Ваши глаза в опасности! Или что такое TÜV Rheinland и SGS

 Оценка этой статьи по мнению читателей:  
  4.8 
 (227)

Не так давно все популярные СМИ, включая самые уважаемые техно-сайты, сообщили такую удивительную новость: «Новый мобильный OLED-дисплей от Samsung излучает всего 6.5% синего света, а также обладает максимально точной цветопередачей!».

Под этой новостью появилось множество комментариев, но ни один человек не поинтересовался у редактора, как такое вообще возможно. Как экран смартфона может отображать насыщенный синий цвет, не излучая при этом синий свет?

Разумеется, никак!

Либо экран излучает все 3 цвета, включая синий, и имеет точную цветопередачу, либо экран не излучает синий свет (а 6.5% — это ничтожное количество света) и при этом отображает синее небо желтым цветом.

Тем не менее, на презентации любого флагмана можно услышать похожие заявления. Производители гордятся тем, что их новые экраны практически не излучают вредный синий свет и подкрепляют эти заявления авторитетными сертификатами Eye Comfort от TÜV Rheinland или Eye Care Display от SGS:

сертификаты eye comfort от tuv rheinland и sgs

В чём же здесь подвох или смысл? Каким образом современные экраны обладают прекрасной цветопередачей и при этом не излучают один из 3-х основных цветов?

О чём на самом деле говорит такой сертификат и нужно ли искать смартфон именно с таким дисплеем, если речь идет о здоровье глаз? Что, в конце-концов, не так с синим светом?

После прочтения этой статьи вы поймете, почему все дисплеи излучают в разы больше синего света, чем об этом ошибочно сообщают СМИ. Также вы узнаете, что на самом деле означают эти сертификаты и в чем польза сертифицированных дисплеев.

А еще эта статья ответит на вопрос, который хоть раз интересовал каждого человека — почему у всех предметов разные цвета? Все знают, что яблоко красное только потому, что оно поглощает все цвета, кроме красного, который отражается от него и попадает в наши глаза. Но почему яблоку «не нравится» только красный цвет и как оно поглощает остальные цвета?

Обо всём этом мы и поговорим дальше!

Синий синему рознь! Или как на самом деле мы воспринимаем все цвета?

Существует популярное заблуждение, будто на сетчатке человеческого глаза есть 3 вида специальных фоторецепторов — колбочек, которые реагируют на красный, зеленый и синий цвета.

В этом есть доля правды, но в реальности нет красных, зеленых или синих колбочек. Они не окрашены в такие цвета и, к примеру, «красная» колбочка очень активно реагирует на зеленый свет, а «зеленая» — на красный и синий.

Изображение в нашем сознании строится немножко по-другому и в этом кроется «секрет» современных дисплеев, которые «убирают синий свет», продолжая при этом вызывать у нас ощущение синего цвета.

Два слова о самом цвете

Напомню, что цвет — это лишь плод нашего воображения. В объективной реальности есть только электромагнитные волны, пронизывающее пространство. У каждой волны есть длина — расстояние между её гребнями:

Если это расстояние равняется 12.5 см, то такую волну мы называем Wi-Fi или Bluetooth. Если длина волны составляет 3 метра, то мы называем её FM-радио. Разумеется, ни первый, ни второй тип волн мы не видим.

Если же в наши глаза попадает волна, расстояние между «гребнями» которой составляет 600 нанометров (0.0006 мм), то мы ощущаем красный цвет.

Другими словами, мы способны видеть электромагнитные волны только определенной длины — от 400 до 700 нанометров. И каждому цвету соответствует электромагнитная волна конкретной длины:

Если с этим всё понятно, тогда возвращаемся к колбочкам.

Три размера: S, M и L

У нас действительно есть 3 вида колбочек и в каждой из них находятся диски с опсинами — специальными молекулами, которые способны поглощать свет:

То, как именно будет реагировать колбочка на определенный цвет, зависит исключительно от типа молекулы (фотопигмента), находящегося в её дисках.

