顯示設備防藍光模式和色域的關系*

王貫 顧春? 許立新

1) (中國科學技術大學,核探測與核電子學國家重點實驗室,合肥 230026)

2) (中國科學技術大學,安徽省光電子科學與技術重點實驗室,合肥 230026)

3) (中國科學技術大學,安徽省先進激光技術實驗室,合肥 230026)

基于新型光源的顯示設備以大色域、高亮度、高解析度等優點成為了市場主流.藍光作為三基色之一,是顯示系統不可或缺的部分,它的波長、光譜寬度、亮度等參數影響著顯示系統的方方面面.同時,過強的藍光會損害人眼的視網膜細胞并影響生物節律.如何減少藍光危害是設計顯示系統時需要考慮的重要問題.以手機、電視屏幕為代表的顯示設備是人機交互的重要媒介,為了減少其中的藍光危害,在設備中通常都設有防藍光模式.這種模式會影響到顯示設備的色域.基于此,測量顯示系統中色域和藍光危害隨著防藍光模式的變化過程是有必要的.我們提出了一種測量顯示設備特征點獲得立體色域的理論.以目前市面上幾種主流手機作為實驗樣本測量立體色域,結合光譜獲得藍光危害值,提出色域和藍光危害的兌換比例這一測量標準,以評估防藍光模式的質量.

1 引言

顯示設備從黑白顯示、彩色顯示、數字顯示到以激光光源為代表的新型顯示經歷了多次更新換代.目前,LCD[1]、LED[2]、OLED[3]、量子點[2,4]、激光[5]等各種光源都在市場占有一席之地.全色、高清、三維是當今顯示系統的發展方向.2012 年,國際電聯通信部門(ITU)提出了Rec.2020[6]作為Rec.709[7]的升級版本,提高了其中關于色域、像素數、掃描幀數等方面的要求.

隨著消費電子產品種類和功能的逐漸增多,用戶體驗變得更加重要.特別是在顯示類產品中,用戶觀看的舒適感式顯示設備質量的重要組成部分.GB/T 30117.2[8]和IEC 62471[9]等行業標準均指出,以藍光為代表的,過強的光輻射會對身體產生危害.兩種標準均對照明系統的輻照度提出了限制.CIE 于2000 年發布的《CIE 藍光光化學和光生物學危害匯編》[10]中將藍光危害分為兩種:視覺危害和非視覺危害.視覺危害指藍光照射視網膜對視網膜視錐細胞和視桿細胞的損傷.它由1966 年Noell 等[11]針對小鼠視網膜的研究和1978 年Ham等[12]針對恒河猴視網膜的研究所發現,這種損傷主要由400—500 nm 的光產生.Wenzel 等[13]進一步詳細研究了藍光對視網膜的損害機理.這一損害在波長為435—440 nm 達到極大值.非視覺損害指藍光照射視網膜后影響褪黑素的分泌,Enazi 等[14],Brainard 等[15]的研究表明,藍光波長對人褪黑素分泌抑制的曲線呈高斯分布,Baczynska 等[16]和Liu[17]認為其中心波長為488 nm,半高全寬(FWHM)為84 nm.圖1 為歸一化后的兩種危害和波長之間的函數圖.

圖1 藍光視覺危害、非視覺危害與波長之間的關系Fig.1.Relationship between blue light visual hazards,nonvisual hazards and wavelength.

目前顯示設備中手機、平板電腦桌面顯示器等都帶有防藍光模式(或稱護眼模式),用戶可以根據自己的喜好調節防藍光模式的強度.評估顯示系統的防藍光模式質量的研究工作主要集中于色彩還原指數(Color rendering index,CRI)和光效率[18,19].另一方面,顯示系統的顯色能力也是它的重要參數.藍光作為三基色之一,它的參數選擇會對顯示系統色域產生影響[20].通常來說,顯示系統藍光強度越大,則色溫越高.王聰等[21]的研究表明,一定范圍內,顯示系統色溫越高,則其色域越大.因此,研究防藍光模式隨著色域的影響顯得相當重要.然而,在目前的行業標準中,暫時沒有將藍光危害和色域相關的報道.

目前的描述顯示設備顏色的方法主要有兩種:基于CIEXYZ 色品圖的平面色域和基于CIELAB色品圖的立體色域.

平面色域方案通過測量顯示系統三基色對應的三刺激值,轉化成CIEXYZ 色空間內的色坐標后,以CIEXYZ 色品圖中所圍成三角形的面積作為色域.這種方案存在著若干問題:

1) CIEXYZ 色品圖均勻性不好,麥克亞當橢圓在不同顏色的大小區別非常大.

2) 顯示系統的亮度也會影響顯示系統的色域,平面色品圖并不能反映亮度對色域的影響.

