不同防蓝光眼镜对屏幕显示效果的影响比较

王珏敏， 张 林

(1. 山西职业技术学院，山西 太原 030006;2. 商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西 商洛 726000)

1 引 言

2017年权威数据显示，中国消费者人均每天面对屏幕8.9 h，其中使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑、电视的时间分别为3.0，2.2，1.6，2.1 h。《中国互联网发展报告2018》数据：中国网民已达7.72亿。屏幕中的过量蓝光不仅会通过光化学作用损伤人眼视网膜，而且可通过影响褪黑素等激素分泌，调节人体生物钟[1-5]。近年来随着CIE(国际照明委员会)、IEC(国际电工技术委员会)、世界卫生组织等权威机构的呼吁[6-8]，光生物健康已经深入人心。降低屏幕蓝光危害及节律效应已受到广大光电产品制造商及普通消费者的高度关注，防蓝光眼镜、滤蓝光护眼屏幕贴膜等应运而生。然而，蓝光作为三基色之一，特意过滤蓝光是否会影响屏幕画面的显示效果？暂未见相关文献定量分析报道。在色度学中，任一彩色光均可利用色调、饱和度和亮度三个基本参量表示，称为彩色三要素。人眼可分辨的色调约为128种，平均饱和度区分等级约为10种，可分辨的亮度等级约有600种。彩色三要素各自变化得到不同颜色，可见人眼具有很强的颜色分辨能力。

为了全面定量研究当前销量较大的5种不同材质防蓝光眼镜，对不同色温LED背光LCD(液晶显示屏)及OLED(有机发光二极管)屏彩色显示效果的影响。本文测量了两种屏幕在色温设置为6 500 K和5 000 K下的光谱分布数据，结合5种不同材质防蓝光眼镜透射率与人眼分辨率，通过OriginPro拟合、色度软件分析、Matlab计算。比较研究了不同色温设置下两种屏幕在不同防蓝光眼镜配戴下的色调、饱和度、光通量及实际色温。该研究方法与结论可为相关产品的使用和研发提供借鉴。

2 实 验

2.1 眼镜透射率测量及其拟合

在某世界知名购物网站按照销售量搜索防蓝光眼镜，选择5种销量排序靠前、镜片材质不同的防蓝光眼镜为研究对象。为了下文讨论方便，对5种防蓝光眼镜编号分别为A、B、C、D和E，相关信息参数见表1。由表1可见5种防蓝光眼镜，商家均声称用于电脑显示等具有过滤蓝光、降低蓝光危害及非视觉生物效应、保护眼睛的功能。且5种防蓝光眼镜售价不菲，如E单价高达89.59 $。

表1 5种防蓝光眼镜的信息参数Tab.1 Main parameters of five kinds of anti-blue light glasses

续 表

利用上海复享光学股份有限公司的FX2000光纤光谱仪及HL2000卤素光源，扫描步长为0.31 nm，积分时间为5 ms，测量5种防蓝光眼镜镜片垂直方向380～780 nm波段透射率，测量原始数据见图1所示。为了下文的色度学定量计算分析方便，利用OriginPro软件的Nonlinear curve fit功能，采用Boltzmann函数对A、B、C透射率测量数据进行拟合，拟合公式见式(1)。采用SGompertz函数对D和E透射率测量数据进行拟合，拟合公式见式(2)，拟合曲线见图1。根据相关文献知，蓝光危害的峰值波长为437 nm，节律效应的峰值波长为464 nm，光生物安全关注的蓝光波段为400～500 nm[1-3]。由图1透射率曲线可见，5种防蓝光眼镜均有一定的过滤蓝光作用，过滤效果大致趋势为由A至E依次增强。

(1)

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

(2)

5种防蓝光眼镜可见光波段透射率的拟合结

图1 5种防蓝光眼镜的透射率及其拟合Fig.1 Transmissivity and fitting of five kinds of anti-blue light glasses

果见表2，表2给出了拟合函数表达式中各参数数值、相关系数平方(R2)、残差平方(Residual sum of squares)及简化卡方检验值(Reduced Chi-Sqr)。由数据可见，除过B和C拟合质量略差外，其他3个膜透射率拟合质量均较高，能保证下文的计算精度。

