显示屏节能降耗环保要求

1、核心提示：随着LED发光器件性能提高，为了让信息在白天高背景亮度的情况下可识别度高，LED显示屏企业不断提高LED 显示屏的发光亮度，问题是，在夜晚背景下，户外明亮的LED显示屏如果不降低亮度，就会给观看者带来刺眼的感觉，尤其夜晚公路边过亮的显示屏会影响司机视觉和正常驾驶；社区周边的广告显示屏光污染会影响居民的正常生活。 前言       随着LED发光器件性能提高，为了让信息在白天高背景亮度的情况下可识别度高，LED显示屏企业不断提高LED 显示屏的发光亮度，问题是，在夜晚背景下，户外明亮的LED显示屏如果不降低亮度，就会给观看者带来刺眼的感觉，尤其夜

2、晚公路边过亮的显示屏会影响司机视觉和正常驾驶；社区周边的广告显示屏光污染会影响居民的正常生活。实际上，无限制地提高LED输出光的强度甚至足以导致对人眼造成伤害，应该采取防护措施防止未经保护的眼睛直视LED时长超过数秒。我身边就有同事，在测试LED显示屏过程中由于缺乏安全防护知识，没有采取防护措施而引发了严重的干眼症。目前，这类疾病一旦引发，便不可逆转，也没有有效的医疗方法。 1LED显示屏对人眼健康的影响因素    为了找寻安全亮度设计规范，提供安全防护方案，首先应该分析LED 显示屏的光线对人眼发生作用的机理。LED显示屏光线对眼的作用因素受到显示屏LED辐照度

3、、照射时长（辐照能量）、LED亮度、LED波长、闪烁频率、LED光的集中度（视角分布）、环境亮度等多种因素的影响，亦与观看者眼睛的瞳孔大小、色素种类与含量多少和眼屈光状态等有关。（1）辐照度、辐照量     LED光的强弱通常用辐照度表示。辐照度(irradiance，亦称功率密度)表示照射到表面单位面积上的辐射功率，单位为瓦平方米(Wm2 )或瓦平方厘米(Wcm2)。计算公式：辐照度=辐射功率照射面积     某段照射时间内的光强度通常用辐射能量(radiation energy，Q)表示，单位焦耳(J)或毫焦耳(mJ)。辐照量(r

4、adiant exposure)(亦称能量密度)表示照射到表面单位面积上的辐射能量，单位焦耳平方米(Jm2 )或焦耳平方厘米(Jcm2 )。计算公式：辐照量= 辐射能量照射面积对于LED的辐射能量、辐射功率与照射时间(T)三者之间的关系为：辐射能量=辐射功率×照射时间。当光辐射功率1 W，照射时间1 S时，其光辐射能量为1 J。    在相同照射条件下，随着光照射剂量的增加，眼损伤发生率增多，损伤程度加重 。非连续光，脉冲宽度越宽，频率越高，输出功率越强，对人眼伤害越大。（2）光度量（LED亮度、波长） 图1 视见函数V()-曲线   

5、;  如图1所示，在可见光波长范围内，由于人眼视觉细胞的生理特性，相同能量不同波长的可见光作用到视觉细胞后，人眼却感受到它们的强度是不同的，也就是说，射入人眼相同能量、不同波长的可见光，人眼感觉却认为它们的亮度不同。在可见光谱中，人眼对光谱中部（黄绿色）最敏感，越靠近光谱两端，越不敏感。在引起相同的视觉响应条件下，若光波长为的光所需要的光辐射功率为P()，而对光波长为555nm的光（人眼对此波长的光最敏感）所需要的光辐射功率为P(555)，则定义 V()=P(555)/P() 为波长的视见函数。波长为555nm的光的视见函数值为1，其他波长的视见函数值都小于1，不可见光的视见函数值为

6、0。     短波长蓝色LED发出的光，即使辐照度与明亮的黄绿色相同，但给人眼的亮度感觉却是不怎么亮，这就导致蓝色光的危害不易被察觉。蓝色波长的LED光比绿色光更易产生安全隐患，更易于不知不觉对眼睛形成伤害。根据光波能量原理，波长越短，光子能量越强。同样数量的光子，短波长比长波长能量大，也就是说，相同数量的光子数辐射，短波长蓝色光的危害更大。（3）LED光的集中度（视角分布）     LED的光输出功率在各方向上并不是均匀分布的，通过不同角度观看LED显示屏会得到不同的亮度感受（辐射能量），所以说，通过控制LED的光分布，使其分布在期

