宋曉亮，蘇來(lái)曼·艾，朱 江，陳 平

（南開(kāi)大學(xué)，天津 300071）

基于LED的色度學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

宋曉亮，蘇來(lái)曼·艾，朱 江，陳 平

（南開(kāi)大學(xué)，天津 300071）

作為環(huán)保、節(jié)能、可智能控制的新型光源，發(fā)光二極管（LED）廣泛應(yīng)用于人們的現(xiàn)代生活、生產(chǎn)中，更有望替代傳統(tǒng)的照明光源。以三基色LED為光源，制作了三路獨(dú)立可調(diào)恒流電源，通過(guò)調(diào)節(jié)三基色光的不同配比實(shí)現(xiàn)加法混色，研究設(shè)計(jì)了加法混色的色度學(xué)實(shí)驗(yàn)，既可以直接觀(guān)察混色后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又能通過(guò)測(cè)量光譜數(shù)據(jù)得到色度參數(shù)。LED光源環(huán)保、節(jié)能，實(shí)驗(yàn)光路簡(jiǎn)單易行，豐富了大學(xué)物理光譜與色度學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

三基色LED；色度學(xué)；色坐標(biāo)；相關(guān)色溫；環(huán)保

傳統(tǒng)的色度學(xué)實(shí)驗(yàn)是以溴鎢燈為光源，通過(guò)測(cè)量透射光譜，計(jì)算濾光片的透過(guò)率，以確定色坐標(biāo)［1－3］。加法混色實(shí)驗(yàn)是將光分成三路，或使用三個(gè)溴鎢燈，分別透過(guò)紅、綠、藍(lán)三基色的濾光片，形成紅、綠、藍(lán)三路光，再經(jīng)光闌及成像透鏡會(huì)聚在一起［4］。由于溴鎢燈光譜的短波功率較低，因此經(jīng)過(guò)藍(lán)色濾光片后，藍(lán)光較弱，使得混色時(shí)藍(lán)光的可調(diào)范圍小。并且實(shí)驗(yàn)中需要的光學(xué)元件多，實(shí)驗(yàn)光路較復(fù)雜。

從2008年北京奧運(yùn)會(huì)色彩絢爛的水立方（迄今為止世界上最大的半導(dǎo)體照明工程［5－6］），到2010年上海世博會(huì)美麗的夜晚景觀(guān)照明［7－8］，作為革命性的新型光源——發(fā)光二極管（LED），在全球能源短缺和提倡“低碳”、“節(jié)能”與“環(huán)?！钡拇蟊尘跋?，插上了騰飛的翅膀。與白熾鎢絲燈泡及熒光節(jié)能燈相比，LED以其體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、可智能控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到顯示屏、道路交通信號(hào)燈、手機(jī)、景觀(guān)照明燈領(lǐng)域，更有望替代傳統(tǒng)照明光源［9－12］。

國(guó)外Masahiro Kamata，Gorazd Planinsic等人首先將LED光源引入到顏色混色的演示實(shí)驗(yàn)中，用紅、綠、藍(lán)三個(gè)LED做光源，用乒乓球或紙盒等日常生活用品，實(shí)現(xiàn)三種顏色光混色，實(shí)驗(yàn)光路簡(jiǎn)單易行，成本低廉，現(xiàn)象清晰可見(jiàn)，而且便于學(xué)生課后重復(fù)，但缺乏定量地色度測(cè)量與計(jì)算［13，14］。

本文選用新型的三基色LED作為實(shí)驗(yàn)光源，并制作了三路獨(dú)立可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)電源。該光源將紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED芯片封裝在一起，通過(guò)電源控制，可以分別點(diǎn)亮也可以同時(shí)點(diǎn)亮三個(gè)LED，出射光經(jīng)光源頂部的環(huán)氧樹(shù)脂透鏡后以一定發(fā)射角出射并混合在一起，實(shí)驗(yàn)光路簡(jiǎn)單易行，光源環(huán)保、節(jié)能、體積小，三種顏色光可調(diào)性好，便攜性好，成本低廉。同時(shí)，LED的發(fā)射光譜分布是半高寬為幾十至幾百納米的近似高斯分布［15］，研究其光譜特性及色度，豐富了光譜和色度學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

1 加法混色的實(shí)驗(yàn)演示

圖1為J500RGBBOA型三基色LED及其控制電源電路示意圖。虛線(xiàn)框內(nèi)部分為三基色LED，是將紅、綠、藍(lán)三個(gè)LED封裝在一起的共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)?？瑟?dú)立控制紅、綠、藍(lán)三個(gè)LED的開(kāi)關(guān)，并能通過(guò)分別調(diào)整每一路電流的大小，來(lái)控制每個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度。電源供電電壓為交流220 ±22 V，驅(qū)動(dòng)電壓輸出為直流，小于5 V，具體電壓由LED壓降決定，驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)范圍為0～20 m A。單路五圈電位器可連續(xù)調(diào)節(jié)，電流調(diào)整率小于0.1%。使用環(huán)境：0～50℃干燥無(wú)腐蝕氣體環(huán)境。

圖1 三基色LED及其控制電源電路示意圖

圖2是加法混色的LED顏色分布，可作為加法混色的實(shí)驗(yàn)演示。三基色LED發(fā)出的光，經(jīng)光源頂部的樹(shù)脂透鏡會(huì)聚后以一定角度出射，并部分混合在一起，光屏上接收到紅、綠、藍(lán)三種顏色光及其混色光。圖3是光屏上接收到的三基色LED紅綠、紅藍(lán)、藍(lán)綠兩兩混色，以及紅、綠、藍(lán)三種顏色光混色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其中交疊區(qū)域?yàn)榛焐狻?/p>

