红绿蓝三色LED调色特性的实验研究

钱惠国

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

红绿蓝三色LED调色特性的实验研究

钱惠国

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

通过实验，用红绿蓝三色LED匹配出红、绿、蓝、黄、品、青和白等各种典型颜色并测量了各颜色的色度坐标，研究了颜色与LED电流之间的变化规律，用CIE-1931色度图表示出各颜色及颜色调节范围。结果表明，该红绿蓝三色LED可以匹配出大部分实际颜色。

红绿蓝三色LED；颜色测量；颜色匹配；颜色调节

发光二极管(light emitting diode，LED)不仅具有体积小、功耗小、使用寿命长、价格便宜等优点，而且颜色丰富，单色好(光谱带宽约为10～20 nm)，已在照明[1-2]、医疗[3]、测量[4-5]、颜色分析[6-7]、实验教学[8]、指示等领域获得了广泛的应用。红绿蓝三色LED(RGB LED)实现了一个LED能发出红、绿、蓝三种颜色的光，并且通过三种色光的混合及调节可以匹配出其他丰富多彩的颜色。为了定性地给出用红绿蓝三色LED进行颜色匹配的方法，定量地给出其颜色调节范围，本文以瑞景光电的F5全彩RGB共阳型三色LED为例，通过实验测量和数据分析，研究了其颜色调节特性，总结了颜色调节规律并且给出了颜色调节的色度图。实验表明，用红绿蓝三色LED进行调色方便快捷，并且可以匹配出实际生活中的大部分颜色。

1 LED色度的测量

在CIE 1931标准色度系统中，光源发光的颜色可用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐标(x,y,z)来表示。若测得某光源的光谱功率分布为φ(λ)，则其三刺激值和色度坐标可以通过下式计算[9]：

(1)

(2)

在实际计算中，式(1)中的积分用求和代替，其表达式为：

(3)

2 红绿蓝三色LED的调色特性

根据颜色匹配原理，颜色A和颜色B混合可以匹配出颜色C。因此，通过一定比例的混合，红色和绿色可以匹配出黄色，红色和蓝色可以匹配出品色，绿色和蓝色可以匹配出青色，红绿蓝三色可以匹配出白色。改变匹配色的亮度(即混合比例)可以匹配出其他的颜色。

2.1 红绿蓝三色LED颜色匹配及测量系统

实验使用的共阳极红绿蓝三色LED共有4个引脚，其中较长、较粗的是公共阳极，其他三个分别是红、绿、蓝LED的阴极。测量LED色度的实验装置如图1所示，主要包含三个部分，即LED驱动、积分球和光谱数据采集与处理。在LED驱动中，用直流稳压电源进行供电，三组开关和电位器用于控制红、绿、蓝LED的亮灭和强度，电流表用于测量LED的驱动电流。积分球用于对LED发出的光进行光谱和强度平均，使色度测量更加准确，LED从入射孔置于积分球内，在出射孔处可以观察或测量LED的颜色。光谱数据用光纤光谱仪(含计算机)进行采集和处理，最终计算出LED的色度。

系统中使用的积分球直径为0.3m，光纤光谱仪型号为GZ03P-4000-UV-NIR，波长测量范围为200～1 100nm，波长间隔小于0.3nm。

图1 LED色度测量实验装置示意图

2.2 红绿蓝三色LED的颜色匹配

在图1所示实验装置中，开启红、绿、蓝LED，调节三个电位器可以匹配出白色(色度坐标接近x=0.333,y=0.333，误差小于0.001)。本实验匹配出白色(x=0.333 0,y=0.333 8)时，红色LED的电流是17.5 mA，绿色LED的电流是19.5 mA，蓝色LED的电流是20.0 mA。用光纤光谱仪测量此时的光谱功率分布[10]，结果如图2所示。

保持LED电流不变，通过控制红、绿、蓝LED的亮灭可以匹配出红、绿、蓝、黄、品、青六种颜色，具体如表1所示。

图2 匹配白色时的光谱功率分布

白色红色绿色蓝色黄色品色青色红色LED亮亮灭灭亮亮灭绿色LED亮灭亮灭亮灭亮蓝色LED亮灭灭亮灭亮亮

用光纤光谱仪测量出其他各种颜色的光谱功率分布，如图3所示，通过计算可以得到各颜色的色度坐标如表2所示。

图3 红、绿、蓝、黄、品和青色的光谱功率分布

坐标轴白色红色绿色蓝色黄色品色青色x03330068820189701286048290390301530y03338030860699601212047150208003447z03332000320110607502004560401705023

2.3 红绿蓝三色LED的颜色调节

通过控制红、绿、蓝LED的亮灭以及调节电位器可以匹配出其他丰富多彩的颜色。本实验中，先开启红色和绿色LED，蓝色LED关闭，设置红色LED的电流为17.5 mA，调节电位器使绿色LED的电流从0 mA逐渐增大到19.5 mA，再保持绿色LED的电流为19.5 mA，调节电位器使红色LED的电流从17.5 mA逐渐减小到0 mA。在此过程中，可以观察到颜色从红色逐渐变为黄色再逐渐变为绿色，其光谱功率分布的变化如图4所示。图4中，“r2.0-g19.5”表示红色LED的电流为2.0 mA，绿色LED的电流为19.5 mA，余者类推。

图4 光谱功率分布的变化

同样的方法也可以观察和测量颜色从绿色变为青色再变为蓝色，以及从蓝色变为品色再变为红色的过程。根据光谱功率分布，计算出各种颜色的色度坐标并在CIE-1931色度图中表示，结果如图5所示。

图5中显示了红、绿、蓝、黄、品、青和白等颜色的色度坐标以及颜色从红到黄再到绿、从绿到青再到蓝、从蓝到品再到红的变化。可以看出，红、绿、蓝三色坐标围成一个三角形，且该三角形占据了色度图的大部分面积，根据颜色匹配原理，此三角形内所有的颜色均可以由该红绿蓝三色LED匹配得到。

图5 颜色在CIE-1931色度图的表示

3 结束语

通过实验，研究了红绿蓝三色LED的颜色调节特性。首先，实现了用该红绿蓝三色LED匹配出红、绿、蓝、黄、品、青和白等各种典型颜色并给出了各颜色的色度坐标；其次，通过调节LED驱动电流研究了该红绿蓝三色LED的颜色调节规律；最后，用CIE-1931色度图表示了各颜色及颜色调节范围。结果表明，该红绿蓝三色LED可以匹配出实际生活中的大部分颜色。

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Study on the Color Characteristics of RGB LED

QIAN Huiguo

(College of Mathematics, Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

In this paper, the typical color such as red, green, blue, yellow, pink, cyan and white is matched using RGB LED, and the chromaticity coordinates are calculated. The variation between the color and the LED current is revealed. The color and color range are showed in CIE-1931 chromaticity diagram. It is found that much of color can been matched using RGB LED.

RGB LED; chromaticity measurement; color matching; color adjustment

2014-02-24；修改日期: 2014-03-26

浙江师范大学实验技术开发基金资助项目(sj201403)。

钱惠国(1978-)，男，硕士，工程师，研究方向：光电技术应用。

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.010