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作者：劉騰海、孫建佩

摘要

顯示屏已經(jīng)成為人們生活中*的信息溝通工具：可穿戴顯示、手機(jī)、平板、家電以及廣告娛樂(lè)等，充斥著生活的各個(gè)角落。不僅如此，人們注視顯示屏的時(shí)間也在不斷攀升，長(zhǎng)達(dá)日均8h[1]。在關(guān)注顯示品質(zhì)的同時(shí)，人們對(duì)顯示產(chǎn)品的光輻射安全和健康影響也越來(lái)越重視，特別是由于長(zhǎng)時(shí)間注視高亮屏可能帶來(lái)的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害，以及對(duì)人的生物節(jié)律造成影響的非視覺(jué)生物效應(yīng)，與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正在熱議中。本文將結(jié)合LCD、LED以及OLED等不同顯示產(chǎn)品的特點(diǎn)，闡述藍(lán)光對(duì)人體安全和健康的影響，深入分析其評(píng)價(jià)方法和檢測(cè)技術(shù)，為業(yè)內(nèi)提供參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：顯示屏，視網(wǎng)膜藍(lán)光危害，非視覺(jué)生物效應(yīng)，生物節(jié)律，測(cè)量方法

Abstract：

Displays are the important information medium for wearable technologies, cell phone, evision, computer and entertainment facilities etc. And with the fast application of displays, people are exposed to such displays for longer and longer, even up to 8 hours per day[9]. Therefore, the radiation of displays to humanbody attracts much attention gradually, especially with the appearance of high quality & new LED/OLED display technologies. The assessment of blue light is the most concern since it falls in the wavelength range of display’s radiation and its effects to human eyes are demonstrated in many CIE & IEC standards, and technical reports etc., including blue light hazard and its effect to human’s circadian rhythm. In this paper, effects of blue light to humanbody are detailed for LCD, LED and OLED etc.. Furthermore, the measurement solutions of blue light hazard and circadian rhythms is given for industry reference.

Key Words: Displays, Blue Light Hazard, Non-Image Forming Effects, Circadian Rhythms, Measurement Solutions.

1.引言

隨著顯示技術(shù)的迅猛發(fā)展，顯示屏的種類(lèi)越來(lái)越多，如LCD，LED，OLED以及PLED等等，新型顯示技術(shù)不僅在反應(yīng)速度、色域范圍以及使用壽命上大幅改善，在視覺(jué)感官上，以O(shè)LED為代表的新生代顯示，以其優(yōu)良的畫(huà)質(zhì)、輕薄的結(jié)構(gòu)以及自由的設(shè)計(jì)成為智能顯示領(lǐng)域的新寵兒，并在智能顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如可穿戴顯示、手機(jī)/ipad、家電以及廣告娛樂(lè)等等。

圖1顯示屏的應(yīng)用

從一定意義上，顯示產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中*的工具，中國(guó)人每天對(duì)著電腦、手機(jī)、戶外廣告以及電視顯示屏的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)【1】，在如此長(zhǎng)時(shí)間的注視下，顯示屏的光輻射對(duì)安全和健康也漸漸引起了人們的關(guān)注。

顯示屏的發(fā)光一般在380-780nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)，彩色顯示一般通過(guò)紅綠藍(lán)三基色控制技術(shù)得到彩色圖像。對(duì)于不同顯示屏，其光譜功率分布（SPD）相差較大（圖2是典型LCD，LED、OLED光譜圖），但藍(lán)光成分都相對(duì)比較突出。藍(lán)光是組成白光和其它色光的重要成分，但過(guò)高能量的藍(lán)光卻會(huì)對(duì)人體健康造成影響甚至傷害，對(duì)此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與報(bào)告中都有確切的規(guī)定以及分析【2】【3】【4】。

LED backlight-LCD              LED屏                    OLED屏

圖2幾種典型顯示屏的光譜功率分布（SPD）

2. 視網(wǎng)膜藍(lán)光危害及其評(píng)價(jià)參數(shù)

