基于光譜分析的AMOLED藍光危害與節律效應隨年齡變化研究

楊超普,方文卿,吳慶豐,李 春,李曉龍

1. 商洛學院化學工程與現代材料學院,陜西 商洛 726000 2. 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,江蘇 蘇州 215123 3. 南昌大學國家硅基LED工程技術研究中心,江西 南昌 330047

引 言

Newzoo權威數據顯示,2020年全球智能手機用戶數已超過35億。 中國人均每天面對各種屏幕合計時間高達8.9 h,其中手機占比超過30%。 中國18—34歲青年人占智能手機用戶的75.6%。 近年來,特別是在青少年中出現了大量“手機控”、 “低頭族”。 屏幕顯示中的藍光對使用者健康的潛在風險受到當前的廣泛關注。 有機發光二極管(organic light-emitting diode,OLED)顯示面板具有自發光、 輕薄、 低功耗等優勢已成為顯示行業新寵[1-2]。 從21世紀開始,OLED面板年均出貨量增速近200%,根據Displaybank預測,OLED在未來20年將逐步成為顯示市場主流。 根據驅動方式的不同,OLED技術分為自動矩陣有機發光二極管板面(AMOLED)和被動矩陣有機發光二極管板面(PMOLED),當前OLED智能手機幾乎均為AMOLED[3]。 2018年全球AMOLED出貨量為4.5億片,其中約4億片用于智能手機。 綜上分析,有必要深入研究智能手機AMOLED中藍光對青少年的光生物安全。

智能手機AMOLED的光健康主要包括藍光危害與節律效應。 藍光危害是指可見光中的藍光波段照射人眼,在光化學作用下對人眼視網膜的損傷; 節律效應是指藍光通過影響褪黑色素、 皮質醇等的分泌,進而改變人體生理節律,調節警覺度和生物鐘[4-6],節律效應也稱為非視覺生物效應。 Noell等1966年首次報道了藍光能夠引起視網膜桿細胞損傷[7]。 Dawson等2001年對印度恒河猴進行藍光危害試驗,證實了LED藍光能夠造成靈長動物視網膜損害[8]。 2011年,Youssef等給出了藍光危害機制[9]。 2002年,Berson等發現視網膜上的特化感光神經節細胞(ipRGC)[10]。 ipRGC與視網膜下丘腦束、 視交叉上核、 脊髓的中間外側核、 上頸椎中的神經節細胞、 松果體連接,通過控制褪黑素的分泌,調節人體多種生物節律。 2001年Brainard等最先測定出非視覺生物光譜響應曲線,即節律函數,用以表征不同波長光照對人體節律影響的強弱。 當前人造光源的藍光危害和節律效應已引起國際權威機構的廣泛關注,例如: CIE S 009/E: 200,IDT和IEC/TR 62778均給出了藍光危害的量化分析方法(CIE: 國際照明委員會、 IEC: 國際電工技術委員會)。 ISO/TC274 N 201、 CIE TN 003: 2015等均呼吁警惕照明與顯示的節律效應(ISO/TC274: 國際標準化組織/光與照明技術委員會); 三位科學家杰費里·霍爾(Jeffrey C Hall)、 邁克爾·羅斯巴希(Michael Rosbash)和邁克爾·楊(Michael W Young)因發現控制晝夜節律的分子機理榮獲2017年諾貝爾生理學或醫學獎。 已有相關研究多關注于人工照明,因此,畫面快速變化,光譜高頻閃爍的顯示設備藍光危害與節律效應是當前的研究熱點與難點。

多種傳統顯示技術的藍光危害與節律效應已有相關研究報道[11-12],但暫時未見具有前瞻性的AMOLED智能手機的光生物健康研究。 考慮到智能手機使用者年齡分布的特殊性,我們結合CIE 2012年給出的人眼透射率隨年齡變化的權威數據,全面研究了AMOLED色溫在2 300～6 500 K范圍內,藍光危害與節律效應隨使用者年齡(1—100歲)的變化規律。 該研究可為AMOLED的個性化設計及使用,從藍光危害和節律效應角度提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 原理

