半導(dǎo)體激光船舶號燈顏色屬性的設(shè)計(jì)與仿真

吳同飛，朱金善，孫立成，何慶華

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2.中國船級社, 北京 100007)

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半導(dǎo)體激光船舶號燈顏色屬性的設(shè)計(jì)與仿真

吳同飛1，朱金善1，孫立成2，何慶華1

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2.中國船級社, 北京 100007)

為了提高現(xiàn)行船舶號燈在復(fù)雜光環(huán)境中的可識別性，更好地保障船舶夜航安全，運(yùn)用色度學(xué)及半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理，設(shè)計(jì)了一種新型船舶號燈。選取長度大于等于50 m的機(jī)動船的右舷燈和桅燈為實(shí)驗(yàn)對象，在三維實(shí)體建模軟件(Lighttools)環(huán)境下建立右舷燈和桅燈的實(shí)體模型，并對這2種號燈的半導(dǎo)體激光器光譜區(qū)波長、光譜權(quán)重、功率、光線數(shù)量、光線追跡閾值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模擬了不同接收距離處燈光的顏色屬性。模擬結(jié)果表明：半導(dǎo)體激光號燈右舷燈顏色刺激純度為1；半導(dǎo)體激光號燈中桅燈光色的色品坐標(biāo)與參考白光(色品坐標(biāo)為(1/3，1/3))接近，二者均符合《國際海上避碰規(guī)則》對號燈顏色屬性的要求。

半導(dǎo)體激光器；船舶號燈；Lighttools；顏色屬性；色度學(xué)

引言

目前，船舶上所使用的號燈主要是電氣號燈(以下稱“普通號燈”)，外加透明或者有顏色的燈罩獲得相應(yīng)光色的燈光，其燈光光譜成分較為復(fù)雜，色調(diào)差，有色燈光飽和度不高，在光污染較嚴(yán)重的水域易與其他背景光色相混色，從而造成號燈識別上的困難，影響船舶夜航安全[1]。激光技術(shù)自問世以來在許多領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2]，尤其是半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生的激光具有波長覆蓋范圍廣、亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好等優(yōu)點(diǎn)[3]，因而利用半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)制造的新型船舶號燈，不僅光束質(zhì)量高、光弧易于控制，而且光色具有很好的色調(diào)和顏色純度，有利于提高復(fù)雜光環(huán)境下船舶號燈的可識別性。半導(dǎo)體激光器輸出激光的波長由其所使用的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定[4]，因此，只要選擇合適的半導(dǎo)體材料就能獲得符合船舶號燈顏色屬性要求的激光。

1 半導(dǎo)體激光號燈顏色屬性的設(shè)計(jì)

1.1 《國際海上避碰規(guī)則》對號燈顏色屬性的要求

船舶號燈的色度符合國際照明委員會的標(biāo)準(zhǔn)，并且《國際海上避碰規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)規(guī)定每種顏色的區(qū)域界限是用折角點(diǎn)的坐標(biāo)表示的，這些坐標(biāo)在CIE1931色品圖(2°視場)中所代表的區(qū)域如圖1所示，圖中偏馬蹄形的曲線為光譜色的色品軌跡，E點(diǎn)代表參考白光[5]。

圖1 CIE1931色品圖(2°視場)中《規(guī)則》為每種顏色的號燈規(guī)定的區(qū)域Fig.1 Area specified for each color specification of lights in CIE1931 chromaticity diagram (2° FOV) by“COLREGS”

1.2 半導(dǎo)體激光號燈顏色屬性的設(shè)計(jì)方案

1.2.1 左右舷燈及拖帶燈顏色屬性的設(shè)計(jì)

