1. 引言
LED作为一种半导体发光器件，一经问世便以其节能、环保、寿命长、高亮度、低功耗等特点[1] ，广泛应用于各种显示、照明和装饰等领域。高分辨率大尺寸LED点阵彩色显示屏因其特有的高亮度、广色域、高对比度等优势在众多场合中受到人们青睐。同时，该类显示屏对人眼的光生物安全性问题也受到人们重视：作为一种窄波段、高亮度的半导体发光器件，LED显示屏是否会对人眼造成伤害？与传统的显示器件相比，大尺寸LED显示屏的视网膜光生物安全性如何？
文献[2] 现行的国际标准CIE S 009/E:2002(也即国家标准GB/T 20145-2006)附录中对生物学效应做了如下描述(表1[2] )。
由于LED彩色显示屏一般都属于可见光的范围，为了比较大尺寸LED彩色显示屏与其他典型的显示器件对人眼光生物安全性影响的差别，本文主要针对表1中的光致视网膜炎(也即蓝光危害)和视网膜热损伤(也即热危害)两个方面，依据文献[2] 所述国际标准，建立了用于大尺寸LED彩色显示屏的光生物安全性的客观评价模型，对LED彩色显示屏进行了测试，并选取了两台等离子(PDP)电视和液晶(LCD)电视样机进行了比对测试。
2. 基于光生物安全性的评价模型
文献[2] 国际现行标准CIE S 009/E:2002(也即国内标准GB/T 20145-2006)，对灯和灯系统的光生物安全性及评测方法和模型进行了定义，其中关于可见光对视网膜的影响具体如2.1和2.2节所述。
2.1. 视网膜蓝光危害及评价模型
蓝光危害是由波长主要介于
与
的辐射照射后引起的光化学作用，导致视网膜损伤的潜能[2] 。为了防止长期受到蓝光辐射的视网膜产生视网膜光化学损伤，光源的光谱辐亮度与蓝光危害函数
加权积分后的能量，依据文献[2] ，需要满足下面式(1) [2] 、式(2) [2] 限值：
(1)
(2)
式中：
Table 1. The photobiological safety description in CIE S 009/E:2002
表1. CIE S 009/E:2002中关于生物学效应的描述
为光谱辐亮度，单位为
；
为蓝光危害加权函数；
为波长带宽，单位为
；
为辐射持续时间，单位为
。
2.2. 视网膜热危害及评价模型
为了防止视网膜热损伤，依据文献[2] ，热危害加权辐亮度
不应该超过下面的式(3) [2] 限值：
(3)
式中：
为光谱辐亮度，单位为
；
为热危害加权函数；
为波长带宽，单位为
；
为观察持续时间，单位为
；
为光源对边角，单位为
。
上面提到的蓝光危害加权函数
和热危害加权函数
可以表示为图1。
2.3. 大尺寸LED显示屏的视网膜蓝光危害和热危害评价模型
上述2.1和2.2小节的蓝光危害和热危害评价模型是基于单个光源建立的。本小节将分析并建立基于大尺寸LED显示屏的蓝光危害和热危害评价模型。
由于LED显示屏相当于均匀面“光源”，所以显示屏的尺寸不会影响光谱辐亮度。接下来将分析显示屏的尺寸是否会影响人眼感知的辐照度。
人眼属于成像光学系统，根据文献[3] 中成像系统像平面的辐照度相关推导[3] ，可知辐照度
和辐亮度
满足式(4)[3] ：
(4)
其中，
为成像物镜的透过率，
为数值孔径。
从式(4)可以看出，对于大尺寸光源，人眼接收到的辐照度和辐亮度成正比，和光源尺寸无关。
Figure 1. Weighted function of human retina hazard
图1. 对视网膜危害的光谱加权函数
此外，式(3)及文献1中定义了光源对边角
及计算方法。根据LED显示屏常用的4:3或16:9模式，以及电视领域的最佳观看距离为4~6倍显示器对角线长度，可以推算出此时的对边角
均略大于
。而文献1中明确指出，对于对边角大于
的可视光源，对视网膜危害的曝辐限值与光源尺寸无关，本文将统一使用
。
所以，结合式(1)~式(3)，可以建立如下LED显示屏的视网膜蓝光危害指数
(式5)和热危害指数
(式6)：
(5)
(6)
式(5)~(6)中，
为光谱辐亮度，单位为
；
为蓝光危害加权函数；
为热危害加权函数；
为波长带宽，单位为
；
为持续观察时间，单位为
。
本文将使用该模型对大尺寸LED彩色显示屏的视网膜危害进行分析。
3. 实验系统
3.1. 被测显示屏参数
实验选取大尺寸LED显示屏、等离子(PDP)电视、液晶(LCD)电视系统各一套。大尺寸LED显示屏选用点距为1.67 mm的表贴彩色显示屏，由4 × 4个LED箱体拼接而成；