據此,我們采用更均勻的CIELAB 色空間來描述顯示設備的色域.

目前,三基色激光顯示是唯一能滿足Rec.2020標準的顯示技術,由于激光具有獨特的窄譜特性,可以通過藍光波長選擇有效避開視覺危害和非視覺危害的極值點.本文以消費電子中使用頻率和時長最高的手機作為出發點,選取6 臺不同品牌型號的手機,在不同強度的防藍光模式下,通過測量它們20 個特征點的色坐標以獲得其立體色域.通過測量其白光時的光譜分布,獲得不同強度防藍光模式下的兩種藍光危害值.進一步地,本文提出了一種基于色域和藍光危害兌換比例的參數的評價體系.更進一步,我們將手機屏幕的測量結果和激光顯示做比較,結果表明,由于激光光源所具備的高獨立性,它在藍光危害和色域轉換方面有著較高的兌換比例,是一種具備高色域且有效減少藍光危害的優質光源.我們相信,當其他光源能夠達到理想的光學參數和顏色表現力的時候,在防藍光模式上的規律也是一致的.

2 研究原理和研究過程

2.1 藍光危害計算

根據《CIE 藍光光化學和光生物學危害匯編》[10],顯示系統的視覺藍光危害通常用輻亮度LB和輻照度EB來表示,當觀察者視場角超過0.011 rad(約0.63°)時,使用加權輻亮度來進行計算,此時

式中:Lλ為單位角上光源的光功率分布,單位為W/(m2·nm·sr);B(λ)為圖1 中的藍光危害加權函數.

當觀察者視角小于0.011 rad 時,使用加權輻照度來進行計算,此時

式中,Eλ為光譜的輻照度,單位是 W/(m2·nm)

標準[10]把藍光危害分為無危害(IR0),低危害(IR1),中危害(IR2)和高危害(IR3)4 種,LB和EB與藍光危害等級的關系如表1 所示.

表1 LB 和 EB 與藍光危害等級的關系Table 1.The relationship between LB , EB and the blue light hazard level.

對于非視覺輻照度,我們這里采用文獻[16]中的結果

式中CM(λ) 為藍光對人體節律的影響曲線.CM(λ)表達式為

2.2 色域測量

這里采用特征點法獲取顯示設備的立體色域,三基色顯示系統采用RGB 信號輸出顏色,它可以表示為圖2(a)的RGB 立體框:立體框的8 個頂點,以及12 條棱的中點共計20 個點為特征點,使用圖像軟件生成它們對應的色塊,測量其三刺激值,然后將三刺激值轉化為CIELAB 色空間,如圖2(b)所示.

計算圖2(b)中的多面體的體積就是顯示系統對應的立體色域體積.具體算法為,截取L從1 到99 上立體色域的切面,計算每個截面的截面積SL,然后根據

圖2 (a) RGB 立體框和(b) RGB 立體框在CIELAB 空間中的位置Fig.2.(a) RGB three-dimension frame and (b) its position in CIELAB color space.

得到的V就是顯示系統的立體色域.

2.3 實驗系統

實驗采用的測量設備為遠方公司SR-600 型色度計,它可以測量屏幕光譜的強度分布并獲得其三刺激值.實驗中使用的設備如表2 所示.

表2 幾種設備的相關參數Table 2.The parameters of experimental device.

幾種設備均使用近3 年來市場上主流的品牌,屏幕種類涵蓋了市場上的液晶、LED、OLED 等常用技術.

測量時,將待測屏幕放置在離色度計1 m 遠的地方并使用最大亮度.依次播放待測圖片,將色度計測量視場角開啟到1°,測量其三刺激值和光譜并記錄,記錄完畢后切換下一張圖片.

每臺設備均在防藍光模式關閉和以不同強度打開時分別記錄結果.我們把藍光模式關閉時(即普通模式)下的防藍光強度設置為0,開啟以后將防藍光模式強度滑條均分,從弱到強依次按照正整數順序命名.設備藍光模式圖和測試用圖片見圖3.

圖3 (a)設備藍光模式圖和(b)20 張測試用圖片Fig.3.(a)The screenshot of anti-blue hazard mode and (b) the figure of 20 experimental pictures.

3 測量結果

我們的結果分為3 個部分,即立體色域值、藍光視覺危害和藍光非視覺危害,各設備的結果如圖4.結果顯示,隨著防藍光模式的增強,色域和兩種藍光危害都顯著減少.

圖4 6 臺顯示設備的色域、兩種藍光危害同防藍光模式強度的關系,藍光危害通過白場光譜分布計算得到Fig.4.The relationship between the color gamut of six display devices,two kinds of blue light hazards under the strength of antiblue hazard mode.The blue light hazard is calculated from the white field spectral distribution.

