基于三基色LED的色匹配实验

麻佳琪，张孟杨，杨胡江，王四海

（北京邮电大学 理学院，北京 100876）

基于三基色LED的色匹配实验

麻佳琪，张孟杨，杨胡江，王四海

（北京邮电大学 理学院，北京 100876）

基于色度学的基本原理，利用三基色LED灯在不同的电流值下合成某种色光，其与所给出的色光正好相匹配，并实现了色匹配实验仪的设计与制作.该实验旨在通过加法混色原理，让学生对色合成及匹配的原理及过程有更直观清晰的认识.

色匹配；LED；色度坐标

1 引 言

传统的加法混色实验一般都是将光分成3路或采用3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，在某种条件下合成一种色光［1］.但是，这样的实验装置演示的实验效果并不是很明确，光屏上接收到的光既包含红、绿、蓝三色光又包含其混合光（交叠区域）［2］，在界定混合色光时必定会产生误差.因此，本文设计了基于三基色LED的色合成及色匹配实验仪，做为光电综合实验，可以启发学生进一步改进实验或是用于其他物理实验研究.

2 色匹配实验仪

图1 色匹配实验仪

色匹配实验仪如图1所示，最左边的仪器提供待配色光，调节右边仪器面板上的3个旋钮，控制三基色LED的电流大小，使其在中间仪器上显示的色光与左边仪器的色光相匹配.

3 实验结果分析及色度坐标计算

表1中列出了用彩笔自制的滤色片的匹配结果及计算所得的色度坐标.表中I为不同色光对应的三基色LED电流值，x和y是相应的色度坐标，在介绍计算方法之前，先引入色度学原理的相关概念.

表1 不同色光的匹配值及x，y刺激值

色度学是研究人眼对颜色感觉规律的学科，它以色光对人眼的刺激强度来度量.1931年，国际照明委员会（CIE）研究三原色（R，G，B）的角度观察效果，加以平均，规定了CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值，并据以绘制出偏马蹄形曲线的色度图，称为“1931 CIE-RGB系统色度图”，后经修改被推荐为1931 CIE-XYZ系统，为国际通用色度学系统，称为“CIE标准色度学系统”，如图2所示.

图2 1931CIE-xy色度图

颜色匹配可用颜色方程表示为

式中C表示待配色光，（R），（G），（B）代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位量.R，G，B分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色单位量的份数，这个份数被称为颜色刺激值，C的数值表示了相对亮度.

在颜色匹配实验中，为了表示R，G，B三原色各自在R＋G＋B总量中的相对比例，引入r，g，b：

r，g，b称为色度坐标，从上式可知r＋g＋b＝1.但在实际应用中，CIE-RGB系统使用十分不便，所以需要转换成CIE-XYZ系统（又称XYZ国际坐标制）.其转换关系如下［3］：

除颜色的明度可直接由Y表示外，其余的3个色度坐标分别为

由于x＋y＋z＝1，故色度坐标一般只选用x和y即可.由x和y绘制的偏马蹄形曲线的色度图如图3所示［4］.

图3 不同色光在色度图中的位置

色度图的x坐标相当于红原色的比例，y坐标相当于绿原色的比例.因为z＝1－（x＋y），则蓝原色的比例就无需给出.图中的偏马蹄形曲线是光谱轨迹.凡是偏马蹄形曲线内部的所有坐标点（包括这条封闭曲线本身）都是物理上能够实现的颜色.

在本文提出的计算x，y的计算方法中，要先将白光的R，G，B分量值进行归一化，以确保其在色度图中的位置为（0.333，0.333），其他色光的刺激值都是相对于白光利用坐标转换关系计算得到的.

根据表1中的x，y值在CIE-xy标准色度图中标注的各颜色的位置信息如图3所示.将图3中标注的各色光位置信息与图2进行对比，可知结果比较符合理论.

4 LED的特性

待配色光是通过溴钨灯加滤色片实现的，匹配利用三基色LED灯实现.采用LED主要是因为LED具有伏安特性（即流过PN结的电流随电压变化的特性）［5］.当电压超过某个阈值时，电流会出现指数式上升，而LED的照度与正向电流又成正比（如图4所示）.所以根据这一特性，记录电路中各支路电流表的读数，然后转化成三刺激值，即可验证匹配的准确性.

由于LED灯的功率比较小，而且性能容易受温度的影响，考虑到这两方面的因素，图5所示的电路中，电源的供电电压为交流220 V，驱动电压为－12～＋12 V.其可以在不损坏LED灯的情况下实现LED灯电流在0～100 m A范围内可调，调节精度为0.1 m A.电路由集成双运放（TL082）和三极管（TIP-31C）组成的反馈调节系统，在调节时可以使得LED的电流变化在0～100 m A更明显，这也是实验研究的关键创新.仪器内部的总电路由这样3个相同的电路并联而成，可以实现3个LED灯的独立控制与调节，发光装置3个灯呈三角形排列，然后经过1个LED乳白灯罩即可获得均匀柔和的混合色光，进而实现不同色光的匹配.

图4 LED的照度与正向电流的关系

图5 LED控制电路图

5 结束语

基于三基色LED的特性设计并制作了色匹配实验仪，并对实验仪的测量结果进行了分析.实验结果表明，本文提出的三基色LED实验装置的显示效果要比以往提出的光屏接收的混合色更佳，而且LED的调节范围更广，能够获得更多颜色的匹配值及色度坐标.实验装置涉及了光电的综合应用，实验仪的侧重点是光颜色匹配，但也包含了光颜色合成实验，因此在色度学教学实验中，是很好的应用.

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

［2］ 宋晓亮，苏来曼·艾，朱江，等.基于LED的色度学实验研究［J］.大学物理实验，2011，10（5）：36.

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

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

［5］ 周志敏，周纪海，纪爱华.LED照明技术与应用电路［M］.北京：电子工业出版社，2009：29-30.

［责任编辑：郭 伟］

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

北京邮电大学大学生创新训练项目（No.X-201110013119）；北京邮电大学大学生研究创新基金；北京市共建项目专项资助

麻佳琪（1990－），女，甘肃天水人，北京邮电大学信息与通信工程学院2013级硕士研究生.

指导教师：杨胡江（1976－），男，四川乐山人，北京邮电大学理学院副教授，博士，从事物理实验教学与研究工作.