王曉瑜，陳東川，朱書(shū)賢，李立東*

(1. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083; 2. 北京京東方顯示技術(shù)有限公司,北京 100176)

1 引 言

光輻射與人體健康息息相關(guān)。適量的光照，如紫外線照射，可起到殺菌作用，并可促進(jìn)人體對(duì)鈣、磷等元素的吸收，增強(qiáng)骨骼質(zhì)量。但過(guò)量的光輻射會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，引起人體器官發(fā)生不同程度的病變[1]。因此，光生物安全性一直受到人們廣泛的關(guān)注。在可見(jiàn)光光譜中，藍(lán)光波長(zhǎng)短，能量高，對(duì)人體傷害也大。因此，藍(lán)光危害成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，也是目前的研究熱點(diǎn)[1-3]。

顯示和照明領(lǐng)域都面臨藍(lán)光危害的威脅。相同之處在于兩者都是發(fā)光體，均包含藍(lán)光波段，但不同之處在于顯示產(chǎn)品發(fā)光顏色不斷變化，且光線長(zhǎng)時(shí)間照射人眼。與照明產(chǎn)品相比，顯示產(chǎn)品的藍(lán)光危害評(píng)價(jià)和防藍(lán)光設(shè)計(jì)對(duì)保障人體的光生物安全性更加重要。因此，針對(duì)顯示產(chǎn)品的防藍(lán)光研究具有重要的意義。本文針對(duì)顯示產(chǎn)品的防藍(lán)光技術(shù)，首先闡述了藍(lán)光危害的作用機(jī)制、各類危害的機(jī)理和評(píng)估方法、標(biāo)準(zhǔn)；然后分析了顯示產(chǎn)品中影響藍(lán)光危害因素；并進(jìn)一步綜述了目前防藍(lán)光顯示技術(shù)新進(jìn)展；最后對(duì)防藍(lán)光顯示技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)展總結(jié)和趨勢(shì)展望。

2 藍(lán)光危害機(jī)理

2.1 光輻射危害作用機(jī)制

皮膚是人體受光照面積最大的器官，眼睛是人體對(duì)光照最敏感的器官，所以光生物安全性主要是指光輻射對(duì)皮膚和眼睛的安全性[1]。光輻射對(duì)人體皮膚和眼睛的影響主要通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)和熱效應(yīng)兩種作用機(jī)制產(chǎn)生[2]。其中，光化學(xué)反應(yīng)影響機(jī)制是指當(dāng)短波長(zhǎng)光照射人體組織細(xì)胞時(shí)，激發(fā)人體生物分子中的電子，造成細(xì)胞分子化學(xué)鍵斷裂或重排。過(guò)量光照引起的光化學(xué)反應(yīng)會(huì)破壞原先配對(duì)的雙鏈DNA，同時(shí)，該光化學(xué)反應(yīng)通常還會(huì)產(chǎn)生高活性的自由基，大量的自由基與DNA作用，容易導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。如果過(guò)量的自由基與人眼視網(wǎng)膜的錐狀體或桿狀體等感光器作用，易造成感光器細(xì)胞功能喪失，甚至細(xì)胞死亡。特別嚴(yán)重時(shí)，DNA的破壞可能會(huì)引起癌變。光化學(xué)反應(yīng)危害程度與光輻射的劑量度和時(shí)間累積有關(guān)，低劑量、長(zhǎng)時(shí)間輻照與高劑量、短時(shí)間輻照具有相同的危害結(jié)果[2-3]。另外，光化學(xué)反應(yīng)對(duì)光輻射的特征波長(zhǎng)非常敏感。波長(zhǎng)較短時(shí)，光波能量較強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)程度較大；波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，光波能量減弱，反應(yīng)程度較小。光輻射的熱效應(yīng)是指光輻射會(huì)引起人體被輻照部分器官組織的溫度升高，這樣會(huì)造成機(jī)體蛋白質(zhì)失活或?qū)е录?xì)胞結(jié)構(gòu)熱致?lián)p壞，最終引起各種炎癥等病變。當(dāng)輻射光波長(zhǎng)較短時(shí)，光化學(xué)反應(yīng)起主要作用，反之，熱效應(yīng)起主要作用[3]。

