激光投影機視覺健康測試評價方法研究

于西龍

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

引言

隨著超高清顯示、高功率激光投影、激光全息投影等新型顯示技術的發展應用，我國電子顯示產品標準體系建設也在快速推進，而國內關于激光投影視覺健康的測試評價方法仍處于空白。本文依托于多年在顯示產品領域檢測技術和產品標準的研究，通過分析激光投影機產品的光學成像性能，綜合視網膜藍光危害、激光安全等級、藍光光譜特性、清晰度、固有分辨率、色域覆蓋率、運動圖像拖尾、響應時間、色度誤差、色度不均性、殘留影像、像素缺陷、白平衡誤差、畫面質量視覺評價等對眼睛有直接影響的關鍵參數，從視覺健康角度對各參數檢測技術進行研究，形成激光投影機視覺健康評價方法，并提出視覺健康指數與視覺健康等級的概念。本文的測試評價方法為激光投影機等顯示設備生產企業提供了清晰明確的視覺健康指導，督促企業加大在視覺健康設計上的科研投入，生產視覺體驗更佳的顯示產品，保護國人眼健康，延緩近視發展勢頭。

1 激光顯示特性與發展現狀

1.1 激光顯示特性

激光投影顯示是指以紅、綠、藍三基色單色激光器為光源的顯示技術，是一種高色域混彩投影顯示技術，在CIE 1976 色域空間下的色域覆蓋率普遍大于33 %，是當下高端投影顯示領域主流的顯示技術[1]。激光顯示光源相較于傳統鹵素燈光源和LED 光源成本較高，但是其壽命長、光輸出值高、單色性和方向性好、能量密度和能源效率高等特點成就了激光投影機良好的市場地位[2]。

激光發射光譜為線譜，色彩分辨率高，對自然色彩的還原性好[3]。從色度學角度來看，激光投影顯示的色飽和度高，配合高分辨率的超高清顯示技術，顯示畫面的色彩艷麗程度和顏色清晰度表現力好。此外，激光可供選擇的譜線豐富，激光光源色域色度的理論值遠超其它光源。激光光源良好的方向性與超高清顯示技術的應用相得益彰。激光的強度高，可實現像影院放映投影機這種高亮度、大屏幕顯示[4]。

激光光源壽命長，維護費用成本低，長達10年以上的光源壽命，是傳統光源壽命的10 倍～20 倍，并且在節能環保方面也體現出優越性，符合“碳達峰，碳中和”的節能發展理念，這些特性讓激光在顯示領域得以廣泛應用[5]。

1.2 激光顯示發展現狀

激光顯示技術持續發展，激光投影機市場占有率逐年上升[6]。其快速發展的原因主要是：第一，新型光電材料及激光技術發展迅猛，多種波長的固體倍頻激光器與半導體激光器陸續進入市場，轉換效率和性能提升明顯，使RGB 三基色激光光源逐漸走向高效化、小型化，這促進了激光顯示技術的研究投入，為激光顯示技術的實用化發展提供了重要基礎。第二，伴隨著微電子技術、微光機電技術與器件及微光學技術與器件的蓬勃發展，多種類型的空間圖像光調制器件相繼出現，物理分辨率不斷提高，性能優越的圖像調制芯片應用于圖像顯示領域，大大促進了激光顯示技術的發展，特別是激光投影顯示[7]。

2 投影顯示性能與測試方法

2.1 顯示性能對視覺健康的影響因素

國 外 像 CIES009:2002/IEC62471:2006/IECTR62778:2014 等國際標準，主要是面向照明燈具的光輻射生物安全性評價標準，沒有考慮顯示產品視覺健康這一應用領域，當然，對研究投影顯示視覺健康測試方法有一定的參考意義，但直接引用是十分不妥的，因為照明燈具對人眼而言是環境光，而顯示產品則是人眼直視發光體，因此要使用這些標準方法，需要針對顯示產品做進一步的創新開拓性研究，同時需要一定數量案例測試數據的支持。

光生物安全包括紅外危害、紫外危害、藍光危害，對于電子顯示產品而言，其光學波段處于可見光部分，而藍光又是R、G、B 三原色中主要的的成分光之一，因而對于電子顯示產品的光生物安全主要指藍光危害，藍光危害主要指可見光中藍光成分對眼視網膜組織的光化學風險（技術上稱為“光斑病變”），這種風險與用裸眼凝視陽光或焊接電弧等明亮光源有關。隨著我們電子產品使用的日益廣泛，消費者普遍擔心顯示屏發出的藍光會對人眼造成危害[8]。

