生的全部光通量都作用而且仅作用在投影幕上的结果。表1各种常用投影幕尺寸与面积规格4:3规格(对角线:长:宽=5:4:3)16:9规格（对角线:长:宽=18.4:16:9）对角线长宽面积对角线长宽面积80英寸2.03m1.63m1.22m1.98m22.03m1.77m1m1.76m2100英寸2.54m2.03m1.52m3.1m22.54m2.21m1.25m2.76m2120英寸3.05m2.44m1.83m4.46m23.05m2.66m1.49m3.97m2150英寸3.81m3.05m2.29m6.97m23.81m3.32m1.87m6.2m21.2实际测量采用上面的方法，我们对几个学校共计8个多媒体教室投影机的光通量进行了实际测量，结果开列在表2中。测量时为了使数据可靠而使用了3个不同型号的测光设备，其中有深圳产LX-1010B数字式照度计、台湾产TES-1330A数字式照度计和香港产AR813A数字式照度计。各个教室的照明条件也不相同，1号和6号教室的玻璃窗朝向阳面，而且将室内电灯和遮阳窗帘都全部打开；2号和3号教室的玻璃窗朝向阴面，室内电灯和遮阳窗帘也都被全部打开；5号教室的玻璃窗朝向阴面，将室内电灯全部关闭但遮阳窗帘被打开；7号和8号教室内电灯全部打开但遮阳窗帘被关闭；4号教室的电灯和遮阳窗帘全部都是关闭的。另外，7号教室使用的是一块长宽比16:9的电子白板，尺寸为100英寸。其它7个教室的投影幕都是4:3长宽比的。从实测的结果可以看出：（1）所有投影机的实际光通量都没有达到产品标称值；（2）银幕上显示图像实际对比度与室内照明的关系十分紧密；（3）面积50m2左右的教室为了提高投影显示效果，应该选用80到100英寸的投影幕，没有必要采用120英寸的。表2部分投影机实际光通量测试结果教室编号12345678投影机品牌EpsonEpsonPlusEpsonEpsonEpsonSanyoEpson投影机型号7900785U5-726790079007900T3055100投影机标称亮度40003000400040004000400050004000投影机购置日期2009.112007.92009.92009.32009.122009.92009.92009.9投影幕尺寸120100100120150150100（16:9）120教室面积505050501059010550照明条件阳面、开灯、开窗帘阴面、开灯、开窗帘阴面、开灯、开窗帘关灯、关窗帘阴面、关灯、开窗帘阳面、开灯、开窗帘开灯、关窗帘开灯、关窗帘LX-1010B测量的照度Ew850458487591471720822647Eb58037931815223583143155TES-1330A测量的照度Ew830480493592482812828638Eb56537531111233618145148AR813A测量的照度Ew830478482601466785826642Eb51535531813231540137128平均实际光通量126331753225941700133818862224平均实际对比度1.5:11.3:11.5:145.7:12.1:11.3:15.8:14.5:1投影机标称亮度单位为ANSI流明；投影幕尺寸单位为英寸；教室面积单位为平方米；照度单位为lux（勒克司）；光通量单位为lm（流明）（注：测量时间为2010年4月26日至29日）1.3其它因素还有一个实际情况必须加以强调说明。笔者在进行测量的时候正值学校师生在许多多媒体教室上课，为了不影响正常教学，我们选择了那些没有安排课程的空教室进行测量，所以测试时的光环境并非都是真实的课堂环境。而当笔者经过那些正在上课的多媒体教室时，通过走廊的小玻璃门窗可以看到室内实际的照明情况，其中大部分教室是关闭遮光窗帘而打开部分电灯，用肉眼估计室内的照度应该小于100lux。另外一些教室为了追求投影的图像效果则是关闭了全部电灯和窗帘，估计室内照度在50lux以下。除此之外，对测量工具的情况也必须介绍清楚。本次测量的设备有LX-1010B、TES-1330A和AR813A等三种型号的数字式照度计，这些设备的光传感器前加装了滤光片。市面上的所有照度计的光传感器部分其实都加装了滤光片，使用滤光片和不使用滤光片测量的结果是不同的。这里有一个理念的问题，即我们用光传感器测量光照度的目的是什么。如果用照度计测量实际客观物理量就不应加装滤光片，此时，照度计反映出的照度值是光源在测试点产生的实际照度分布。但是，因为人眼的光感对光的波长来说是非线性的（如图3），人们测量的照度是光度学中的物理量，而光度学的研究目的是针对人眼对光的感觉来处理光环境，为了使照度计与人眼的光感一致则必须加装滤光片。所以，我们在实际测量时使用了带有滤光片的光传感器。图3人眼光感与光波长的关系关于投影机光通量ANSI流明的测量方法在互联网上有很多介绍，叙述基本如下：“（1）投影机与银幕之间距离2.4米；（2）银幕为60英寸；（3）用测光笔测量屏幕‘田’字形九个交叉点上的各点照度，乘以面积，得到投影画面的9个点的亮度；（4）求出9个点亮度的平均值，就是ANSI流明。”笔者认为，其中的测光笔应该理解为照度计的笔形光传感器，亮度应该理解为照度。但是，所有的网上文章都没有说明光传感器是否加装了滤光片。我们可以做这样的假设，即厂商在上述测量中使用的光传感器没有加装滤光片，则测量的数值都偏大，这也就解释了厂商对投影机产品光通量的标称值为什么要大于我们的实测值。但这种测量方式显然没有真实反映人眼的实际光感，是一个错误的数值。2．多媒体教室的光照度与投影机的关系2.1视觉对对比度的要求人眼对银幕上投影的对比度是非常挑剔的，对比度太低，图像缺乏层次感而清晰度就不够。但是，对比度太高也没有实际意义，人眼对黑白对比度的分辨能力其实也并不太高，一般只有40到60级，或记作40:1到60:1[2]。根据大面积着色原理，在显示彩色图像的情况下，这个对比度还可以再降低些，但最低不能够低于10:1，否则图像质量太差要影响教学效果。图像对比度反映到投影机的银幕显示上是通过亮暗对比度表现出来的，黑其实表现为暗，而白则表现为亮。测量显示图像实际的最大黑白对比度，只需测量投影幕上的最大亮暗对比度即可。利用前面测量投影机光照度的值，就可以计算出该投影机的亮暗对比度值，它们之间的关系表达式为：实际对比度bwbwEEEEC/:，也就是用图2所示黑白图像中亮的部分的照度值除以暗的部分的照度值。表2的最后一行显示出了各种投影机在