7、望的方向，就可以避免光污染。使LED输出光线均匀分布，也可以避免强烈的光过于集中而对眼睛造成伤害。（4）环境亮度     人眼对亮度的感知是动态的，就像照相机的自动感光调节装置（光圈），人眼可以快速扫描环境亮度并调节瞳孔大小以便于适应环境照度。实验结果显示，调节并适应高亮度环境只需要几秒（小于一分钟），但是，从高亮度环境调节到低亮度环境却要经历被较长的过程，根据起始亮度不同，人眼调节时间需5分钟以上，为了适应完全黑暗的环境，最长时，人眼需要30分钟才能看清周围物体。当LED显示屏的亮度与其环境亮度的反差比较大时，为同时适应LED显示屏和环境亮度，人眼瞳孔需要不停地

8、调节，以便于适应亮暗、亮暗不停地变化，才能看清屏幕。这势必造成眼睛瞳孔调节滞后与亮度变化，大量的LED光辐射能量进入眼底，对眼底组织造成伤害。（5）人眼的瞳孔大小    瞳孔大小不同，直接影响光进入眼底的多少。由于亮暗不同环境中人眼瞳孔差异较大，造成视网膜相同程度损伤所需的照射剂量可相差几个数量级。也就是说，在亮环境下，LED光最多使人感觉不适，但是，在暗环境下，LED光却可以对眼睛造成不可逆转的伤害。这就是为什么显示屏的亮度应该严格与环境亮度匹配的原因。（6）闪烁频率    LED显示屏的低频闪烁会导致眼睛瞳孔不停调节，试图适应闪烁时的亮暗变化，导致观

9、看者产生更强的不适感。    低频闪烁同时会导致，以LED显示屏为背景的视频拍摄画面图像产生滚动条纹，影响LED显示质量。(7)眼睛的生物特性 图2 人眼各层组织对紫外线吸收率()示意图    如图2所示，因眼组织对不同波长光的反射、吸收和透射率不同，因而不同波长光对眼损伤的部位也不同。角膜对波长短于280 nm的远紫外线吸收率接近100 ，随着波长的增加，吸收率减少，透过率增加；因此紫外光主要造成角膜和晶状体的损伤。 图3 眼介质对光的透射率    如图3所示，400900 nm可见光波段上眼介质的光透过率高达8

10、0 以上，且变化小；在近红外波段，一般趋势是波长越长，透过率越小。因而LED可见光主要损伤视网膜和脉络膜。由于这两层组织含有大量的色素和血管，故低剂量光照射就可造成较重损伤。     LED的工作波长主要为可见光。可见光(visible light)，是人眼可以看到的电磁辐射，波长范围400700 nm。由于眼对不同波长光的反射、透射和吸收率不同；眼内不同色素的光谱吸收峰亦不同，因而在临床中不同颜色的强光LED会对人眼的不同组织造成伤害。     眼组织中含有三种色素可以吸收光能量。黑色素存在于视网膜的色素上皮层和脉络膜内；血色素存在

11、于血液中；叶黄素存在于黄斑区、白内障和浑浊的玻璃体内。不同色素的吸收光谱不同，叶黄素吸收峰在4OO nm左右，对蓝光吸收最高，对绿光部分吸收，对黄光完全不吸收。黑色素吸收峰在510 nm左右，对可见波段均有一定吸收，但对蓝、绿光吸收高于其他波长。血色素吸收峰在570 nm左右，对黄光吸收最高，对绿光有一定吸收，对红光吸收很少。这种各种色素的吸收特性决定不同波长的LED可能对不同组织造成伤害。由于色素组织极易吸收光，眼底的色素含量越多，越易引起视网膜的损伤。（8）眼的屈光状态     对一个正视眼来说，平行的光束经过眼的自然聚焦，焦点会直接落到视网膜上，形成小的光斑

12、，与屈光不正眼相比更容易造成眼底损伤。 2 LED安全显示相关的参数设置方法和安全防护措施（1） 根据环境亮度调整LED屏幕亮度    亮度调整的主要目的是根据环境光强弱，调整LED整屏亮度，使LED显示屏看上去既清晰明亮又不刺眼。国内大部分LED显示屏生产企业已经实现了这一功能，但是真正用好这一技术的企业和用户并不多，一方面，市场上缺乏准确易用的环境亮度检测设备，另一方面，LED显示屏行业缺乏可供参考的调节规范。 图4 环境亮度与显示屏亮度的对应关系     如图4所示，当人眼适应了800坎德拉每平方米的环境亮度之后，能看

