激光投影機(jī)視覺(jué)健康測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究

于西龍

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

引言

隨著超高清顯示、高功率激光投影、激光全息投影等新型顯示技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，我國(guó)電子顯示產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也在快速推進(jìn)，而國(guó)內(nèi)關(guān)于激光投影視覺(jué)健康的測(cè)試評(píng)價(jià)方法仍處于空白。本文依托于多年在顯示產(chǎn)品領(lǐng)域檢測(cè)技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的研究，通過(guò)分析激光投影機(jī)產(chǎn)品的光學(xué)成像性能，綜合視網(wǎng)膜藍(lán)光危害、激光安全等級(jí)、藍(lán)光光譜特性、清晰度、固有分辨率、色域覆蓋率、運(yùn)動(dòng)圖像拖尾、響應(yīng)時(shí)間、色度誤差、色度不均性、殘留影像、像素缺陷、白平衡誤差、畫(huà)面質(zhì)量視覺(jué)評(píng)價(jià)等對(duì)眼睛有直接影響的關(guān)鍵參數(shù)，從視覺(jué)健康角度對(duì)各參數(shù)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，形成激光投影機(jī)視覺(jué)健康評(píng)價(jià)方法，并提出視覺(jué)健康指數(shù)與視覺(jué)健康等級(jí)的概念。本文的測(cè)試評(píng)價(jià)方法為激光投影機(jī)等顯示設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供了清晰明確的視覺(jué)健康指導(dǎo)，督促企業(yè)加大在視覺(jué)健康設(shè)計(jì)上的科研投入，生產(chǎn)視覺(jué)體驗(yàn)更佳的顯示產(chǎn)品，保護(hù)國(guó)人眼健康，延緩近視發(fā)展勢(shì)頭。

1 激光顯示特性與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 激光顯示特性

激光投影顯示是指以紅、綠、藍(lán)三基色單色激光器為光源的顯示技術(shù)，是一種高色域混彩投影顯示技術(shù)，在CIE 1976 色域空間下的色域覆蓋率普遍大于33 %，是當(dāng)下高端投影顯示領(lǐng)域主流的顯示技術(shù)[1]。激光顯示光源相較于傳統(tǒng)鹵素?zé)艄庠春蚅ED 光源成本較高，但是其壽命長(zhǎng)、光輸出值高、單色性和方向性好、能量密度和能源效率高等特點(diǎn)成就了激光投影機(jī)良好的市場(chǎng)地位[2]。

激光發(fā)射光譜為線譜，色彩分辨率高，對(duì)自然色彩的還原性好[3]。從色度學(xué)角度來(lái)看，激光投影顯示的色飽和度高，配合高分辨率的超高清顯示技術(shù)，顯示畫(huà)面的色彩艷麗程度和顏色清晰度表現(xiàn)力好。此外，激光可供選擇的譜線豐富，激光光源色域色度的理論值遠(yuǎn)超其它光源。激光光源良好的方向性與超高清顯示技術(shù)的應(yīng)用相得益彰。激光的強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)像影院放映投影機(jī)這種高亮度、大屏幕顯示[4]。

激光光源壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用成本低，長(zhǎng)達(dá)10年以上的光源壽命，是傳統(tǒng)光源壽命的10 倍～20 倍，并且在節(jié)能環(huán)保方面也體現(xiàn)出優(yōu)越性，符合“碳達(dá)峰，碳中和”的節(jié)能發(fā)展理念，這些特性讓激光在顯示領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[5]。

1.2 激光顯示發(fā)展現(xiàn)狀

激光顯示技術(shù)持續(xù)發(fā)展，激光投影機(jī)市場(chǎng)占有率逐年上升[6]。其快速發(fā)展的原因主要是：第一，新型光電材料及激光技術(shù)發(fā)展迅猛，多種波長(zhǎng)的固體倍頻激光器與半導(dǎo)體激光器陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，轉(zhuǎn)換效率和性能提升明顯，使RGB 三基色激光光源逐漸走向高效化、小型化，這促進(jìn)了激光顯示技術(shù)的研究投入，為激光顯示技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)。第二，伴隨著微電子技術(shù)、微光機(jī)電技術(shù)與器件及微光學(xué)技術(shù)與器件的蓬勃發(fā)展，多種類型的空間圖像光調(diào)制器件相繼出現(xiàn)，物理分辨率不斷提高，性能優(yōu)越的圖像調(diào)制芯片應(yīng)用于圖像顯示領(lǐng)域，大大促進(jìn)了激光顯示技術(shù)的發(fā)展，特別是激光投影顯示[7]。

