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        近紅外護(hù)眼技術(shù)顯示領(lǐng)域應(yīng)用探討

        2023-11-05 15:39:02朱杉婷郭黎明張廣譜
        電視技術(shù) 2023年9期
        關(guān)鍵詞:眼膜偏色紅外光

        朱杉婷,郭黎明,吳 哲,張廣譜

        (深圳創(chuàng)維-RGB 電子有限公司,廣東 深圳 518000)

        1 背景及顯示領(lǐng)域護(hù)眼模式

        隨著科技的進(jìn)步和電子產(chǎn)品的普及,人類(lèi)眼睛面臨的健康威脅越來(lái)越大。國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的調(diào)查結(jié)果顯示,2022 年全國(guó)兒童青少年總體近視率為53.6%,其中6 歲兒童為14.5%,小學(xué)生為36%,初中生為71.6%,高中生為81%;我國(guó)有近7 億近視人口,位居世界第一。不僅青少年,老年人眼健康面臨的威脅同樣嚴(yán)重。老年黃斑病變(Age-related Macular Degeneration,AMD)是一種慢性、不可逆的眼病,多發(fā)于50 歲以上的人群。黃斑病變會(huì)導(dǎo)致眼細(xì)胞受損死亡進(jìn)而導(dǎo)致視力喪失。據(jù)相關(guān)估計(jì),預(yù)計(jì)2025 年我國(guó)AMD 患者人數(shù)將達(dá)4 000 萬(wàn)左右。

        眾所周知,藍(lán)光尤其是短波藍(lán)光會(huì)對(duì)眼睛造成一定的傷害。藍(lán)光對(duì)眼睛的傷害主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是藍(lán)光可能導(dǎo)致黃斑病變、晶狀體混濁進(jìn)而引起白內(nèi)障;二是藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜的刺激可能引起近視;三是藍(lán)光易導(dǎo)致視疲勞。電子顯示設(shè)備的背光源均存在藍(lán)光。為了減少藍(lán)光對(duì)眼睛的傷害,各電子產(chǎn)品生產(chǎn)商相繼推出護(hù)眼模式。目前,市面上的護(hù)眼主要分為硬件和軟件兩種。硬件低藍(lán)光又有兩種形式,一種是使用護(hù)眼芯片,減少短波藍(lán)光的含量;另一種是使用護(hù)眼膜吸收藍(lán)光,降低藍(lán)光的能量。

        一般顯示設(shè)備的光源為發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)。常規(guī)LED 芯片藍(lán)光主波長(zhǎng)小于等于450 nm。為了減少短波藍(lán)光的傷害,護(hù)眼芯片將藍(lán)光主波長(zhǎng)右移,使其大于等于460 nm。通過(guò)對(duì)主波長(zhǎng)的調(diào)整,減少了短波藍(lán)光的傷害,實(shí)現(xiàn)護(hù)眼。使用護(hù)眼芯片的顯示設(shè)備均可通過(guò)德國(guó)萊茵護(hù)眼認(rèn)證。

        護(hù)眼膜有紅色和綠色兩種。電視市場(chǎng)一般使用綠色護(hù)眼膜,作為功能膜用在背光里面。手機(jī)市場(chǎng)一般使用紅色護(hù)眼膜,作為保護(hù)膜貼在屏幕外面。顯示設(shè)備發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)過(guò)護(hù)眼膜后,被吸收一大部分,透過(guò)的光是護(hù)眼膜定向選擇色光的結(jié)果。由于護(hù)眼膜的色光選擇作用,貼了護(hù)眼膜的顯示設(shè)備均存在一定的偏色。因偏色的存在,護(hù)眼膜的使用并不廣泛。

        圖1 為兩種不同硬件護(hù)眼模式的頻譜差異,圖1(a)為芯片主波長(zhǎng)長(zhǎng)移的頻譜對(duì)比,圖1(b)為使用護(hù)眼膜與否的頻譜對(duì)比。其中,頻譜1 為使用護(hù)眼芯片頻譜,頻譜2 為不使用芯片頻譜,頻譜3為不使用護(hù)眼膜和護(hù)眼芯片的頻譜,頻譜4 為使用護(hù)眼膜的頻譜。

