不同防藍光眼鏡對屏幕顯示效果的影響比較

王玨敏， 張 林

(1. 山西職業技術學院，山西 太原 030006;2. 商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西 商洛 726000)

1 引 言

2017年權威數據顯示，中國消費者人均每天面對屏幕8.9 h，其中使用智能手機、筆記本電腦、平板電腦、電視的時間分別為3.0，2.2，1.6，2.1 h?！吨袊ヂ摼W發展報告2018》數據：中國網民已達7.72億。屏幕中的過量藍光不僅會通過光化學作用損傷人眼視網膜，而且可通過影響褪黑素等激素分泌，調節人體生物鐘[1-5]。近年來隨著CIE(國際照明委員會)、IEC(國際電工技術委員會)、世界衛生組織等權威機構的呼吁[6-8]，光生物健康已經深入人心。降低屏幕藍光危害及節律效應已受到廣大光電產品制造商及普通消費者的高度關注，防藍光眼鏡、濾藍光護眼屏幕貼膜等應運而生。然而，藍光作為三基色之一，特意過濾藍光是否會影響屏幕畫面的顯示效果？暫未見相關文獻定量分析報道。在色度學中，任一彩色光均可利用色調、飽和度和亮度三個基本參量表示，稱為彩色三要素。人眼可分辨的色調約為128種，平均飽和度區分等級約為10種，可分辨的亮度等級約有600種。彩色三要素各自變化得到不同顏色，可見人眼具有很強的顏色分辨能力。

為了全面定量研究當前銷量較大的5種不同材質防藍光眼鏡，對不同色溫LED背光LCD(液晶顯示屏)及OLED(有機發光二極管)屏彩色顯示效果的影響。本文測量了兩種屏幕在色溫設置為6 500 K和5 000 K下的光譜分布數據，結合5種不同材質防藍光眼鏡透射率與人眼分辨率，通過OriginPro擬合、色度軟件分析、Matlab計算。比較研究了不同色溫設置下兩種屏幕在不同防藍光眼鏡配戴下的色調、飽和度、光通量及實際色溫。該研究方法與結論可為相關產品的使用和研發提供借鑒。

2 實 驗

2.1 眼鏡透射率測量及其擬合

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

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

續 表

利用上海復享光學股份有限公司的FX2000光纖光譜儀及HL2000鹵素光源，掃描步長為0.31 nm，積分時間為5 ms，測量5種防藍光眼鏡鏡片垂直方向380～780 nm波段透射率，測量原始數據見圖1所示。為了下文的色度學定量計算分析方便，利用OriginPro軟件的Nonlinear curve fit功能，采用Boltzmann函數對A、B、C透射率測量數據進行擬合，擬合公式見式(1)。采用SGompertz函數對D和E透射率測量數據進行擬合，擬合公式見式(2)，擬合曲線見圖1。根據相關文獻知，藍光危害的峰值波長為437 nm，節律效應的峰值波長為464 nm，光生物安全關注的藍光波段為400～500 nm[1-3]。由圖1透射率曲線可見，5種防藍光眼鏡均有一定的過濾藍光作用，過濾效果大致趨勢為由A至E依次增強。

(1)

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

(2)

5種防藍光眼鏡可見光波段透射率的擬合結

圖1 5種防藍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給出了擬合函數表達式中各參數數值、相關系數平方(R2)、殘差平方(Residual sum of squares)及簡化卡方檢驗值(Reduced Chi-Sqr)。由數據可見，除過B和C擬合質量略差外，其他3個膜透射率擬合質量均較高，能保證下文的計算精度。

表2 3種防藍光眼鏡的透射率擬合結果Tab.2 Fitting results of five kinds of anti-blue light glasses transmissivity

2.2 顯示器光譜測量與擬合

目前各種光電顯示器中，LCD占據絕對優勢地位，其中LED背光的LCD的應用最為廣泛。OLED作為LCD的主要競爭者，應用前景廣闊[9-10]。因此，本文以OLED與LED背光LCD為研究對象，選擇全球知名品牌產品，主要參數見表3。

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

安裝顯示器色溫調節軟件，上海復享光學股份有限公司的FX2000光纖光譜儀，分別測量OLED與LED背光LCD設置色溫為6 500 K、5 000 K白場下可見光波段光譜分布數據。對其進行歸一化處理，結果分別見圖2。

