不同LED背光顯示器對人眼視覺和非視覺效應(yīng)的研究

饒 豐，朱錫芳，徐安成，褚 靜，張 燕，郭 杰

(1.常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.常州現(xiàn)代光電技術(shù)研究院，江蘇 常州 213002；3.常州光電子材料與器件重點實驗室，江蘇 常州 213002)

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不同LED背光顯示器對人眼視覺和非視覺效應(yīng)的研究

饒 豐1,2,3，朱錫芳1，徐安成1，褚 靜1，張 燕1，郭 杰1

(1.常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.常州現(xiàn)代光電技術(shù)研究院，江蘇 常州 213002；3.常州光電子材料與器件重點實驗室，江蘇 常州 213002)

研究了以LED為背光源的不同顯示器對不同年齡人眼視網(wǎng)膜照度、節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害等視覺和非視覺效應(yīng)。采用常見的4款LED顯示器為研究對象，測量了顯示白色和藍(lán)色時的歸一化光譜分布，參考不同年齡人眼晶狀體的透射譜曲線，計算了視網(wǎng)膜照度因子、藍(lán)光危害能效因子和節(jié)律因子，分析不同顯示器的結(jié)果之間的關(guān)系。研究表明：不同顯示器顯示白色和藍(lán)色時，其視網(wǎng)膜照度因子、藍(lán)光危害能效因子和節(jié)律因子均隨年齡的增加而顯著減小。對于同一年齡的年輕人眼，不同顯示器的照度因子基本相同,節(jié)律因子和藍(lán)光危害因子的差異較大。

LED背光源; 顯示器; 節(jié)律; 藍(lán)光危害；晶狀體透射譜

引言

隨著科技的發(fā)展，以LED為背光源的顯示屏應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)占據(jù)了家用電器顯示領(lǐng)域的主要地位。同時，隨著認(rèn)識的深入，人們對顯示屏的要求也越來越高，不僅要求亮度高、顏色豐富、節(jié)能，而且要求對使用者“健康”，如對人體生理節(jié)律影響小，光生物安全特別是藍(lán)光危害小等等[1-2]，因此，研究以LED為背光源的顯示屏對人眼視網(wǎng)膜照度、節(jié)律和光生物安全等光學(xué)效應(yīng)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

2012年，David Berson等在哺乳動物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了除視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞以外的第三種感光細(xì)胞，即自主感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)[3]，ipRGC可以將視網(wǎng)膜接收的光信號傳遞到下丘腦視交叉上核(SCN)，而SCN又與控制人體某些激素分泌的下丘腦的松果體相連，起到調(diào)節(jié)和控制生理節(jié)律和激素水平的作用。ipRGC參與許多人體光生物效應(yīng)，包括血壓、脈搏、血氧、體溫和激素的分泌、人體的警覺性和興奮程度等。近年來，關(guān)于該細(xì)胞作用的報道越來越多。2005年，瑞士Basel大學(xué)的Cajochen等發(fā)現(xiàn)460nm的光使人體溫升高，心率加快[4]。2010年，重慶大學(xué)嚴(yán)永紅等發(fā)現(xiàn)教室照明中的藍(lán)光成分對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、瞳孔和心率影響明顯[5]。2012年，復(fù)旦大學(xué)林燕丹等發(fā)現(xiàn)低彩度LED對心率影響明顯[6]。2011年，居家奇也測量了心率、體溫和血壓等生理參數(shù)隨特定強度和光譜的照明的變化[7]。

LED背光源的藍(lán)光波長恰好是ipRGC的主導(dǎo)波段，因此，其非視覺效應(yīng)比普通照明要強得多[8]。但是，這些研究一般是以統(tǒng)一節(jié)律作用函數(shù)為基礎(chǔ)[2,9-11]，不能反映不同年齡人眼的差異。同時， LED光源的藍(lán)光比例一般比較高，容易引起視網(wǎng)膜藍(lán)光危害[12-13]。同樣地，藍(lán)光危害加權(quán)因子也是國際標(biāo)準(zhǔn)給出的固定值[14]，不能反映不同年齡人眼的差別。而年齡人眼的透射譜不同[15-16]，因此在同一照明條件下，入射到不同年齡人眼視網(wǎng)膜上的光照度、節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害必然也不同。同時，不同的LED背光源光譜分布有差異?；诖耍疚难芯坎煌琇ED背光源的顯示屏對不同年齡人眼的光學(xué)效應(yīng)差異，為針對特定年齡人顯示屏的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 實驗原理

人們很早就發(fā)現(xiàn)，不同人眼的透射譜差異主要取決于晶狀體透射譜差異[11]，因此本文采用晶狀體的透射譜代表全眼的透射譜。圖1是文獻(xiàn)[15,16]統(tǒng)計的不同年齡人眼晶狀體透射譜，從上到下年齡依次是1歲、18歲、21歲、46歲、62歲、73歲和76歲的?？梢?，隨著年齡的增長，晶狀體的吸收譜不斷下降，藍(lán)光部分隨年齡的下降的速度大于紅光部分。這些差異必然導(dǎo)致在相同的照明條件下，不同年齡人眼的視網(wǎng)膜照度、光生物安全和節(jié)律效應(yīng)不同。

