基于光谱分析的AMOLED蓝光危害与节律效应随年龄变化研究

杨超普,方文卿,吴庆丰,李 春,李晓龙

1. 商洛学院化学工程与现代材料学院,陕西 商洛 726000 2. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123 3. 南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心,江西 南昌 330047

引 言

Newzoo权威数据显示,2020年全球智能手机用户数已超过35亿。 中国人均每天面对各种屏幕合计时间高达8.9 h,其中手机占比超过30%。 中国18—34岁青年人占智能手机用户的75.6%。 近年来,特别是在青少年中出现了大量“手机控”、 “低头族”。 屏幕显示中的蓝光对使用者健康的潜在风险受到当前的广泛关注。 有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)显示面板具有自发光、 轻薄、 低功耗等优势已成为显示行业新宠[1-2]。 从21世纪开始,OLED面板年均出货量增速近200%,根据Displaybank预测,OLED在未来20年将逐步成为显示市场主流。 根据驱动方式的不同,OLED技术分为自动矩阵有机发光二极管板面(AMOLED)和被动矩阵有机发光二极管板面(PMOLED),当前OLED智能手机几乎均为AMOLED[3]。 2018年全球AMOLED出货量为4.5亿片,其中约4亿片用于智能手机。 综上分析,有必要深入研究智能手机AMOLED中蓝光对青少年的光生物安全。

智能手机AMOLED的光健康主要包括蓝光危害与节律效应。 蓝光危害是指可见光中的蓝光波段照射人眼,在光化学作用下对人眼视网膜的损伤; 节律效应是指蓝光通过影响褪黑色素、 皮质醇等的分泌,进而改变人体生理节律,调节警觉度和生物钟[4-6],节律效应也称为非视觉生物效应。 Noell等1966年首次报道了蓝光能够引起视网膜杆细胞损伤[7]。 Dawson等2001年对印度恒河猴进行蓝光危害试验,证实了LED蓝光能够造成灵长动物视网膜损害[8]。 2011年,Youssef等给出了蓝光危害机制[9]。 2002年,Berson等发现视网膜上的特化感光神经节细胞(ipRGC)[10]。 ipRGC与视网膜下丘脑束、 视交叉上核、 脊髓的中间外侧核、 上颈椎中的神经节细胞、 松果体连接,通过控制褪黑素的分泌,调节人体多种生物节律。 2001年Brainard等最先测定出非视觉生物光谱响应曲线,即节律函数,用以表征不同波长光照对人体节律影响的强弱。 当前人造光源的蓝光危害和节律效应已引起国际权威机构的广泛关注,例如: CIE S 009/E: 200,IDT和IEC/TR 62778均给出了蓝光危害的量化分析方法(CIE: 国际照明委员会、 IEC: 国际电工技术委员会)。 ISO/TC274 N 201、 CIE TN 003: 2015等均呼吁警惕照明与显示的节律效应(ISO/TC274: 国际标准化组织/光与照明技术委员会); 三位科学家杰费里·霍尔(Jeffrey C Hall)、 迈克尔·罗斯巴希(Michael Rosbash)和迈克尔·杨(Michael W Young)因发现控制昼夜节律的分子机理荣获2017年诺贝尔生理学或医学奖。 已有相关研究多关注于人工照明,因此,画面快速变化,光谱高频闪烁的显示设备蓝光危害与节律效应是当前的研究热点与难点。

多种传统显示技术的蓝光危害与节律效应已有相关研究报道[11-12],但暂时未见具有前瞻性的AMOLED智能手机的光生物健康研究。 考虑到智能手机使用者年龄分布的特殊性,我们结合CIE 2012年给出的人眼透射率随年龄变化的权威数据,全面研究了AMOLED色温在2 300～6 500 K范围内,蓝光危害与节律效应随使用者年龄(1—100岁)的变化规律。 该研究可为AMOLED的个性化设计及使用,从蓝光危害和节律效应角度提供一定的理论参考。

