本發(fā)明涉及光學和電學領域的教學儀器的技術領域，具體涉及一種基于led光源的色彩設計實驗儀。

背景技術：

色度學是—門研究色彩計量的科學，其任務在于研究人眼彩色視覺的定性和定量規(guī)律及應用。無論是在紡織、印染、印刷、染料、涂料、塑料、食品、油漆、建筑等行業(yè)，還是在計量、醫(yī)學、電視、電影、照相、環(huán)境美化、交通訊號、產(chǎn)品鑒定以及遙感、信息處理和空間光學等各個領域，都離不開對顏色的測量和研究。物體顏色的定量度量是復雜的，它涉及到觀察者的視覺生理、視覺心理以及照明條件、觀察條件等許多問題。為了把“顏色”這個經(jīng)過生理及心理等因素加工后的生物物理量變換到客觀的純物理量，從而能使用光學儀器對色光進行測量，得到一致的度量效果，指導人們對顏色的正確測量。國際照明委員會(簡稱cie)規(guī)定紅(r)、綠(g)、藍(b)三基色的波長分別為700nm、546.1nm、435.8nm，在顏色匹配實驗中發(fā)現(xiàn)，當這三基色光的相對亮度比例為1.0000：4.5907：0.0601時就能匹配出等能白光。cie選取這一比例作為紅、綠、藍三基色的各自單位量，分別為(r)、(g)、(b)，即當顏色為等能白光時(r)：(g)：(b)＝1：1:：1。顯然，當(r)、(g)、(b)不等份時，混合為彩色光，可用顏色方程表示：

c＝r(r)+g(g)+b(b)

式中c表示為待配色光，(r)、(g)、(b)代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三基色的單位量，r、g、b分別為匹配待配色所需的紅、綠、藍三基色單位量的份數(shù)，相當于色光c中的權重，這個份數(shù)被稱為顏色刺激值。

在色度學實驗教學中，三基色原理演示儀主要采用紅、綠、藍三色轉(zhuǎn)盤進行轉(zhuǎn)動演示三基色原理(中國專利cn2222947y)或以溴鎢燈為光源分別透過紅、綠、藍三基色的濾光片，形成紅、綠、藍三路光，再經(jīng)成像透鏡會聚在一起進行三基色原理演示(中國專利cn2872508y)。這兩種方法都存在缺陷，第一種方法在實驗中產(chǎn)生的灰白色光，和白光有差距；第二種方法在實驗中受到濾色片影子的影響，不易直觀的看到色光的混合，其演示效果差。而且這兩種方法都受構造所限，所需光學元件多，設備昂貴，操作較復雜。目前已開發(fā)出以led為光源的三基色合成演示儀，中國專利(cn200997204y)將紅、綠、藍led分別呈同心圓環(huán)形布局(靶環(huán)狀)，每組圓環(huán)光源由同一顏色led組成，通過三色led光源重疊演示色光混合現(xiàn)象；中國專利(cn202473048u)將紅、綠、藍led按照等邊三角形布局，經(jīng)過透鏡會聚后，三色led光源疊加混合成白光和彩色光，驗證色光的混合現(xiàn)象與規(guī)律。但是led采用圓柱和圓球封裝，由于凸透鏡的作用，而具有很強的指向性，位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90度。當偏離正法向不同角度，光強也隨之變化，故led發(fā)光在空間各個方向上存在光強分布的，其發(fā)出的是非均勻的發(fā)散光。當三色led光源混合時，光源交疊部分光強的非均勻性，導致合成光是漸變的顏色。這兩種方法存在相同的缺陷，人眼是難以辨識合成光的顏色、難以區(qū)分合成光與待配色光、合成光與基色光的差異，實驗現(xiàn)象不清晰、演示效果差；另外這兩種實驗裝置僅具有“色光合成”的演示功能，實驗內(nèi)容比較單一。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種新的基于led光源的色彩設計實驗儀，使得led發(fā)出均勻平行的三基色光源，該實驗儀可用于色光合成和led特性相關實驗教學，實驗現(xiàn)象清晰、內(nèi)容豐富。