4 分析與討論

4.1 光譜功率分布同防藍光模式效率的關系

圖5 顯示了6 臺設備的白光功率分布隨防藍光模式強度的變化,波長從小到大排序,3 個波峰分別為藍光、綠光和紅光.隨著防藍光模式強度逐漸增加,藍光部分的強度顯著減少,綠光部分的強度有些許減少,而紅光部分的強度幾乎不變.防藍光模式之所以如此設計,主要原因和圖1 相關.紅基色對藍光危害無關.而根據文獻[20],在傳統顯示技術中,3 種基色對顯示設備色域的影響權重不同,綠光最強,紅光次之,藍光最弱.據此,我們認為,要降低防藍光模式對色域的影響,就要降低綠光強度受防藍光模式的擾動.

圖5 6 臺顯示設備的光譜功率分布同防藍光模式強度的關系Fig.5.The relationship between the spectral power distribution of six display devices and the strength of anti-blue hazard mode.

4.2 色域兌換比例

6 臺設備中,隨著防藍光模式強度的增加,色域隨之減少,對應的2 種藍光危害也跟著減少.然而,不同顯示設備的光強互不相同,根據(1)式,顯示設備光強和藍光危害成正比,卻不影響設備的色域.據此,不能直接通過藍光危害的絕對值來比較防藍光模式的優劣.

為了排除顯示設備光強帶來的干擾,我們定義參數

式中:V0,B0,N0分別代表普通模式下對應設備的色域,視覺藍光危害和非視覺藍光危害;Vi,Bi,Ni分別代表防藍光模式強度為i時,對應屏幕的色域,視覺藍光危害和非視覺藍光危害;RV,RB,RN定義為色域與視覺藍光危害非視覺危害分別在防藍光模式和普通模式兩種模式下的比值.當防藍光模式關閉的時候,i=0,其他的時候,i等于防藍光模式的等級.

i=0 的時候,這3 個值都為1,i>0的時候,RV,RB,RN均小于1.它們的取值范圍是(0,1].

根據圖4,我們畫出6 臺設備RV,RB,RN隨著防藍光模式變化的曲線,結果如圖6 所示.

圖6 6 臺顯示設備的色域,兩種藍光危害比例同防藍光模式強度的關系Fig.6.The relationship between the ratio of the color gamut of six display devices,the ratio of two kinds of blue light hazards under the strength of anti-blue hazard mode.

我們在平面直角坐標系上畫出每臺顯示器的RV-RB和RV-RN曲線,它表示了隨著藍光模式強度增加,兩種藍光危害和色域的減少比例.結果如圖7 所示.

圖7 表示了隨著兩種藍光危害下降時,不同顯示系統的色域下降比例.可以看出,6 臺顯示設備RV-RB及RV-RN均呈近似的線性相關.而斜率的物理意義即為色域比和藍光危害比的“兌換比例”.換言之,斜率越大,同樣的色域比能換算到的藍光危害比越高,顯示設備也更加優秀.

圖7 不同顯示設備的 RV- RB 以及 RV- RN 曲線Fig.7.RV- RBRB and RV- RN curves of different display devices.

定量評價6 臺顯示設備的防藍光模式質量,即通過最小二乘法計算圖6 中每條線的線性擬合,顯然這些線都是經過定點 (1,1)的,擬合直線方程為

每臺設備的RV-RB及RV-RN的線性擬合斜率如表3 所示.

表3 6 臺顯示器色域和兩種藍光危害比例的線性擬合及相關系數Table 3.Linear fitting and correlation coefficients of 6 display devices,between the ratio of color gamut and the ratio of two kinds of blue light hazards.

可以看出,6 臺設備的線性擬合相關系數都超過了0.9,這充分表明了RV-RB及RV-RN以線性關系為主,可以用來衡量顯示設備防藍光模式的效能.我們可以得出結論,在全部的待測設備中,設備(1)的防藍光模式最優秀,根據圖5 可知,設備(1)的綠光強度隨著防藍光模式的變化是最小的,這和我們所假設的內容相吻合.

4.3 設備色溫和色域的關系

防藍光模式的改變也伴隨著設備色溫的改變,圖8 顯示了幾臺設備色溫隨著其防藍光模式強度改變的關系,為了方便比較,我們將色域體積的變化趨勢放在同一圖中進行對比,結果顯示,色溫變化和色域變化是成正相關的,這些結果同文獻[21]中的結果一致.我們認為,為了保持觀看者具有良好的觀看體驗,在兼顧藍光危害的同時也要保持較高的色域體積,顯示設備的色溫不應該設置的過低.5000—6500 K 之間是色溫的理想選擇范圍.

