纯色LED的色彩设计与测试实验

(中国科学技术大学 物理实验教学中心)

纯色LED的色彩设计与测试实验

(中国科学技术大学 物理实验教学中心)

1 主要内容

在20世纪人类发现了电致发光现象，从而诞生了第4代照明光源——发光二极管(LED). 2014年，诺贝尔物理学奖就表彰了为人类带来了新“光明”的蓝色LED的发明者.

为了激发学生的学习兴趣，在基础物理实验教学中引进获诺贝尔物理学奖的实验，及时自主设计研制了纯色LED的色彩设计与测试教学实验装置，将新型的第4代LED光源引入基础物理实验——色度学实验中，研制的集光学、电学、色度学于一体的光电测试和色度学测试系统，具有开放性积木式的实验光路，红、绿、蓝三基色光可调性好.

基本实验内容：

1)电学：伏安曲线是LED芯片PN结电学性能的主要体现，它具有单向导通性、非线性(电流与电压呈指数关系).

2)光学：发光强度和亮度是衡量LED发光器件发光性能的重要参量；另外，发光强度与亮度与环境温度也有关.

3)色度学：发光波长、发光峰半宽及光谱分布是衡量LED色度学性能的重要参量(主波长、色纯度等).

图1为LED实验装置. 具体实验过程为：LED经准直管调制为准平行光，3个准直管之间相互夹角均为120°，移动白屏可以直观地看到三基色光的动态合成过程，研究色光的相加、相减混合规律. 合成的色光经过微型光谱仪采集，即可以定量测量色光的色度学参量，例如：色光的相对光功率分布、色坐标、主波长和色纯度等. 另一方面，还可以测量LED的光电特性，例如：伏安特性、发光强度、光谱特性，判别LED的组装方式，等等.

图1 LED实验装置

2 创新点

1)实验内容涉及到了电学、光学、色度学科，从基础的伏安特性、光电特性测量到色度学的研究，实现了中学物理与大学物理实验教学的无缝对接.

2)设计的实验装置具有开放性积木式，可以自由组合，学生既可以完成基础实验内容，又可以探索研究一些光学、色度学实验，陶醉于“积木”实验探索乐园.

3 主要成效

通过LED的光电特性测量和色度设计，使学生掌握电学、光学和色度学交叉学科的理论及实验技能，了解LED在照明技术和彩色显示研究领域中的一些测量手段和重要作用. 实现中学物理与大学物理实验课程的无缝对接.

本实验的构建是以基本实验部件——LED、微型单色仪等为基础，实现了LED色彩设计与光电特性测量. 本实验已应用于中国科学技术大学大学物理基础实验课程，经过3年的实验教学，近4 000学生受益，教学效果良好.

(执笔：代如成)