显示设备防蓝光模式和色域的关系

邓湘楠

摘  要：随着消费电子产品种类和功能的逐渐增多，用户体验变得更加重要。特别是在显示类产品中，用户观看的舒适感显示设备质量的重要组成部分。GB/T30117.2和IEC62471等行业标准均指出，以蓝光为代表的，过强的光辐射会对身体产生危害。两种标准均对照明系统的辐照度提出了限制。CIE于2000年发布的《CIE蓝光光化学和光生物学危害汇编》中将蓝光危害分为两种：视觉危害和非视觉危害。视觉危害指蓝光照射视网膜对视网膜视锥细胞和视杆细胞的损伤。它由1966年Noell针对小鼠视网膜的研究和1978年Ham针对恒河猴视网膜的研究所发现，这种损伤主要由400-500nm的光产生进一步详细研究了蓝光对视网膜的损害机理。这一损害在波长为435nm-440nm达到极大值。

关键词：显示;立体色域;蓝光危害

引言

随着超高清显示、广色域（WideColorGamut，WCG）显示和宽动态范围（HighDynamicRange，HDR）显示技术的发展，超高清显示系统进入10bit、12bit时代。大尺寸、超高清晰度、广色域（WCG）和宽动态范围（HDR）是超高清显示的优势，可以给消费者带来更细腻、逼真的图像，更强临场感的画面。因此应该采用全面考量显示设备的色度体积这一指标诠释超高清显示设备的色彩能力。本文重点介绍超高清显示设备色度体积的测量方法，体现色度体积的重要性。

I色域

即色彩空间，为所有可见光的总和。在二维空间中有两种表示方法：1）用x，y坐标系（CIE1931非均匀色度空间）;2）用u’，v’坐标系（CIE1976均匀色度空间）。在色度空间图上用颜色标出的位置是可见光颜色区域，为马蹄形状。1）色域是LCD液晶显示设备的一个重要指标，是单台设备能够产生的颜色总和，它代表的是显示设备能显示色彩的能力。影响色域大小的是RGB三基色色度点，如果能显示出更红、更蓝、更绿的三基色，色域就越高。以RGB色度点在色度空间中形成的三角形区域大小来量化，三角形区域面积越大，色彩表现能力越强，显示的色彩就越艳丽。当选取RGB光谱色时，马蹄形决定了光谱色形成的三角形无法涵盖整个区域，即：三基色并不能混合出所有可见光，所以RGB色度点组成的三角形覆盖标准区域的比例，称之为色域覆盖率。2）行业内常用的的色域标准有：NTSC标准、DCI-P3标准、sRGB标准、AdobeRGB标准、BT.2020标准等。3）影响色域大小的两个直接因素：LCD液晶玻璃上使用的彩色滤光片（ColorFilter，简称CF）;背光源设计。

2CIELab均匀色空间下的色度体积

CIELab色彩空间是均匀的色彩空间，所谓均匀是指当数值均匀变化时，人的感官也是均匀变化。CIELab色空间是将XYZ坐标变换成坐标L*，a*，b*的非线性变换。CIELab色彩空间是颜色-对立空间，带有维度L表示亮度，a和b表示颜色的维度。CIELab色彩空间具有以下特性：（1）CIELab色彩空间中亮度和色度是分开的;（2）在CIELab中进行调节简单，速度快;（3）色域覆盖率宽，人的肉眼能感知的色彩，都能通过CIELab模型还原重现出来;（4）在CIEL*a*b*模型中均匀改变对应于在感知颜色中的均匀改变。在CIELab色空间中表征色度体积有两点好处。

3提升色域的常用方法

3.1使用量子点提升色域

量子点为半导体纳米晶体，其组成成分主要有：锌、镉、硒和硫原子。量子限制了电子和空穴的区域，让量子点具有了分立的能级结构，量子点受到光或者电的刺激会发出有色光。量子点组成成分不同、尺寸不同，都会使量子点被激发的光谱处于不同的波段区域。可以根据需求，调整量子点的尺寸或者不同组成成分，使量子点发出单一性好且对称的光谱。量子点主要特性如下：粒径在1～10nm的纳米晶体;与水氧接触产生化学反应会导致失效;电或光作用下能发出特定频率的光且无机发光材料比有机发光材料更稳定，发光效更高;发光颜色单一纯净，且半波宽超窄（≤35nm）;实际应用可操作性强，只需变化量子点尺寸大小，即可发出不同颜色的光。