當(dāng)人眼被光輻照時(shí)，不同波長(zhǎng)的輻照光在人眼中的穿透深度不一樣[4-5]，如圖1所示。這是因?yàn)槿搜鄹鱾€(gè)組織結(jié)構(gòu)對(duì)不同波長(zhǎng)光輻射的吸收和透過(guò)程度不同。例如，人眼晶狀體對(duì)紫外和近紫外光吸收很強(qiáng)，但對(duì)可見(jiàn)光吸收很弱，所以大部分紫外短波長(zhǎng)光輻射被晶狀體吸收，而大部分可見(jiàn)光則穿過(guò)晶狀體到達(dá)視網(wǎng)膜。另外，紅外波段的光，進(jìn)入人體組織后主要轉(zhuǎn)化為熱，被表層細(xì)胞或晶狀體消耗。因此，可見(jiàn)光波段光輻射主要對(duì)人眼視網(wǎng)膜產(chǎn)生影響。

圖1 不同波長(zhǎng)光輻射在人眼組織中的穿透深度[3]Fig.1 Penetration depth of different wavelengths of light radiation in human eye tissue[3]

光在人眼組織中的穿透特性還與晶狀體的透光特性相關(guān)，而晶狀體的透光特性與人類年齡有關(guān)[6-10]。這是由于晶狀體的前囊膜厚度會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而不斷增厚。膜厚的增加伴隨著質(zhì)量和密度的增大，導(dǎo)致對(duì)光的吸收增強(qiáng)，因此透過(guò)光強(qiáng)減少。圖2所示為1歲、18歲、21歲、46歲、62歲、73歲和76歲人眼晶狀體透過(guò)譜。從圖中曲線可知，年齡越小，透過(guò)率越高，且對(duì)藍(lán)光波段透過(guò)率越強(qiáng)。因此，對(duì)于青少年群體而言，光輻射易穿過(guò)眼睛晶狀體，損傷視網(wǎng)膜；而對(duì)老年群體，光輻射易被晶狀體吸收，增大白內(nèi)障患病風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同年齡人眼晶狀體透過(guò)譜[10]Fig.2 Eye lens transmission spectra of different ages[10]

人眼受過(guò)量的光輻射容易發(fā)生多種病變[3,5,11-12]。由圖2可知，短波長(zhǎng)的紫外輻射主要被晶狀體，或人眼前部區(qū)域的角膜和結(jié)膜等組織吸收。當(dāng)紫外光照射較強(qiáng)時(shí)，人眼角膜和結(jié)膜最外層細(xì)胞在短時(shí)間內(nèi)就易被破壞，引發(fā)光致角膜炎或光致結(jié)膜炎。長(zhǎng)期的紫外光照射會(huì)損害人眼晶狀體而引發(fā)白內(nèi)障。這是由于晶狀體在光輻射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使組成晶狀體的特殊蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞內(nèi)色素沉著，使晶狀體不透光。如繼續(xù)增加輻照時(shí)間甚至?xí)?dǎo)致視覺(jué)喪失。并且晶狀體組織不同于其他組織，它不生成新的細(xì)胞，所以以上病變不可自行恢復(fù)。除紫外波長(zhǎng)外，長(zhǎng)時(shí)間紅外波段的光輻射同樣會(huì)損害晶狀體，造成白內(nèi)障。位于紫外和紅外波段之間的可見(jiàn)光，大部分可照射到視網(wǎng)膜上。高劑量的可見(jiàn)光輻照也會(huì)在視網(wǎng)膜上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成視網(wǎng)膜損傷。在視網(wǎng)膜上的光化學(xué)反應(yīng)，與光輻射波長(zhǎng)緊密相關(guān)，主要由藍(lán)光波段光輻射引起，而長(zhǎng)于500 nm的波段對(duì)其影響較小。因此過(guò)量、長(zhǎng)時(shí)間藍(lán)光輻照對(duì)視網(wǎng)膜的損害稱為藍(lán)光危害。

2.2 藍(lán)光危害的分類

由前所述，藍(lán)光輻射主要是對(duì)人眼視網(wǎng)膜造成傷害。該傷害可細(xì)分為兩類：視覺(jué)損害和非視覺(jué)損害。

2.2.1 視覺(jué)損害

視覺(jué)損害是指藍(lán)光輻射對(duì)視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞兩種視覺(jué)細(xì)胞造成損傷，引起人眼視覺(jué)下降等病變。