實際上，藍光危害程度取決于人眼在光環境下所累積接收的藍光劑量。對此國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）發布了“藍光危害函數”，規定了波長相關加權函數和指導性曝光極限。在合理可預見的使用狀態下，激光投影畫面是不會超出藍光危害曝光極限的，通常情況下，顯示產品發出的藍光光譜輻射能量是遠低于日常生活中使用的光源以及太陽光的[9]。同時藍光對視網膜危害的測試結果也表明，屏幕產生的藍光危害遠低于標準要求的無危險類的限值要求[無危險類的定義是輻射能量在10 000 s（約2.8 h）內不會造成視網膜藍光危害[10]。除視網膜藍光危害外，激光安全等級、亮度、對比度、亮度均勻性、清晰度、動態清晰度、固有分辨率、色域覆蓋率、運動圖像拖尾、響應時間、色度誤差、色度不均性、殘留影像、像素缺陷、白平衡誤差、通斷比、重顯率、可視角、灰階色度偏差、色彩變化響應度、藍光輻射亮度比、窄帶藍光輻射、色彩光輸出占比、白場輻射、輻射健康防護、散斑對比度等都與視覺健康有關。

2.2 投影顯示性能測試方法

投影顯示性能測試首先要有視頻信號圖形產生器為待測投影機提供測試圖，使用的信號圖形產生器應能提供不同分辨率（如8 K/4 K/2 K/1 080 P 等）和不同刷新率（如60 Hz/50 Hz）的圖像輸出信號。輸出信號端口應至少包括HDMI/DP/VGA 等常用投影機信號輸入接口。投影顯示性能測試圖主要包括：極限八灰度等級信號、全白場信號和全黑場信號、黑白窗口信號、單像素信號、以及全紅場、全綠場、和全藍場信號等[11]。視頻信號圖形產生器宜具備編程功能，以滿足不同分辨率、刷新率和測試圖之間的匹配輸出[12]。

投影圖像的采集工作主要是由色度計和照度計探頭來完成的。本文所采用的是前投式投影機自動測試系統，之所以選擇這款測試系統是因為它具有13 點或29 點色度計和照度計雙探頭集成化面板，如圖1所示。照度最低可以測到0.001 lx。具有60 英寸和100 英寸兩種主流投影畫幅測試尺寸。幅型比4 ∶3、16 ∶9、16 ∶10 自由選擇。

圖1 前投式投影機自動測試系統

圖2 激光投影機視覺健康風險評估流程圖

投影機產品顯示性能的動態范圍很大,所以實際測試時對于投影機狀態的調整非常重要，為更好地約束限定參數測試的準確性，本文規定投影機標準測試狀態如下：

1）輸入與投影機固有分辨力格式一致的測試信號；

2）將投影機進行初始化操作或重置到出廠默認值狀態。如果沒有重置選項，投影機的開機狀態作為默認狀態；

3）激光光源模式、圖像模式、色溫及其他選項的設置，應根據產品規范或說明書進行設置調整，如果沒有設置說明，則按照默認狀態進行調整；

4）輸入極限八灰度等級信號，觀察投影機輸出圖像是否可以重現8 個灰度階梯?？芍噩F8 個灰度階梯，該位置即為測試狀態。如不能重現8 個灰度階梯，應在該狀態的基礎上調節亮度和對比度位置使其8 個灰度階梯極限分辨。如該圖像模式無法調整，或始終調整不到8個灰度階梯可重現的狀態，則調整到默認狀態進行測試，并將投影機標準工作狀態下無法重現極限八灰度等級信號的情況進行記錄；

5）如果有必要可重復3）和4）步驟；

6）在整個測量過程中，若重新調整或更換輸入信號，應使產品至少穩定工作 5 min，然后進行測量；

7）音頻通道不接入音頻信號，如有音頻輸出音量調整，將其置于最小位置[13]；

8）此狀態為標準工作狀態，在整個測量過程中該狀態保持不變，在測試記錄中記錄相關的設置內容和投影機狀態[14]。

3 視覺健康評價方法

3.1 視覺健康風險評估的程序

本文從電子顯示產品護眼技術的需求現狀出發，通過對國外前沿的光生物安全技術相關專利文獻的檢索、篩選和研讀，綜合國內顯示產品標準現狀和顯示行業整體輿情分析，充分利用實驗室長期檢測數據積累研究，提出基于實現護眼功能的激光投影機顯示性能視覺健康評價方法。

