从专利角度浅谈电子屏幕护眼技术

国家知识产权局专利局电学发明审查部 田书凤

在如今网络学习不可避免的情形下，使用护眼的电子显示屏幕是缓解儿童视力问题的关键之一。本文从电子屏幕护眼技术的需求现状出发，通过对护眼技术相关专利文献的检索、筛选和分析，总结出实现护眼功能的若干途径，希望在父母为儿童的网络学习选购护眼的电子产品时，能够为其提供一些技术参考，也为护眼电子产品厂商提供技术改进方面的思路。

1 电子屏幕护眼技术的需求现状

随着电子产品的发展，纸质书籍和线下课堂已不再是儿童获取知识的唯一途径。尤其是2020年上半年新冠肺炎疫情造成学校停课，网络学习和“云端”教学更是成为了孩子们的日常。即使是现在疫情好转之下，为了使孩子掌握更多的知识和技能，父母也大都为孩子选择报名课外培训机构。由于线上课程和教学启蒙App的价格和交通成本等方面的优势，其在今后仍会是儿童进行课外学习的一种方式。网络学习需要借助于电子屏幕的显示，但众所周知，电子屏幕对于儿童的视力存在不可忽视的影响，许多儿童甚至在学龄前就开始出现视力问题，因此电子屏幕的护眼性能是父母在为孩子选购电子产品如平板电脑时必然考虑的因素，而且从国家层面来讲，对于儿童的视力健康也是非常重视的，2021年3月9日国家卫健委网站发布通知称，成立国家儿童青少年视力健康管理专家咨询委员会。不难看出，护眼性能好的电子产品必然更受青睐。

为了吸引消费者，现在市场上的电子产品说明中也会标注“护眼高科技”等宣传用语，但是对于跨行业的普通消费者来说，可能并不清楚商家所称的“护眼高科技”高在何处。而专利文献是技术信息最有效的载体，据百度百科的记载，其囊括了全球90%以上的最新技术情报，相比一般技术刊物所提供的信息早5～6年。通过对专利技术的分析，可以了解该技术领域创新发展的现状以及预测其发展趋势，因此，笔者从专利技术角度出发，选取普通消费者能够理解的一些专利技术进行分析，从中总结出几种护眼性能实现的途径，希望普通消费者在了解这些途径之后能够更为专业地与商家进行产品咨询，不被虚假广告所蒙蔽，同时也为护眼电子产品厂商提供技术改进方面的思路。

2 电子屏幕的护眼专利技术

2.1 数据检索与分析方法

对于中国（含国外申请人在中国的申请、国内申请人申请）专利数据信息，选用中国专利文摘数据库（CNABS）进行检索；对于全球专利数据，选用世界专利文摘数据库（SIPOABS）、德温特世界专利索引数据库（DWPI）进行检索。

中文检索关键词包括：面板，屏，平板，护，眼，视力，防，近视；

英文检索关键词包括：panel，screen，display，protect+，eye？，eyesight，myopia，short sight。

通过检索，获取与护眼电子屏幕相关的专利文献，对这些专利文献进行筛选、分析，找出能够易于被普通消费者理解的代表性专利进行分析，总结出护眼性能实现的若干途径。

2.2 电子屏幕护眼性能实现的途径

2.2.1 基于不同的显示原理

目前市场上的电子产品的显示屏幕，尤其是平板电脑等学习用电子产品的显示屏幕，仍是以液晶显示为主，其利用液晶分子在电场作用下的排列方向改变，而使背光模组中的光源透过率改变，实现信息显示，液晶材料的作用类似于“光阀”。这里所说的不同的显示原理，是指不同于液晶显示。

（1）彩色电子墨水屏

电子墨水屏又被称为电子纸显示技术，如图1所示，其通过控制微囊内带电的白色、黑色微小粒子，粒子带有正负电荷，通过控制微囊正面和底部电路，根据正负电荷互相吸引，同极性电荷互相排斥的原理，对白色和黑色粒子进行上下控制来实现，获得黑、白、灰三种颜色，相当于黑白印刷的纸质书，由于采用反射自然光而不是主动射出光的方式，使人眼观看到的屏幕亮度与环境一致，从而不刺激视锥细胞，起到护眼的作用。但是，要用于网课学习，在护眼的同时，仅有黑、白、灰三种颜色还不够，需要实现电子墨水屏的彩色显示。

图1 黑白电子墨水结构示意图

CN111965914A公开了一种彩色电子墨水屏，具有数个像素点，每个所述像素点由数个微囊组成，且每个所述微囊内具有数种光基色粒子，对于光基色粒子的颜色，可以为不同的颜色，例如，每个所述微囊中的光基色粒子为红色、绿色、蓝色与白色四种颜色中的至少两种。将微囊内不同光基色粒子带上正负电荷，在微囊的正背面电极通上正负电荷，使得微囊内不同光基色粒子发生上下迁移，以改变微囊显示颜色，而且通过电压控制，获得每个像素中不同颜色微囊的不同比例，并对应灰阶值，即形成一定灰阶控制，从而形成混光效果。