CIE/IEC 62471: 2006給出了380～780 nm波段的藍光危害加權因子。 Al Enezi和Baczynska對節律函數進行了修正。 CIE在1924年給出了明視覺函數。 藍光危害加權因子、 節律函數、 明視覺函數三個人眼響應函數分別用字母B(λ)、C(λ)、V(λ)表示,三個函數見圖1所示。 由圖1知藍光危害峰值波長為437 nm,半峰寬67 nm(左右波長分別為: 411、 478 nm),恰好與視黃酮A2E的吸收峰重合,A2E在光化學作用下可引起視網膜色素上皮萎縮、 感光細胞死亡。 節律函數C(λ)峰值波長為464 nm,半峰寬94 nm(左右波長分別為: 414、 508 nm),該波段藍光對松果體分泌褪黑色素的調節效果顯著。 明視覺函數V(λ)由視網膜上能夠分辨顏色的錐狀細胞決定,對應于1 cd·m-2以上亮度,峰值波長為555 nm,半峰寬100 nm(左右波長分別為: 505、 605 nm)。 IEC/TR 62778—2012提出的藍光危害進行量化方法,藍光危害因子KB計算公式見式(1)。 已有報道給出的節律因子KC計算公式見式(2)[13-15]。

圖1 人眼的三個光譜響應函數Fig.1 Three spectral response functions of human eyes

(1)

(2)

CIE 203—2012A給出了人眼透射率隨年齡變化的計算公式,根據公式分別計算380～780 nm可見光波段,年齡1—100歲的人眼透射率τ(λ),結果見圖2所示。

圖2 不同年齡人眼透射率Fig.2 The spectral transmittances of human eyes of different ages

由圖2可見,人眼透射率在整個可見光波段均隨年齡的增大而降低。 人眼透射率在400～500 nm藍光波段,均隨年齡增大而降低的幅度較大。 分別以藍光危害加權因子函數及節律函數的峰值波長437和464 nm為例進行比較分析。 1歲幼兒眼睛對于波長437與464 nm藍光的透射率分別為57.915%、 70.628%。 但對于100歲老人兩個波長的透射率分別為4.195%、 13.368%; 計算可得年齡由1歲增長至100歲時,兩個波長的透射率分別下降至原來的7.243%、 18.927%。 1歲與100歲人眼透射率差值的最大值為58.79%,對應波長為452 nm,恰好約為兩函數峰值的中點。 由分析知,年齡對人眼藍光透射率影響較大。

藍光危害與節律效應均是可見光中的藍光波段作用于人眼視網膜。 忽略人眼瞳孔大小的變化、 散射等對光譜分布的影響,光譜儀測量的光源光譜分布P(λ)乘以人眼透射率τ(λ),即可得到照射至視網膜上的有效光譜分布P′(λ)。 根據AMOLED智能手機屏在不同色溫下,照射至不同年齡人眼視網膜上的有效光譜分布P′(λ),由式(1)和式(2)分別計算藍光危害因子KB、 節律因子KC,嘗試定量研究AMOLED的藍光危害與節律效應隨年齡的變化。

1.2 光譜采集

在某全球最大購物網站上,選擇銷量最高的某款世界知名企業生產的AMOLED智能手機為研究對象。 所選AMOLED智能手機的主要參數見表1。 利用本課題組前期探究的智能手機色溫精確調節方法,將AMOLED智能手機屏幕色溫分別調節為2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K。 色溫調節方法的詳細說明見我們已發表的文章。 不同色溫AMOLED手機屏幕色塊見圖3所示。 由圖3可直觀感受不同色溫的視覺變化,隨著色溫的下降,三基色RGB中紅光占比急劇增加。 當色溫降低至2 300 K時,顯示效果已明顯不太適合日常使用。 ISO3664: 2000定義的標準光源為D50,色溫為5 000 K。 結合常見顯示器色溫調節范圍,f.lux軟件及對應官網數據,將AMOLED智能手機屏幕的色溫的研究范圍定為2 300～6 500 K之間。

表1 被測AMOLED的主要參數Table 1 The main parameters of AMOLED

圖3 AMOLED屏幕在不同色溫下對應的顯示色塊Fig.3 Color blocks corresponding to AMOLED screens at different color temperatures

利用美國海洋光學公司的Ocean Optics UBS2000+型光譜儀分別測量不同色溫下AMOLED在380～780 nm范圍內的光譜分布P(λ),采用積分球及光纖將光信號導入光譜儀,積分球入光口位于AMOLED中心正上方23 cm處,光譜掃描步長為0.37 nm。 圖4為不同色溫下AMOLED的光譜分布。

圖4 不同色溫下AMOLED的歸一化光譜分布Fig.4 Normalized spectra of AMOLED at different color temperatures

由圖4可見,不同色溫下AMOLED的光譜分布P(λ)主要由625、 525和460 nm的RGB三基色組成。 在2 300～6 500 K色溫范圍內,隨著色溫的下降,460 nm藍光峰與525 nm綠光峰依次降低,625 nm紅光峰依次增大。 AMOLED光譜分布在400～500 nm波段的藍光占比隨色溫的變化而明顯變化,因此,藍光危害與節律效應隨著色溫的不同必然不同。

