健康顯示的影響因素綜述

張平奇，王 丹，呂振華，劉 莎，張 強，孫 曉，邱 云

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176)

1 引 言

顯示產品[1]是現代文明的象征，是社會進步的體現。它們的廣泛使用促進了社會發(fā)展，提高了生活質量，加快了信息傳播。但在使用顯示產品的過程中，常常也有如下問題困擾著我們。手機不離手，成癮嚴重；近視現象普遍，整日看手機或電腦，一段時間后感到眼睛酸痛。眼睛是心靈的窗戶，這其中的重要性不言而喻。顯示行業(yè)在關注技術進步的同時，越來越多地聚焦在用戶的人眼健康上。

基于此，本文較為系統地從不同要素可能給人眼帶來的影響出發(fā)，從行業(yè)角度分析并給出了可能減少不良影響的方法。通過研究，提出健康顯示的概念并進行初步探索。

2 人眼視覺系統

人眼視覺系統[2-3]是接收顯示內容的重要入口，要了解顯示要素對人眼的影響，首先需要了解人眼的構造、視覺產生的原理和視覺的特性。

2.1 人眼構造

圖1為人眼結構示意圖。人眼接近于球形，由眼球壁和內容物組成。眼球壁主要分為外、中、內三層；內容物主要指房水、晶狀體、玻璃體。

圖1 人眼結構Fig.1 Schematic diagram of humam eye structure

最外層的眼球壁包含鞏膜、角膜，由于在外側，主要對眼睛起到保護的作用。中層的眼球壁包含虹膜、睫狀體、脈絡膜，主要起到光線傳輸的作用。內層眼球壁則是由具有感光作用的視網膜組成，具有多層結構，如圖2所示。其核心感光功能由視錐和視桿細胞實現。視桿細胞分布于視網膜中央凸以外的區(qū)域，靈敏度高，細節(jié)和顏色感知能力弱，主要用于感受弱光；視錐細胞大部分分布在中央凸以內的區(qū)域，可分辨細節(jié)和顏色，主要用于感受強光。

圖2 視網膜結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of retina structure

內容物中的房水、晶狀體、玻璃體都呈透明狀，具有屈光作用，此外玻璃體也用于支撐視網膜。以上，關于人眼各部分功能介紹參考圖3。

圖3 人眼各部分功能介紹Fig.3 Function introduction of human eye

隨著科學家們對視覺的深入研究，發(fā)現人眼感受光刺激的不單單是視錐和視桿兩種感光細胞。Berson等人[4]在《Science》上發(fā)表這一研究成果，即存在視網膜特化感光神經節(jié)細胞(ipRGCs)，作為非視覺功能的感光細胞在接受刺激后會產生非視覺的光生物效應。ipRGCs負責參與包括激素分泌、生物鐘等人體生理體征調節(jié)。這樣的研究成果，建立了非視覺通道，證明了非視覺生物效應的存在。利用生理學知識實現對人體調節(jié)，在一定程度上使得健康顯示成為研究與設計熱點之一。

2.2 視覺產生原理

外界光線經過角膜聚焦、瞳孔適中調節(jié)后進入人眼內部。通過晶狀體和玻璃體的的折射作用后，會聚落入在視網膜上。視網膜通過視神經，引起神經纖維的沖動，將沖動傳入到大腦皮層的視覺中樞，形成了視覺。

3 不同要素影響分析

3.1 藍光

可見光波段的藍光波長在400～500 nm。根據波長范圍的差異，分為長波和短波。長波藍光具有調整生物鐘的作用，我們的睡眠、記憶等都與之相關。

通常所說的有害藍光，即指波長范圍在415～455 nm。眼球的多層次結構對藍光有不同的過濾作用，藍光危害的主要作用對象是視網膜[5]。藍光危害原理示意圖如圖4所示。當短波藍光穿透晶狀體直達視網膜時，光敏細胞由于吸收藍光改變了原本不在接受光子的狀態(tài)，增加細胞氧化損傷的可能性，使得褐脂質增加。褐脂質自身具有光毒性，吸收藍光產生氧自由基，阻礙視網膜色素上皮細胞為光敏細胞供給養(yǎng)分。這樣使得光敏細胞死亡，引起視力損傷，導致黃斑病變。黃斑位于人眼底視網膜的中央，是視力最敏銳的部位，一般醫(yī)生在測視力時，就是在檢查黃斑區(qū)的視覺能力。當出現黃斑病變時，往往伴隨以下癥狀：中心視力減退、有暗點、黑影、視物變形、直線變彎曲等。此外，藍光也可能導致白內障、屈光不正、干眼等。

