激光投影机视觉健康测试评价方法研究

于西龙

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

引言

随着超高清显示、高功率激光投影、激光全息投影等新型显示技术的发展应用，我国电子显示产品标准体系建设也在快速推进，而国内关于激光投影视觉健康的测试评价方法仍处于空白。本文依托于多年在显示产品领域检测技术和产品标准的研究，通过分析激光投影机产品的光学成像性能，综合视网膜蓝光危害、激光安全等级、蓝光光谱特性、清晰度、固有分辨率、色域覆盖率、运动图像拖尾、响应时间、色度误差、色度不均性、残留影像、像素缺陷、白平衡误差、画面质量视觉评价等对眼睛有直接影响的关键参数，从视觉健康角度对各参数检测技术进行研究，形成激光投影机视觉健康评价方法，并提出视觉健康指数与视觉健康等级的概念。本文的测试评价方法为激光投影机等显示设备生产企业提供了清晰明确的视觉健康指导，督促企业加大在视觉健康设计上的科研投入，生产视觉体验更佳的显示产品，保护国人眼健康，延缓近视发展势头。

1 激光显示特性与发展现状

1.1 激光显示特性

激光投影显示是指以红、绿、蓝三基色单色激光器为光源的显示技术，是一种高色域混彩投影显示技术，在CIE 1976 色域空间下的色域覆盖率普遍大于33 %，是当下高端投影显示领域主流的显示技术[1]。激光显示光源相较于传统卤素灯光源和LED 光源成本较高，但是其寿命长、光输出值高、单色性和方向性好、能量密度和能源效率高等特点成就了激光投影机良好的市场地位[2]。

激光发射光谱为线谱，色彩分辨率高，对自然色彩的还原性好[3]。从色度学角度来看，激光投影显示的色饱和度高，配合高分辨率的超高清显示技术，显示画面的色彩艳丽程度和颜色清晰度表现力好。此外，激光可供选择的谱线丰富，激光光源色域色度的理论值远超其它光源。激光光源良好的方向性与超高清显示技术的应用相得益彰。激光的强度高，可实现像影院放映投影机这种高亮度、大屏幕显示[4]。

激光光源寿命长，维护费用成本低，长达10年以上的光源寿命，是传统光源寿命的10 倍～20 倍，并且在节能环保方面也体现出优越性，符合“碳达峰，碳中和”的节能发展理念，这些特性让激光在显示领域得以广泛应用[5]。

1.2 激光显示发展现状

激光显示技术持续发展，激光投影机市场占有率逐年上升[6]。其快速发展的原因主要是：第一，新型光电材料及激光技术发展迅猛，多种波长的固体倍频激光器与半导体激光器陆续进入市场，转换效率和性能提升明显，使RGB 三基色激光光源逐渐走向高效化、小型化，这促进了激光显示技术的研究投入，为激光显示技术的实用化发展提供了重要基础。第二，伴随着微电子技术、微光机电技术与器件及微光学技术与器件的蓬勃发展，多种类型的空间图像光调制器件相继出现，物理分辨率不断提高，性能优越的图像调制芯片应用于图像显示领域，大大促进了激光显示技术的发展，特别是激光投影显示[7]。

2 投影显示性能与测试方法

2.1 显示性能对视觉健康的影响因素

国 外 像 CIES009:2002/IEC62471:2006/IECTR62778:2014 等国际标准，主要是面向照明灯具的光辐射生物安全性评价标准，没有考虑显示产品视觉健康这一应用领域，当然，对研究投影显示视觉健康测试方法有一定的参考意义，但直接引用是十分不妥的，因为照明灯具对人眼而言是环境光，而显示产品则是人眼直视发光体，因此要使用这些标准方法，需要针对显示产品做进一步的创新开拓性研究，同时需要一定数量案例测试数据的支持。

光生物安全包括红外危害、紫外危害、蓝光危害，对于电子显示产品而言，其光学波段处于可见光部分，而蓝光又是R、G、B 三原色中主要的的成分光之一，因而对于电子显示产品的光生物安全主要指蓝光危害，蓝光危害主要指可见光中蓝光成分对眼视网膜组织的光化学风险（技术上称为“光斑病变”），这种风险与用裸眼凝视阳光或焊接电弧等明亮光源有关。随着我们电子产品使用的日益广泛，消费者普遍担心显示屏发出的蓝光会对人眼造成危害[8]。