本發(fā)明采用的技術方案為：一種基于led光源的色彩設計實驗儀，包括色光合成箱、直流穩(wěn)壓電源和導軌，還包括白屏、照度計或微型光譜儀；所述色光合成箱內(nèi)部裝設有三個相互夾角為120°的平光光管，其直徑相等且管心距離相等，三個平行光管的一端分別固定有功率1w的紅色、綠色、藍色高亮度led，且平行光管與led同軸對中，色光合成箱的上面板是活動門帶有提手；色光合成箱前面板開有直徑10cm的圓型出光孔，色光合成箱的前面板內(nèi)側(cè)有插槽，用于放置插板；色光合成箱的側(cè)面板有三個數(shù)顯電壓電流表；色光合成箱的后面板有三個led電源插孔，所述直流穩(wěn)壓電源與紅、綠、藍輸出端分別與色光合成箱上的紅、綠、藍輸入端相連，色光合成箱前放置一導軌，根據(jù)測試需求，導軌上可放置白屏、照度計或探頭，微型光譜儀連接電腦。

進一步地，平行光管包括第一空心管、第二空心管和第三空心管，其中第一空心管帶內(nèi)螺紋，右端裝有膠合透鏡，第二空心管帶有外螺紋，第三空心管內(nèi)裝有大功率led，第三空心管的背面小孔引出led電源線，通過旋進或旋出第一空心管，當led處于第一空心管內(nèi)膠合透鏡的焦距時，光管出射均勻平行的紅、綠、藍色圓斑，分別將紅、綠、藍色平行光管安裝在底座上，分別調(diào)整三色平行光管的6個螺桿，改變光管的水平和垂直方向位置，使得三個平光光管的相互夾角為120°，且管心距離相等，離光管端面約為20cm呈等大同心的圓斑，鎖緊止動螺絲。

進一步地，其中l(wèi)ed出光孔的直徑為10cm，帶有內(nèi)插板，三個數(shù)顯電壓電流表，led的電源插孔，將上述集成有平行光管的底座轉(zhuǎn)移到設備箱內(nèi)，底座上開有兩個圓孔，設備箱底開有兩個條形孔，通過螺絲將底座鎖定在設備箱的底板上。

本發(fā)明色彩設計實驗儀取得有益效果是：(1)通過對光源結(jié)構設計，平行光管將led的發(fā)散光轉(zhuǎn)換成平行光輸出，光束均勻、成像清晰、色彩鮮艷，易與原色對比。(2)采用高亮度的led，其單色性好、結(jié)構小巧、亮度高，受環(huán)境光線影響小。(3)色光合成箱上裝有數(shù)顯電壓表和電流表，可實時監(jiān)測led的工作電壓和工作電流。(4)色光合成箱的結(jié)構緊湊、性能穩(wěn)定、價格便宜、便于攜帶。(5)現(xiàn)象生動、內(nèi)容豐富，增加學習樂趣，增強教學效果，可應用于高校、中小學校的物理與自然課程的教學或?qū)嶒?，有很好的推廣應用價值。

附圖說明

圖1為led平行光管示意圖；

圖2為led平行光管固定底座示意圖；

圖3為led平行光管設備箱示意圖；

圖4為rgb色彩設計測量示意圖；

圖5為led伏安特性曲線；

圖6為led混色得到紫光、青光、黃光和白光的相對光譜功率分布曲線。

圖中附圖標記含義為：1為第一空心管，2為第二空心管，3為第三空心管，4為底座，5為螺桿，6為止動螺絲，7為led出光孔，8為數(shù)顯電壓電流表，9為led的電源插孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明的作進一步詳細說明。

