不同手機屏幕對青少年生理節律和藍光危害的影響

周 犇， 周曉明

(華南理工大學物理與光電學院 亞熱帶建筑國家重點實驗室， 廣東 廣州 510641)

1 引 言

隨著照明技術的發展，LED照明產品憑借其功耗低、壽命長、價格低等優勢已經取代了傳統光源。人眼在波段400～500 nm輻射下會因光化學作用出現視網膜損傷的潛在危險，稱之為藍光危害[1]。當下智能手機中采用的LED背光LCD、AMOLED等屏幕同樣會產生藍光從而對人產生影響。盡管有一些論文已經研究電視和顯示器藍光的風險[2-3]，但是針對手機屏幕的研究尚少。2002年以來，Berson等[4]發現了第三類感光細胞——本征感光視網膜神經節細胞(ipRGC)。與錐細胞和桿細胞不同的是該細胞會產生非視覺效應，影響人體激素的分泌、生理節律等。所以，對于不同的光源我們既要分析其視覺影響也要分析非視覺影響，然而在使用光源時，我們常常忽視了光源對我們人體的非視覺影響，最后導致不健康的生活習慣。不少研究人員也注意到這個問題，宋麗妍等[5]研究以發光二極管為背光源的平板顯示器對人的非視覺影響，結果發現該平板顯示器的非視覺效應比普通照明強得多，該平板顯示器的光學輻射對人體生理節律等非視覺具有不可忽視的影響。饒豐等[6]針對四款LED背光顯示器研究其節律效應和藍光危害。楊超普等[7]對不同色溫下的四種材質顯示器藍光危害和節律效應進行研究，研究表明在一定色溫范圍內，OLED的藍光危害因子最小并且藍光因子和節律因子均隨色溫升高而增大。同期楊超普等[8]對LED背光LCD手機屏對不同年齡群體藍光危害因子和節律因子進行了研究，其他一些材質的手機屏幕并未考慮。但是，或多或少的忽視了個體年齡或者人眼接收光譜的差異。加之很多年輕人都有一種離不開手機的習慣，睡覺之前也會使用一段時間的手機，這些習慣都會影響非視覺生物效應。

本文選用華為榮耀暢玩4XLED背光LCD屏手機、小米NOTE2OLED屏手機和魅族PRO 6SSUPER AMOLED屏手機作為研究對象，結合人眼透射率、光照到人眼處的光源能量分布和相關人眼參數研究藍光危害因子和節律因子隨手機屏幕色溫的變化。

2 原 理

2.1 光譜響應曲線

本文中，明視覺光譜響應曲線V(λ)采用1924年CIE給出的數據，其峰值波長在555 nm處。藍光危害加權曲線B(λ)采用GB/T 20145-2006給出的數據[9]，其峰值波長在437 nm處。生理節律響應函數C(λ)采用德國Gall等給出的數據，該曲線被德國標準DIN V031-100：2009[10]所采用，其峰值波長在450 nm附近。3條曲線如圖1所示。

圖1 明視覺光譜響應曲線V(λ)、非視覺光譜響應曲線C(λ)、藍光危害加權曲線B(λ)。Fig.1 Spectral sensitivity curves of the photopic V(λ) and circadian C(λ)， blue light hazard B(λ).

2.2 光生物節律因子

Gall等[11]提出光生物節律因子的概念，來量化評估光照對人體產生的非視覺生物效應，表達式為

(1)

其中P(λ)是照射進人眼的光譜功率分布，C(λ)是非視覺的光譜響應曲線，V(λ)是明視覺的光譜響應曲線。由式(1)可以看出，當光源一定時，光源的生物節律因子是一個定值。但是很顯然，非視覺生物效應會受到年齡、人眼接收光源的面積的影響。因此將式(1)acv中的光譜功率分布P(λ)轉化成視網膜上的光譜功率分布Sret(λ)，表達式為

(2)

其中Scor(λ)為照射到人眼角膜的光譜分布，Sret(λ)為轉換到視網膜的光譜分布，Aret為視網膜上的照射面積，大約是直徑為1.5 mm[12]的圓形區域，D為瞳孔直徑，人眼瞳孔直徑一般在2～8 mm之間，此處瞳孔直徑取3 mm(面積為7 mm2)[9]，τ為人眼晶狀體透射率，隨著年齡的增長人眼透射率不斷下降，CIE203-2012[13]提供的人眼透射率τ隨年齡變化的計算公式為

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為年齡，λ為波長，著重分析14歲青少年人眼透射率,如圖2所示。既考慮到年齡也考慮到人眼結構的節律因子M有以下表達式[14]

(5)

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

2.3 藍光危害因子

藍光危害因子是用來量化評估藍光危害程度的，采用2014年CIE技術報告[15]提出的計算公式為:

(6)

其中P(λ)為光譜能量分布，B(λ)為藍光危害函數，V(λ)為明視覺光譜響應函數。式(6)中aB,v并未涉及年齡和人眼結構等因素，因此將式(6)中P(λ)用式(2)中的P(λ)替換，得到改進的藍光危害因子公式：

(7)

