深圳大学：《光电信息综合实验》课程实验指导书（讲义）.pdf_大学文库

实验1LED光源控制实验一、实验目的1.了解LED亮度调节的原理和方法2.了解LED色温实现连续控制的原理和方法。3.理解色温、相关色温的概念，主观感觉色温的变化对人体的影响。4.理解颜色混合匹配原理，结合实验加深对理论知识的理解。5.了解LED实现颜色控制的原理和方法，控制LED并混合出所需颜色。二、实验原理LED调光是指通过调光器调节LED的亮度，达到节能、环保、舒适等效果。调光器的原理有波宽控制调光（PulseWidthModulation，简称PWM），模拟调光。模拟调光，指用模拟线性技术调整电流的大小，只是简单的改变LED串的DC电流。模拟调光尽管实现简单，不会引入潜在EMC，但是由于LED的发光特性随着平均驱动电流而偏移，对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。同时模拟调光还面临输出电流精度的问题，而这种精细控制在RGB应用中特别重要。另外在对比度、能耗等方面PWM调光同样具有优势，因此在大多数设计中仍然使用PWM数字调光。PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器的调光技术。只需要提供宽/窄不同（占空比高/低）的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。PWM调光的优点在于能够提供高质量的光亮度控制，以及应用简单，效率高。实验使用功率LED灯，驱动电流大于500mA，因此为了提供极佳的亮度控制和较高能量利用率，采用开关驱动电源结合PWM调光方式。如果人体眼晴受到外界光的刺激，人就会产生特定的主观感受，这个感受被称为颜色。表述光源颜色的方法有很多种，用“色温”的概念表述热辐射光源的颜色是一种准确而简单的方法。作为描述光源和其他物体的光度特性的重要物理量，光源的色温是通过对比其色彩和理论的热黑体辐射（简称黑体，在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型，也叫完全辐射）来确定的。热辐射发射光源的光谱是连续而光滑的。对黑体而言，温度不同，颜色也不一样。黑体发光的颜色与温度存在唯一的对应关系。色温是颜色温度的简称，在表述某光源的颜色时，常常把该光源的颜色与黑体发光的颜色进行比较。色温是

实验 1 LED 光源控制实验一、实验目的 1. 了解 LED 亮度调节的原理和方法 2. 了解 LED 色温实现连续控制的原理和方法。 3. 理解色温、相关色温的概念，主观感觉色温的变化对人体的影响。 4. 理解颜色混合匹配原理，结合实验加深对理论知识的理解。 5. 了解 LED 实现颜色控制的原理和方法，控制 LED 并混合出所需颜色。二、实验原理 LED 调光是指通过调光器调节 LED 的亮度，达到节能、环保、舒适等效果。调光器的原理有波宽控制调光（Pulse Width Modulation，简称 PWM），模拟调光。模拟调光，指用模拟线性技术调整电流的大小，只是简单的改变 LED 串的 DC 电流。模拟调光尽管实现简单，不会引入潜在 EMC，但是由于 LED 的发光特性随着平均驱动电流而偏移，对于单色 LED 来说，其主波长会改变。对白光 LED 来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝 LED 中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。同时模拟调光还面临输出电流精度的问题，而这种精细控制在 RGB 应用中特别重要。另外在对比度、能耗等方面 PWM 调光同样具有优势，因此在大多数设计中仍然使用 PWM 数字调光。 PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器的调光技术。只需要提供宽/窄不同(占空比高/低)的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节 LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的光亮度控制，以及应用简单，效率高。实验使用功率 LED 灯，驱动电流大于 500mA，因此为了提供极佳的亮度控制和较高能量利用率，采用开关驱动电源结合 PWM 调光方式。如果人体眼睛受到外界光的刺激，人就会产生特定的主观感受，这个感受被称为颜色。表述光源颜色的方法有很多种，用“色温”的概念表述热辐射光源的颜色是一种准确而简单的方法。作为描述光源和其他物体的光度特性的重要物理量，光源的色温是通过对比其色彩和理论的热黑体辐射(简称黑体，在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于 1 的物体，是一种理想的模型，也叫完全辐射)来确定的。热辐射发射光源的光谱是连续而光滑的。对黑体而言，温度不同，颜色也不一样。黑体发光的颜色与温度存在唯一的对应关系。色温是颜色温度的简称，在表述某光源的颜色时，常常把该光源的颜色与黑体发光的颜色进行比较。色温是

