饶 丰，朱锡芳，徐安成，褚 静，张 燕，郭 杰

(1.常州工学院 光电工程学院，江苏 常州 213002；2.常州现代光电技术研究院，江苏 常州 213002；3.常州光电子材料与器件重点实验室，江苏 常州 213002)



不同LED背光显示器对人眼视觉和非视觉效应的研究

饶 丰1,2,3，朱锡芳1，徐安成1，褚 静1，张 燕1，郭 杰1

(1.常州工学院 光电工程学院，江苏 常州 213002；2.常州现代光电技术研究院，江苏 常州 213002；3.常州光电子材料与器件重点实验室，江苏 常州 213002)

研究了以LED为背光源的不同显示器对不同年龄人眼视网膜照度、节律效应和蓝光危害等视觉和非视觉效应。采用常见的4款LED显示器为研究对象，测量了显示白色和蓝色时的归一化光谱分布，参考不同年龄人眼晶状体的透射谱曲线，计算了视网膜照度因子、蓝光危害能效因子和节律因子，分析不同显示器的结果之间的关系。研究表明：不同显示器显示白色和蓝色时，其视网膜照度因子、蓝光危害能效因子和节律因子均随年龄的增加而显著减小。对于同一年龄的年轻人眼，不同显示器的照度因子基本相同,节律因子和蓝光危害因子的差异较大。

LED背光源; 显示器; 节律; 蓝光危害；晶状体透射谱

引言

随着科技的发展，以LED为背光源的显示屏应用越来越广泛，已经占据了家用电器显示领域的主要地位。同时，随着认识的深入，人们对显示屏的要求也越来越高，不仅要求亮度高、颜色丰富、节能，而且要求对使用者“健康”，如对人体生理节律影响小，光生物安全特别是蓝光危害小等等[1-2]，因此，研究以LED为背光源的显示屏对人眼视网膜照度、节律和光生物安全等光学效应，具有重要的理论意义和应用价值。

2012年，David Berson等在哺乳动物的视网膜上发现了除视锥细胞和视杆细胞以外的第三种感光细胞，即自主感光视网膜神经节细胞(ipRGC)[3]，ipRGC可以将视网膜接收的光信号传递到下丘脑视交叉上核(SCN)，而SCN又与控制人体某些激素分泌的下丘脑的松果体相连，起到调节和控制生理节律和激素水平的作用。ipRGC参与许多人体光生物效应，包括血压、脉搏、血氧、体温和激素的分泌、人体的警觉性和兴奋程度等。近年来，关于该细胞作用的报道越来越多。2005年，瑞士Basel大学的Cajochen等发现460nm的光使人体温升高，心率加快[4]。2010年，重庆大学严永红等发现教室照明中的蓝光成分对学生的学习效率、瞳孔和心率影响明显[5]。2012年，复旦大学林燕丹等发现低彩度LED对心率影响明显[6]。2011年，居家奇也测量了心率、体温和血压等生理参数随特定强度和光谱的照明的变化[7]。

LED背光源的蓝光波长恰好是ipRGC的主导波段，因此，其非视觉效应比普通照明要强得多[8]。但是，这些研究一般是以统一节律作用函数为基础[2,9-11]，不能反映不同年龄人眼的差异。同时， LED光源的蓝光比例一般比较高，容易引起视网膜蓝光危害[12-13]。同样地，蓝光危害加权因子也是国际标准给出的固定值[14]，不能反映不同年龄人眼的差别。而年龄人眼的透射谱不同[15-16]，因此在同一照明条件下，入射到不同年龄人眼视网膜上的光照度、节律效应和蓝光危害必然也不同。同时，不同的LED背光源光谱分布有差异。基于此，本文研究不同LED背光源的显示屏对不同年龄人眼的光学效应差异，为针对特定年龄人显示屏的设计提供理论基础。