考慮到半導(dǎo)體激光器的成本，本文選取波長為635 nm(紅)、595 nm(黃)和532 nm(綠)的半導(dǎo)體激光器分別作為船舶左舷燈、拖帶燈和右舷燈的光源。其中波長為635 nm和波長為595 nm的光譜色的色品坐標(biāo)處在《規(guī)則》為號燈的顏色屬性規(guī)定的區(qū)域內(nèi)；波長為532 nm的光譜色的色品坐標(biāo)雖然不在《規(guī)則》為綠色光規(guī)定的顏色屬性區(qū)域內(nèi)，但其與參考白光色品坐標(biāo)的連線通過該區(qū)域，顏色飽和度比《規(guī)則》要求的綠色光更高，所以本實(shí)驗(yàn)選用波長為532 nm的半導(dǎo)體激光器作為船舶右舷燈的光源是符合《規(guī)則》要求的。

1.2.2 桅燈及尾燈顏色屬性的設(shè)計(jì)

普通的半導(dǎo)體激光器只能激發(fā)固定波長的激光，這種激光的特點(diǎn)是單色性很好，但是不能得到白色光。人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，自然界中的各種顏色幾乎都可以由3種基色按不同比例混合得到。能夠匹配所有顏色的3種顏色稱為三基色，例如紅、綠、藍(lán)即為一組常用的三基色，利用紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行混色實(shí)驗(yàn)的混色圖如圖2所示，由該圖可知紅、綠、藍(lán)三基色以一定比例相加混色可產(chǎn)生白色[6-7]。

圖2 三基色混色圖Fig.2 Color mixing figure of three primary colors

如同用紅、綠、藍(lán)3種顏色可以匹配所有顏色一樣，任何一種光源色都可以用不同波長的光譜色來匹配。由于單個(gè)半導(dǎo)體激光器的尺寸很小，考慮利用空間混色法，將激光光色分別呈紅、綠、藍(lán)三色的3種半導(dǎo)體激光器緊密排列作為一個(gè)發(fā)光單元組，再將這些發(fā)光單元組以陣列的方式集成來設(shè)計(jì)新型號燈的桅燈和尾燈。類似于觀察彩色顯像管的熒光屏，當(dāng)人眼在一定距離外觀察彼此間隔很近的發(fā)光單元組內(nèi)的不同色光時(shí)，由于人眼視覺分辨力的限制(極限分辨角約為0.7′～1′[8])而不能分辨出不同顏色的光點(diǎn)，感覺到的只能是混合后的顏色效果，并且這種混色方法能夠做到光能量的零損失。將紅、綠、藍(lán)三基色的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的單色光混合成白色光時(shí)，需要考慮3種單色激光器的功率配比[9]。

匹配某種顏色所需三原色的量稱為該顏色的三刺激值。在CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)中，顏色的三刺激值是光譜色波長λ的函數(shù)，其表達(dá)式為[3]

(1)

(2)

本文選取波長為635nm(紅)、532nm(綠)和450nm(藍(lán))的激光合成參考白光，根據(jù)顏色相加原理，有參考白光的三刺激值：

(3)

式中：X635、Y635、Z635；X532、Y532、Z532；X450、Y450、Z450分別為合成白色光的各單色激光的三刺激值；a、b、c為比例系數(shù)，它們的比值等于各單色激光的功率比PR、PG、PB。

在CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)色品圖中，參考白光的色品坐標(biāo)[10]為

(4)