圖4 藍光危害示意圖Fig.4 Schematic diagram of the blue-light hazard

哈佛大學醫(yī)學院[6]報道指出，適度的藍光在白天對人體是有益處的，能增加我們的注意力、加快反應速度、提升情緒。但藍光在晚上對于人體則是相對有害的，它除了可能抑制褪黑素的分泌，容易導致睡眠質量不高甚至失眠外，甚至還可能引起肥胖癥等疾病[7-8]。

為了表征藍光傷害的能力，國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)標準[9]提出用藍光傷害因子KB描述對人眼傷害程度。將藍光危害量與對應光度量的比值作為KB，表征光源光譜中造成藍光危害的輻射比例。其定義式為：

(1)

式中：P(λ)表示光譜，B(λ)表示藍光傷害函數，V(λ)表示視見函數，Km為視覺效應最大光譜效能，取值為683 lm/W。KB越大，越容易造成視覺疲勞，對人眼傷害越大。

3.2 偏振光

偏振光指振動方向與傳播方向不對稱的光，主要分為圓偏振光與線偏振光兩種?，F有普遍使用的顯示產品多為線偏振光。2009年閆曉林等人[10]讓隨機分組的測試者觀看圓偏振光電視和普通液晶電視，進行分級視力和眨眼頻率測試。通過分級視力變化和眨眼頻率反映視疲勞程度。在相同觀看時間下，如果分級視力下降程度越大，眨眼頻率越快，那么疲勞感越強。圖5、6反映兒童和成人測試后的分級視力結果，圖7反映眨眼頻率變化。分析得出，當觀看兩種偏振光電視一段時間后，不論是兒童還是成人都會產生暫時視力下降。圓偏振光與線偏振光相比，引起的視覺疲勞程度會小一些。

圖5 兒童組視力下降變化趨勢Fig.5 Trend of vision decline in children

圖6 成人組視力下降變化趨勢Fig.6 Trend of vision decline in adult

圖7 測試人員在觀看時間內的眨眼頻率變化Fig.7 Testers’ frequency of wink while watching TV

張莉等人[11]通過眼動儀分析觀看線、圓偏光液晶電視進行視覺疲勞研究，同樣得出相同條件下圓偏振光與線偏振光相比，引起的視覺疲勞程度會小一些。

針對如上結論，目前學術界和業(yè)內尚沒有統一答案。相關研究[12-14]認為，這與視網膜吸收偏振光存在差異有關，也有認為是由于視錐細胞外層的光學雙折射特性造成的。雖然在生理上解釋有不同，但在物理屬性上，都是圍繞偏振光本質展開討論。研究者推測是由于圓偏振光本身與線偏振光相比，其振動面不只限于某一固定方向，而是圍繞光的前進方向轉動，旋轉電矢量端點描出均勻圓軌跡，這與自然光的振動面在各個方向上均勻分布是比較接近的，因而可能產生的視疲勞較輕[15]。

3.3 頻閃

頻閃[16]指光源發(fā)出的光隨時間呈快速重復的變化，使得光源跳動和不穩(wěn)定的現象。對于人來說，閃爍是可以觀察到的。但當頻率增加到某一程度時，閃爍則會變成連續(xù)的光，此時的這個頻率稱為臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率因人而異，大多數人的臨界閃爍頻率值不超過70 Hz。在未達到臨界閃爍頻率時，人會明顯感知到明暗變化；當頻率超過臨界值時，人會感知到頻閃效應。頻閃效應指的是觀察到的物體運動不同于實際運動的現象。在工廠或車間，運動的機器看起來靜止就是頻閃效應的體現。

頻閃使感光細胞感應變化頻繁，引起圖像衰減，對比靈敏度下降，人眼在這一過程中逐漸產生視覺疲勞。當閃爍頻率低于65 Hz時，易引發(fā)光敏性癲癇。此外，閃爍光源也會引起偏頭痛，低頻閃爍比高頻閃爍引起的偏頭痛更嚴重[17]。

美國危險性評估委員會在LED照明閃爍的潛在健康影響標準[17]介紹了閃爍的LED光源照明可能帶來的潛在健康危害，如圖8所示。紅色區(qū)域代表危害比較高，綠色區(qū)域代表危害比較低。5種健康危害主要有：①光敏性癲癇或閃爍光誘導的癲癇發(fā)作；②偏頭痛或嚴重的頭痛伴隨惡心、視覺障礙；③加重自閉癥患者的重復行為；④頻閃效應；⑤視疲勞及相關視覺作業(yè)性能下降。

