不同防藍(lán)光眼鏡對(duì)屏幕顯示效果的影響比較

王玨敏， 張 林

(1. 山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006;2. 商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

1 引 言

2017年權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)消費(fèi)者人均每天面對(duì)屏幕8.9 h，其中使用智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、電視的時(shí)間分別為3.0，2.2，1.6，2.1 h?！吨袊?guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報(bào)告2018》數(shù)據(jù)：中國(guó)網(wǎng)民已達(dá)7.72億。屏幕中的過量藍(lán)光不僅會(huì)通過光化學(xué)作用損傷人眼視網(wǎng)膜，而且可通過影響褪黑素等激素分泌，調(diào)節(jié)人體生物鐘[1-5]。近年來隨著CIE(國(guó)際照明委員會(huì))、IEC(國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì))、世界衛(wèi)生組織等權(quán)威機(jī)構(gòu)的呼吁[6-8]，光生物健康已經(jīng)深入人心。降低屏幕藍(lán)光危害及節(jié)律效應(yīng)已受到廣大光電產(chǎn)品制造商及普通消費(fèi)者的高度關(guān)注，防藍(lán)光眼鏡、濾藍(lán)光護(hù)眼屏幕貼膜等應(yīng)運(yùn)而生。然而，藍(lán)光作為三基色之一，特意過濾藍(lán)光是否會(huì)影響屏幕畫面的顯示效果？暫未見相關(guān)文獻(xiàn)定量分析報(bào)道。在色度學(xué)中，任一彩色光均可利用色調(diào)、飽和度和亮度三個(gè)基本參量表示，稱為彩色三要素。人眼可分辨的色調(diào)約為128種，平均飽和度區(qū)分等級(jí)約為10種，可分辨的亮度等級(jí)約有600種。彩色三要素各自變化得到不同顏色，可見人眼具有很強(qiáng)的顏色分辨能力。

為了全面定量研究當(dāng)前銷量較大的5種不同材質(zhì)防藍(lán)光眼鏡，對(duì)不同色溫LED背光LCD(液晶顯示屏)及OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)屏彩色顯示效果的影響。本文測(cè)量了兩種屏幕在色溫設(shè)置為6 500 K和5 000 K下的光譜分布數(shù)據(jù)，結(jié)合5種不同材質(zhì)防藍(lán)光眼鏡透射率與人眼分辨率，通過OriginPro擬合、色度軟件分析、Matlab計(jì)算。比較研究了不同色溫設(shè)置下兩種屏幕在不同防藍(lán)光眼鏡配戴下的色調(diào)、飽和度、光通量及實(shí)際色溫。該研究方法與結(jié)論可為相關(guān)產(chǎn)品的使用和研發(fā)提供借鑒。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 眼鏡透射率測(cè)量及其擬合

在某世界知名購(gòu)物網(wǎng)站按照銷售量搜索防藍(lán)光眼鏡，選擇5種銷量排序靠前、鏡片材質(zhì)不同的防藍(lán)光眼鏡為研究對(duì)象。為了下文討論方便，對(duì)5種防藍(lán)光眼鏡編號(hào)分別為A、B、C、D和E，相關(guān)信息參數(shù)見表1。由表1可見5種防藍(lán)光眼鏡，商家均聲稱用于電腦顯示等具有過濾藍(lán)光、降低藍(lán)光危害及非視覺生物效應(yīng)、保護(hù)眼睛的功能。且5種防藍(lán)光眼鏡售價(jià)不菲，如E單價(jià)高達(dá)89.59 $。

表1 5種防藍(lán)光眼鏡的信息參數(shù)Tab.1 Main parameters of five kinds of anti-blue light glasses

續(xù) 表

利用上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司的FX2000光纖光譜儀及HL2000鹵素光源，掃描步長(zhǎng)為0.31 nm，積分時(shí)間為5 ms，測(cè)量5種防藍(lán)光眼鏡鏡片垂直方向380～780 nm波段透射率，測(cè)量原始數(shù)據(jù)見圖1所示。為了下文的色度學(xué)定量計(jì)算分析方便，利用OriginPro軟件的Nonlinear curve fit功能，采用Boltzmann函數(shù)對(duì)A、B、C透射率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合公式見式(1)。采用SGompertz函數(shù)對(duì)D和E透射率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合公式見式(2)，擬合曲線見圖1。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)知，藍(lán)光危害的峰值波長(zhǎng)為437 nm，節(jié)律效應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為464 nm，光生物安全關(guān)注的藍(lán)光波段為400～500 nm[1-3]。由圖1透射率曲線可見，5種防藍(lán)光眼鏡均有一定的過濾藍(lán)光作用，過濾效果大致趨勢(shì)為由A至E依次增強(qiáng)。