1 实验部分

1.1 原理

CIE/IEC 62471: 2006给出了380～780 nm波段的蓝光危害加权因子。 Al Enezi和Baczynska对节律函数进行了修正。 CIE在1924年给出了明视觉函数。 蓝光危害加权因子、 节律函数、 明视觉函数三个人眼响应函数分别用字母B(λ)、C(λ)、V(λ)表示,三个函数见图1所示。 由图1知蓝光危害峰值波长为437 nm,半峰宽67 nm(左右波长分别为: 411、 478 nm),恰好与视黄酮A2E的吸收峰重合,A2E在光化学作用下可引起视网膜色素上皮萎缩、 感光细胞死亡。 节律函数C(λ)峰值波长为464 nm,半峰宽94 nm(左右波长分别为: 414、 508 nm),该波段蓝光对松果体分泌褪黑色素的调节效果显著。 明视觉函数V(λ)由视网膜上能够分辨颜色的锥状细胞决定,对应于1 cd·m-2以上亮度,峰值波长为555 nm,半峰宽100 nm(左右波长分别为: 505、 605 nm)。 IEC/TR 62778—2012提出的蓝光危害进行量化方法,蓝光危害因子KB计算公式见式(1)。 已有报道给出的节律因子KC计算公式见式(2)[13-15]。

图1 人眼的三个光谱响应函数Fig.1 Three spectral response functions of human eyes

(1)

(2)

CIE 203—2012A给出了人眼透射率随年龄变化的计算公式,根据公式分别计算380～780 nm可见光波段,年龄1—100岁的人眼透射率τ(λ),结果见图2所示。

图2 不同年龄人眼透射率Fig.2 The spectral transmittances of human eyes of different ages

由图2可见,人眼透射率在整个可见光波段均随年龄的增大而降低。 人眼透射率在400～500 nm蓝光波段,均随年龄增大而降低的幅度较大。 分别以蓝光危害加权因子函数及节律函数的峰值波长437和464 nm为例进行比较分析。 1岁幼儿眼睛对于波长437与464 nm蓝光的透射率分别为57.915%、 70.628%。 但对于100岁老人两个波长的透射率分别为4.195%、 13.368%; 计算可得年龄由1岁增长至100岁时,两个波长的透射率分别下降至原来的7.243%、 18.927%。 1岁与100岁人眼透射率差值的最大值为58.79%,对应波长为452 nm,恰好约为两函数峰值的中点。 由分析知,年龄对人眼蓝光透射率影响较大。

蓝光危害与节律效应均是可见光中的蓝光波段作用于人眼视网膜。 忽略人眼瞳孔大小的变化、 散射等对光谱分布的影响,光谱仪测量的光源光谱分布P(λ)乘以人眼透射率τ(λ),即可得到照射至视网膜上的有效光谱分布P′(λ)。 根据AMOLED智能手机屏在不同色温下,照射至不同年龄人眼视网膜上的有效光谱分布P′(λ),由式(1)和式(2)分别计算蓝光危害因子KB、 节律因子KC,尝试定量研究AMOLED的蓝光危害与节律效应随年龄的变化。

1.2 光谱采集

在某全球最大购物网站上,选择销量最高的某款世界知名企业生产的AMOLED智能手机为研究对象。 所选AMOLED智能手机的主要参数见表1。 利用本课题组前期探究的智能手机色温精确调节方法,将AMOLED智能手机屏幕色温分别调节为2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K。 色温调节方法的详细说明见我们已发表的文章。 不同色温AMOLED手机屏幕色块见图3所示。 由图3可直观感受不同色温的视觉变化,随着色温的下降,三基色RGB中红光占比急剧增加。 当色温降低至2 300 K时,显示效果已明显不太适合日常使用。 ISO3664: 2000定义的标准光源为D50,色温为5 000 K。 结合常见显示器色温调节范围,f.lux软件及对应官网数据,将AMOLED智能手机屏幕的色温的研究范围定为2 300～6 500 K之间。

表1 被测AMOLED的主要参数Table 1 The main parameters of AMOLED

图3 AMOLED屏幕在不同色温下对应的显示色块Fig.3 Color blocks corresponding to AMOLED screens at different color temperatures

利用美国海洋光学公司的Ocean Optics UBS2000+型光谱仪分别测量不同色温下AMOLED在380～780 nm范围内的光谱分布P(λ),采用积分球及光纤将光信号导入光谱仪,积分球入光口位于AMOLED中心正上方23 cm处,光谱扫描步长为0.37 nm。 图4为不同色温下AMOLED的光谱分布。

图4 不同色温下AMOLED的归一化光谱分布Fig.4 Normalized spectra of AMOLED at different color temperatures

由图4可见,不同色温下AMOLED的光谱分布P(λ)主要由625、 525和460 nm的RGB三基色组成。 在2 300～6 500 K色温范围内,随着色温的下降,460 nm蓝光峰与525 nm绿光峰依次降低,625 nm红光峰依次增大。 AMOLED光谱分布在400～500 nm波段的蓝光占比随色温的变化而明显变化,因此,蓝光危害与节律效应随着色温的不同必然不同。

