LED显示屏安全亮度设计思考

文章来源:恒光电器

发布时间:2013-10-14

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 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。

1．LED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、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(W／m2 )或瓦／平方厘米(W／cm2)。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(radiant 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(J／m2 )或焦耳／平方厘米(J／cm2 )。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(λ)--λ曲线

     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，恒光，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λ的光所需要的光辐射功率为P(λ)，照明方案，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(λ)=P(555)/P(λ) 为波长λ的视见函数。波长为555nm的光的视见函数值为1，LED照明企业，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，恒光电器,照亮您的生活，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，照明方案，就像照相机的自动感光调节装置（光圈），LED照明品牌，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调节，恒光电器，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％ ，恒光电器,照亮您的生活，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