圖8 LED照明潛在健康危害風險矩陣 Fig.8 LED lighting potential health hazard risk

標準根據閃爍頻率和波動深度函數關系，給出了危害的可接受閾值，如圖9所示，即在某個頻率下，波動深度未達到閾值，則可認為無危害。

圖9 閃爍頻率和波動深度關系Fig.9 Relationship between flicker frequency and wave depth

顯示產品為了使屏幕匹配周圍明亮或昏暗的環(huán)境，往往需要對顯示屏亮度進行調節(jié)。屏幕的調光會引起頻閃。目前常見的調光方式是直流調光(Direct Current，DC)和脈沖寬度調制技術(Pulse Width Modulation，PWM)。DC是通過改變電路功率調節(jié)，一般調整正向電流實現調光。雖然亮度可調節(jié)范圍小，但理論上無閃爍。此外，DC調光成本相對較高，且低亮度下容易引起色偏。PWM是通過周期性開閉改變正向電流的導通時間，本質上是亮-滅-亮-滅的過程。亮度調節(jié)范圍大，但在低亮度下往往引起閃爍。PWM調光分為高頻PWM和低頻PWM，業(yè)內沒有明確規(guī)定高低頻閃界限，一般認為百Hz屬于低頻。根據LED照明閃爍的潛在健康影響標準，無風險區(qū)域頻閃最好在3 000 Hz以上。如圖10所示，從人眼健康角度考慮，DC調光影響最小，其次是高頻PWM調光，最后是低頻PWM調光。

圖10 調光方式比較Fig.10 Comparison of dimming modes

3.4 亮度

亮度指在視線方向單位投影面上的發(fā)光強度。有研究[18]表明，亮度不當會引起人眼疲勞，但未定量說明標準界限。當亮度過低時，視錐細胞的分辨功能受限，主要靠視桿細胞起作用。但由于自身分辨能力較弱，實際視力會下降。為了能獲取清晰視力，睫狀肌處于持續(xù)緊張的狀態(tài)，造成視疲勞；當亮度過高時，為了使進入人眼的光線強度適中，瞳孔括約肌處于不斷工作的狀態(tài)，使瞳孔縮小，這樣疲勞的狀態(tài)會引起視疲勞。

《數字電視機液晶顯示通用規(guī)范》[19]提出了中大尺寸產品的推薦亮度，見表1所示，具有一定的參考性。

表1 不同屏幕尺寸推薦亮度Tab.1 Recommended brightness for different screen sizes

顯示產品根據環(huán)境光照度，利用環(huán)境光傳感器，調節(jié)背光亮度，實現亮度的控制。

3.5 眩光

眩光是一種影響視覺的機制。它是指視野中亮度分布不均勻、亮度范圍變化不適宜、或者時間和空間上存在極端對比，造成人眼在觀看時的不舒適之感或觀察細部物體能力降低的現象。按照眩光產生的標準，可以分為直接眩光和反射眩光。直接眩光由窗戶、燈具等高亮度光源的光線引起，反射眩光由光源通過光澤表面反射亮度進入人眼所引起。

眩光引起的圖像衰減，使人眼生理保持雙眼視力出現困難，往往會產生暫時性眼部不適和視力下降。眼內外肌肉維持一定的張力,并不停地做調整，當長時間近距離用眼，眼球運動負荷增大，引起眼肌(尤其是睫狀肌)疲勞[20]。長時間或高強度的眩光引起感光細胞凋亡，從而導致視網膜損傷，嚴重可導致白內障等視覺疾病[21]。

3.6 立體顯示

3.6.1 人眼立體視覺形成

雙目視差是立體視覺形成的基礎。人眼在觀看某一物體時，由于雙眼之間存在距離，使得左右眼成像有所差異[22]。這個差異使得物體經過大腦視覺中樞處理之后，產生深度感知，形成立體視覺，如圖11所示。

圖11 立體成像示意圖Fig.11 Schematic diagram of stereo imaging

當大腦對人眼形成的圖像進行融合時，會綜合判斷出前方場景中物體之間的深度關系以及與觀看者的距離，即為深度感知。圖12給出了形象的展示。d表示人眼到顯示屏幕的距離，e表示人左眼和右眼的距離，一般為65 mm。當人眼感知成像物點在屏幕上C，此時無深度感知；當人眼感知成像物點在屏幕前方或者后方時，這時觀看的效果與正常觀看時有所不同。當感知成像點在屏幕前方時，仿佛成像點從屏幕中跳躍出來，此時為交叉式視差。如圖12中BL、BR分別是像點左右眼在顯示屏幕上對應的左右眼像點，B點為融合后的像點，T-為感知到的深度距離；當感知成像點在屏幕后方時，仿佛成像點內陷于屏幕中，此時為非交叉式視差。如圖12中AL、AR對應于像點左右眼在顯示屏幕上對應的左右眼像點，A點為融合后的像點，T+為感知到的深度距離?；谝陨希兄上裎稂c與屏幕的距離稱為深度信息，或稱景深。