不同色溫下兩種顯示器光譜掃描步長為0.31 nm，下文所用色度計算分析軟件對掃描步長要求為1 nm，故需知光譜分布的函數表達式。利用OriginPro軟件的Multi-peaks Fit功能，采用5個Gauss函數疊加[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)

不同色溫設置下OLED和LED背光LCD的光譜分布函數擬合結果見表4。由表可見4個擬合結果的R2均大于0.99，且卡方檢驗值均較小。因此，該擬合方法能夠高質量擬合兩種顯示器的光譜分布，可保證下文的計算精度。

表4不同色溫LED背光LCD的光譜擬合結果

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 結果與討論

根據上文擬合的5種防藍光眼鏡透射率計算公式、4個光譜分布函數表達式，采用透射率乘以光譜分布，得到配戴不同防藍光眼鏡時的屏幕光譜分布函數，計算掃描步長為1 nm的光譜數據。根據光譜分布數據，利用色度分析軟件計算比較不同色溫設置下OLED及LED背光LCD屏幕，配戴5種防藍光眼鏡觀看時的色調、飽和度、光通量、實際色溫。

3.1 色調分析

色調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計色系統能夠方便地對顏色進行計量描述。利用色度分析軟件計算不同色溫設置下，配戴不同防藍光眼鏡情況下，兩種顯示器的1931 CIE-XYZ色坐標。

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

表6 配戴不同防藍光眼鏡LED背光LCD顯示器的1931 CIE-XYZ色坐標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可計算藍基色比例。由表5和表6可見，配戴防藍光眼鏡后色坐標數據的X、Y均有所增加，即藍基色比例下降，可由Z值變化量化防藍光效果。計算配戴不同防藍光眼鏡后色坐標Z的下降幅度，結果見表7所示。由表7可見對于上述5種防藍光眼鏡，同一屏幕相同防藍光眼鏡下，隨著屏幕色溫的下降，眼鏡防藍光效果增強，例如：配戴防藍光眼鏡A觀看OLED屏幕，色溫由6 500 K調至5 000 K，防藍光效果提高了77.358%。5種眼鏡防藍光效果相差較大，例如：對于色溫為6 500 K的OLED屏，眼鏡E的防藍光比A強1 881倍。

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

根據色坐標，在色度圖中標出配戴不同防藍光眼鏡情況下的OLED與LED背光LCD對應點，可直觀比較分析不同眼鏡情況下色坐標的變化，由于防藍光眼鏡A配戴前后對色坐標影響不大，兩點在色度圖中幾乎完全重合，故在色度圖中未單獨標出不配戴眼鏡時OLED及LED背光LCD屏幕對應點，結果見圖3所示。由圖3可直觀看到防藍光眼鏡D、E對不同色溫下OLED及LED背光LCD屏幕顯示的色調影響較大，會影響觀影效果。結合圖1，可見防藍光眼鏡D、E能過濾掉大部分藍光，特別是E幾乎過濾掉了所有的藍光。藍光作為三基色之一，要找到防藍光重視光生物安全與兼顧顯示效果的平衡點。

人眼對屏幕發出的復色光顏色感知可用主波長描述，根據色坐標計算不同色溫設置下，不同防藍光眼鏡情況下，兩種顯示器的主波長。不配戴眼鏡時，6 500 K及5 000 K下OLED的主波長分別為490 nm和530 nm；6 500 K及5 000 K下LED背光LCD屏幕的主波長分別為486 nm和574 nm。計算不同眼鏡配戴情況下，屏幕主波長的漂移，結果見表8。由表8數據可見，5種防藍光眼鏡對色溫為5 000 K的LED背光LCD屏幕主波長影響不大，防藍光眼鏡A對不同色溫下兩種屏幕的主波長幾乎無影響。其他情況下，主波長漂移幅度均較大。

(nm)