3.2应用三基色激光显示的防蓝光模式

三色激光激光显示技术目前被认为是新一代的新型显示技术，由于激光光源本身光谱宽度窄且亮度高，具有大色域，高亮度，高独立性等优点。2018年9月，中国电子技术标准化研究院赛西实验室联合北京协和医院眼科专家以80寸4K激光电视和80寸4K液晶电视为样本的人眼观看舒适度对比测试显示方面做了一定的探索，他们认为，同等条件下，激光电视对人体的蓝光危害小于液晶电视这种测试基于主观的人眼测试，具体的量化指标还有待进一步的研究。我们在这里以自制的三基色激光显示系统为测试对象，在两种光源的蓝光危害一致的假设前提下，利用前面的方法获得其光谱分布、立体色域、视觉和非视觉蓝光危害。此外，绿光由于其窄譜特性，它的波长远离蓝光危害区域的峰值，其强度不需要随着蓝光的减少而减少，这使得激光显示设备的防蓝光方式对色域的影响降低。

3.3量子点扩散板实现原理

扩散板使用在直下式机型中，通过透射、折射、反射、散射等光学作用，使LED点光源转变为均匀面光源的照射效果。目前常用的扩散板都是将PS/PP和光扩散粒子熔解搅拌均匀后通过设备挤出形成。通过调整原料配比挤出不同雾度和不同透过率的扩散板，厚度可以通过挤出设备控制。光扩散粒子由基体树脂和扩散剂组成。基体树脂主要选择的是PMMA、PS、PC等透光率高、机械性能良好的工程塑料;光扩散剂主要包括有机光扩散剂和硫酸钡、二氧化硅等无机光扩散剂，以微球形团聚形式存在。扩散剂会吸收入射光，导致入射光在通过扩散板后损失亮度，所以扩散板在实际应用中，雾度提升，扩散效果越好，亮度就会越低。

3.4 SMCT在基于Unity3D的三维模拟训练系统中的应用

Unity3D是丹麦UnityTechnology公司开发的跨平台综合型游戏开发引擎，它以优质的3D渲染效果和支持跨平台的特点在虚拟仿真领域得到广泛应用。目前，该引擎已经是虚拟仿真领域中三维模拟训练系统的主要开发引擎之一。SMCT在基于Unity3D引擎的三维模拟训练系统中将操作系统外接输入设备的信号转换为Unity3D引擎中的操作事件，驱动场景中对应的虚拟输入设备产生动作。Unity3D引擎在其场景中虚拟设备所处的当前位置发射一条射线，该射线在场景中进行碰撞检测，第一次碰撞检测到的模型为该虚拟设备拾取的对象模型。当多个用户进行协同训练时，每个用户所对应的虚拟输入设备所产生的不同动作会映射到该虚拟设备所拾取到的不同的对象模型上，使场景中的多个模型同时产生相应的操作，达到多用户协同训练的目的。目前该技术已成功应用于多套三维模拟训练系统中，达到了很好的效果。在某装备模拟训练系统中基于SMCT实现了对装备的多人协同操作训练，该系统运行于一台计算机中，采用三个显示器以扩展模式进行连接，在计算机中接入三套鼠标设备，通过标定过程分别为每个用户绑定一个显示器区域和一个虚拟鼠标指针。该系统中三位用户分别使用绿色、黄色和红色的虚拟鼠标通过点击、拖动等动作同时对同一辆装备进行训练操作，协同完成装备模拟训练的过程。

结束语

通过上述剖析、实测及实验结果分析，色度体积为超高清显示设备提供了一种新型的色彩评价方式，综合考量显示设备的色彩饱和度。色彩饱和度受亮度和色度影响，仅以二维的色度测量表征显示设备色彩还原能力具有很大的局限性，使用三维空间评价色彩还原能力可以直观、全面地评定显示设备的能力。

参考文献

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