CN107342008B

CN107342008B - 基于led光源的色彩设计实验仪

Info

Publication number: CN107342008B
Application number: CN201710753485.5A
Authority: CN
Inventors: 代如成; 张权; 郭强; 王中平; 张增明; 孙腊珍
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: CN107342008A

Abstract

本发明公开了一种基于LED光源的色彩设计实验仪，包括色光合成箱、直流稳压电源和导轨，还包括白屏、照度计或微型光谱仪；所述色光合成箱内部装设有三个相互夹角为120°的平光光管，色光合成箱的上面板是活动门带有提手；色光合成箱前面板开有直径10cm的圆型出光孔，色光合成箱的前面板内侧有插槽，用于放置插板；色光合成箱的侧面板有三个数显电压电流表；色光合成箱的后面板有四个LED电源插孔(三个正接线端和一个公用负接线端)，色光合成箱前放置一导轨，根据测试需求，导轨上可放置白屏、照度计或微型光谱仪的探头，微型光谱仪连接电脑。本发明通过对光源结构设计，平行光管将LED的发散光转换成平行光输出，光束均匀、成像清晰、色彩鲜艳，易与原色对比。

Description

基于LED光源的色彩设计实验仪

技术领域

本发明涉及光学和电学领域的教学仪器的技术领域，具体涉及一种基于LED光源的色彩设计实验仪。

背景技术

色度学是—门研究色彩计量的科学，其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。无论是在纺织、印染、印刷、染料、涂料、塑料、食品、油漆、建筑等行业，还是在计量、医学、电视、电影、照相、环境美化、交通讯号、产品鉴定以及遥感、信息处理和空间光学等各个领域，都离不开对颜色的测量和研究。物体颜色的定量度量是复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等许多问题。为了把“颜色”这个经过生理及心理等因素加工后的生物物理量变换到客观的纯物理量，从而能使用光学仪器对色光进行测量，得到一致的度量效果，指导人们对颜色的正确测量。国际照明委员会(简称CIE)规定红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm，在颜色匹配实验中发现，当这三基色光的相对亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时就能匹配出等能白光。CIE选取这一比例作为红、绿、蓝三基色的各自单位量，分别为(R)、(G)、(B)，即当颜色为等能白光时(R)：(G)：(B)＝1：1:：1。显然，当(R)、(G)、(B)不等份时，混合为彩色光，可用颜色方程表示：

C＝R(R)+G(G)+B(B)

式中C表示为待配色光，(R)、(G)、(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三基色的单位量，R、G、B分别为匹配待配色所需的红、绿、蓝三基色单位量的份数，相当于色光C中的权重，这个份数被称为颜色刺激值。

在色度学实验教学中，三基色原理演示仪主要采用红、绿、蓝三色转盘进行转动演示三基色原理(中国专利CN2222947Y)或以溴钨灯为光源分别透过红、绿、蓝三基色的滤光片，形成红、绿、蓝三路光，再经成像透镜会聚在一起进行三基色原理演示(中国专利CN2872508Y)。这两种方法都存在缺陷，第一种方法在实验中产生的灰白色光，和白光有差距；第二种方法在实验中受到滤色片影子的影响，不易直观的看到色光的混合，其演示效果差。而且这两种方法都受构造所限，所需光学元件多，设备昂贵，操作较复杂。目前已开发出以LED为光源的三基色合成演示仪，中国专利(CN200997204Y)将红、绿、蓝LED分别呈同心圆环形布局(靶环状)，每组圆环光源由同一颜色LED组成，通过三色LED光源重叠演示色光混合现象；中国专利(CN202473048U)将红、绿、蓝LED按照等边三角形布局，经过透镜会聚后，三色LED光源叠加混合成白光和彩色光，验证色光的混合现象与规律。但是LED采用圆柱和圆球封装，由于凸透镜的作用，而具有很强的指向性，位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90度。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化，故LED发光在空间各个方向上存在光强分布的，其发出的是非均匀的发散光。当三色LED光源混合时，光源交叠部分光强的非均匀性，导致合成光是渐变的颜色。这两种方法存在相同的缺陷，人眼是难以辨识合成光的颜色、难以区分合成光与待配色光、合成光与基色光的差异，实验现象不清晰、演示效果差；另外这两种实验装置仅具有“色光合成”的演示功能，实验内容比较单一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新的基于LED光源的色彩设计实验仪，使得LED发出均匀平行的三基色光源，该实验仪可用于色光合成和LED特性相关实验教学，实验现象清晰、内容丰富。