可見(jiàn)光波段的輻射一般通過(guò)眼睛的眼角膜和晶狀體聚焦成像至視網(wǎng)膜上，從而達(dá)到視見(jiàn)效果，如圖3所示。若藍(lán)光輻射能量過(guò)高，則有可能引起視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷：通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量具有細(xì)胞毒性的自由基，破壞細(xì)胞正常生長(zhǎng)，表現(xiàn)為視力下降、顏色分辨力減弱等癥狀【4】，不利于人體的健康。特別對(duì)于嬰幼兒群體，其晶狀體的光透射率比成人要高的多，對(duì)藍(lán)光輻射也更為敏感，因此嬰幼兒乃至青少年的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害問(wèn)題更應(yīng)引起高度重視。

圖3 視網(wǎng)膜成像原理光路示意圖

視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的程度主要取決于人眼所接收的藍(lán)光劑量，如果光源的輻亮度高、藍(lán)光成分豐富、作用時(shí)間長(zhǎng)便會(huì)引起視網(wǎng)膜藍(lán)光危害。標(biāo)準(zhǔn)【5】【6】用視網(wǎng)膜藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度來(lái)測(cè)評(píng)，定義為光譜輻亮度與藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)加權(quán)積分后量值，單位為，簡(jiǎn)稱(chēng)藍(lán)瓦，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）:

                 （1）

其中，為光譜輻亮度，單位為；為藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)（如圖4），λ為波長(zhǎng)，單位為nm。

圖4 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)

此外，視網(wǎng)膜藍(lán)光危害也可以用藍(lán)光危害效率來(lái)評(píng)價(jià)，定義為藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度與相應(yīng)的光度量的比值,計(jì)算公式見(jiàn)式子（2），表征可見(jiàn)光輻射內(nèi)藍(lán)光成分的相對(duì)量值，在顯示屏亮度相同的情況下，越高，對(duì)視網(wǎng)膜危害的可能性就越大。

         （2）

標(biāo)準(zhǔn)【3】中將視網(wǎng)膜藍(lán)光危害分為四個(gè)等級(jí)：無(wú)危險(xiǎn)類(lèi)、1類(lèi)危險(xiǎn)、2類(lèi)危險(xiǎn)和3類(lèi)危險(xiǎn)，危害程度由低到高排列，相應(yīng)等級(jí)的限值也是由低到高的。其中，無(wú)危險(xiǎn)類(lèi)可允許連續(xù)曝輻的時(shí)間為zui長(zhǎng)8小時(shí)，作為一種需要長(zhǎng)時(shí)間注視的產(chǎn)品，顯示屏的藍(lán)光加權(quán)輻亮度則應(yīng)低于無(wú)危險(xiǎn)類(lèi)限值。

3.藍(lán)光對(duì)生物節(jié)律的影響

非視覺(jué)生物效應(yīng)（non-image forming effects）的提出來(lái)源于2002年David Berson教授對(duì)視網(wǎng)膜上第三種感光細(xì)胞——神經(jīng)結(jié)細(xì)胞(ipRGC)的偉大發(fā)現(xiàn)，研究表明，ipRGC上的黑視素感應(yīng)不同波長(zhǎng)的光輻射并將感應(yīng)到的光信號(hào)傳遞到大腦中，進(jìn)而控制松果腺褪黑激素的分泌來(lái)控制人的作息狀態(tài)，影響人體生物節(jié)律，人體的其它生理機(jī)能如血壓、心率和體溫也受影響【9】【10】。

圖5（b）為日本福岡女子大學(xué)的Morita, T.等人做的一個(gè)光照對(duì)褪黑激素分泌影響的實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中采用3種光照條件對(duì)若干人進(jìn)行了試驗(yàn)，分別為50lux（dim）、1000lux（baseline condition）、1400lux(40%increased on the baseline)，并持續(xù)對(duì)人眼進(jìn)行90min照射，每30分鐘進(jìn)行唾液采樣分析褪黑激素的分泌量值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著光照的加強(qiáng)，褪黑激素分泌受到抑制【11】。

•                                      (b)

