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显示屏的光辐射安全和健康评价及其测量方法探讨

来源:杭州远方孙建佩、刘腾  发布时间:2015-11-19

    显示屏已经成为人们生活中不可或缺的信息沟通工具:可穿戴显示、手机、平板、家电以及广告娱乐等,充斥着生活的各个角落。不仅如此,人们注视显示屏的时间也在不断攀升,长达日均8h。在关注显示品质的同时,人们对显示产品的光辐射安全和健康影响也越来越重视,特别是由于长时间注视高亮屏可能带来的视网膜蓝光危害,以及对人的生物节律造成影响的非视觉生物效应,与此相关的标准正在热议中。本文将结合LCD、LED以及OLED等不同显示产品的特点,阐述蓝光对人体安全和健康的影响,深入分析其评价方法和检测技术,为业内提供参考意见。

  随着显示技术的迅猛发展,显示屏的种类越来越多,如LCD,LED,OLED以及PLED等等,新型显示技术不仅在反应速度、色域范围以及使用寿命上大幅改善,在视觉感官上,以OLED为代表的新生代显示,以其优良的画质、轻薄的结构以及自由的设计成为智能显示领域的新宠儿,并在智能显示领域得到广泛应用,例如可穿戴显示、手机/ipad、家电以及广告娱乐等等。

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  图1 显示屏的应用


  从一定意义上,显示产品已经成为人们生活中不可或缺的工具,中国人每天对着电脑、手机、户外广告以及电视显示屏的时间长达8小时,在如此长时间的注视下,显示屏的光辐射对安全和健康也渐渐引起了人们的关注。

  显示屏的发光一般在380-780nm可见光范围内,彩色显示一般通过红绿蓝三基色控制技术得到彩色图像。对于不同显示屏,其光谱功率分布(SPD)相差较大(图2是典型LCD,LED、OLED光谱图),但蓝光成分都相对比较突出。蓝光是组成白光和其它色光的重要成分,但过高能量的蓝光却会对人体健康造成影响甚至伤害,对此,相关标准与报告中都有确切的规定以及分析。

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  图2 几种典型显示屏的光谱功率分布(SPD)


  视网膜蓝光危害及其评价参数


  可见光波段的辐射一般通过眼睛的眼角膜和晶状体聚焦成像至视网膜上,从而达到视见效果,如图3所示。若蓝光辐射能量过高,则有可能引起视网膜光化学损伤:通过光化学反应,产生大量具有细胞毒性的自由基,破坏细胞正常生长,表现为视力下降、颜色分辨力减弱等症状,不利于人体的健康。特别对于婴幼儿群体,其晶状体的光透射率比成人要高的多,对蓝光辐射也更为敏感,因此婴幼儿乃至青少年的视网膜蓝光危害问题更应引起高度重视。

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  图3 视网膜成像原理光路示意图


  视网膜蓝光危害的程度主要取决于人眼所接收的蓝光剂量,如果光源的辐亮度高、蓝光成分丰富、作用时间长便会引起视网膜蓝光危害。标准用视网膜蓝光危害加权辐亮度LB来测评,定义为光谱辐亮度与蓝光危害加权函数B(λ)加权积分后量值,单位为W·m-2·sr-1,简称蓝瓦,计算公式见式(1):

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  其中,Lλ为光谱辐亮度,W·sr-1·m-2·nm-1单位为;B(λ)为蓝光危害加权函数(如图4),λ为波长,单位为nm。

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  图4 蓝光危害加权函数


  此外,视网膜蓝光危害也可以用蓝光危害效率KB.V来评价,定义为蓝光危害加权辐亮度Ls与相应的光度量的比值,计算公式见式子(2),表征可见光辐射内蓝光成分的相对量值,在显示屏亮度相同的情况下,KB.V越高,对视网膜危害的可能性就越大。

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  标准中将视网膜蓝光危害分为四个等级:无危险类、1类危险、2类危险和3类危险,危害程度由低到高排列,相应等级的限值也是由低到高的。其中,无危险类可允许连续曝辐的时间为最长8小时,作为一种需要长时间注视的产品,显示屏的蓝光加权辐亮度则应低于无危险类限值。


  蓝光对生物节律的影响


  非视觉生物效应(non-image forming effects)的提出来源于2002年DavidBerson教授对视网膜上第三种感光细胞——神经结细胞(ipRGC)的伟大发现,研究表明,ipRGC上的黑视素感应不同波长的光辐射并将感应到的光信号传递到大脑中,进而控制松果腺褪黑激素的分泌来控制人的作息状态,影响人体生物节律,人体的其它生理机能如血压、心率和体温也受影响。

  图5(b)为日本福冈女子大学的Morita,T.等人做的一个光照对褪黑激素分泌影响的实验,试验中采用3种光照条件对若干人进行了试验,分别为50lux(dim)、1000lux(baseline condition)、1400lux(40% increased on the baseline),并持续对人眼进行90min照射,每30分钟进行唾液采样分析褪黑激素的分泌量值,实验结果显示随着光照的加强,褪黑激素分泌受到抑制。

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图5 (a)视觉和生物神经传导通路;(b)褪黑激素与光辐射关系


  此外,非视觉生物效应对不同波长光的敏感度不同,其主导作用波段为蓝光波段,峰值位于460~470nm之间(如图6所示),即蓝色波段的光会对褪黑激素的分泌有显著的抑制作用,使人体表现为兴奋和机敏。而显示屏光谱中存在的大量蓝光成分恰好位于非视觉生物效应主导波段,如果在睡觉前玩手机、看电视等,显示屏中的蓝光辐射可能会对人体的褪黑激素分泌产生抑制,进而导致入睡时间增长、睡眠质量变差,破坏人体正常生物节律,长此以往,对人体健康十分不利。