(1)

y=aexp[-e-k(x-x0)]

(2)

5種防藍(lán)光眼鏡可見光波段透射率的擬合結(jié)

圖1 5種防藍(lán)光眼鏡的透射率及其擬合Fig.1 Transmissivity and fitting of five kinds of anti-blue light glasses

果見表2，表2給出了擬合函數(shù)表達(dá)式中各參數(shù)數(shù)值、相關(guān)系數(shù)平方(R2)、殘差平方(Residual sum of squares)及簡(jiǎn)化卡方檢驗(yàn)值(Reduced Chi-Sqr)。由數(shù)據(jù)可見，除過B和C擬合質(zhì)量略差外，其他3個(gè)膜透射率擬合質(zhì)量均較高，能保證下文的計(jì)算精度。

表2 3種防藍(lán)光眼鏡的透射率擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of five kinds of anti-blue light glasses transmissivity

2.2 顯示器光譜測(cè)量與擬合

目前各種光電顯示器中，LCD占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，其中LED背光的LCD的應(yīng)用最為廣泛。OLED作為L(zhǎng)CD的主要競(jìng)爭(zhēng)者，應(yīng)用前景廣闊[9-10]。因此，本文以O(shè)LED與LED背光LCD為研究對(duì)象，選擇全球知名品牌產(chǎn)品，主要參數(shù)見表3。

表3 兩種顯示器的主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of two kinds of displays

安裝顯示器色溫調(diào)節(jié)軟件，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司的FX2000光纖光譜儀，分別測(cè)量OLED與LED背光LCD設(shè)置色溫為6 500 K、5 000 K白場(chǎng)下可見光波段光譜分布數(shù)據(jù)。對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果分別見圖2。

不同色溫下兩種顯示器光譜掃描步長(zhǎng)為0.31 nm，下文所用色度計(jì)算分析軟件對(duì)掃描步長(zhǎng)要求為1 nm，故需知光譜分布的函數(shù)表達(dá)式。利用OriginPro軟件的Multi-peaks Fit功能，采用5個(gè)Gauss函數(shù)疊加[1,3]，擬合不同色溫下兩種顯示器的光譜分布，擬合公式見式(3)。

圖2 不同色溫OLED和LED背光LCD的歸一化光譜Fig.2 Normalized spectra of LED backlight LCD under different color temperature

(3)

不同色溫設(shè)置下OLED和LED背光LCD的光譜分布函數(shù)擬合結(jié)果見表4。由表可見4個(gè)擬合結(jié)果的R2均大于0.99，且卡方檢驗(yàn)值均較小。因此，該擬合方法能夠高質(zhì)量擬合兩種顯示器的光譜分布，可保證下文的計(jì)算精度。

表4不同色溫LED背光LCD的光譜擬合結(jié)果

Tab.4 Fitting results of LED backlight LCD spectra under different color temperature

SpectraR2Reduced Chi-Sqr6 500 K OLED0.990 76.652 52×10-45 000 K OLED0.991 454.672×10-46 500 K LED LCD0.996 812.099 48×10-45 000 K LEDLCD0.997 688.299 42×10-5

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上文擬合的5種防藍(lán)光眼鏡透射率計(jì)算公式、4個(gè)光譜分布函數(shù)表達(dá)式，采用透射率乘以光譜分布，得到配戴不同防藍(lán)光眼鏡時(shí)的屏幕光譜分布函數(shù)，計(jì)算掃描步長(zhǎng)為1 nm的光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)光譜分布數(shù)據(jù)，利用色度分析軟件計(jì)算比較不同色溫設(shè)置下OLED及LED背光LCD屏幕，配戴5種防藍(lán)光眼鏡觀看時(shí)的色調(diào)、飽和度、光通量、實(shí)際色溫。

3.1 色調(diào)分析

色調(diào)作為屏幕顯示圖像的彩色三要素之一，可反映顏色特性。1931 CIE-XYZ計(jì)色系統(tǒng)能夠方便地對(duì)顏色進(jìn)行計(jì)量描述。利用色度分析軟件計(jì)算不同色溫設(shè)置下，配戴不同防藍(lán)光眼鏡情況下，兩種顯示器的1931 CIE-XYZ色坐標(biāo)。

表5 配戴不同防藍(lán)光眼鏡OLED顯示器的1931 CIE-XYZ色坐標(biāo)Tab.5 1931 CIE-XYZ chromaticity coordinates of OLED displays under different anti-blue light glasses wore

