作为舰船专用多功能照明灯具的应用研究.doc

LED作为舰船专用多功能照明灯具的应用研究
引言 　　船舰由于出航时间长，船员的活动空间狭小、工作强度大、所处环境照明色彩单调，因此船舱的照明环境对船员的心理和身理有着重大的影响。同时船舶所处的环境特殊，船上设备长期处在盐雾、高湿度、强震动的环境中；又因其所承担任务的特殊性和多样性，对船用照明设备的可靠性和可维护性提出了更高的规定。
　　LED照明行业是一个新兴的行业，它以其独特的优点深受人们的关注。我们在谈论和使用LED时，都会想到LED的长寿命、节能、高亮度、体积小的特点，同时LED具有色彩和亮度可控制，色温丰富的特点。
　　因此，将LED应用到船舰照明上，一定要合理运用LED的优点，灵活应用LED，从塑造合理光环境的要素出发，塑造良好的船舰照明环境。
　　LED概述
　　LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。目前我们照明使用的白光LED，是由多种颜色通过混合之后而成的。混合的方式，就构筑成多种多样的白光LED。比如二波长光(蓝色光+YAG系黄色萤光粉)或三波长光(通常是以无机紫外光芯片加R.G.B三颜色萤光体 )。
　　传统的重要应用于信号指示领域、仪表背光照明等，随着LED技术的提高，LED的发光效率也屡创新高，LED作为照明灯具的应用已成为也许。美国Cree公司的电流350mA的高功率LED，在室温下的发光效率达161lm/W，亮度为173lm，色温为46,890k，为业界最高水平。目前，已经量产的高功率LED中，日亚化学(Nichia)可达134lm/W ；Lumileds为115lm/W；台湾龙头厂商晶电日前公布的数据为120lm/W；而电流20mA的小尺寸实验室光效已接近150lm/W。
　　随着LED发光效率的不断超越，正预示着LED照明时代的的到来。
　　LED做为船用照明灯具的优势
　　传统的光源给我们带来了光文化，但使用不妥亦会对环境导致污染。传统的船用照明灯具重要有：白炽灯、荧光灯、高压汞灯和高压钠灯。表1是这些传统船用灯具的特性，由于这些特性的存在，传统灯具有以下缺陷：
　　寿命相对短，传统灯具最高的使用寿命只有1000小时左右；同时，这些灯具自身是玻璃制品，内存各种有毒气体，存放规定高；在安装时，要设计专门的防撞结构；某些大型船只，都必须设立专门的灯具仓库存放各种灯具，以备更换； 传统灯具都要辐射红外、紫外线及静电，影响船员的身心健康； 传统灯具色温不可以选择，长时间照明容易导致视觉疲劳。
光源
紫外线
红外线
灯热量
可见光（lm/w）
色温 （K）
显色性
寿命（h）
白炽灯
无
较高
大
10
3000K
100
1000
普通荧光灯
很少
很少
很小
50
5000K
60
8000
荧光节能灯
很少
很少
较小
80
5000K
80
5000
高压汞灯
高
稍有
较大
40
3450-3750
40
8000
高压钠灯
较高
很少
较大
110
1950-2250
20
10000
表1
　　从表1可以看出，荧光灯是较抱负照明的光源，可以避免紫外线和红外线对人体的伤害。但由于荧光粉的余辉作用和人眼的哲留特性，虽然眼睛看不见荧光灯发出的闪烁，然而，这种闪烁是客观存在的，并且正在不断地伤害着人们的眼睛和视觉神经。
　　LED的出现为我们带来了绿色的照明环境，LED无红外线、紫外线、热辐射，无频闪，可靠性高，使用寿命长。同时，LED结构小巧，安装方便，无噪音的特点，更加适合作为船用照明光源。作为船用照明灯具，LED具有以下更明显的特性：
　　1：绿色环保，安全性高
　　传统的灯具中具有大量的有毒气体及易碎玻璃，假如破碎，有毒气体则会挥发到空气中，灯具碎片撒向一地。但LED主线不具有毒气体，也不含铅、水银等重金属，对环境起到保护作用。可认为船员发明绿色的照明环境。使用过程中，传统灯具会产生大量的热能，而LED灯具则是把电能全都转换为光能，不会导致能源的浪费，作为船用灯具更没有因静电引发爆炸的隐患；LED灯体自身使用的是环氧树脂而并非传统的玻璃，更坚固牢固。
　　2：没有噪音，无辐射
　　LED灯具不会产生噪音，非常适合于驾驶舱、海图室这些需要注意力高度集中的工作场合以及船员的休息场合。传统的灯具使用的是交流电，所以会产生100－120Hz频闪。LED灯具是把交流电直接转换为直流电，没有频闪现象，更没有电磁辐射。
　　3：电压可调，色温丰富
　　传统的灯具当电压减少时则无法点亮。而LED灯具在一定范围的电压之内都能点亮，还能调节光亮度。同时，LED的色温范围达2023K~9000K，可以营造不同的照明效果，为船员发明良好的照明环境。
　　4：维护简朴、寿命长
　　LED的耗电量是节能灯的三分之一以下，寿命也是传统照明灯具的10倍，使用寿命长，可靠性高，使用成本低。船舶剧烈震动对LED灯具影响不大。