本发明采用的技术方案为：一种基于LED光源的色彩设计实验仪，包括色光合成箱、直流稳压电源和导轨，还包括白屏、照度计或微型光谱仪；所述色光合成箱内部装设有三个相互夹角为120°的平光光管，其直径相等且管心距离相等，三个平行光管的一端分别固定有功率1W的红色、绿色、蓝色高亮度LED，且平行光管与LED同轴对中，色光合成箱的上面板是活动门带有提手；色光合成箱前面板开有直径10cm的圆型出光孔，色光合成箱的前面板内侧有插槽，用于放置插板；色光合成箱的侧面板有三个数显电压电流表；色光合成箱的后面板有三个LED电源插孔，所述直流稳压电源与红、绿、蓝输出端分别与色光合成箱上的红、绿、蓝输入端相连，色光合成箱前放置一导轨，根据测试需求，导轨上可放置白屏、照度计或探头，微型光谱仪连接电脑。

进一步地，平行光管包括第一空心管、第二空心管和第三空心管，其中第一空心管带内螺纹，右端装有胶合透镜，第二空心管带有外螺纹，第三空心管内装有大功率LED，第三空心管的背面小孔引出LED电源线，通过旋进或旋出第一空心管，当LED处于第一空心管内胶合透镜的焦距时，光管出射均匀平行的红、绿、蓝色圆斑，分别将红、绿、蓝色平行光管安装在底座上，分别调整三色平行光管的6个螺杆，改变光管的水平和垂直方向位置，使得三个平光光管的相互夹角为120°，且管心距离相等，离光管端面约为20cm呈等大同心的圆斑，锁紧止动螺丝。

进一步地，其中LED出光孔的直径为10cm，带有内插板，三个数显电压电流表，LED的电源插孔，将上述集成有平行光管的底座转移到设备箱内，底座上开有两个圆孔，设备箱底开有两个条形孔，通过螺丝将底座锁定在设备箱的底板上。

本发明色彩设计实验仪取得有益效果是：(1)通过对光源结构设计，平行光管将LED的发散光转换成平行光输出，光束均匀、成像清晰、色彩鲜艳，易与原色对比。(2)采用高亮度的LED，其单色性好、结构小巧、亮度高，受环境光线影响小。(3)色光合成箱上装有数显电压表和电流表，可实时监测LED的工作电压和工作电流。(4)色光合成箱的结构紧凑、性能稳定、价格便宜、便于携带。(5)现象生动、内容丰富，增加学习乐趣，增强教学效果，可应用于高校、中小学校的物理与自然课程的教学或实验，有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为LED平行光管示意图；

图2为LED平行光管固定底座示意图；

图3为LED平行光管设备箱示意图；

图4为RGB色彩设计测量示意图；

图5为LED伏安特性曲线；

图6为LED混色得到紫光、青光、黄光和白光的相对光谱功率分布曲线。

图中附图标记含义为：1为第一空心管，2为第二空心管，3为第三空心管，4为底座，5为螺杆，6为止动螺丝，7为LED出光孔，8为数显电压电流表，9为LED的电源插孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明的作进一步详细说明。

一种基于LED光源的色彩设计实验仪，包括色光合成箱、直流稳压电源、照度计、微型光谱仪、白屏、导轨和电脑。所述色光合成箱内部装设有三个相互夹角为120°的平光光管，其直径相等且管心距离相等，三个平行光管的一端分别固定有功率1W的红色、绿色、蓝色高亮度LED，且平行光管与LED同轴对中。色光合成箱的上面板是活动门带有提手；色光合成箱前面板开有直径10cm的圆型出光孔，色光合成箱的前面板内侧有插槽，用于放置插板；色光合成箱的侧面板有三个数显电压电流表；色光合成箱的后面板有四个(三个正接线端和一个公用负接线端)LED电源插孔。所述直流稳压电源与红、绿、蓝输出端分别与色光合成箱上的红、绿、蓝输入端相连，色光合成箱前放置一导轨，根据测试需求，导轨上可放置白屏、照度计或光纤探头等。

本实施例的平行光系统结构，见图1。平行光系统结构包括第一空心管1、第二空心管2和第三空心管3，其中第一空心管1带内螺纹，右端装有胶合透镜，第二空心管2带有外螺纹，第三空心管3内装有大功率LED，第三空心管3的背面小孔引出LED电源线。通过旋进或旋出第一空心管1，当LED处于第一空心管1内胶合透镜的焦距时，光管出射均匀平行的红、绿、蓝色圆斑。分别将红、绿、蓝色平行光管安装在底座4上，见图2。分别调整三色平行光管的6个螺杆5，改变光管的水平和垂直方向位置，使得三个平光光管的相互夹角为120°，且管心距离相等，离光管端面约为20cm呈等大同心的圆斑，锁紧止动螺丝6。