Если мы посмотрим на график поглощения света молекулой эритролаб (то, что в простонародье называется «красными колбочками»), то увидим вот такой интересный график:

На нём показана вероятность поглощения света в зависимости от длины волны. Мы видим, что «красная колбочка» будет прекрасно поглощать не только красный цвет (от 630 нм и выше), но и желтый, зеленый и даже будет немного реагировать на синий свет!

Поэтому более корректно называть её не «красной», а L-колбочкой (от L — long или длинный), так как она наиболее чувствительна к длинным волнам.

С другой стороны, «синяя» колбочка будет также реагировать на зеленый и красный цвета, но пик ее чувствительности будет в области коротких (Short) волн. Отсюда и название — S-колбочки:

M-колбочки наиболее чувствительны к зеленому свету ~550 нм, но прекрасно поглощают и другие цвета:

Очень важно понимать, что мы можем вызвать ощущение одного и того же цвета, стимулируя колбочки светом разной длины волны.

Рассмотрим простой пример. Представьте, что в наши глаза попадает пучок синего света, состоящий из целого набора волн длиной от 370 до 480 нанометров:

Все эти волны «сольются» воедино и вызовут у нас ощущение определенного оттенка синего цвета. Но ровно такой же оттенок мы бы увидели, если бы в наши глаза попал совершенно другой набор волн:

Как видите, здесь практически нет света с длиной волны до 415 нм (а его было много в предыдущем пучке света), но зато много света с длиной волны 450 нм.

Почему же такой разный набор волн от двух точек мы воспримем как один и тот же оттенок синего цвета?

Ответ на самом деле очень прост. Условно говоря, мозг ждет от каждого из трех типов колбочек одно единственное «число» — общий уровень сигнала. Ему без разницы, как и сколько S-колбочек возбудил свет 380 нм, а сколько — 450 нм. Главное — общий сигнал от всех S-колбочек в какой-то небольшой точке.

Чуть выше мы увидели, что у S-колбочек очень низкая чувствительность в диапазоне до 400 нм и пик чувствительности в районе 450 нм. Поэтому мы можем либо освещать S-колбочки всеми «оттенками синего» от 380 до 500 нм средней интенсивности, либо убрать все волны до 420 нм, увеличив интенсивность волн в районе 450 нм.

В итоге, общий уровень сигнала от S-колбочек будет одинаковым в обеих случаях. Просто в первом случае мы собрали его из большого количества маленьких сигналов, а во втором — из одного мощного сигнала.

То же касается и любого другого цвета. Не важно, из каких электромагнитных волн (цветов) он состоит. Если суммарный сигнал от S-, M- и L-колбочек в какой-то точке будет одинаковым, мы увидим один и тот же цвет, даже если два пучка света имели совершенно разный спектральный состав (электромагнитные волны разной длины в разной пропорции).

Такое свойство нашего зрения называется метамеризмом. И именно на нём базируется технология снижения вредного синего света.

Вредный и полезный синий свет. Или о том, что именно снижают производители

В 2019 году Samsung действительно выпустила AMOLED-дисплеи, излучающие всего 7.5% вредного синего света. Через год компания представила новое поколение дисплеев, у которых этот показатель снизился до рекордных 6.5%.

Но речь не идет о синем свете вообще, как об этом пишут СМИ. На сегодняшний день наука видит потенциальную опасность только в синем свете с длиной волны до 455 нанометров. Всё, что выше, считается безопасным для здоровья:

Когда речь идет о снижении синего света, все производители указывают процент излучаемого света с длиной волны от 415 до 455 нм. Соответственно, если дисплей получил сертификат Eye Care Display от SGS, то количество излучаемого им света в диапазоне от 415 до 455 нм составляет всего 6.5% от общего количества излучаемого света.

Согласно другим стандартам (например, Eyesafe), количество синего света в диапазоне от 415 до 455 нм должно составлять менее 50% от общего синего света (400-500 нм).

Что интересно, IPS-дисплеи в основном имеют более высокий уровень излучения во «вредном диапазоне», чем AMOLED-экраны. Связано это с тем, что в качестве подсветки они используют синие светодиоды, имеющие пик излучения в районе 450 нм:

белый светодиод с голубым LED — Светодиод IPS-экрана

Люминофор внутри светодиода поглощает часть этого синего света и переизлучает его в области желтого цвета. Другая часть синего излучения проходит наружу и в результате смешивания синего и желтого света мы видим белый цвет лампочки.