表2 3种防蓝光眼镜的透射率拟合结果Tab.2 Fitting results of five kinds of anti-blue light glasses transmissivity

2.2 显示器光谱测量与拟合

目前各种光电显示器中，LCD占据绝对优势地位，其中LED背光的LCD的应用最为广泛。OLED作为LCD的主要竞争者，应用前景广阔[9-10]。因此，本文以OLED与LED背光LCD为研究对象，选择全球知名品牌产品，主要参数见表3。

表3 两种显示器的主要参数Tab.3 Main parameters of two kinds of displays

安装显示器色温调节软件，上海复享光学股份有限公司的FX2000光纤光谱仪，分别测量OLED与LED背光LCD设置色温为6 500 K、5 000 K白场下可见光波段光谱分布数据。对其进行归一化处理，结果分别见图2。

不同色温下两种显示器光谱扫描步长为0.31 nm，下文所用色度计算分析软件对扫描步长要求为1 nm，故需知光谱分布的函数表达式。利用OriginPro软件的Multi-peaks Fit功能，采用5个Gauss函数叠加[1,3]，拟合不同色温下两种显示器的光谱分布，拟合公式见式(3)。

图2 不同色温OLED和LED背光LCD的归一化光谱Fig.2 Normalized spectra of LED backlight LCD under different color temperature

(3)

不同色温设置下OLED和LED背光LCD的光谱分布函数拟合结果见表4。由表可见4个拟合结果的R2均大于0.99，且卡方检验值均较小。因此，该拟合方法能够高质量拟合两种显示器的光谱分布，可保证下文的计算精度。

表4不同色温LED背光LCD的光谱拟合结果

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 结果与讨论

根据上文拟合的5种防蓝光眼镜透射率计算公式、4个光谱分布函数表达式，采用透射率乘以光谱分布，得到配戴不同防蓝光眼镜时的屏幕光谱分布函数，计算扫描步长为1 nm的光谱数据。根据光谱分布数据，利用色度分析软件计算比较不同色温设置下OLED及LED背光LCD屏幕，配戴5种防蓝光眼镜观看时的色调、饱和度、光通量、实际色温。

3.1 色调分析

色调作为屏幕显示图像的彩色三要素之一，可反映颜色特性。1931 CIE-XYZ计色系统能够方便地对颜色进行计量描述。利用色度分析软件计算不同色温设置下，配戴不同防蓝光眼镜情况下，两种显示器的1931 CIE-XYZ色坐标。

表5 配戴不同防蓝光眼镜OLED显示器的1931 CIE-XYZ色坐标Tab.5 1931 CIE-XYZ chromaticity coordinates of OLED displays under different anti-blue light glasses wore

表6 配戴不同防蓝光眼镜LED背光LCD显示器的1931 CIE-XYZ色坐标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色坐标分别见表5和表6。

X、Y值分别表示红基色、绿基色比例，由X+Y+Z=1可计算蓝基色比例。由表5和表6可见，配戴防蓝光眼镜后色坐标数据的X、Y均有所增加，即蓝基色比例下降，可由Z值变化量化防蓝光效果。计算配戴不同防蓝光眼镜后色坐标Z的下降幅度，结果见表7所示。由表7可见对于上述5种防蓝光眼镜，同一屏幕相同防蓝光眼镜下，随着屏幕色温的下降，眼镜防蓝光效果增强，例如：配戴防蓝光眼镜A观看OLED屏幕，色温由6 500 K调至5 000 K，防蓝光效果提高了77.358%。5种眼镜防蓝光效果相差较大，例如：对于色温为6 500 K的OLED屏，眼镜E的防蓝光比A强1 881倍。

表7 不同防蓝光眼镜配戴情况下屏幕色坐标Z下降幅度Tab.7 Color coordinate Z decrease of displays under different anti-blue light glasses wore (%)

根据色坐标，在色度图中标出配戴不同防蓝光眼镜情况下的OLED与LED背光LCD对应点，可直观比较分析不同眼镜情况下色坐标的变化，由于防蓝光眼镜A配戴前后对色坐标影响不大，两点在色度图中几乎完全重合，故在色度图中未单独标出不配戴眼镜时OLED及LED背光LCD屏幕对应点，结果见图3所示。由图3可直观看到防蓝光眼镜D、E对不同色温下OLED及LED背光LCD屏幕显示的色调影响较大，会影响观影效果。结合图1，可见防蓝光眼镜D、E能过滤掉大部分蓝光，特别是E几乎过滤掉了所有的蓝光。蓝光作为三基色之一，要找到防蓝光重视光生物安全与兼顾显示效果的平衡点。