圖1 不同年齡人眼晶狀體的透射譜Fig.1 The Lens transmission spectra of different ages

本研究中，節(jié)律因子采用是采用2012年David Berson的研究結(jié)果，明視覺視覺函數(shù)采用國際照明學(xué)會1924年公布的數(shù)據(jù)，藍(lán)光危害采用GB/T 20145—2006的數(shù)據(jù)。圖2是三者的曲線?？梢?，藍(lán)光部分對節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害影響較大，而對人眼的視覺效應(yīng)的作用較小。

圖2 節(jié)律效應(yīng)加權(quán)系數(shù)、明視覺視見函數(shù)和藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù)Fig.2 Weighting coefficient for circadian,photopic visual function and weighting coefficient for blue light hazard

顯然，同一照明條件下，由于晶狀體的透射譜不同，不同人眼視網(wǎng)膜照度也不同，本文基于成年人眼(21歲)的透射譜，定義視網(wǎng)膜照度因子KI，來表征不同年齡人眼視網(wǎng)膜的照度差異：

(1)

式中，P(λ)為相對光譜分布，V(λ)是明視覺視見函數(shù)。Tn(λ)為年齡為n的人眼晶狀體透射譜，T20(λ)為21歲人眼的晶狀體透射譜?？梢?，如果n=21，KI=1 。

節(jié)律因子C/P是基于ipRGC光譜響應(yīng)的有效輻射量與明視覺光度量的比值[4]，公式如下：

(2)

(3)

藍(lán)光危害能效因子KVB是基于視網(wǎng)膜藍(lán)光危害光譜響應(yīng)B(λ)的有效輻射量與明視覺光譜響應(yīng)的輻射量(單位：W)的比值，同理，考慮不同人眼的透射譜，可用如下公式計算：

(4)

這樣，通過測量LED顯示屏的光譜分布，就可以得到在同一顯示條件下，不同年齡人眼的視網(wǎng)膜照度因子、節(jié)律作用和藍(lán)光危害能效因子的差異。

顯示器工作時，圖像一般是動態(tài)的，因此進(jìn)入到人眼的光也是動態(tài)的。研究表明：長時間工作時，顯示器的各種顏色均出現(xiàn)，且近似均勻分布，這樣，進(jìn)入人眼的光照度、節(jié)律因子和藍(lán)光危害能效因子的值就與顯示白色時的值近似[4]。晶狀體藍(lán)色波段差異最大，因此顯示器顯示藍(lán)色時，視網(wǎng)膜照度、節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光效應(yīng)差異最明顯。因此，本文首先測量并計算不同顯示器在顯示白色圖片時，照度、節(jié)律因子和藍(lán)光危害能效因子差異，作為顯示器的視覺和非視覺差異的平均值，然后分析顯示藍(lán)色圖片時，不同顯示器的視覺和非視覺效應(yīng)差異，作為顯示器光學(xué)效應(yīng)差異的最大值，最后實驗結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

1.2 實驗設(shè)計

本研究選擇4款以LED為背光源的常見顯示屏為研究對象，分別是Ipad2顯示器、Samsung顯示器、ThinkPad 筆記本電腦顯示器和Asus筆記本電腦顯示器。由于亮度大小對光譜分布影響比較小，為了便于測量，實驗過程中，顯示器亮度均調(diào)節(jié)到最大。

本研究的測量裝置連接圖如圖3所示，純凈電源(220±1 V，50Hz，型號：TPS500)給顯示器提供驅(qū)動電源。光譜儀(HASS2000)與積分球采用光纖連接。積分球直徑50cm，一側(cè)開有孔，顯示器的光從孔中進(jìn)入積分球，孔尺寸略小于顯示器，以保證顯示器能夠蓋住孔，同時進(jìn)入積分球的光比較多。這樣，顯示器工作時，積分球和光譜儀結(jié)合能夠準(zhǔn)確地測量顯示器的歸一化光譜分布。計算機負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的開關(guān)，以及記錄光譜儀采集的數(shù)據(jù)。在開始測量測試樣品之前，使用標(biāo)準(zhǔn)光源對光譜儀定標(biāo)，本研究采用2865K的A光源。

圖3 顯示器的光譜分布測量系統(tǒng)Fig.3 Measurement system of spectral distribution for display

實驗中，將4款顯示器在正常條件下驅(qū)動，依次蓋在小孔上，再分別顯示出同樣的白色和藍(lán)色圖片，讓光進(jìn)入積分球，然后測量對應(yīng)的歸一化光譜分布，最后計算對應(yīng)的視覺和非視覺效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

