健康显示是普通消费者和显示从业者共同关注的重要话题，是显示技术发展的高层次追求。显示在我们的日常生活中无处不在，并且随着社会的进步，显示屏有关的产品日益多样化。显示屏大范围应用增加了人们的观看时长，与显示屏使用相关的近视等疾病正变得越来越普遍。据报道统计，儿童近视的百分比从2019新冠病毒大流行前的10.5%迅速增加到2020的45.9%。室内显示屏使用时间延长导致的眨眼模式改变、显示屏蓝光对人眼的破坏等显示因素可能是造成显示屏对人体有害影响的关键因素。因此，需要从人体健康的角度分析健康显示的技术需求，并总结与健康显示相关的主要显示技术，从而推动健康显示技术的发展。
近日，TCL公司季洪雷博士与创维公司邹文聪高级工程师，联合北京航空航天大学合肥创新研究院、北京胜为文化传播有限公司、致晶科技（北京）有限公司、深圳极地之光科技有限公司、东莞凯嘉威光电有限公司、中国电子视像行业协会、中国标准化研究院业界相关公司或协会，合作在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）2024年第9期发表了题为“健康显示：从概念到技术需求”的综述文章，并被选为当期封面文章。
图1：《液晶与显示》2024年第9期封面图
文章介绍了健康显示的概念和内涵，特别是从人体健康的角度分析了健康显示的技术需求；总结了与健康显示相关的主要显示技术，如低蓝光、有益红光、高色域、高动态范围调节、低眩光、无频闪、高刷新率；在此基础上，探讨了提升健康显示的三个技术维度，包括：光谱适应性、亮度适应性、频率适应性，提出了未来健康显示提升的主要技术策略和发展方向。
健康显示是指，通过考虑人体健康的需求，优化显示产品的技术设计维度，通过技术创新和建立观看者的指导意见，降低观看显示屏带来的不适感。如图2所示，展示了健康显示的概念框架。通过显示屏与自然场景的对比，上述参数主要描述的是光谱适应性、亮度适应性、频率适应性三个方面，是健康显示考虑的主要技术维度。
人眼是接受显示信息的主要窗口，健康的眼睛对于良好的视觉质量和视觉舒适度至关重要。显示引起的相关健康问题包括：显示舒适、干眼症、蓝光引起的眼睛病变及激素变化等。
图2：健康显示的概念框架：顶层健康显示需求与显示性能的关系
图源：液晶与显示, 2024, 39 (9): 1192-1204. Fig. 1
如图3所示，概括了健康显示与人眼健康的关系。本文从显示参数的优化角度出发，分析了影响视觉显示舒适度的因素，包括①光谱适应性：蓝光、红光、色域。②亮度适应性：亮度主动调节包括高动态范围HDR调节、被动反射包括眩光。③频率适应性：频闪、屏幕刷新率。并围绕健康显示的目标提出了一些可能的优化措施。
图3：健康显示与人眼健康的关系概述示意图
图源：液晶与显示, 2024, 39 (9): 1192-1204. Fig. 2
2.1.1 蓝光
蓝光对人体健康的影响受到了广泛的关注。首先，我们需要明确，蓝光并非绝对有害。蓝光照射影响人体许多生理功能，可用于治疗昼夜节律和睡眠功能障碍，而且蓝光是促进儿童眼球发育的重要光线。
本论文提到的蓝光对人体的伤害，是指人造LED光源，长时间、较高强度照射人眼才会带来的伤害，LED具有窄带发射、能量集中、尖峰强度高等问题，这与自然界的蓝光分布有明显区别。短波长蓝光，即波长在415 - 455nm之间的蓝光会影响人眼的健康和人体的健康。通过阻挡短波蓝光的手段可减少视觉不适或数字眼疲劳。
2.1.2 红光
红光增益，是指650 nm 红光可能存在的对治疗弱视和近视的正向特性——650 nm红光可以促进视网膜细胞的代谢活动，提高细胞对光线的感知能力，是一种潜在的改善视力的工具。
根据临床研究显示，重复低强度红光治疗可以促眼部血液循环、改善眼部血液供应情况，从而提高眼部细胞的代谢水平，起到改善视力的作用。除了近视防控之外，606 - 635 nm范围内的红光还可可以弥补蓝光引起的褪黑素抑制效应，并促进褪黑素分泌，同时对褪黑素分泌异常有调节作用。