表2給出了不同色溫下AMOLED主要光學參數。 由表2可見,照度與亮度均隨色溫的降低而下降。 由主波長可以量化分析隨著色溫降低屏幕主觀感受的紅移情況。 AMOLED飽和度隨色溫變化較為復雜,暗明比S/P隨色溫的降低而減小。 將表2中不同色溫AMOLED對應1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標X、Y標注到色度圖上,可見6個色坐標均能落在黑體輻射軌跡上,即6個色溫下的AMOLED均調節至白平衡。

2 結果與討論

2.1 視網膜有效光譜分布計算

由圖4不同色溫AMOLED光譜分布P(λ)和圖2不同年齡人眼透射率τ(λ),根據P(λ)×τ(λ),計算不同色溫下AMOLED在不同年齡人眼視網膜上的有效光譜分布P′(λ)。 圖5分別給出了色溫為2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K的AMOLED在1—100歲間不同年齡使用者人眼視網膜上的有效光譜分布P′(λ)。 由圖5可見,對于同一色溫,由于人眼透射率τ(λ)隨著年齡的增大而降低,故視網膜上的有效光譜強度依次降低。 特別在高色溫下,400～500 nm的藍光波段強度隨年齡下降明顯。 對于不同色溫,因AMOLED光譜分布的不同,視網膜上的有效光譜分布也存在較大差異。 有必要進一步細致研究AMOLED藍光危害與節律效應隨年齡的變化。

圖5 不同色溫下AMOLED在不同年齡使用者視網膜上的有效光譜分布Fig.5 Effective spectral distribution of AMOLED at different color temperatures on retina of users of different ages

2.2 藍光危害隨年齡的變化

根據式(1),結合圖5所示不同年齡下AMOLED視網膜有效光譜分布P′(λ),計算不同年齡不同色溫AMOLED視網膜有效光譜的藍光危害因子KB,繪制2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色溫下AMOLED視網膜有效光譜的藍光危害因子KB隨年齡變化,見圖6所示。 由圖6可見,不同色溫下AMOLED視網膜有效光譜的藍光危害因子KB均隨年齡的增大而降低。 且隨著色溫的升高,降低的速度增快。 40歲是一個分界點,當年齡大于40歲時,各色溫的藍光危害因子隨年齡的降低速度明顯加快。 以6 500 K為例,年齡由1歲增加至100歲: 藍光危害因子由8.380×10-4W·lm-1降低至2.436×10-4W·lm-1,降低為原來的0.290 7倍。 由以上分析知: AMOLED對年輕人藍光危害較大,特別是年齡小于40歲的年輕使用者,應減少使用時間,注意藍光危害。

圖6 不同色溫AMOLED的藍光危害因子隨年齡變化及其擬合Fig.6 Changes and fittings of blue light hazard factors with age in AMOLED with different color temperatures

為了進一步細致深入分析2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色溫下AMOLED藍光危害因子隨年齡變化,以40歲為分界對年齡進行分段分析。 利用OriginPro軟件的Fit linear功能,采用最小二乘法,用表達式KB=a+bx(式中a、b、x分別代表截距、 斜率、 年齡),分別線性擬合不同色溫下1—40歲、 40—100歲藍光危害因子隨年齡變化的函數表達式,見圖6所示。 各擬合參數結果見表3所示。 由表3可見,12個擬合結果的相關系數平方R2最小值都高達0.946 52,說明不同色溫下AMOLED藍光危害因子隨年齡的變化,以40歲分段,呈現較強的線性關系,擬合質量較高。 進一步分析可見,40—100歲的線性程度高于1—40歲,前者相關系數平方R2均高于0.985,而后者均約為0.947。

表3 不同色溫AMOLED的藍光危害因子隨年齡變化擬合結果Table 3 Fitting result of blue light hazard factors with age in AMOLED with different color temperatures

表3中的Slope (b)的物理意義為AMOLED藍光危害因子隨年齡的增大而減小的速度。 為了直觀研究該減小速度,對表3中不同色溫,兩個年齡段對應斜率取絕對值。 分別繪制1—40歲、 40—100歲斜率絕對值隨色溫的變化,見圖7所示。 由圖7可明顯看出同一色溫下40—100歲斜率絕對值(圖中紅線)大于1—40歲斜率絕對值(圖中黑線),前者平均值為3.82×10-6,后者平均值為1.39×10-6,且兩個年齡段斜率絕對值均隨色溫的增加而增大。 即40—100歲AMOLED藍光危害因子隨年齡的增大而減小的速度大于1—40歲,且隨著色溫的增加,藍光危害因子隨年齡的增大而減小的速度加快,色溫5 000 K時出現折點。 表明藍光危害因子隨著AMOLED色溫的增加,受年齡影響程度變大。 以40—100歲為例,色溫由2 300 K增加至6 500 K,斜率絕對值由4.633 4×10-7增加至8.003 9×10-6,增加為原來的17.274倍。

