显示器的护眼路

信息技术 2023-11-21 362 次浏览 0 条评论 次点赞

Stylistic ST系列是2002 年富士通推出的系列平板电脑,搭载Microsoft Windows XP Tablet PC Edition,有手写识别功能。当时,其核心卖点是配备反射式前灯显示屏,在任何照明条件下都易于阅读;现在,干眼症患者继续用信仰和感觉支持它。

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普遍认为,显示器引起的眼睛疲劳甚至干眼症,主要源于目前广泛使用的液晶显示器之背光源散发较高能量水平的蓝光,给眼睛带来较大的压力。本文简要回顾一下电脑显示器的进化史,以及人们为制造对眼睛友好的显示器所做的努力。


从 CRT 到 LCD


CRT显示器

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CRT显示器(CRT monitor)是一种使用阴极射线管(Cathode-ray tube)的模拟显示设备,通过电子枪将三支电子束引导到数百万个荧光点上使其发光,从而在屏幕上创建可见图像。整个 20 世纪中后期,阴极射线管普遍用于电视和电脑显示器。

2000 年代初,技术进步使平板显示器变得更加普及。这些较新的显示器类型(LCD、等离子和 OLED)不需要大外壳,制造成本低,显示尺寸大,而且更节能。

液晶显示器

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液晶显示器(Liquid-Crystal Display,LCD)是一种利用液晶的电光效应和偏振器的光调制特性的显示器。液晶不直接发光,使用背光或反射器来产生图像。在几乎所有应用中,LCD 屏幕取代了CRT显示器。

CRT 显示器可以比 LCD 屏幕更快地显示/刷新图像,这意味着显示器可以更快地响应输入,并避免 LCD 屏幕中常见的运动模糊问题。CRT 上的颜色范围和对比度通常更好,并且这种类型的显示器支持更深的黑色色调。因此,尽管液晶显示器已经全面取代CRT成为电脑装机的首选,但是在重视色彩表现、需要极高反应速度及低温环境下等特殊用途,如医疗、冶金等,仍需要使用CRT显示器进行作业。

另外,凭借其流畅的体验以及在任何分辨率下运行的能力,CRT 非常适合复古游戏。

液晶面板是液晶显示器的重要组成部分,在很大程度上决定液晶显示器的亮度、对比度、色彩、可视角度等非常重要的性能参数。根据液晶排列模式不同,液晶面板主要有:

  • 面板1:TN(Twisted Nematic),速度最优;
  • 面板2:VA(Vertical Alignment),对比最好;
  • 面板3:IPS(In-plane Switching),视角最广。

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via benq.com

如何选择:各取所好。

电子显示器必须有一种光源来创建用户在设备屏幕上看到的数字图像,不同显示器类型的一个关键区别在于,显示器是基于自发光技术(自己产生光)还是非自发光技术(依赖于单独的光源)。

在非自发光显示器中,LCD是一种非主动发光电子器件,本身并不具有发光特性,LCD显示器可以通过三种不同的照明配置运行,这使其适用于各种环境光条件:

  • 透射式 – 来自背光源的光线穿过 LCD显示器。
  • 反射式 – 环境光提供照明。
  • 透反式 – 将反射光源与透射光源组合使用。

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主流LCD显示器都使用透射式照明,必须依赖背光模组中光源的发射才能获得显示性能,因此LCD的亮度要由其背光模组来决定。目前主要以冷阴极荧光灯和发光二极管光源作为LCD的背光模组光源。背光光源技术主要有:

  • 背光1:CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps,冷阴极萤光灯)
  • 背光2:LED(Light-Emitting Diode,发光二极管)

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LCD显示器各层图示,LED(LED backlight)用于后续各层的背光照明

对于自发光显示器,显示屏中的每个像素在施加电流时能够输出光线,如:

  • 自发光1:QLED(Quantum Dot Light Emitting Diodes,量子点发光二极管)
  • 自发光2:OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)

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OLED显示器各层图示,有机LED发光层(Emitting Layer)为高分辨率图像产生光线

