LED背光液晶屏的低色温调节及光谱分析

1 引 言

2017年权威数据显示，全球智能手机用户数量已达36.66亿，其中中国用户为9.24亿。中国消费者人均每天面对屏幕8.9 h，其中使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑、电视的时间分别为3.0，2.2，1.6，2.1 h。近年来随着CIE(国际照明委员会)、IEC(国际电工技术委员会)、世界卫生组织等权威机构的呼吁[1-2]，照明与显示中的光生物安全广受关注。显示器的蓝光危害及节律效应已成为当前研究热点[3-4]。

要定量分析显示器的蓝光危害及节律效应，需采集其光谱分布数据，调节显示器色温可直接改变光谱形状。目前已有多篇文章对不同色温显示器光生物安全进行了研究报道[5-8]，但均未给出详细的色温调节方法；相关研究结论为显示器的蓝光危害及节律效应随着色温的降低而减弱[9-11]。如何便捷准确地调节出超低色温，对显示中的光生物安全意义重大。LED背光液晶屏在当前显示设备中占绝对优势[12]。本文以8位LED背光液晶屏为研究对象，结合自制手机屏幕蓝光吸收膜，给出该屏幕超低色温的调节方法，并对不同色温光谱进行比较分析，可为相关研究提供参考。

2 色温调节及低色温获得方法

2.1 色温调节方法

本研究对象为一款全球知名品牌手机，其屏幕为8位LED背光液晶屏，屏幕主要参数如表1所示。利用目前广泛应用的图像处理软件Adobe Photoshop设置不同色温色块。通过RGB颜色模式，设置RGB数值(8位色显示，RGB数值取值范围均为0～255)。设置好的颜色截图作为被测色块，将色块传送至被测手机。在手机显示屏上全屏显示色块，不同色块对应不同色温。利用该方法可设置手机LED背光液晶屏色温。

表1 LED背光液晶屏主要参数

Tab.1 Main parameters of LED backlight LCD

利用上述方法，通过杭州慧谱仪器有限公司的SPEC-3000A型积分球光谱仪测试显示屏上色块的色温，多次修正RGB数值，可调节LED背光液晶屏得到目标色温。利用该方法，在未附加任何光学器件的LED背光8位色液晶屏上，分别调节6 500，5 000，4 100，3 400，27 00，2 300，1 900，1 200 K色温。不同目标色温对应色块如图1所示，由图1可直观体验不同色温的视觉感受。利用上述方法调节LED背光液晶屏至不同目标色温，积分球光谱仪测试对应实测色温、目标色温与实测色温间的相对误差及RGB数值,见表2。

由表2可见，8个实测色温与目标色温均非常接近，最大绝对误差为目标色温4 100 K时，实测色温高于目标色温24 K，但对应相对误差仅为0.58%。8个实测色温与目标色温的平均相对误差为0.4038%，平均绝对误差为10.125 K。由此可见该方法可实现LED背光液晶屏色温调节，且精度较高。由RGB数值可见，LED背光液晶屏色温由6 500 K调节至1 200 K过程中，在R值不变的情况下，G值与B值随着色温的降低均依次减小。

图1 不同目标色温对应色块

Fig.1 Color areas of different target color temperature

表2 不同目标色温LED背光液晶屏对应三基色值

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

利用SPEC-3000A光谱辐射测试系统，采集不同色温下LED背光液晶屏光通量、辐通量、中间视觉光通量(MES2)、暗明比S/P、瞳孔流明，结果见表3。由表3可见，光通量与中间视觉光通量(MES2)随色温的减小快速下降；瞳孔流明随色温的减小，下降速度较慢；暗明比S/P随色温的减小而上升；色温由6 500 K减小至3 400 K过程中，辐通量由0.004 W下降至0.002 W。色温由3 400 K下降至1 900 K过程中，辐通量保持0.002 W不变。当色温减小至1 200 K时，辐通量下降为0.001 W。

