CN207489316U - 神奇的色彩合成实验演示装置 - Google Patents
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Abstract
一种神奇的色彩合成实验演示装置，包括用于获得参考光的标准卤钨灯、红绿蓝光源系统、用于测量光线的相对辐射强度以及色度的光纤光谱仪和积分球，所述积分球的球壁上设有入光口、出光口和观察窗口，所述入光口位于所述出光口和观察窗口的上方，所述观察窗口同时与入光口、出光口相互交叉设置并连通；所述积分球的出光口与所述光纤光谱仪连接，所述光纤光谱仪与控制装置连接；所述标准卤钨灯在校准光纤光谱仪时与所述积分球的入光口连接，所述红绿蓝光源系统的三基色光源在三基色混色实验时与所述积分球的入光口连接。本实用新型提供了一种操作方便快捷、检测结果直观、重复性好、成本低廉的色彩合成实验演示装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理光学、色彩教学演示技术领域，尤其是涉及一种神奇的色彩合成实验演示装置。
背景技术
物理学作为中学阶段重要的基础课程，其逻辑性和思维性要求较强，对培养学生掌握抽象逻辑思维和对规则的演绎推理有重要作用，因此如何在教学过程中由实体现象引导学生理解抽象知识是物理教学的一大难点。在光学中，由于光谱学的物理概念抽象晦涩且相关的实验操作仪器复杂，学生在课堂中大多只能通过书本或PPT图片进行学习，对光谱学知识及其原理缺乏直观的认识，导致教学效率较低。
发明内容
为了克服现有光谱学教学存在缺乏直观认识的缺陷，本实用新型提供了一种操作方便快捷、检测结果直观、重复性好、成本低廉的色彩合成实验演示装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种神奇的色彩合成实验演示装置，包括用于获得参考光的标准卤钨灯、红绿蓝光源系统、用于测量光线的相对辐射强度以及色度的光纤光谱仪和积分球，所述积分球安装在支架上，所述积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，所述积分球的球壁上设有入光口、出光口和观察窗口，所述入光口位于所述出光口和观察窗口的上方，所述观察窗口同时与入光口、出光口相互交叉设置并连通；
所述积分球的出光口与所述光纤光谱仪连接，所述光纤光谱仪与控制装置连接，所述控制装置上设有操作界面；
所述标准卤钨灯在校准光纤光谱仪时与所述积分球的入光口连接，所述红绿蓝光源系统的三基色光源在三基色混色实验时与所述积分球的入光口连接。
进一步，所述入光口的进光方向为Z轴方向设置，所述出光口的出光方向为X轴方向设置，所述观察窗口的观察方向为Y轴方向设置。
再进一步，所述控制装置为电脑。
更进一步，所述红绿蓝光源系统的三基色光源为三色LED光源。
本实用新型的设计构思：为此利用红、绿、蓝三种颜色的LED光源、积分球、标准卤钨灯及光纤光谱仪设计制作了简便易行的教具用于课堂演示，从而使学生直观地观察到三基色相加混合产生不同色彩的效果。该教具能加深学生对色彩及光谱学知识的理解，同时激发学生探索物理学原理的兴趣。
本实用新型的有益效果主要表现在：
(1)操作简便、效果直观——通过积分球的观察窗口可以直接看到色彩效果，同时可以通过观察操作界面上的马蹄形色坐标进行色彩对比；
(2)操作界面友好——采用自主开发的功能模块，直观易懂；
(3)模块化——减少装置的复杂性，利于学生操作、观察与理解，重复性好；
(4)价格低廉——因为自主开发并且去除多余的功能可有效降低价格。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是红绿蓝光源系统的结构示意图。
图3是积分球的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图3，一种神奇的色彩合成实验演示装置，包括用于获得参考光的标准卤钨灯3、红绿蓝光源系统、用于测量光线的相对辐射强度以及色度的光纤光谱仪4和积分球2，所述积分球2安装在支架上，所述积分球2是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，所述积分球2的球壁上设有入光口21、出光口22和观察窗口23，所述入光口21位于所述出光口22和观察窗口23的上方，所述观察窗口23同时与入光口21、出光口22相互交叉设置并连通；
所述积分球2的出光口22与所述光纤光谱仪4连接，所述光纤光谱仪4与控制装置连接，所述控制装置上设有操作界面；
所述标准卤钨灯3在校准光纤光谱仪时与所述积分球2的入光口21连接，所述红绿蓝光源系统的三基色光源在三基色混色实验时与所述积分球2的入光口21连接。
进一步，所述入光口21的进光方向为Z轴方向设置，所述出光口22的出光方向为X轴方向设置，所述观察窗口23的观察方向为Y轴方向设置。
再进一步，所述控制装置为电脑。
更进一步，所述红绿蓝光源系统的三基色光源为三色LED光源1。
操作界面设有新建模块、选择测量项目模块、保存模块等。
本实用新型中的功能模块，均由硬件电路实现。
本实用新型的设计原理为：色彩合成实验需要使用红、绿、蓝三种光谱颜色光源，根据自然界中各种物体所表现出的不同色彩，都是由红色、绿色和蓝色光线按适当比例混合起来而呈现在人眼中的。因此，红色、绿色和蓝色就是组成各种色彩的基本成分，称为三原色或三基色。三基色的光谱波长如下：红色700nm，波长约600nm～700nm的范围属红光范围；绿色546.1nm，波长约500nm～600nm的范围属绿光范围；蓝色435.8nm，波长约400nm～500nm的范围属蓝光范围；这三个颜色的光波在可见光光谱中各占三分之一。
如图1所示，5为红绿蓝光源系统的电源；
标准卤钨灯：采用该已知色温的标准光源来校准光纤光谱仪输出光谱的形状，即相对强度校准，使用户了解输出光谱之间的强度比。