圖12 深度感知示意圖Fig.12 Schematic diagram of depth perception

3.6.2 視覺調節(jié)

人眼通過輻輳與調節(jié)進行視覺調節(jié)[23-25]。輻輳指當直視較近的物體或場景，雙眼會稍向內轉，使視覺焦點集中在被視物；而當凝視遠方，雙眼視軸則平行。這種眼球的運動就是輻輳。調節(jié)指人眼調整晶狀體和睫狀肌，進而可以看清物體的現象。人是通過輻輳和調節(jié)協調聯動，實現可以看清遠近不同距離的物體。

如圖13所示，正是由于日常生活中焦點輻輳和調節(jié)一致，人眼可以舒適地進行觀看。

圖13 輻輳與調節(jié)一致Fig.13 Convergence coincides with accommodation

而在觀察基于雙目視差的3D顯示時，調節(jié)點在顯示屏幕處，輻輳成像則在顯示屏幕前或后，此時由于焦點調節(jié)和輻輳不一致[26]，如圖14所示，長時間觀看會引起視疲勞。

圖14 輻輳與調節(jié)不一致Fig.14 Convergence diverges from accommodation

3.6.3 影響說明

相關研究指出，景深類型、景深分布、景深變化都會引發(fā)視疲勞。

3.6.3.1 景深類型[27]

篩選10名受試者觀看5部深度信息參數不同的電影，通過視頻腦電圖儀采集腦電信號。通過主觀問卷填寫及客觀參數評價進行探究。結果發(fā)現，當相同景深時，交叉式視差比非交叉式視差更易引起視疲勞。從人眼生理角度進行分析，觀看非交叉式視差內容，眼球的轉動較小，即輻輳變化較小，雙眼不易疲勞；而觀看交叉視差內容，由于成像在屏幕前，雙眼成像時輻輳變化較大，雙眼的輻輳與調節(jié)頻繁而劇烈，導致不一致性程度更嚴重，更易引起視疲勞。

3.6.3.2 景深分布[27-28]

與上述景深類型測試相同，研究者發(fā)現景深平均值越大，分布越不均勻，越容易視疲勞。

3.6.3.3 景深變化

不同研究者從多角度展開景深變化對人眼影響的實驗研究。得出結論，景深變化越劇烈(深度差大、數量越大、速度越快)，越容易引起視疲勞。

圖15為帕努姆融合區(qū)(Panum融合區(qū))。帕努姆指出：人眼把左右眼看到的一定范圍內的圖像進行融合，即使注視點沒有落在視網膜對應點上，但當注視的范圍在圓周內外時，視網膜上的像仍可以落在雙眼融合的范圍。這個融合雙像的注視范圍叫作Panum融合區(qū)[29]。當物體在融合區(qū)外，雙眼不能正常融合，會出現復視現象。

圖15 Panum融合區(qū)Fig.15 Panum fusion zone

①深度差大[30]：當觀看兩個視差間距較大的物體時，雙目視差形成的深度信息使人眼生理調節(jié)無法很好地實現，會產生強烈的不舒適感。

② 數量大[30]：圖像信息量越多，人眼獲得的信息量大小與視覺舒適度成反比。

在同一幀內，不同物體往往處于不同深度區(qū)間，物體本身呈現的形狀、大小等差異，使得局部區(qū)域的深度是跳變的。物體本身的運動使得在時間維度中，同一像素位置深度值可能會發(fā)生變化，變化的規(guī)模在一定程度上反映了變化的復雜程度。當圖像中含有較多分布分散的物體時，人眼在觀看時會產生負擔，疲勞感增加；當圖像中所含物體均勻且較少時，人眼可以舒適觀看。

③ 速度快[31]：物體運動速度的快慢也會對人眼融合圖像產生影響。當物體運動速度較慢時，人眼有足夠的時間融合出立體深度感；當物體運動速度較快時，人眼難以及時對物體運動軌跡進行追蹤并產生立體深度融合，會導致不平衡視差產生，進而造成視疲勞。

4 健康顯示

基于上述不同要素對人眼影響的探討，我們認為健康顯示是行業(yè)內一個新興的研究課題。它不同于單純以提升產品性能為主要指標，而是更多地從系統角度出發(fā)，聚焦用戶主體。我們嘗試從架構層面對健康顯示進行了初步的描述，如圖16所示。