2 投影顯示性能與測(cè)試方法

2.1 顯示性能對(duì)視覺(jué)健康的影響因素

國(guó) 外 像 CIES009:2002/IEC62471:2006/IECTR62778:2014 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要是面向照明燈具的光輻射生物安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有考慮顯示產(chǎn)品視覺(jué)健康這一應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)然，對(duì)研究投影顯示視覺(jué)健康測(cè)試方法有一定的參考意義，但直接引用是十分不妥的，因?yàn)檎彰鳠艟邔?duì)人眼而言是環(huán)境光，而顯示產(chǎn)品則是人眼直視發(fā)光體，因此要使用這些標(biāo)準(zhǔn)方法，需要針對(duì)顯示產(chǎn)品做進(jìn)一步的創(chuàng)新開(kāi)拓性研究，同時(shí)需要一定數(shù)量案例測(cè)試數(shù)據(jù)的支持。

光生物安全包括紅外危害、紫外危害、藍(lán)光危害，對(duì)于電子顯示產(chǎn)品而言，其光學(xué)波段處于可見(jiàn)光部分，而藍(lán)光又是R、G、B 三原色中主要的的成分光之一，因而對(duì)于電子顯示產(chǎn)品的光生物安全主要指藍(lán)光危害，藍(lán)光危害主要指可見(jiàn)光中藍(lán)光成分對(duì)眼視網(wǎng)膜組織的光化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)（技術(shù)上稱為“光斑病變”），這種風(fēng)險(xiǎn)與用裸眼凝視陽(yáng)光或焊接電弧等明亮光源有關(guān)。隨著我們電子產(chǎn)品使用的日益廣泛，消費(fèi)者普遍擔(dān)心顯示屏發(fā)出的藍(lán)光會(huì)對(duì)人眼造成危害[8]。

實(shí)際上，藍(lán)光危害程度取決于人眼在光環(huán)境下所累積接收的藍(lán)光劑量。對(duì)此國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）發(fā)布了“藍(lán)光危害函數(shù)”，規(guī)定了波長(zhǎng)相關(guān)加權(quán)函數(shù)和指導(dǎo)性曝光極限。在合理可預(yù)見(jiàn)的使用狀態(tài)下，激光投影畫(huà)面是不會(huì)超出藍(lán)光危害曝光極限的，通常情況下，顯示產(chǎn)品發(fā)出的藍(lán)光光譜輻射能量是遠(yuǎn)低于日常生活中使用的光源以及太陽(yáng)光的[9]。同時(shí)藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜危害的測(cè)試結(jié)果也表明，屏幕產(chǎn)生的藍(lán)光危害遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的無(wú)危險(xiǎn)類的限值要求[無(wú)危險(xiǎn)類的定義是輻射能量在10 000 s（約2.8 h）內(nèi)不會(huì)造成視網(wǎng)膜藍(lán)光危害[10]。除視網(wǎng)膜藍(lán)光危害外，激光安全等級(jí)、亮度、對(duì)比度、亮度均勻性、清晰度、動(dòng)態(tài)清晰度、固有分辨率、色域覆蓋率、運(yùn)動(dòng)圖像拖尾、響應(yīng)時(shí)間、色度誤差、色度不均性、殘留影像、像素缺陷、白平衡誤差、通斷比、重顯率、可視角、灰階色度偏差、色彩變化響應(yīng)度、藍(lán)光輻射亮度比、窄帶藍(lán)光輻射、色彩光輸出占比、白場(chǎng)輻射、輻射健康防護(hù)、散斑對(duì)比度等都與視覺(jué)健康有關(guān)。

2.2 投影顯示性能測(cè)試方法

投影顯示性能測(cè)試首先要有視頻信號(hào)圖形產(chǎn)生器為待測(cè)投影機(jī)提供測(cè)試圖，使用的信號(hào)圖形產(chǎn)生器應(yīng)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）的圖像輸出信號(hào)。輸出信號(hào)端口應(yīng)至少包括HDMI/DP/VGA 等常用投影機(jī)信號(hào)輸入接口。投影顯示性能測(cè)試圖主要包括：極限八灰度等級(jí)信號(hào)、全白場(chǎng)信號(hào)和全黑場(chǎng)信號(hào)、黑白窗口信號(hào)、單像素信號(hào)、以及全紅場(chǎng)、全綠場(chǎng)、和全藍(lán)場(chǎng)信號(hào)等[11]。視頻信號(hào)圖形產(chǎn)生器宜具備編程功能，以滿足不同分辨率、刷新率和測(cè)試圖之間的匹配輸出[12]。

投影圖像的采集工作主要是由色度計(jì)和照度計(jì)探頭來(lái)完成的。本文所采用的是前投式投影機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，之所以選擇這款測(cè)試系統(tǒng)是因?yàn)樗哂?3 點(diǎn)或29 點(diǎn)色度計(jì)和照度計(jì)雙探頭集成化面板，如圖1所示。照度最低可以測(cè)到0.001 lx。具有60 英寸和100 英寸兩種主流投影畫(huà)幅測(cè)試尺寸。幅型比4 ∶3、16 ∶9、16 ∶10 自由選擇。