Убираем синий свет и улучшаем цветопередачу

Производителю нужно как-то изменить спектр света, убрав из него часть диапазона, но без нарушения цветопередачи.

Если он просто снизит количество света в диапазоне до 455 нм, экран приобретет ярко выраженный желтый оттенок и пользоваться таким дисплеем будет очень некомфортно:

Но есть и другой выход. Как мы уже разобрались выше, наши глаза будут видеть один и тот же цвет вне зависимости от того, из каких волн он будет состоять, если стимуляция колбочек будет идентичной.

Соответственно, если мы снизим уровень излучения в диапазоне до 455 нанометров (например, подобрав другие материалы для синего светодиода), нам нужно увеличить уровень излучения в диапазоне от 455 до 475 нанометров:

В этом случае у света будет немножко другой «состав», но суммарный сигнал от S-колбочек сетчатки будет прежним. Соответственно, новый спектр излучения никак не повлияет на цветопередачу.

Получается, оба экрана могут показывать идентичную по цветам картинку и мы никак не сможем определить на глаз, в каком из них больше «вредного» синего света. Оба «состава» будут вызывать у нас ощущение одного и того же цвета.

Поэтому сертификат от SGS или TÜV Rheinland гарантирует, что свет от конкретного смартфона не содержит (или содержит ничтожное количество) волн длиною до 455 нанометров.

Вот и весь секрет модного нынче снижения «синего света». Собственно, на этом можно и закончить наш разговор.

Но если вам интересно знать больше, тогда предлагаю продолжить чтение.

Что не так с голубым светом до 455 нм? Или вся правда о HEV-излучении

Любое электромагнитное излучение, будь-то FM-радио, 5G или видимый свет — это поток чистой энергии. Соответственно, эта энергия может передаваться веществу, а что будет с этим веществом — уже зависит от количества и вида энергии.

В этой статье мы рассматривали свет как волну. Но свет, как и любое другое электромагнитное излучение — это одновременно и поток частиц, называемых фотонами.

Чтобы это не вызывало когнитивного диссонанса, просто представляйте себе фотоны не в виде мелких шариков, а в виде таких маленьких отдельных «кусочков» волны:

Теперь фраза «длина волны фотона» обретает какой-то смысл и мы можем представить в своем воображении фотоны разных цветов, где у «красного фотона» будет длинная волна, а у «синего» — короткая:

Между радиоволной, теплом (инфракрасным излучением), 5G, видимым светом, ультрафиолетом или рентгеном есть только одна единственная разница — это длина волны фотона или длина волны света, что является по сути одним и тем же.

Так почему короткие волны опаснее длинных? Почему ультрафиолетовое излучение (от 100 до 400 нанометров) может вызывать рак кожи и другие проблемы, а красный цвет (620-740 нанометров) в большинстве случаев совершенно безобиден?

Дело в том, что чем короче длина волны, тем больше волн проходит через точку в пространстве за 1 секунду. Для того, чтобы электромагнитное излучение могло колебаться, скажем, 450 триллионов раз в секунду, фотон должен обладать сумасшедшей энергией. И эта энергия соответствует длине волны 400 нанометров или ультрафиолетовому излучению.

Для сравнения, длина волны 5G не превышает в основном 5 сантиметров (если мы не берем в расчет миллиметровый диапазон) и в этом случае фотоны обладают гораздо меньшей энергией, так как 5G-волны колеблются в 75 тысяч раз медленнее ультрафиолетового излучения в самом «безопасном» ближнем диапазоне (UVA).

То же касается и всех цветов. Синий цвет граничит с ультрафиолетовым излучением в области 400 нм. И чем длиннее становится волна, тем меньше энергии содержат её фотоны. Соответственно, сегодня наука выделяет так называемое HEV-излучение или высокоэнергетический свет видимого спектра, в который полностью попадает синий цвет.

Прямая опасность не доказана, но…

За последние 50 лет количество исследований на тему опасности синего света выросло в геометрической прогрессии.

