夜间模式为什么让屏幕发黄：屏幕光谱、蓝光危害与 PWM 频闪

一句话结论：屏幕蓝光峰约 450–460 nm，按 IEC 62471 比限值低两三个数量级；夜间模式降低蓝光权重，而非消除峰值。

白屏的光谱不是一条平线

把手机调到一张全白图片，屏幕看起来是白的；用光栅分光后，它并不是一条从 400 nm 到 700 nm 都等高的平线。图 1 是一盏 4000 K 白光 LED 的分光照片：左侧有一条窄的蓝带，右侧是一条宽得多的黄绿带。液晶屏的背光常用这类白光 LED，蓝带来自氮化铟镓（InGaN）蓝光芯片，黄绿带来自芯片激发出的荧光粉。蓝光芯片的电光转换效率高，荧光粉把一部分蓝光转换成更长波长的光，两种成分混合后形成白光。LED 的发光机制站内发光二极管（LED）原理已经讲过，这里只把它当作屏幕的光源。

图 1：4000 K 白光 LED 经分光后的光谱照片。左侧窄带是蓝光泵浦，右侧宽黄绿带来自荧光粉；液晶屏的背光常用这类白光 LED。

有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）是另一条路线。红、绿、蓝三个子像素分别发光，光谱里出现三组独立的峰，蓝峰通常在 455–460 nm；液晶显示（liquid crystal display，LCD）的蓝峰则多在 450 nm 附近。峰的宽度和位置决定色域，站内色域原理用色匹配函数算过线宽与色域的关系，这里不再重复。对护眼讨论重要的是另一件事：蓝峰落在哪里、有多高，而不是屏幕看起来有多白。

色温描述的是白点的颜色，不是蓝峰的位置。6500 K 的白点偏冷，2700 K 偏暖；把色温调低，红、绿、蓝三个通道的相对强度变了，白点向暖端移动，但蓝光芯片或蓝色发光材料的峰值波长并没有被搬到长波。这个区别是后面理解夜间模式的关键。

蓝光危害怎么算：B(λ) 与 IEC 62471

蓝光危害不是“蓝光看起来刺眼”，而是波长约 400–500 nm 的光在视网膜上引发光化学反应的潜在能力。IEC 62471 用一条权重函数 \(B(\lambda)\) 描述这种能力：435–440 nm 最大，取 1.00；向短波和长波两侧迅速下降。图 2 画出了 380–500 nm 的 \(B(\lambda)\)。

图 2：IEC 62471 / ICNIRP 的蓝光危害权重函数 \(B(\lambda)\)。峰值在 435–440 nm；常见显示屏的蓝峰在 450–460 nm，落在权重曲线刚过峰值的肩部。

把屏幕的光谱辐亮度 \(L_\lambda(\lambda)\) 逐波长乘以 \(B(\lambda)\) 再求和，就得到蓝光危害加权辐亮度 \(L_B\)：

\(L_B\) 的单位是 \(\mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\)。它和普通亮度不是一回事：亮度按人眼视见函数 \(V(\lambda)\) 加权，峰值在 555 nm；\(L_B\) 按 \(B(\lambda)\) 加权，峰值在 435–440 nm。两块亮度相同的屏，如果一块的蓝峰更窄、更靠近 435 nm，\(L_B\) 会更高。

IEC 62471 对大面积光源的限值写成

超过 \(10^4\) s 的长时间观看则要求 \(L_B\le100\ \mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\)。按 \(L_B\) 的大小，标准把光源分成四个风险组：

表 1：IEC 62471 的蓝光危害风险组（大面积光源，观察距离 0.2 m）。

这套限值有一个容易忽略的适用条件：IEC 62471 的对象是灯和灯系统，不是显示屏；把屏幕代进 \(L_B\) 是量级评估，不是逐台认证。限值针对急性暴露，ICNIRP 也明确说它不覆盖长期、重复、亚阈值的暴露。所以“低于限值”只能说明急性余量很大，不能推出终身无风险。