        圖1 兩種硬件護(hù)眼模式的頻譜對(duì)比

        軟件低藍(lán)光的效果與護(hù)眼膜類(lèi)似,畫(huà)面也存在一定偏色,但護(hù)眼膜的偏色是全通道的,而軟件低藍(lán)光偏色只會(huì)表現(xiàn)在特定的通道(護(hù)眼通道)。軟件低藍(lán)光主要通過(guò)對(duì)白平衡的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。三原色R、G、B 可以組成任何顏色,軟件防藍(lán)光主要通過(guò)減少B-GAIN 分量,微調(diào)R-GIAN 和G-GAIN 分量來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)顏色的合成理論,B 分量減少的同時(shí)R、G 分量基本不變,畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)偏黃,導(dǎo)致軟件低藍(lán)光在護(hù)眼通道存在偏色。

        2 近紅外光生物調(diào)制的進(jìn)展

        國(guó)內(nèi)外有針對(duì)紅光及近紅外光開(kāi)展的一系列光生物調(diào)制對(duì)比實(shí)驗(yàn)并取得一定成果。

        美國(guó)研究者發(fā)現(xiàn)近紅外光(Near Infrared,NIR)治療可減輕猴子激光急性視網(wǎng)膜損傷眼部損傷。猴子眼損傷模型表明,近紅外光治療可以增強(qiáng)光感受器的活力并修復(fù)皮層[1]。

        美國(guó)研究者使用甲醇中毒后的小白鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)LED 治療顯著減弱了甲醇衍生甲酸酯在中毒期間對(duì)視網(wǎng)膜毒性作用,同時(shí)大大改善了中毒后視網(wǎng)膜功能的恢復(fù),LED 治療保護(hù)視網(wǎng)膜免受由甲醇衍生的甲酸鹽誘導(dǎo)的組織病理學(xué)變化[2-3]。

        加拿大研究者用24 個(gè)50 歲以上的受試者說(shuō)明光生物調(diào)制(Photo-Bio-Modulation,PBM)的積極作用,干性AMD 在PBM 后玻璃疣體積和平均中央玻璃疣厚度有減少。PBM 極低的能量水平使組織無(wú)損傷,為AMD 治療提供了一個(gè)可能的方向[4]。

        寧波眼科醫(yī)院和武漢昆明視光眼科診所發(fā)現(xiàn)低能量(激光能量I 級(jí))紅色光可以在6 個(gè)月、1 年、2 年控制近視性眼軸的延長(zhǎng),且效果比框架眼鏡和角膜塑形鏡都好。盡管隨著治療時(shí)間的延長(zhǎng),控制近視性眼軸延長(zhǎng)的能力下降,但它依然有望成為未來(lái)和迄今為止比肩1%阿托品眼藥、強(qiáng)效且有研究?jī)r(jià)值的控制近視性眼軸延長(zhǎng)的醫(yī)療手段之一[5]。劉莉靜、顏華在國(guó)際眼科雜質(zhì)臨床報(bào)告上發(fā)現(xiàn)紅光閃爍治療儀聯(lián)合紅色視力表遠(yuǎn)距離視功能訓(xùn)練治療兒童近視性弱視可有效降低年平均屈光度變化值,矯正最佳視力,降低弱視復(fù)發(fā)率。而紅色視力表遠(yuǎn)距離訓(xùn)練能有效緩解睫狀肌因調(diào)節(jié)痙攣所致的視疲勞癥狀,有效改善患兒近視[6]。李少敏在論文中提到,臨床研究顯示,長(zhǎng)波紅光刺激可以延緩眼軸的生長(zhǎng),使脈絡(luò)膜增厚,從而延緩近視的發(fā)生或逆轉(zhuǎn)近視的長(zhǎng)眼軸[7]。

        3 近紅外護(hù)眼技術(shù)顯示領(lǐng)域應(yīng)用探討

        結(jié)合文獻(xiàn)相關(guān)論述可知,紅光及近紅外光對(duì)視網(wǎng)膜的健康確實(shí)有積極促進(jìn)作用。另外,人眼的縱向色差(Longitudinal Chromatic Aberration,LCA)會(huì)引起不同波長(zhǎng)的光聚焦在不同的位置,多色光LCA離焦信號(hào)比單色光離焦信號(hào)可更加有效地調(diào)節(jié)眼球增長(zhǎng)的速度。

        圖2 為液晶面板的歸一化穿透頻譜。觀察圖2可發(fā)現(xiàn)顯示產(chǎn)品頻譜并不連續(xù),藍(lán)光占比較大且存在長(zhǎng)波缺失。若補(bǔ)充可見(jiàn)光段長(zhǎng)波紅光,又會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面偏色,影響畫(huà)質(zhì)。因此,選擇近紅外光作為顯示產(chǎn)品紅光的補(bǔ)充色光,近紅外光既可以補(bǔ)充缺失的長(zhǎng)波增加LCA 離焦信號(hào),又可以在促進(jìn)視網(wǎng)膜健康的同時(shí)不犧牲畫(huà)質(zhì)??紤]到不同波長(zhǎng)的穿透性,可選擇780 nm 作為補(bǔ)充色光的峰值波長(zhǎng)。