Вот лишь крохотная часть этих исследований, опубликованных в самых авторитетных изданиях, вроде PubMed, Scientific Reports или Nature (ссылки в формате DOI для цитирования научных работ):

Все они так или иначе говорят о потенциальной возможности синего света (в особенности до 455 нм) вызывать различные фотохимические повреждения как фоторецепторов, так и самой сетчатки. Точнее, её пигментного эпителия, который выполняет огромное количество важных функций, связанных со зрением.

Но проблема с этими исследованиями заключается только в том, что они доказывают лишь косвенный вред, так как проводятся либо на животных, либо на отдельных человеческих клетках, которые лишились различных механизмов восстановления и защиты после извлечения из организма, либо вообще создаются нереальные условия (непрерывное очень длительное облучение мощнейшим синим светом).

Поэтому наука сегодня не утверждает, что синий свет — это доказанная причина проблем со зрением.

Более того, гаджеты не являются основным источником HEV-излучения. Так как главный источник — это солнце. Примерно 25-30% состава его света — те самые электромагнитные волны в HEV-диапазоне до 500 нм:

Как бы там ни было, наука обеспокоена тем фактом, что современные люди проводят слишком много времени перед экранами. Особенно это касается детей, так как чем взрослее человек, тем сильнее хрусталик поглощает УФ-излучение и синий свет в диапазоне до 460 нм. А значит, тем меньше этого света попадет на сетчатку.

Для полного понимания сути проблемы остается ответить лишь на последний вопрос. Самый сложный для понимания.

Как свет может разрушать молекулы и ДНК? Или почему яблоко красное?

Мы много говорили о потенциальном вреде синего света, так как «синие» фотоны содержат больше энергии, чем зеленые и, тем более, красные. Но как именно эта энергия «растворяется» в клетках или молекулах любого вещества?

Все мы примерно представляем, как выглядит атом. Это крохотное положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное отрицательно заряженным электронным облаком:

Именно благодаря отрицательно заряженным электронам атомы могут «склеиваться» в молекулы. К примеру, два атома могут поделить между собой один электрон и тем самым держаться вместе.

Электроны вокруг атома могут находиться на разных энергетических уровнях, то есть, могут «парить» на разных орбиталях (как планеты летают вокруг солнца по разным орбитам). И для перехода с одного уровня на другой (с одной орбитали на другую) электрон должен получить определенное количество энергии.

Простыми словами, энергетический уровень — это количество энергии, которое нужно иметь электрону, чтобы находиться на той или иной орбитали. Если электрон будет находиться на самом последнем энергетическом уровне, т.е. будет обладать самой большой энергией, он может вообще оторваться от атома и улететь в «свободное плавание».

Напомню, фотон — это чистая энергия. Причем, у каждого фотона есть своя конкретная и неделимая порция энергии. Фотоны красного света (625 нм) содержат 1.68 эВ энергии, «зеленые» фотоны (500 нм) — 2.19 эВ энергии, а синие (440 нм) — 2.56 эВ. То есть, чем короче длина волны, тем больше энергии у фотона.

Соответственно, когда фотон пролетает мимо электрона, он может полностью передать ему свою энергию и исчезнуть. Тогда электрон, увеличив свою энергию, перепрыгивает на новый энергетический уровень атома, то есть, меняет свою орбиталь.

Чем выше порция энергии фотона, тем сильнее «прыжок» может сделать электрон. Повторюсь, при определенной энергии, электрон может вообще покинуть пределы атома.

Если это понятно, тогда двигаемся дальше.

Молекулярные орбитали

Когда атомы «склеиваются» друг с другом для формирования молекул, их электронные облака «переплетаются»:

два электронных облака — Электронные облака двух атомов водорода

И теперь мы уже можем говорить не об отдельных энергетических уровнях каждого атома, а о молекуле в целом. Теперь уже у молекулы есть свои орбитали с энергетическими уровнями, по которым парят электроны.

То есть, модель атома теперь можно перенести на всю молекулу.