红绿蓝光源系统：传统的三基色光源是采用标准白光光源加红绿蓝三色滤光片得到的，光源的光谱特性由滤色镜保证，实验中需要的光学元件多，导致实验光路较复杂，不适宜在课堂上演示，为此选择新型光源LED发光二极管作为三基色光源，如图2所示，与卤钨灯相比，具有体积小、发热量低、耗电量小等诸多优势，红光LED的峰值波长约为629nm，绿光LED的峰值波长约为516.2nm，蓝光LED的峰值波长为约465nm，与三基色要求的光谱波长基本接近，可以满足三基色混色实验的要求。由红、绿、蓝三路电流可调输出电流控制红、绿、蓝三种LED灯的亮度，电流0～60mA连续可调，根据不同亮度来实现色的合成。
光纤光谱仪：光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。在本技术方案中，利用光谱仪可测量光线的相对辐射强度以及色度测量。
积分球：积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，又称光度球，如图3所示，球壁上开一个或几个窗口，用作进光、出光及观察。积分球的内壁应是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的0.2％。球内壁上涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系数接近于1的材料。常用的材料是氧化镁或硫酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁上。氧化镁涂层在可见光谱范围内的光谱反射比都在99％以上，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。
操作界面：利用色度测量(相对强度)操作界面测量相对辐射照度以及色度。选择测量项目包括【光谱显示】、【吸光度测量】、【透过率测量】、【反射率测量】、【绝对强度定标】、【拉曼光谱】、【绝对强度测量】、【相对强度测量】、【色度测量(反射)】、【色度测量(绝对强度)】、【色度测量(相对强度)】、【能量】等。
本实用新型的操作过程为：
第一步：首先设备连接，将标准卤钨灯竖直插入积分球的入光口，利用积分球获得均匀标准的可见光光谱，作为后续检测的参考光，用光纤将积分球的出光口与光纤光谱仪连接起来，光纤光谱仪分析光谱成分，将光纤光谱仪利用USB数据线连接到电脑采集数，从而获得光谱的波长及相对光强。
第二步：操作界面，点击工具栏上的[+]按钮，弹出新建测试的界面，点击【相对强度测量】按钮。调整合适参数后(积分时间400ms)，在色温处输入标准灯的色温，然后点击【保存】保存参考光谱，点击【下一步】，挡住光线，点击【保存】保存暗光谱，点击【完成】，此时将标准灯换成待测光源，可以进行相对辐射测量。
第三步：然后将三色LED光源代替标准卤钨灯放入积分球入光口，打开LED光源的总电源，通过改变每种LED灯的输出电流使光源的发光强度不同，通过积分球的观察窗口就可以看到不同的色彩效果，同时在操作界面上也能看到色彩效果，通过两者比较可以发现实际与理论的差别。从而给学生创造发现问题、提出问题、解决问题的机会。
本实用新型能将实验效果更加直观的呈现给学生，通过积分球观察窗口看到的颜色与操作界面上的马蹄形色纵坐标上显示的颜色进行对比，是学生能够了解该色彩实际与理论的差距及三基色的比例合成。
Claims (4)
1.一种神奇的色彩合成实验演示装置，其特征在于：所述装置包括用于获得参考光的标准卤钨灯、红绿蓝光源系统、用于测量光线的相对辐射强度以及色度的光纤光谱仪和积分球，所述积分球安装在支架上，所述积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，所述积分球的球壁上设有入光口、出光口和观察窗口，所述入光口位于所述出光口和观察窗口的上方，所述观察窗口同时与入光口、出光口相互交叉设置并连通；
所述积分球的出光口与所述光纤光谱仪连接，所述光纤光谱仪与控制装置连接，所述控制装置上设有操作界面；
所述标准卤钨灯在校准光纤光谱仪时与所述积分球的入光口连接，所述红绿蓝光源系统的三基色光源在三基色混色实验时与所述积分球的入光口连接。
2.如权利要求1所述的神奇的色彩合成实验演示装置，其特征在于：所述入光口的进光方向为Z轴方向设置，所述出光口的出光方向为X轴方向设置，所述观察窗口的观察方向为Y轴方向设置。
3.如权利要求1或2所述的神奇的色彩合成实验演示装置，其特征在于：所述控制装置为电脑。
4.如权利要求1或2所述的神奇的色彩合成实验演示装置，其特征在于：所述红绿蓝光源系统的三基色光源为三色LED光源。
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| CN201721058266.7U CN207489316U (zh) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 神奇的色彩合成实验演示装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108281074A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-07-13 | 吕嘉龄 | 色合成演示实验仪 |
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- 2017-08-23 CN CN201721058266.7U patent/CN207489316U/zh active Active
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