圖1 前投式投影機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖2 激光投影機(jī)視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖

投影機(jī)產(chǎn)品顯示性能的動(dòng)態(tài)范圍很大,所以實(shí)際測(cè)試時(shí)對(duì)于投影機(jī)狀態(tài)的調(diào)整非常重要，為更好地約束限定參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性，本文規(guī)定投影機(jī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試狀態(tài)如下：

1）輸入與投影機(jī)固有分辨力格式一致的測(cè)試信號(hào)；

2）將投影機(jī)進(jìn)行初始化操作或重置到出廠默認(rèn)值狀態(tài)。如果沒(méi)有重置選項(xiàng)，投影機(jī)的開(kāi)機(jī)狀態(tài)作為默認(rèn)狀態(tài)；

3）激光光源模式、圖像模式、色溫及其他選項(xiàng)的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范或說(shuō)明書(shū)進(jìn)行設(shè)置調(diào)整，如果沒(méi)有設(shè)置說(shuō)明，則按照默認(rèn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；

4）輸入極限八灰度等級(jí)信號(hào)，觀察投影機(jī)輸出圖像是否可以重現(xiàn)8 個(gè)灰度階梯。可重現(xiàn)8 個(gè)灰度階梯，該位置即為測(cè)試狀態(tài)。如不能重現(xiàn)8 個(gè)灰度階梯，應(yīng)在該狀態(tài)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)亮度和對(duì)比度位置使其8 個(gè)灰度階梯極限分辨。如該圖像模式無(wú)法調(diào)整，或始終調(diào)整不到8個(gè)灰度階梯可重現(xiàn)的狀態(tài)，則調(diào)整到默認(rèn)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，并將投影機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下無(wú)法重現(xiàn)極限八灰度等級(jí)信號(hào)的情況進(jìn)行記錄；

5）如果有必要可重復(fù)3）和4）步驟；

6）在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，若重新調(diào)整或更換輸入信號(hào)，應(yīng)使產(chǎn)品至少穩(wěn)定工作 5 min，然后進(jìn)行測(cè)量；

7）音頻通道不接入音頻信號(hào)，如有音頻輸出音量調(diào)整，將其置于最小位置[13]；

8）此狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中該狀態(tài)保持不變，在測(cè)試記錄中記錄相關(guān)的設(shè)置內(nèi)容和投影機(jī)狀態(tài)[14]。

3 視覺(jué)健康評(píng)價(jià)方法

3.1 視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的程序

本文從電子顯示產(chǎn)品護(hù)眼技術(shù)的需求現(xiàn)狀出發(fā)，通過(guò)對(duì)國(guó)外前沿的光生物安全技術(shù)相關(guān)專利文獻(xiàn)的檢索、篩選和研讀，綜合國(guó)內(nèi)顯示產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀和顯示行業(yè)整體輿情分析，充分利用實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期檢測(cè)數(shù)據(jù)積累研究，提出基于實(shí)現(xiàn)護(hù)眼功能的激光投影機(jī)顯示性能視覺(jué)健康評(píng)價(jià)方法。

3.2 視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)容

激光投影機(jī)從視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)角度可以分為：

Ⅰ類：在可預(yù)見(jiàn)的使用條件下，該類項(xiàng)目出現(xiàn)不符合技術(shù)要求情況時(shí)，會(huì)對(duì)用眼健康產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性危害，與視覺(jué)健康相關(guān)程度極高。

Ⅱ類：在非預(yù)期使用情況下，該類項(xiàng)目的某些特定表現(xiàn)，或過(guò)度使用該顯示產(chǎn)品時(shí)，會(huì)對(duì)用眼健康產(chǎn)生危害，與視覺(jué)健康相關(guān)程度較Ⅰ類更低。

Ⅲ類：在合理可預(yù)見(jiàn)的使用條件下，不會(huì)產(chǎn)生用眼健康危害，但會(huì)因使用方式和環(huán)境狀況等不同條件，存在對(duì)人眼健康的潛在不良影響，與視覺(jué)健康存在相關(guān)性，相關(guān)程度較低[15]。

分類應(yīng)根據(jù)顯示產(chǎn)品性能與視覺(jué)安全的相關(guān)程度規(guī)定分類。Ⅰ類相關(guān)程度最高，Ⅱ類相關(guān)程度次之，Ⅲ類相關(guān)程度最低。

激光投影機(jī)對(duì)于視覺(jué)的危害程度一般可分為四級(jí)，即無(wú)危險(xiǎn)類、低危險(xiǎn)類、中度危險(xiǎn)類、高危險(xiǎn)類，見(jiàn)表2。

