基于LED的色度学实验研究

宋晓亮，苏来曼·艾，朱 江，陈 平

（南开大学，天津 300071）

基于LED的色度学实验研究

宋晓亮，苏来曼·艾，朱 江，陈 平

（南开大学，天津 300071）

作为环保、节能、可智能控制的新型光源，发光二极管（LED）广泛应用于人们的现代生活、生产中，更有望替代传统的照明光源。以三基色LED为光源，制作了三路独立可调恒流电源，通过调节三基色光的不同配比实现加法混色，研究设计了加法混色的色度学实验，既可以直接观察混色后的实验现象，又能通过测量光谱数据得到色度参数。LED光源环保、节能，实验光路简单易行，丰富了大学物理光谱与色度学实验的内容。

三基色LED；色度学；色坐标；相关色温；环保

传统的色度学实验是以溴钨灯为光源，通过测量透射光谱，计算滤光片的透过率，以确定色坐标［1－3］。加法混色实验是将光分成三路，或使用三个溴钨灯，分别透过红、绿、蓝三基色的滤光片，形成红、绿、蓝三路光，再经光阑及成像透镜会聚在一起［4］。由于溴钨灯光谱的短波功率较低，因此经过蓝色滤光片后，蓝光较弱，使得混色时蓝光的可调范围小。并且实验中需要的光学元件多，实验光路较复杂。

从2008年北京奥运会色彩绚烂的水立方（迄今为止世界上最大的半导体照明工程［5－6］），到2010年上海世博会美丽的夜晚景观照明［7－8］，作为革命性的新型光源——发光二极管（LED），在全球能源短缺和提倡“低碳”、“节能”与“环保”的大背景下，插上了腾飞的翅膀。与白炽钨丝灯泡及荧光节能灯相比，LED以其体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、环保、可智能控制等诸多优点，已广泛应用到显示屏、道路交通信号灯、手机、景观照明灯领域，更有望替代传统照明光源［9－12］。

国外Masahiro Kamata，Gorazd Planinsic等人首先将LED光源引入到颜色混色的演示实验中，用红、绿、蓝三个LED做光源，用乒乓球或纸盒等日常生活用品，实现三种颜色光混色，实验光路简单易行，成本低廉，现象清晰可见，而且便于学生课后重复，但缺乏定量地色度测量与计算［13，14］。

本文选用新型的三基色LED作为实验光源，并制作了三路独立可调恒流驱动电源。该光源将红、绿、蓝三种颜色的LED芯片封装在一起，通过电源控制，可以分别点亮也可以同时点亮三个LED，出射光经光源顶部的环氧树脂透镜后以一定发射角出射并混合在一起，实验光路简单易行，光源环保、节能、体积小，三种颜色光可调性好，便携性好，成本低廉。同时，LED的发射光谱分布是半高宽为几十至几百纳米的近似高斯分布［15］，研究其光谱特性及色度，丰富了光谱和色度学实验的内容。

1 加法混色的实验演示

图1为J500RGBBOA型三基色LED及其控制电源电路示意图。虚线框内部分为三基色LED，是将红、绿、蓝三个LED封装在一起的共阳极结构。可独立控制红、绿、蓝三个LED的开关，并能通过分别调整每一路电流的大小，来控制每个LED的发光强度。电源供电电压为交流220 ±22 V，驱动电压输出为直流，小于5 V，具体电压由LED压降决定，驱动电流调节范围为0～20 m A。单路五圈电位器可连续调节，电流调整率小于0.1%。使用环境：0～50℃干燥无腐蚀气体环境。

图1 三基色LED及其控制电源电路示意图

图2是加法混色的LED颜色分布，可作为加法混色的实验演示。三基色LED发出的光，经光源顶部的树脂透镜会聚后以一定角度出射，并部分混合在一起，光屏上接收到红、绿、蓝三种颜色光及其混色光。图3是光屏上接收到的三基色LED红绿、红蓝、蓝绿两两混色，以及红、绿、蓝三种颜色光混色的实验现象，其中交叠区域为混色光。

图2 加法颜色LED颜色分布

图3 混色实验现象

2 光谱测量及色度坐标计算

图4是测量三基色LED混合光光谱的实验装置示意图。三基色LED发出的光，经透镜会聚，再经过光阑，仅让混色光进入到光栅单色仪中，计算机控制步进电机，进行波长扫描，同时光电倍增管将接收到的光信号转化为电信号，传输到计算机，最后由计算机处理得到相对光谱功率分布。

图4 光谱测量实验装置示意图

式（1）～（3）中常数k为调整因数，它是将照明体（或光源）的Y值调整为100时得到的值，即［16］

光栅光谱仪测量得到的红、绿、蓝LED分别点亮时的相对光谱功率分布，如图5所示。红光LED的峰值波长为629 nm，光谱半高宽为20 nm；绿光LED的峰值波长为511 nm，光谱半高宽为30 nm；蓝光LED的峰值波长为458 nm，光谱半高宽为25 nm。图6是光栅光谱仪测量得到的红、绿、蓝LED混合白光的相对光谱功率分布。根据测量的红、绿、蓝LED的光谱，以及两两混合和三种颜色光的混合光的光谱，通过公式（1）～（7）计算出的色坐标，见图7。