人眼对屏幕发出的复色光颜色感知可用主波长描述，根据色坐标计算不同色温设置下，不同防蓝光眼镜情况下，两种显示器的主波长。不配戴眼镜时，6 500 K及5 000 K下OLED的主波长分别为490 nm和530 nm；6 500 K及5 000 K下LED背光LCD屏幕的主波长分别为486 nm和574 nm。计算不同眼镜配戴情况下，屏幕主波长的漂移，结果见表8。由表8数据可见，5种防蓝光眼镜对色温为5 000 K的LED背光LCD屏幕主波长影响不大，防蓝光眼镜A对不同色温下两种屏幕的主波长几乎无影响。其他情况下，主波长漂移幅度均较大。

(nm)

配戴不同防蓝光眼镜引起屏幕显示主波长的漂移，人眼能否辨别，需要根据人眼对不同波长的辨别能力曲线判断。图4给出了人眼对可见光的波长分辨力[11]。

图4 人眼对可见光的波长分辨力Fig.4 Wavelength resolution of the human eye to visible light

由图4可得，486，490，530，574 nm人眼分辨力分别为1.2，1.1，2，1.2 nm。可见防蓝光眼镜A引起不同色温下两种屏幕显示主波长的漂移，以及配戴防蓝光眼镜D观影5 000 K色温下LED背光LCD屏幕显示主波长的漂移，人眼无法辨别，其他情况均会引起较大的主波长漂移，特别是配戴防蓝光眼镜E观影6 500 K色温下OLED屏幕显示主波长的漂移高达106 nm，以严重改变了观影颜色效果。

3.2 饱和度分析

饱和度表示颜色的纯洁度或浓淡程度，为彩色三要素之一[12]。由透过不同防蓝光眼镜的光谱分布数据计算对应饱和度，结果见表9。由表9可见，5种防蓝光眼镜均可使色温设置为5 000 K的OLED及LED背光LCD屏幕饱和度增加，特别是防蓝光眼镜D和E，可使饱和度大幅度增加。色温设置为6 500 K时，5种防蓝光眼镜对饱和度影响变化较为复杂，防蓝光眼镜A、B、C可使色温设置为6 500 K的OLED及LED背光LCD屏幕饱和度减小，而防蓝光眼镜D和E使饱和度增加幅度较大。

表9 不同眼镜配戴情况下屏幕的饱和度Tab.9 Saturation two displays under different anti-blue light glasses wore (%)

防蓝光眼镜引起饱和度的变化，是否影响显示效果，人眼能否辨别，需要根据人眼对饱和度的辨别能力曲线判断。图5给出了人眼对饱和度的辨别能力谱，纵坐标为从白光起等级数目。纯白光的色彩饱和度为0，单色光饱和度为100%。由图可见，主波长490，530，486，574 nm对应的可辨别饱和度等级分别为19.4，18.6，19.6，6.8。人眼只能区别19级与7级饱和度，即饱和度变化大于5.26%与14.29%左右时人眼能辨别。由此可

以判断：防蓝光眼镜D和E引起OLED及LED背光LCD屏幕饱和度变化人眼可以辨别，影响观影效果，其他情况人眼均较难辨别，对屏幕饱和度显示效果影响不大。

3.3 光通量分析

亮度为单位立体角、单位投影面积上的光通量，为彩色三要素之一[13]。此处为了计算分析方便，仅比较研究光通量。光通量计算公式见式(4)。P(λ)为单位时间内光源的辐射能量分布曲线，不同眼镜配戴情况的P(λ)可由上文对应的光谱分布函数及透射率拟合结果相乘得到；V(λ)为明视觉光谱光效函数，1924年CIE(国际照明委员会)给出了不同波长对应的数值，多篇文章对其函数表达式进行了高质量拟合，本文采用式(5)。Km=683 lm/W，为明视觉最大光谱光效能。式(4)光通量计算采用Matlab7.0中trapz函数完成。

(4)

(5)