圖16 健康顯示架構探索Fig.16 Exploration of healthy display

通過用戶與產品的使用交互，顯示產品能夠根據用戶需求，實現智能化輸出，使用戶能夠以良好的習慣使用，實現生理和心理上舒適為目的。

5 健康顯示的思考方向

健康顯示是一個長期的系統研究課題，依托屏幕端口，可拓展系統解決方案。在初期探索上，從現有可能產生影響的要素出發(fā)，實現屏幕輸出的舒適。

① 低藍光：以減少短波藍光組成，同時將光學損失降到最低為主要目的，從削弱光強或波長紅移兩種技術路線方向展開。

削弱光強可以采用軟件調節(jié)方案或者薄膜阻隔方案。前者即通過軟件方案限制藍光含量。用戶可以打開或關閉軟件，減少設備產生的藍光。后者即利用光學膜過濾藍光。如圖17所示，采用某種高低折射率交替的復合多層薄膜達到防藍光的效果，通過和偏光片(Polarizer，POL)及背光(Back Light Unit，BLU)的復合達到顯示屏護眼的效果。

圖17 薄膜阻隔Fig.17 Membrane barrier

波長紅移通過長波LED或電路code調試實現。如圖18所示，長波LED方案通過調整背光的芯片，使得LED光譜藍波波峰紅移，從而降低短波藍光的強度。普通LED峰值波長一般在450 nm左右，長波LED峰值波長移動到接近460 nm左右。

圖18 長波LEDFig.18 LED with long wave

電路code調試方案保持調控R和G的電壓不變，針對性地降低藍色波長對應的電壓，以降低藍色強度，如圖19所示。

圖19 電路code調試Fig.19 Circuit code debugging

②偏振狀態(tài)：圓偏振光與線偏振光相比，更接近于自然光。在線偏振光POL外增加1/4玻片改善顯示產品出射光的偏振狀態(tài)，如圖20所示。

圖20 光的偏振狀態(tài)改善Fig.20 Improvement of polarization

③ 頻閃：從人眼健康考慮，DC調光>高頻PWM調光>低頻PWM調光?，F有顯示產品調光方式不一，以OLED手機為例，現有OLED手機低亮度調光主要采用PWM調光，尚不能實現完全DC調光。部分廠商采用類DC調節(jié)模式，通過算法抖動和圖層混合處理，使畫面內容亮度有效降低，實現類似DC調節(jié)的效果。

④ 眩光：如圖21所示，根據實際應用場景需求，采用防眩處理。通過漫反射，增加反射方向，減弱觀看方向的光亮度，減少不必要的眩光帶來的影響。

圖21 防眩改善Fig.21 Improvement of glare

⑤ 立體顯示：基于雙目視差原理的立體顯示，由于難以取消輻輳、調節(jié)沖突，可考慮將輻輳與調節(jié)的不一致限定在舒適區(qū)、減少突變鏡頭等可適當減緩視疲勞。

拓展的系統方案從生理健康和心理健康雙角度出發(fā)。生理健康方面，借助環(huán)境光傳感器、距離傳感器等，實現實時提醒，注重對用戶的習慣培養(yǎng)；心理健康方面，借助人工智能技術，通過手勢、體征、情緒等，呈現定制化顯示內容。

6 結 論

本文以健康顯示為主題，對現有已知可能對人眼產生影響的要素進行了較為系統地分析探究。

①藍光 (415～455 nm) 可能引起屈光不正、黃斑病變、干眼、白內障、睡眠質量下降、皮膚老化等危害。藍光傷害因子KB定量描述對人眼造成視覺疲勞及傷害程度。KB越大對人眼傷害越大。

② 線偏振光與圓偏振光相比，同樣條件下產生的視覺疲勞更嚴重。

③ 頻閃可能導致視疲勞、頻閃效應、光敏性癲癇偏頭痛及加重自閉癥患者的重復行為。顯示產品調光會引起頻閃。調光方式：DC>高頻PWM>低頻PWM。

④ 亮度不當可能導致視疲勞。

⑤ 眩光可能導致暫時性眼部不適和視力下降及心理不適。

⑥ 基于雙目視差原理的立體顯示可能會導致視疲勞等。

針對目前健康顯示在業(yè)內仍處于前期探索階段，本文提出健康顯示的概念。面板制造商需要聯合終端廠商、測評機構等，共同從顯示健康的角度進行開發(fā)和宣傳，以盡可能減少或消除顯示因素對人眼造成的不良影響。通過智能化輸出健康顯示內容和培養(yǎng)用戶健康使用習慣，以期給消費者帶來健康的使用體驗。