基于上述红光对人眼有益的潜在意义，在显示屏内或表面添加一层转光膜，可以将短波吸收转化为650 nm长波长红光，透过屏幕触达人眼，可以起到红光润眼甚至抑制近视的效果。
图4：红光对人眼及人体的影响
图源：液晶与显示, 2024, 39 (9): 1192-1204. Fig. 3
2.1.3 色域
显示器的色域越高，那么显示器能显示的颜色就越多，这意味着照片或视频看起来会更加逼真，色彩更加丰富，如图5展示了显示效果对比。低色域显示会降低图像质量，整体画面显示出灰蒙蒙的感觉，影响观看者对实际色彩的判断；而高色域能够尽量还原真实自然界的色彩，有突出的色彩表现力。
图5：显示器不同色域大小的显示效果对比
图源：液晶与显示, 2024, 39 (9): 1192-1204. Fig. 4
2.2.1 高动态范围显示
如图6所示，展示了自然界亮度的动态范围显示与人类视觉能力的比较。自然环境的亮度范围跨度很大，超过14个亮度数量级；人眼视觉系统能够适应这种亮度的动态变化，覆盖大部分自然环境的亮度范围，约为10-11个数量级。然而，人眼视觉系统无法同时查看这么大的亮度范围，上述范围仅描述为人眼所能识别的亮度范围的总和，实际上，人眼视觉同时感知的动态范围只有4个数量级左右。
标准动态范围SDR的亮度范围比现实生活中遇到的范围要小得多，覆盖约2个数量级，远远达不到人类视觉系统的能力范围，HDR的覆盖范围则更接近人类视觉的能力范围，约为4个数量级。因此，一个好的显示器至少要达到人眼同时可以感知的亮度范围，才能更加真实的表达现实世界的色彩程度。HDR可以在显示器上最大程度还原自然场景的动态变化对比，而且显示器的HDR参数越高，呈现的画面越具真实感和层次感，观看屏幕的舒适度越高，是一种提升亮度适应性的技术手段。
图6：自然界亮度的动态范围显示与人类视觉能力的比较
图源：IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2016, 26 (1): 63-75.
2.2.2 眩光
眩光是一种生活中广泛存在的现象，由于视野中的光强度分布不均，而引起的视觉不舒适并降低物体可见度的视觉效应。屏幕眩光进入人眼，人眼难以适应亮度范围如此大的瞬间亮度变化，造成人眼无法看清显示屏的视频图像。并且由于过高的亮度和多处亮的光源照射眼睛，引起人眼的视觉不舒适、视觉模糊，并带来人体或神经的舒适等问题。屏幕使用防眩光涂层可以降低屏幕的镜面反射带来的眩光，提升屏幕使用的舒适度。
图7：显示屏在强烈光源下的照片，有眩光现象
图源：液晶与显示, 2024, 39 (9): 1192-1204. Fig.7
2.3.1 频闪
频闪是指光源在发光周期内光的不断波动造成的屏幕闪烁。屏幕的光源本身并不会闪烁，但是，显示屏为了实现屏幕动画的播放，需要亮度明暗的变化，因此才设置了光源驱动电路实现对光源的快速关闭与开启的控制。如图8所示，将手机屏幕亮度逐渐调低，使用超短的曝光时间（1/8000秒）拍摄屏幕，能看到屏幕出现了更多亮线的移动，这就是对脉冲宽度调制驱动技术引起的频闪直观的观察。
常用的驱动调光方式有直流驱动和脉冲宽度调制驱动。直流驱动光源通过调节电流大小来实现亮度的调节，亮度可调节范围小，但是可以做到没有频闪问题，对眼睛的伤害较小。脉冲宽度调制驱动技术通过周期性改变电流的通过时间，控制背光光源灯亮、灯灭交替来调节亮度。当闪烁速率超过了临界闪烁融合速率（50 - 90 Hz），人眼是无法识别到闪烁状态的，误以为屏幕一直在亮，其实此时的显示屏一直处于频闪状态。
图8：改变屏幕亮度，在曝光时间:1/8000秒下拍摄手机屏幕的照片
图源：The Ocular Surface, 2023, 28: 213-252.
