LED顯示屏安全亮度設計思考

文章來源:恒光電器

發布時間:2013-10-14

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 前言

      隨著LED發光器件性能提高，為了讓信息在白天高背景亮度的情況下可識別度高，LED顯示屏企業不斷提高LED 顯示屏的發光亮度，問題是，在夜晚背景下，戶外明亮的LED顯示屏如果不降低亮度，就會給觀看者帶來刺眼的感覺，尤其夜晚公路邊過亮的顯示屏會影響司機視覺和正常駕駛；社區周邊的廣告顯示屏光污染會影響居民的正常生活。

實際上，無限制地提高LED輸出光的強度甚至足以導致對人眼造成傷害，應該采取防護措施防止未經保護的眼睛直視LED時長超過數秒。我身邊就有同事，在測試LED顯示屏過程中由于缺乏安全防護知識，沒有采取防護措施而引發了嚴重的干眼癥。目前，這類疾病一旦引發，便不可逆轉，也沒有有效的醫療方法。

1．LED顯示屏對人眼健康的影響因素

    為了找尋安全亮度設計規范，提供安全防護方案，首先應該分析LED 顯示屏的光線對人眼發生作用的機理。LED顯示屏光線對眼的作用因素受到顯示屏LED輻照度、照射時長（輻照能量）、LED亮度、LED波長、閃爍頻率、LED光的集中度（視角分布）、環境亮度等多種因素的影響，亦與觀看者眼睛的瞳孔大小、色素種類與含量多少和眼屈光狀態等有關。

（1）輻照度、輻照量

     LED光的強弱通常用輻照度表示。輻照度(irradiance，亦稱功率密度)表示照射到表面單位面積上的輻射功率，單位為瓦／平方米(W／m2 )或瓦／平方厘米(W／cm2)。計算公式：輻照度=輻射功率／照射面積

     某段照射時間內的光強度通常用輻射能量(radiation energy，Q)表示，單位焦耳(J)或毫焦耳(mJ)。輻照量(radiant exposure)(亦稱能量密度)表示照射到表面單位面積上的輻射能量，單位焦耳／平方米(J／m2 )或焦耳／平方厘米(J／cm2 )。計算公式：輻照量= 輻射能量／照射面積

對于LED的輻射能量、輻射功率與照射時間(T)三者之間的關系為：輻射能量=輻射功率×照射時間。當光輻射功率1 W，照射時間1 S時，其光輻射能量為1 J。

    在相同照射條件下，隨著光照射劑量的增加，眼損傷發生率增多，損傷程度加重 。非連續光，脈沖寬度越寬，頻率越高，輸出功率越強，對人眼傷害越大。

（2）光度量（LED亮度、波長）

圖1 視見函數V(λ)--λ曲線

     如圖1所示，在可見光波長范圍內，由于人眼視覺細胞的生理特性，相同能量不同波長的可見光作用到視覺細胞后，人眼卻感受到它們的強度是不同的，也就是說，恒光，射入人眼相同能量、不同波長的可見光，人眼感覺卻認為它們的亮度不同。在可見光譜中，人眼對光譜中部（黃綠色）最敏感，越靠近光譜兩端，越不敏感。在引起相同的視覺響應條件下，若光波長為λ的光所需要的光輻射功率為P(λ)，照明方案，而對光波長為555nm的光（人眼對此波長的光最敏感）所需要的光輻射功率為P(555)，則定義 V(λ)=P(555)/P(λ) 為波長λ的視見函數。波長為555nm的光的視見函數值為1，LED照明企業，其他波長的視見函數值都小于1，不可見光的視見函數值為0。

     短波長藍色LED發出的光，即使輻照度與明亮的黃綠色相同，但給人眼的亮度感覺卻是不怎么亮，恒光電器,照亮您的生活，這就導致藍色光的危害不易被察覺。藍色波長的LED光比綠色光更易產生安全隱患，更易于不知不覺對眼睛形成傷害。

根據光波能量原理，波長越短，光子能量越強。同樣數量的光子，短波長比長波長能量大，也就是說，相同數量的光子數輻射，短波長藍色光的危害更大。

（3）LED光的集中度（視角分布）

     LED的光輸出功率在各方向上并不是均勻分布的，通過不同角度觀看LED顯示屏會得到不同的亮度感受（輻射能量），所以說，通過控制LED的光分布，使其分布在期望的方向，就可以避免光污染。使LED輸出光線均勻分布，也可以避免強烈的光過于集中而對眼睛造成傷害。

（4）環境亮度

     人眼對亮度的感知是動態的，照明方案，就像照相機的自動感光調節裝置（光圈），LED照明品牌，人眼可以快速掃描環境亮度并調節瞳孔大小以便于適應環境照度。實驗結果顯示，調節并適應高亮度環境只需要幾秒（小于一分鐘），但是，從高亮度環境調節到低亮度環境卻要經歷被較長的過程，根據起始亮度不同，人眼調節時間需5分鐘以上，為了適應完全黑暗的環境，最長時，人眼需要30分鐘才能看清周圍物體。

當LED顯示屏的亮度與其環境亮度的反差比較大時，為同時適應LED顯示屏和環境亮度，人眼瞳孔需要不停地調節，恒光電器，以便于適應亮暗、亮暗不停地變化，才能看清屏幕。這勢必造成眼睛瞳孔調節滯后與亮度變化，大量的LED光輻射能量進入眼底，對眼底組織造成傷害。

（5）人眼的瞳孔大小

    瞳孔大小不同，直接影響光進入眼底的多少。由于亮暗不同環境中人眼瞳孔差異較大，造成視網膜相同程度損傷所需的照射劑量可相差幾個數量級。也就是說，在亮環境下，LED光最多使人感覺不適，但是，在暗環境下，LED光卻可以對眼睛造成不可逆轉的傷害。這就是為什么顯示屏的亮度應該嚴格與環境亮度匹配的原因。

（6）閃爍頻率

    LED顯示屏的低頻閃爍會導致眼睛瞳孔不停調節，試圖適應閃爍時的亮暗變化，導致觀看者產生更強的不適感。

    低頻閃爍同時會導致，以LED顯示屏為背景的視頻拍攝畫面圖像產生滾動條紋，影響LED顯示質量。

(7)眼睛的生物特性

圖2 人眼各層組織對紫外線吸收率(％)示意圖

    如圖2所示，因眼組織對不同波長光的反射、吸收和透射率不同，因而不同波長光對眼損傷的部位也不同。角膜對波長短于280 nm的遠紫外線吸收率接近100％ ，恒光電器,照亮您的生活，隨著波長的增加，吸收率減少，透過率增加；因此紫外光主要造成角膜和晶狀體的損傷。

圖3 眼介質對光的透射率