聯(lián)立(2)～(4)式可求得合成參考白光時(shí)各單色激光的功率比PR∶PG∶PB=14.723∶9.695∶6.583。

2 半導(dǎo)體激光號燈的仿真過程

2.1 右舷燈的仿真過程

本實(shí)驗(yàn)采用美國OpticalResearchAssociates(ORA)公司開發(fā)的三維實(shí)體建模軟件Lighttools進(jìn)行仿真模擬。對于左右舷燈和拖帶燈，光色均為單色光，發(fā)光原理大致相同，本文以長度大于等于50m的機(jī)動船的右舷燈為例進(jìn)行仿真模擬。選用波長為532nm的可見綠光半導(dǎo)體激光器作為新型號燈右舷燈的光源，為滿足《規(guī)則》對號燈發(fā)光強(qiáng)度的要求，經(jīng)計(jì)算，在明視覺環(huán)境下，使用的半導(dǎo)體激光器的總功率至少應(yīng)為8.74mW?？刂瓢雽?dǎo)體激光器發(fā)散角為7.5°，半導(dǎo)體激光器的使用既要保證號燈在要求的水平光弧和垂直光弧范圍內(nèi)光強(qiáng)分布盡量均勻，又不能使號燈的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此考慮將18個(gè)單管功率為0.6mW的半導(dǎo)體激光器等間距集成在一個(gè)半圓環(huán)外表面上，半圓環(huán)外表面半徑為4.58cm，內(nèi)表面半徑為3.58cm，厚度為1cm，寬2cm，外表面112.5°角對應(yīng)的弧長為9cm。半導(dǎo)體激光器的發(fā)射方向以不同角度向Y-Z平面傾斜，并且相對于Y-Z平面左右對稱，相對于X-Z軸平面上下對稱。

由于右舷燈中作為發(fā)光單元的半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長完全相同，故在Lighttools環(huán)境下對它們進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。設(shè)置各激光器光譜區(qū)波長為532nm，光譜權(quán)重為1；設(shè)置號燈整體發(fā)光光線數(shù)量為3×107條，光線追跡閾值為0.01，以滿足實(shí)驗(yàn)精度的要求。分別在0.1nmile、1nmile和3nmile距離處建立平面接收器，經(jīng)Lighttools仿真模擬后在不同距離處接收到光線的顏色三角形如圖3～圖5所示，各模擬實(shí)驗(yàn)的錯誤峰值均在5%以內(nèi)。

2.2 桅燈的仿真過程

由前述號燈設(shè)計(jì)原理可知，對于桅燈和尾燈，二者的發(fā)光原理相同。這里以桅燈為例說明其顏色屬性的仿真過程。在Lighttools環(huán)境下建立的桅燈模型與右舷燈類似，不同的是用圓心角為225°的扇形圓環(huán)代替半圓環(huán)，并將12個(gè)發(fā)光單元組在桅燈模型上單排等間距集成。桅燈發(fā)光單元組由波長為635nm、532nm和450nm的半導(dǎo)體激光器組成，3種半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)空間混色后呈現(xiàn)出白色，因此應(yīng)分別設(shè)置這3種激光器。在Lighttools環(huán)境下設(shè)置3種激光器的光譜區(qū)波長分別為635nm、532nm和450nm，光譜權(quán)重均為1；根據(jù)前文計(jì)算的結(jié)果，設(shè)置3種半導(dǎo)體激光器的功率分別為14.723mW、9.695mW和6.583mW；設(shè)置每組發(fā)光單元光線數(shù)量為2×105條，光線追跡閾值為0.01。分別在0.1nmile、3nmile和6nmile距離處建立平面接收器，經(jīng)Lighttools仿真模擬后在不同距離處接收到光線的顏色三角形如圖6～圖8所示，各模擬實(shí)驗(yàn)的錯誤峰值均在5%以內(nèi)。

圖3 右舷燈燈光顏色三角形(0.1 n mile)Fig.3 Light color triangles of starboard light (0.1 n mile)

圖4 右舷燈燈光顏色三角形(1 n mile)Fig.4 Light color triangles of starboard light (1 n mile)

圖5 右舷燈顏色三角形(3 n mile)Fig.5 Light color triangles of starboard light (3n mile)

圖6 桅燈顏色三角形(0.1 n mile)Fig.6 Light color triangles of masthead’s light

圖7 桅燈燈光顏色三角形(3 n mile)Fig.7 Light color triangles of masthead light (3 n mile)

3 仿真結(jié)果分析

顏色純度表示某種顏色接近主波長光譜色的程度，可以用刺激純度來表示，即把顏色看作光譜色與參考白光以一定比例混合后的混合色，將光譜色的三刺激值總和與混合色三刺激值總和的比值定義為顏色的刺激純度。顏色刺激純度Pe的表達(dá)式為

(5)

