三基色LED用于色度學(xué)演示實驗

朱 江,陳 平,劉麗颯,劉家恕,李 強(qiáng)

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院基礎(chǔ)物理實驗中心,天津300071)

三基色LED用于色度學(xué)演示實驗

朱 江,陳 平,劉麗颯,劉家恕,李 強(qiáng)

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院基礎(chǔ)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(diào)LED恒流驅(qū)動電源,并且設(shè)計了加、減法混色以及藍(lán)光激發(fā)熒光混色演示實驗.

三基色;LED;色度學(xué)

1 引 言

色度學(xué)涉及物理光學(xué)、生理、心理等諸多學(xué)科,與人們的生產(chǎn)、生活聯(lián)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(nèi)的色度學(xué)實驗主要采用鎢燈作為光源[3-7].傳統(tǒng)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(lán)三基色濾光片,形成紅、綠、藍(lán)3路光,再經(jīng)光闌及成像透鏡會聚[5,8].實驗所需光學(xué)元件多,光路較復(fù)雜.

本文參考并借鑒 Gorazd Planinsic,M asahiro Kamata等人利用LED作為光源進(jìn)行混色實驗的經(jīng)驗[9-10],選用新型的三基色LED作為光源(該光源將紅、綠、藍(lán)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(diào)恒流驅(qū)動電源,設(shè)計了加、減法混色和藍(lán)光激發(fā)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(nèi)為三基色LED,是將紅、綠、藍(lán)3個LED封裝在一起的共陽極結(jié)構(gòu).3路獨立可調(diào)LED恒流驅(qū)動電源可獨立控制紅、綠、藍(lán) 3個LED的開關(guān),并能通過分別調(diào)整每一路電流的大小,來控制每個LED的發(fā)光強(qiáng)度.電源供電電壓為交流220(1±10%)V,驅(qū)動電壓輸出為直流,小于5 V,具體電壓由LED壓降決定,驅(qū)動電流調(diào)節(jié)范圍:0～20 m A.單路5圈電位器可連續(xù)調(diào)節(jié),電流調(diào)整率小于0.1%.使用環(huán)境:0～50℃干燥無腐蝕氣體環(huán)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(nèi)固定住.L ED發(fā)出的光,經(jīng)乒乓球內(nèi)壁漫反射后,均勻混色.分別點亮紅、綠、藍(lán)LED,如圖2(a)～(c)所示.綠、藍(lán)LED混色,可得到青色,如圖2(d)所示.紅、藍(lán)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(lán)LED混色得到的白光.

紅、綠、藍(lán)LED,經(jīng)加法混色得到白光后,關(guān)掉紅光LED,觀察到顏色變?yōu)槿鐖D2(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(guān)掉綠光,顏色變?yōu)槿鐖D2(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(guān)掉藍(lán)光,顏色變?yōu)槿鐖D2(f)所示的黃色,即為該藍(lán)色光的補色.

調(diào)節(jié)通過紅、綠、藍(lán)LED的電流強(qiáng)度,可改變紅、綠、藍(lán)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(xiàn)象

4 減法混色的實驗演示

紅、綠、藍(lán)三基色LED發(fā)出的光,經(jīng)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(xiàn)象.白光經(jīng)過黃色和紫紅色濾光片后,得到紅色,實驗現(xiàn)象如圖3(a)所示.白光經(jīng)過紫紅色和青色濾光片后,得到藍(lán)色,如圖3(b)所示.白光經(jīng)過青色和黃色濾光片后,得到綠色,如圖3(c)所示.白光經(jīng)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(xiàn)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(nèi),而且正對光源,使藍(lán)光LED發(fā)出的光大部分直接照射到熒光紙上.藍(lán)光LED可以激發(fā)黃色熒光,并且在乒乓球內(nèi)與激發(fā)的黃光混合均勻,得到白光,如圖4(c)所示.藍(lán)光LED還可以激發(fā)桔黃色熒光,在乒乓球內(nèi)與激發(fā)的桔黃光混合得到紫色光,如圖4(d)所示.

圖4 藍(lán)光激發(fā)熒光實驗現(xiàn)象

6 結(jié)束語

以新型的三基色LED為光源,制作了3路獨立可調(diào)L ED恒流驅(qū)動電源,研究設(shè)計了加法、減法混色和藍(lán)光激發(fā)熒光的演示實驗.三基色LED環(huán)保、節(jié)能,光源體積小,便于攜帶,3種顏色光可調(diào)性好,且成本低廉.實驗光路簡單,實驗現(xiàn)象直觀、清晰.

感謝南開大學(xué)基礎(chǔ)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(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1979:272-301.

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

[3]呂斯驊,段家忯.新編基礎(chǔ)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(xué)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(zhì)學(xué)的應(yīng)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(dǎo)體發(fā)光二極管及固體照明[M].北京:科學(xué)出版社,2007:169-188.

[責(zé)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(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-09;修改日期:2010-09-08

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(南開大學(xué)物理學(xué)基地)(No.J0730315),南開大學(xué)青年教師教改專項基金

朱 江(1980-),女,天津人,南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院實驗師,碩士,從事基礎(chǔ)物理光學(xué)實驗教學(xué).