顯示屏的光輻射安全和健康評價(jià)及其測量方法探討

　　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、平板、家電以及廣告娛樂(lè )等，充斥著(zhù)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(cháng)達日均8h。在關(guān)注顯示品質(zhì)的同時(shí)，人們對顯示產(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(cháng)時(shí)間注視高亮屏可能帶來(lái)的視網(wǎng)膜藍光危害，以及對人的生物節律造成影響的非視覺(jué)生物效應，與此相關(guān)的標準正在熱議中。本文將結合LCD、LED以及OLED等不同顯示產(chǎn)品的特點(diǎn)，闡述藍光對人體安全和健康的影響，深入分析其評價(jià)方法和檢測技術(shù)，為業(yè)內提供參考意見(jiàn)。

　　隨著(zhù)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OLED為代表的新生代顯示，以其優(yōu)良的畫(huà)質(zhì)、輕薄的結構以及自由的設計成為智能顯示領(lǐng)域的新寵兒，并在智能顯示領(lǐng)域得到廣泛應用，例如可穿戴顯示、手機/ipad、家電以及廣告娛樂(lè )等等。

　　圖1 顯示屏的應用

　　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，中國人每天對著(zhù)電腦、手機、戶(hù)外廣告以及電視顯示屏的時(shí)間長(cháng)達8小時(shí)，在如此長(cháng)時(shí)間的注視下，顯示屏的光輻射對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，彩色顯示一般通過(guò)紅綠藍三基色控制技術(shù)得到彩色圖像。對于不同顯示屏，其光譜功率分布(SPD)相差較大(圖2是典型LCD，LED、OLED光譜圖)，但藍光成分都相對比較突出。藍光是組成白光和其它色光的重要成分，但過(guò)高能量的藍光卻會(huì )對人體健康造成影響甚至傷害，對此，相關(guān)標準與報告中都有確切的規定以及分析。

　　圖2 幾種典型顯示屏的光譜功率分布（SPD）

　　視網(wǎng)膜藍光危害及其評價(jià)參數

　　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，從而達到視見(jiàn)效果，如圖3所示。若藍光輻射能量過(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，產(chǎn)生大量具有細胞毒性的自由基，破壞細胞正常生長(cháng)，表現為視力下降、顏色分辨力減弱等癥狀，不利于人體的健康。特別對于嬰幼兒群體，其晶狀體的光透射率比成人要高的多，對藍光輻射也更為敏感，因此嬰幼兒乃至青少年的視網(wǎng)膜藍光危害問(wèn)題更應引起高度重視。

　　圖3 視網(wǎng)膜成像原理光路示意圖

　　視網(wǎng)膜藍光危害的程度主要取決于人眼所接收的藍光劑量，如果光源的輻亮度高、藍光成分豐富、作用時(shí)間長(cháng)便會(huì )引起視網(wǎng)膜藍光危害。標準用視網(wǎng)膜藍光危害加權輻亮度LB來(lái)測評，定義為光譜輻亮度與藍光危害加權函數B(λ)加權積分后量值，單位為W·m-2·sr-1，簡(jiǎn)稱(chēng)藍瓦，計算公式見(jiàn)式(1)：

　　其中，Lλ為光譜輻亮度，W·sr-1·m-2·nm-1單位為;B(λ)為藍光危害加權函數(如圖4)，λ為波長(cháng)，單位為nm。

　　圖4 藍光危害加權函數

　　此外，視網(wǎng)膜藍光危害也可以用藍光危害效率KB.V來(lái)評價(jià)，定義為藍光危害加權輻亮度Ls與相應的光度量的比值，計算公式見(jiàn)式子(2)，表征可見(jiàn)光輻射內藍光成分的相對量值，在顯示屏亮度相同的情況下，KB.V越高，對視網(wǎng)膜危害的可能性就越大。

　　標準中將視網(wǎng)膜藍光危害分為四個(gè)等級：無(wú)危險類(lèi)、1類(lèi)危險、2類(lèi)危險和3類(lèi)危險，危害程度由低到高排列，相應等級的限值也是由低到高的。其中，無(wú)危險類(lèi)可允許連續曝輻的時(shí)間為最長(cháng)8小時(shí)，作為一種需要長(cháng)時(shí)間注視的產(chǎn)品，顯示屏的藍光加權輻亮度則應低于無(wú)危險類(lèi)限值。

　　藍光對生物節律的影響

　　非視覺(jué)生物效應(non-image forming effects)的提出來(lái)源于2002年DavidBerson教授對視網(wǎng)膜上第三種感光細胞——神經(jīng)結細胞(ipRGC)的偉大發(fā)現，研究表明，ipRGC上的黑視素感應不同波長(cháng)的光輻射并將感應到的光信號傳遞到大腦中，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)，影響人體生物節律，人體的其它生理機能如血壓、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)光照對褪黑激素分泌影響的實(shí)驗，試驗中采用3種光照條件對若干人進(jìn)行了試驗，分別為50lux(dim)、1000lux(baseline condition)、1400lux(40% increased on the baseline)，并持續對人眼進(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)驗結果顯示隨著(zhù)光照的加強，褪黑激素分泌受到抑制。