　　LED在船用照明上的应用
　　科学分析不同的照明规定，结合LED的技术特点，才干最大限度的发挥LED在船上的照明优势。下面分析，LED在船舶上的不同应用。
　　船用LED照明灯具
　　船舶长时间在海上航行，对船用照明设备的抗震、抗腐蚀能力提出了较高规定。而LED其独特的封装结构非常具有抗震能力，环氧树脂不仅抗震，并且不怕海水腐蚀。因此船用LED照明灯具的结构上，只要设计适合船用的固定结构就可以了，不用再设计额外防爆灯罩，结构上更为简朴、轻巧。没有了保护罩，光照效率更能得到改善。
　　船舶因其特殊因素，无法为船员提供舒适的工作、生活环境。而船员长期在海上生活，工作任务繁重，经常处在超负荷状态，特别是在一种单调的灯光下长期工作，容易导致照明疲劳，从而引发安全事故。
　　舒适的照明环境重要是通过改善人的视觉条件——照明生理因素和改善人的视觉环境——照明心理因素来实现的。LED色温的可选择性和照明颜色的丰富性，可认为船员营造良好的照明环境，使船员处在舒适的环境中，减少船员的压抑，烦躁等负面心理。
　　研究表白，不同色温的光线，给人的感觉也是不同样的，色温在3000K以下，光色偏红给以人温暖的感觉；色温在3000--6000K为中间色，人在此色调下无特别明显的视觉心理效应，有清爽、平和的感觉；色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清新的感觉。常见光源的色温及其相应的颜色见表2。
光色
红←—————————白————————————→蓝
色温（K）
1000 2023 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
自 然 光
日出后 日出后 正午的阳光 均匀的云遮日 雾弥漫的天空 20min 60min后的 的阳光 阳光
人 造 光
烛光 白炽灯 卤钨灯 荧光灯 荧光灯 LED LED LED LED高压钠灯 LED 金卤灯 LEDLED LED
表2
　　在设计船用LED照明灯具时，一方面要明确灯具所用场合和该场合的照明需求，这样才可认为各舱室营造不同的照明效果。比如机舱间、海图室、驾驶室等；这类场合环境嘈杂，船员的工作压力又大。因此这类场合使用4000K~5000K色温的LED给人清新、舒畅，可以缓解工作压力、保持注意力集中；而船员休息区，像餐厅、卧室和活动室，需要一个安静、温暖的照明环境，
　　2500K~3500K的LED灯能给人柔和、温馨的感觉；会议室是一个船员讨论问题或者传达上级精神的地方，环境安静整洁；但它需要船员有灵敏的思维、热情饱满的态度，色温在4500K~5500K的LED有此功效。
　　我公司和海军某基地合作，在一艘军舰上小范围试装了LED照明灯具，重要应用在餐厅、卧室、海图室、驾驶室等舱室。下面具体介绍下重要舱室的设计方案。
　　卧室照明
　　卧室是船员的私人空间，因此灯具的设计比较人性化。卧室LED采用多个大功率LED组合的方式，能通过智能控制开关控制照明亮度、选择色温，通过控制单个LED的亮度，达成对色温的选择。卧室LED照明灯具的色温调节范围为：2200K到3000K，可以给船员温馨的感觉；同时，在灯具加上能单独控制的波长450nm~~480nm的蓝色LED，可以帮助船员获得更好的睡眠。
　　餐厅照明
　　餐厅是一个船员休息用餐的公共场合，他需要一个安静、温暖的照明环境。餐厅LED照明灯具可以按面积大小，选择单组或者多组LED组成的灯具。长期出海，船员普遍食欲不振，餐厅LED照明灯具可以使食物看上去美味可口，从而增长船员的食欲。餐厅LED照明灯具的色温范围为：3000K到3500K。
　　作业区照明
　　船员50%以上的时间都是在作业区度过的，这里重要是机舱间、驾驶室和海图室。海图室的照明环境是一个空间局部照明，可以使制图员精神集中、思维灵敏；而机舱间是一个结构复杂、环境嘈杂的空间，在照明上采用点照明和面照明相结合的方式，在狭小、容易出安全事故的地方采用点照明，突出重点；作业区的船员承受较大工作压力，因此这类空间应采用4000K到5500K的色温。
　　LED其色温的丰富性可认为船舱营造各种照明环境，同时其波长的可选择性也为LED在船上更广泛提供了可行性。研究表白，LED作为照明功能外，尚有医疗保健作用。
　　船用LED医疗保健灯具
　　⑴、蓝光LED有助于睡眠
　　在航海过程中，船员经常处在紧张的工作状态，不规律的作息时间、恶劣的工作环境、长时间的工作状态都是船员身心健康的杀手。
　　不规律的作息时间和长时间的工作导致船员的睡眠质量存在较大问题。表3是船员的睡眠情况问卷调查情况。通过表3，我们可以发现，长时间的海上航行，入睡困难的船员人数增长，连续睡眠时间减少，夜间醒来次数增多，清晨感觉疲乏，睡眠质量明显下降，并且容易出现烦躁、抑郁的负面情绪。[2]
调查项目
调查结果

