近紅外護眼技術顯示領域應用探討

朱杉婷，郭黎明，吳 哲，張廣譜

（深圳創維-RGB 電子有限公司，廣東 深圳 518000）

1 背景及顯示領域護眼模式

隨著科技的進步和電子產品的普及，人類眼睛面臨的健康威脅越來越大。國家衛生健康委員會發布的調查結果顯示，2022 年全國兒童青少年總體近視率為53.6%，其中6 歲兒童為14.5%，小學生為36%，初中生為71.6%，高中生為81%；我國有近7 億近視人口，位居世界第一。不僅青少年，老年人眼健康面臨的威脅同樣嚴重。老年黃斑病變（Age-related Macular Degeneration，AMD）是一種慢性、不可逆的眼病，多發于50 歲以上的人群。黃斑病變會導致眼細胞受損死亡進而導致視力喪失。據相關估計，預計2025 年我國AMD 患者人數將達4 000 萬左右。

眾所周知，藍光尤其是短波藍光會對眼睛造成一定的傷害。藍光對眼睛的傷害主要表現在三個方面：一是藍光可能導致黃斑病變、晶狀體混濁進而引起白內障；二是藍光對視網膜的刺激可能引起近視；三是藍光易導致視疲勞。電子顯示設備的背光源均存在藍光。為了減少藍光對眼睛的傷害，各電子產品生產商相繼推出護眼模式。目前，市面上的護眼主要分為硬件和軟件兩種。硬件低藍光又有兩種形式，一種是使用護眼芯片，減少短波藍光的含量；另一種是使用護眼膜吸收藍光，降低藍光的能量。

一般顯示設備的光源為發光二極管（Light Emitting Diode，LED）。常規LED 芯片藍光主波長小于等于450 nm。為了減少短波藍光的傷害，護眼芯片將藍光主波長右移，使其大于等于460 nm。通過對主波長的調整，減少了短波藍光的傷害，實現護眼。使用護眼芯片的顯示設備均可通過德國萊茵護眼認證。

護眼膜有紅色和綠色兩種。電視市場一般使用綠色護眼膜，作為功能膜用在背光里面。手機市場一般使用紅色護眼膜，作為保護膜貼在屏幕外面。顯示設備發出的藍光經過護眼膜后，被吸收一大部分，透過的光是護眼膜定向選擇色光的結果。由于護眼膜的色光選擇作用，貼了護眼膜的顯示設備均存在一定的偏色。因偏色的存在，護眼膜的使用并不廣泛。

圖1 為兩種不同硬件護眼模式的頻譜差異，圖1（a）為芯片主波長長移的頻譜對比，圖1（b）為使用護眼膜與否的頻譜對比。其中，頻譜1 為使用護眼芯片頻譜，頻譜2 為不使用芯片頻譜，頻譜3為不使用護眼膜和護眼芯片的頻譜，頻譜4 為使用護眼膜的頻譜。

圖1 兩種硬件護眼模式的頻譜對比

軟件低藍光的效果與護眼膜類似，畫面也存在一定偏色，但護眼膜的偏色是全通道的，而軟件低藍光偏色只會表現在特定的通道（護眼通道）。軟件低藍光主要通過對白平衡的調整來實現。三原色R、G、B 可以組成任何顏色，軟件防藍光主要通過減少B-GAIN 分量，微調R-GIAN 和G-GAIN 分量來實現。根據顏色的合成理論，B 分量減少的同時R、G 分量基本不變，畫面會出現偏黃，導致軟件低藍光在護眼通道存在偏色。

2 近紅外光生物調制的進展

國內外有針對紅光及近紅外光開展的一系列光生物調制對比實驗并取得一定成果。

美國研究者發現近紅外光（Near Infrared，NIR）治療可減輕猴子激光急性視網膜損傷眼部損傷。猴子眼損傷模型表明，近紅外光治療可以增強光感受器的活力并修復皮層[1]。

美國研究者使用甲醇中毒后的小白鼠進行實驗，發現LED 治療顯著減弱了甲醇衍生甲酸酯在中毒期間對視網膜毒性作用，同時大大改善了中毒后視網膜功能的恢復，LED 治療保護視網膜免受由甲醇衍生的甲酸鹽誘導的組織病理學變化[2-3]。

加拿大研究者用24 個50 歲以上的受試者說明光生物調制（Photo-Bio-Modulation，PBM）的積極作用，干性AMD 在PBM 后玻璃疣體積和平均中央玻璃疣厚度有減少。PBM 極低的能量水平使組織無損傷，為AMD 治療提供了一個可能的方向[4]。