计算裸眼时6 500 K及5 000 K下OLED的光通量分别为23 304 lm和22 350 lm；6 500 K及5 000 K下LED背光LCD屏幕的光通量分别为30 686 lm和25 771 lm。为了更加直观地反映配戴防蓝光眼镜后，光通量的变化情况，利用式(6)计算不同眼镜配戴情况光通量的相对偏差：

(6)

Φv为裸眼时对应屏幕的光通量，Φvg为配戴不同眼镜时的光通量，计算结果如表10所示。

表10 不同防蓝光眼镜配戴情况下屏幕光通量的相对偏差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围约为10-3～106cd/m2，能分辨的最大和最小亮度比为1 000∶1。当亮度为1 000 cd/m2时，最小可识别黑度差ΔDmin≈0.08。光通量与亮度相互对应，人眼对亮度有较高灵敏度，即对光通量变化也有较大分辨力。整体分析表10数据可见，防蓝光眼镜C、E对光通量影响比较大，特别是E使色温为6 500 K的OLED屏幕光通量下降61.8%，严重影响了观影效果。

3.4 色温分析

色温的变化直接影响光谱分布特征，进而影响人眼的视觉感受。本文在采集两种显示器光谱分布数据过程中，利用色温调节软件设置了不同色温。究竟色温设置是否准确，配戴不同防蓝光对色温有何影响？可根据光谱分布数据，利用相关分析软件进行计算，结果如表11所示。可见该软件在设置调节OLED色温时，实际色温高于设置色温8 00 K左右，设置调节LED背光LCD色温时，实际色温与设置色温差距不大，如设置色温为5 000 K时，实际色温仅减少了10 K。故该软件在设置调节LED背光LCD色温时，总体精度高于OLED，且差距明显。

表11 不同防蓝光眼镜配戴情况下屏幕的实际色温Tab.11 Actual color temperature of two displays under different anti-blue light glasses wore (K)

比较分析表11数据，知5种防蓝光眼镜A至E，随着防蓝光效果的增加，色温依次下降，两种屏幕设置色温为6 500 K时色温下降速度略大于5 000 K。防蓝光眼镜D与E，对色温影响较大。尽管人眼受色觉守恒和视觉心理特性的作用，对色温较小幅度的变化，引起视觉效果的差异不敏感。但防蓝光眼镜D与E对两种屏幕色温的改变，一定会影响显示效果。

4 结 论

为了全面定量研究当前销量较大的5种不同材质防蓝光眼镜，对不同色温LED背光LCD及OLED彩色显示效果的影响。本文测量了两种屏幕在色温设置为6 500 K和5 000 K下的光谱分布数据，结合5种不同材质防蓝光眼镜透射率与人眼分辨率，通过OriginPro拟合、色度软件分析、Matlab计算。比较研究了不同色温下两种屏幕在不同防蓝光眼镜配戴状态下的色调、饱和度以及光通量，得到以下结论：

(1)5种不同材质防蓝光眼镜均具有一定的过滤蓝光效果，随着屏幕色温的下降，眼镜防蓝光效果增强。对相同色温同一眼镜对LED背光LCD屏的防蓝光效果略强于OLED屏。

(2)5种防蓝光眼镜对色温为5 000 K的LED背光LCD屏幕主波长影响不大，配戴防蓝光眼镜E观影6 500 K色温下OLED屏幕显示主波长的漂移高达106 nm，以严重改变了观影颜色效果。

(3)5种防蓝光眼镜均可使色温设置为5 000 K的OLED及LED背光LCD屏幕饱和度增加。防蓝光效果太强的眼镜严重影响饱和度，如：过滤掉色温6 500 K的OLED屏幕99.626%蓝光的眼镜，可使饱和度增加22.7倍。

(4)过滤蓝光会使屏幕色温下降，如：能过滤掉色温6 500 K的LED背光LCD屏幕99.59%蓝光的眼镜，可使色温下降为原来的0.322倍。

综上所述，各种防蓝光眼镜均有一定防蓝光效果，但差距较大。很多防蓝光眼镜已严重影响了屏幕画面的色调、饱和度及亮度，我们应该找到防蓝光重视光生物安全与兼顾显示效果的平衡点。以上结论可为防蓝光眼镜的选择与使用提供依据，分析研究方法可为相关产品的研发提供借鉴。