1966年，Noell等人首次在小鼠實(shí)驗(yàn)中觀察到藍(lán)光會(huì)引起視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的光損傷，并會(huì)進(jìn)一步損傷視桿細(xì)胞，引起視覺(jué)病變[12]。Grimm等人也進(jìn)行了不同的光照環(huán)境下的小鼠實(shí)驗(yàn)，得出藍(lán)光因具有對(duì)視紫紅質(zhì)的光逆轉(zhuǎn)作用而對(duì)視網(wǎng)膜造成損傷[13-14]。Ham等人繼續(xù)研究了不同波長(zhǎng)光輻射對(duì)視網(wǎng)膜的影響程度。結(jié)論顯示，短波長(zhǎng)的光輻射造成的視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷更為嚴(yán)重，尤其在400～500 nm范圍，最大值在440 nm處[15-18]。該光化學(xué)反應(yīng)通常被認(rèn)為有兩種機(jī)理。第一種是視網(wǎng)膜可不斷吸收藍(lán)光，藍(lán)光能量的累計(jì)易造成視網(wǎng)膜細(xì)胞被氧化而損傷，且使視網(wǎng)膜上皮組織中具有光毒性的脂褐素含量增加。過(guò)量的脂褐素會(huì)形成玻璃疣，阻止視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(RPE)向感光細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，致使感光細(xì)胞萎縮和死亡，最終造成視網(wǎng)膜視覺(jué)損傷[9]。如圖3(a)

(a)在光輻射作用下脂褐素的形成過(guò)程(a)Formation process of lipofusion in respose to radiation

(b)脂褐素增加可能發(fā)生繼發(fā)性炎癥反應(yīng)(b)With increasing amount of lipofuscin， a secondary in flammatory response may occur.圖3 RPE細(xì)胞衰老的示意圖[9]Fig.3 Schematic illustration of ageing in RPE cells[9]

所示,在光輻射作用下，感光體外層受到其多不飽和脂質(zhì)的過(guò)氧化作用，它們的尖端被RPE脫落和吞噬，在溶酶體中被消化;殘留的物體最終形成脂褐素。短波輻射(藍(lán)光)將對(duì)線粒體和DNA等幾種重要結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)產(chǎn)生藍(lán)光損傷，包括由脂褐素發(fā)色團(tuán)介導(dǎo)的氧化機(jī)制。如圖3(b)所示，隨著年齡的增長(zhǎng)，RPE中脂褐素(紅色符號(hào))的量將顯著增加，使細(xì)胞更容易受到輻射和氧化損傷。一些未消化的終產(chǎn)物從RPE細(xì)胞擠出到細(xì)胞外空間(基底層狀沉積物)和布魯赫膜(基礎(chǔ)線性沉積物)，其中可能發(fā)生繼發(fā)性炎癥反應(yīng)(臨床上被認(rèn)為是軟玻璃疣)[9]。第二種機(jī)理是視網(wǎng)膜細(xì)胞中含有視黃醛(A2E)，A2E受藍(lán)光激發(fā)后，會(huì)產(chǎn)生自由基離子，這些自由基會(huì)增大A2E對(duì)視網(wǎng)膜色素上皮的損壞作用從而引起視網(wǎng)膜色素上皮的萎縮，更進(jìn)一步將引起光敏感細(xì)胞內(nèi)一些蛋白酶失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。光敏感細(xì)胞的功能是接受入射光，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)視覺(jué)神經(jīng)將電信號(hào)傳遞給大腦后成像。因此，光敏感細(xì)胞的死亡將會(huì)直接導(dǎo)致視覺(jué)逐漸下降甚至完全喪失[19]。

2.2.2 非視覺(jué)損害

除視覺(jué)損害外，人們逐漸發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光尤其是藍(lán)光，還對(duì)人體睡眠、生物鐘等節(jié)律調(diào)節(jié)方面產(chǎn)生負(fù)面影響，該影響稱為非視覺(jué)損害。2002年，美國(guó)布朗大學(xué)的Berson等人首次發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜的第三類感光細(xì)胞，即本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)[20]。該細(xì)胞可在視覺(jué)桿細(xì)胞和視覺(jué)錐細(xì)胞被阻斷的情況下，依然對(duì)光輻射發(fā)生響應(yīng)，并輸入到人體晝夜節(jié)律起搏器——下丘腦的視交叉上核(SCN)，參與調(diào)節(jié)許多人體光生物效應(yīng)，包括人體生命體征的變化、激素的分泌和興奮程度等。圖4為人眼視覺(jué)和生物傳導(dǎo)神經(jīng)通路示意圖[21]，人眼視網(wǎng)膜上具有3種、2類感光細(xì)胞，其中視覺(jué)相關(guān)的視錐和視桿感光細(xì)胞與大腦視皮層神經(jīng)連接(圖中細(xì)點(diǎn)線)，視皮層神經(jīng)主要控制人體的視覺(jué)感知，因此這一神經(jīng)通路稱為視覺(jué)通道；而ipRGC與視交叉上核(SCN)和松果體神經(jīng)相連(圖中粗點(diǎn)線)[19-20]。松果體被稱為人體的生物鐘，起到調(diào)節(jié)人體節(jié)律起搏規(guī)律的作用，與視覺(jué)無(wú)關(guān)，因此這一神經(jīng)通路稱為非視覺(jué)通道。

