紅綠藍(lán)三色LED調(diào)色特性的實(shí)驗(yàn)研究

錢(qián)惠國(guó)

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

紅綠藍(lán)三色LED調(diào)色特性的實(shí)驗(yàn)研究

錢(qián)惠國(guó)

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，用紅綠藍(lán)三色LED匹配出紅、綠、藍(lán)、黃、品、青和白等各種典型顏色并測(cè)量了各顏色的色度坐標(biāo)，研究了顏色與LED電流之間的變化規(guī)律，用CIE-1931色度圖表示出各顏色及顏色調(diào)節(jié)范圍。結(jié)果表明，該紅綠藍(lán)三色LED可以匹配出大部分實(shí)際顏色。

紅綠藍(lán)三色LED；顏色測(cè)量；顏色匹配；顏色調(diào)節(jié)

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)不僅具有體積小、功耗小、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且顏色豐富，單色好(光譜帶寬約為10～20 nm)，已在照明[1-2]、醫(yī)療[3]、測(cè)量[4-5]、顏色分析[6-7]、實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]、指示等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅綠藍(lán)三色LED(RGB LED)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)LED能發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的光，并且通過(guò)三種色光的混合及調(diào)節(jié)可以匹配出其他豐富多彩的顏色。為了定性地給出用紅綠藍(lán)三色LED進(jìn)行顏色匹配的方法，定量地給出其顏色調(diào)節(jié)范圍，本文以瑞景光電的F5全彩RGB共陽(yáng)型三色LED為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，研究了其顏色調(diào)節(jié)特性，總結(jié)了顏色調(diào)節(jié)規(guī)律并且給出了顏色調(diào)節(jié)的色度圖。實(shí)驗(yàn)表明，用紅綠藍(lán)三色LED進(jìn)行調(diào)色方便快捷，并且可以匹配出實(shí)際生活中的大部分顏色。

1 LED色度的測(cè)量

在CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)中，光源發(fā)光的顏色可用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐標(biāo)(x,y,z)來(lái)表示。若測(cè)得某光源的光譜功率分布為φ(λ)，則其三刺激值和色度坐標(biāo)可以通過(guò)下式計(jì)算[9]：

(1)

(2)

在實(shí)際計(jì)算中，式(1)中的積分用求和代替，其表達(dá)式為：

(3)

2 紅綠藍(lán)三色LED的調(diào)色特性

根據(jù)顏色匹配原理，顏色A和顏色B混合可以匹配出顏色C。因此，通過(guò)一定比例的混合，紅色和綠色可以匹配出黃色，紅色和藍(lán)色可以匹配出品色，綠色和藍(lán)色可以匹配出青色，紅綠藍(lán)三色可以匹配出白色。改變匹配色的亮度(即混合比例)可以匹配出其他的顏色。

2.1 紅綠藍(lán)三色LED顏色匹配及測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用的共陽(yáng)極紅綠藍(lán)三色LED共有4個(gè)引腳，其中較長(zhǎng)、較粗的是公共陽(yáng)極，其他三個(gè)分別是紅、綠、藍(lán)LED的陰極。測(cè)量LED色度的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包含三個(gè)部分，即LED驅(qū)動(dòng)、積分球和光譜數(shù)據(jù)采集與處理。在LED驅(qū)動(dòng)中，用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，三組開(kāi)關(guān)和電位器用于控制紅、綠、藍(lán)LED的亮滅和強(qiáng)度，電流表用于測(cè)量LED的驅(qū)動(dòng)電流。積分球用于對(duì)LED發(fā)出的光進(jìn)行光譜和強(qiáng)度平均，使色度測(cè)量更加準(zhǔn)確，LED從入射孔置于積分球內(nèi)，在出射孔處可以觀察或測(cè)量LED的顏色。光譜數(shù)據(jù)用光纖光譜儀(含計(jì)算機(jī))進(jìn)行采集和處理，最終計(jì)算出LED的色度。

系統(tǒng)中使用的積分球直徑為0.3m，光纖光譜儀型號(hào)為GZ03P-4000-UV-NIR，波長(zhǎng)測(cè)量范圍為200～1 100nm，波長(zhǎng)間隔小于0.3nm。