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

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

　　圖6 非視覺(jué)生物效應節律作用函數

　　顯示屏光輻射對非視覺(jué)生物效應的影響主要取決于其輻射光譜中藍光成分，目前國際照明委員會(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)效應的測量標準化問(wèn)題。為了定量測量顯示屏的非視覺(jué)影響，可采用節律因子來(lái)進(jìn)行測評，定義為顯示屏光譜覆蓋波段(380-780nm)內，非視覺(jué)生物效應加權輻射亮度與光亮度的比值，不計二者的單位換算系數，計算公式為：

　　C(λ)為節律作用函數，如圖6所示。

　　在相同的亮度下，Kc值越高，則對生物節律的影響就越大。

　　藍光成分測量方案探討

　　傳統的顯示屏測量中，一般采用亮度計或色度計進(jìn)行亮度、色度等基本特性測量。亮度計的測量原理如圖7所示，一般在探測器前放置與CIE標準視效函數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。然而V(λ)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖8)與B(λ)、曲線(xiàn)相差很大，使用傳統亮度計或色度計并不能獲得上述的視網(wǎng)膜藍光危害和節律因子Kc等量值。

　　簡(jiǎn)單的做法是在圖7所示的亮度計上進(jìn)行改造，即重新配置濾色片，使探測器的響應與B(λ)或相匹配，然而這樣的濾色片匹配技術(shù)還遠不成熟，失匹配誤差一般較大，無(wú)法精確測量LB和Kc的值。

        圖7 濾色片式亮度計光路設計圖

　　圖8 CIE1931標準色度敏感曲線(xiàn)與一般色度計敏感曲線(xiàn)

　　（CIE(Y)曲線(xiàn)對應視效函數V(λ)）

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

　　圖9所示為典型的光譜輻亮度計的測量原理圖。在標準視場(chǎng)角測量條件下，瞄準被測發(fā)光區域，測量光束經(jīng)色散系統(一般為光柵)分光后，投射至陣列探測器的探測表面，陣列探測器的像素與光譜波長(cháng)一一對應，從而獲得瞄準區域的光譜功率分布(SPD)和光譜輻亮度，軟件結合理想的B(λ)，V(λ)以及)函數，可以得到準確的視網(wǎng)膜藍光危害參數LB、KB，V和節律因子KC。

　　圖9 光譜輻亮度計測量幾何

　　為了實(shí)現各類(lèi)顯示屏藍光成分的高精度測量和準確評估，按照標準規定，光譜輻亮度計應具備以下特點(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(guò)高或過(guò)低評估;

　　具有較高的波長(cháng)準確度和穩定性，能夠獲得準確的加權量值;

　　線(xiàn)性范圍足夠寬，能夠適應低亮度儀表顯示屏至高亮度戶(hù)外顯示測量的需求;

　　測量視場(chǎng)需可調，滿(mǎn)足不同尺寸顯示屏的測量應用

　　測量速度足夠快，滿(mǎn)足全波段、高效率測試需求

　　軟件功能齊全，能夠自動(dòng)控制測試并處理獲得藍光成分評價(jià)參數。

　　典型的顯示屏測量結果

　　本文中選用圖10遠方SRC-600光譜輻亮度計對手機顯示屏進(jìn)行一系列藍光成分測量實(shí)驗，測試界面和測試結果如圖11所示。

　　圖10 光譜輻亮度計（遠方SRC-600）

　　圖11 SRC-600顯示屏藍光測試界面圖

　　試驗中，對兩種顯示屏進(jìn)行藍光成分測試和比較，其中一個(gè)為采用LED背光的LCD顯示屏(表示為L(cháng)ED-LCD);另一個(gè)為OLED屏。測試中將顯示屏調至全白場(chǎng)，采用1°視場(chǎng)。首先將兩顯示屏亮度調到最大進(jìn)行測試;繼而將兩顯示屏調至亮度基本相同進(jìn)行測試，具體測試結果見(jiàn)表1。

　　表1 顯示屏藍光測試結果

　　從表1的測試結果可以得出：

　　(1)同一種顯示屏，亮度越高，藍光加權輻亮度也越高，造成的視網(wǎng)膜藍光危害也越大;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，所以藍光危害效率與節律因子也會(huì )發(fā)生改變。

　　(2)不同材料的顯示屏，其光譜分布存在著(zhù)較大差異，因此即使在相同的亮度下，其藍光參數也存在著(zhù)差異。在本實(shí)驗中，當OLED屏與LED-LCD屏處于同一亮度時(shí)，所測的OLED顯示屏視網(wǎng)膜藍光危害低于LED-LCD顯示屏約20%，同時(shí)OLED屏對生物節律的影響高于LED-LCD屏8%左右。

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

　　五、總結

　　顯示屏的藍光成分因關(guān)乎健康和使用舒適性，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，其標準化也引起業(yè)內熱議?，F有的光輻射相關(guān)標準已經(jīng)為我們評價(jià)藍光輻射提供了參考，就視網(wǎng)膜藍光危害和非視覺(jué)生物節律這兩類(lèi)參數而言，現有的光譜輻亮度測量技術(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將成為各類(lèi)顯示屏藍光成分測量的理想選擇，也是顯示測量的大趨勢。