圖4 視覺(jué)和生物傳導(dǎo)神經(jīng)通路[21]Fig.4 Visual and biological conduction neural pathway[21]

ipRGC主要通過(guò)擾亂褪黑色素和皮質(zhì)醇的分泌來(lái)擾亂人體節(jié)律[22]。褪黑色素由松果體分泌，被稱為睡眠激素，主要調(diào)節(jié)人體睡眠節(jié)律。褪黑色素的增加會(huì)使人體感覺(jué)困倦，反之，褪黑色素減少會(huì)使人感覺(jué)清醒精神。皮質(zhì)醇由腎上腺分泌，被稱為壓力激素，主要調(diào)節(jié)人體情緒。與褪黑色素相反，皮質(zhì)醇增加會(huì)使人感覺(jué)精力充沛，注意力集中，而減少會(huì)使人產(chǎn)生疲倦。人體中，白天分泌皮質(zhì)醇較多，而分泌褪黑色素較少，使人精神，促進(jìn)工作和學(xué)習(xí)，而晚上反之，促進(jìn)睡眠。因此，褪黑色素和皮質(zhì)醇的交替周期作用，形成人體周期節(jié)律，即“生物鐘”[22-24]。

ipRGC對(duì)生物鐘的影響原理是：ipRGC被光線刺激后產(chǎn)生響應(yīng)，會(huì)抑制松果體分泌褪黑色素，并刺激腎上腺分泌皮質(zhì)醇，擾亂人體生物鐘。在發(fā)現(xiàn)ipRGC的非視覺(jué)效應(yīng)后，Lockley等人進(jìn)一步對(duì)各激素的光照敏感性進(jìn)行了研究[25]，研究表明，人體激素的分泌情況與所受的光照波長(zhǎng)有關(guān)。視覺(jué)桿細(xì)胞和錐細(xì)胞在明亮環(huán)境下，對(duì)555 nm波長(zhǎng)的光輻射視覺(jué)敏感性最強(qiáng)，暗環(huán)境下對(duì)507 nm的光敏感性最強(qiáng)。而ipRGC非視覺(jué)感光細(xì)胞對(duì)更短波長(zhǎng)的藍(lán)光敏感性最強(qiáng)。很多研究者針對(duì)非視覺(jué)光敏感性最強(qiáng)波長(zhǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，Brainard等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人體褪黑色素敏感性最強(qiáng)波長(zhǎng)為464 nm[26]，但Thapan發(fā)現(xiàn)為459 nm[27]。Hankins和Lucas等人通過(guò)研究人眼的視網(wǎng)膜電流圖，發(fā)現(xiàn)最大響應(yīng)波長(zhǎng)為483 nm[28]。另外，McDougal和Gamlin等人通過(guò)研究人眼瞳孔大小，發(fā)現(xiàn)最大響應(yīng)波長(zhǎng)介于470～490 nm之間[29]。

2.3 藍(lán)光危害評(píng)估方法及標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 藍(lán)光危害評(píng)估方法

