錢惠國

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

紅綠藍三色LED調(diào)色特性的實驗研究

錢惠國

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

通過實驗，用紅綠藍三色LED匹配出紅、綠、藍、黃、品、青和白等各種典型顏色并測量了各顏色的色度坐標，研究了顏色與LED電流之間的變化規(guī)律，用CIE-1931色度圖表示出各顏色及顏色調(diào)節(jié)范圍。結(jié)果表明，該紅綠藍三色LED可以匹配出大部分實際顏色。

紅綠藍三色LED；顏色測量；顏色匹配；顏色調(diào)節(jié)

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)不僅具有體積小、功耗小、使用壽命長、價格便宜等優(yōu)點，而且顏色豐富，單色好(光譜帶寬約為10～20 nm)，已在照明[1-2]、醫(yī)療[3]、測量[4-5]、顏色分析[6-7]、實驗教學[8]、指示等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅綠藍三色LED(RGB LED)實現(xiàn)了一個LED能發(fā)出紅、綠、藍三種顏色的光，并且通過三種色光的混合及調(diào)節(jié)可以匹配出其他豐富多彩的顏色。為了定性地給出用紅綠藍三色LED進行顏色匹配的方法，定量地給出其顏色調(diào)節(jié)范圍，本文以瑞景光電的F5全彩RGB共陽型三色LED為例，通過實驗測量和數(shù)據(jù)分析，研究了其顏色調(diào)節(jié)特性，總結(jié)了顏色調(diào)節(jié)規(guī)律并且給出了顏色調(diào)節(jié)的色度圖。實驗表明，用紅綠藍三色LED進行調(diào)色方便快捷，并且可以匹配出實際生活中的大部分顏色。

1 LED色度的測量

在CIE 1931標準色度系統(tǒng)中，光源發(fā)光的顏色可用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐標(x,y,z)來表示。若測得某光源的光譜功率分布為φ(λ)，則其三刺激值和色度坐標可以通過下式計算[9]：

(1)

(2)

在實際計算中，式(1)中的積分用求和代替，其表達式為：

(3)

2 紅綠藍三色LED的調(diào)色特性

根據(jù)顏色匹配原理，顏色A和顏色B混合可以匹配出顏色C。因此，通過一定比例的混合，紅色和綠色可以匹配出黃色，紅色和藍色可以匹配出品色，綠色和藍色可以匹配出青色，紅綠藍三色可以匹配出白色。改變匹配色的亮度(即混合比例)可以匹配出其他的顏色。

2.1 紅綠藍三色LED顏色匹配及測量系統(tǒng)

實驗使用的共陽極紅綠藍三色LED共有4個引腳，其中較長、較粗的是公共陽極，其他三個分別是紅、綠、藍LED的陰極。測量LED色度的實驗裝置如圖1所示，主要包含三個部分，即LED驅(qū)動、積分球和光譜數(shù)據(jù)采集與處理。在LED驅(qū)動中，用直流穩(wěn)壓電源進行供電，三組開關(guān)和電位器用于控制紅、綠、藍LED的亮滅和強度，電流表用于測量LED的驅(qū)動電流。積分球用于對LED發(fā)出的光進行光譜和強度平均，使色度測量更加準確，LED從入射孔置于積分球內(nèi)，在出射孔處可以觀察或測量LED的顏色。光譜數(shù)據(jù)用光纖光譜儀(含計算機)進行采集和處理，最終計算出LED的色度。

系統(tǒng)中使用的積分球直徑為0.3m，光纖光譜儀型號為GZ03P-4000-UV-NIR，波長測量范圍為200～1 100nm，波長間隔小于0.3nm。

圖1 LED色度測量實驗裝置示意圖

2.2 紅綠藍三色LED的顏色匹配

在圖1所示實驗裝置中，開啟紅、綠、藍LED，調(diào)節(jié)三個電位器可以匹配出白色(色度坐標接近x=0.333,y=0.333，誤差小于0.001)。本實驗匹配出白色(x=0.333 0,y=0.333 8)時，紅色LED的電流是17.5 mA，綠色LED的電流是19.5 mA，藍色LED的電流是20.0 mA。用光纖光譜儀測量此時的光譜功率分布[10]，結(jié)果如圖2所示。

保持LED電流不變，通過控制紅、綠、藍LED的亮滅可以匹配出紅、綠、藍、黃、品、青六種顏色，具體如表1所示。

圖2 匹配白色時的光譜功率分布

白色紅色綠色藍色黃色品色青色紅色LED亮亮滅滅亮亮滅綠色LED亮滅亮滅亮滅亮藍色LED亮滅滅亮滅亮亮

用光纖光譜儀測量出其他各種顏色的光譜功率分布，如圖3所示，通過計算可以得到各顏色的色度坐標如表2所示。

圖3 紅、綠、藍、黃、品和青色的光譜功率分布

坐標軸白色紅色綠色藍色黃色品色青色x03330068820189701286048290390301530y03338030860699601212047150208003447z03332000320110607502004560401705023