危害發(fā)生概率代表性典型試驗(yàn)：

1）以受試設(shè)備型號(hào)的企業(yè)生產(chǎn)總量（或銷售總量，或具體合同采購(gòu)量）為樣本總量Z[16]；

2）選取樣本總量Z 的10 %取整數(shù)臺(tái)產(chǎn)品為試驗(yàn)樣品量S（若Z ＜10，則應(yīng)對(duì)全部Z 臺(tái)樣品進(jìn)行試驗(yàn)；若Z ＞100，可以采用隨機(jī)抽樣法選擇至少3 臺(tái)作為試驗(yàn)樣品）[17]；

3）發(fā)生概率η 為出現(xiàn)表1 規(guī)定性能不符合技術(shù)要求臺(tái)數(shù)與試驗(yàn)樣品量S 之商；

表1 激光投影機(jī)視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容及分類

表2 危害程度分級(jí)

4）若采用隨機(jī)抽樣法且S ＜4，建議增加基于第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的相關(guān)檢測(cè)報(bào)告或者企業(yè)自我聲明的產(chǎn)品質(zhì)量情況證明文件的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行專家組評(píng)判；發(fā)生概率分級(jí)及特征見(jiàn)表3。

表3 發(fā)生概率

3.3 視覺(jué)健康等級(jí)劃分

激光投影機(jī)視覺(jué)健康等級(jí)的劃分，是根據(jù)評(píng)估項(xiàng)目?jī)?nèi)容發(fā)生的概率和危害程度來(lái)進(jìn)行的，激光投影機(jī)健康等級(jí)劃分為5 級(jí)，其中1 級(jí)視覺(jué)健康等級(jí)最高，見(jiàn)表4。激光投影機(jī)視覺(jué)健康等級(jí)用VH 代碼以圖3 方式表示，等級(jí)數(shù)字由表4 視覺(jué)健康等級(jí)劃分確定。當(dāng)同一型號(hào)激光投影機(jī)因安裝方式或使用場(chǎng)景不同等因素而造成具有不同的視覺(jué)健康等級(jí)時(shí)，可標(biāo)明可預(yù)見(jiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4 視覺(jué)健康等級(jí)劃分

圖3 視覺(jué)健康等級(jí)VH 代碼

3.4 視覺(jué)健康指數(shù)

視覺(jué)健康指數(shù)是為了使顯示產(chǎn)品使用者的用眼狀態(tài)保持相對(duì)恒定或眼睛保持舒適狀態(tài)所需的條件，是根據(jù)顯示產(chǎn)品視覺(jué)健康等級(jí)、觀看角度、觀看距離、觀看時(shí)長(zhǎng)、環(huán)境光照度等條件進(jìn)行研究分析總結(jié)出的視覺(jué)健康指導(dǎo)數(shù)據(jù)，可以用來(lái)提醒使用者合理安排顯示產(chǎn)品使用情況，減少視覺(jué)健康風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。視覺(jué)健康指數(shù)分為4 級(jí)，指數(shù)越小，使用者的限制條件越寬松，見(jiàn)表5。

表5 視覺(jué)健康指數(shù)

在正確的視覺(jué)健康指數(shù)條件下使用顯示產(chǎn)品時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生由使用產(chǎn)品引發(fā)的眼睛疲勞、眼睛干澀、眼睛疼痛、眼睛緊繃感、眼睛撕裂感、眼睛刺激感、眼睛灼熱感、視野模糊、視物有重影等癥狀。

4 結(jié)語(yǔ)

眼健康是國(guó)民健康的重要組成部分，涉及全年齡段人群的全生命期，是涉及民生的重大公共衛(wèi)生問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。隨著高清產(chǎn)業(yè)和5G 技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子顯示類產(chǎn)品已經(jīng)成為遠(yuǎn)程醫(yī)療、在線學(xué)習(xí)、協(xié)同辦公、休閑娛樂(lè)等國(guó)民生活必不可少的交互設(shè)備，電子顯示對(duì)于眼部健康的影響是不容小覷的。由于視覺(jué)健康評(píng)價(jià)方法的缺失導(dǎo)致顯示類產(chǎn)品在研發(fā)過(guò)程中忽視了用戶的視覺(jué)健康體驗(yàn)，在視覺(jué)健康類指標(biāo)上存在同質(zhì)化嚴(yán)重、適配性差、質(zhì)量良莠不齊等問(wèn)題，長(zhǎng)期使用此類產(chǎn)品極大增加了視力下降、視網(wǎng)膜病變、視神經(jīng)性疾病等眼部疾病的概率[18]。本文提出的激光投影機(jī)視覺(jué)健康測(cè)試評(píng)價(jià)方法，不僅填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，也為顯示設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供更加清晰明確的視覺(jué)健康指導(dǎo)，從某種意義上講，更是提倡一種眼部保健的新觀念，一種科學(xué)預(yù)防、主動(dòng)健康的新觀念。