綜合研究性實驗試題A：三基色LED和硅光電池的光電特性及色度綜合實驗

朱 江，李 強，劉東奇,王 槿，惠王偉，孔勇發

(南開大學 a.物理科學學院;b.基礎物理國家級實驗教學示范中心，天津 300071)

發光二極管(LED)環保、節能，被廣泛應用于顯示屏、照明、裝飾等生產和日常生活中. 硅光電池利用光電效應將光能轉化為電能，半導體光敏傳感器在數碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領域被廣泛應用，在現代科技發展中起到了重要作用. 色度學涉及物理光學、生理、心理等諸多學科，與生產、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[1-5].

第7屆全國大學生物理實驗競賽(教學賽)綜合研究性實驗試題A為“三基色LED和硅光電池的光電特性及色度綜合實驗”，試題首先研究了硅光電池和LED的光電特性，其次區別于傳統的色度學實驗，根據紅、綠、藍LED中心波長和光電池的光強響應，調節三色LED電流，通過積分球勻光后得到給定的色坐標[6-7].

1 原理背景

1.1 硅光電池的光譜響應

光譜響應是光電探測器對單色光輻射的響應能力，定義為某個波長的單位入射輻射功率下，光電探測器輸出的信號電壓或電流. 若測量光電探測器的輸出信號為電壓，則光譜響應表達式為

(1)

式中，P(λ)為波長為λ時的入射光功率，V(λ)為輸出信號電壓[8].

1.2 色坐標

色坐標就是顏色的坐標，在色度圖上確定1個點，這個點能夠精確地表示包括光源發射的光、被物體反射或透射的光以及漫反射和不透明物體表面的顏色.

紅、綠、藍三原色可合成包括單色光在內的所有顏色. 改變三原色光的亮度，用顏色方程C=R(R)+G(G)+B(B)表示，其中(R)，(G)，(B)代表產生混合色的紅、綠、藍三原色的單位量；R，G，B稱為三刺激值,分別為匹配待配色所需要的紅、綠、藍三原色的數量. 用三刺激值分別求出等能量的單色光各自在RGB三維空間的坐標. 1931年CIE提出了CIE標準色度觀察者和色品坐標系統[8-10]，并進行了系統轉換，由RGB系統轉換到XYZ系統，得到CIE 1931xy色品圖，如圖1所示.

圖1 CIE 1931xy色品圖

(2)

式中常數k為調整因數，是將照明體(或光源)的Y值調整為100時得到的值，即

(3)

則物體的色度坐標為

(4)

由于z=1-x-y，因此色坐標表示為(x,y)[8-10].

1.3 三基色LED

紅、綠、藍三色LED光譜如圖3所示.

圖3 紅、綠、藍三色LED在相同電流下的光譜分布

用硅光電池分別測量紅、綠、藍三色LED的光功率時，測得的是LED的總光功率，為

(5)

(6)

對于實驗中某個單獨點亮的LED的三刺激值為

(7)

2 實驗器材

a.紅、綠、藍LED，其中紅光LED(中心波長635 nm)3個，綠光LED(中心波長525 nm)1個，藍光LED(中心波長464 nm)1個;

b.電源控制箱1臺;

c.LED接頭1個(可自行更換LED);

d.積分球1個;

e.光電池1個;

f.連接線若干.

3 實驗任務

3.1 硅光電池和LED的光電特性研究

當不同波長的光照射到硅光電池上，硅光電池的響應度(靈敏度)不同，對于不同波長光存在對應的線性響應區間，超出該區間光電池的響應為非線性響應. 因此，首先要通過實驗測定光電池的線性響應區間，保證光電池在該區間工作.

電源控制箱配有電壓表，正確連接硅光電池和電壓表，通過電壓表讀取硅光電池的開路電壓. 參考圖4搭建光路和電路. LED接頭、硅光電池分別連接到積分球(標簽紙為標準限位)，如圖4所示. 電源控制箱可為LED供電，并配有電流表，正確連接LED及電流表電路，通過電流表讀取LED電流.

圖4 實驗裝置示意圖

實驗要求：

1)請在答題紙上畫出點亮1個LED(LED連接電流表)并用硅光電池測光強時電路的正確連線. (10分)

圖5 硅光電池的光照度與開路電壓、短路電流的關系

3)在硅光電池的線性工作區，測試紅光LED電流與光功率的關系(I-P特性). 在答題紙上記錄實驗數據，并在坐標紙上畫圖.(20分)

3.2 色度學實驗研究

同時接入紅、綠、藍三色LED，正確連接三色LED以及電流表電路，同時點亮三色LED，觀察經過積分球勻光后的混合光，并計算混合光的色坐標.

實驗要求：

1)分別調節紅、綠、藍三色LED電流，使得混合光色坐標為(0.270,0.315)(偏差在±10%以內)，請在答題紙上記錄此時的紅、綠、藍三色LED電流，分別點亮LED時硅光電池的電壓，并寫出色坐標的計算過程.(25分)

2)請在答題紙的色度圖上用“□”畫出色坐標(0.270,0.315)偏差±10%以內的范圍，用“+”標出實際測得的混合光色坐標.(5分)

4 試題解答

4.1 硅光電池和LED的光電特性研究

1)正確連接電源、LED和硅光電池，如圖6所示.

2)首先，將3個紅光LED分別標記為LED1，LED2和LED3，用LED1電流為1.00 mA時的光功率作為1個單位(學生可根據實際情況自行設定1個單位光功率).