如前所述，藍(lán)光危害程度，無(wú)論視覺(jué)損害還是非視覺(jué)損害，都與波長(zhǎng)相關(guān)。因此可用波長(zhǎng)相關(guān)的藍(lán)光危害函數(shù)曲線來(lái)表示。一方面由于晶狀體的吸收，紫外光等更短波長(zhǎng)的光不能到達(dá)視網(wǎng)膜，另一方面視網(wǎng)膜對(duì)藍(lán)光波段有最強(qiáng)的損傷敏感度。因此，隨波長(zhǎng)增加，藍(lán)光危害曲線先增大，后減小。視覺(jué)損害相關(guān)的藍(lán)光危害曲線用B(λ)表示，非視覺(jué)損害相關(guān)的節(jié)律危害曲線用C(λ)表示。B(λ)函數(shù)曲線已被國(guó)際公認(rèn)，而C(λ)函數(shù)曲線目前仍有不同理論，還有待相關(guān)專家和學(xué)者日后進(jìn)一步研究，但目前較為常用的是Brainard等人根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果提出的理論[26]。此處危害曲線僅表示不同波長(zhǎng)的相對(duì)危害程度。在實(shí)際情況中，藍(lán)光危害程度與光輻照絕對(duì)量相關(guān)，且為時(shí)間和各波長(zhǎng)的累積效果，因此兩條曲線是加權(quán)函數(shù)曲線。B(λ)和Brainard版C(λ)函數(shù)曲線如圖5所示，其中V(λ)為表征人眼對(duì)可見(jiàn)光視覺(jué)敏感度的視敏函數(shù)，用以對(duì)比。

圖5 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)、C(λ)和人眼視敏函數(shù)(明視覺(jué))V(λ)[30]。Fig.5 Blue light hazard weighting functions B(λ), non-visual effect functions C(λ) and human photopic vision function V(λ) [30].

雖然藍(lán)光危害是由光源的絕對(duì)輻射能量決定，但可通過(guò)上述加權(quán)函數(shù)曲線對(duì)光源光譜分布進(jìn)行藍(lán)光危害加權(quán)效率評(píng)估，定義為藍(lán)光危害效率指數(shù)Eb’，可由式(1)計(jì)算：

(1)

其中：P(λ)為光源物理能量的光譜分布，也可將其通過(guò)視敏函數(shù)V(λ)和光譜亮度效能值683 lm/W，換算為光度公式，B(λ)為藍(lán)光危害光譜加權(quán)函數(shù)。對(duì)于非視覺(jué)藍(lán)光危害，可采用相同的加權(quán)計(jì)算方法，用以評(píng)估光譜危害程度和防藍(lán)光危害光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3.2 藍(lán)光危害相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

藍(lán)光的光輻射安全性受到人們的強(qiáng)烈關(guān)注，相關(guān)國(guó)際組織也積極投身該類研究，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范光源的設(shè)計(jì)與使用，保障人體安全[11]。國(guó)際非電離輻射保護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)最早公布了每種有關(guān)危害的光輻射曝光極限值(EL)，這些極限值是根據(jù)已報(bào)導(dǎo)的光輻射視覺(jué)效應(yīng)相關(guān)損傷的極限值和對(duì)動(dòng)物器官進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出。針對(duì)光源和顯示背光源中常見(jiàn)的LED光源，國(guó)際電工委員會(huì)最初將其歸類為激光光源，決定將LED的光生物安全性標(biāo)準(zhǔn)包括在已有的激光標(biāo)準(zhǔn)IEC60825范圍中。但LED發(fā)光角度雖然有定向性，但角度較大，發(fā)散特性明顯，LED的傷害被過(guò)高估計(jì)。因此，在IEC60825標(biāo)準(zhǔn)修訂的同時(shí)，1996年北美照明工程師學(xué)會(huì) (IESNA)公布了《燈和燈系統(tǒng)光生物安全性的推薦實(shí)施條例：總的要求》(ANSI/IESNARP27.1)，該條例頒布了一系列關(guān)于非激光光源(包括LED光源)的標(biāo)準(zhǔn)。2002年國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)采用了該條例的主體，出版了CIE標(biāo)準(zhǔn)S009/E-2002(即《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》)，于是將包含LED光源在內(nèi)的非激光光源標(biāo)準(zhǔn)推向全世界。2006年，國(guó)際電工委員會(huì)決定采用CIE的CIE S009/E：2002標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也頒布了IEC 62471：2006 《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》作為雙重標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。IEC 62471標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)危害程度進(jìn)行了分級(jí)，包括無(wú)危害、低危害、中度危害和高度危害4類。對(duì)各類危害，IEC 62471標(biāo)準(zhǔn)分別給定了危害曝照極限值(EL)，包括曝輻時(shí)間限值和曝輻值限值等。在該標(biāo)準(zhǔn)中，光源藍(lán)光亮度越高、發(fā)光面積越小、輻曝時(shí)間越長(zhǎng)，則危害越大。2006年，國(guó)內(nèi)也采納該標(biāo)準(zhǔn)，出版了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即GB/T20145-2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》。2014年，國(guó)際電工委員會(huì)又推出了IEC/TR 62778，它在IEC 62471基礎(chǔ)上，完善了評(píng)價(jià)和測(cè)試方法等內(nèi)容。