圖5 (a)視覺(jué)和生物神經(jīng)傳導(dǎo)通路；(b)褪黑激素與光輻射關(guān)系

此外，非視覺(jué)生物效應(yīng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感度不同，其主導(dǎo)作用波段為藍(lán)光波段，峰值位于460~470nm之間（如圖6所示），即藍(lán)色波段的光會(huì)對(duì)褪黑激素的分泌有顯著的抑制作用，使人體表現(xiàn)為興奮和機(jī)敏。而顯示屏光譜中存在的大量藍(lán)光成分恰好位于非視覺(jué)生物效應(yīng)主導(dǎo)波段，如果在睡覺(jué)前玩手機(jī)、看電視等，顯示屏中的藍(lán)光輻射可能會(huì)對(duì)人體的褪黑激素分泌產(chǎn)生抑制，進(jìn)而導(dǎo)致入睡時(shí)間增長(zhǎng)、睡眠質(zhì)量變差，破壞人體正常生物節(jié)律，長(zhǎng)此以往，對(duì)人體健康十分不利。

圖6非視覺(jué)生物效應(yīng)節(jié)律作用函數(shù)

顯示屏光輻射對(duì)非視覺(jué)生物效應(yīng)的影響主要取決于其輻射光譜中藍(lán)光成分，目前照明委員會(huì)（CIE）正在成立了專(zhuān)門(mén)的聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JTC），研究非視覺(jué)效應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。為了定量測(cè)量顯示屏的非視覺(jué)影響，可采用節(jié)律因子來(lái)進(jìn)行測(cè)評(píng)，定義為顯示屏光譜覆蓋波段（380-780nm）內(nèi)，非視覺(jué)生物效應(yīng)加權(quán)輻射亮度與光亮度的比值，不計(jì)二者的單位換算系數(shù)，計(jì)算公式為：

      （3）

為節(jié)律作用函數(shù)【12】，如圖6所示。

在相同的亮度下，值越高，則對(duì)生物節(jié)律的影響就越大。

4.藍(lán)光成分測(cè)量方案探討

傳統(tǒng)的顯示屏測(cè)量中，一般采用亮度計(jì)或色度計(jì)進(jìn)行亮度、色度等基本特性測(cè)量。亮度計(jì)的測(cè)量原理如圖7所示，一般在探測(cè)器前放置與CIE標(biāo)準(zhǔn)視效函數(shù)V(λ)相匹配的濾色片，以獲得與人眼感知成正比的光度參數(shù)。然而V(λ)曲線（見(jiàn)圖8）與B(λ)、曲線相差很大，使用傳統(tǒng)亮度計(jì)或色度計(jì)并不能獲得上述的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害和節(jié)律因子等量值。

簡(jiǎn)單的做法是在圖7所示的亮度計(jì)上進(jìn)行改造，即重新配置濾色片，使探測(cè)器的響應(yīng)與B(λ)或相匹配，然而這樣的濾色片匹配技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟，失匹配誤差一般較大，無(wú)法測(cè)量和的值。

圖7 濾色片式亮度計(jì)光路設(shè)計(jì)圖

圖8 CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度敏感曲線與一般色度計(jì)敏感曲線

（CIE(Y)曲線對(duì)應(yīng)視效函數(shù)V(λ)）

為實(shí)現(xiàn)上述量值，光譜測(cè)量方法成為新的突破口，且隨著高精度快速光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及制造工藝的高度集成化，光譜輻亮度計(jì)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，成為了藍(lán)光成分測(cè)量的理想測(cè)試設(shè)備。

圖9所示為典型的光譜輻亮度計(jì)的測(cè)量原理圖。在標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)角測(cè)量條件下，瞄準(zhǔn)被測(cè)發(fā)光區(qū)域，測(cè)量光束經(jīng)色散系統(tǒng)（一般為光柵）分光后，投射至陣列探測(cè)器的探測(cè)表面，陣列探測(cè)器的像素與光譜波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，從而獲得瞄準(zhǔn)區(qū)域的光譜功率分布（SPD）和光譜輻亮度，軟件結(jié)合理想的B(λ)，V(λ)以及）函數(shù)，可以得到準(zhǔn)確的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害參數(shù)LB、KB,V和節(jié)律因子KC。