圖7 AMOLED藍光危害因子斜率絕對值隨色溫的變化Fig.7 The slope ablsolute value of AMOLED blue light hazard factor varies with color temperature

2.3 節律效應隨年齡的變化

根據式(2),結合圖5所示不同年齡下AMOLED視網膜有效光譜分布P′(λ),計算不同年齡不同色溫AMOLED視網膜有效光譜的節律因子KC,繪制2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色溫下AMOLED視網膜有效光譜的節律因子KC隨年齡變化,見圖8所示。 由圖8可見,不同色溫下AMOLED視網膜有效光譜的節律因子KC均隨年齡的增大而降低。 且隨著色溫的升高,降低的速度增快。 40歲是一個分界點,當年齡大于40歲時,各色溫的節律因子隨年齡的降低速度明顯加快。 以6 500 K為例,年齡由1歲增加至100歲: 節律因子由4.847 6降低至1.957 5,降低為原來的0.403 8倍。 與上文藍光危害因子分析結果(降低為原來的0.290 7倍)相比,藍光危害因子隨年齡的增加而降低的幅度比節律因子大,即: AMOLED藍光危害受年齡影響程度更大。 AMOLED對年輕人節律效應同樣較大,特別是年齡小于40歲的年輕使用者,應減少使用時間,在注意藍光危害的同時,也要注意節律效應。

圖8 不同色溫AMOLED的節律因子隨年齡變化及其擬合Fig.8 Changes and fittings of circadian factors with age in AMOLED at different color temperatures

采用與上述AMOLED藍光危害因子隨年齡變化的相同擬合方法,分別線性擬合不同色溫下1—40歲、 40—100歲節律因子隨年齡變化函數表達式,各擬合參數結果見表4所示。 由表4可見,12個擬合結果的相關系數平方R2幾乎均高于0.9,說明不同色溫下AMOLED節律因子隨年齡變化,以年齡40歲分段,也呈現較強的線性關系,擬合質量較高。 進一步分析可見,40—100歲的線性程度高于1—40歲,前者相關系數平方R2均高于0.99,而后者均約為0.94。

表4 不同色溫AMOLED的藍光危害因子隨年齡變化擬合結果Table 4 Fitting result of circadian factors with age in AMOLED at different color temperatures

同樣對表4中不同色溫,兩個年齡段對應斜率取絕對值。 由表4計算得6個不同色溫下,1—40歲斜率絕對值的平均值為0.006 76,40—100歲的平均值為0.020 235,后者為前者的2.993 3倍。 即: 40—100歲AMOLED使用者節律效應受年齡的影響程度更大,約為1—40歲的三倍。 兩個年齡段的斜率絕對值均隨色溫的增加而快速增大,色溫由2 300 K增加至6 500 K,1—40歲、 40—100歲對應斜率絕對值分別增加為原來的9.618 7倍與8.394 5倍,說明隨著AMOLED色溫的增加,節律效應受年齡的影響程度增大。

3 結 論

由不同色溫(2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K)AMOLED智能手機屏幕光譜分布,結合CIE 203—2012A給出的1—100歲人眼透射率公式,分別計算6個不同色溫AMOLED在不同年齡人眼視網膜上有效光譜分布的藍光危害因子KB、 節律因子KC,研究AMOLED的藍光危害與節律效應隨年齡的變化,得到以下結論:

(1)色溫在2 300～6 500 K范圍內的AMOLED,藍光危害與節律效應對1—100歲使用者均隨年齡的增大而降低,且隨著色溫的升高,降低的速度增快。 以6 500 K為例,年齡由1歲增加至100歲,視網膜有效光譜的藍光危害因子與節律因子分別降低為原來的0.290 7和0.403 8倍。

(2)對1—100歲AMOLED使用者,40歲是一個分界點,當年齡大于40歲時,各色溫的藍光危害因子與節律因子均隨年齡增加而降低的速度明顯加快。 6個不同色溫下,40—100歲的藍光危害因子與節律因子隨年齡增加而降低的平均速度,分別是1—40歲的2.748 2和2.993 3倍。

(3)AMOLED對年輕人藍光危害和節律效應較大,特別是年齡小于40歲的年輕使用者,應減少使用時間。

以上結論可為AMOLED的個性化設計及使用,從藍光危害和節律效應角度提供一定的理論參考。