入睡时间
卧床即睡
30min以下
30min以上
平时
32（0.21）
70（0.47）
48（0.32）
长时间船上航行
28（0.18）
53（0.35）
69（0.46）

连续睡眠时间
4h以下
4~~6
6h以上
平时
11（0.07）
76（0.57）
63（0.42）
长时间船上航行
20（0.13）
83（0.55）
47（0.31）

早上醒来后的感觉
清醒
精力充沛
精神疲劳
平时
102（0.68）
7（0.05）
41（0.27）
长时间船上航行
60（0.40）
10（0.07）
80（0.53）

是否入睡困难
无
轻微
中档
严重
平时
92（0.61）
40（0.27）
11（0.09）
4（0.03）
长时间船上航行
74（0.49）
47（0.31）
22（0.15）
8（0.05）

睡眠局限性的影响
疲劳
影响工作
烦躁易怒
情绪低落
平时
110（0.37）
21（0.14）
10（0.07）
9（0.06）
长时间船上航行
90（0.60）
27（0.18）
23（0.15）
10（0.07）

是否有过失眠
无
偶尔
有时
经常
平时
49（0.33）
69（0.46）
25（0.17）
7（0.05）
长时间船上航行
45（0.30）
70（0.47）
23（0.15）
12（0.08）

心境情况
安静
兴奋
烦躁
焦急
抑郁
平时
126（0.84）
12（0.08）
8（0.05）
3（0.02）
1（0.01）
长时间船上航行
85（0.57）
21（0.14）
16（0.11）
15（0.10）
13（0.09）
表3 船员的睡眠情况(人数，括号内为比例)
　　如何通过LED照明增长船员的睡眠质量呢？睡眠是一个复杂的渐变过程，其中体内分泌出大量的褪黑素——一种可以促进睡眠的人体激素起了关键的作用。而蓝光LED有助于睡眠，提高睡眠的质量。图1是LED蓝光与传统日光色灯的光谱比较图。