此外，CN205139545U公开了一种彩色电子阅读显示屏，其实现原理与电子墨水屏实际上相同，如图2所示，显示板为由多个显示单元105排列构成的矩阵结构，显示单元105包含3个两两相邻设置且横截面为正六边形结构的显示格106，显示格106包含透明储料格1，3个显示格106的储料格1内的带电粉料3的颜色分别为红色、黄色和蓝色，加载电压使得带电粉料3向上或向下移动，能够调整不同颜色之间的深浅度，以搭配出各种色彩。

图2 CN205139545U附图

（2）全彩LED显示

全彩LED显示屏的成像原理是：将红光LED、绿光LED和蓝光LED 构成一个像素单元，即GRB像素单元，一个GRB像素单元对应显示一个最小成像单元，红光、绿光和蓝光复合形成全彩色光。全彩LED显示屏由多个这样的像素单元组成矩阵排列结构，通过控制系统调控GRB像素单元中的红光LED、绿光LED和蓝光LED的亮灭显示全彩色信息。对人眼有害的波段的光如波长在415-455nm之间的短波蓝光可以通过LED的波长设计予以消除。CN 112234051A公开了一种四基色像素单元的全彩LED显示屏，用波长为385-415nm的紫光LED和波长为470-500nm的青光LED替换蓝光LED，复合形成全彩色光，其中复合形成的蓝光对人眼无害，而且波长为385-415nm的紫光还可以防止人眼近视。

（3）热敏变色显示

热敏变色材料是指具有热致变色性能的材料，热变色性质分为可逆性和不可逆性两类。CN107844454A公开了一种利用热敏变色显示的全屏护眼阅读器，其采用外界自然光的反射实现阅读，具体结构及显示方式如图3所示。

图3 CN107844454A附图

如图3所示，包括壳体1、保护屏11和按键，保护屏11下方平行设置显示屏，显示屏包括承载板2，其两端设置由电脑芯片3调节运转的驱动辊21；两个驱动辊21之间套设有柔性显示环带4，其上等距阵列设置热敏变色珠，其包括保温材料做成的壳体，壳体内填充热敏变色粉末，热敏变色粉末低温呈淡绿色，高温呈黑色；电致冷片5热端设置导热板51，冷端设置冷却板52，导热板51上等距排布加热柱头6，各加热柱头6与控制单元61电性连接，在控制单元61调节下，沿自身轴向弹出、缩进，控制单元61与电脑芯片3电性连接；电脑芯片3与一个数据传输口电性连接，按键与电脑芯片3电性连接。通过数据传输口向电脑芯片3传输各类文章、稿件或书籍，电脑芯片3通过控制驱动辊21的转速和控制单元61的工作，实现文字的显示：高温的加热柱头6将其正对的热敏变色珠加热变色，形成与其他部位明显不同的颜色，于是形成了文字信息；阅读后的文字从保护屏11的上端转移到后板42，冷却板52持续的低温使得变色的热敏变色珠恢复原来的色彩，此时文字被清除。

2.2.2 引导锻炼眼部肌肉的护眼策略

有文献称，观看电子屏幕时，如果眼睛长期聚焦于同一点，眼部肌肉和眼膜组织长时间保持在基本相同的状态，使得眼部肌肉和眼膜组织记忆并基本固定在该状态，之后在看较远或较近的物体时，眼部肌肉和眼膜组织无法或很难收缩或拉伸到一定的状态，眼睛就出现物体看不清的问题，导致近视或远视的产生。从这一点出发，出现了主动放松、锻炼眼部肌肉以缓解眼部疲劳的护眼技术。

CN211980054U公开一种显示装置，如图4所示，包括光源1、透明的曲率转换件2及透反件3，光源1是显示设备在进行画面显示时发出的偏振光，曲率转换件2的曲率可调，起到可变曲率的凸面镜或凹面镜的功能，作为凸面镜时，后续形成的显示虚像较小且距离人眼较近，作为凹面镜时，后续形成的显示虚像较大且距离人眼较远，透反件3为具有半透半反功能的膜层或玻璃板。依据平视显示器的原理进行设计，光源1显示的画面通过透反件3反射至人眼在透反件3的背面一定距离处形成悬浮的、一定大小的显示虚像a，同时在光源1显示的画面投射到透反件3的过程中，曲率转换件2的曲率变化导致了偏振光投射到透反件3上的角度，从而调节透反件3形成的悬浮显示虚像a的大小和位置，避免人眼长期聚焦于一点导致的晶状体老化受损。

