CN102966899B - Led照明提高船员工作效率和睡眠质量的方法及灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，包括灯体（1）、灯体驱动器（2）、开关选择器（3）和灯具透明罩（4）四部分，其特征在于：其中所述灯体（1）是由三种LED灯组成：波长为425~495nm的蓝光LED灯（11），波长为425~495nm的第二蓝光LED激发YAG荧光粉的白光LED灯（12）和波长625~655nm的红光LED灯（13），白光LED灯（12）的色温为4000K~5000K或2700K~3300K；本发明还提供了一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的方法。

Description

LED照明提高船员工作效率和睡眠质量的方法及灯具

技术领域

    本发明属于照明领域，具体地是一种利用LED光源照明来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的方法及灯具。

背景技术

常规的舰船灯具只考虑灯具的发光效率、照度、色温、显色指数、可靠性等，没有考虑舰船灯具所产生的对人体的生物学效应，包括提高工作效率、促进睡眠等。对于舰船，包括军舰、航运船只，照明系统是其至关重要的一部分。由于海洋中舰船航行和作业时间长，且大量在夜间进行，甚至在水下进行，因此将对舰船的安全性、船员的舒适性、船员的心理和生理产生重大影响。舰船的船员50%以上的时间在作业区，环境嘈杂、湿热，或长时间处在精密仪表盘或仪器前进行操作，或在海图室识别海图色标等信息，容易产生视觉疲劳、倦怠，影响船员的睡眠质量及身体、心理健康、工作效率，易产生事故等，从而影响船上工作的正常进行。所以对于舰船照明环境，不但要考虑照明的发光效率、照度、色温、显色指数、可靠性，更应该考虑其生物学效应。

发明内容                                

本发明正是针对以上现有技术中存在的照明问题，提供了一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的方法及灯具，包括灯体、灯体驱动器、开关选择器和灯具透明罩四部分，其中所述灯体是由三种LED灯组成：波长为425~495nm的蓝光LED灯，波长为425~495nm的第二蓝光LED激发YAG荧光粉的白光LED灯（12）和波长625~655nm的红光LED灯（13），白光LED灯（12）的色温为4000K~5000K或2700K~3300K，所述蓝光LED、红光LED、白光LED通过所述开关选择器和灯体驱动器的组合使用，选择不同线路，实现三种LED灯单独照明、组合照明等多种照明方式。

进一步的，在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，夜间工作时段初始照明选择色温4000~5000K的所述白光LED，每隔4小时，点亮所述蓝光LED，以抑制褪黑色素的产生，减缓疲劳、提高工作效率。

进一步的，根据褪黑素产生所需要的能量比，所述蓝光LED的数量与白光LED的比例为1:4~1:3。

进一步的，第二蓝光LED的峰值波长为425~495nm、带宽20~30nm，并且与所述蓝光LED的峰值波长不同，两者的峰值波长相差40~55nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数。

进一步的，卧室照明采用色温为2700K~3300K的所述白光LED，降低照明灯具中的蓝光部分，以促进褪黑色素的产生，提高睡眠质量。

进一步的，机舱间及走道采用4000K~5000K的所述白光LED,并点亮所述红光LED，以缩短暗适应时间，帮助船员迅速适应黑暗环境，提高工作效率。

进一步的，根据视紫红素恢复所需要的能量比，所述红光LED与所述白光LED的数量比为1:2~1:3。

进一步的，通过所述蓝光LED、红光LED、白光LED、开关选择器和灯体驱动器的组合使用，选择不同线路，实现了不同LED光源的选择。

本发明还提供了一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，包括：

在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，夜间工作时段初始照明选择色温4000~5000K的白光LED,每隔约4小时，点亮峰值波长为425~495nm、带宽20~30nm的蓝光LED，所述蓝光LED的数量与白光LED的比例为1:4~1:3；所述色温4000K~5000K的白光LED由第二蓝光LED激发荧光粉构成，显色指数为75~80；所述第二蓝光LED的峰值波长为425~495nm 、带宽20~30nm，并且与所述蓝光LED的峰值波长不同，两者的峰值波长相差40~55nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数。