表2给出了不同色温下AMOLED主要光学参数。 由表2可见,照度与亮度均随色温的降低而下降。 由主波长可以量化分析随着色温降低屏幕主观感受的红移情况。 AMOLED饱和度随色温变化较为复杂,暗明比S/P随色温的降低而减小。 将表2中不同色温AMOLED对应1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标X、Y标注到色度图上,可见6个色坐标均能落在黑体辐射轨迹上,即6个色温下的AMOLED均调节至白平衡。

2 结果与讨论

2.1 视网膜有效光谱分布计算

由图4不同色温AMOLED光谱分布P(λ)和图2不同年龄人眼透射率τ(λ),根据P(λ)×τ(λ),计算不同色温下AMOLED在不同年龄人眼视网膜上的有效光谱分布P′(λ)。 图5分别给出了色温为2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K的AMOLED在1—100岁间不同年龄使用者人眼视网膜上的有效光谱分布P′(λ)。 由图5可见,对于同一色温,由于人眼透射率τ(λ)随着年龄的增大而降低,故视网膜上的有效光谱强度依次降低。 特别在高色温下,400～500 nm的蓝光波段强度随年龄下降明显。 对于不同色温,因AMOLED光谱分布的不同,视网膜上的有效光谱分布也存在较大差异。 有必要进一步细致研究AMOLED蓝光危害与节律效应随年龄的变化。

图5 不同色温下AMOLED在不同年龄使用者视网膜上的有效光谱分布Fig.5 Effective spectral distribution of AMOLED at different color temperatures on retina of users of different ages

2.2 蓝光危害随年龄的变化

根据式(1),结合图5所示不同年龄下AMOLED视网膜有效光谱分布P′(λ),计算不同年龄不同色温AMOLED视网膜有效光谱的蓝光危害因子KB,绘制2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色温下AMOLED视网膜有效光谱的蓝光危害因子KB随年龄变化,见图6所示。 由图6可见,不同色温下AMOLED视网膜有效光谱的蓝光危害因子KB均随年龄的增大而降低。 且随着色温的升高,降低的速度增快。 40岁是一个分界点,当年龄大于40岁时,各色温的蓝光危害因子随年龄的降低速度明显加快。 以6 500 K为例,年龄由1岁增加至100岁: 蓝光危害因子由8.380×10-4W·lm-1降低至2.436×10-4W·lm-1,降低为原来的0.290 7倍。 由以上分析知: AMOLED对年轻人蓝光危害较大,特别是年龄小于40岁的年轻使用者,应减少使用时间,注意蓝光危害。

图6 不同色温AMOLED的蓝光危害因子随年龄变化及其拟合Fig.6 Changes and fittings of blue light hazard factors with age in AMOLED with different color temperatures

为了进一步细致深入分析2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色温下AMOLED蓝光危害因子随年龄变化,以40岁为分界对年龄进行分段分析。 利用OriginPro软件的Fit linear功能,采用最小二乘法,用表达式KB=a+bx(式中a、b、x分别代表截距、 斜率、 年龄),分别线性拟合不同色温下1—40岁、 40—100岁蓝光危害因子随年龄变化的函数表达式,见图6所示。 各拟合参数结果见表3所示。 由表3可见,12个拟合结果的相关系数平方R2最小值都高达0.946 52,说明不同色温下AMOLED蓝光危害因子随年龄的变化,以40岁分段,呈现较强的线性关系,拟合质量较高。 进一步分析可见,40—100岁的线性程度高于1—40岁,前者相关系数平方R2均高于0.985,而后者均约为0.947。

表3 不同色温AMOLED的蓝光危害因子随年龄变化拟合结果Table 3 Fitting result of blue light hazard factors with age in AMOLED with different color temperatures

表3中的Slope (b)的物理意义为AMOLED蓝光危害因子随年龄的增大而减小的速度。 为了直观研究该减小速度,对表3中不同色温,两个年龄段对应斜率取绝对值。 分别绘制1—40岁、 40—100岁斜率绝对值随色温的变化,见图7所示。 由图7可明显看出同一色温下40—100岁斜率绝对值(图中红线)大于1—40岁斜率绝对值(图中黑线),前者平均值为3.82×10-6,后者平均值为1.39×10-6,且两个年龄段斜率绝对值均随色温的增加而增大。 即40—100岁AMOLED蓝光危害因子随年龄的增大而减小的速度大于1—40岁,且随着色温的增加,蓝光危害因子随年龄的增大而减小的速度加快,色温5 000 K时出现折点。 表明蓝光危害因子随着AMOLED色温的增加,受年龄影响程度变大。 以40—100岁为例,色温由2 300 K增加至6 500 K,斜率绝对值由4.633 4×10-7增加至8.003 9×10-6,增加为原来的17.274倍。