如何选择:各取所好。

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LED、QLED和OLED的对比

就目前市场来看,更多的液晶显示器采用IPS面板和LED背光。更多知识可参考Anne Corning关于显示器分类和工作原理的文章。

蓝光


如上所述,不论采用哪种发光技术,都有来自光源的光线穿过显示器射向您的眼睛,有关液晶显示器光源中的蓝光可导致眼睛疲劳的报道越来越多。一些医学专家担心强光(尤其是蓝光)对人体健康的影响。眼睛疲劳、昼夜节律、睡眠模式中断等问题的出现部分归因于显示屏。

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蓝光是指人眼能够看到且波长接近紫外线的光,因为它具有较高的能量水平,因此一般来说会给眼睛带来较大的压力。许多采用LED背光源的液晶显示器具有高色温显示(白色偏蓝),用户比普通显示器接受到更强的蓝光。

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电脑显示屏光谱图

2020年7月1日开始实施的国家标准GB/T38120-2019《蓝光防护膜的光健康与光安全应用技术要求》明确了对标注防蓝光产品的蓝光透射比要求。该标准将蓝光分为4段:385-415nm(紫外线),415-445nm(有害蓝光)、445-475nm(有益蓝光)、475-505nm(可见绿光)。其中,对每段波长范围的光,都提出了明确的透过率要求:385-415nm波段蓝光透过率应小于75%,415-445nm波段蓝光的透过率应小于等于80%,445-475nm、475-505nm这两个波段范围光线的透过率应大于80%。

解决这个问题的方法包括佩戴防蓝光遮光眼镜,或在液晶显示屏上贴一层吸收蓝光的膜,还可以调整显示器。

根据艺卓的实验结果:如果降低显示器的色温,并将亮度调整到不会造成眼睛疲劳的适当水平,可以减少共60-70%的蓝光。如果您想手动设置,许多第三方软件可以实现这两项调整,比如Iris、f.lux、CareUEyes、Eye Saver、SunsetScreen(如果您想将此结论应用于手机/平板电脑,请在应用商店搜索Blue Light Filter,但据我的有限测试,效果都不理想)。

一些品牌显示器便具备蓝光抑制模式,或以低蓝光认证作为卖点,实际可以利用软件或/及硬件的调整来实现。

  • 软件去蓝光:直接过滤400-500nm蓝光波段,导致画面偏黄;
  • 硬件去蓝光:改变面板背光源的硬件结构,从而减少短波蓝光。

还有一些方案,想彻底解决显示器的蓝光问题,甚至使用反射式照明,干脆去掉背光。


护眼显示器


除了文章开始提到富士通推出配备反射式前灯显示屏的平板电脑,在二手市场被干眼症患者视为宝藏,持续有一些对显示和光源技术的革新出现,比如自然背光显示器、电子墨水屏显示器和反射式液晶显示器。

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自然背光显示器

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Eazeye是一个自然背光显示器项目,直接将液晶显示器的背光灯取消掉,试图通过反光板来让它继续可用,甚至为此发起了Indiegogo众筹

电子墨水屏显示器

更有生产规模的是电子墨水屏(E Ink)显示器。

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“掌握核心技术”的元太科技最新发布E Ink Spectra 6技术,目标是取代纸质海报,达到类似于彩色报纸的视觉体验;而Gallery 3是色彩丰富的全彩电子纸,支援快速翻页。大上科技推出inkNote Color+,能够显示超过5,000种不同的颜色组合及简单的视频播放和动图播放。

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Dasung于2021年首次推出25.3英寸电子墨水屏显示器Paperlike 253D。2023年与日本E Ink产品专卖店SKT公司合作,更在日本发布衍生版本Dasung Paperlike 253U,成为有史以来的首款曲面 E Ink 显示器。

电子墨水屏幕往往比其他显示器显示更少的颜色,并且显示器刷新率通常太慢,无法流畅播放动画、视频播放或高动态游戏。直白地说,即使是彩色墨水屏,刷新率过低,色彩不够吸睛,在移动设备或是办公设备领域是看不到希望了。而且普遍较少提到的一点,墨水屏的寿命是100万次刷新,有一个有趣的计算,100万次刷新寿命只够持续看十多天视频。

反射式液晶显示器

反射式液晶显示器(Reflective LCD,RLCD)是一种没有背光,直接通过反射环境光来充当屏幕光源的显示技术,可根据有无辅助光源细分为被动式RLCD和主动式RLCD。

