基于三基色LED的色匹配實(shí)驗(yàn)

麻佳琪，張孟楊，楊胡江，王四海

（北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876）

基于三基色LED的色匹配實(shí)驗(yàn)

麻佳琪，張孟楊，楊胡江，王四海

（北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876）

基于色度學(xué)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(shí)現(xiàn)了色匹配實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與制作.該實(shí)驗(yàn)旨在通過加法混色原理，讓學(xué)生對色合成及匹配的原理及過程有更直觀清晰的認(rèn)識.

色匹配；LED；色度坐標(biāo)

1 引 言

傳統(tǒng)的加法混色實(shí)驗(yàn)一般都是將光分成3路或采用3個(gè)溴鎢燈，分別透過紅、綠、藍(lán)三基色的濾光片，形成紅、綠、藍(lán)三路光，在某種條件下合成一種色光［1］.但是，這樣的實(shí)驗(yàn)裝置演示的實(shí)驗(yàn)效果并不是很明確，光屏上接收到的光既包含紅、綠、藍(lán)三色光又包含其混合光（交疊區(qū)域）［2］，在界定混合色光時(shí)必定會產(chǎn)生誤差.因此，本文設(shè)計(jì)了基于三基色LED的色合成及色匹配實(shí)驗(yàn)儀，做為光電綜合實(shí)驗(yàn)，可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或是用于其他物理實(shí)驗(yàn)研究.

2 色匹配實(shí)驗(yàn)儀

圖1 色匹配實(shí)驗(yàn)儀

色匹配實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示，最左邊的儀器提供待配色光，調(diào)節(jié)右邊儀器面板上的3個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及色度坐標(biāo)計(jì)算

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

表1 不同色光的匹配值及x，y刺激值

色度學(xué)是研究人眼對顏色感覺規(guī)律的學(xué)科，它以色光對人眼的刺激強(qiáng)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(guī)定了CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值，并據(jù)以繪制出偏馬蹄形曲線的色度圖，稱為“1931 CIE-RGB系統(tǒng)色度圖”，后經(jīng)修改被推薦為1931 CIE-XYZ系統(tǒng)，為國際通用色度學(xué)系統(tǒng)，稱為“CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)”，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(chǎn)生混合色的紅、綠、藍(lán)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(lán)三原色單位量的份數(shù)，這個(gè)份數(shù)被稱為顏色刺激值，C的數(shù)值表示了相對亮度.

在顏色匹配實(shí)驗(yàn)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(biāo)，從上式可知r＋g＋b＝1.但在實(shí)際應(yīng)用中，CIE-RGB系統(tǒng)使用十分不便，所以需要轉(zhuǎn)換成CIE-XYZ系統(tǒng)（又稱XYZ國際坐標(biāo)制）.其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下［3］：

除顏色的明度可直接由Y表示外，其余的3個(gè)色度坐標(biāo)分別為

由于x＋y＋z＝1，故色度坐標(biāo)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(biāo)相當(dāng)于紅原色的比例，y坐標(biāo)相當(dāng)于綠原色的比例.因?yàn)閦＝1－（x＋y），則藍(lán)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(nèi)部的所有坐標(biāo)點(diǎn)（包括這條封閉曲線本身）都是物理上能夠?qū)崿F(xiàn)的顏色.

在本文提出的計(jì)算x，y的計(jì)算方法中，要先將白光的R，G，B分量值進(jìn)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(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算得到的.

根據(jù)表1中的x，y值在CIE-xy標(biāo)準(zhǔn)色度圖中標(biāo)注的各顏色的位置信息如圖3所示.將圖3中標(biāo)注的各色光位置信息與圖2進(jìn)行對比，可知結(jié)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(shí)現(xiàn)的，匹配利用三基色LED燈實(shí)現(xiàn).采用LED主要是因?yàn)長ED具有伏安特性（即流過PN結(jié)的電流隨電壓變化的特性）［5］.當(dāng)電壓超過某個(gè)閾值時(shí)，電流會出現(xiàn)指數(shù)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(jù)這一特性，記錄電路中各支路電流表的讀數(shù)，然后轉(zhuǎn)化成三刺激值，即可驗(yàn)證匹配的準(zhǔn)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(qū)動電壓為－12～＋12 V.其可以在不損壞LED燈的情況下實(shí)現(xiàn)LED燈電流在0～100 m A范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度為0.1 m A.電路由集成雙運(yùn)放（TL082）和三極管（TIP-31C）組成的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)時(shí)可以使得LED的電流變化在0～100 m A更明顯，這也是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新.儀器內(nèi)部的總電路由這樣3個(gè)相同的電路并聯(lián)而成，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)LED燈的獨(dú)立控制與調(diào)節(jié)，發(fā)光裝置3個(gè)燈呈三角形排列，然后經(jīng)過1個(gè)LED乳白燈罩即可獲得均勻柔和的混合色光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同色光的匹配.

圖4 LED的照度與正向電流的關(guān)系

圖5 LED控制電路圖

5 結(jié)束語

基于三基色LED的特性設(shè)計(jì)并制作了色匹配實(shí)驗(yàn)儀，并對實(shí)驗(yàn)儀的測量結(jié)果進(jìn)行了分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的三基色LED實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)范圍更廣，能夠獲得更多顏色的匹配值及色度坐標(biāo).實(shí)驗(yàn)裝置涉及了光電的綜合應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)儀的側(cè)重點(diǎn)是光顏色匹配，但也包含了光顏色合成實(shí)驗(yàn)，因此在色度學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，是很好的應(yīng)用.

［1］ 王書穎，平澄.色度學(xué)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1999，19（3）：10-11.

［2］ 宋曉亮，蘇來曼·艾，朱江，等.基于LED的色度學(xué)實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，10（5）：36.

［3］ 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.

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

［5］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.LED照明技術(shù)與應(yīng)用電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：29-30.

［責(zé)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(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（No.X-201110013119）；北京郵電大學(xué)大學(xué)生研究創(chuàng)新基金；北京市共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助

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

指導(dǎo)教師：楊胡江（1976－），男，四川樂山人，北京郵電大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.