图5 红、绿、蓝LED分别点亮时的相对光谱功率分布（S max为光谱峰值）

图6 同时点亮红、绿、蓝三色LED，混色成白光的相对光谱功率分布（S max为光谱最大值）

图7 CIE 1931色度图（图中色温单位为K）

通过实验，可以验证颜色相加混合规律：两种颜色光Ⅰ和Ⅱ相加混合，其混合光的色度点总是位于色度图中Ⅰ和Ⅱ连线上［16］。图7中，A、B、C分别是红、绿、蓝LED的色坐标，E、F、G分别为红绿、红蓝、蓝绿LED得到的混合光的色坐标，对应的混色实验现象分别为图3中（a）、（b）、（c）。红、绿LED混合后得到黄色光，该黄色光的色坐标E位于红光A和绿光B的连线上。红、蓝LED混合后得到紫色光，该紫色光的色坐标F位于红光A和蓝光C的连线上。蓝、绿LED混合后得到蓝绿色光，该蓝绿色光的色坐标G位于蓝光C和绿光B的连线上。通过实验测量的混色光的光谱，计算得到色坐标，验证了颜色相加的混合规律。

根据色度图可以确定某一颜色的主波长和补色波长［16］。以图7中红、绿混色的黄色光E点为例，将等能光谱点SE作为参照白色，E点与SE的连线的延长线，与光谱轨迹交于Eλ和E′λ。其中，Eλ为黄色E的主波长，约为578 nm。主波长决定颜色的色调。E′λ为黄色E的补色主波长，约为480 nm。Eλ与E′λ两色互补。

图3（d）中红、绿、蓝LED混合得到的白光，色坐标位于图7的D点。该色度点最接近于黑体加热到4100 K时的色度点，因此混合白光D点的相关色温为4100 K。可通过调整红、绿、蓝三种颜色LED的电流强度，改变三种颜色LED的光强的比例，从而得到不同颜色的混色光，其色坐标位于图7中ABC连线围成的三角形区域内。

3 结 论

本文以新型的三基色LED为光源，制作了三路可调恒流电源，进行了加法混色的演示实验，并通过测量混色光光谱，计算得到色坐标、主波长、补色波长以及白光的相关色温，验证了颜色相加混合规律。与以往的色度学实验相比，LED光源环保、节能，红、绿、蓝三种颜色光可调性好，光源及其电源成本低廉。采用红、绿、蓝LED芯片封装在一起的三基色LED，简化了加法混色实验的光路。并且引入混色白光后的相关色温，丰富了光谱和色度学实验的内容。

［1］ 周良成，王一凡，马世红.物体色度值的计算机模拟表征［J］.物理实验，2005，25（2）：21-24.

［2］ 吕斯骅，段家忯.新编基础物理实验［M］.北京：高等教育出版社，2006：415-423.

［3］ 陈思，马世红.普通光谱仪用于混色物理实验［J］.物理实验，2009，29（6）：38-46.

［4］ 王书颖，平澄.色度学实验［J］.物理实验，1999，19（3）：10-11.

［5］ 王越，刘通，林若慈，等.LED照明在水立方膜结构上的应用研究［J］.照明工程学报，2009，20（3）：12-17.

［6］ 施坚.从水立方始未来世界将由LED照明［J］.现代物理知识，2009，21（2）：39-40.

［7］ 佚名.世博园室外照明七成采用LED新技术［J］.现代显示，2009（9）：39.

［8］ 史光国.半导体发光二极管及固体照明［M］.北京：科学出版社，2007：169-188.

［9］ 胡爱华.半导体照明产业的发展与前景［J］.现代显示，2010，2：63-70.

［10］吕天文.中国LED市场分析与展望［J］.电源世界，2010，1：6-7.

［11］Jeff Y.Tsao.Solid-state lighting：lamps，chips and materials for tomorrow［J］.IEEE Circuits ＆Devices，2004，20（3）：28-37.

［12］Masahiro Kamata，Ai Matsunaga.Optical experiments using mini-torches with red，green and blue light emitting diodes［J］.Physics education，2007，42（6）：572-578.

［13］GorazdPlaninsic.Color mixer for every student［J］.The physics teacher，2004，42：138-142.

［14］S.M.SZE.Semiconductor devices，physics and technology［M］.New York：JOHN WILEY＆SONS，2002，22：104-107.

［15］荆其诚，焦书兰，喻柏林等.色度学［M］.北京：科学出版社，1979：272-301.

Chromaticity Experiments Based on LEDs

SONG Xiao-liang，SU lai-man·AI，ZHU Jiang，CHEN Ping

（Nankai University，Tianjin 300071）

As an environment-protected，power-saving and intelligent controlled light source，LED has been widely used in human activities and manufacture，and may take place of traditional lights.An adjustable power supply was made for tricolor LEDs，which were used as the light sources of the chromaticity experiment.The experiment could demonstrate additive color mixing by changing the proportion of tricolor LEDs.Experimental phenomena could be observed，and color parameters could be obtained by the spectrum.The optical paths were simple.The experiment enrich the contents of the college physics experiments about spectrum and chromaticity.

tricolor LEDs；chromaticity；color coordinates；correlated color temperature；environmentprotected

O 432.3

A

1007-2934（2011）05-0035-04

2011-03-02