圖1 LED色度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 紅綠藍(lán)三色LED的顏色匹配

在圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置中，開(kāi)啟紅、綠、藍(lán)LED，調(diào)節(jié)三個(gè)電位器可以匹配出白色(色度坐標(biāo)接近x=0.333,y=0.333，誤差小于0.001)。本實(shí)驗(yàn)匹配出白色(x=0.333 0,y=0.333 8)時(shí)，紅色LED的電流是17.5 mA，綠色LED的電流是19.5 mA，藍(lán)色LED的電流是20.0 mA。用光纖光譜儀測(cè)量此時(shí)的光譜功率分布[10]，結(jié)果如圖2所示。

保持LED電流不變，通過(guò)控制紅、綠、藍(lán)LED的亮滅可以匹配出紅、綠、藍(lán)、黃、品、青六種顏色，具體如表1所示。

圖2 匹配白色時(shí)的光譜功率分布

白色紅色綠色藍(lán)色黃色品色青色紅色LED亮亮滅滅亮亮滅綠色LED亮滅亮滅亮滅亮藍(lán)色LED亮滅滅亮滅亮亮

用光纖光譜儀測(cè)量出其他各種顏色的光譜功率分布，如圖3所示，通過(guò)計(jì)算可以得到各顏色的色度坐標(biāo)如表2所示。

圖3 紅、綠、藍(lán)、黃、品和青色的光譜功率分布

坐標(biāo)軸白色紅色綠色藍(lán)色黃色品色青色x03330068820189701286048290390301530y03338030860699601212047150208003447z03332000320110607502004560401705023

2.3 紅綠藍(lán)三色LED的顏色調(diào)節(jié)

通過(guò)控制紅、綠、藍(lán)LED的亮滅以及調(diào)節(jié)電位器可以匹配出其他豐富多彩的顏色。本實(shí)驗(yàn)中，先開(kāi)啟紅色和綠色LED，藍(lán)色LED關(guān)閉，設(shè)置紅色LED的電流為17.5 mA，調(diào)節(jié)電位器使綠色LED的電流從0 mA逐漸增大到19.5 mA，再保持綠色LED的電流為19.5 mA，調(diào)節(jié)電位器使紅色LED的電流從17.5 mA逐漸減小到0 mA。在此過(guò)程中，可以觀察到顏色從紅色逐漸變?yōu)辄S色再逐漸變?yōu)榫G色，其光譜功率分布的變化如圖4所示。圖4中，“r2.0-g19.5”表示紅色LED的電流為2.0 mA，綠色LED的電流為19.5 mA，余者類推。

圖4 光譜功率分布的變化

同樣的方法也可以觀察和測(cè)量顏色從綠色變?yōu)榍嗌僮優(yōu)樗{(lán)色，以及從藍(lán)色變?yōu)槠飞僮優(yōu)榧t色的過(guò)程。根據(jù)光譜功率分布，計(jì)算出各種顏色的色度坐標(biāo)并在CIE-1931色度圖中表示，結(jié)果如圖5所示。

圖5中顯示了紅、綠、藍(lán)、黃、品、青和白等顏色的色度坐標(biāo)以及顏色從紅到黃再到綠、從綠到青再到藍(lán)、從藍(lán)到品再到紅的變化?？梢钥闯?，紅、綠、藍(lán)三色坐標(biāo)圍成一個(gè)三角形，且該三角形占據(jù)了色度圖的大部分面積，根據(jù)顏色匹配原理，此三角形內(nèi)所有的顏色均可以由該紅綠藍(lán)三色LED匹配得到。

圖5 顏色在CIE-1931色度圖的表示

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了紅綠藍(lán)三色LED的顏色調(diào)節(jié)特性。首先，實(shí)現(xiàn)了用該紅綠藍(lán)三色LED匹配出紅、綠、藍(lán)、黃、品、青和白等各種典型顏色并給出了各顏色的色度坐標(biāo)；其次，通過(guò)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流研究了該紅綠藍(lán)三色LED的顏色調(diào)節(jié)規(guī)律；最后，用CIE-1931色度圖表示了各顏色及顏色調(diào)節(jié)范圍。結(jié)果表明，該紅綠藍(lán)三色LED可以匹配出實(shí)際生活中的大部分顏色。

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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

浙江師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)基金資助項(xiàng)目(sj201403)。

錢(qián)惠國(guó)(1978-)，男，碩士，工程師，研究方向：光電技術(shù)應(yīng)用。

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.010