图7 AMOLED蓝光危害因子斜率绝对值随色温的变化Fig.7 The slope ablsolute value of AMOLED blue light hazard factor varies with color temperature

2.3 节律效应随年龄的变化

根据式(2),结合图5所示不同年龄下AMOLED视网膜有效光谱分布P′(λ),计算不同年龄不同色温AMOLED视网膜有效光谱的节律因子KC,绘制2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K色温下AMOLED视网膜有效光谱的节律因子KC随年龄变化,见图8所示。 由图8可见,不同色温下AMOLED视网膜有效光谱的节律因子KC均随年龄的增大而降低。 且随着色温的升高,降低的速度增快。 40岁是一个分界点,当年龄大于40岁时,各色温的节律因子随年龄的降低速度明显加快。 以6 500 K为例,年龄由1岁增加至100岁: 节律因子由4.847 6降低至1.957 5,降低为原来的0.403 8倍。 与上文蓝光危害因子分析结果(降低为原来的0.290 7倍)相比,蓝光危害因子随年龄的增加而降低的幅度比节律因子大,即: AMOLED蓝光危害受年龄影响程度更大。 AMOLED对年轻人节律效应同样较大,特别是年龄小于40岁的年轻使用者,应减少使用时间,在注意蓝光危害的同时,也要注意节律效应。

图8 不同色温AMOLED的节律因子随年龄变化及其拟合Fig.8 Changes and fittings of circadian factors with age in AMOLED at different color temperatures

采用与上述AMOLED蓝光危害因子随年龄变化的相同拟合方法,分别线性拟合不同色温下1—40岁、 40—100岁节律因子随年龄变化函数表达式,各拟合参数结果见表4所示。 由表4可见,12个拟合结果的相关系数平方R2几乎均高于0.9,说明不同色温下AMOLED节律因子随年龄变化,以年龄40岁分段,也呈现较强的线性关系,拟合质量较高。 进一步分析可见,40—100岁的线性程度高于1—40岁,前者相关系数平方R2均高于0.99,而后者均约为0.94。

表4 不同色温AMOLED的蓝光危害因子随年龄变化拟合结果Table 4 Fitting result of circadian factors with age in AMOLED at different color temperatures

同样对表4中不同色温,两个年龄段对应斜率取绝对值。 由表4计算得6个不同色温下,1—40岁斜率绝对值的平均值为0.006 76,40—100岁的平均值为0.020 235,后者为前者的2.993 3倍。 即: 40—100岁AMOLED使用者节律效应受年龄的影响程度更大,约为1—40岁的三倍。 两个年龄段的斜率绝对值均随色温的增加而快速增大,色温由2 300 K增加至6 500 K,1—40岁、 40—100岁对应斜率绝对值分别增加为原来的9.618 7倍与8.394 5倍,说明随着AMOLED色温的增加,节律效应受年龄的影响程度增大。

3 结 论

由不同色温(2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K)AMOLED智能手机屏幕光谱分布,结合CIE 203—2012A给出的1—100岁人眼透射率公式,分别计算6个不同色温AMOLED在不同年龄人眼视网膜上有效光谱分布的蓝光危害因子KB、 节律因子KC,研究AMOLED的蓝光危害与节律效应随年龄的变化,得到以下结论:

(1)色温在2 300～6 500 K范围内的AMOLED,蓝光危害与节律效应对1—100岁使用者均随年龄的增大而降低,且随着色温的升高,降低的速度增快。 以6 500 K为例,年龄由1岁增加至100岁,视网膜有效光谱的蓝光危害因子与节律因子分别降低为原来的0.290 7和0.403 8倍。

(2)对1—100岁AMOLED使用者,40岁是一个分界点,当年龄大于40岁时,各色温的蓝光危害因子与节律因子均随年龄增加而降低的速度明显加快。 6个不同色温下,40—100岁的蓝光危害因子与节律因子随年龄增加而降低的平均速度,分别是1—40岁的2.748 2和2.993 3倍。

(3)AMOLED对年轻人蓝光危害和节律效应较大,特别是年龄小于40岁的年轻使用者,应减少使用时间。

以上结论可为AMOLED的个性化设计及使用,从蓝光危害和节律效应角度提供一定的理论参考。