圖9光譜輻亮度計(jì)測(cè)量幾何

為了實(shí)現(xiàn)各類(lèi)顯示屏藍(lán)光成分的高精度測(cè)量和準(zhǔn)確評(píng)估，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光譜輻亮度計(jì)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

• 必須有*的雜散光控制能力，盡量避免雜散輻射，避免危害量的過(guò)高或過(guò)低評(píng)估；
• 具有較高的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，能夠獲得準(zhǔn)確的加權(quán)量值；
• 線性范圍足夠?qū)挘軌蜻m應(yīng)低亮度儀表顯示屏至高亮度戶外顯示測(cè)量的需求；
• 測(cè)量視場(chǎng)需可調(diào)，滿足不同尺寸顯示屏的測(cè)量應(yīng)用
• 測(cè)量速度足夠快，滿足全波段、率測(cè)試需求
• 軟件功能齊全，能夠自動(dòng)控制測(cè)試并處理獲得藍(lán)光成分評(píng)價(jià)參數(shù)。

5.典型的顯示屏測(cè)量結(jié)果

本文中選用圖10遠(yuǎn)方SRC-600光譜輻亮度計(jì)對(duì)手機(jī)顯示屏進(jìn)行一系列藍(lán)光成分測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)試界面和測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖10 光譜輻亮度計(jì)（遠(yuǎn)方SRC-600）

圖11 SRC-600顯示屏藍(lán)光測(cè)試界面圖

試驗(yàn)中，對(duì)兩種顯示屏進(jìn)行藍(lán)光成分測(cè)試和比較，其中一個(gè)為采用LED背光的LCD顯示屏（表示為L(zhǎng)ED-LCD）；另一個(gè)為OLED屏。測(cè)試中將顯示屏調(diào)至全白場(chǎng)，采用1°視場(chǎng)。首先將兩顯示屏亮度調(diào)到zui大進(jìn)行測(cè)試；繼而將兩顯示屏調(diào)至亮度基本相同進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 顯示屏藍(lán)光測(cè)試結(jié)果

從表1的測(cè)試結(jié)果可以得出：

（1）同一種顯示屏，亮度越高，藍(lán)光加權(quán)輻亮度也越高，造成的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害也越大；同時(shí)顯示屏亮度的改變會(huì)在一定程度上改變顯示屏的輻射光譜，所以藍(lán)光危害效率與節(jié)律因子也會(huì)發(fā)生改變。

（2）不同材料的顯示屏，其光譜分布存在著較大差異，因此即使在相同的亮度下，其藍(lán)光參數(shù)也存在著差異。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)OLED屏與LED-LCD屏處于同一亮度時(shí)，所測(cè)的OLED顯示屏視網(wǎng)膜藍(lán)光危害低于LED-LCD顯示屏約20%，同時(shí)OLED屏對(duì)生物節(jié)律的影響高于LED-LCD屏8%左右。

目前市場(chǎng)中存在著各種各樣的顯示屏，其光學(xué)特性有著很大的差異，使用SRC-600光譜輻亮度計(jì)可以方便快捷的對(duì)電視、電腦、廣告屏等顯示產(chǎn)品進(jìn)行藍(lán)光成分測(cè)試，可以廣泛應(yīng)用于顯示產(chǎn)品的測(cè)試中。

五、總結(jié)

顯示屏的藍(lán)光成分因關(guān)乎健康和使用舒適性，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，其標(biāo)準(zhǔn)化也引起業(yè)內(nèi)熱議。現(xiàn)有的光輻射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為我們?cè)u(píng)價(jià)藍(lán)光輻射提供了參考，就視網(wǎng)膜藍(lán)光危害和非視覺(jué)生物節(jié)律這兩類(lèi)參數(shù)而言，現(xiàn)有的光譜輻亮度測(cè)量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，高精度、高靈敏度以及寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜彩色亮度計(jì)將成為各類(lèi)顯示屏藍(lán)光成分測(cè)量的理想選擇，也是顯示測(cè)量的大趨勢(shì)。

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