寧波眼科醫院和武漢昆明視光眼科診所發現低能量（激光能量I 級）紅色光可以在6 個月、1 年、2 年控制近視性眼軸的延長，且效果比框架眼鏡和角膜塑形鏡都好。盡管隨著治療時間的延長，控制近視性眼軸延長的能力下降，但它依然有望成為未來和迄今為止比肩1%阿托品眼藥、強效且有研究價值的控制近視性眼軸延長的醫療手段之一[5]。劉莉靜、顏華在國際眼科雜質臨床報告上發現紅光閃爍治療儀聯合紅色視力表遠距離視功能訓練治療兒童近視性弱視可有效降低年平均屈光度變化值，矯正最佳視力，降低弱視復發率。而紅色視力表遠距離訓練能有效緩解睫狀肌因調節痙攣所致的視疲勞癥狀，有效改善患兒近視[6]。李少敏在論文中提到，臨床研究顯示，長波紅光刺激可以延緩眼軸的生長，使脈絡膜增厚，從而延緩近視的發生或逆轉近視的長眼軸[7]。

3 近紅外護眼技術顯示領域應用探討

結合文獻相關論述可知，紅光及近紅外光對視網膜的健康確實有積極促進作用。另外，人眼的縱向色差（Longitudinal Chromatic Aberration，LCA）會引起不同波長的光聚焦在不同的位置，多色光LCA離焦信號比單色光離焦信號可更加有效地調節眼球增長的速度。

圖2 為液晶面板的歸一化穿透頻譜。觀察圖2可發現顯示產品頻譜并不連續，藍光占比較大且存在長波缺失。若補充可見光段長波紅光，又會導致畫面偏色，影響畫質。因此，選擇近紅外光作為顯示產品紅光的補充色光，近紅外光既可以補充缺失的長波增加LCA 離焦信號，又可以在促進視網膜健康的同時不犧牲畫質。考慮到不同波長的穿透性，可選擇780 nm 作為補充色光的峰值波長。

圖2 液晶面板穿透頻譜

藍光可以激發量子點材料產生不同波長的色光來滿足不同的需求，而不同的量子點材料需要調整和關注的點并不相同。例如，Cd 系材料CdSe，主要通過對量子點材料直徑的選擇來實現不同的波長，而非Cd 系鈣鈦礦，則主要通過控制晶體的結構和鹵素的比例來實現不同的發光波長。另外，兩者的激發效率也存在差異，如圖3 所示為鈣鈦礦量子點的激發發射譜，在460 nm 附近，鈣鈦礦量子點的激發效率基本與短波保持一致，未出現隨著波長增加而降低的情況。Cd 系材料CdSe 量子點的效率在460 nm 附近隨著波長的增加而降低，所以針對長波藍光，鈣鈦礦量子點相對光效更高。Cd 系材料因含重金屬并不環保，而鈣鈦礦屬于可持續的環境友好材料，環保性好，利于可持續發展。基于鈣鈦礦材料的這些優點，選取鈣鈦礦材料作為激發近紅外的量子點。

圖3 鈣鈦礦激發譜和發射譜

針對采用近紅外護眼技術且需要實現全色域的顯示設備，使用長波藍光激發對應鈣鈦礦紅綠量子點，需要注意的是實現近紅外護眼技術的鈣鈦礦紅色量子點存在兩種結構和鹵素比例，其中一種紅色鈣鈦礦量子點的結構和鹵素比例對應峰值波長640 nm 可見紅光（根據不同面板穿透頻譜，可見光的峰值波長可進行對應調整），另一種紅色鈣鈦礦量子點的結構和鹵素比例對應峰值波長780 nm 近紅外光。對于采用近紅外護眼技術且需要實現廣色域或普通色域的顯示設備，只需要把激發780 nm 對應的紅色鈣鈦礦量子點加入廣色域或普通色域背光的功能膜（此處功能膜代指背光中的擴散片、棱鏡片或其他類型膜）中即可。

鈣鈦礦量子點由于強離子性、高表面能及表面配體易遷移等特性而對環境高度敏感，又由于紅色鈣鈦礦量子點帶隙較綠光鈣鈦礦量子點更小，其穩定性不如綠色鈣鈦礦量子點。目前，鈣鈦礦量子點近紅外護眼技術有兩個需要持續優化的問題，一是提高紅色鈣鈦礦量子點的穩定性，二是提高紅色量子點的量子點轉光效率，使其盡快突破60%。

4 結 語

相較于目前市面上的護眼技術，近紅外護眼技術除了可減少短波藍光對眼睛的傷害，還可以作為細胞色素C 氧化酶關鍵光受體，改善線粒體內的能量代謝，從而對眼睛產生一系列健康促進作用，相較于目前護眼技術，在技術和功能上都有了一定的躍遷。盡管鈣鈦礦量子點近紅外護眼技術還面臨一定的問題，但其仍不失為顯示領域護眼的下一個新方向。