表6 配戴不同防藍(lán)光眼鏡LED背光LCD顯示器的1931 CIE-XYZ色坐標(biāo)Tab.6 1931 CIE-XYZ chromaticity coordinates of LED backlight LCD under different anti-blue light glasses wore

OLED及LED背光LCD屏幕1931 CIE-XYZ色坐標(biāo)分別見表5和表6。

X、Y值分別表示紅基色、綠基色比例，由X+Y+Z=1可計(jì)算藍(lán)基色比例。由表5和表6可見，配戴防藍(lán)光眼鏡后色坐標(biāo)數(shù)據(jù)的X、Y均有所增加，即藍(lán)基色比例下降，可由Z值變化量化防藍(lán)光效果。計(jì)算配戴不同防藍(lán)光眼鏡后色坐標(biāo)Z的下降幅度，結(jié)果見表7所示。由表7可見對(duì)于上述5種防藍(lán)光眼鏡，同一屏幕相同防藍(lán)光眼鏡下，隨著屏幕色溫的下降，眼鏡防藍(lán)光效果增強(qiáng)，例如：配戴防藍(lán)光眼鏡A觀看OLED屏幕，色溫由6 500 K調(diào)至5 000 K，防藍(lán)光效果提高了77.358%。5種眼鏡防藍(lán)光效果相差較大，例如：對(duì)于色溫為6 500 K的OLED屏，眼鏡E的防藍(lán)光比A強(qiáng)1 881倍。

表7 不同防藍(lán)光眼鏡配戴情況下屏幕色坐標(biāo)Z下降幅度Tab.7 Color coordinate Z decrease of displays under different anti-blue light glasses wore (%)

根據(jù)色坐標(biāo)，在色度圖中標(biāo)出配戴不同防藍(lán)光眼鏡情況下的OLED與LED背光LCD對(duì)應(yīng)點(diǎn)，可直觀比較分析不同眼鏡情況下色坐標(biāo)的變化，由于防藍(lán)光眼鏡A配戴前后對(duì)色坐標(biāo)影響不大，兩點(diǎn)在色度圖中幾乎完全重合，故在色度圖中未單獨(dú)標(biāo)出不配戴眼鏡時(shí)OLED及LED背光LCD屏幕對(duì)應(yīng)點(diǎn)，結(jié)果見圖3所示。由圖3可直觀看到防藍(lán)光眼鏡D、E對(duì)不同色溫下OLED及LED背光LCD屏幕顯示的色調(diào)影響較大，會(huì)影響觀影效果。結(jié)合圖1，可見防藍(lán)光眼鏡D、E能過濾掉大部分藍(lán)光，特別是E幾乎過濾掉了所有的藍(lán)光。藍(lán)光作為三基色之一，要找到防藍(lán)光重視光生物安全與兼顧顯示效果的平衡點(diǎn)。

人眼對(duì)屏幕發(fā)出的復(fù)色光顏色感知可用主波長(zhǎng)描述，根據(jù)色坐標(biāo)計(jì)算不同色溫設(shè)置下，不同防藍(lán)光眼鏡情況下，兩種顯示器的主波長(zhǎng)。不配戴眼鏡時(shí)，6 500 K及5 000 K下OLED的主波長(zhǎng)分別為490 nm和530 nm；6 500 K及5 000 K下LED背光LCD屏幕的主波長(zhǎng)分別為486 nm和574 nm。計(jì)算不同眼鏡配戴情況下，屏幕主波長(zhǎng)的漂移，結(jié)果見表8。由表8數(shù)據(jù)可見，5種防藍(lán)光眼鏡對(duì)色溫為5 000 K的LED背光LCD屏幕主波長(zhǎng)影響不大，防藍(lán)光眼鏡A對(duì)不同色溫下兩種屏幕的主波長(zhǎng)幾乎無影響。其他情況下，主波長(zhǎng)漂移幅度均較大。

(nm)

配戴不同防藍(lán)光眼鏡引起屏幕顯示主波長(zhǎng)的漂移，人眼能否辨別，需要根據(jù)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的辨別能力曲線判斷。圖4給出了人眼對(duì)可見光的波長(zhǎng)分辨力[11]。

圖4 人眼對(duì)可見光的波長(zhǎng)分辨力Fig.4 Wavelength resolution of the human eye to visible light