把屏幕代进限值：还差两三个数量级

图 3 把几台实际设备的测量结果放在一张图上。四台虚拟现实（virtual reality，VR）头显的最大亮度在 80.9–158.3 cd/m² 之间，实测 \(L_B\) 为 0.076–0.129 \(\mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\)。最亮的那台是 158.3 cd/m²、\(L_B=0.129\)；按这个比例外推，要达到 100 \(\mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\) 的限值，亮度需要约 \(1.2\times10^5\) cd/m²，比它高约 760 倍。论文给出的理论亮度上限是 \(1.1\)–\(1.2\times10^5\) cd/m²，与这条估算一致。

图 3：四台 VR 头显与一台 6000 cd/m² 投影仪的实测蓝光危害加权辐亮度。虚线是按四台头显过原点拟合的 \(L_B\approx8.6\times10^{-4}L_v\)；红色水平线是 IEC 62471 对大面积光源的 100 \(\mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\) 限值。

图中还有一个反例：一台最大亮度 6000 cd/m² 的 DMD 投影仪，\(L_B=6.237\ \mathrm{W\,m^{-2}\,sr^{-1}}\)，比四台头显高出一个多数量级，但仍比限值低约 16 倍。它的蓝峰在 460 nm 附近，蓝通道峰值约是其余光谱的 6 倍；同样的亮度，光谱更偏蓝，\(L_B\) 就更高。这说明 \(L_B\) 不能只看亮度，必须看光谱。

日常屏幕的亮度大致在什么位置？一篇 2023 年的综述给出，电视约 300 cd/m²，电脑屏约 150–250 cd/m²；晴空约 5000 cd/m²，正午太阳约 \(1.6\times10^9\) cd/m²。这些是亮度口径，和 \(L_B\) 不是同一个量，但能建立一个参照：屏幕比晴空低一到两个数量级，更远低于太阳。法国 INRS 的经验规则是，亮度低于 10,000 cd/m² 时视网膜风险可视为零，典型 LCD 屏比这低 10–100 倍。这个 10,000 cd/m² 是亮度规则，不是 IEC 62471 的 \(L_B\) 限值，两者不能互相替代。

把标准、实测和综述放在一起，能得到的结论是：对典型屏幕，急性蓝光危害的余量有两三个数量级。欧盟 SCHEER 在 2018 年也认为，正常使用 LED 和显示屏没有直接不良健康证据；屏幕背光中的 LED 按目前数据不构成视网膜风险。但同一篇综述也保留了边界：长期、重复、亚阈值的累积暴露还没有被证实，儿童、白内障术后人群可能更敏感，蓝光滤光片对老年性黄斑变性（age-related macular degeneration，AMD）没有已证实的预防收益。

这里要把“蓝光危害”和“眼疲劳”分开。视网膜蓝光危害是光化学反应，讨论的是 \(L_B\) 和曝光时间；数字眼疲劳更多来自长时间近距离用眼、眨眼减少、泪膜不稳定和屏幕眩光。两者可以同时存在，但不是同一条因果链。把“眼睛酸”直接归因于蓝光，会让“防蓝光”变成万能解释，也会掩盖更有效的做法：休息、拉远距离、减少眩光、睡前降低亮度。

夜间模式改的是蓝通道权重

夜间模式把白点从冷端移到暖端，常见的做法是降低蓝色通道的增益，必要时再压低整体亮度。LCD 的背光光谱基本不变，改变的是液晶像素和彩色滤光片让多少光通过；OLED 改变的是蓝色子像素的驱动电流。两种情况下，蓝光材料的峰值波长都没有被搬到长波，变的是蓝通道在混合白光中的相对权重。这就是“屏幕变黄”的来源。

权重变化有多大？2018 年一项对 LED 背光显示器的测量把色温从 1200 K 调到 6500 K，对 1 岁婴儿的视网膜有效光谱，蓝光危害因子增大 12.2 倍，昼夜节律因子增大 9.5 倍。这个数字有两个条件：一是婴儿晶状体对短波的吸收少，二是特定背光光谱；成年人晶状体的吸收更多，倍率会小一些。它不是所有屏幕、所有年龄的通用倍率，但说明色温确实能显著改变加权后的蓝光量。

