三种LED光源在测定薄透镜焦距实验中应用.docVIP

三种LED光源在测定薄透镜焦距实验中应用 　　【摘要】分别选用单珠LED白色光源、多珠LED白色光源、多珠LED绿色光源替代钨丝白炽灯光源，进行了薄透镜焦距测定的实验应用研究。实验结果表明：使用绿色（520-525nm）LED光源时,实验操作简便快捷，实验现象清晰，准确度提高，同时能大大降低电能消耗，有效保持环境温度平衡，是一种十分理想的新型实验光源，对于绿色光学实验室的建设具有重要意义。 　　【关键词】光学试验 薄透镜 焦距测定 单色光LED 　　【基金项目】《光学实验中光源的研究改进》，河南大学，校发[2011] 3号 　　【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）07-0241-02 　　引 言 　　近年来，随着在《联合国气候变化框架公约》的实施，全球低碳经济和绿色产业的浪潮势不可挡。继欧盟各国之后，我国政府于2011年10月也向高耗能的普通照明用白炽灯发出了禁令，白炽灯将逐步被LED为代表的新型光源所取代。在传统的利用光具座测薄透镜焦距实验中，仪器采用220V，25—40W的钨丝磨砂白炽灯作为光源[1-2-3]，主要缺点是光源寿命短、光电转换效率低，导致电能因钨丝发热而消耗。LED新光源的面世和普及，为全面替代落后的白炽灯指明了方向。经过较长时间的探索与实践，在不改动原有实验仪器的前提下，最终研制出的节能、长寿、环保、经济实用且实验效果理想的绿光（520～525nm）超高亮聚光型LED光源，替代了高耗能、短寿命的白炽灯，实现了节能转型，也使得“用光具座测定薄透镜焦距实验”成为符合低碳要求的绿色环保型实验方法。 　　1.实验部分 　　材料与方法 　　实验材料： 单珠LED自行车灯（DC 4.5V，3W）及配套电源（AC 220V，9W）；自制30珠聚光型LED磨砂球灯（AC 220 V，2.4W）；自制 30珠LED绿色光源（AC220V，2.2W）。 　　实验方法： 　　（1） 对单珠LED自行车灯[4]、30珠聚光型LED磨砂球灯、30珠LED绿色光源的性能参数比较，筛选出理想的LED光源替代钨丝白炽灯，用于焦距测定 。 　　（2）用自制 30珠LED绿色光源作为实验用光源替代钨丝白炽灯，进行焦距测定，记录并对比实验数据，完成薄透镜焦距测定试验。 　　2.结果与讨论 　　2.1 新型LED光源的筛选 　　LED光源的制作与筛选：采用市售的多种类型四种规格(20-30-38-60)的塑料（PBT）球形E27螺口节能灯灯壳、灯罩（透明罩、磨砂罩及乳白罩）、灯板以及配套的成品恒流驱动电源（电路原理如图1所示）[5-6]，选用超亮聚光型、高亮散光型和彩色光等6种LED[7]，制作出多种LED光源。 　　通过筛选以及实验数据的分析，选出3种具有代表性LED光源与白炽灯光源进行对比。以下是以1米为半径用照度计（泰仕TES-1334A）实测不同角度下各种光源的照度，分别用于薄透镜焦距测定的实验研究。结果表明30珠绿光超高亮聚光LED灯的性能参数最佳。 　　2.2 理论分析 　　从实验可以看出， 绿色LED指标参数较高，质量好，与其它发光颜色的LED相比，它的发光强度明显强于其它LED，而且具有较大的优势。 　　（实线为适亮性视见函数；虚线为适暗性视见函数） 　　光学研究表明，用复色光光源（白炽灯及白光LED）做薄透镜测焦距实验时，由于色散而引起的复色像差存在，人眼对清晰成像的位置难以精确地判断，导致实验数据误差较大；绿光LED光源波长在520-525 nm波段，与连续光谱的白光光源相比， 其单色性具有相对的优势，实验时清晰成像的位置相对容易判断，减少了测量误差，提高了实验数据的准确性[8]。 从人眼睛光感适应性来看，在较明亮环境中具有正常视力的人们的视觉对波长555nm左右的绿色光最敏感[8]，在较暗环境中人的视觉对蓝绿光敏感。人的视神经细胞适亮性（实线）和适暗性（虚线）两个不同的视见函数曲线如图2所示，从图2可知，人眼在两种环境中的光谱响应特性[8]，绿色光均处于视见函数曲线的较高位置，优于其它颜色光。 　　从像差理论上看，由透镜材料的色散引起的复色光成像偏差的现象即色像差，简称色差。它分为轴向色像差（图3）和倍率色像差两种。从图3中可以看出，白光经过透镜后，由于色散的因素，在光轴的不同位置上形成了一系列不同颜色、有着不同焦点的单色光成像，由于各单色光各具有不同的成像位置，导致在光轴上出现较大成像区域，在较大的成像区域内寻找最清晰的成像位置相对较难，这就是使用白炽灯光源测透镜焦距误差较大的主要原因。而使用绿光LED光源成像区域相对小，且在焦平面的中心位置，寻找最清晰的成像位置相对容易，因此测量数据误差小，实验效果好。 　　2.3绿光LED光源与白炽灯光源的试验结果比较 　　分别使用白