本实施例的色光合成箱结构，见图3。其中LED出光孔7(直径为10cm)，带有内插板，三个数显电压电流表8，LED的电源插孔9。将上述集成有平行光管的底座4转移到设备箱内，底座4上开有两个圆孔，设备箱底开有两个条形孔，通过螺丝将底座4锁定在设备箱的底板上。

本发明的LED光源的色彩设计实验仪涉及到LED伏安、光照和色度特性测量，如图4所示，具体应用如下：

使用本发明实验仪做实验一，LED正向伏安特性测试：

将直流电源分别接入红、绿、蓝LED的正负极，分别将数显电压电流表接入红、绿、蓝LED的工作电路。调节电源输出电压或电流，记录LED的电压表、电流表示数。获得LED的正向伏安关系、LED正向导通阈值电压和LED发光中心波长(图5所示)。

使用本新型实验仪做实验二，LED光照及光谱特性测试：

将直流电源分别接入红、绿、蓝LED的正负极，分别将数显电压电流表接入红、绿、蓝LED的工作电路。调节电源输出电压或电流，记录LED的电压表、电流表示数。将照度计窗口对准LED出光孔，记录电流表和照度计示数，绘制LED的电流照度关系；将微型单色仪的光纤探头对准LED出光孔，打开单色仪电源，纪录电流表示数和对应光谱，获得不同工作电流下LED相对功率分布曲线。

使用本发明实验仪做实验三，LED色光合成测试：

将直流电源分别接入红、绿、蓝LED的正负极，分别将数显电压电流表接入红、绿、蓝LED的工作电路。在色光合成箱前方放置一白屏，让红、绿、蓝三束单色光投射到白屏上形成红、绿、蓝三色光斑，调整白屏至红、绿、蓝三色光在白屏上相互叠加。改变LED工作电流，可直观、清晰的观察三色光混合的色彩效果。将微型单色仪的光纤探头对准不同的色光叠加区域，测量不同色光合区的相对功率分布曲线，可计算出色光的色品坐标、主波长(或补色波长)、色纯度等色度学参量(图6所示)。

Claims

1.一种基于LED光源的色彩设计实验仪，其特征在于：包括色光合成箱、直流稳压电源和导轨，还包括白屏、照度计或微型光谱仪；所述色光合成箱内部装设有三个相互夹角为120°的平光光管，其直径相等且管心距离相等，三个平行光管的一端分别固定有功率1W的红色、绿色、蓝色高亮度LED，且平行光管与LED同轴对中，色光合成箱的上面板是活动门带有提手；色光合成箱前面板开有直径10cm的圆型出光孔，色光合成箱的前面板内侧有插槽，用于放置插板；色光合成箱的侧面板有三个数显电压电流表；色光合成箱的后面板有四个LED电源插孔：三个正接线端和一个公用负接线端，所述直流稳压电源与红、绿、蓝输出端分别与色光合成箱上的红、绿、蓝输入端相连，色光合成箱前放置一导轨，根据测试需求，导轨上可放置白屏、照度计或微型光谱仪探头，微型光谱仪连接电脑。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的色彩设计实验仪，其特征在于：平行光管包括第一空心管(1)、第二空心管(2)和第三空心管(3)，其中第一空心管(1)带内螺纹，右端装有胶合透镜，第二空心管(2)带有外螺纹，第三空心管(3)内装有大功率LED，第三空心管(3)的背面小孔引出LED电源线，通过旋进或旋出第一空心管(1)，当LED处于第一空心管(1)内胶合透镜的焦距时，光管出射均匀平行的红、绿、蓝色圆斑，分别将红、绿、蓝色平行光管安装在底座(4)上，分别调整三色平行光管的6个螺杆(5)，改变光管的水平和垂直方向位置，使得三个平光光管的相互夹角为120°，且管心距离相等，离光管端面为20cm呈等大同心的圆斑，锁紧止动螺丝(6)。

3.根据权利要求2所述的一种基于LED光源的色彩设计实验仪，其特征在于：其中LED出光孔(7)的直径为10cm，带有内插板，三个数显电压电流表(8)，LED的电源插孔(9)，将上述集成有平行光管的底座(4)转移到设备箱内，底座(4)上开有两个圆孔，设备箱底开有两个条形孔，通过螺丝将底座(4)锁定在设备箱的底板上。