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  图6 非视觉生物效应节律作用函数


  显示屏光辐射对非视觉生物效应的影响主要取决于其辐射光谱中蓝光成分,目前国际照明委员会(CIE)正在成立了专门的联合技术委员会(JTC),研究非视觉效应的测量标准化问题。为了定量测量显示屏的非视觉影响,可采用节律因子来进行测评,定义为显示屏光谱覆盖波段(380-780nm)内,非视觉生物效应加权辐射亮度与光亮度的比值,不计二者的单位换算系数,计算公式为:

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  C(λ)为节律作用函数,如图6所示。

  在相同的亮度下,Kc值越高,则对生物节律的影响就越大。


  蓝光成分测量方案探讨


  传统的显示屏测量中,一般采用亮度计或色度计进行亮度、色度等基本特性测量。亮度计的测量原理如图7所示,一般在探测器前放置与CIE标准视效函数V(λ)相匹配的滤色片,以获得与人眼感知成正比的光度参数。然而V(λ)曲线(见图8)与B(λ)、曲线相差很大,使用传统亮度计或色度计并不能获得上述的视网膜蓝光危害和节律因子Kc等量值。

  简单的做法是在图7所示的亮度计上进行改造,即重新配置滤色片,使探测器的响应与B(λ)或相匹配,然而这样的滤色片匹配技术还远不成熟,失匹配误差一般较大,无法精确测量LB和Kc的值。

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  图7 滤色片式亮度计光路设计图


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  图8 CIE1931标准色度敏感曲线与一般色度计敏感曲线

  (CIE(Y)曲线对应视效函数V(λ))


  为实现上述量值,光谱测量方法成为新的突破口,且随着高精度快速光谱测量技术的发展以及制造工艺的高度集成化,光谱辐亮度计已经逐渐发展成熟,成为了蓝光成分测量的理想测试设备。

  图9所示为典型的光谱辐亮度计的测量原理图。在标准视场角测量条件下,瞄准被测发光区域,测量光束经色散系统(一般为光栅)分光后,投射至阵列探测器的探测表面,阵列探测器的像素与光谱波长一一对应,从而获得瞄准区域的光谱功率分布(SPD)和光谱辐亮度,软件结合理想的B(λ),V(λ)以及)函数,可以得到准确的视网膜蓝光危害参数LB、KB,V和节律因子KC。

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  图9 光谱辐亮度计测量几何


  为了实现各类显示屏蓝光成分的高精度测量和准确评估,按照标准规定,光谱辐亮度计应具备以下特点:

  必须有极好的杂散光控制能力,尽量避免杂散辐射,避免危害量的过高或过低评估;

  具有较高的波长准确度和稳定性,能够获得准确的加权量值;

  线性范围足够宽,能够适应低亮度仪表显示屏至高亮度户外显示测量的需求;

  测量视场需可调,满足不同尺寸显示屏的测量应用

  测量速度足够快,满足全波段、高效率测试需求

  软件功能齐全,能够自动控制测试并处理获得蓝光成分评价参数。


  典型的显示屏测量结果


  本文中选用图10远方SRC-600光谱辐亮度计对手机显示屏进行一系列蓝光成分测量实验,测试界面和测试结果如图11所示。

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图10 光谱辐亮度计(远方SRC-600)


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图11 SRC-600显示屏蓝光测试界面图


  试验中,对两种显示屏进行蓝光成分测试和比较,其中一个为采用LED背光的LCD显示屏(表示为LED-LCD);另一个为OLED屏。测试中将显示屏调至全白场,采用1°视场。首先将两显示屏亮度调到最大进行测试;继而将两显示屏调至亮度基本相同进行测试,具体测试结果见表1。

  表1 显示屏蓝光测试结果

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  从表1的测试结果可以得出:

  (1)同一种显示屏,亮度越高,蓝光加权辐亮度也越高,造成的视网膜蓝光危害也越大;同时显示屏亮度的改变会在一定程度上改变显示屏的辐射光谱,所以蓝光危害效率与节律因子也会发生改变。

  (2)不同材料的显示屏,其光谱分布存在着较大差异,因此即使在相同的亮度下,其蓝光参数也存在着差异。在本实验中,当OLED屏与LED-LCD屏处于同一亮度时,所测的OLED显示屏视网膜蓝光危害低于LED-LCD显示屏约20%,同时OLED屏对生物节律的影响高于LED-LCD屏8%左右。

  目前市场中存在着各种各样的显示屏,其光学特性有着很大的差异,使用SRC-600光谱辐亮度计可以方便快捷的对电视、电脑、广告屏等显示产品进行蓝光成分测试,可以广泛应用于显示产品的测试中。


  五、总结


  显示屏的蓝光成分因关乎健康和使用舒适性,已经引起了广泛关注,其标准化也引起业内热议。现有的光辐射相关标准已经为我们评价蓝光辐射提供了参考,就视网膜蓝光危害和非视觉生物节律这两类参数而言,现有的光谱辐亮度测量技术已经发展成熟,高精度、高灵敏度以及宽动态范围的光谱彩色亮度计将成为各类显示屏蓝光成分测量的理想选择,也是显示测量的大趋势。

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