由于對(duì)藍(lán)光非視覺(jué)損害相關(guān)的絕對(duì)損傷程度等課題仍在研究中，因此尚無(wú)專門(mén)針對(duì)非視覺(jué)危害的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 顯示產(chǎn)品中藍(lán)光危害影響因素

3.1 色溫

色溫是顯示產(chǎn)品的常規(guī)光學(xué)參數(shù)，也代表了顯示顏色的偏黃、偏藍(lán)程度。色溫越高，藍(lán)光比例越高；色溫越低，黃光比例越高。顯然，色溫越高，藍(lán)光危害程度越大[3,19,23,30]。另外，如前所述，由于人類年齡越小，晶狀體對(duì)藍(lán)光透過(guò)率越高，因此其受藍(lán)光傷害越大。如圖6所示。

圖6 不同色溫光源對(duì)不同年齡人群的藍(lán)光危害程度。(a)藍(lán)光危害；(b)節(jié)律危害[30]。Fig.6 Degree of blue light hazard of different color temperature sources for different age groups. (a) Blue light factor; (b) Circadian factor[30].

如圖6所示，色溫對(duì)藍(lán)光危害的影響程度較大。隨色溫升高，視覺(jué)損害和非視覺(jué)損害均成倍數(shù)增大。對(duì)于20歲青年人群，色溫從2 000 K增加到6 500 K時(shí)，視覺(jué)損害提高了約10倍，非視覺(jué)損害也提高了超過(guò)5倍。當(dāng)然，相同色溫的不同產(chǎn)品，藍(lán)光危害程度會(huì)因?yàn)槠渌蛩赜绊懚嬖诓町?。常?guī)顯示產(chǎn)品的色溫值為標(biāo)準(zhǔn)值，電視產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)色溫為10 000 K。其他顯示產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)色溫為6 500 K。因過(guò)量調(diào)整會(huì)影響顯示畫(huà)面的色彩真實(shí)性，色溫難以大幅度下調(diào)，只可在很小的范圍內(nèi)(±1 000 K)浮動(dòng)。因此，如何進(jìn)行色溫管理以減小藍(lán)光危害值得進(jìn)一步研究。

3.2 光譜分布

藍(lán)光危害程度有較強(qiáng)的波長(zhǎng)依賴特性，因此，顯示產(chǎn)品發(fā)光的光譜分布特點(diǎn)，如混色基色數(shù)、光譜主波長(zhǎng)位置等，對(duì)藍(lán)光危害也有較大影響。

3.2.1 光譜混色基色數(shù)

由色度學(xué)原理中同色異譜特性可知，同一顏色可通過(guò)無(wú)數(shù)種光譜分布疊加實(shí)現(xiàn)。因此，顯示產(chǎn)品的白光可由二基色、三基色、甚至四基色來(lái)實(shí)現(xiàn)。二基色由藍(lán)光和黃光組合(B+Y)，三基色可由藍(lán)光、綠光和紅光組合(B+G+R)或者藍(lán)光、黃光、紅光組合(B+Y+R)，四基色可由藍(lán)光、綠光、黃光、紅光來(lái)組合實(shí)現(xiàn)(B+G+Y+R)。不同基色的藍(lán)光危害對(duì)比如圖7所示，圖中為基于每一種基色組合下、每一基色在不同波長(zhǎng)選取時(shí)的Eb’(藍(lán)光加權(quán)輻照度)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 不同基色光譜藍(lán)光危害Eb’范圍[3]Fig.7 Different primary color spectrum blue light damage Eb’ range[3]

圖7結(jié)果顯示，每一種基色組合，Eb’值可在較大的范圍內(nèi)變化，由此說(shuō)明光譜分布設(shè)計(jì)對(duì)藍(lán)光危害程度有較大影響；另外，對(duì)比不同基色組合的Eb’最小值，二基色組合最大，三基色、四基色組合相當(dāng)，三基色略小。因此，通過(guò)合理配置基色，三色組合造成的藍(lán)光危害程度最小。