3.2 視覺健康風險評估的內容

激光投影機從視覺健康風險角度可以分為：

Ⅰ類：在可預見的使用條件下，該類項目出現不符合技術要求情況時，會對用眼健康產生實質性危害，與視覺健康相關程度極高。

Ⅱ類：在非預期使用情況下，該類項目的某些特定表現，或過度使用該顯示產品時，會對用眼健康產生危害，與視覺健康相關程度較Ⅰ類更低。

Ⅲ類：在合理可預見的使用條件下，不會產生用眼健康危害，但會因使用方式和環境狀況等不同條件，存在對人眼健康的潛在不良影響，與視覺健康存在相關性，相關程度較低[15]。

分類應根據顯示產品性能與視覺安全的相關程度規定分類。Ⅰ類相關程度最高，Ⅱ類相關程度次之，Ⅲ類相關程度最低。

激光投影機對于視覺的危害程度一般可分為四級，即無危險類、低危險類、中度危險類、高危險類，見表2。

危害發生概率代表性典型試驗：

1）以受試設備型號的企業生產總量（或銷售總量，或具體合同采購量）為樣本總量Z[16]；

2）選取樣本總量Z 的10 %取整數臺產品為試驗樣品量S（若Z ＜10，則應對全部Z 臺樣品進行試驗；若Z ＞100，可以采用隨機抽樣法選擇至少3 臺作為試驗樣品）[17]；

3）發生概率η 為出現表1 規定性能不符合技術要求臺數與試驗樣品量S 之商；

表1 激光投影機視覺健康風險評估內容及分類

表2 危害程度分級

4）若采用隨機抽樣法且S ＜4，建議增加基于第三方檢測機構出具的相關檢測報告或者企業自我聲明的產品質量情況證明文件的相關數據統計，必要時進行專家組評判；發生概率分級及特征見表3。

表3 發生概率

3.3 視覺健康等級劃分

激光投影機視覺健康等級的劃分，是根據評估項目內容發生的概率和危害程度來進行的，激光投影機健康等級劃分為5 級，其中1 級視覺健康等級最高，見表4。激光投影機視覺健康等級用VH 代碼以圖3 方式表示，等級數字由表4 視覺健康等級劃分確定。當同一型號激光投影機因安裝方式或使用場景不同等因素而造成具有不同的視覺健康等級時，可標明可預見的對應關系。

表4 視覺健康等級劃分

圖3 視覺健康等級VH 代碼

3.4 視覺健康指數

視覺健康指數是為了使顯示產品使用者的用眼狀態保持相對恒定或眼睛保持舒適狀態所需的條件，是根據顯示產品視覺健康等級、觀看角度、觀看距離、觀看時長、環境光照度等條件進行研究分析總結出的視覺健康指導數據，可以用來提醒使用者合理安排顯示產品使用情況，減少視覺健康風險的發生。視覺健康指數分為4 級，指數越小，使用者的限制條件越寬松，見表5。

表5 視覺健康指數

在正確的視覺健康指數條件下使用顯示產品時，不應產生由使用產品引發的眼睛疲勞、眼睛干澀、眼睛疼痛、眼睛緊繃感、眼睛撕裂感、眼睛刺激感、眼睛灼熱感、視野模糊、視物有重影等癥狀。

4 結語

眼健康是國民健康的重要組成部分，涉及全年齡段人群的全生命期，是涉及民生的重大公共衛生問題和社會問題。隨著高清產業和5G 技術的迅猛發展，電子顯示類產品已經成為遠程醫療、在線學習、協同辦公、休閑娛樂等國民生活必不可少的交互設備，電子顯示對于眼部健康的影響是不容小覷的。由于視覺健康評價方法的缺失導致顯示類產品在研發過程中忽視了用戶的視覺健康體驗，在視覺健康類指標上存在同質化嚴重、適配性差、質量良莠不齊等問題，長期使用此類產品極大增加了視力下降、視網膜病變、視神經性疾病等眼部疾病的概率[18]。本文提出的激光投影機視覺健康測試評價方法，不僅填補了該領域的空白，也為顯示設備生產企業提供更加清晰明確的視覺健康指導，從某種意義上講，更是提倡一種眼部保健的新觀念，一種科學預防、主動健康的新觀念。