LED背光液晶屏的低色溫調節及光譜分析

1 引 言

2017年權威數據顯示，全球智能手機用戶數量已達36.66億，其中中國用戶為9.24億。中國消費者人均每天面對屏幕8.9 h，其中使用智能手機、筆記本電腦、平板電腦、電視的時間分別為3.0，2.2，1.6，2.1 h。近年來隨著CIE(國際照明委員會)、IEC(國際電工技術委員會)、世界衛生組織等權威機構的呼吁[1-2]，照明與顯示中的光生物安全廣受關注。顯示器的藍光危害及節律效應已成為當前研究熱點[3-4]。

要定量分析顯示器的藍光危害及節律效應，需采集其光譜分布數據，調節顯示器色溫可直接改變光譜形狀。目前已有多篇文章對不同色溫顯示器光生物安全進行了研究報道[5-8]，但均未給出詳細的色溫調節方法；相關研究結論為顯示器的藍光危害及節律效應隨著色溫的降低而減弱[9-11]。如何便捷準確地調節出超低色溫，對顯示中的光生物安全意義重大。LED背光液晶屏在當前顯示設備中占絕對優勢[12]。本文以8位LED背光液晶屏為研究對象，結合自制手機屏幕藍光吸收膜，給出該屏幕超低色溫的調節方法，并對不同色溫光譜進行比較分析，可為相關研究提供參考。

2 色溫調節及低色溫獲得方法

2.1 色溫調節方法

本研究對象為一款全球知名品牌手機，其屏幕為8位LED背光液晶屏，屏幕主要參數如表1所示。利用目前廣泛應用的圖像處理軟件Adobe Photoshop設置不同色溫色塊。通過RGB顏色模式，設置RGB數值(8位色顯示，RGB數值取值范圍均為0～255)。設置好的顏色截圖作為被測色塊，將色塊傳送至被測手機。在手機顯示屏上全屏顯示色塊，不同色塊對應不同色溫。利用該方法可設置手機LED背光液晶屏色溫。

表1 LED背光液晶屏主要參數

Tab.1 Main parameters of LED backlight LCD

利用上述方法，通過杭州慧譜儀器有限公司的SPEC-3000A型積分球光譜儀測試顯示屏上色塊的色溫，多次修正RGB數值，可調節LED背光液晶屏得到目標色溫。利用該方法，在未附加任何光學器件的LED背光8位色液晶屏上，分別調節6 500，5 000，4 100，3 400，27 00，2 300，1 900，1 200 K色溫。不同目標色溫對應色塊如圖1所示，由圖1可直觀體驗不同色溫的視覺感受。利用上述方法調節LED背光液晶屏至不同目標色溫，積分球光譜儀測試對應實測色溫、目標色溫與實測色溫間的相對誤差及RGB數值,見表2。

由表2可見，8個實測色溫與目標色溫均非常接近，最大絕對誤差為目標色溫4 100 K時，實測色溫高于目標色溫24 K，但對應相對誤差僅為0.58%。8個實測色溫與目標色溫的平均相對誤差為0.4038%，平均絕對誤差為10.125 K。由此可見該方法可實現LED背光液晶屏色溫調節，且精度較高。由RGB數值可見，LED背光液晶屏色溫由6 500 K調節至1 200 K過程中，在R值不變的情況下，G值與B值隨著色溫的降低均依次減小。

圖1 不同目標色溫對應色塊

Fig.1 Color areas of different target color temperature

表2 不同目標色溫LED背光液晶屏對應三基色值

Tab.2 Three primary color value of LED backlight LCD under different target color temperature

利用SPEC-3000A光譜輻射測試系統，采集不同色溫下LED背光液晶屏光通量、輻通量、中間視覺光通量(MES2)、暗明比S/P、瞳孔流明，結果見表3。由表3可見，光通量與中間視覺光通量(MES2)隨色溫的減小快速下降；瞳孔流明隨色溫的減小，下降速度較慢；暗明比S/P隨色溫的減小而上升；色溫由6 500 K減小至3 400 K過程中，輻通量由0.004 W下降至0.002 W。色溫由3 400 K下降至1 900 K過程中，輻通量保持0.002 W不變。當色溫減小至1 200 K時，輻通量下降為0.001 W。

表3 不同色溫下LED背光液晶屏光度參數

Tab.3 Photometric parameters of LED backlight LCD under different color temperatures