进一步的，还包括：卧室照明采用色温为2700K~3300K的所述白光LED，降低照明灯具中的蓝光部分，以促进褪黑色素的产生，提高睡眠质量；机舱间及走道采用4000K~5000K的所述白光LED，点亮峰值波长625~655nm、带宽16~25nm的红光LED，所述红光LED与白光LED的数量比为1:2~1:3，以缩短暗适应时间。

该发明有效结合照明环境影响人体的生物学效应，根据舰船内部不同功能厅对于船员状态的不同要求，设置不同色温、不同波段的照明灯具，充分发挥照明灯具对船员状态的有益影响，使舰船船员工作效率以及睡眠质量得到有效提升。

附图说明

图1是暗视觉、明视觉以及生理昼夜节律对光谱的敏感度曲线图；

图2是舰船用照明灯具结构示意图；

图3是蓝光LED光谱曲线图；

图4是白光LED光谱曲线图；

图5是白光LED与单独蓝光LED组合光源的光谱曲线图；

图6是组合光源显色指数与色温的关系图；

图7是红光LED光谱曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示是暗视觉、明视觉以及生理昼夜节律对光谱的敏感度曲线图。人眼视网膜上的感光细胞除了视锥和视杆细胞以外，还有第三种光感受器：感光神经节细胞。这种光感受器与人脑内的生物钟相关，由大脑松果体分泌褪黑激素所致。正常人的生物节律正是与昼夜交替的24小时相吻合，随着昼夜交替，褪黑激素大量分泌和被抑制，从而使人们白天工作，夜间睡觉休息。人体内的褪黑激素达到一定量时，人会感到疲劳而昏昏欲睡。而人眼接受的光会抑制松果体分泌褪黑激素，这一种与人的生物节律息息相关的感光神经节细胞对不同波长的敏感度如附图1所示，在波长为465nm的蓝光处具有最大的敏感度，在425~495nm具有较佳的敏感度。因此在工作状态下，适当的增加蓝光或蓝绿光的照明，可以使感光神经节细胞有效吸收的光能量增加，从而抑制人体内褪黑素的分泌，减少人体内褪黑素的含量，有效缓解人的疲劳感，在正常作业时减缓睡眠，提高工作效率。同时在睡觉前，降低蓝光照明，使感光神经节细胞吸收的蓝光减少，从而增加人体内褪黑素的分泌，促进人的睡眠速度，提高睡眠质量。

其次，人眼从光亮的环境转移到黑暗处时，会有一个视觉感受逐步递增的暗适应过程。暗适应的主要原因之一是视杆细胞的作用，视杆细胞的感光物质包含视紫红素，视紫红素在受到明亮光线的刺激后被"漂白"，暗环境视觉功能被抑制，当进入黑暗的环境中，视紫红素又重新合成恢复其紫红色，逐步看清暗环境下的物体。视觉的暗适应程度是与视紫红素重新合成的程度相应的。在黑暗停留初期，暗适应进行得较快，而在后期，暗适应进行得较慢。通常需要经过30分钟左右时间完全实现暗适应。这对于作业的船员来说，由光亮环境进入黑暗环境的适应速度过于缓慢，不利于工作的顺利开展和工作效率的提高。而波长为625~655nm的红光对视杆细胞的视紫红素不起作用，即视杆细胞的视紫红素不为红光所漂白，因此可降低视觉功能被抑制的程度，缩短暗适应时间。在进入暗环境前的照明灯具中添加红光部分，从而帮助作业船员快速适应黑暗环境，提高工作效率。

综上，在舰船作业区的人工照明环境下，应选用蓝光425~495nm成分较多的光源进行照明，缔造一个减缓疲劳、提高工作效率的工作环境。尤其是夜间工作时段，需要增加蓝光照明，以时刻保证船员有较低的疲劳困倦感。而对于睡眠休息的照明，为了尽快入睡，灯具设计成不含过多蓝光成分的灯具。在明环境进入暗环境的明暗变化的工作环境，使用较多红光625~655nm的照明灯具，以快速适应暗视觉。