没有太阳的昼光4500~4800卤素灯3000满月时的月光4000电子闪光灯5600日出、日落2000~3000夜星空10000表1不同时刻直射阳光与常见人工光源的色温值通常，任意光源发出的光的颜色与黑体发射光相近，不可能完全相同，所以可用“相关色温”的概念来描述光源的颜色。相关色温是指如果某个光源和某一温度下的黑体拥有相同亮度刺激的颜色，那么光源的相关色温就是这时黑体辐射体的绝对温度值。因为黑体是一种理想化的模型，而实际的光源光谱功率分布不可能和黑体辐射的光谱分布一致，所以实际光源的色度坐标不一定能够准确落在黑体轨迹上。当表示光源光色的色坐标点落在黑体色轨迹上时，说明该光源的光色与某一温度下的黑体的光色相同，计算出的就是光源的色温值，反之，当表示光源光色的色坐标点落在黑体色轨迹以外时，计算出的就是光源的相关色温值，光源的色坐标点偏离黑体色轨迹线越远，相关色温的概念越弱。对于气体放电灯、高显色LED光源灯，其颜色坐标接近黑体轨迹，可以用“相关色温”表述其颜色，相关色温概念具有重要的实际意义。要实现连续色温的调控，照明系统需要具有足够多的亮度调节功能。目前对灰度进行调制最常用的两种方式包括：（1）脉冲宽度调制（PWM)：（2）脉冲幅度调制（PAM)。对于脉宽调制方式（PWM)，在一个时钟周期内控制流过器件电流的时间长短来调节灰度，驱动电路根据灰度数据输出相应的脉冲宽度，研究表明，光源的平均亮度与电流脉冲宽度成正比，因此，只需将三基色光源各基色的最高灰度值乘上亮度百分比即得所需要的三基色的灰度值数据。当灰度数据为最高灰度级时，红基色、绿基色、蓝基色均达到最高亮度，假设分别为Grmax、Ggmax、Gbmax，则所需三基色亮度值G,、G，、G,在各基色中所占的比例为：--2-(2)在实际应用中，色温或色坐标是通过色度计直接测量的。本实验中将用到色温照度计对色温、色坐标及照度进行测量。色温照度计是照度、色坐标测量的精密仪器，使用过程中应注意仪器的使用安全，切勿将仪器浸泡在水中，不可按压LCD显示屏，使用环境保持在0-50℃，相对湿度<80%，长期未使用需将电池拆卸下来，月探测器在长时间照射下会遂渐老化，因而，使用完后应立即盖上探头盖。该色温照度计可进行色温测量和色差测量，即可以测量照度色坐标或照度、色温，也可以测量照度差、色坐标差或照度差、色差。本实验