圖2 不同色溫LED背光液晶屏光譜分布

Fig.2 Spectra distribution of LED backlit LCD under different color temperatures

不同色溫LED背光液晶屏380～780 nm可見光波段光譜分布如圖2所示。由圖2直觀可見三基色光譜分布，RGB三基色峰值分別約為613,540,446 nm。不同色溫下613 nm紅光峰值相等即為光譜分布歸一化處理，對應于上文表1中不同色溫下R值均為255。由圖2可見，隨著色溫的降低，藍光與綠光峰值均依次減小，二者相比藍光峰值隨色溫的降低快速下降。為了探究該液晶屏色溫能否進一步降低，對1 900 K與1 200 K對應藍光與綠光波段局部放大，如圖2插圖所示。由插圖可知，1 200 K時藍光與綠光峰均消失，色溫無法進一步降低。

利用OSRAM COLOR CALCULATOR色度分析軟件，根據圖2數據可得對應1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標，將不同色溫LED背光液晶屏色坐標標注在色度圖上，如圖3所示。由圖3可見，6 500,5 000,4 100,3 400,2 700,2 300 K對應點均能落在黑體輻射軌跡上，即可調節至白平衡[13]；然而1 900 K與1 200 K對應點無法調節至黑體輻射軌跡上(在圖3中用橢圈重點標注)，即兩色溫均為相關色溫，此時液晶屏未達到白平衡。且色溫由1 900 K降至1 200 K時，偏離黑體輻射軌跡距離急劇增大。故上述色溫調節方法不能獲得白平衡下低于1 900 K色溫。

圖3 不同色溫LED背光液晶屏對應1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標

Fig.3 1931 CIE-XYZ standard chromaticity system color coordinates of LED backlit LCD under different color temperatures

2.2 低色溫獲得方法

為使LED背光液晶屏在白平衡下獲得低色溫，我們利用有機高分子藍光吸收粉自制了手機屏幕藍光吸收膜，其透射率見圖4。

由圖4可見，該手機膜透射率最小值為6.2%，對應波長為408 nm。由上文可知該液晶屏RGB三基色峰值分別約為613，540，446 nm，根據圖4得三基色峰值對應透射率分別為37.6%、31.4%、18.6%。結合上文可知8位LED背光液晶屏色溫調節方法是：將RGB三基色劃分為256等份，在R值不變的情況下，降低G值，特別是B值。由表2可見，當色溫調節至1 900 K時B值已經下降至1。該自制手機屏幕藍光吸收膜具有降低B值的效果，故有助于獲得低色溫。

圖4 自制手機屏幕藍光吸收膜透射率

Fig.4 Transmission of self-made anti-blue light film for mobile phone screen

表4 不同目標色溫LED背光液晶屏對應三基色值(增加了自制手機屏幕藍光吸收膜)

Tab.4 Three primary color value of LED backlight LCD under different target color temperature(increase the blue light absorption film of self-made mobile phone screen)

在LED背光液晶屏上粘貼自制手機屏幕藍光吸收膜，利用上文所述方法，設置不同RGB值色塊，調節LED背光液晶屏色溫。通過積分球光譜儀測試不同目標色溫對應實測色溫、目標色溫與實測色溫間的相對誤差及RGB數值，見表4。

由表4可見最低色溫可調節至1 000 K。10個實測色溫與目標色溫均非常接近，最大絕對誤差為目標色溫6 500 K時，實測色溫高于目標色溫14 K，但對應相對誤差僅為0.21%。10個實測色溫與目標色溫的平均相對誤差為0.349%，平均絕對誤差為7.1 K。粘貼自制手機屏幕藍光吸收膜后誤差參數均優于表2。

將粘貼自制手機屏幕藍光吸收膜后采集的不同色溫LED背光液晶屏光譜分布數據，利用色度分析軟件處理，得到對應1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標。在色度圖上標注不同色溫LED背光液晶屏光譜分布對應色坐標點，如圖5所示。色溫6 500～1 000 K的10個對應點均能落在黑體輻射軌跡上，即調節至白平衡狀態。

圖5 不同色溫LED背光液晶屏對應1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標(增加了自制手機屏幕藍光吸收膜)

Fig.5 1931 CIE-XYZ standard chromaticity system color coordinates of LED backlit LCD under different color temperatures(increase the blue light absorption film of self-made mobile phone screen)

3 光譜采集與分析

3.1 不同色溫光譜分布

增加自制手機屏幕藍光吸收膜后，不同色溫LED背光液晶屏380～780 nm可見光波段光譜分布見圖6所示。

圖6 不同色溫LED背光液晶屏光譜分布(增加了自制手機屏幕藍光吸收膜)