式中：Xλ、Yλ和Zλ為顏色所包含的主波長光譜色三刺激值；X、Y、Z為顏色的三刺激值。

由圖3～圖5可知，半導(dǎo)體激光號燈右舷燈光色的色品坐標(biāo)(圖中矩形的中心)并不處在《規(guī)則》為綠色光規(guī)定的顏色屬性區(qū)域內(nèi)，而是處于光譜色色品軌跡上，其與參考白光點(diǎn)的連線通過該區(qū)域。根據(jù)(5)式計(jì)算得此新型號燈的顏色刺激純度為1，這樣高的顏色刺激純度是普通號燈所難以達(dá)到的。

分析圖6～圖8可知，半導(dǎo)體激光號燈桅燈的色品坐標(biāo)處于《規(guī)則》為白色光顏色屬性規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。由于在航海實(shí)踐中，普通號燈大多使用白熾燈作為桅燈的光源，人眼觀察此類船舶號燈時(shí)其光色多呈弱黃色，但本文模擬的新型號燈色品坐標(biāo)(圖中標(biāo)示的坐標(biāo)值)與參考白光的色品坐標(biāo)(1/3，1/3)相接近，因此本新型號燈比普通號燈的光色更加接近標(biāo)準(zhǔn)白色。

分析圖3～圖8可知，新型號燈無論是的右舷燈還是桅燈，燈光光色的色品坐標(biāo)在色品圖中幾乎維持不變，這表明本新型號燈的顏色屬性幾乎不會隨接收距離的增加而發(fā)生改變。

綜上所述，本新型號燈滿足《規(guī)則》對船舶號燈顏色屬性的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型船舶號燈選取波長為635nm、595nm和532nm的半導(dǎo)體激光器分別作為船舶左舷燈、拖帶燈和右舷燈的光源；選取由波長為635nm、532nm和450nm的單元組而組成的半導(dǎo)體激光器作為桅燈和尾燈的光源，實(shí)現(xiàn)了《規(guī)則》所要求的船舶號燈顏色屬性。以右舷燈與桅燈為例，在Lighttools環(huán)境下的仿真結(jié)果表明：新型號燈右舷燈的顏色刺激純度為1，新型號燈桅燈的光色比普通號燈更加接近標(biāo)準(zhǔn)白色；新型號燈的顏色屬性幾乎不會隨接收距離的增加而發(fā)生改變；兩組仿真實(shí)驗(yàn)的錯誤峰值均在5%以內(nèi)。

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Design and simulation of semiconductor laser ship lights’color properties

Wu Tongfei1, Zhu Jinshan1, Sun Licheng2, He Qinghua1

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2.China Classification Society, Beijing 100007, China)

In order to improve the recognizability of ship lights in the complex light environment to better protect the navigation safety of the ship at night, a new type of ship lights was designed according to the colorimetry and the emitting principle of semiconductor laser. Starboard light and masthead light of power-driven vessel with the length of no less than 50 m were selected as experimental objects. Starboard light and masthead light solid models were established in the three-dimensional solid modeling software (Lighttools) environment. Both of the lights’ semiconductor laser spectral region, spectral weight, power, rays to trace, relative ray power threshold and other parameters were set to simulate the color properties at different reception distances. The simulation results show that: the color stimuli purity value of semiconductor laser starboard light is 1; the chromaticity coordinates of the semiconductor laser masthead light are close to the reference white (the chromaticity coordinates is (1/3, 1/3)); both of them meet the requirements of theInternationalRegulationsforPreventingCollisionsatSeaforlights color properties.

semiconductor lasers; ship lights; Lighttools; color properties; colorimetry

1002-2082(2015)02-0321-06

2014-10-11；

2014-11-16

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014025008)

吳同飛(1990-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事交通信息工程及控制的研究工作。

E-mail: 512738675@qq.com

朱金善(1971-)，男，江西九江人，教授，主要從事航海技術(shù)的教學(xué)與研究工作。E-mail: zjinshan888@126.com

TN248.4

A

10.5768/JAO201536.0207005