3.2.2 光譜主波長(zhǎng)位置

顯然，增大藍(lán)光波長(zhǎng)可降低藍(lán)光危害，但如前所述，光譜需滿足一定色溫標(biāo)準(zhǔn)。因此不能只簡(jiǎn)單考慮藍(lán)光，還需考慮其它顏色波長(zhǎng)的影響。不同色溫下，不同三基色波長(zhǎng)組合的藍(lán)光危害指數(shù)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可得，無(wú)論低色溫還是高色溫，為獲得最小的藍(lán)害指數(shù)，均應(yīng)選擇較長(zhǎng)的藍(lán)光波長(zhǎng)和510 nm附近綠光波長(zhǎng)和較長(zhǎng)的紅光波長(zhǎng)。這是因?yàn)椋鶕?jù)色度學(xué)混色原理，為獲得白光，當(dāng)所選取的紅光波長(zhǎng)越長(zhǎng)時(shí)，其自身成分比例需求就越大。因此紅光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，藍(lán)光比例相應(yīng)減少，故Eb’越小。另外，因?yàn)榫G光光譜分布較寬，則綠光波段波長(zhǎng)的藍(lán)移有利于降低綠光光譜對(duì)紅色成分的貢獻(xiàn)，這進(jìn)一步使白光光譜中所需紅光光譜的比例增加，從而進(jìn)一步降低Eb’。圖中結(jié)果還表明，各基色波長(zhǎng)組合搭配對(duì)藍(lán)光危害指數(shù)有較大影響，如搭配不當(dāng)，即使選用較長(zhǎng)的藍(lán)光波長(zhǎng)，藍(lán)光危害程度不降反升。另外，光譜分布同樣會(huì)影響顯示產(chǎn)品的色域等其他光學(xué)指標(biāo)。因此，進(jìn)行光譜分布設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮。

圖8 三色基白光各基色波長(zhǎng)與Eb’的關(guān)系。(a)2 700 K白光；(b)5 700 K白光[3]。Fig.8 Relationship between the wavelength of each primary color of trichromatic white light and Eb’ at 2 700 K(a) and 5 700 K (b) white light[3]

3.3 顯示光源類型

不同顯示光源類型的差異，本質(zhì)上也是光譜分布的差異。早期顯示產(chǎn)品使用陰極射線管(CRT)方式。但目前顯示產(chǎn)品中，主要有兩類顯示方案，一類是液晶顯示，另一類是有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)。液晶顯示需要背光源，早期背光源使用冷陰極熒光燈管(CCFL)，目前多使用無(wú)機(jī)發(fā)光二極管(LED)作為背光源。幾種光源的藍(lán)光危害差異如圖9所示。

圖9 4種顯示光源在不同色溫下藍(lán)光危害程度對(duì)比。(a)視覺(jué)損害因子；(b)非視覺(jué)損害因子[31]。Fig.9 Comparison of the 4 kinds of display light sources at different color temperatures. (a) Visual factor; (b) Non-visual factor) [31].

對(duì)比兩種主流方式，LED-LCD和OLED的藍(lán)光危害如圖9所示。OLED在視覺(jué)損害方面小于LED-LCD，但在非視覺(jué)損害方面，高色溫區(qū)高于LED-LCD。這是由于OLED光譜中藍(lán)光波長(zhǎng)約455 nm，而LED-LCD光譜中藍(lán)光波長(zhǎng)約445 nm。OLED較LED-LCD藍(lán)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此OLED中藍(lán)光波長(zhǎng)更遠(yuǎn)離視覺(jué)損害程度最大波長(zhǎng)值440 nm，但更接近常用的非視覺(jué)損害程度最大波長(zhǎng)值464 nm。另外，從圖9可知，不同光源類型差異并不明顯，尤其人們關(guān)注更多的LED-LCD，并無(wú)明顯的藍(lán)光危害程度增加。國(guó)際照明委員會(huì)最近也專門(mén)針對(duì)LED的安全性進(jìn)行聲明。該聲明表示只要正確使用，LED藍(lán)光危害程度與其他光源相當(dāng)[32]。因此，不同顯示光源類型的判斷，需根據(jù)具體顯示產(chǎn)品和具體光譜分布進(jìn)行判斷。

4 防藍(lán)光顯示技術(shù)

防藍(lán)光顯示技術(shù)的研究主要圍繞減少藍(lán)光比重進(jìn)行。目前的防藍(lán)光顯示技術(shù)主要有以下幾個(gè)方向。

4.1 增大藍(lán)光芯片波長(zhǎng)

