不同手机屏幕对青少年生理节律和蓝光危害的影响

周 犇， 周晓明

(华南理工大学物理与光电学院 亚热带建筑国家重点实验室， 广东 广州 510641)

1 引 言

随着照明技术的发展，LED照明产品凭借其功耗低、寿命长、价格低等优势已经取代了传统光源。人眼在波段400～500 nm辐射下会因光化学作用出现视网膜损伤的潜在危险，称之为蓝光危害[1]。当下智能手机中采用的LED背光LCD、AMOLED等屏幕同样会产生蓝光从而对人产生影响。尽管有一些论文已经研究电视和显示器蓝光的风险[2-3]，但是针对手机屏幕的研究尚少。2002年以来，Berson等[4]发现了第三类感光细胞——本征感光视网膜神经节细胞(ipRGC)。与锥细胞和杆细胞不同的是该细胞会产生非视觉效应，影响人体激素的分泌、生理节律等。所以，对于不同的光源我们既要分析其视觉影响也要分析非视觉影响，然而在使用光源时，我们常常忽视了光源对我们人体的非视觉影响，最后导致不健康的生活习惯。不少研究人员也注意到这个问题，宋丽妍等[5]研究以发光二极管为背光源的平板显示器对人的非视觉影响，结果发现该平板显示器的非视觉效应比普通照明强得多，该平板显示器的光学辐射对人体生理节律等非视觉具有不可忽视的影响。饶丰等[6]针对四款LED背光显示器研究其节律效应和蓝光危害。杨超普等[7]对不同色温下的四种材质显示器蓝光危害和节律效应进行研究，研究表明在一定色温范围内，OLED的蓝光危害因子最小并且蓝光因子和节律因子均随色温升高而增大。同期杨超普等[8]对LED背光LCD手机屏对不同年龄群体蓝光危害因子和节律因子进行了研究，其他一些材质的手机屏幕并未考虑。但是，或多或少的忽视了个体年龄或者人眼接收光谱的差异。加之很多年轻人都有一种离不开手机的习惯，睡觉之前也会使用一段时间的手机，这些习惯都会影响非视觉生物效应。

本文选用华为荣耀畅玩4XLED背光LCD屏手机、小米NOTE2OLED屏手机和魅族PRO 6SSUPER AMOLED屏手机作为研究对象，结合人眼透射率、光照到人眼处的光源能量分布和相关人眼参数研究蓝光危害因子和节律因子随手机屏幕色温的变化。

2 原 理

2.1 光谱响应曲线

本文中，明视觉光谱响应曲线V(λ)采用1924年CIE给出的数据，其峰值波长在555 nm处。蓝光危害加权曲线B(λ)采用GB/T 20145-2006给出的数据[9]，其峰值波长在437 nm处。生理节律响应函数C(λ)采用德国Gall等给出的数据，该曲线被德国标准DIN V031-100：2009[10]所采用，其峰值波长在450 nm附近。3条曲线如图1所示。

图1 明视觉光谱响应曲线V(λ)、非视觉光谱响应曲线C(λ)、蓝光危害加权曲线B(λ)。Fig.1 Spectral sensitivity curves of the photopic V(λ) and circadian C(λ)， blue light hazard B(λ).

2.2 光生物节律因子

Gall等[11]提出光生物节律因子的概念，来量化评估光照对人体产生的非视觉生物效应，表达式为

(1)

其中P(λ)是照射进人眼的光谱功率分布，C(λ)是非视觉的光谱响应曲线，V(λ)是明视觉的光谱响应曲线。由式(1)可以看出，当光源一定时，光源的生物节律因子是一个定值。但是很显然，非视觉生物效应会受到年龄、人眼接收光源的面积的影响。因此将式(1)acv中的光谱功率分布P(λ)转化成视网膜上的光谱功率分布Sret(λ)，表达式为

(2)

其中Scor(λ)为照射到人眼角膜的光谱分布，Sret(λ)为转换到视网膜的光谱分布，Aret为视网膜上的照射面积，大约是直径为1.5 mm[12]的圆形区域，D为瞳孔直径，人眼瞳孔直径一般在2～8 mm之间，此处瞳孔直径取3 mm(面积为7 mm2)[9]，τ为人眼晶状体透射率，随着年龄的增长人眼透射率不断下降，CIE203-2012[13]提供的人眼透射率τ随年龄变化的计算公式为

τ(λ,A)=10-Dτ(λ,A)，

(3)

Dτ(λ,A)=(0.15+0.000031A2)(400/λ)4+

14.19×10.68exp(-{[0.057(λ-273)]2})+

(1.05-0.000063A2)×2.13exp(-{[0.029(λ-370)]2})+

(0.059+0.000186A2)×11.95exp(-{[0.021(λ-325)]2})+

(0.016+0.000132A2)×1.43exp(-{[0.008(λ-325)]2})+0.06,

(4)

式中A为年龄，λ为波长，着重分析14岁青少年人眼透射率,如图2所示。既考虑到年龄也考虑到人眼结构的节律因子M有以下表达式[14]

(5)

图2 14岁人眼透射率Fig.2 Transmittance curve of the human eye for 14 years old

2.3 蓝光危害因子

蓝光危害因子是用来量化评估蓝光危害程度的，采用2014年CIE技术报告[15]提出的计算公式为:

(6)

其中P(λ)为光谱能量分布，B(λ)为蓝光危害函数，V(λ)为明视觉光谱响应函数。式(6)中aB,v并未涉及年龄和人眼结构等因素，因此将式(6)中P(λ)用式(2)中的P(λ)替换，得到改进的蓝光危害因子公式：

