三基色LED用于色度學演示實驗

朱 江,陳 平,劉麗颯,劉家恕,李 強

(南開大學物理科學學院基礎物理實驗中心,天津300071)

三基色LED用于色度學演示實驗

朱 江,陳 平,劉麗颯,劉家恕,李 強

(南開大學物理科學學院基礎物理實驗中心,天津300071)

以三基色LED為光源,制作了3路獨立可調LED恒流驅動電源,并且設計了加、減法混色以及藍光激發熒光混色演示實驗.

三基色;LED;色度學

1 引 言

色度學涉及物理光學、生理、心理等諸多學科,與人們的生產、生活聯系緊密,如電腦顯示器的顏色顯示,繪畫、印染的配色等[1-2].目前國內的色度學實驗主要采用鎢燈作為光源[3-7].傳統的加法混色實驗是以鎢燈為光源,將光分成3路,或使用3個鎢燈光源,分別透過紅、綠、藍三基色濾光片,形成紅、綠、藍3路光,再經光闌及成像透鏡會聚[5,8].實驗所需光學元件多,光路較復雜.

本文參考并借鑒 Gorazd Planinsic,M asahiro Kamata等人利用LED作為光源進行混色實驗的經驗[9-10],選用新型的三基色LED作為光源(該光源將紅、綠、藍3種顏色的LED芯片封裝在一起,通過電源控制,既可以分別點亮也可以同時點亮2個或3個L ED[11]),并制作了3路獨立可調恒流驅動電源,設計了加、減法混色和藍光激發熒光的演示實驗.

2 三基色LED的控制電源

三基色LED及其控制電源電路如圖1所示.圖1中虛線框內為三基色LED,是將紅、綠、藍3個LED封裝在一起的共陽極結構.3路獨立可調LED恒流驅動電源可獨立控制紅、綠、藍 3個LED的開關,并能通過分別調整每一路電流的大小,來控制每個LED的發光強度.電源供電電壓為交流220(1±10%)V,驅動電壓輸出為直流,小于5 V,具體電壓由LED壓降決定,驅動電流調節范圍:0～20 m A.單路5圈電位器可連續調節,電流調整率小于0.1%.使用環境:0～50℃干燥無腐蝕氣體環境.

圖1 三基色LED及其控制電源電路示意圖

3 加法混色的實驗演示

將乒乓球作為混色實驗的混色裝置[10].在乒乓球上鉆直徑恰好等于三基色LED光源大小的孔,使三基色LED插入到乒乓球內固定住.L ED發出的光,經乒乓球內壁漫反射后,均勻混色.分別點亮紅、綠、藍LED,如圖2(a)～(c)所示.綠、藍LED混色,可得到青色,如圖2(d)所示.紅、藍LED混色,可得到紫紅色,如圖2(e)所示.紅、綠LED混色,可得到黃色,如圖2(f)所示.圖2(g)是紅、綠、藍LED混色得到的白光.

紅、綠、藍LED,經加法混色得到白光后,關掉紅光LED,觀察到顏色變為如圖2(d)所示的青色,即為該紅色光的補色.三基色LED加法混色得到白光后,關掉綠光,顏色變為如圖2(e)所示的紫紅色,即為該綠色光的補色.三基色LED加法混色得到白光后,關掉藍光,顏色變為如圖2(f)所示的黃色,即為該藍色光的補色.

調節通過紅、綠、藍LED的電流強度,可改變紅、綠、藍三基色LED顏色的配比,得到不同顏色的光.例如:紅、綠LED以不同配比可得到黃綠色、綠黃色、黃色、橙色.

圖2 加法混色實驗現象

4 減法混色的實驗演示

紅、綠、藍三基色LED發出的光,經乒乓球勻光混色,得到白光,照射到濾光片,觀察減法混色實驗現象.白光經過黃色和紫紅色濾光片后,得到紅色,實驗現象如圖3(a)所示.白光經過紫紅色和青色濾光片后,得到藍色,如圖3(b)所示.白光經過青色和黃色濾光片后,得到綠色,如圖3(c)所示.白光經過黃色、青色和紫紅色濾光片后,得到灰色,如圖3(d)所示.

圖3 減法混色實驗現象

5 熒光的實驗演示

用黃色和桔黃色熒光筆在白紙條上涂色,制成黃色和桔黃色熒光紙,如圖4(a)和(b)所示.在乒乓球垂直入光孔處再鉆一較大的孔,將黃色和桔黃色熒光紙分別放入乒乓球內,而且正對光源,使藍光LED發出的光大部分直接照射到熒光紙上.藍光LED可以激發黃色熒光,并且在乒乓球內與激發的黃光混合均勻,得到白光,如圖4(c)所示.藍光LED還可以激發桔黃色熒光,在乒乓球內與激發的桔黃光混合得到紫色光,如圖4(d)所示.

圖4 藍光激發熒光實驗現象

6 結束語

以新型的三基色LED為光源,制作了3路獨立可調L ED恒流驅動電源,研究設計了加法、減法混色和藍光激發熒光的演示實驗.三基色LED環保、節能,光源體積小,便于攜帶,3種顏色光可調性好,且成本低廉.實驗光路簡單,實驗現象直觀、清晰.

感謝南開大學基礎物理實驗中心主任孫騫教授提出的寶貴建議.

[1]荊其誠,焦書蘭,喻柏林,等.色度學[M].北京:科學出版社,1979:272-301.

[2]騰秀金,邱迦易,曾曉棟.顏色測量技術[M].北京:中國計量出版社,2008:1-3.

[3]呂斯驊,段家忯.新編基礎物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2006:415-423.

[4]陳思,馬世紅.普通光譜儀用于混色物理實驗[J].物理實驗,2009,29(6):38-46.

[5]王書穎,平澄.色度學實驗[J].物理實驗,1999,19(3):10-11.

[6]陳艷山,鮑烈.對三基色紙板反射光色度的分析[J].物理實驗,2007,27(7):3-5.

[7]王亞芳,黃永建,李林,等.色度實驗在地質學的應用[J].物理實驗,2009,29(11):35-37.

[8]Meyn J P.Colormixing based on daylight[J].European Journal of Physics,2008,29(5):1017-1031.

[9]Kamata M,Matsunaga A.Op tical experiments using mini-to rches w ith red,green and blue light emitting diodes[J].Physics Education,2007,42(6):572-578.

[10]Planinsic G.Color mixer for every student[J].Physics Teacher,2004,42(3):138-142.

[11]史光國.半導體發光二極管及固體照明[M].北京:科學出版社,2007:169-188.

[責任編輯:任德香]

Chromaticity demonstration using tricolor LEDs

ZHU Jiang,CHEN Ping,L IU Li-sa,L IU Jia-shu,L IQiang
(Physics Fundamental Teaching Experimental Centre,Institute of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

U sing tricolor LEDs as light source,the 3-branch power supp ly w hose branches could be modulated independently and had the steady currents w as made.The chromaticity demonstration were designed fo r the mixing of additive and subtractive color,and fluorescence excited by the blue LED.

trico lo r;LEDs;chromaticity

O432.3

A

1005-4642(2011)04-0005-03

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-09;修改日期:2010-09-08

國家基礎科學人才培養基金(南開大學物理學基地)(No.J0730315),南開大學青年教師教改專項基金

朱 江(1980-),女,天津人,南開大學物理科學學院實驗師,碩士,從事基礎物理光學實驗教學.