純色LED的色彩設(shè)計(jì)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)

純色LED的色彩設(shè)計(jì)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)

1 主要內(nèi)容

在20世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光現(xiàn)象，從而誕生了第4代照明光源——發(fā)光二極管(LED). 2014年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就表彰了為人類帶來了新“光明”的藍(lán)色LED的發(fā)明者.

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引進(jìn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)，及時(shí)自主設(shè)計(jì)研制了純色LED的色彩設(shè)計(jì)與測(cè)試教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，將新型的第4代LED光源引入基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)——色度學(xué)實(shí)驗(yàn)中，研制的集光學(xué)、電學(xué)、色度學(xué)于一體的光電測(cè)試和色度學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，具有開放性積木式的實(shí)驗(yàn)光路，紅、綠、藍(lán)三基色光可調(diào)性好.

基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1)電學(xué)：伏安曲線是LED芯片PN結(jié)電學(xué)性能的主要體現(xiàn)，它具有單向?qū)ㄐ浴⒎蔷€性(電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系).

2)光學(xué)：發(fā)光強(qiáng)度和亮度是衡量LED發(fā)光器件發(fā)光性能的重要參量；另外，發(fā)光強(qiáng)度與亮度與環(huán)境溫度也有關(guān).

3)色度學(xué)：發(fā)光波長、發(fā)光峰半寬及光譜分布是衡量LED色度學(xué)性能的重要參量(主波長、色純度等).

圖1為LED實(shí)驗(yàn)裝置. 具體實(shí)驗(yàn)過程為：LED經(jīng)準(zhǔn)直管調(diào)制為準(zhǔn)平行光，3個(gè)準(zhǔn)直管之間相互夾角均為120°，移動(dòng)白屏可以直觀地看到三基色光的動(dòng)態(tài)合成過程，研究色光的相加、相減混合規(guī)律. 合成的色光經(jīng)過微型光譜儀采集，即可以定量測(cè)量色光的色度學(xué)參量，例如：色光的相對(duì)光功率分布、色坐標(biāo)、主波長和色純度等. 另一方面，還可以測(cè)量LED的光電特性，例如：伏安特性、發(fā)光強(qiáng)度、光譜特性，判別LED的組裝方式，等等.

圖1 LED實(shí)驗(yàn)裝置

2 創(chuàng)新點(diǎn)

1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到了電學(xué)、光學(xué)、色度學(xué)科，從基礎(chǔ)的伏安特性、光電特性測(cè)量到色度學(xué)的研究，實(shí)現(xiàn)了中學(xué)物理與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無縫對(duì)接.

2)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置具有開放性積木式，可以自由組合，學(xué)生既可以完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又可以探索研究一些光學(xué)、色度學(xué)實(shí)驗(yàn)，陶醉于“積木”實(shí)驗(yàn)探索樂園.

3 主要成效

通過LED的光電特性測(cè)量和色度設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握電學(xué)、光學(xué)和色度學(xué)交叉學(xué)科的理論及實(shí)驗(yàn)技能，了解LED在照明技術(shù)和彩色顯示研究領(lǐng)域中的一些測(cè)量手段和重要作用. 實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的無縫對(duì)接.

本實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建是以基本實(shí)驗(yàn)部件——LED、微型單色儀等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了LED色彩設(shè)計(jì)與光電特性測(cè)量. 本實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，經(jīng)過3年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，近4 000學(xué)生受益，教學(xué)效果良好.

(執(zhí)筆：代如成)