表3 不同色温下LED背光液晶屏光度参数

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

图2 不同色温LED背光液晶屏光谱分布

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

不同色温LED背光液晶屏380～780 nm可见光波段光谱分布如图2所示。由图2直观可见三基色光谱分布，RGB三基色峰值分别约为613,540,446 nm。不同色温下613 nm红光峰值相等即为光谱分布归一化处理，对应于上文表1中不同色温下R值均为255。由图2可见，随着色温的降低，蓝光与绿光峰值均依次减小，二者相比蓝光峰值随色温的降低快速下降。为了探究该液晶屏色温能否进一步降低，对1 900 K与1 200 K对应蓝光与绿光波段局部放大，如图2插图所示。由插图可知，1 200 K时蓝光与绿光峰均消失，色温无法进一步降低。

利用OSRAM COLOR CALCULATOR色度分析软件，根据图2数据可得对应1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标，将不同色温LED背光液晶屏色坐标标注在色度图上，如图3所示。由图3可见，6 500,5 000,4 100,3 400,2 700,2 300 K对应点均能落在黑体辐射轨迹上，即可调节至白平衡[13]；然而1 900 K与1 200 K对应点无法调节至黑体辐射轨迹上(在图3中用椭圈重点标注)，即两色温均为相关色温，此时液晶屏未达到白平衡。且色温由1 900 K降至1 200 K时，偏离黑体辐射轨迹距离急剧增大。故上述色温调节方法不能获得白平衡下低于1 900 K色温。

图3 不同色温LED背光液晶屏对应1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标

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

2.2 低色温获得方法

为使LED背光液晶屏在白平衡下获得低色温，我们利用有机高分子蓝光吸收粉自制了手机屏幕蓝光吸收膜，其透射率见图4。

由图4可见，该手机膜透射率最小值为6.2%，对应波长为408 nm。由上文可知该液晶屏RGB三基色峰值分别约为613，540，446 nm，根据图4得三基色峰值对应透射率分别为37.6%、31.4%、18.6%。结合上文可知8位LED背光液晶屏色温调节方法是：将RGB三基色划分为256等份，在R值不变的情况下，降低G值，特别是B值。由表2可见，当色温调节至1 900 K时B值已经下降至1。该自制手机屏幕蓝光吸收膜具有降低B值的效果，故有助于获得低色温。

图4 自制手机屏幕蓝光吸收膜透射率

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

表4 不同目标色温LED背光液晶屏对应三基色值(增加了自制手机屏幕蓝光吸收膜)

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背光液晶屏上粘贴自制手机屏幕蓝光吸收膜，利用上文所述方法，设置不同RGB值色块，调节LED背光液晶屏色温。通过积分球光谱仪测试不同目标色温对应实测色温、目标色温与实测色温间的相对误差及RGB数值，见表4。

由表4可见最低色温可调节至1 000 K。10个实测色温与目标色温均非常接近，最大绝对误差为目标色温6 500 K时，实测色温高于目标色温14 K，但对应相对误差仅为0.21%。10个实测色温与目标色温的平均相对误差为0.349%，平均绝对误差为7.1 K。粘贴自制手机屏幕蓝光吸收膜后误差参数均优于表2。

将粘贴自制手机屏幕蓝光吸收膜后采集的不同色温LED背光液晶屏光谱分布数据，利用色度分析软件处理，得到对应1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标。在色度图上标注不同色温LED背光液晶屏光谱分布对应色坐标点，如图5所示。色温6 500～1 000 K的10个对应点均能落在黑体辐射轨迹上，即调节至白平衡状态。

图5 不同色温LED背光液晶屏对应1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标(增加了自制手机屏幕蓝光吸收膜)

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 光谱采集与分析

3.1 不同色温光谱分布

增加自制手机屏幕蓝光吸收膜后，不同色温LED背光液晶屏380～780 nm可见光波段光谱分布见图6所示。

图6 不同色温LED背光液晶屏光谱分布(增加了自制手机屏幕蓝光吸收膜)