实际上，蓝光危害程度取决于人眼在光环境下所累积接收的蓝光剂量。对此国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）发布了“蓝光危害函数”，规定了波长相关加权函数和指导性曝光极限。在合理可预见的使用状态下，激光投影画面是不会超出蓝光危害曝光极限的，通常情况下，显示产品发出的蓝光光谱辐射能量是远低于日常生活中使用的光源以及太阳光的[9]。同时蓝光对视网膜危害的测试结果也表明，屏幕产生的蓝光危害远低于标准要求的无危险类的限值要求[无危险类的定义是辐射能量在10 000 s（约2.8 h）内不会造成视网膜蓝光危害[10]。除视网膜蓝光危害外，激光安全等级、亮度、对比度、亮度均匀性、清晰度、动态清晰度、固有分辨率、色域覆盖率、运动图像拖尾、响应时间、色度误差、色度不均性、残留影像、像素缺陷、白平衡误差、通断比、重显率、可视角、灰阶色度偏差、色彩变化响应度、蓝光辐射亮度比、窄带蓝光辐射、色彩光输出占比、白场辐射、辐射健康防护、散斑对比度等都与视觉健康有关。

2.2 投影显示性能测试方法

投影显示性能测试首先要有视频信号图形产生器为待测投影机提供测试图，使用的信号图形产生器应能提供不同分辨率（如8 K/4 K/2 K/1 080 P 等）和不同刷新率（如60 Hz/50 Hz）的图像输出信号。输出信号端口应至少包括HDMI/DP/VGA 等常用投影机信号输入接口。投影显示性能测试图主要包括：极限八灰度等级信号、全白场信号和全黑场信号、黑白窗口信号、单像素信号、以及全红场、全绿场、和全蓝场信号等[11]。视频信号图形产生器宜具备编程功能，以满足不同分辨率、刷新率和测试图之间的匹配输出[12]。

投影图像的采集工作主要是由色度计和照度计探头来完成的。本文所采用的是前投式投影机自动测试系统，之所以选择这款测试系统是因为它具有13 点或29 点色度计和照度计双探头集成化面板，如图1所示。照度最低可以测到0.001 lx。具有60 英寸和100 英寸两种主流投影画幅测试尺寸。幅型比4 ∶3、16 ∶9、16 ∶10 自由选择。

图1 前投式投影机自动测试系统

图2 激光投影机视觉健康风险评估流程图

投影机产品显示性能的动态范围很大,所以实际测试时对于投影机状态的调整非常重要，为更好地约束限定参数测试的准确性，本文规定投影机标准测试状态如下：

1）输入与投影机固有分辨力格式一致的测试信号；

2）将投影机进行初始化操作或重置到出厂默认值状态。如果没有重置选项，投影机的开机状态作为默认状态；

3）激光光源模式、图像模式、色温及其他选项的设置，应根据产品规范或说明书进行设置调整，如果没有设置说明，则按照默认状态进行调整；

4）输入极限八灰度等级信号，观察投影机输出图像是否可以重现8 个灰度阶梯。可重现8 个灰度阶梯，该位置即为测试状态。如不能重现8 个灰度阶梯，应在该状态的基础上调节亮度和对比度位置使其8 个灰度阶梯极限分辨。如该图像模式无法调整，或始终调整不到8个灰度阶梯可重现的状态，则调整到默认状态进行测试，并将投影机标准工作状态下无法重现极限八灰度等级信号的情况进行记录；

5）如果有必要可重复3）和4）步骤；

6）在整个测量过程中，若重新调整或更换输入信号，应使产品至少稳定工作 5 min，然后进行测量；

7）音频通道不接入音频信号，如有音频输出音量调整，将其置于最小位置[13]；

8）此状态为标准工作状态，在整个测量过程中该状态保持不变，在测试记录中记录相关的设置内容和投影机状态[14]。

3 视觉健康评价方法

3.1 视觉健康风险评估的程序

本文从电子显示产品护眼技术的需求现状出发，通过对国外前沿的光生物安全技术相关专利文献的检索、筛选和研读，综合国内显示产品标准现状和显示行业整体舆情分析，充分利用实验室长期检测数据积累研究，提出基于实现护眼功能的激光投影机显示性能视觉健康评价方法。

