顯示屏已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的信息溝通工具：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。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越重視，特別是由于長(zhǎng)時(shí)間注視高亮屏可能帶來的視網(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。
隨著顯示技術(shù)的迅猛發(fā)展，顯示屏的種類越來越多，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，在視覺感官上，以OLED為代表的新生代顯示，以其優(yōu)良的畫質(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)成為人們生活中不可或缺的工具，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)，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可見光范圍內(nèi)，彩色顯示一般通過紅綠藍(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。
圖2 幾種典型顯示屏的光譜功率分布（SPD）
視網(wǎng)膜藍(lán)光危害及其評(píng)價(jià)參數(shù)
可見光波段的輻射一般通過眼睛的眼角膜和晶狀體聚焦成像至視網(wǎng)膜上，從而達(dá)到視見效果，如圖3所示。若藍(lán)光輻射能量過高，則有可能引起視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷：通過光化學(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，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)用視網(wǎng)膜藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度LB來測(cè)評(píng)，定義為光譜輻亮度與藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后量值，單位為W·m-2·sr-1，簡(jiǎn)稱藍(lán)瓦，計(jì)算公式見式（1）：
其中，Lλ為光譜輻亮度，W·sr-1·m-2·nm-1單位為；B(λ)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KB.V來評(píng)價(jià)，定義為藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度Ls與相應(yīng)的光度量的比值，計(jì)算公式見式子（2），表征可見光輻射內(nèi)藍(lán)光成分的相對(duì)量值，在顯示屏亮度相同的情況下，KB.V越高，對(duì)視網(wǎng)膜危害的可能性就越大。
標(biāo)準(zhǔn)中將視網(wǎng)膜藍(lán)光危害分為四個(gè)等級(jí)：無危險(xiǎn)類、1類危險(xiǎn)、2類危險(xiǎn)和3類危險(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，無危險(xiǎn)類可允許連續(xù)曝輻的時(shí)間為最長(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)低于無危險(xiǎn)類限值。
藍(lán)光對(duì)生物節(jié)律的影響
非視覺生物效應(yīng)（non-image forming effects）的提出來源于2002年DavidBerson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。
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。
圖5 (a)視覺和生物神經(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生物效應(yīng)主導(dǎo)波段，如果在睡覺前玩手機(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 非視覺生物效應(yīng)節(jié)律作用函數(shù)
顯示屏光輻射對(duì)非視覺生物效應(yīng)的影響主要取決于其輻射光譜中藍(lán)光成分，目前國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）正在成立了專門的聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JTC），研究非視覺效應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化問題。為了定量測(cè)量顯示屏的非視覺影響，可采用節(jié)律因子來進(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：
C(λ)為節(jié)律作用函數(shù)，如圖6所示。
在相同的亮度下，Kc值越高，則對(duì)生物節(jié)律的影響就越大。
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Kc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，無法精確測(cè)量LB和Kc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)：
必須有極好的雜散光控制能力，盡量避免雜散輻射，避免危害量的過高或過低評(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、高效率測(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)。
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LED-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)到最大進(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?，F(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)光危害和非視覺生物節(jié)律這兩類參數(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)。