1 实验

1.1 实验原理

人们很早就发现，不同人眼的透射谱差异主要取决于晶状体透射谱差异[11]，因此本文采用晶状体的透射谱代表全眼的透射谱。图1是文献[15,16]统计的不同年龄人眼晶状体透射谱，从上到下年龄依次是1岁、18岁、21岁、46岁、62岁、73岁和76岁的。可见，随着年龄的增长，晶状体的吸收谱不断下降，蓝光部分随年龄的下降的速度大于红光部分。这些差异必然导致在相同的照明条件下，不同年龄人眼的视网膜照度、光生物安全和节律效应不同。

图1 不同年龄人眼晶状体的透射谱Fig.1 The Lens transmission spectra of different ages

本研究中，节律因子采用是采用2012年David Berson的研究结果，明视觉视觉函数采用国际照明学会1924年公布的数据，蓝光危害采用GB/T 20145—2006的数据。图2是三者的曲线。可见，蓝光部分对节律效应和蓝光危害影响较大，而对人眼的视觉效应的作用较小。

图2 节律效应加权系数、明视觉视见函数和蓝光危害加权系数Fig.2 Weighting coefficient for circadian,photopic visual function and weighting coefficient for blue light hazard

显然，同一照明条件下，由于晶状体的透射谱不同，不同人眼视网膜照度也不同，本文基于成年人眼(21岁)的透射谱，定义视网膜照度因子KI，来表征不同年龄人眼视网膜的照度差异：

(1)

式中，P(λ)为相对光谱分布，V(λ)是明视觉视见函数。Tn(λ)为年龄为n的人眼晶状体透射谱，T20(λ)为21岁人眼的晶状体透射谱。可见，如果n=21，KI=1 。

节律因子C/P是基于ipRGC光谱响应的有效辐射量与明视觉光度量的比值[4]，公式如下：

(2)

(3)

蓝光危害能效因子KVB是基于视网膜蓝光危害光谱响应B(λ)的有效辐射量与明视觉光谱响应的辐射量(单位：W)的比值，同理，考虑不同人眼的透射谱，可用如下公式计算：

(4)

这样，通过测量LED显示屏的光谱分布，就可以得到在同一显示条件下，不同年龄人眼的视网膜照度因子、节律作用和蓝光危害能效因子的差异。

显示器工作时，图像一般是动态的，因此进入到人眼的光也是动态的。研究表明：长时间工作时，显示器的各种颜色均出现，且近似均匀分布，这样，进入人眼的光照度、节律因子和蓝光危害能效因子的值就与显示白色时的值近似[4]。晶状体蓝色波段差异最大，因此显示器显示蓝色时，视网膜照度、节律效应和蓝光效应差异最明显。因此，本文首先测量并计算不同显示器在显示白色图片时，照度、节律因子和蓝光危害能效因子差异，作为显示器的视觉和非视觉差异的平均值，然后分析显示蓝色图片时，不同显示器的视觉和非视觉效应差异，作为显示器光学效应差异的最大值，最后实验结果进行分析和讨论。

1.2 实验设计

本研究选择4款以LED为背光源的常见显示屏为研究对象，分别是Ipad2显示器、Samsung显示器、ThinkPad 笔记本电脑显示器和Asus笔记本电脑显示器。由于亮度大小对光谱分布影响比较小，为了便于测量，实验过程中，显示器亮度均调节到最大。

本研究的测量装置连接图如图3所示，纯净电源(220±1 V，50Hz，型号：TPS500)给显示器提供驱动电源。光谱仪(HASS2000)与积分球采用光纤连接。积分球直径50cm，一侧开有孔，显示器的光从孔中进入积分球，孔尺寸略小于显示器，以保证显示器能够盖住孔，同时进入积分球的光比较多。这样，显示器工作时，积分球和光谱仪结合能够准确地测量显示器的归一化光谱分布。计算机负责控制系统的开关，以及记录光谱仪采集的数据。在开始测量测试样品之前，使用标准光源对光谱仪定标，本研究采用2865K的A光源。