美国IEEE电力电子学会标准委员会在2015年提出了LED闪烁调制对观众健康影响的推荐规范一文中，指出光源频闪与偏头痛、视觉疲劳与不适等神经学疾病有密切关系，长期接触频闪严重的屏幕将加重视力疲劳，严重的会使人眼造成错觉。根据IEEE照明标准，频闪频率高于3125 Hz属于无风险，1250 Hz - 3125 Hz之间属于低风险，低于1250 Hz以下会对眼睛有一定风险。为了实现健康显示，可采用DC调光消除频闪或使用PWM高频的无风险调光。
2.3.2 屏幕刷新率
刷新率指显示屏每秒更新图像的次数，以赫兹为单位。一般来说，刷新率越高，图像显示越平滑，可以带来更好的视觉体验；刷新率低可能会导致图像闪烁或不稳定，影响人眼的舒适度并引起眩晕。使用更高刷新率（120 - 240 Hz）的显示器能带来画面更流畅的视觉体验，符合健康显示的需求。
本文阐述了健康显示的概念和技术需求，并总结了健康显示未来的研究方向，例如综合光谱调节和亮度控制，在保证光谱适应性的基础上，优化显示器在不同的光照条件下的视觉舒适；实现显示屏色彩表现力与视觉疲劳的协同优化；综合优化整机视觉体验，通过人机交互界面和用户反馈系统，提升用户长时间使用的视觉健康和舒适感等。同时，我们也希望本文能够引起业界专家的重视，通过显示厂商和自媒体宣传相结合，将健康显示的知识传递给显示领域的从业者和重视健康显示的消费者，为缓解显示带来的近视等健康问题提供更多解决方案。
论文信息
邹文聪,景宇宇,韩登宝,等.健康显示：从概念到技术需求[J].液晶与显示, 2024,39(9):1192-1204.
https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2024-0189
通讯作者
邹文聪，深圳创维-RGB电子有限公司光学专家，高级工程师。致力于LCD及OLED显示技术与产品开发相关工作，参与多项省、市技术攻关等科研项目。先后获得广东省科技进步二等奖、深圳市科技进步奖一等奖、深圳市科技进步奖二等奖。获得多项发明专利，参与电子视像协会行业标准讨论与编写。主导OBM自制OLED模组的开发，完成近多款自制OLED电视产品上市，填补了国内OLED自制行业的空白。
E-mail: zouwencong@skyworth.com
季洪雷，TCL电子液晶背光专家，电子元器件专业正高级工程师。2010年8月加入TCL电子有限公司工作，主要从事显示新材料应用，健康显示及人因工效学的相关研究。作为项目负责人完成了科技部战略性先进电子材料重点专项“量子点背光关键技术开发及应用示范项目”，开发了全球首款搭载钙钛矿量子点和量子点扩散板的量子点电视。先后获得福建省科学技术进步二等奖、广东省科学技术进步三等奖、中国有色金属协会科学技术进步一等奖、广东省电子信息行业科学技术进步一等奖、粤港澳大湾区专利高价值专利大赛金奖等技术奖励。近年来在Optical Materials Express、《中国光学（中英文）》等刊物上发表论文17篇，申请专利52项，其中第一发明人10项。兼任国际电工（IEC）标准委员会TC110组专家、SID北京分会技术委员、全国纳米标准委员会技术委员，参与主导制订国际标准2项，团体标准4项。
E-mail:jihl@tcl.com
监制：张莹