由圖4可得，486，490，530，574 nm人眼分辨力分別為1.2，1.1，2，1.2 nm?？梢姺浪{(lán)光眼鏡A引起不同色溫下兩種屏幕顯示主波長(zhǎng)的漂移，以及配戴防藍(lán)光眼鏡D觀影5 000 K色溫下LED背光LCD屏幕顯示主波長(zhǎng)的漂移，人眼無法辨別，其他情況均會(huì)引起較大的主波長(zhǎng)漂移，特別是配戴防藍(lán)光眼鏡E觀影6 500 K色溫下OLED屏幕顯示主波長(zhǎng)的漂移高達(dá)106 nm，以嚴(yán)重改變了觀影顏色效果。

3.2 飽和度分析

飽和度表示顏色的純潔度或濃淡程度，為彩色三要素之一[12]。由透過不同防藍(lán)光眼鏡的光譜分布數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)應(yīng)飽和度，結(jié)果見表9。由表9可見，5種防藍(lán)光眼鏡均可使色溫設(shè)置為5 000 K的OLED及LED背光LCD屏幕飽和度增加，特別是防藍(lán)光眼鏡D和E，可使飽和度大幅度增加。色溫設(shè)置為6 500 K時(shí)，5種防藍(lán)光眼鏡對(duì)飽和度影響變化較為復(fù)雜，防藍(lán)光眼鏡A、B、C可使色溫設(shè)置為6 500 K的OLED及LED背光LCD屏幕飽和度減小，而防藍(lán)光眼鏡D和E使飽和度增加幅度較大。

表9 不同眼鏡配戴情況下屏幕的飽和度Tab.9 Saturation two displays under different anti-blue light glasses wore (%)

防藍(lán)光眼鏡引起飽和度的變化，是否影響顯示效果，人眼能否辨別，需要根據(jù)人眼對(duì)飽和度的辨別能力曲線判斷。圖5給出了人眼對(duì)飽和度的辨別能力譜，縱坐標(biāo)為從白光起等級(jí)數(shù)目。純白光的色彩飽和度為0，單色光飽和度為100%。由圖可見，主波長(zhǎng)490，530，486，574 nm對(duì)應(yīng)的可辨別飽和度等級(jí)分別為19.4，18.6，19.6，6.8。人眼只能區(qū)別19級(jí)與7級(jí)飽和度，即飽和度變化大于5.26%與14.29%左右時(shí)人眼能辨別。由此可

以判斷：防藍(lán)光眼鏡D和E引起OLED及LED背光LCD屏幕飽和度變化人眼可以辨別，影響觀影效果，其他情況人眼均較難辨別，對(duì)屏幕飽和度顯示效果影響不大。

3.3 光通量分析

亮度為單位立體角、單位投影面積上的光通量，為彩色三要素之一[13]。此處為了計(jì)算分析方便，僅比較研究光通量。光通量計(jì)算公式見式(4)。P(λ)為單位時(shí)間內(nèi)光源的輻射能量分布曲線，不同眼鏡配戴情況的P(λ)可由上文對(duì)應(yīng)的光譜分布函數(shù)及透射率擬合結(jié)果相乘得到；V(λ)為明視覺光譜光效函數(shù)，1924年CIE(國(guó)際照明委員會(huì))給出了不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)值，多篇文章對(duì)其函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行了高質(zhì)量擬合，本文采用式(5)。Km=683 lm/W，為明視覺最大光譜光效能。式(4)光通量計(jì)算采用Matlab7.0中trapz函數(shù)完成。

(4)

(5)

計(jì)算裸眼時(shí)6 500 K及5 000 K下OLED的光通量分別為23 304 lm和22 350 lm；6 500 K及5 000 K下LED背光LCD屏幕的光通量分別為30 686 lm和25 771 lm。為了更加直觀地反映配戴防藍(lán)光眼鏡后，光通量的變化情況，利用式(6)計(jì)算不同眼鏡配戴情況光通量的相對(duì)偏差：

(6)

Φv為裸眼時(shí)對(duì)應(yīng)屏幕的光通量，Φvg為配戴不同眼鏡時(shí)的光通量，計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表10 不同防藍(lán)光眼鏡配戴情況下屏幕光通量的相對(duì)偏差Tab.10 Deviation of Luminous flux of two displays under different anti-blue light glasses wore (%)

人眼能感受的亮度范圍約為10-3～106cd/m2，能分辨的最大和最小亮度比為1 000∶1。當(dāng)亮度為1 000 cd/m2時(shí)，最小可識(shí)別黑度差ΔDmin≈0.08。光通量與亮度相互對(duì)應(yīng)，人眼對(duì)亮度有較高靈敏度，即對(duì)光通量變化也有較大分辨力。整體分析表10數(shù)據(jù)可見，防藍(lán)光眼鏡C、E對(duì)光通量影響比較大，特別是E使色溫為6 500 K的OLED屏幕光通量下降61.8%，嚴(yán)重影響了觀影效果。