没有太阳的昼光 4500~4800 卤素灯 3000 满月时的月光 4000 电子闪光灯 5600 日出、日落 2000~3000 夜星空 10000 表 1 不同时刻直射阳光与常见人工光源的色温值通常，任意光源发出的光的颜色与黑体发射光相近，不可能完全相同，所以可用“相关色温”的概念来描述光源的颜色。相关色温是指如果某个光源和某一温度下的黑体拥有相同亮度刺激的颜色，那么光源的相关色温就是这时黑体辐射体的绝对温度值。因为黑体是一种理想化的模型，而实际的光源光谱功率分布不可能和黑体辐射的光谱分布一致，所以实际光源的色度坐标不一定能够准确落在黑体轨迹上。当表示光源光色的色坐标点落在黑体色轨迹上时，说明该光源的光色与某一温度下的黑体的光色相同，计算出的就是光源的色温值，反之，当表示光源光色的色坐标点落在黑体色轨迹以外时，计算出的就是光源的相关色温值，光源的色坐标点偏离黑体色轨迹线越远，相关色温的概念越弱。对于气体放电灯、高显色 LED 光源灯，其颜色坐标接近黑体轨迹，可以用“相关色温”表述其颜色，相关色温概念具有重要的实际意义。要实现连续色温的调控，照明系统需要具有足够多的亮度调节功能。目前对灰度进行调制最常用的两种方式包括：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲幅度调制(PAM)。对于脉宽调制方式(PWM)，在一个时钟周期内控制流过器件电流的时间长短来调节灰度，驱动电路根据灰度数据输出相应的脉冲宽度，研究表明，光源的平均亮度与电流脉冲宽度成正比，因此，只需将三基色光源各基色的最高灰度值乘上亮度百分比即得所需要的三基色的灰度值数据。当灰度数据为最高灰度级时，红基色、绿基色、蓝基色均达到最高亮度，假设分别为、、，则所需三基色亮度值、、在各基色中所占的比例为： max max max , , r g b r g b r g b G G G P P P G G G    (2) 在实际应用中，色温或色坐标是通过色度计直接测量的。本实验中将用到色温照度计对色温、色坐标及照度进行测量。色温照度计是照度、色坐标测量的精密仪器，使用过程中应注意仪器的使用安全，切勿将仪器浸泡在水中，不可按压 LCD 显示屏，使用环境保持在 0-50℃，相对湿度＜80%，长期未使用需将电池拆卸下来，且探测器在长时间照射下会逐渐老化，因而，使用完后应立即盖上探头盖。该色温照度计可进行色温测量和色差测量，即可以测量照度、色坐标或照度、色温，也可以测量照度差、色坐标差或照度差、色差。本实验 Gr max Gg max Gb max Gr Gg Gb

表示的颜色也不同；2）在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色外貌也连续变化；3）颜色外貌相同的光，不管他们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果，即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的；4）混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和一一亮度相加定律。由颜色匹配实验可知，红、绿、蓝三色不是惟一的能匹配所有颜色的三基色，只要每一种都不能用其他两种混合产生出来，就可以用他们匹配所有的颜色，原则上可采用各种不同的三色组，但为了便于计算和色彩还原以及标准化起见，国际照明委员会（CIE)作了统一规定：选水银光谱中波长为546.1nm的绿光为绿基色光：波长为435.8nm的蓝光为蓝基色光，波长为700nm的红光为红基色光，此外，红、绿、蓝三种颜色恰与人的视网膜上红视锥、绿视锥和蓝视锥细胞所敏感的颜色一致。不同材料可以产生不同波长的光子，即不同颜色。采用多芯片LED可以产生白光，如图1所示，分别选用红光LED、绿光LED、蓝光LED，将其封装在一起产生白光，分别调节红、绿、蓝三色光的比例可得各种色光，发光效率高。若以(C)代表被匹配颜色的单位，（R)、(G）、（B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。R、G、B、C分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量，当实验达到两半视场匹配时，可用颜色方程表示为：(3)C(C)= R(R)+G(G)+B(B)式中“=“表示视觉上相等，即颜色匹配，为代数量，可为负值。在颜色匹配实验中，与待测色达到色匹配时所需要三原色的数量，称为三刺激值，即颜色匹配方程(1)中的R、G、B值。一种颜色与一组R、G、B数值相对应，颜色感觉可通过三刺激值来定量表示。任意两种颜色只要R、G、B数值相同，颜色感觉就相同。根据颜色匹配，颜色（c）和（c）均可用三原色的量，即三刺激值来表示。假设颜色(c)和(c)的三刺激值分别为R、G、B,和R、G,、B，则两颜色方程为：(4)C (C)= R (R)+G (G)+B, (B)(5)C, (C)=R (R)+G, (G)+B, (B)所以有：