        圖2 液晶面板穿透頻譜

        藍(lán)光可以激發(fā)量子點(diǎn)材料產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的色光來(lái)滿(mǎn)足不同的需求,而不同的量子點(diǎn)材料需要調(diào)整和關(guān)注的點(diǎn)并不相同。例如,Cd 系材料CdSe,主要通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)材料直徑的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的波長(zhǎng),而非Cd 系鈣鈦礦,則主要通過(guò)控制晶體的結(jié)構(gòu)和鹵素的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)光波長(zhǎng)。另外,兩者的激發(fā)效率也存在差異,如圖3 所示為鈣鈦礦量子點(diǎn)的激發(fā)發(fā)射譜,在460 nm 附近,鈣鈦礦量子點(diǎn)的激發(fā)效率基本與短波保持一致,未出現(xiàn)隨著波長(zhǎng)增加而降低的情況。Cd 系材料CdSe 量子點(diǎn)的效率在460 nm 附近隨著波長(zhǎng)的增加而降低,所以針對(duì)長(zhǎng)波藍(lán)光,鈣鈦礦量子點(diǎn)相對(duì)光效更高。Cd 系材料因含重金屬并不環(huán)保,而鈣鈦礦屬于可持續(xù)的環(huán)境友好材料,環(huán)保性好,利于可持續(xù)發(fā)展?;阝}鈦礦材料的這些優(yōu)點(diǎn),選取鈣鈦礦材料作為激發(fā)近紅外的量子點(diǎn)。

        圖3 鈣鈦礦激發(fā)譜和發(fā)射譜

        針對(duì)采用近紅外護(hù)眼技術(shù)且需要實(shí)現(xiàn)全色域的顯示設(shè)備,使用長(zhǎng)波藍(lán)光激發(fā)對(duì)應(yīng)鈣鈦礦紅綠量子點(diǎn),需要注意的是實(shí)現(xiàn)近紅外護(hù)眼技術(shù)的鈣鈦礦紅色量子點(diǎn)存在兩種結(jié)構(gòu)和鹵素比例,其中一種紅色鈣鈦礦量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和鹵素比例對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)640 nm 可見(jiàn)紅光(根據(jù)不同面板穿透頻譜,可見(jiàn)光的峰值波長(zhǎng)可進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整),另一種紅色鈣鈦礦量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和鹵素比例對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)780 nm 近紅外光。對(duì)于采用近紅外護(hù)眼技術(shù)且需要實(shí)現(xiàn)廣色域或普通色域的顯示設(shè)備,只需要把激發(fā)780 nm 對(duì)應(yīng)的紅色鈣鈦礦量子點(diǎn)加入廣色域或普通色域背光的功能膜(此處功能膜代指背光中的擴(kuò)散片、棱鏡片或其他類(lèi)型膜)中即可。

        鈣鈦礦量子點(diǎn)由于強(qiáng)離子性、高表面能及表面配體易遷移等特性而對(duì)環(huán)境高度敏感,又由于紅色鈣鈦礦量子點(diǎn)帶隙較綠光鈣鈦礦量子點(diǎn)更小,其穩(wěn)定性不如綠色鈣鈦礦量子點(diǎn)。目前,鈣鈦礦量子點(diǎn)近紅外護(hù)眼技術(shù)有兩個(gè)需要持續(xù)優(yōu)化的問(wèn)題,一是提高紅色鈣鈦礦量子點(diǎn)的穩(wěn)定性,二是提高紅色量子點(diǎn)的量子點(diǎn)轉(zhuǎn)光效率,使其盡快突破60%。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        相較于目前市面上的護(hù)眼技術(shù),近紅外護(hù)眼技術(shù)除了可減少短波藍(lán)光對(duì)眼睛的傷害,還可以作為細(xì)胞色素C 氧化酶關(guān)鍵光受體,改善線(xiàn)粒體內(nèi)的能量代謝,從而對(duì)眼睛產(chǎn)生一系列健康促進(jìn)作用,相較于目前護(hù)眼技術(shù),在技術(shù)和功能上都有了一定的躍遷。盡管鈣鈦礦量子點(diǎn)近紅外護(hù)眼技術(shù)還面臨一定的問(wèn)題,但其仍不失為顯示領(lǐng)域護(hù)眼的下一個(gè)新方向。

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