Соответственно, теперь фотоны света ударяются в молекулы (например, ДНК) и если в конкретном фотоне было достаточно энергии, она передается определенному электрону и тот перепрыгивает на новую молекулярную орбиталь.

Здесь стоит еще уточнить одну важную деталь. У молекул есть 3 вида орбиталей:

Связывающие
Разрыхляющие
Несвязывающие

Нас интересуют только первые два. Чем больше электронов парит на связывающей орбитали, тем прочнее связь атомов этой молекулы, но если электроны начинают перепрыгивать на разрыхляющие орбитали, связь ослабляется.

Поэтому худший сценарий для молекулы — прилетающие фотоны, энергии которых достаточно, чтобы большое количество электронов перепрыгнуло со связывающих орбиталей на разрыхляющие.

К примеру, можем взять ДНК. Когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с этой молекулой, они отдают свою энергию определенным электронам и те переходят на разрыхляющие орбитали, в результате чего некоторые связи в молекуле разрываются.

Разорванные «кусочки» молекулы очень нестабильны, так как их электроны начинают притягиваться к положительно заряженным частицам. Из-за этого соседние нуклеотиды могут склеиваться друг с другом, образовывая пиримидиновые димеры:

В результате локальные нарушения структуры ДНК вызывают мутации, так как считывать инструкцию и работать с такой ДНК очень тяжело. И это может привести к возникновению злокачественных опухолей. В частности, описанный сценарий — это механизм появления меланомы под воздействием ультрафиолетового излучения от солнца.

Как видите, фотоны могут быть очень опасны. Но, повторюсь, уровень опасности напрямую связан с количеством энергии фотона, которая, в свою очередь, напрямую зависит от длины электромагнитной волны.

Так почему яблоко красное?

Цвет любого вещества связан исключительно со структурой молекул, из которых оно состоит.

В каждой конкретной молекуле есть свои энергетические уровни. К примеру, в одной молекуле энергетические уровни могут находиться на «большом расстоянии». И электрону на такой орбитали нужна большая порция энергии, чтобы перепрыгнуть на другой уровень:

энергетические уровни и орбитали молекул

Соответственно, когда рядом пролетает фотон с низкой энергией (например, фотон красного цвета), то электрон к нему полностью равнодушен, ведь энергии этого фотона недостаточно для «прыжка». А брать энергию по частям электрон не может. Он либо полностью поглощает фотон и сразу делает прыжок, либо игнорирует его, если энергии фотона не хватит для перехода на более высокий энергетический уровень.

Такое вещество может иметь оранжевый цвет, так как его электроны игнорируют красные и зеленые «фотоны» с недостаточной энергией, но активно поглощают синие, прыгая по орбиталям своей молекулы.

В итоге, от вещества отражаются красные и зеленые световые волны. И мы видим их смесь — оранжевый цвет.

Повторюсь, то, какой именно цвет будет у вещества (какие фотоны оно будет поглощать), зависит от молекулярных орбиталей, от того, сколько энергии нужно электронам определенной молекулы, чтобы перепрыгнуть на более высокий энергетический уровень.

Разумеется, вещество при этом не будет разрушаться. Так как электроны, находясь в таком «напряженном» состоянии, захотят вернуться на свои прежние орбитали. И сделают это моментально, выбросив излишек энергии в форме незначительного тепла.

Примерно то же происходит и со зрением. Когда на колбочку падает свет, он изменяет структуру молекулы-фотопигмента. Но это изменение контролируемое, именно благодаря такому изменению и запускается целый каскад реакций, приводящий к появлению электрического сигнала, передаваемого в мозг.

Затем молекула восстанавливается и снова готова к новой порции облучения видимым светом. Но часть фотонов всегда промахивается мимо колбочек и палочек, попадая на пигментный эпителий сетчатки. А этот эпителий поглощает уже весь видимый спектр.

Именно поэтому синий свет вызывает вопросы, особенно в диапазоне, близком к ультрафиолетовому излучению. Слишком уж много энергии содержится в его фотонах.

А вот, что не вызывает вопросов, так это влияние голубого света на сон и циркадные ритмы человека, о чем мы подробно рассказывали в отдельном материале.

Алексей, главред Deep-Review

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!