等离子(PDP)电视为一台50英寸的等离子电视；液晶(LCD)电视由2 × 2个46英寸的CCFL背光液晶电视拼接而成。被测显示屏的参数对比详见表2。
3.2. 实验系统搭建
本次实验旨在研究在同等条件下，三台被测显示屏对人眼视网膜蓝光危害和热危害的差异。
实验在暗室中进行[4] ，根据文献[4] 中符合国际测量标准的分光式彩色亮度计测量显示屏的亮度和色
坐标，并利用光谱辐射亮度测量装置对显示屏的光谱辐射亮度进行测量。彩色亮度计和光谱辐射亮度测量装置都进行了计量校准。亮度计的亮度的灵敏度为
，色坐标
的最大允差分别为
，光谱范围
。在实验开始时，分别将LED显示屏、等离子(PDP)电视、液晶(LCD)电视开机预热至稳定状态；之后，分别将三台被测显示屏调至相同白场、相同亮度
输出(多次测量取平均值[5] -[7] ，实测数据详见表3)，依次测量每一组白场对应的光谱辐亮度曲线。根据文献3本实验所用白场为6500 K和9300 K两种色温[8] ，共得到两组曲线(图2)。
亮度相对不确定度2%
，色坐标不确定度0.003 
[6] [7] 。
光谱辐射亮度测量结果如图2所示。
4. 视网膜光生物安全性分析
在表2所示的测试条件下，对显示屏的光谱辐射亮度分别进行测量，根据式(5)和式(6)，对光谱辐射亮度进行加权后，得到数据曲线如图3所示。
对光谱辐射亮度加权后进行积分计算，可以得到被测显示屏在相应亮度和白场条件下的视网膜蓝光危害指数
和热危害指数
，计算结果如表4所示。
不确定度分析(表5[6] [7] )。
Table 2. Parameters of the three displays
表2. 被测显示屏参数
Table 3. Measurement data of three displays at 6500 K and 9300 K color temperature
表3. 三台被测显示屏在6500 K和9300 K色温的测量数据
(a) 6500 K (b) 9300 K
Figure 2. The spectral luminance curves of three displays at 6500 K/9300 K, and 160 cd/m2 luminance
图2. 被测显示屏在色温6500 K和9300 K，亮度为160 cd/m2的光谱辐亮度曲线
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 3. The spectral luminance curves of three displays weighted by the retina hazard function: (a) The blue hazard weighted curve at 6500 K; (b) the heat radiation hazard weighted curve at 6500 K; (c) The blue hazard weighted curve at 9300 K; (d) the heat radiation hazard weighted curve at 9300 K
图3. 对视网膜危害的光谱加权函数：(a) 6500 K蓝光危害加权；(b) 6500 K热危害加权；(c) 9300 K蓝光危害加权；(d) 9300 K热危害加权
Table 4. The retina hazard index of three displays at the same brightness and white point
表4. 被测显示屏在相同的白场和输出亮度下的视网膜危害指数
Table 5. Measurement uncertainty analyzing [6] [7]
表5. 不确定度分析[6] [7]
5. 结论
依据现行的国际标准CIE S 009/E:2002 (也即国家标准GB/T 20145-2006)，对大尺寸LED彩色显示屏进行了人眼光生物安全的测量分析，同时选择了两台等离子(PDP)电视和液晶(LCD)电视样品进行了测试，并将这三种彩色显示屏的测试结果进行了比较。结果表明，三种不同的显示屏样品，在同样的亮度和白场条件下，在蓝光波段，虽然LED显示屏的峰值辐亮度比其他两种样品要高，但其窄波段的特点使其加权积分后所得的视网膜危害指数并不高于等离子(PDP)电视和液晶(LCD)电视，三种不同显示屏视网膜光生物安全测量数据没有显著差异，三台样品中，LED显示屏的测量结果甚至优于其它两种显示屏。
NOTES
*通讯作者。