常規(guī)LED-LCD顯示背光源使用的藍(lán)光LED波長(zhǎng)為445 nm左右，而視覺(jué)相關(guān)藍(lán)光危害程度最大處為440 nm。因此，增大藍(lán)光LED芯片波長(zhǎng)至455 nm甚至更長(zhǎng)[33]，是顯示背光源的防藍(lán)光優(yōu)化方向之一。當(dāng)然，此方法的局限性在于會(huì)對(duì)顯示色域等其他光學(xué)參數(shù)造成影響。

4.2 光譜優(yōu)化篩選

為綜合平衡色域等其他顯示參數(shù)和防藍(lán)光危害設(shè)計(jì)，可使用包含色溫、色域、藍(lán)害指數(shù)等相關(guān)顯示參數(shù)的大數(shù)據(jù)運(yùn)算程序，進(jìn)行白光光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供不同需求下的最佳光譜方案[3,34]。此方法需根據(jù)藍(lán)害指數(shù)和其他光學(xué)參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行函數(shù)化，并編寫(xiě)迭代運(yùn)算代碼，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量不同波長(zhǎng)的LED芯片和熒光粉進(jìn)行排列組合運(yùn)算，篩選出其最佳組合。

4.3 燭光OLED技術(shù)

燭光光譜近似標(biāo)準(zhǔn)光源A，其光譜強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增加，由于黃紅光比例較大，藍(lán)光占比最小，因此藍(lán)光危害較小。燭光OLED技術(shù)是開(kāi)發(fā)新型OLED材料，獲得類燭光光譜[35-36]。但此方案在白光色溫和顯示色域方面需進(jìn)行特別考慮。

4.4 藍(lán)光反射膜層

基于薄膜光學(xué)原理，將不同折射率的SiO2和SiN膜層交替制作在顯示面板上，通過(guò)控制兩種膜層的厚度和層數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的反射，以禁止其透射出顯示面板。利用此原理，京東方通過(guò)設(shè)計(jì)只反射短波長(zhǎng)藍(lán)光的膜層，實(shí)現(xiàn)減低藍(lán)光危害。與增大藍(lán)光波長(zhǎng)一樣，此方法仍需要配合背光源或者彩膜的調(diào)整，以匹配顯示光學(xué)基準(zhǔn)。

5 結(jié)論及展望

目前人們對(duì)藍(lán)光危害的關(guān)注程度越來(lái)越高，對(duì)藍(lán)光危害的機(jī)理、對(duì)人體的影響程度的研究也愈發(fā)深入和全面。本文圍繞顯示產(chǎn)品，全面闡述了藍(lán)光對(duì)人體視覺(jué)和非視覺(jué)兩種損害方式的損害對(duì)象、損害機(jī)理、評(píng)估方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；并分析了顯示產(chǎn)品中色溫、光譜分布、顯示光源類型造成的藍(lán)光危害程度；最后介紹了目前防藍(lán)光顯示技術(shù)方案。目前防藍(lán)光顯示方案主要是通過(guò)增大藍(lán)光波長(zhǎng)、光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少藍(lán)光比重等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管在減輕藍(lán)光損害方面取得了一定進(jìn)展，防藍(lán)光顯示技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究。一方面，目前藍(lán)光危害標(biāo)準(zhǔn)主要基于照明光源設(shè)定，光源亮度越大、發(fā)光面積越小、輻曝時(shí)間越長(zhǎng)，藍(lán)光危害越大。顯示產(chǎn)品雖發(fā)光面積較大、顏色切換速度快，但畫(huà)面亮度高，對(duì)人眼照射時(shí)間長(zhǎng)、距離近。因此顯示產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中藍(lán)光危害的綜合評(píng)估方法、輻曝極限值和測(cè)試方法等標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步研究。另一方面，藍(lán)光對(duì)人體節(jié)律的影響程度尚無(wú)公認(rèn)的量化結(jié)論和標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步研究。辦公電腦、手機(jī)等顯示產(chǎn)品已占用人們的大部分時(shí)間，因此顯示產(chǎn)品更加需要關(guān)注藍(lán)光對(duì)節(jié)律的影響。另外，由于色彩正常顯示的需要，不能大幅度減少藍(lán)光比例來(lái)減輕藍(lán)光危害，而少量調(diào)整藍(lán)光則只能帶來(lái)小幅度藍(lán)光危害的降低。因此如何在確保正常顯示光學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大幅度降低藍(lán)光危害，需進(jìn)一步研究。