3.4 色溫分析

色溫的變化直接影響光譜分布特征，進(jìn)而影響人眼的視覺感受。本文在采集兩種顯示器光譜分布數(shù)據(jù)過程中，利用色溫調(diào)節(jié)軟件設(shè)置了不同色溫。究竟色溫設(shè)置是否準(zhǔn)確，配戴不同防藍(lán)光對(duì)色溫有何影響？可根據(jù)光譜分布數(shù)據(jù)，利用相關(guān)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表11所示。可見該軟件在設(shè)置調(diào)節(jié)OLED色溫時(shí)，實(shí)際色溫高于設(shè)置色溫8 00 K左右，設(shè)置調(diào)節(jié)LED背光LCD色溫時(shí)，實(shí)際色溫與設(shè)置色溫差距不大，如設(shè)置色溫為5 000 K時(shí)，實(shí)際色溫僅減少了10 K。故該軟件在設(shè)置調(diào)節(jié)LED背光LCD色溫時(shí)，總體精度高于OLED，且差距明顯。

表11 不同防藍(lán)光眼鏡配戴情況下屏幕的實(shí)際色溫Tab.11 Actual color temperature of two displays under different anti-blue light glasses wore (K)

比較分析表11數(shù)據(jù)，知5種防藍(lán)光眼鏡A至E，隨著防藍(lán)光效果的增加，色溫依次下降，兩種屏幕設(shè)置色溫為6 500 K時(shí)色溫下降速度略大于5 000 K。防藍(lán)光眼鏡D與E，對(duì)色溫影響較大。盡管人眼受色覺守恒和視覺心理特性的作用，對(duì)色溫較小幅度的變化，引起視覺效果的差異不敏感。但防藍(lán)光眼鏡D與E對(duì)兩種屏幕色溫的改變，一定會(huì)影響顯示效果。

4 結(jié) 論

為了全面定量研究當(dāng)前銷量較大的5種不同材質(zhì)防藍(lán)光眼鏡，對(duì)不同色溫LED背光LCD及OLED彩色顯示效果的影響。本文測(cè)量了兩種屏幕在色溫設(shè)置為6 500 K和5 000 K下的光譜分布數(shù)據(jù)，結(jié)合5種不同材質(zhì)防藍(lán)光眼鏡透射率與人眼分辨率，通過OriginPro擬合、色度軟件分析、Matlab計(jì)算。比較研究了不同色溫下兩種屏幕在不同防藍(lán)光眼鏡配戴狀態(tài)下的色調(diào)、飽和度以及光通量，得到以下結(jié)論：

(1)5種不同材質(zhì)防藍(lán)光眼鏡均具有一定的過濾藍(lán)光效果，隨著屏幕色溫的下降，眼鏡防藍(lán)光效果增強(qiáng)。對(duì)相同色溫同一眼鏡對(duì)LED背光LCD屏的防藍(lán)光效果略強(qiáng)于OLED屏。

(2)5種防藍(lán)光眼鏡對(duì)色溫為5 000 K的LED背光LCD屏幕主波長(zhǎng)影響不大，配戴防藍(lán)光眼鏡E觀影6 500 K色溫下OLED屏幕顯示主波長(zhǎng)的漂移高達(dá)106 nm，以嚴(yán)重改變了觀影顏色效果。

(3)5種防藍(lán)光眼鏡均可使色溫設(shè)置為5 000 K的OLED及LED背光LCD屏幕飽和度增加。防藍(lán)光效果太強(qiáng)的眼鏡嚴(yán)重影響飽和度，如：過濾掉色溫6 500 K的OLED屏幕99.626%藍(lán)光的眼鏡，可使飽和度增加22.7倍。

(4)過濾藍(lán)光會(huì)使屏幕色溫下降，如：能過濾掉色溫6 500 K的LED背光LCD屏幕99.59%藍(lán)光的眼鏡，可使色溫下降為原來的0.322倍。

綜上所述，各種防藍(lán)光眼鏡均有一定防藍(lán)光效果，但差距較大。很多防藍(lán)光眼鏡已嚴(yán)重影響了屏幕畫面的色調(diào)、飽和度及亮度，我們應(yīng)該找到防藍(lán)光重視光生物安全與兼顧顯示效果的平衡點(diǎn)。以上結(jié)論可為防藍(lán)光眼鏡的選擇與使用提供依據(jù)，分析研究方法可為相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供借鑒。