2.3 紅綠藍三色LED的顏色調(diào)節(jié)

通過控制紅、綠、藍LED的亮滅以及調(diào)節(jié)電位器可以匹配出其他豐富多彩的顏色。本實驗中，先開啟紅色和綠色LED，藍色LED關(guān)閉，設(shè)置紅色LED的電流為17.5 mA，調(diào)節(jié)電位器使綠色LED的電流從0 mA逐漸增大到19.5 mA，再保持綠色LED的電流為19.5 mA，調(diào)節(jié)電位器使紅色LED的電流從17.5 mA逐漸減小到0 mA。在此過程中，可以觀察到顏色從紅色逐漸變?yōu)辄S色再逐漸變?yōu)榫G色，其光譜功率分布的變化如圖4所示。圖4中，“r2.0-g19.5”表示紅色LED的電流為2.0 mA，綠色LED的電流為19.5 mA，余者類推。

圖4 光譜功率分布的變化

同樣的方法也可以觀察和測量顏色從綠色變?yōu)榍嗌僮優(yōu)樗{色，以及從藍色變?yōu)槠飞僮優(yōu)榧t色的過程。根據(jù)光譜功率分布，計算出各種顏色的色度坐標并在CIE-1931色度圖中表示，結(jié)果如圖5所示。

圖5中顯示了紅、綠、藍、黃、品、青和白等顏色的色度坐標以及顏色從紅到黃再到綠、從綠到青再到藍、從藍到品再到紅的變化?？梢钥闯觯t、綠、藍三色坐標圍成一個三角形，且該三角形占據(jù)了色度圖的大部分面積，根據(jù)顏色匹配原理，此三角形內(nèi)所有的顏色均可以由該紅綠藍三色LED匹配得到。

圖5 顏色在CIE-1931色度圖的表示

3 結(jié)束語

通過實驗，研究了紅綠藍三色LED的顏色調(diào)節(jié)特性。首先，實現(xiàn)了用該紅綠藍三色LED匹配出紅、綠、藍、黃、品、青和白等各種典型顏色并給出了各顏色的色度坐標；其次，通過調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流研究了該紅綠藍三色LED的顏色調(diào)節(jié)規(guī)律；最后，用CIE-1931色度圖表示了各顏色及顏色調(diào)節(jié)范圍。結(jié)果表明，該紅綠藍三色LED可以匹配出實際生活中的大部分顏色。

[1] 楊光. 白光發(fā)光二極管在照明應(yīng)用中的陣列方式及匹配[J]. 光源與照明, 2012(1):5-8.

[2] 孟金林. 發(fā)光二極管光源在鐵路隧道照明中的應(yīng)用[J].光源與照明, 2011(3):23-24.

[3] 劉蓉, 張捷, 吳琦，等. 發(fā)光二極管光動力作用對人肺腺癌細胞株A549的增殖抑制效應(yīng)[J]. 現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學,2011,19(5):855-857.

[4] 陳風, 袁銀麟, 鄭小兵. 發(fā)光二極管在光學輻射測量中的應(yīng)用及進展[J]. 激光與光電子學進展，2008, 45(4):56-61.

[5] 劉平安, 王希平. 高亮度發(fā)光二極管用于牛頓環(huán)實驗研究[J]. 物理通報, 2010(6):43-45.

[6] 朱昊, 郭宏, 毛文煒，等. 顏色原理系列實驗的開發(fā)[J]. 實驗室研究與探索，2004,23(10):17-18,33.

[7] 李志敏,常宇,薛平，等. 一種戶外全彩LED顯示屏亮度色度檢測新方法[J]. 激光雜志, 2010,31(4):63-65.

[8] 于景俠, 王林柏. 單片機的數(shù)/模轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)發(fā)光二極管輝度實驗[J]. 實驗科學與技術(shù), 2005，3(S1):140-142.

[9] 湯順清. 色度學[M].北京: 北京理工大學出版社,1990.

[10] 錢惠國, 郭海, 曹利利，等. 光纖光譜儀測量發(fā)光二極管色度實驗研究[J]. 實驗技術(shù)與管理,2013，30(1):63-65.

Study on the Color Characteristics of RGB LED

QIAN Huiguo

(College of Mathematics, Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

In this paper, the typical color such as red, green, blue, yellow, pink, cyan and white is matched using RGB LED, and the chromaticity coordinates are calculated. The variation between the color and the LED current is revealed. The color and color range are showed in CIE-1931 chromaticity diagram. It is found that much of color can been matched using RGB LED.

RGB LED; chromaticity measurement; color matching; color adjustment

2014-02-24；修改日期: 2014-03-26

浙江師范大學實驗技術(shù)開發(fā)基金資助項目(sj201403)。

錢惠國(1978-)，男，碩士，工程師，研究方向：光電技術(shù)應(yīng)用。

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.010