如附图2所示，本发明的利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，主要包括灯体1、灯体驱动器2、开关选择器3和灯具透明罩4四部分，其中灯体1是由三种LED灯组成：峰值波长为425~495nm 、带宽20~30nm的蓝光LED灯11、蓝光LED激发YAG荧光粉的白光LED灯12和峰值波长625~655nm、带宽16~25nm的红光LED灯13。LED灯焊接到金属芯PCB上，再通过散热器实现散热。白光LED的色温为4000K~5000K或色温为2700K~3300K的白光LED灯。蓝光LED、红光LED、白光LED通过开关选择器3和灯体驱动器2的组合使用，可以选择不同线路，实现蓝光LED灯11、白光LED灯12、红光LED灯13的单独照明、组合照明等多种照明方式，以满足不同的照明生物学效应的要求。

为了适于在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，尤其是夜间工作时段初始照明选择色温4000~5000K的白光LED。根据人脑生物钟每隔约4小时会产生视觉疲劳现象，在该时，点亮峰值波长为425~495nm 、带宽20~30nm的蓝光LED，蓝光LED的数量与白光LED的比例为1:4~1:3。蓝光LED和白光LED的光谱如附图3、4所示，以抑制褪黑色素的产生。

色温4000K~5000K的白光LED由蓝光LED激发荧光粉构成，显色指数为75~80。白光LED中激发用的蓝光LED的峰值波长为425~495nm 、带宽20~30nm，并且与单独蓝光LED的峰值波长不同，两者的峰值波长相差40~55nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数。组合照明的光谱分布如图5所示，显色指数达到82~86，显色指数与色温的关系如图6所示,可以根据组合光源的显色指数的要求确定色温。

卧室照明采用色温为2700K~3300K的白光LED，降低照明灯具中的蓝光部分，以促进褪黑色素的产生，提高睡眠质量。机舱间及走道采用4000K~5000K的白光LED，添加峰值波长625~655nm、带宽16~25nm的红光LED，红光LED与白光LED的数量比为1:2~1:3，以缩短暗适应时间。红光LED的光谱如图7所示。

利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的方法是：增加蓝光LED照明来抑制人体褪黑素的分泌来缓解疲劳，减少蓝光LED照明来促进人体褪黑素的分泌来促进睡眠；使用红光LED照明增加人眼的暗适应效果；以提高舰船船员德工作效率和睡眠质量。

（1）为了适于在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，尤其是夜间工作时段，常规照明选择色温5000K的白光LED。白光LED由峰值波长450nm 、带宽25nm的蓝光LED激发YAG荧光粉构成，显色指数为78。根据人脑生物钟每隔约4小时会产生视觉疲劳现象，在该时，点亮峰值波长495nm、带宽25nm的单独蓝光LED，形成组合照明；单独蓝光LED的峰值波长与激发荧光粉的LED的峰值波长相差45nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数，组合照明灯具的显色指数达到83。显色指数与色温的关系如图6所示。单独蓝光LED的数量与白光LED的比例为1:4~1:3，使感光神经节细胞有效吸收的光能量增加，从而抑制人体内褪黑素的分泌，减少人体内褪黑素的含量，有效缓解人的疲劳感，在正常作业时减缓睡眠，提高工作效率。

（2）卧室照明采用色温为3000K的白光LED，降低照明灯具中的蓝光部分，使感光神经节细胞吸收的蓝光减少，从而增加人体内褪黑素的分泌，促进人的睡眠速度，提高睡眠质量。