代价在色域。2022 年《物理学报》的一项工作测量了 6 台手机的防蓝光模式：模式增强时，蓝光部分显著减少，绿光略减，红光几乎不变；色域随防蓝光强度增加而下降。作者的建议是，在兼顾蓝光危害和色域时，色温取 5000–6500 K。这个建议有明确的取舍：越往暖端调，蓝光权重越低，颜色越不饱和；越往冷端调，色域越大，蓝光权重越高。

表 2：视网膜蓝光危害、昼夜节律影响与频闪不适的区别。

夜间模式对睡眠的帮助，属于表 2 的“昼夜节律影响”一列，不是“视网膜蓝光危害”那一列。夜间蓝光会抑制褪黑素、推迟昼夜节律，把色温调暖可能减少这种刺激；但效果取决于屏幕亮度、观看距离、使用时长和暴露时刻。把色温调暖、同时把亮度降到很低，和只把色温调暖而亮度不变，是两种不同的暴露。反过来，开了夜间模式也不能抵消熬夜本身。现有综述对“夜间模式能改善睡眠”的证据并不强，能确定的是它改变了光谱和黑视素刺激，不能确定的是它在真实使用中能带来多大的临床收益。

PWM 频闪：看波形，不看“无频闪”三个字

OLED 在低亮度下常用脉冲宽度调制（pulse-width modulation，PWM）调光：像素在亮和暗之间快速切换，导通时间占一个周期的比例叫占空比 \(D\)，平均亮度由 \(D\) 决定。频率 \(f\) 决定切换有多快，占空比决定波形有多“窄”。图 4 是一个占空比 25% 的理想方波。

图 4：PWM 调光的理想方波。\(D\) 是导通时间占周期 \(T\) 的比例，平均亮度随 \(D\) 变化；频闪百分比由最大值与最小值定义，和频率一起决定人眼是否容易察觉。

描述这种波形有两个常用指标。频闪百分比（也叫调制深度）记作 \(M\)，是

闪烁指数 \(\mathrm{FI}\) 则是平均亮度以上的面积除以一个周期的总面积：

对 \(L_{\min}=0\) 的方波，频闪百分比恒为 100%，与频率无关；频率只决定切换快慢。一个 240 Hz、100% 深度的 PWM，和一个 1920 Hz、同样深度的 PWM，频闪百分比都是 100%，但人眼的感受不同。IEEE 1789-2015 把频闪百分比和基频放在一起，给出低风险区 \(M_{\mathrm{low}}\) 与无可见效应区 \(M_{\mathrm{NOEL}}\)：

按这条关系，240 Hz 的低风险上限是 19.2%，960 Hz 是 76.8%，1920 Hz 是 153.6%（超过 100%，意味着 100% 调制也落在曲线内）。所以一台 240 Hz、100% 调制的手机，按 IEEE 1789 的曲线不在低风险区；一台 1920 Hz、100% 调制的手机则落在曲线内。这个判断只说明波形与标准曲线的位置，不等于“低频一定伤眼、高频一定安全”。

IEEE 1789 本身是给照明 LED 的推荐实践，不是显示屏标准。综述作者也指出它在某些频段过严、在 400 Hz 以上又可能不够严格，而且没有把占空比的影响完整纳入。对显示屏，它更适合用来比较不同调光波形的相对位置，而不是当作安全认证。另一个容易被忽略的效应是幻影阵列：眼睛快速扫过 PWM 光源时，光源会在视网膜上留下一串亮点，频率较高时反而可能更明显。所以“频率越高越好”也不是无条件成立。

测量频闪，核心是把光强随时间的变化记录下来。一个可搭的方案是：光电二极管反向偏置，串联一个电阻，取电阻两端的电压；遮住环境光，让屏幕显示全白，把亮度调到要测的档位；用示波器或声卡采集，采样率至少是预期频率的 10 倍，记录 1 s 以上；从波形读 \(L_{\max}\)、\(L_{\min}\) 和周期 \(T\)，再代上面的式子。声卡方案的成本低，但要先确认它的输入带宽和自动增益不会把波形压扁。手机摄像头的慢动作只能做定性观察：240 fps 的相机拍 240 Hz 的 PWM 会出现混叠，看到的条纹不能直接当频率。