圖4A是顯示藍(lán)色圖片時，4款顯示器的歸一化光譜分布，可見，峰值波長從小到大依次是Thinkpad、Asus、Sunsumg和Ipad，Thinkpad和Ipad的峰值差為7 nm，光譜分布中，黃綠色成分從多到少依次為Ipad、Sunsumg、Asus和Thinkpad。圖4B是顯示白色圖片時，4款顯示器的歸一化光譜分布，可見，白光均為三基色光配成，光譜分布中，黃綠色成分從多到少也是Ipad、Sunsumg、Asus和Thinkpad。

圖4 顯示屏的歸一化光譜分布 A—藍(lán)色；B—白色Fig.4 Normalized spectral distributions of four displays

圖5A是顯示白色圖片時，4款顯示器的照度因子的變化，可見，隨著年齡的增加，照度因子不斷減小，因此，老年人喜歡在照度較高的地方閱讀[17]。四款顯示器的照度因子KI差異較小，這主要是藍(lán)綠色部分對視覺的影響比較大，而人眼晶狀體藍(lán)綠色部分的透過率隨年齡變化較小的緣故。

圖5B是顯示白色時，4款顯示器的節(jié)律因子C/P隨年齡的變化規(guī)律。可見，青年(21歲)的節(jié)律因子約4.1，嬰兒的節(jié)律因子明顯較高，且不同顯示器的差異明顯。同時，隨著年齡的增加，不同顯示器之間的節(jié)律因子差異不斷減小。60歲之后的節(jié)律因子小于1，不到21歲時的1/4。

圖5C是不同顯示器的藍(lán)光危害能效因子KVB隨年齡的變化關(guān)系，可見， 4款顯示器的KVB的差別也隨著年齡的增加而減小。說明視網(wǎng)膜藍(lán)光危害對年輕人影響較大，且不同顯示器差異明顯，因此要合理選擇顯示屏，而老年人由于晶狀體的過濾作用，藍(lán)光危害影響較小，對顯示器的差異不敏感。

圖5 顯示白色時，A—照度、B—節(jié)律因子、C—藍(lán)光危害能效因子Fig.5 Illumination factor(A)、circadian factor(B) and blue light hazard factor(C) of white color

圖6中的A、B、C分別是顯示藍(lán)色圖片時，4款顯示器的照度因子，節(jié)律因子和藍(lán)光危害能效因子隨年齡的變化規(guī)律?？梢?，對于年輕人，不同顯示器之間的照度因子差別較白光(圖5A)小，而對于老年人，照度因子差別較大。不同顯示器的節(jié)律因子和藍(lán)光危害能效因子差異較大，特別是對于年輕人，因此，使用顯示器顯示藍(lán)色圖片較多時，年輕人尤其要注意藍(lán)光危害和節(jié)律效應(yīng)的影響。

圖6 顯示藍(lán)色時，A—照度、B—節(jié)律因子、C—藍(lán)光危害能效因子Fig.6 Illumination factor(A)、circadian factor(B) and blue light hazard factor(C) of blue color

3 結(jié)論

光的節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害是影響人體健康的重要因素，本研究分析了4款常見的以LED為背光源的顯示器的視網(wǎng)膜照度因子、節(jié)律因子和藍(lán)光危害能效因子隨年齡的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于同一年齡段年輕人眼，不同顯示器的照度因子差別相對較小，而節(jié)律因子和藍(lán)光危害因子差別較大，特別是顯示藍(lán)光時。對于年老人，不同顯示器之間的差別比較小。因此，設(shè)計學(xué)生用顯示器時，要采用低藍(lán)光設(shè)計，而設(shè)計老年人顯示器時，則更多地考慮亮度問題。

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Research on the Visual and Non-visual Effect of LED Backlight Display on the Human Eye

Rao Feng1,2,3, Zhu Xifang1, Xu Ancheng1, Chu Jing1, Zhang Yan1, Guo Jie1

(1.ColleagueofOptoelectronicEngineering,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China;2.ChangzhouInstituteofModernOptoelectronicTechnology,Changzhou213002,China;3.KeyLaboratoryofOptoelectronicMaterialsandDevicesofChangzhou,Changzhou213002,China)

The effects of the retinal illuminance, circadian rhythm and blue light hazard of the different LED backlight displays on the eyes of different ages are studied. The normalized white and blue spectral distributions of four common displays are measured, the retinal illuminance factor, blue light hazard factor and circadian factor of different displays are calculated, and then the relationships among these factors of different displays are obtained. It shows that the above three factors decrease as the age increases for all the displays, regardless of blue or white background. The illuminance factors show similar values with various ages for the same display. For the same young eye, the illuminance factor of different display changes little. However, the blue light hazard factor and the circadian factor are different.

LED backlight; display; circadian effect; blue light hazard; lens transmission spectrum

江蘇省高校自然科學(xué)項目(14KJB140001)，常州工學(xué)院重點項目(No:YN1209)，常州光電技術(shù)研究院項目(No:CZGY003)

饒豐，E-mail: 1270437521@aliyun.com

TN27

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.019