(中國科學技術大學 物理實驗教學中心)

純色LED的色彩設計與測試實驗

(中國科學技術大學 物理實驗教學中心)

1 主要內容

在20世紀人類發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光現(xiàn)象，從而誕生了第4代照明光源——發(fā)光二極管(LED). 2014年，諾貝爾物理學獎就表彰了為人類帶來了新“光明”的藍色LED的發(fā)明者.

為了激發(fā)學生的學習興趣，在基礎物理實驗教學中引進獲諾貝爾物理學獎的實驗，及時自主設計研制了純色LED的色彩設計與測試教學實驗裝置，將新型的第4代LED光源引入基礎物理實驗——色度學實驗中，研制的集光學、電學、色度學于一體的光電測試和色度學測試系統(tǒng)，具有開放性積木式的實驗光路，紅、綠、藍三基色光可調性好.

基本實驗內容：

1)電學：伏安曲線是LED芯片PN結電學性能的主要體現(xiàn)，它具有單向導通性、非線性(電流與電壓呈指數(shù)關系).

2)光學：發(fā)光強度和亮度是衡量LED發(fā)光器件發(fā)光性能的重要參量；另外，發(fā)光強度與亮度與環(huán)境溫度也有關.

3)色度學：發(fā)光波長、發(fā)光峰半寬及光譜分布是衡量LED色度學性能的重要參量(主波長、色純度等).

圖1為LED實驗裝置. 具體實驗過程為：LED經(jīng)準直管調制為準平行光，3個準直管之間相互夾角均為120°，移動白屏可以直觀地看到三基色光的動態(tài)合成過程，研究色光的相加、相減混合規(guī)律. 合成的色光經(jīng)過微型光譜儀采集，即可以定量測量色光的色度學參量，例如：色光的相對光功率分布、色坐標、主波長和色純度等. 另一方面，還可以測量LED的光電特性，例如：伏安特性、發(fā)光強度、光譜特性，判別LED的組裝方式，等等.

圖1 LED實驗裝置

2 創(chuàng)新點

1)實驗內容涉及到了電學、光學、色度學科，從基礎的伏安特性、光電特性測量到色度學的研究，實現(xiàn)了中學物理與大學物理實驗教學的無縫對接.

2)設計的實驗裝置具有開放性積木式，可以自由組合，學生既可以完成基礎實驗內容，又可以探索研究一些光學、色度學實驗，陶醉于“積木”實驗探索樂園.

3 主要成效

通過LED的光電特性測量和色度設計，使學生掌握電學、光學和色度學交叉學科的理論及實驗技能，了解LED在照明技術和彩色顯示研究領域中的一些測量手段和重要作用. 實現(xiàn)中學物理與大學物理實驗課程的無縫對接.

本實驗的構建是以基本實驗部件——LED、微型單色儀等為基礎，實現(xiàn)了LED色彩設計與光電特性測量. 本實驗已應用于中國科學技術大學大學物理基礎實驗課程，經(jīng)過3年的實驗教學，近4 000學生受益，教學效果良好.

(執(zhí)筆：代如成)