其次，記錄單獨點亮LED1時硅光電池的電壓值；分別點亮LED2和LED3，調節電流，使硅光電池的電壓值與點亮LED1時相同. 此時，3個LED發出的光的光功率相同. 同時點亮2個LED，得到2個單位的光功率. 同時點亮3個LED，得到3個單位的光功率. 測量1，2，3個單位光功率時硅光電池的電壓，可以發現1，2，3是線性的.

再次，分別單獨點亮3個LED，調節每個LED電流，使硅光電池的電壓均為2個單位光功率時的電壓讀數. 此時，點亮1，2,3個LED，可得到2，4,6個單位光功率. 測量2，4,6個單位光功率時硅光電池的電壓，可以發現1，2，3，4,6是線性的.

分別單獨點亮3個LED，調節每個LED電流，使硅光電池的電壓均為3個單位光功率時的電壓讀數. 此時，點亮1，2，3個LED，可得到3，6,9個單位光功率. 測量3，6,9個單位光功率時硅光電池的電壓，可發現1，2，3，4，6,9是線性的.

單獨點亮1個LED，調節電流，使硅光電池的電壓為3個單位光功率時的電壓讀數. 再單獨點亮另1個LED，使硅光電池的電壓為2個單位光功率時的電壓讀數. 同時點亮這2個LED，可以得到5個單位光功率，測量5個單位光功率時硅光電池的電壓，可以發現1，2，3，4，5，6，9是線性的.

用以上方法搭配出更高的光功率，找到硅光電池的開路電壓與光照度的線性度小于1%的開路電壓輸出范圍. 具體實驗數據如表1所示.

(a)實驗裝置連線示意圖

表1 硅光電池開路電壓V與光功率P的數據

根據測量結果，開路電壓在0～0.162 V為硅光電池的線性區域，如圖7所示.

圖7 硅光電池的開路電壓與光功率的關系

要求實驗數據點不少于10個. 為便于賽后閱卷，圖7中給出了每隔1個單位光功率的數據.

3)在硅光電池的線性工作區，照射到硅光電池的光功率與光電池的電壓呈線性關系，因此可以用硅光電池的電壓表示光功率. LED的電流與光功率的關系如表2和圖8所示.

表2 LED的電流與光功率的關系

圖8 LED電流與光功率的關系

4.2 色度學實驗研究

1)三色LED的電流分別為：IR=14.88 mA,IG=1.17 mA,IB=1.48 mA.

分別點亮三色LED，硅光電池的電壓為：VR=0.062 0 V,VG=0.020 8 V,VB=0.017 5 V.

根據題目附錄1中提供的硅光電池對實驗中所用紅、綠、藍LED的響應度，可得到分別點亮三色LED時的相對光功率為：PR=0.096 1,PG=0.104,PB=0.134.

2)在色坐標圖上畫出范圍，標出測量的色坐標，如圖9所示.

圖9 色坐標圖

4.3 試卷附錄信息

1)附錄1：硅光電池的光譜響應(常溫常壓)如表3所示.

表3 硅光電池(型號：QY-2CU33)對實驗中使用的紅、綠、藍LED的光譜響應(常溫常壓)

表4 視為準單色光LED的等效CIE等能光譜三刺激值

5 考試結果及評析

5.1 得分分布

綜合研究性實驗試題A總分100分，共兩部分：第一部分3道題，總分70分；第二部分2道題，總分30分. 27組學生參加了綜合研究性實驗試題A比賽，總分得分情況如圖10所示，最高分96分，最低分19分，平均分37.3分.

圖10 總分分布

具體題目得分分布如圖11所示. 第一部分:第一題平均分7.19分，得分率較高;第二題平均分15.6分;第三題平均分10.5分. 第二部分平均分4.0分.

(a)第一部分第一題

5.2 結果分析

綜合研究性實驗試題A的閱讀材料共7頁，背景知識占4頁. 試卷給出了關于光電池的光譜響應、LED光譜和色坐標的閱讀內容，主要應用于實驗任務中. 試題考查了學生對于等效替代法的使用，以及物理基礎知識的掌握、新知識的提取、實驗方案的設計和數據分析處理等能力，對學生的物理實驗綜合能力有較高要求.

第一部分第一題考查了LED、硅光電池、電流表、電壓表、電源等的電路連接. 從得分情況和賽場上考生的實際表現情況來看，考生對于基本電路連接的實驗水平較高，實驗完成度高. 但是，部分考生對電流表、電壓表和電源的電路連接仍存在問題. 第二題利用等效替代法尋找光電池開路電壓與光照度關系的近似線性區,大部分學生不熟悉等效替代的實驗方法,在今后的實驗教學中，應加強實驗方法和思維的訓練. 第三題在硅光電池的線性工作區，測試紅光LED電流與光功率的關系. 閱卷過程中發現部分學生的數據處理能力不足，作圖不規范.

第二部分考查了學生通過調節三色LED電流，使得混合光色坐標落在給定坐標點，并在色度圖上標出實際測得的混合光色坐標. 絕大多數院校物理類專業及工科專業沒有開設色度實驗，色度的概念對學生來說比較陌生，學生對于陌生題目的學習能力有待加強.

6 結束語

綜合研究性實驗試題A考查內容較為全面，包括實驗步驟、列表和作圖法等，對培養學生能力有幫助. 題目難易適中，成績分布合理，對學生實驗思維要求較高. 在大學物理實驗的實際教學中，應注重訓練學生科學的實驗思維和實驗方法，提高學生對新知識的閱讀理解以及應變能力，培養規范的作圖能力以及數據處理與分析能力.