13、清的亮度范围是80-8000坎德拉每平方米。任何超出此亮度范围的显示内容都需要人眼努力调节才能适应，并逐渐看清。例如，在室外5000坎德拉每平方米的亮度环境下，便于观看的显示设备亮度范围大致是500-50000坎德拉每平方米，在此环境下若想清晰辨认60坎德拉每平方米的手机内容，就需要人眼努力调节数秒钟才能逐渐适应，就是这个道理。     依照此理论，可以建立LED显示屏亮度调节方法设计规范。根据环境亮度使灰度范围落在适合人眼舒适观看的范围内。尤其是夜晚，显示屏的最大亮度应该小于10倍环境亮度。 图5环境亮度与显示设备最佳输出亮度之间的关系  &

14、#160;   图5是一天中从凌晨到午夜24小时环境亮度变化曲线以及与之相对应（主观感受的）LED显示屏最佳亮度设置曲线。从测试结果可知，一天中室外的环境亮度变化非常明显，晴天时，最亮时的亮度与最暗时的亮度比可达30000比1。对应的LED显示屏亮度设置变化也超出想象。夜晚环境时LED显示屏设置到60cd就感觉LED屏幕足够亮了，但是到白天正午时分，即使5000-6000cd都不够亮。亮暗差别接近100倍。     由于没有规范约束，许多室外LED显示屏夜晚显示非常刺眼的亮度，给周围环境造成严重的光污染，给周围居民带来无形伤害。建议尽快建立行业标准，约束

15、企业行为，强制企业安装亮度调节装置。LED显示屏在使用过程中，应该依照行业标准，根据环境亮度变化自动调节LED显示屏的亮度输出等级，在黑暗环境禁止LED显示屏输出高亮度。（2）规范LED显示屏的蓝色输出     人眼对不同波长的光感知能力不同，由于亮度是基于人眼睛感知特性的参数，仅仅用亮度无法准确反映光线的强弱。用辐照量作为可见光安全能量衡量指标，更能准确反映光对眼睛作用的剂量。应该用辐照度计量设备的测量值，而不是眼睛对蓝色光的亮度感觉，作为判读蓝色光输出强度是否会对眼睛构成伤害的依据。LED显示屏生产企业和使用者应该在满足显示的条件下，减少LED显示屏的蓝光输出

16、成分。（3）规范LED显示屏的光照分布和方向     应该尽量考虑LED的光线分布合理性，在可视角度范围内使LED输出的光线能量各方向均匀分布，避免小视角LED强光直射人眼。同时，应该限定LED光线照射方向和范围，减小LED显示屏对周围环境的污染。（4）规范显示屏输出频率     LED显示屏厂家应该严格按照LED显示屏规范的要求设计显示屏，显示屏画面输出频率满足规范要求，避免由于画面闪烁给观看者带来不适感。（5）在LED显示屏使用手册中明示安全措施     在LED显示屏用户手册中应注明使用注意事项，说

17、明正确调节LED显示屏亮度的方法，以及长时间直视LED显示屏对人眼可能造成的危害。当亮度自动调节设备故障时，应采取手动调节方式或者关闭LED显示屏。     当在黑暗环境下遇到刺眼的LED显示屏时，自我保护措施应该是，不要长时间直视LED显示屏或者仔细辨认LED显示屏上的画面细节，尽量避免LED经眼睛聚焦后在眼底形成亮斑，灼伤视网膜。     以下是日本日亚（Nichia）公司在LED手册上注明的相关注意事项。 （6）LED显示屏设计、生产过程的防护措施     设计、生产人员会比用户更频繁地接触LED显示屏。在设计、生产过程中需要测试LED超负荷运行状态。因此，设计、生产人员跟容易暴露在LED强光下，更应注意并采取特殊的LED显示屏设计、生产过程的防护措施。     LED在室外高亮度LED显示屏生产和测试过程中，相关工作人员应该佩戴亮度衰减4-8倍的黑色墨镜，才可以近距离观看LED显示屏细节。在室内L