不同机型的调光频率和占空比差异很大，同一块屏在不同亮度档位也可能在直流与 PWM 之间切换；这也是只看“无频闪”标签不够的原因。现有综述把这三类现象分开讨论：直接闪烁主要在约 80 Hz 以下，频闪运动效应在 80 Hz 以上更常见，幻影阵列的可见度还在研究中。长期健康影响仍缺少统一结论，不能把某一项短期实验或某一家的调光方案当作通用答案。

厂商说的“无频闪”通常指“人眼不容易察觉”，不是“调制深度为零”。有些屏用直流调光，有些用高频 PWM，有些在高亮度用直流、低亮度切到 PWM；同一块屏在不同亮度档位的波形可能不同。要看的是波形、频率和占空比，而不是海报上的三个字。

在家测一次：用一张 CD 看屏幕的蓝峰

CD 的轨道间距约 1.6 μm，盘面可以当作反射光栅。正入射时，光栅方程是

其中 \(d\) 是轨道间距，\(\theta\) 是第 \(m\) 级衍射角，\(\lambda\) 是波长。取第一级 \(m=1\)，测出蓝带和红带的角度，就能反过来估波长。CD 的间距在常见光栅里算大的，衍射角小，适合用尺子量。

图 5：日光经 CD 盘面反射形成的彩色衍射带。CD 的轨道间距约 1.6 μm，相当于一张反射光栅；白光被分散后，不同波长出现在不同角度。

做法不复杂。找一间暗一点的房间，把 CD 竖直放在桌上，数据面（有彩虹反光的一面）朝向手机和墙；手机显示全白图片，前面放一张开 1 mm 缝的卡纸，让缝和 CD 同高。调整手机的角度，让零级反射斑落在墙上，再在它旁边找到第一级彩色带。量 CD 到墙的距离 \(L\)，以及零级斑到蓝带、红带的垂直距离 \(Y_0\)、\(Y_1\)。如果零级斑和 CD 同高，\(\theta_0\approx0\)，直接用 \(\tan\theta=Y/L\)、\(\lambda=d\sin\theta\)；如果不在同一高度，就用 \(d(\sin\theta_1-\sin\theta_0)=\lambda\)，其中 \(\sin\theta_n=Y_n/\sqrt{Y_n^2+L^2}\)。

举个具体数：取 \(L=300\) mm，蓝带中心 \(Y=88\) mm，则 \(\theta=\arctan(88/300)=16.3^\circ\)，\(\lambda=1.6\ \mu\mathrm{m}\times\sin16.3^\circ=0.45\ \mu\mathrm{m}=450\) nm；红带中心 \(Y=133\) mm，\(\theta=24.0^\circ\)，\(\lambda=650\) nm。两条带在墙上的间距约 45 mm，普通尺子就能分辨。尺子读到 ±2 mm，角度约差 ±0.4°，波长约差 ±10 nm；彩色带本身有宽度，取带的中心比取边缘更稳。这个精度不足以替代光谱仪，但足以判断蓝峰在 450 nm 附近还是跑到了 460 nm 以外。

最后可以做一次对照：把手机切到夜间模式，再量一次。蓝带的亮度会下降，蓝带的位置不会明显移动；如果位置动了，说明改变的不只是蓝通道增益，而是背光或发光材料的光谱。这个观察把前面的光谱、\(L_B\) 和夜间模式串在一起：调色温改变的是权重，换光源才会改变峰位。

参考资料

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• 显示设备防蓝光模式和色域的关系，王贯、顾春、许立新，物理学报 71: 104205，2022。
• 图 2–4 为平台原创（matplotlib 代码绘图）；数据分别取自上述 EU Directive 表 1.3、Leontopoulos 等 2023 表 1–2，以及本文定义的理想 PWM 方波。