表示的颜色也不同； 2) 在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色外貌也连续变化； 3) 颜色外貌相同的光，不管他们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果，即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的； 4) 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和—— 亮度相加定律。由颜色匹配实验可知，红、绿、蓝三色不是惟一的能匹配所有颜色的三基色，只要每一种都不能用其他两种混合产生出来，就可以用他们匹配所有的颜色，原则上可采用各种不同的三色组，但为了便于计算和色彩还原以及标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定：选水银光谱中波长为 546.1nm 的绿光为绿基色光；波长为 435.8 nm 的蓝光为蓝基色光，波长为 700nm 的红光为红基色光，此外，红、绿、蓝三种颜色恰与人的视网膜上红视锥、绿视锥和蓝视锥细胞所敏感的颜色一致。不同材料可以产生不同波长的光子，即不同颜色。采用多芯片 LED 可以产生白光，如图 1 所示，分别选用红光 LED、绿光 LED、蓝光 LED，将其封装在一起产生白光，分别调节红、绿、蓝三色光的比例可得各种色光，发光效率高。若以代表被匹配颜色的单位，、、代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。 R、G B C 、、分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量，当实验达到两半视场匹配时，可用颜色方程表示为： (3) 式中表示视觉上相等，即颜色匹配，为代数量，可为负值。在颜色匹配实验中，与待测色达到色匹配时所需要三原色的数量，称为三刺激值，即颜色匹配方程(1)中的 R、G、B 值。一种颜色与一组 R、G、B 数值相对应，颜色感觉可通过三刺激值来定量表示。任意两种颜色只要 R、G、B 数值相同，颜色感觉就相同。根据颜色匹配，颜色和均可用三原色的量，即三刺激值来表示。假设颜色和的三刺激值分别为、、和、、，则两颜色方程为： (4) (5) 所以有： C R G B C R +G +B C R G B         " "    1 c   2 c   1 c   2 c R1 G1 B1 R2 G2 B2         C C R R G G B B 1 1 1 1            C C R R G G B B 2 2 2 2   

(6) 颜色也可以用三刺激值 R、G、B 表示为： (7) 对照(4)、(5)式可得： (8) 由(6)式可知，混合色的三刺激值为各组成颜色相应三刺激值之和，这就是颜色相加原理。上述原理可以推广到多颜色混合，对 n 种颜色混合，混合色的三刺激值为：三、实验器材光电实验箱、示波器、色温照度计四、实验步骤 4.1 PWM 调光 1. 打开光电综合实验箱，接通电源。白色按键和黑色按键分别用来控制 LED 的亮、暗，即 PWM 调光。 2. 依次按下“红色”、“绿色”、“蓝色”、“暖色”四个按钮，相对应 LED 灯及工作指示灯点亮，再次触按则对应 LED 灯及工作指示灯熄灭； 3. 选择某一颜色的 LED 灯，单击对应的按键，使其点亮工作； 4. 按动的“暗”、“亮”按键，观察 LED 灯明亮的变化，理解 PWM 调光的过程； 5. 此时，用示波器接入下方对应测试信号接口，测量不同通道与不同亮度下的 PWM 波形，计算占空比，填入表格 1； 6. 关闭该 LED 灯。观察其他光源的明暗变化过程。 4.2 色温控制 1. 依次打开电源。 2. 选择四色 LED 的某一颜色（红色）LED 光源，使其点亮工作。 3. 取出色温照度计，按电源键 2 秒钟，开启电源。按“Unit”键，选择照度单位为流明（lx），按“MODE”键选择测量参数为“EV，CT，△uv”即“照度、色                            1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 C C C C C C R R G G B B R R G G B B R R R G G G B B B                       C C  C C R R G G B B            1 2 1 2 1 2 R R R G G G B B B       , , 1 2 1 1 2 1 1 2 1 n n i i n n i i n n i i R R R R R G G G G G B B B B B                                 