  • 机身轻薄、功耗低(vs LCD)
  • 低蓝光,健康护眼(vs 传统背光)
  • 响应速度快、色域高(vs 电子墨水屏)

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TCL 2020年发表采用RLCD的NXTPAPER 1.0。但2023年上市NXTPAPER 2.0技术不再使用RLCD,而是在 LCD 上覆盖涂层,通过自然光点亮屏幕,无需 LED 背光,从而杜绝有害蓝光。新产品包括手机和平板电脑,如TCL NXTPAPER 12 Pro

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香港Eyemoo公司众筹方式发布NXT EPaper S1,是全球首款采用RLCD萤幕而又具备前灯的10吋彩色平板电脑。“如果您认为只有 E Ink 显示技术最适合您的眼睛,那么新款 Eyemoo NXT Epaper S1 平板电脑可能会迫使您重新考虑您的选择。”

据信Eyemoo团队是由TCL、BOE(京东方)和海信的业界资深人士组成,BOE和TCL有专门研发RLCD技术,带前置光源的反射式显示技术是BOE成功研发的前沿显示技术;而TCL及海信在过去数年皆有推出RLCD平板。

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是的,海信早在2020年推出一款10.3英寸平板电脑Q5,配置 RLCD 屏幕,但没有灯光和彩色,太暗的画面是最直观也是被提及最多的一点。

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从意境图片可以看出,rE Monitor需要明亮的环境光。

经纬辉开(300120)子公司新辉开(New Vision Display)2022 年 2 月 3 日宣布推出Sun Vision Display(SVD)32 英寸电脑显示器rE Monitor,采用全彩反射式 LCD技术,报价 1,949 美元。

SVD专注于户外大尺寸 RLCD 创新,32 英寸和 43 英寸 RLCD 产品是 SVD 团队唯一关注的事情,没有生产小尺寸RLCD显示器或者消费平板电脑的计划,并且其官网仅限向美国和英国客户销售。但这可能是唯一量产的反射式液晶显示器。

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观看SVD 32 英寸RLCD电脑显示器的测评

选用指南


自然背光显示器、电子墨水屏显示器和反射式液晶显示器等对眼睛友好显示器的探索或许对人体健康真正有益,但到目前为止,主流传统显示器厂家都没有介入。至多是飞利浦发布了一款双屏显示器24B1D5600/96,包括左侧有一个 24 英寸全彩液晶显示器(基于LED背光和IPS面板,QHD),右侧有一个 13.3 英寸黑白电子墨水屏(EPD,UXGA)。

Philips Dual screen display

电子墨水屏显示器和反射式液晶显示器的共通理念是反射式显示器技术,即将光线照射在屏幕上而不是射向您的眼睛。

  • 电子墨水屏显示器刷新率低,颜色少,更适用于显示文字;成品较多,价格较高。
  • 反射式液晶显示器刷新率高,颜色多,用途广泛;成品极少,尚需等待。

反射式液晶显示器的体验


我们咨询过SVD的销售总监David Sexauer,但没有得到他的中国团队关于购买rE Monitor的回复,于是转而测试一款全手工打造的反射式液晶显示器。

全手工打造的反射式液晶显示器

  • BOE液晶显示面板,FHD(1080p)、 @144Hz 和 HDR 提供更广泛范围内的亮度和颜色信息;
  • 嘉润源液晶驱动板,MStar方案;
  • 直流电源供电,无频闪;
  • 自然背光,类似前述Eazeye的原理和效果;
  • OSRAM卤素灯珠条和SunLike灯珠条,反射光,色温3000K,可调电源无极调光。

为了自然采光和嵌入灯条,显示器做成一个55.5cm x 44.5cm x 6.5cm大的黑盒子,正中是52.5cm x 29.5cm的显示面板,屏占比大约63%,按比例画了上面的示意图。

简单试用结果:

  1. 外观傻大黑粗,做工极为粗犷;
  2. 自然背光对环境要求太高,如果没有阳光明媚的窗口应该放弃;
  3. 点亮卤素灯珠条发热量高,烫到不能触摸,加上漏光致光污染严重,不易接受;
  4. 点亮SunLike灯珠条发热量尚可,但据说没有卤素灯珠条照明护眼;
  5. 所有照明方式都致背光欠均匀;
  6. 主体感觉能够减轻眼疲劳。
👍

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