图4 CN211980054U附图

CN207764399U公开一种变焦护眼屏，如图5所示，包括框架1，其内表面设置固定槽8，固定槽8内从前到后依次设置有显示屏6、第一变焦透镜5、第一弹性变焦驱动管4、第二变焦透镜3和第二弹性变焦驱动管2，第一弹性变焦驱动管4和第二弹性变焦驱动管2均设置有进液端口分别连接微型双向驱动泵7的两侧端口，第一弹性变焦驱动管4、第二弹性变焦驱动管2和微型双向驱动泵7内设置有驱动液体。微型双向驱动泵7在驱动电路控制下，能够通过对第一弹性变焦驱动管4和第二弹性变焦驱动管2内的驱动液体控制充盈状态，改变第一变焦透镜5和第二变焦透镜3的相对距离，使焦距发生相应变化，在变焦作用下使得图像投影在视网膜上的聚焦状况跟随着变化，迫使睫状肌不断地收缩、放松。调节过程是一个缓变过程，使用者感觉不到屏幕图像清晰发生变化，使图像始终呈现出清晰的效果。

图5 CN207764399U附图

2.2.3 针对液晶屏的防蓝光护眼策略

（1）改进背光模块

图6所示是液晶显示面板的一种示意性结构图。

图6 液晶显示面板示意性结构图

液晶显示面板包括背光模块1和液晶面板2，还可包括反射片12和扩散片13等其他元件。背光模块1包括多个LED 11以提供背光，液晶面板2用以显示影像。容易理解的是，可以针对LED 11进行改进，使其所发出的光的波长范围偏移出对人眼有害的短波蓝光的波段，以降低对视网膜细胞的伤害，保护眼睛，而且因为不需采用可吸收或反射蓝光的材料来实现抗蓝光功能，可避免由这些材料所带来的显示亮度减低和色彩偏差问题。

（2）改变供电模式

通过降低输出到蓝色像素的电压信号可以实现对显示画面中蓝色光线光强的控制，起到护眼的作用。但是，在液晶显示产品中，液晶的响应时间与像素电极电压负相关，且与所有像素中的最慢响应时间相对应，于是液晶的响应时间随着蓝色像素电压被调低而增大，较长的响应时间会造成画面拖影问题。此外，单纯减少蓝色像素透过率的结构，在显示时蓝色像素亮度的降低会影响显示质量。

CN106873264A公开了一种液晶显示面板的像素充电方法，其中用于向蓝色子像素单元供电的像素电极分为相互绝缘的两部分，即第一像素电极和第二像素电极。向第一像素电极供电0V，其所对应的液晶不发生偏转；对第二像素电极充电至数据电压，其所对应的液晶按照数据电压所对应的角度进行偏转，使蓝色子像素单元以较低的透过率发光，以此实现降低蓝光的穿透，达到护眼的目的。由于传输至第二像素电极的数据电压不需要降低，所对应的液晶的响应时间不会由于数据电压的降低而延长。通俗地讲就是，相比于将电压将至一半开启半个液晶“光阀”，不降低电压使液晶“光阀”的一半开启，达到相同的蓝光透过率的情况下，响应时间不会被延长。

CN107450212A公开了一种显示面板像素驱动方法，蓝色像素包括多种蓝色子像素，不同种蓝色子像素对应的蓝光的透光比不相同，根据不同的显示要求开启蓝光透光比不同的蓝色子像素，无需调整像素的驱动电压便可以调整蓝光透光比，保护人眼不被蓝光伤害，且不会出现显示画面的拖影和变色。

（3）内置或外置防蓝光层

这种方式是比较常见的护眼形式，从硬件层面和软件层面均可以实施。从硬件层面来说，有防蓝光的屏幕贴膜、防蓝光玻璃或集成于电子产品内部的蓝光吸收层、蓝光转换层、蓝光滤除部件如谐振腔层，等。从软件层面来说，采用纯软件方案，在显示屏幕显示的最顶层提供虚拟悬浮窗或显示护眼用图像，增加护眼、滤镜功能，过滤对人眼伤害较大的蓝光，实现了护眼功能。

2.2.4 针对观看距离和时长的护眼策略

通过距离传感器或其他的距离检测方式，实时感知使用者与电子屏幕之间的间距，在距离过近时，进行相应的处理，例如发出提示以提醒使用者、调整分辨率或屏幕颜色配置、控制屏幕亮度或黑屏等。CN109828665A公开人眼与显示器屏幕间的距离调整方法，其中若屏幕与目标人脸之间的实际距离不在预设距离范围内，则利用电机驱动电路驱动显示器屏幕调整与目标人脸之间的距离。