圖8 顯示設備的色域,色溫同防藍光模式強度的關系Fig.8.The relationship among the color gamut,color temperature of the display device and the intensity of the anti-blue light mode..

4.4 三基色激光顯示的防藍光模式

三色激光顯示技術目前被認為是新一代的新型顯示技術,由于激光光源本身光譜寬度窄且亮度高,具有大色域、高亮度、高獨立性等優點.2018 年9 月,中國電子技術標準化研究院賽西實驗室聯合北京協和醫院眼科專家以80 寸4 K 激光電視和80 寸4 K 液晶電視為樣本進行人眼觀看舒適度對比測試,他們在顯示方面做了一定的探索,認為在同等條件下,激光電視對人體的藍光危害小于液晶電視[22].這種測試基于主觀的人眼測試,具體的量化指標還有待進一步的研究.

我們在這里以自制的三基色激光顯示系統為測試對象,在兩種光源的藍光危害一致的假設前提下,利用前面的方法獲得其光譜分布、立體色域、視覺和非視覺藍光危害、RV,RB,RN和色溫等參數隨防藍光模式強度變化的關系,結果如圖9所示.

圖9 防藍光模式強度的變化對激光電視參數的影響 (a) 光譜強度分布,三基色中心波長分別為464 nm,520 nm,660 nm;(b)色域及兩種藍光危害,藍光危害通過白場光譜強度分布計算得到; (c)RV,RB,RN 參數;(d)色域-色溫曲線Fig.9.The influence of the strength of the anti-blue hazard mode on the parameters of laser TV:(a)Spectral power distribution,the peak wavelength of three primaries are 464 nm,520 nm and 660 nm;(b)color gamut and two kinds of blue hazard,the blue light hazard is calculated from the white field spectral distribution;(c) RV,RB,RN parameter;(d) color gamut-color temperature curve.

我們仿照4.2 節,根據(7)式來計算激光電視的RV—RB及RV—RN的擬合斜率.得到藍光的中心波長剛好位于視覺危害峰值(435—440 nm)和非視覺危害峰值(484 nm)之間.此外,綠光由于其窄譜特性,它的波長遠離藍光危害區域的峰值,其強度不需要隨著藍光的減少而減少,這使得激光顯示設備的防藍光方式對色域的影響降低.

接下來我們分析該設備的藍光危害等級,研究表明,根據(1)式,有

式中:Ω為發光屏幕的散射立體角,實驗中使用的屏幕為硫酸鋇屏,其散射立體角為Ω=2π sr;S為測試的投影面積,實驗中的視場角為1°,其對應的立體角為

色度計距離屏幕距離為d=1 m,其在屏幕上投影的面積為

P(λ) 分布如圖9(a)所示,B(λ)如圖1 所示,其對應的藍光危害強度為

根據表1,它屬于IR0(無危害)層級.

為了使結果更加明晰,我們將激光光源的RV—RB及RV—RN擬合斜率、立體色域體積與前6 臺設備光源進行對比,結果如圖10 所示.

圖10 激光電視和實驗設備的對比圖 (a)色域與視覺藍光危害的兌換比例;(b)色域與非視覺藍光危害的兌換比例;(c)設備色域Fig.10.The comparison of laser TV and experimental device:(a)Conversion ratio between color gamut and visual blue light hazard;(b) conversion ratio between color gamut and non-visual blue light hazard;(c)color gamut.

圖10 的結果顯示,在7 臺實驗設備中,激光電視的藍光危害和立體色域的兌換比例排名第二,和最高值相比,色域-視覺危害轉化率低10%,色域-非視覺危害轉化率低22%,而激光光源的立體色域領先于其他6 臺設備,是6 臺設備最大者的159%.

目前,諸如LCD、OLED、量子點等光源也在通過優化光源中心波長,縮窄光譜寬度等方案來盡可能接近Rec.2020 標準[23].每種光源都存在著自身的限制,而顯示用激光光源的發展也需要理論和實踐的雙重指導去優化光源的波長和譜寬.因此,我們希望在此研究的基礎上提供各種新型光源的中心波長、光譜寬度等參數的選擇,用以在提升色域體積和抑制藍光危害之間尋找平衡點,為未來顯示技術發展方向提供理論依據.

5 結論

本文提出了一種基于測量顯示系統特征點三刺激值來獲得立體色域的方法,根據這種方法我們測量了7 臺顯示設備的防藍光模式對其色域的影響.提出了換算比例系數這一參數來評價防藍光模式的質量,結果擁有較高的線性相關系數.另一方面,我們的實驗也驗證了色溫和顯示系統色域的正相關.根據結果我們認為,想要優化防藍光模式的質量,需要調整顯示系統的峰值波長,并且保持綠光強度在防藍光模式下的穩定,激光是一種能夠滿足這些條件的優秀光源.