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、家電以及廣告娛樂等，充斥著生活的各個角落。不僅如此，人們注視顯示屏的時間也在不斷攀升，長達日均8h。在關(guān)注顯示品質(zhì)的同時，人們對顯示產(chǎn)品的光輻射安全和健康影響也越來越重視，特別是由于長時間注視高亮屏可能帶來的視網(wǎng)膜藍光危害，以及對人的生物節(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，闡述藍光對人體安全和健康的影響，深入分析其評價方法和檢測技術(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O(shè)LED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/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，中國人每天對著電腦、手機、戶外廣告以及電視顯示屏的時間長達8小時，在如此長時間的注視下，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可見光范圍內(nèi)，彩色顯示一般通過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，但過高能量的藍光卻會對人體健康造成影響甚至傷害，對此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與報告中都有確切的規(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)膜藍光危害及其評價參數(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，從而達到視見效果，如圖3所示。若藍光輻射能量過高，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)生大量具有細胞毒性的自由基，破壞細胞正常生長，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、作用時間長便會引起視網(wǎng)膜藍光危害。標(biāo)準(zhǔn)用視網(wǎng)膜藍光危害加權(quán)輻亮度LB來測評，定義為光譜輻亮度與藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后量值，單位為W·m-2·sr-1，簡稱藍瓦，計算公式見式(1)：

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

　　圖4 藍光危害加權(quán)函數(shù)

　　此外，視網(wǎng)膜藍光危害也可以用藍光危害效率KB.V來評價，定義為藍光危害加權(quán)輻亮度Ls與相應(yīng)的光度量的比值，計算公式見式子(2)，表征可見光輻射內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中將視網(wǎng)膜藍光危害分為四個等級：無危險類、1類危險、2類危險和3類危險，危害程度由低到高排列，相應(yīng)等級的限值也是由低到高的。其中，無危險類可允許連續(xù)曝輻的時間為最長8小時，作為一種需要長時間注視的產(chǎn)品，顯示屏的藍光加權(quán)輻亮度則應(yīng)低于無危險類限值。

　　藍光對生物節(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教授對視網(wǎng)膜上第三種感光細胞——神經(jīng)結(jié)細胞(ipRGC)的偉大發(fā)現(xiàn)，研究表明，ipRGC上的黑視素感應(yīng)不同波長的光輻射并將感應(yīng)到的光信號傳遞到大腦中，進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.等人做的一個光照對褪黑激素分泌影響的實驗，試驗中采用3種光照條件對若干人進行了試驗，分別為50lux(dim)、1000lux(baseline condition)、1400lux(40% increased on the baseline)，并持續(xù)對人眼進行90min照射，每30分鐘進行唾液采樣分析褪黑激素的分泌量值，實驗結(jié)果顯示隨著光照的加強，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)對不同波長光的敏感度不同，其主導(dǎo)作用波段為藍光波段，峰值位于460~470nm之間(如圖6所示)，即藍色波段的光會對褪黑激素的分泌有顯著的抑制作用，使人體表現(xiàn)為興奮和機敏。而顯示屏光譜中存在的大量藍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、看電視等，顯示屏中的藍光輻射可能會對人體的褪黑激素分泌產(chǎn)生抑制，進而導(dǎo)致入睡時間增長、睡眠質(zhì)量變差，破壞人體正常生物節(jié)律，長此以往，對人體健康十分不利。

　　圖6 非視覺生物效應(yīng)節(jié)律作用函數(shù)

　　顯示屏光輻射對非視覺生物效應(yīng)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(CIE)正在成立了專門的聯(lián)合技術(shù)委員會(JTC)，研究非視覺效應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)化問題。為了定量測量顯示屏的非視覺影響，可采用節(jié)律因子來進行測評，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，不計二者的單位換算系數(shù)，計算公式為：

　　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，則對生物節(jié)律的影響就越大。

　　藍光成分測量方案探討

　　傳統(tǒng)的顯示屏測量中，一般采用亮度計或色度計進行亮度、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(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)亮度計或色度計并不能獲得上述的視網(wǎng)膜藍光危害和節(jié)律因子Kc等量值。

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

        圖7 濾色片式亮度計光路設(shè)計圖

　　圖8 CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度敏感曲線與一般色度計敏感曲線

　　（CIE(Y)曲線對應(yīng)視效函數(shù)V(λ)）

　　為實現(xiàn)上述量值，光譜測量方法成為新的突破口，且隨著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(shè)備。

　　圖9所示為典型的光譜輻亮度計的測量原理圖。在標(biāo)準(zhǔn)視場角測量條件下，瞄準(zhǔn)被測發(fā)光區(qū)域，測量光束經(jīng)色散系統(tǒng)(一般為光柵)分光后，投射至陣列探測器的探測表面，陣列探測器的像素與光譜波長一一對應(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)膜藍光危害參數(shù)LB、KB，V和節(jié)律因子KC。

　　圖9 光譜輻亮度計測量幾何

　　為了實現(xiàn)各類顯示屏藍光成分的高精度測量和準(zhǔn)確評估，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光譜輻亮度計應(yīng)具備以下特點：

　　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估;

　　具有較高的波長準(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)?，能夠適應(yīng)低亮度儀表顯示屏至高亮度戶外顯示測量的需求;

　　測量視場需可調(diào)，滿足不同尺寸顯示屏的測量應(yīng)用

　　測量速度足夠快，滿足全波段、高效率測試需求

　　軟件功能齊全，能夠自動控制測試并處理獲得藍光成分評價參數(shù)。

　　典型的顯示屏測量結(jié)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行一系列藍光成分測量實驗，測試界面和測試結(jié)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，對兩種顯示屏進行藍光成分測試和比較，其中一個為采用LED背光的LCD顯示屏(表示為LED-LCD);另一個為OLED屏。測試中將顯示屏調(diào)至全白場，采用1°視場。首先將兩顯示屏亮度調(diào)到最大進行測試;繼而將兩顯示屏調(diào)至亮度基本相同進行測試，具體測試結(jié)果見表1。

　　表1 顯示屏藍光測試結(jié)果

　　從表1的測試結(jié)果可以得出：

　　(1)同一種顯示屏，亮度越高，藍光加權(quán)輻亮度也越高，造成的視網(wǎng)膜藍光危害也越大;同時顯示屏亮度的改變會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(jié)律因子也會發(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，其藍光參數(shù)也存在著差異。在本實驗中，當(dāng)OLED屏與LED-LCD屏處于同一亮度時，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OLED屏對生物節(jié)律的影響高于LED-LCD屏8%左右。

　　目前市場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光譜輻亮度計可以方便快捷的對電視、電腦、廣告屏等顯示產(chǎn)品進行藍光成分測試，可以廣泛應(yīng)用于顯示產(chǎn)品的測試中。

　　五、總結(jié)

　　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(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)為我們評價藍光輻射提供了參考，就視網(wǎng)膜藍光危害和非視覺生物節(jié)律這兩類參數(shù)而言，現(xiàn)有的光譜輻亮度測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，高精度、高靈敏度以及寬動態(tài)范圍的光譜彩色亮度計將成為各類顯示屏藍光成分測量的理想選擇，也是顯示測量的大趨勢。