3.2 视觉健康风险评估的内容

激光投影机从视觉健康风险角度可以分为：

Ⅰ类：在可预见的使用条件下，该类项目出现不符合技术要求情况时，会对用眼健康产生实质性危害，与视觉健康相关程度极高。

Ⅱ类：在非预期使用情况下，该类项目的某些特定表现，或过度使用该显示产品时，会对用眼健康产生危害，与视觉健康相关程度较Ⅰ类更低。

Ⅲ类：在合理可预见的使用条件下，不会产生用眼健康危害，但会因使用方式和环境状况等不同条件，存在对人眼健康的潜在不良影响，与视觉健康存在相关性，相关程度较低[15]。

分类应根据显示产品性能与视觉安全的相关程度规定分类。Ⅰ类相关程度最高，Ⅱ类相关程度次之，Ⅲ类相关程度最低。

激光投影机对于视觉的危害程度一般可分为四级，即无危险类、低危险类、中度危险类、高危险类，见表2。

危害发生概率代表性典型试验：

1）以受试设备型号的企业生产总量（或销售总量，或具体合同采购量）为样本总量Z[16]；

2）选取样本总量Z 的10 %取整数台产品为试验样品量S（若Z ＜10，则应对全部Z 台样品进行试验；若Z ＞100，可以采用随机抽样法选择至少3 台作为试验样品）[17]；

3）发生概率η 为出现表1 规定性能不符合技术要求台数与试验样品量S 之商；

表1 激光投影机视觉健康风险评估内容及分类

表2 危害程度分级

4）若采用随机抽样法且S ＜4，建议增加基于第三方检测机构出具的相关检测报告或者企业自我声明的产品质量情况证明文件的相关数据统计，必要时进行专家组评判；发生概率分级及特征见表3。

表3 发生概率

3.3 视觉健康等级划分

激光投影机视觉健康等级的划分，是根据评估项目内容发生的概率和危害程度来进行的，激光投影机健康等级划分为5 级，其中1 级视觉健康等级最高，见表4。激光投影机视觉健康等级用VH 代码以图3 方式表示，等级数字由表4 视觉健康等级划分确定。当同一型号激光投影机因安装方式或使用场景不同等因素而造成具有不同的视觉健康等级时，可标明可预见的对应关系。

表4 视觉健康等级划分

图3 视觉健康等级VH 代码

3.4 视觉健康指数

视觉健康指数是为了使显示产品使用者的用眼状态保持相对恒定或眼睛保持舒适状态所需的条件，是根据显示产品视觉健康等级、观看角度、观看距离、观看时长、环境光照度等条件进行研究分析总结出的视觉健康指导数据，可以用来提醒使用者合理安排显示产品使用情况，减少视觉健康风险的发生。视觉健康指数分为4 级，指数越小，使用者的限制条件越宽松，见表5。

表5 视觉健康指数

在正确的视觉健康指数条件下使用显示产品时，不应产生由使用产品引发的眼睛疲劳、眼睛干涩、眼睛疼痛、眼睛紧绷感、眼睛撕裂感、眼睛刺激感、眼睛灼热感、视野模糊、视物有重影等症状。

4 结语

眼健康是国民健康的重要组成部分，涉及全年龄段人群的全生命期，是涉及民生的重大公共卫生问题和社会问题。随着高清产业和5G 技术的迅猛发展，电子显示类产品已经成为远程医疗、在线学习、协同办公、休闲娱乐等国民生活必不可少的交互设备，电子显示对于眼部健康的影响是不容小觑的。由于视觉健康评价方法的缺失导致显示类产品在研发过程中忽视了用户的视觉健康体验，在视觉健康类指标上存在同质化严重、适配性差、质量良莠不齐等问题，长期使用此类产品极大增加了视力下降、视网膜病变、视神经性疾病等眼部疾病的概率[18]。本文提出的激光投影机视觉健康测试评价方法，不仅填补了该领域的空白，也为显示设备生产企业提供更加清晰明确的视觉健康指导，从某种意义上讲，更是提倡一种眼部保健的新观念，一种科学预防、主动健康的新观念。