基于三基色LED的色匹配實驗

麻佳琪，張孟楊，楊胡江，王四海

（北京郵電大學 理學院，北京 100876）

基于三基色LED的色匹配實驗

麻佳琪，張孟楊，楊胡江，王四海

（北京郵電大學 理學院，北京 100876）

基于色度學的基本原理，利用三基色LED燈在不同的電流值下合成某種色光，其與所給出的色光正好相匹配，并實現了色匹配實驗儀的設計與制作.該實驗旨在通過加法混色原理，讓學生對色合成及匹配的原理及過程有更直觀清晰的認識.

色匹配；LED；色度坐標

1 引 言

傳統的加法混色實驗一般都是將光分成3路或采用3個溴鎢燈，分別透過紅、綠、藍三基色的濾光片，形成紅、綠、藍三路光，在某種條件下合成一種色光［1］.但是，這樣的實驗裝置演示的實驗效果并不是很明確，光屏上接收到的光既包含紅、綠、藍三色光又包含其混合光（交疊區域）［2］，在界定混合色光時必定會產生誤差.因此，本文設計了基于三基色LED的色合成及色匹配實驗儀，做為光電綜合實驗，可以啟發學生進一步改進實驗或是用于其他物理實驗研究.

2 色匹配實驗儀

圖1 色匹配實驗儀

色匹配實驗儀如圖1所示，最左邊的儀器提供待配色光，調節右邊儀器面板上的3個旋鈕，控制三基色LED的電流大小，使其在中間儀器上顯示的色光與左邊儀器的色光相匹配.

3 實驗結果分析及色度坐標計算

表1中列出了用彩筆自制的濾色片的匹配結果及計算所得的色度坐標.表中I為不同色光對應的三基色LED電流值，x和y是相應的色度坐標，在介紹計算方法之前，先引入色度學原理的相關概念.

表1 不同色光的匹配值及x，y刺激值

色度學是研究人眼對顏色感覺規律的學科，它以色光對人眼的刺激強度來度量.1931年，國際照明委員會（CIE）研究三原色（R，G，B）的角度觀察效果，加以平均，規定了CIE 1931標準色度觀察者光譜三刺激值，并據以繪制出偏馬蹄形曲線的色度圖，稱為“1931 CIE-RGB系統色度圖”，后經修改被推薦為1931 CIE-XYZ系統，為國際通用色度學系統，稱為“CIE標準色度學系統”，如圖2所示.

圖2 1931CIE-xy色度圖

顏色匹配可用顏色方程表示為

式中C表示待配色光，（R），（G），（B）代表產生混合色的紅、綠、藍三原色的單位量.R，G，B分別為匹配待配色所需要的紅、綠、藍三原色單位量的份數，這個份數被稱為顏色刺激值，C的數值表示了相對亮度.

在顏色匹配實驗中，為了表示R，G，B三原色各自在R＋G＋B總量中的相對比例，引入r，g，b：

r，g，b稱為色度坐標，從上式可知r＋g＋b＝1.但在實際應用中，CIE-RGB系統使用十分不便，所以需要轉換成CIE-XYZ系統（又稱XYZ國際坐標制）.其轉換關系如下［3］：

除顏色的明度可直接由Y表示外，其余的3個色度坐標分別為

由于x＋y＋z＝1，故色度坐標一般只選用x和y即可.由x和y繪制的偏馬蹄形曲線的色度圖如圖3所示［4］.

圖3 不同色光在色度圖中的位置

色度圖的x坐標相當于紅原色的比例，y坐標相當于綠原色的比例.因為z＝1－（x＋y），則藍原色的比例就無需給出.圖中的偏馬蹄形曲線是光譜軌跡.凡是偏馬蹄形曲線內部的所有坐標點（包括這條封閉曲線本身）都是物理上能夠實現的顏色.

在本文提出的計算x，y的計算方法中，要先將白光的R，G，B分量值進行歸一化，以確保其在色度圖中的位置為（0.333，0.333），其他色光的刺激值都是相對于白光利用坐標轉換關系計算得到的.

根據表1中的x，y值在CIE-xy標準色度圖中標注的各顏色的位置信息如圖3所示.將圖3中標注的各色光位置信息與圖2進行對比，可知結果比較符合理論.

4 LED的特性

待配色光是通過溴鎢燈加濾色片實現的，匹配利用三基色LED燈實現.采用LED主要是因為LED具有伏安特性（即流過PN結的電流隨電壓變化的特性）［5］.當電壓超過某個閾值時，電流會出現指數式上升，而LED的照度與正向電流又成正比（如圖4所示）.所以根據這一特性，記錄電路中各支路電流表的讀數，然后轉化成三刺激值，即可驗證匹配的準確性.

由于LED燈的功率比較小，而且性能容易受溫度的影響，考慮到這兩方面的因素，圖5所示的電路中，電源的供電電壓為交流220 V，驅動電壓為－12～＋12 V.其可以在不損壞LED燈的情況下實現LED燈電流在0～100 m A范圍內可調，調節精度為0.1 m A.電路由集成雙運放（TL082）和三極管（TIP-31C）組成的反饋調節系統，在調節時可以使得LED的電流變化在0～100 m A更明顯，這也是實驗研究的關鍵創新.儀器內部的總電路由這樣3個相同的電路并聯而成，可以實現3個LED燈的獨立控制與調節，發光裝置3個燈呈三角形排列，然后經過1個LED乳白燈罩即可獲得均勻柔和的混合色光，進而實現不同色光的匹配.

圖4 LED的照度與正向電流的關系

圖5 LED控制電路圖

5 結束語

基于三基色LED的特性設計并制作了色匹配實驗儀，并對實驗儀的測量結果進行了分析.實驗結果表明，本文提出的三基色LED實驗裝置的顯示效果要比以往提出的光屏接收的混合色更佳，而且LED的調節范圍更廣，能夠獲得更多顏色的匹配值及色度坐標.實驗裝置涉及了光電的綜合應用，實驗儀的側重點是光顏色匹配，但也包含了光顏色合成實驗，因此在色度學教學實驗中，是很好的應用.

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

［2］ 宋曉亮，蘇來曼·艾，朱江，等.基于LED的色度學實驗研究［J］.大學物理實驗，2011，10（5）：36.

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

［4］ CIE：Measurement of LEDs.Publication CIE127-1997［S］.

［5］ 周志敏，周紀海，紀愛華.LED照明技術與應用電路［M］.北京：電子工業出版社，2009：29-30.

［責任編輯：郭 偉］

Chromaticity experiments using tricolor LEDs

MA Jia-qi，ZHANG Meng-yang，YANG Hu-jiang，WANG Si-hai
（School of Science，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

Based on the basic principles of colorimetry，tricolor LEDs were adopted to produce a different colors which matching given colors.The design and manufacture methods of the instrument were presented.To make students have a more clear and direct understanding of the principle and process of color synthesis and matching，the additive color mixing method was used.

chromaticity；LED；chromaticity coordinates

O432.3

A

1005-4642（2014）04-0042-03

2013-07-13；修改日期：2013-10-17

北京郵電大學大學生創新訓練項目（No.X-201110013119）；北京郵電大學大學生研究創新基金；北京市共建項目專項資助

麻佳琪（1990－），女，甘肅天水人，北京郵電大學信息與通信工程學院2013級碩士研究生.

指導教師：楊胡江（1976－），男，四川樂山人，北京郵電大學理學院副教授，博士，從事物理實驗教學與研究工作.