（3）机舱间及走道采用色温为5000K的白光LED，添加645nm的红光LED，红光LED与白光LED的数量比为1:2~1:3，以缩短暗适应时间。

该利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具的操作方法如下：

1.按下开关选择器3中的W按钮，灯体驱动器2选择白光LED 12进行单线驱动，实现白光LED单独照明。

2.按下开关选择器3中的B按钮，灯体驱动器2选择蓝光LED 11进行单线驱动，实现蓝光LED 11的单独照明。

3.按下开关选择器3中的R按钮，灯体驱动器2选择红光LED 13进行单线驱动，实现红光LED 13的单独照明。

4．同时按下开关选择器3的W、B按钮，灯体驱动器2同时选择白光LED 12和蓝光LED 11进行双线驱动，实现白光LED 12和蓝光LED 11的组合照明。

5．同时按下开关选择器3的W、R按钮，灯体驱动器2同时选择白光LED 12和红光LED 13进行双线驱动，实现白光LED 12和红光LED 13的组合照明。

以下为采用本发明所述方法及灯具对人在夜间工作时段和睡眠时段进行照明的试验记录：

试验一、夜间工作时段蓝光LED照明试验

1、实验对象：选择年龄段在20-30岁的经常从事夜间工作人员20名男性员工为实验对象。

2、实验步骤：

1）将20名实验对象分别进行A、B两组实验，安排两个夜晚在两个工作室进行正常夜间工作，A组实验采用本发明照明方法，第一天，在常规5000K色温LED白光照明下，进入夜间工作3小时后点亮蓝光LED进行蓝光补光照明，B组实验为第二天夜间一直使用普通白光LED照明。

2）分别观察记录A、B两组实验时实验对象的精神状态、倦怠感和疲劳感。

3、按照此方式进行实验观察，整理实验记录数据，制成如下表格：

表1：A组实验时实验对象出现疲劳感的时间记录

组号	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8	A9	A10
											出现疲劳感的时间（小时后）	6.9	6.3	6.5	7.1	5.9	6.1	6	5.5	6.5	6.7
组号	A11	A12	A13	A14	A15	A16	A17	A18	A19	A20
											出现疲劳感的时间（小时后）	6.3	6.1	6.7	7.3	5.9	5.5	6.3	6.1	6.2	6.5

表2：B组实验时实验对象出现疲劳感的时间记录

组号	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8	B9	B10
											出现疲劳感的时间（小时后）	3.9	3.6	3.5	4.1	3.9	4.1	4	4.5	4.5	3.7
组号	B11	B12	B13	B14	B15	B16	B17	B18	B19	B20
											出现疲劳感的时间（小时后）	3.7	4.1	3.8	4.3	3.9	3.5	3.8	4.1	4.2	4.0

4、              数据分析方法及实验结果

对A组的20名实验对象的结果进行平均值计算，得出使用本发明照明方法和灯具进行照明后，20名实验对象的出现疲劳感的平均时间为6.32小时；

对B组的20名实验对象的结果进行平均值计算，得出使用常规白光LED照明后，20名实验对象的出现疲劳感的时间为3.96小时。

两者的差值：6.32-3.96=2.36小时

即：采用本发明的照明方法和照明灯具进行夜间工作照明时，工作人员的良好工作状态要比普通照明灯具照明下多维持2.36小时，能够起到减缓疲倦感、提高工作效率的作用。

试验二：进入黑暗环境前使用红光LED照明

1、            实验对象：选择年龄段在20-30岁的男性工作人员20名。

2、            实验步骤：

（1）在无照明环境的暗室内部布置好待识别的物体，作为实现暗适应过程的识别的标准。

（2）安排20名实验对象分两次由亮环境进入无照明环境的暗室，第一次（A）进入暗室之前点亮红光LED，第二次（B）照明环境不作任何改变。

（3）分别记录实验对象进入无照明环境的工作室后识别出待识别的物体的时间，即初步适应暗环境的时间。

3、整理实验记录数据，制成如下表格：

表3： 进入暗室前点亮红光LED的适应暗环境的时间记录

组号	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8	A9	A10
											适应暗环境的时间（分钟）	6	6	7	4	7	5	7	6	7	4
组号	A11	A12	A13	A14	A15	A16	A17	A18	A19	A20
											适应暗环境的时间（分钟）	3	6	6	5	4	5	6	4	6	5

