三基色LED用于色度学演示实验

朱 江,陈 平,刘丽飒,刘家恕,李 强

(南开大学物理科学学院基础物理实验中心,天津300071)

三基色LED用于色度学演示实验

朱 江,陈 平,刘丽飒,刘家恕,李 强

(南开大学物理科学学院基础物理实验中心,天津300071)

以三基色LED为光源,制作了3路独立可调LED恒流驱动电源,并且设计了加、减法混色以及蓝光激发荧光混色演示实验.

三基色;LED;色度学

1 引 言

色度学涉及物理光学、生理、心理等诸多学科,与人们的生产、生活联系紧密,如电脑显示器的颜色显示,绘画、印染的配色等[1-2].目前国内的色度学实验主要采用钨灯作为光源[3-7].传统的加法混色实验是以钨灯为光源,将光分成3路,或使用3个钨灯光源,分别透过红、绿、蓝三基色滤光片,形成红、绿、蓝3路光,再经光阑及成像透镜会聚[5,8].实验所需光学元件多,光路较复杂.

本文参考并借鉴 Gorazd Planinsic,M asahiro Kamata等人利用LED作为光源进行混色实验的经验[9-10],选用新型的三基色LED作为光源(该光源将红、绿、蓝3种颜色的LED芯片封装在一起,通过电源控制,既可以分别点亮也可以同时点亮2个或3个L ED[11]),并制作了3路独立可调恒流驱动电源,设计了加、减法混色和蓝光激发荧光的演示实验.

2 三基色LED的控制电源

三基色LED及其控制电源电路如图1所示.图1中虚线框内为三基色LED,是将红、绿、蓝3个LED封装在一起的共阳极结构.3路独立可调LED恒流驱动电源可独立控制红、绿、蓝 3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(1±10%)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:0～20 m A.单路5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

3 加法混色的实验演示

将乒乓球作为混色实验的混色装置[10].在乒乓球上钻直径恰好等于三基色LED光源大小的孔,使三基色LED插入到乒乓球内固定住.L ED发出的光,经乒乓球内壁漫反射后,均匀混色.分别点亮红、绿、蓝LED,如图2(a)～(c)所示.绿、蓝LED混色,可得到青色,如图2(d)所示.红、蓝LED混色,可得到紫红色,如图2(e)所示.红、绿LED混色,可得到黄色,如图2(f)所示.图2(g)是红、绿、蓝LED混色得到的白光.

红、绿、蓝LED,经加法混色得到白光后,关掉红光LED,观察到颜色变为如图2(d)所示的青色,即为该红色光的补色.三基色LED加法混色得到白光后,关掉绿光,颜色变为如图2(e)所示的紫红色,即为该绿色光的补色.三基色LED加法混色得到白光后,关掉蓝光,颜色变为如图2(f)所示的黄色,即为该蓝色光的补色.

调节通过红、绿、蓝LED的电流强度,可改变红、绿、蓝三基色LED颜色的配比,得到不同颜色的光.例如:红、绿LED以不同配比可得到黄绿色、绿黄色、黄色、橙色.

图2 加法混色实验现象

4 减法混色的实验演示

红、绿、蓝三基色LED发出的光,经乒乓球匀光混色,得到白光,照射到滤光片,观察减法混色实验现象.白光经过黄色和紫红色滤光片后,得到红色,实验现象如图3(a)所示.白光经过紫红色和青色滤光片后,得到蓝色,如图3(b)所示.白光经过青色和黄色滤光片后,得到绿色,如图3(c)所示.白光经过黄色、青色和紫红色滤光片后,得到灰色,如图3(d)所示.

图3 减法混色实验现象

5 荧光的实验演示

用黄色和桔黄色荧光笔在白纸条上涂色,制成黄色和桔黄色荧光纸,如图4(a)和(b)所示.在乒乓球垂直入光孔处再钻一较大的孔,将黄色和桔黄色荧光纸分别放入乒乓球内,而且正对光源,使蓝光LED发出的光大部分直接照射到荧光纸上.蓝光LED可以激发黄色荧光,并且在乒乓球内与激发的黄光混合均匀,得到白光,如图4(c)所示.蓝光LED还可以激发桔黄色荧光,在乒乓球内与激发的桔黄光混合得到紫色光,如图4(d)所示.

图4 蓝光激发荧光实验现象

6 结束语

以新型的三基色LED为光源,制作了3路独立可调L ED恒流驱动电源,研究设计了加法、减法混色和蓝光激发荧光的演示实验.三基色LED环保、节能,光源体积小,便于携带,3种颜色光可调性好,且成本低廉.实验光路简单,实验现象直观、清晰.

感谢南开大学基础物理实验中心主任孙骞教授提出的宝贵建议.

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

[2]腾秀金,邱迦易,曾晓栋.颜色测量技术[M].北京:中国计量出版社,2008:1-3.

[3]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.

[4]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.

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

[6]陈艳山,鲍烈.对三基色纸板反射光色度的分析[J].物理实验,2007,27(7):3-5.

[7]王亚芳,黄永建,李林,等.色度实验在地质学的应用[J].物理实验,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.

[责任编辑: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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-09;修改日期:2010-09-08

国家基础科学人才培养基金(南开大学物理学基地)(No.J0730315),南开大学青年教师教改专项基金

朱 江(1980-),女,天津人,南开大学物理科学学院实验师,硕士,从事基础物理光学实验教学.