为了控制观看电子屏幕的时长，可以借助定时装置或时间识别模块，当观看屏幕的时间达到预设的时间阈值时，进行提醒、息屏、播放预设动画界面以引导用户眼球随其指引移动或其他相应的处理，例如CN211878392U公开的电子显示屏，通过控制显示器前面的电致变色玻璃板每隔一定时间定时变为不透明状态，防止儿童长时间使用该电子产品。CN103472918A公开的护眼显示装置中，在计时器计时对应于正常眨眼频率的某一预设时间内，图像传感器未检测到用户眨眼动作，则控制器生成关断控制信号发送给显示模组，以关断显示模组某一预设时间例如1至2s，用户由于显示模组关断的影响，会本能地产生一次眨眼动作，从而实现了强制用户眨眼，进而实现了减小眼睛疲劳，预防视力下降。

2.2.5 其他护眼策略

（1）提高观看舒适度

环境光照以及电子屏幕的眩光和反光也会影响视力，一般的液晶显示面板出射光为线偏振光，容易造成视觉疲劳，也有专利文献对此进行了改进。

CN107193151A公开一种液晶显示屏护眼光栅，用于将液晶显示器输出的偏振光改变为自然光，如图7所示，护眼光栅主要包括：透明基底11、透明封装板21、用于改变出射光偏振状态的液晶材料31、间隔柱60；透明封装板21和透明基底11上下封装在一起，间隔柱60固定透明封装板21和透明基底11之间的高度，液晶材料31填充于透明封装板21和透明基底11之间。通过在液晶显示屏的最外层设计这道光栅，将液晶显示屏原有偏振片1和偏振片2所产生的偏振光通过该光栅在空间上共混，最终人眼所感受到的光线即为所有偏振方向都存在的自然光。保护观看者眼睛。

图7 CN107193151A附图

（3）增加视力恢复功能

韩国已授权专利KR101847088B1提供了一种屏幕护眼技术，其中增加发射700nm以上波长远红外线的LED单元500，如图8所示，LED单元500附于薄膜单元600，其原理是：当远红外线照射到人体细胞时，激活现有细胞中的线粒体，不发挥作用的细胞也慢慢地再生，因此保护视力和改善眼健康。

图8 KR101847088B1的附图

由于是对眼球的直接照射，对于远红外线的波长范围的选取是必须谨慎的。CN110680687A中记载了红外线的作用机理及眼损伤，认为：医用红外线可分为近红外线与远红外线；近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5μm即760nm～1500nm，穿入人体组织较深，约5～10mm，远红外线或称长波红外线，波长1.5～400μm即1500～400000nm，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2mm；近红外线对眼的损害主

此外，还有以下护眼途径：利用环境光传感器感知环境光感强弱信息以对显示屏的显示参数进行调节，使显示屏的显示参数适应环境光的变化情况，显示效果随着环境的变化而同步变化，减少对用户眼睛的刺激；根据周围环境亮度信息为全反射屏进行智能补光，增加屏幕亮度；对显示屏的表面进行加工处理，或者设置散光层和防眩光层，例如起漫反射光源效果的磨砂层，以减少直射进入眼睛光线的眩光和反光，提高人眼的舒适度。

（2）改进液晶组合物

通常液晶层包括液晶与其它材料例如液晶载体的混合物，对于利用环境光作为光源来实现画面显示的反射式液晶显示器，如果液晶载体的透过率较低，会使得经过液晶层的光透过率较低，在无背光支持的情况下，显示亮度偏暗。CN109897645A提供的一种用于显示面板的液晶组合物，在光照条件下，光响应化合物的异构结构发生转变，在此情况下，其可改变非共价键的键能，使得组合物由凝胶状态转为透明状态，提升透过率；而在光照减弱的条件下，化合物的异构结构再次发生转变，再次改变非共价键的键能，使得组合物由透明状态转为凝胶状态，降低透过率，要是热损伤效应，红外线通过振动传播，被组织吸收而使分子运动增加，引起升温效应，按眼球组织对近红外线选择性吸收的特点，热损伤可分为角膜损伤、晶状体损伤和视网膜损伤。

结语：本文从对电子显示屏幕的护眼需求出发，通过对护眼技术相关专利文献的检索、筛选和分析，总结了实现护眼功能的若干途径，包括采用基于不同显示原理的护眼屏幕、引导锻炼眼部肌肉的护眼策略、针对液晶显示屏的防蓝光方面的一些护眼策略以及其他护眼策略。从对上述专利技术的分析可以看出，护眼技术的改进点大多在于防蓝光方面，同时眼睛长期聚焦于同一点导致的视力问题也不容忽视。希望本文能够为家长选购护眼电子产品提供一些技术参考，也为护眼电子产品厂商提供技术改进方面的思路。