图1 蓝光LED与传统日光色灯的光谱比较图
　　蓝色LED的作用是基于人体对光的生物反映。在450nm~480nm波段内蓝光的能量是光生物灯的 2.7倍，因此蓝光LED能促进褪黑素的分泌。他能补充普通照明中缺少的蓝光,运用他可以得到以下应用:
　　对船上病人，有助于褪黑素的分泌，即能起照明作用，又有助于睡眠； 在船员平时睡觉中使用，能起到调节生物钟的作用； 在高水平照明下的冷光可以提高人（特别是病人）的觉醒度, 而蓝光可作为日光的补充或在冬天日光局限性的地方的补充光, 减弱觉醒的限度。
　　⑵、蓝紫光LED有助于杀菌消毒
　　船舶因其所处环境特殊，船员常处在高湿、高热的环境，同时油漆、油气和不科学的饮食都直接影响着船员的健康。因此，船员极易患各种皮肤病，重要有湿疹、痤疮、脚气等。
　　皮肤病不属于大病，不会因皮肤病导致船舰减员。但是皮肤病严重影响了船员的正常生活，同时皮肤病的传染性及船员特殊的作息环境，导致皮肤病成了船员的常见病。研究表白，导致湿疹、痤疮的真菌在繁殖过程中可产生内源性的光敏物质卟啉，这些卟啉可吸取蓝色可见光而产生单线态氧从而使厌氧的真菌破坏死亡，其中波长415±5nm的蓝紫光LED，恰好与痤疮丙酸杆菌的吸取峰一致，因此可有效杀灭痤疮丙酸杆菌，有效缩短治疗时间，达成满意效果。[3]
　　同时，415±5nm的蓝紫光LED中具有少量的紫外线，即能起到杀菌的左右，又不会对人体导致伤害，可以长时间的使用，安全无副作用。
　　⑶、LED有助于伤口快速愈合
　　长期生活在船上，船员受外伤在所难免。但是由于潮湿的环境，伤口长时间的难以愈合，导致伤口溃烂、脓化。美国宇航局（NASA）研究表白，630—800nm波长的LED有助于加速伤口的愈合[4]。
　为了研究LED对伤口愈合的效果，NASA在正常鼠上进行动物模型实验，在鼠皮上发明1lmm直径的创伤，并让实验鼠生活在高湿度的环境下。把实验鼠提成2组（有LED，无LED），进行伤口愈合实验。创伤的大小由计算机扫描测量，实验的同时对动物模型进行解剖取样，用酶联免疫吸附(ELISA)测定其成纤维生长因子(FGF—B)浓度和血管内皮生长因子(VEGF)。其实验数据表白，有LED照射的小鼠皮肤创伤愈合得最快，其VEGF和FGF—β浓度的量与其它组比较也是最高的。有LED照射的小鼠约第七天左右VEGF和FGF—β浓度达成最高，以后随创伤的进一步愈合而浓度逐渐减少，而无LED照射的小鼠约第十二天左右VEGF和FGF—β浓度达成最高，以后随创伤的进一步愈合而浓度逐渐减少。
　　这些具有医疗保健功能的LED灯具，我们可以把具有普遍需求功能设计到照明灯具中，在为船舱照明的同时，达成医疗保健的功能；而对那些特殊功能的LED灯具，我们可以设计成可移动的、便携式的医疗保健灯具，为需要的船员提供医疗保健服务。
　　结论
　　LED在照明领域中已经占有了一席之地，其特定的发光机理赋予它一系列特性和特点，由于发光体小、介质密度大、发光集中、亮度高、穿透性好，LED非常适合做船用照明灯具；同时，LED也在光疗作用上得到了迅速发展，在相干性、光强、波长、实用性等方面的固有优势，LED非常适合开发船用的实用、新型、简便、安全的LED系列医疗器件。
　　LED其自身的特点非常适合船上使用，但是LED也有需提高的地方。
　　近几年来，随着LED技术的发展，LED的光效、光通量都取得了显著的提高，但是在大面积照明方面由于发光效率、输出光通和颜色一致性方面存在局限性而没有得到广泛应用。目前，LED照明灯具要有多颗大功率LED组成，才干达成良好的照明效果。因此一致性将会越来越得到重视。
　　LED是一种点光源。因此照明用的LED灯具都要做二次光学解决，按照不同的使用环境、照明高度来选择不同的光学透镜，以达成最佳的照明效果。
　　LED与传统照明灯具相比，优势明显。LED的可靠性、无电磁辐射等这些特点，非常适合作船用照明灯具。同时其丰富的颜色和可选择性的色温以及附带的光疗作用，及可以发明不同的照明环境又可以达成医疗保健的功效。所以LED是一个非常人性化的、非常适合船用的多功能照明灯具。(