图3 显示器的光谱分布测量系统Fig.3 Measurement system of spectral distribution for display

实验中，将4款显示器在正常条件下驱动，依次盖在小孔上，再分别显示出同样的白色和蓝色图片，让光进入积分球，然后测量对应的归一化光谱分布，最后计算对应的视觉和非视觉效应。

2 结果与讨论

图4A是显示蓝色图片时，4款显示器的归一化光谱分布，可见，峰值波长从小到大依次是Thinkpad、Asus、Sunsumg和Ipad，Thinkpad和Ipad的峰值差为7 nm，光谱分布中，黄绿色成分从多到少依次为Ipad、Sunsumg、Asus和Thinkpad。图4B是显示白色图片时，4款显示器的归一化光谱分布，可见，白光均为三基色光配成，光谱分布中，黄绿色成分从多到少也是Ipad、Sunsumg、Asus和Thinkpad。

图4 显示屏的归一化光谱分布 A—蓝色；B—白色Fig.4 Normalized spectral distributions of four displays

图5A是显示白色图片时，4款显示器的照度因子的变化，可见，随着年龄的增加，照度因子不断减小，因此，老年人喜欢在照度较高的地方阅读[17]。四款显示器的照度因子KI差异较小，这主要是蓝绿色部分对视觉的影响比较大，而人眼晶状体蓝绿色部分的透过率随年龄变化较小的缘故。

图5B是显示白色时，4款显示器的节律因子C/P随年龄的变化规律。可见，青年(21岁)的节律因子约4.1，婴儿的节律因子明显较高，且不同显示器的差异明显。同时，随着年龄的增加，不同显示器之间的节律因子差异不断减小。60岁之后的节律因子小于1，不到21岁时的1/4。

图5C是不同显示器的蓝光危害能效因子KVB随年龄的变化关系，可见， 4款显示器的KVB的差别也随着年龄的增加而减小。说明视网膜蓝光危害对年轻人影响较大，且不同显示器差异明显，因此要合理选择显示屏，而老年人由于晶状体的过滤作用，蓝光危害影响较小，对显示器的差异不敏感。

图5 显示白色时，A—照度、B—节律因子、C—蓝光危害能效因子Fig.5 Illumination factor(A)、circadian factor(B) and blue light hazard factor(C) of white color

图6中的A、B、C分别是显示蓝色图片时，4款显示器的照度因子，节律因子和蓝光危害能效因子随年龄的变化规律。可见，对于年轻人，不同显示器之间的照度因子差别较白光(图5A)小，而对于老年人，照度因子差别较大。不同显示器的节律因子和蓝光危害能效因子差异较大，特别是对于年轻人，因此，使用显示器显示蓝色图片较多时，年轻人尤其要注意蓝光危害和节律效应的影响。

图6 显示蓝色时，A—照度、B—节律因子、C—蓝光危害能效因子Fig.6 Illumination factor(A)、circadian factor(B) and blue light hazard factor(C) of blue color

3 结论

光的节律效应和蓝光危害是影响人体健康的重要因素，本研究分析了4款常见的以LED为背光源的显示器的视网膜照度因子、节律因子和蓝光危害能效因子随年龄的变化规律，发现对于同一年龄段年轻人眼，不同显示器的照度因子差别相对较小，而节律因子和蓝光危害因子差别较大，特别是显示蓝光时。对于年老人，不同显示器之间的差别比较小。因此，设计学生用显示器时，要采用低蓝光设计，而设计老年人显示器时，则更多地考虑亮度问题。

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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

江苏省高校自然科学项目(14KJB140001)，常州工学院重点项目(No:YN1209)，常州光电技术研究院项目(No:CZGY003)

饶丰，E-mail: 1270437521@aliyun.com

TN27

A

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