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

圖4 人眼對可見光的波長分辨力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{光眼鏡A引起不同色溫下兩種屏幕顯示主波長的漂移，以及配戴防藍光眼鏡D觀影5 000 K色溫下LED背光LCD屏幕顯示主波長的漂移，人眼無法辨別，其他情況均會引起較大的主波長漂移，特別是配戴防藍光眼鏡E觀影6 500 K色溫下OLED屏幕顯示主波長的漂移高達106 nm，以嚴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]。由透過不同防藍光眼鏡的光譜分布數據計算對應飽和度，結果見表9。由表9可見，5種防藍光眼鏡均可使色溫設置為5 000 K的OLED及LED背光LCD屏幕飽和度增加，特別是防藍光眼鏡D和E，可使飽和度大幅度增加。色溫設置為6 500 K時，5種防藍光眼鏡對飽和度影響變化較為復雜，防藍光眼鏡A、B、C可使色溫設置為6 500 K的OLED及LED背光LCD屏幕飽和度減小，而防藍光眼鏡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，需要根據人眼對飽和度的辨別能力曲線判斷。圖5給出了人眼對飽和度的辨別能力譜，縱坐標為從白光起等級數目。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490，530，486，574 nm對應的可辨別飽和度等級分別為19.4，18.6，19.6，6.8。人眼只能區別19級與7級飽和度，即飽和度變化大于5.26%與14.29%左右時人眼能辨別。由此可

以判斷：防藍光眼鏡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]。此處為了計算分析方便，僅比較研究光通量。光通量計算公式見式(4)。P(λ)為單位時間內光源的輻射能量分布曲線，不同眼鏡配戴情況的P(λ)可由上文對應的光譜分布函數及透射率擬合結果相乘得到；V(λ)為明視覺光譜光效函數，1924年CIE(國際照明委員會)給出了不同波長對應的數值，多篇文章對其函數表達式進行了高質量擬合，本文采用式(5)。Km=683 lm/W，為明視覺最大光譜光效能。式(4)光通量計算采用Matlab7.0中trapz函數完成。

(4)

(5)

計算裸眼時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光眼鏡后，光通量的變化情況，利用式(6)計算不同眼鏡配戴情況光通量的相對偏差：

(6)

Φv為裸眼時對應屏幕的光通量，Φvg為配戴不同眼鏡時的光通量，計算結果如表10所示。

表10 不同防藍光眼鏡配戴情況下屏幕光通量的相對偏差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。當亮度為1 000 cd/m2時，最小可識別黑度差ΔDmin≈0.08。光通量與亮度相互對應，人眼對亮度有較高靈敏度，即對光通量變化也有較大分辨力。整體分析表10數據可見，防藍光眼鏡C、E對光通量影響比較大，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據過程中，利用色溫調節軟件設置了不同色溫。究竟色溫設置是否準確，配戴不同防藍光對色溫有何影響？可根據光譜分布數據，利用相關分析軟件進行計算，結果如表11所示?？梢娫撥浖谠O置調節OLED色溫時，實際色溫高于設置色溫8 00 K左右，設置調節LED背光LCD色溫時，實際色溫與設置色溫差距不大，如設置色溫為5 000 K時，實際色溫僅減少了10 K。故該軟件在設置調節LED背光LCD色溫時，總體精度高于OLED，且差距明顯。

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

比較分析表11數據，知5種防藍光眼鏡A至E，隨著防藍光效果的增加，色溫依次下降，兩種屏幕設置色溫為6 500 K時色溫下降速度略大于5 000 K。防藍光眼鏡D與E，對色溫影響較大。盡管人眼受色覺守恒和視覺心理特性的作用，對色溫較小幅度的變化，引起視覺效果的差異不敏感。但防藍光眼鏡D與E對兩種屏幕色溫的改變，一定會影響顯示效果。

4 結 論

為了全面定量研究當前銷量較大的5種不同材質防藍光眼鏡，對不同色溫LED背光LCD及OLED彩色顯示效果的影響。本文測量了兩種屏幕在色溫設置為6 500 K和5 000 K下的光譜分布數據，結合5種不同材質防藍光眼鏡透射率與人眼分辨率，通過OriginPro擬合、色度軟件分析、Matlab計算。比較研究了不同色溫下兩種屏幕在不同防藍光眼鏡配戴狀態下的色調、飽和度以及光通量，得到以下結論：

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

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

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

(4)過濾藍光會使屏幕色溫下降，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，各種防藍光眼鏡均有一定防藍光效果，但差距較大。很多防藍光眼鏡已嚴重影響了屏幕畫面的色調、飽和度及亮度，我們應該找到防藍光重視光生物安全與兼顧顯示效果的平衡點。以上結論可為防藍光眼鏡的選擇與使用提供依據，分析研究方法可為相關產品的研發提供借鑒。