亥姆霍兹-科尔劳施效应（简称H-K效应）指的是人眼对光的感知亮度（Brightness）随着色纯度的增加而提升的现象。通俗地说，在观看具有相同物理亮度（Luminance）的单色光与白光时，我们会认为单色光更亮。例如，对比图1给出的等物理亮度图片，鲜艳的红色与橙色看起来要更亮，而其他纯色颜色看起来略显暗淡，尽管它们的物理亮度相同。图1：等亮度图
图源：TCL 电子有限公司，季洪雷博士团队
上述现象早在19世纪初就已被德国科学家 Hermann von Helmholtz (能量守恒定律提出者，科学巨匠亥姆霍兹）（相关介绍>）注意到，1923年，德国物理化学家 Rudolf Kohlrausch 进一步阐述了色纯度和感知亮度之间的 H-K 效应，20世纪末 Kaiser 与 Nayatani 等人分别提出了数学模型去评估不同彩色光的 H-K 效应，提出了物理亮度和感知亮度的概念，物理亮度是一个可测量的物理概念，而感知亮度是基于人眼感知的真实亮度，除了受到光能量，色纯度的影响外，还受到观看环境、观看者的心理的因素等影响。H-K 效应是色度学中一个重要概念，已经成为显示器色彩特性的重要特征，在 OLED、LED 投影仪等领域中都已被报导。在量子点显示领域，尽管人们很早就预测量子点电视拥有更显著的 H-K 效应，然而文献中尚没有针对量子点电视 H-K 效应研究的报道。近日，在国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项“量子点背光关键技术开发及应用示范”的支持下，TCL 电子有限公司的 季洪雷 博士与合作者报道了量子点背光液晶显示技术的 H-K 效应，通过结合 Kaiser 理论模型、Nayatani 理论模型与测试结果，证实了量子点电视比传统 LCD 电视有着更加显著的 H-K 效应，并且量子点电视更受实验观看者的青睐。该研究成果以“量子点背光液晶显示技术的亥姆霍兹-科尔劳施效应（Illustrating the Helmholtz-Kohlrausch effect of quantum dots enhanced LCD through a comparative study）”发表在《中国光学》（EI、Scopus收录，中文核心期刊）。该研究对比了搭载量子点背光的高色域液晶显示器与传统的基于 YAG 荧光粉液晶显示器的 H-K 效应差异（图2）。在 20 名观看者的色感知实验中，当观看者认为 YAG 屏幕与 QD 屏幕的亮度（感知亮度）一致时，记录下两电视屏幕的物理亮度，二者的比值（QD/YAG表示）可以反应出 H-K 效应的差异，QD/YAG 值越小，意味着在相同的感知亮度下，量子点电视的实际亮度值越低，即量子点电视的 H-K 效应越明显。
图2：（a）量子点电视与 YAG 电视的白光光谱与（b）色域图对比图源： 中国光学, 2022, 15(1): 132-143（图2）图3给出了在相同感知亮度下，量子点电视与 YAG 电视显示彩色图片时的实际物理亮度比值（QD/YAG）。红色与绿色虚线分别表示红花与绿叶画面的 QD/YAG 值，紫色与黄色虚线分别表示人像与田野的 QD/YAG 值。结果表明：对于鲜艳画面，在由 200 尼特提升到 500 尼特的过程中，H-K 效应逐渐变弱并趋于平缓，鲜艳画面的 H-K 效应比平淡画面更显著，红花图像的 QD/YAG 最小值可达 0.74。对于平淡画面，量子点电视与 YAG 电视的色彩表现能力相当。上述结果表明：量子点电视对于鲜艳画面的表现能力更强，给人更加明亮的感觉。
图3：彩色实验不同图片 QD/YAG 实测值对比曲线图源： 中国光学, 2022, 15(1): 132-143（图4）研究还发现，即使量子点电视与 YAG 电视的感知亮度相同，在同一画面下，观看者更加青睐量子点电视，因此，该研究进一步开展了主观喜好实验。图4给出了在相同感知亮度下，观看者对量子点电视与YAG电视的喜好比例结果。实验结果表明：同等感知亮度下，量子点电视喜好程度总体占优势，量子点电视在 200 nit、270 nit、350 nit的喜好比例分别为 54.3%、55.0%、58.0%；量子点电视在红绿画面具有很大优势，在量子点电视亮度为 350 nit时，红绿画面的喜好比例可达 73.8%，YAG 电视在蓝黄画面具有优势；随着电视亮度的提升，喜好量子点电视的人越来越多。
图源： 中国光学, 2022, 15(1): 132-143（图5）综上所述，本研究通过观看者亮度感知实验，对比了 YAG 白光 LED 背光液晶电视和量子点背光液晶电视的 H-K 效应差异，通过彩色实验探究了显示屏的色域对感知亮度与主观偏好的影响。实验结果表明：量子点电视具有更为显著的H-K效应，感知亮度明显高于传统YAG背光电视；在相同感知亮度下，高色域的量子点电视更受欢迎，并且喜好趋势将随着亮度的增加而增加。值得关注的是，中国液晶显示产业已经成为世界第一，2020 年液晶产量占全世界的 70%。量子点背光技术是延长液晶产业的核心技术。我国的量子点显示技术在国际上处于第一集团，在量子点 LED 领域的核心材料、器件以及集成方面都有了先发优势。此外，TCL、京东方等国内龙头企业已于 2020 年发布了基于印刷技术的量子点电致发光显示技术样机。本研究为推广量子点技术提供了理论依据。