(7)

2.4 光谱测量

针对市场上主流的手机显示屏，选取华为荣耀畅玩4X LED背光LCD屏手机、小米NOTE2 OLED屏手机和魅族PRO6S SUPER AMOLED屏手机屏幕为研究对象，具体参数如表1。采用杭州远方公司生产的SPIC-200B型光谱彩色照度计测量手机屏幕的光谱分布，测量时手机屏幕跟光谱仪探头保持平行并将探头放于屏幕中央距离屏幕15 cm处，屏幕调节最大亮度，并在黑暗的条件下测量，模拟评估夜间使用手机对人的非视觉影响。测试前测量大量的手机光谱分布，发现国内绝大多数手机的光谱范围在7 000 K以上，由于OLED屏手机种类较少且不能通过手机设置进行无极调色温，只能使用4种不同色温，因此其他3种手机选取以7 425,8 091,8 309,9 201 K为参考色温进行测量。在测量过程中，为了保证所测色温与之匹配，固定光谱仪探头与手机的位置，多次滑动LED背光LCD和SUPER AMOLED手机无极调节色温，测量的光谱分布如图3、4、5、6所示。

表1 不同手机屏幕的主要参数Tab.1 Main parameters of different cellphone screen

图3 3种不同手机屏幕在7 425 K色温下的相对光谱分布
Fig.3 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 7 425 K color temperature

图4 3种不同手机屏幕在8 091 K色温下的相对光谱分布Fig.4 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 8 091 K color temperature

图5 3种不同手机屏幕在8 309 K色温下的相对光谱分布Fig.5 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 8 309 K color temperature

图6 3种不同手机屏幕在9 201 K色温下的相对光谱分布Fig.6 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 9 201 K color temperature

3 计算结果与讨论

分别利用公式(5)、公式(7)计算3种手机屏幕的光生物节律因子M和改进后的蓝光危害因子B，从表2、表3、表4中可以看出无论何种手机显示屏，随着色温的升高光生物节律因子M和改进后的蓝光危害因子B都随之升高，可以验证考虑到人眼参数的B因子同样能够反映出aB,v随色温升高而升高的趋势，能更详细地评价蓝光危害的影响。由此可见，为了同时降低手机对生理节律和蓝光危害的影响，应该尽可能降低手机色温。对M值、B值分别与色温进行线性拟合，图7、8、9为拟合结果，从中可以看出，对于3种手机，M、B值线性相关度均高于0.96，M、B值与色温高度相关。

表2 LED背光LCD屏4种色温下节律因子M和蓝光危害因子BTab.2 Circadian factor M and blue light hazard factor B for LED backlight LCD screen with four kinds of different color temperatures

表3 OLED屏4种色温下节律因子M和蓝光危害因子BTab.3 Circadian factor M and blue light hazard factor B for OLED screen with four kinds of different color temperatures

表4 SUPER AMOLED屏4种色温下节律因子M和蓝光危害因子BTab.4 Circadian factor M and blue light hazard factor B for SUPER AMOLED screen with four kinds of different color temperatures

图7 LED背光LCD节律因子和蓝光危害因子与色温的直线拟合Fig.7 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for LED backlight LCD

图8 OLED节律因子和蓝光危害因子与色温的直线拟合Fig.8 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for OLED

图9 SUPER AMOLED节律因子和蓝光危害因子与色温的直线拟合Fig.9 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for SUPER AMOLED

图10、11为比较不同材质屏幕的节律因子M、蓝光危害因子B值大小的具体结果。从图中可以清楚地看到，对于任意4种色温，节律因子M由大到小依次为：OLED>SUPER AMOLED>LED背光LCD；而蓝光危害因子B由大到小依次为：LED背光LCD>SUPER AMOLED>OLED。在同时考虑节律因子M和蓝光危害因子B最小化时，不可避免地将出现矛盾。当选择使用OLED屏以获得最小蓝光危害时，节律因子却高于另外两种屏幕；当选择使用LED背光LCD屏以获得最小生理节律影响时，蓝光危害因子却高于另外两种手机屏幕。

图10 不同手机屏幕分别在不同色温下的节律因子值FFig.10 Circadian factor value of different cellphone screens under different color temperature

图11 不同手机屏幕分别在不同色温下的蓝光危害因子值Fig.11 Blue light hazard factor value of different cellphone screens under different color temperature

4 结 论

随着手机普及度越来越高，现在不少中小学生都存在使用手机的情况。由公式(4)可知人眼透射率随年龄的增大而降低，因此青少年受到手机光辐射所引起的生理节律和蓝光危害的问题不可小觑。本文在传统蓝光因子的基础上，结合人眼受光面积和透光率等因素，提出蓝光危害因子B。并对3种手机屏幕光谱进行M、B值计算，得到较高的线性拟合相关度，能很好地评价手机光照产生的非视觉效应和蓝光危害。随着色温升高，节律因子M和蓝光危害因子B值随之升高，由此可见在青少年使用手机时，应该尽量调低色温，减少手机对自身的影响。对于LED背光LCD、OLED和SUPER AMOLED手机屏幕的选取，不能仅仅考虑生理节律和蓝光危害中的某一个参数，应该结合两者做出综合的考虑。本研究能够为青少年选择合适的手机提供一定的参考依据，并且能够在一定程度上引起手机屏幕制造商对人的非视觉效应的注意。