表4：进入暗室前照明环境不作改变的适应暗环境的时间记录

4、数据分析方法及实验结果

对第一次（A）进入暗室之前点亮红光LED的20名实验人员实现初步暗适应的时间进行平均值计算为5.45分钟；

对第二次（B）进入暗室之前不改变任何照明环境的20名实验人员实现初步暗适应的时间进行平均值计算为14.85分钟。

由此可见，在由明环境进入暗环境之前，打开红光LED照明，将会大大缩短暗适应的时间。

由以上试验可以看出，采用本发明所述的提高工作效率和睡眠质量的方法及灯具，能充分发挥照明灯具对船员状态的有益影响，使舰船船员工作效率以及睡眠质量得到有效提升。

Claims (8)

1.一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，包括灯体（1）、灯体驱动器（2）、开关选择器（3）和灯具透明罩（4）四部分，其特征在于：其中所述灯体（1）是由三种LED灯组成：波长为425~495nm的蓝光LED灯（11），波长为425~495nm的第二蓝光LED激发YAG荧光粉的白光LED灯（12）和波长625~655nm的红光LED灯（13），白光LED灯（12）的色温为4000K~5000K或2700K~3300K，所述蓝光LED（11）、红光LED（13）、白光LED（12）通过所述开关选择器（3）和灯体驱动器（2）的组合使用，选择不同线路，实现三种LED灯单独照明、组合照明等多种照明方式；在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，夜间工作时段初始照明选择色温4000~5000K的所述白光LED（12），每隔4小时，点亮所述蓝光LED（11），以抑制褪黑色素的产生，减缓疲劳、提高工作效率。

2.根据权利要求1所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：根据褪黑素产生所需要的能量比，所述蓝光LED（11）的数量与白光LED（12）的比例为1:4~1:3。

3.根据权利要求1所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：第二蓝光LED的峰值波长为425~495nm、带宽20~30nm，并且与所述蓝光LED（11）的峰值波长不同，两者的峰值波长相差40~55nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数。

4.根据权利要求1所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：卧室照明采用色温为2700K~3300K的所述白光LED（12），降低照明灯具中的蓝光部分，以促进褪黑色素的产生，提高睡眠质量。

5.根据权利要求1所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：机舱间及走道采用4000K~5000K的所述白光LED（12）,并点亮所述红光LED（13），以缩短暗适应时间，帮助船员迅速适应黑暗环境，提高工作效率。

6.根据权利要求1所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：通过所述蓝光LED（11）、红光LED（13）、白光LED（12）、开关选择器（3）和灯体驱动器（2）的组合使用，选择不同线路，实现了不同LED光源的选择。

7.一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，包括：

在驾驶室和海图室等长时间视觉作业区，夜间工作时段初始照明选择色温4000~5000K的白光LED（12）, 每隔4小时，点亮峰值波长为425~495nm、带宽20~30nm的蓝光LED（11），所述蓝光LED（11）的数量与白光LED的比例为1:4~1:3；所述色温4000K~5000K的白光LED由第二蓝光LED激发荧光粉构成，显色指数为75~80；所述第二蓝光LED的峰值波长为425~495nm 、带宽20~30nm，并且与所述蓝光LED（11）的峰值波长不同，两者的峰值波长相差40~55nm，以增宽整个组合光源的带宽，提高光源的显色指数。

8.根据权利要求7所述的一种利用LED光源来提高舰船船员工作效率和睡眠质量的灯具，其特征在于：还包括：卧室照明采用色温为2700K~3300K的所述白光LED（12），降低照明灯具中的蓝光部分，以促进褪黑色素的产生，提高睡眠质量；机舱间及走道采用4000K~5000K的所述白光LED（12），点亮峰值波长625~655nm、带宽16~25nm的红光LED（13），所述红光LED（13）与白光LED（12）的数量比为1:2~1:3，以缩短暗适应时间。