一種基于led光源的色彩設計實驗儀，包括色光合成箱、直流穩(wěn)壓電源、照度計、微型光譜儀、白屏、導軌和電腦。所述色光合成箱內(nèi)部裝設有三個相互夾角為120°的平光光管，其直徑相等且管心距離相等，三個平行光管的一端分別固定有功率1w的紅色、綠色、藍色高亮度led，且平行光管與led同軸對中。色光合成箱的上面板是活動門帶有提手；色光合成箱前面板開有直徑10cm的圓型出光孔，色光合成箱的前面板內(nèi)側(cè)有插槽，用于放置插板；色光合成箱的側(cè)面板有三個數(shù)顯電壓電流表；色光合成箱的后面板有四個(三個正接線端和一個公用負接線端)led電源插孔。所述直流穩(wěn)壓電源與紅、綠、藍輸出端分別與色光合成箱上的紅、綠、藍輸入端相連，色光合成箱前放置一導軌，根據(jù)測試需求，導軌上可放置白屏、照度計或光纖探頭等。

本實施例的平行光系統(tǒng)結(jié)構，見圖1。平行光系統(tǒng)結(jié)構包括第一空心管1、第二空心管2和第三空心管3，其中第一空心管1帶內(nèi)螺紋，右端裝有膠合透鏡，第二空心管2帶有外螺紋，第三空心管3內(nèi)裝有大功率led，第三空心管3的背面小孔引出led電源線。通過旋進或旋出第一空心管1，當led處于第一空心管1內(nèi)膠合透鏡的焦距時，光管出射均勻平行的紅、綠、藍色圓斑。分別將紅、綠、藍色平行光管安裝在底座4上，見圖2。分別調(diào)整三色平行光管的6個螺桿5，改變光管的水平和垂直方向位置，使得三個平光光管的相互夾角為120°，且管心距離相等，離光管端面約為20cm呈等大同心的圓斑，鎖緊止動螺絲6。

本實施例的色光合成箱結(jié)構，見圖3。其中l(wèi)ed出光孔7(直徑為10cm)，帶有內(nèi)插板，三個數(shù)顯電壓電流表8，led的電源插孔9。將上述集成有平行光管的底座4轉(zhuǎn)移到設備箱內(nèi)，底座4上開有兩個圓孔，設備箱底開有兩個條形孔，通過螺絲將底座4鎖定在設備箱的底板上。

本發(fā)明的led光源的色彩設計實驗儀涉及到led伏安、光照和色度特性測量，如圖4所示，具體應用如下：

使用本發(fā)明實驗儀做實驗一，led正向伏安特性測試：

將直流電源分別接入紅、綠、藍led的正負極，分別將數(shù)顯電壓電流表接入紅、綠、藍led的工作電路。調(diào)節(jié)電源輸出電壓或電流，記錄led的電壓表、電流表示數(shù)。獲得led的正向伏安關系、led正向?qū)ㄩ撝惦妷汉蚻ed發(fā)光中心波長(圖5所示)。

使用本新型實驗儀做實驗二，led光照及光譜特性測試：

將直流電源分別接入紅、綠、藍led的正負極，分別將數(shù)顯電壓電流表接入紅、綠、藍led的工作電路。調(diào)節(jié)電源輸出電壓或電流，記錄led的電壓表、電流表示數(shù)。將照度計窗口對準led出光孔，記錄電流表和照度計示數(shù)，繪制led的電流照度關系；將微型單色儀的光纖探頭對準led出光孔，打開單色儀電源，紀錄電流表示數(shù)和對應光譜，獲得不同工作電流下led相對功率分布曲線。

使用本發(fā)明實驗儀做實驗三，led色光合成測試：

將直流電源分別接入紅、綠、藍led的正負極，分別將數(shù)顯電壓電流表接入紅、綠、藍led的工作電路。在色光合成箱前方放置一白屏，讓紅、綠、藍三束單色光投射到白屏上形成紅、綠、藍三色光斑，調(diào)整白屏至紅、綠、藍三色光在白屏上相互疊加。改變led工作電流，可直觀、清晰的觀察三色光混合的色彩效果。將微型單色儀的光纖探頭對準不同的色光疊加區(qū)域，測量不同色光合區(qū)的相對功率分布曲線，可計算出色光的色品坐標、主波長(或補色波長)、色純度等色度學參量(圖6所示)。