圖2 加法顏色LED顏色分布

圖3 混色實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2 光譜測(cè)量及色度坐標(biāo)計(jì)算

圖4是測(cè)量三基色LED混合光光譜的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。三基色LED發(fā)出的光，經(jīng)透鏡會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)光闌，僅讓混色光進(jìn)入到光柵單色儀中，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，同時(shí)光電倍增管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)處理得到相對(duì)光譜功率分布。

圖4 光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

式（1）～（3）中常數(shù)k為調(diào)整因數(shù)，它是將照明體（或光源）的Y值調(diào)整為100時(shí)得到的值，即［16］

光柵光譜儀測(cè)量得到的紅、綠、藍(lán)LED分別點(diǎn)亮?xí)r的相對(duì)光譜功率分布，如圖5所示。紅光LED的峰值波長(zhǎng)為629 nm，光譜半高寬為20 nm；綠光LED的峰值波長(zhǎng)為511 nm，光譜半高寬為30 nm；藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)為458 nm，光譜半高寬為25 nm。圖6是光柵光譜儀測(cè)量得到的紅、綠、藍(lán)LED混合白光的相對(duì)光譜功率分布。根據(jù)測(cè)量的紅、綠、藍(lán)LED的光譜，以及兩兩混合和三種顏色光的混合光的光譜，通過(guò)公式（1）～（7）計(jì)算出的色坐標(biāo)，見(jiàn)圖7。

圖5 紅、綠、藍(lán)LED分別點(diǎn)亮?xí)r的相對(duì)光譜功率分布（S max為光譜峰值）

圖6 同時(shí)點(diǎn)亮紅、綠、藍(lán)三色LED，混色成白光的相對(duì)光譜功率分布（S max為光譜最大值）

圖7 CIE 1931色度圖（圖中色溫單位為K）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證顏色相加混合規(guī)律：兩種顏色光Ⅰ和Ⅱ相加混合，其混合光的色度點(diǎn)總是位于色度圖中Ⅰ和Ⅱ連線(xiàn)上［16］。圖7中，A、B、C分別是紅、綠、藍(lán)LED的色坐標(biāo)，E、F、G分別為紅綠、紅藍(lán)、藍(lán)綠LED得到的混合光的色坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的混色實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分別為圖3中（a）、（b）、（c）。紅、綠LED混合后得到黃色光，該黃色光的色坐標(biāo)E位于紅光A和綠光B的連線(xiàn)上。紅、藍(lán)LED混合后得到紫色光，該紫色光的色坐標(biāo)F位于紅光A和藍(lán)光C的連線(xiàn)上。藍(lán)、綠LED混合后得到藍(lán)綠色光，該藍(lán)綠色光的色坐標(biāo)G位于藍(lán)光C和綠光B的連線(xiàn)上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的混色光的光譜，計(jì)算得到色坐標(biāo)，驗(yàn)證了顏色相加的混合規(guī)律。

根據(jù)色度圖可以確定某一顏色的主波長(zhǎng)和補(bǔ)色波長(zhǎng)［16］。以圖7中紅、綠混色的黃色光E點(diǎn)為例，將等能光譜點(diǎn)SE作為參照白色，E點(diǎn)與SE的連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)，與光譜軌跡交于Eλ和E′λ。其中，Eλ為黃色E的主波長(zhǎng)，約為578 nm。主波長(zhǎng)決定顏色的色調(diào)。E′λ為黃色E的補(bǔ)色主波長(zhǎng)，約為480 nm。Eλ與E′λ兩色互補(bǔ)。

圖3（d）中紅、綠、藍(lán)LED混合得到的白光，色坐標(biāo)位于圖7的D點(diǎn)。該色度點(diǎn)最接近于黑體加熱到4100 K時(shí)的色度點(diǎn)，因此混合白光D點(diǎn)的相關(guān)色溫為4100 K?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整紅、綠、藍(lán)三種顏色LED的電流強(qiáng)度，改變?nèi)N顏色LED的光強(qiáng)的比例，從而得到不同顏色的混色光，其色坐標(biāo)位于圖7中ABC連線(xiàn)圍成的三角形區(qū)域內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文以新型的三基色LED為光源，制作了三路可調(diào)恒流電源，進(jìn)行了加法混色的演示實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)測(cè)量混色光光譜，計(jì)算得到色坐標(biāo)、主波長(zhǎng)、補(bǔ)色波長(zhǎng)以及白光的相關(guān)色溫，驗(yàn)證了顏色相加混合規(guī)律。與以往的色度學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，LED光源環(huán)保、節(jié)能，紅、綠、藍(lán)三種顏色光可調(diào)性好，光源及其電源成本低廉。采用紅、綠、藍(lán)LED芯片封裝在一起的三基色LED，簡(jiǎn)化了加法混色實(shí)驗(yàn)的光路。并且引入混色白光后的相關(guān)色溫，豐富了光譜和色度學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

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Chromaticity Experiments Based on LEDs

SONG Xiao-liang，SU lai-man·AI，ZHU Jiang，CHEN Ping

（Nankai University，Tianjin 300071）

As an environment-protected，power-saving and intelligent controlled light source，LED has been widely used in human activities and manufacture，and may take place of traditional lights.An adjustable power supply was made for tricolor LEDs，which were used as the light sources of the chromaticity experiment.The experiment could demonstrate additive color mixing by changing the proportion of tricolor LEDs.Experimental phenomena could be observed，and color parameters could be obtained by the spectrum.The optical paths were simple.The experiment enrich the contents of the college physics experiments about spectrum and chromaticity.

tricolor LEDs；chromaticity；color coordinates；correlated color temperature；environmentprotected

O 432.3

A

1007-2934（2011）05-0035-04

2011-03-02