2.4 光譜測量

針對市場上主流的手機顯示屏，選取華為榮耀暢玩4X LED背光LCD屏手機、小米NOTE2 OLED屏手機和魅族PRO6S SUPER AMOLED屏手機屏幕為研究對象，具體參數如表1。采用杭州遠方公司生產的SPIC-200B型光譜彩色照度計測量手機屏幕的光譜分布，測量時手機屏幕跟光譜儀探頭保持平行并將探頭放于屏幕中央距離屏幕15 cm處，屏幕調節最大亮度，并在黑暗的條件下測量，模擬評估夜間使用手機對人的非視覺影響。測試前測量大量的手機光譜分布，發現國內絕大多數手機的光譜范圍在7 000 K以上，由于OLED屏手機種類較少且不能通過手機設置進行無極調色溫，只能使用4種不同色溫，因此其他3種手機選取以7 425,8 091,8 309,9 201 K為參考色溫進行測量。在測量過程中，為了保證所測色溫與之匹配，固定光譜儀探頭與手機的位置，多次滑動LED背光LCD和SUPER AMOLED手機無極調節色溫，測量的光譜分布如圖3、4、5、6所示。

表1 不同手機屏幕的主要參數Tab.1 Main parameters of different cellphone screen

圖3 3種不同手機屏幕在7 425 K色溫下的相對光譜分布
Fig.3 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 7 425 K color temperature

圖4 3種不同手機屏幕在8 091 K色溫下的相對光譜分布Fig.4 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 8 091 K color temperature

圖5 3種不同手機屏幕在8 309 K色溫下的相對光譜分布Fig.5 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 8 309 K color temperature

圖6 3種不同手機屏幕在9 201 K色溫下的相對光譜分布Fig.6 Relative spectral power distributions of three different cellphone screens with 9 201 K color temperature

3 計算結果與討論

分別利用公式(5)、公式(7)計算3種手機屏幕的光生物節律因子M和改進后的藍光危害因子B，從表2、表3、表4中可以看出無論何種手機顯示屏，隨著色溫的升高光生物節律因子M和改進后的藍光危害因子B都隨之升高，可以驗證考慮到人眼參數的B因子同樣能夠反映出aB,v隨色溫升高而升高的趨勢，能更詳細地評價藍光危害的影響。由此可見，為了同時降低手機對生理節律和藍光危害的影響，應該盡可能降低手機色溫。對M值、B值分別與色溫進行線性擬合，圖7、8、9為擬合結果，從中可以看出，對于3種手機，M、B值線性相關度均高于0.96，M、B值與色溫高度相關。

表2 LED背光LCD屏4種色溫下節律因子M和藍光危害因子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種色溫下節律因子M和藍光危害因子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種色溫下節律因子M和藍光危害因子BTab.4 Circadian factor M and blue light hazard factor B for SUPER AMOLED screen with four kinds of different color temperatures

圖7 LED背光LCD節律因子和藍光危害因子與色溫的直線擬合Fig.7 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for LED backlight LCD

圖8 OLED節律因子和藍光危害因子與色溫的直線擬合Fig.8 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for OLED

圖9 SUPER AMOLED節律因子和藍光危害因子與色溫的直線擬合Fig.9 Linear fitting of circadian factor and blue light hazard factor with color temperature for SUPER AMOLED

圖10、11為比較不同材質屏幕的節律因子M、藍光危害因子B值大小的具體結果。從圖中可以清楚地看到，對于任意4種色溫，節律因子M由大到小依次為：OLED>SUPER AMOLED>LED背光LCD；而藍光危害因子B由大到小依次為：LED背光LCD>SUPER AMOLED>OLED。在同時考慮節律因子M和藍光危害因子B最小化時，不可避免地將出現矛盾。當選擇使用OLED屏以獲得最小藍光危害時，節律因子卻高于另外兩種屏幕；當選擇使用LED背光LCD屏以獲得最小生理節律影響時，藍光危害因子卻高于另外兩種手機屏幕。

圖10 不同手機屏幕分別在不同色溫下的節律因子值FFig.10 Circadian factor value of different cellphone screens under different color temperature

圖11 不同手機屏幕分別在不同色溫下的藍光危害因子值Fig.11 Blue light hazard factor value of different cellphone screens under different color temperature

4 結 論

隨著手機普及度越來越高，現在不少中小學生都存在使用手機的情況。由公式(4)可知人眼透射率隨年齡的增大而降低，因此青少年受到手機光輻射所引起的生理節律和藍光危害的問題不可小覷。本文在傳統藍光因子的基礎上，結合人眼受光面積和透光率等因素，提出藍光危害因子B。并對3種手機屏幕光譜進行M、B值計算，得到較高的線性擬合相關度，能很好地評價手機光照產生的非視覺效應和藍光危害。隨著色溫升高，節律因子M和藍光危害因子B值隨之升高，由此可見在青少年使用手機時，應該盡量調低色溫，減少手機對自身的影響。對于LED背光LCD、OLED和SUPER AMOLED手機屏幕的選取，不能僅僅考慮生理節律和藍光危害中的某一個參數，應該結合兩者做出綜合的考慮。本研究能夠為青少年選擇合適的手機提供一定的參考依據，并且能夠在一定程度上引起手機屏幕制造商對人的非視覺效應的注意。