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、积分球反射、四氟乙烯光衰减膜的影响，图2中光谱分布曲线出现振荡。为了消除该影响，使光谱分布曲线平滑，此处是将SPEC-3000A光谱辐射测试系统光纤探头从积分球上拆卸下来，直接采集光谱数据。利用该方法采集到了低至1 000 K的LED背光液晶屏光谱分布数据。由图6可见，10条不同色温光谱分布曲线光滑清晰，特别是1 200，1 100，1 000 K 3个低色温光谱分布,540 nm绿光峰清晰可见。

3.2 不同色温光谱比较分析

利用SPEC-3000A光谱辐射测试系统及色度分析软件，对增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后不同色温LED背光液晶屏光谱分布进行分析。未增加自制手机屏幕蓝光吸收膜时，由于1 900 K与1 200 K屏幕无法调节至白平衡，故此处只分析6 500～2 300 K 6个色温。增加自制手机屏幕蓝光吸收膜后，10个色温屏幕均可调节至白平衡，故可分析6 500～1 000 K 10个色温。

图7分别给出了增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后 LED背光液晶屏1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标Z值、色容差、主波长、色纯度、峰值波长、质心波长、半峰宽、显色指数Ra随色温的变化情况。

由图7(a)可见色坐标Z值随色温的增加而增大，色坐标Z值代表光谱中蓝光含量，即LED背光液晶屏蓝光危害随色温的增加而增大，另外，增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，同一色温下色坐标Z值几乎不变。色容差是指电脑计算的色彩配方与目标标准的差值，由图7(b)可见色容差随色温的增加先快速减小，然后缓慢上升。在3 400 K处取得最小值，增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，同一色温下色容差相差不大。此处主波长为光谱分布按CIE标准照明体D65混合匹配出的样品色对应波长，由图7(c)可见主波长随色温的增加缓慢下降，但未加自制手机屏幕蓝光吸收膜时,2 700 K与2 300 K出现跃变，增加蓝光吸收膜后仅2 300 K出现跃变。色纯度是用来表现色彩的鲜艳和深浅，由图7(d)可见色纯度随色温的增加先快速减小，然后快速上升,在2 700 K处取得最小值。增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，色温大于3 400 K时，同一色温下色纯度几乎重合。

图7 LED背光液晶屏色度参数随色温变化

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

由图7(e)结合图6、图2可见，色温小于4 100 K时，峰值波长为613 nm红光峰，色温大于5 000 K时，峰值波长为446 nm蓝光峰。增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，同一色温下峰值波长几乎不变。常通过质心波长研究LED结温，由图7(f)可见质心波长随色温的增加先快速减小，增加自制手机屏幕蓝光吸收膜后，同一色温下质心波长平均下降15 nm左右。图7(g)给出了峰值半峰宽，与图7(e)对应，由图7(g)可见色温小于4 100 K时，增加自制手机屏幕蓝光吸收膜后，同一色温下半峰宽减小约4 nm。光源对物体的显色能力用显色指数表示，由图7(h)可见显色指数Ra随色温的增加先快速增大，然后缓慢减小，色温为2 700 K时，显色指数Ra达到90，增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，同一色温下显色指数变化不大。

4 结 论

通过图像处理软件Adobe Photoshop设置颜色RGB数值，在LED背光液晶屏上显示色块，即可便捷准确地实现液晶屏色温调节。直接采用该方法可实现LED背光液晶屏6 500～2 300 K色温调节。在液晶屏上增加自制手机屏幕蓝光吸收膜后，能将LED背光液晶屏调节至1 000 K超低色温，该色温调节均能保证白平衡。

通过对增加自制手机屏幕蓝光吸收膜前后，不同色温LED背光液晶屏光谱分析结果可知，1931 CIE-XYZ标准色度系统色坐标Z值、色容差、主波长、色纯度、峰值波长、显色指数Ra受该蓝光吸收膜影响不大。增加该蓝光吸收膜后，同一色温下会使质心波长平均下降15 nm；当色温小于4 100 K时，同一色温下半峰宽减小约4 nm。

该LED背光液晶屏的低色温调节方法及光谱分析结论对防蓝光膜效果最佳优化及液晶屏相关研究具有参考价值。