Fig.6 Spectra distribution of LED backlit LCD under different color temperatures(increase the blue light absorption film of self-made mobile phone screen)

受薄膜干涉、積分球反射、四氟乙烯光衰減膜的影響，圖2中光譜分布曲線出現振蕩。為了消除該影響，使光譜分布曲線平滑，此處是將SPEC-3000A光譜輻射測試系統光纖探頭從積分球上拆卸下來，直接采集光譜數據。利用該方法采集到了低至1 000 K的LED背光液晶屏光譜分布數據。由圖6可見，10條不同色溫光譜分布曲線光滑清晰，特別是1 200，1 100，1 000 K 3個低色溫光譜分布,540 nm綠光峰清晰可見。

3.2 不同色溫光譜比較分析

利用SPEC-3000A光譜輻射測試系統及色度分析軟件，對增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后不同色溫LED背光液晶屏光譜分布進行分析。未增加自制手機屏幕藍光吸收膜時，由于1 900 K與1 200 K屏幕無法調節至白平衡，故此處只分析6 500～2 300 K 6個色溫。增加自制手機屏幕藍光吸收膜后，10個色溫屏幕均可調節至白平衡，故可分析6 500～1 000 K 10個色溫。

圖7分別給出了增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后 LED背光液晶屏1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標Z值、色容差、主波長、色純度、峰值波長、質心波長、半峰寬、顯色指數Ra隨色溫的變化情況。

由圖7(a)可見色坐標Z值隨色溫的增加而增大，色坐標Z值代表光譜中藍光含量，即LED背光液晶屏藍光危害隨色溫的增加而增大，另外，增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，同一色溫下色坐標Z值幾乎不變。色容差是指電腦計算的色彩配方與目標標準的差值，由圖7(b)可見色容差隨色溫的增加先快速減小，然后緩慢上升。在3 400 K處取得最小值，增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，同一色溫下色容差相差不大。此處主波長為光譜分布按CIE標準照明體D65混合匹配出的樣品色對應波長，由圖7(c)可見主波長隨色溫的增加緩慢下降，但未加自制手機屏幕藍光吸收膜時,2 700 K與2 300 K出現躍變，增加藍光吸收膜后僅2 300 K出現躍變。色純度是用來表現色彩的鮮艷和深淺，由圖7(d)可見色純度隨色溫的增加先快速減小，然后快速上升,在2 700 K處取得最小值。增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，色溫大于3 400 K時，同一色溫下色純度幾乎重合。

圖7 LED背光液晶屏色度參數隨色溫變化

Fig.7 Chromaticity parameters vary with color temperature of LED backlit LCD

由圖7(e)結合圖6、圖2可見，色溫小于4 100 K時，峰值波長為613 nm紅光峰，色溫大于5 000 K時，峰值波長為446 nm藍光峰。增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，同一色溫下峰值波長幾乎不變。常通過質心波長研究LED結溫，由圖7(f)可見質心波長隨色溫的增加先快速減小，增加自制手機屏幕藍光吸收膜后，同一色溫下質心波長平均下降15 nm左右。圖7(g)給出了峰值半峰寬，與圖7(e)對應，由圖7(g)可見色溫小于4 100 K時，增加自制手機屏幕藍光吸收膜后，同一色溫下半峰寬減小約4 nm。光源對物體的顯色能力用顯色指數表示，由圖7(h)可見顯色指數Ra隨色溫的增加先快速增大，然后緩慢減小，色溫為2 700 K時，顯色指數Ra達到90，增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，同一色溫下顯色指數變化不大。

4 結 論

通過圖像處理軟件Adobe Photoshop設置顏色RGB數值，在LED背光液晶屏上顯示色塊，即可便捷準確地實現液晶屏色溫調節。直接采用該方法可實現LED背光液晶屏6 500～2 300 K色溫調節。在液晶屏上增加自制手機屏幕藍光吸收膜后，能將LED背光液晶屏調節至1 000 K超低色溫，該色溫調節均能保證白平衡。

通過對增加自制手機屏幕藍光吸收膜前后，不同色溫LED背光液晶屏光譜分析結果可知，1931 CIE-XYZ標準色度系統色坐標Z值、色容差、主波長、色純度、峰值波長、顯色指數Ra受該藍光吸收膜影響不大。增加該藍光吸收膜后，同一色溫下會使質心波長平均下降15 nm；當色溫小于4 100 K時，同一色溫下半峰寬減小約4 nm。

該LED背光液晶屏的低色溫調節方法及光譜分析結論對防藍光膜效果最佳優化及液晶屏相關研究具有參考價值。