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【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，與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
分别使用白炽灯和30珠绿光LED灯进行了物距像距法测凸透镜凹透镜焦距实验，实测数据对比结果说明，对于凹透镜，使用绿光LED灯的实验效果则明显优于白炽灯光源。
对于凸透镜，两种光源的实验效果基本相同的原因：一是人眼对光的敏感程度和精确识别的程度有限，不像光学仪器那样能够准确无误地判断出微小的单色像差和复色像差间的区别；二是凸透镜焦距较短（f=10cm），色像差的影响小，成像范围较窄，相对容易识别最清晰的成像，误差也较小，因此两种光源的优劣表现不明显；三是利用物距像距法测凸透镜时，光源的光线只通过一只透镜成像，光强的衰减较小，清晰成像时较易判断，因此“单色”光源的优势在此难以体现出来。
对于凹透镜，绿光LED光源的优势得以体现：一是凹透镜焦距较长（f=-25cm），色像差的影响大，白光波长范围较宽，在光轴位置上形成不同颜色不同焦点的轴向色像差现象明显（图3），即成清晰像的范围较宽，清晰度变化不明显，不易识别，难以确定最佳成像位置，因此误差较大。由于使用“单色”光源，透镜只存在着单色像差，成清晰像的范围相对较窄，容易识别最佳成像位置，因此误差较小；二是利用物距像距法测凹透镜焦距时，需要凸透镜的辅助，两种透镜的组合使用（同材料普通光学透镜），色像差的因素影响加大，使真正成像位置更加难以判断和识别，因此误差也更大。三是两种透镜的迭加，使光源的强度衰减较大，也使成像位置更加难以判断和识别。但是，由于绿光LED光源的强度要大于白炽灯光源，光线通过两个透镜后光强衰减相对较小，成像位置相对容易判断和识别，因而数据误差较小，实验效果较好。因此，“单色”光源的优势在凹透镜焦距的测定实验中得以充分体现。 2.4 绿光LED光源与钨丝白炽灯光源的比较优势
（1）节电优势： 实测绿光LED光源电路输入端的交流电流为10.15 mA，电源电压为AC 220V，实际功耗为2.2W，若按此计算，与25—40W白炽灯光源相比，是其1/11， 比白炽灯节能11—18倍 。
（2）成本优势：使用寿命长。自制的30珠绿光LED灯造价每只计6.5元，普通白炽灯约1.5—2元左右，绿光LED灯在正常使用情况下使用寿命50000 — 100000 h，普通白炽灯寿命一般在1000 h。虽然绿光LED灯造价是普通白炽灯的4倍，但从50—100倍于白炽灯的使用寿命来看，绿光LED灯的投入成本是白炽灯的4%—8%之间。
（3）安全优势：绿光LED灯使用方便, 坚固耐用。它采用的是与普通白炽灯相同的E27标准灯头，安装与更换都十分简单，它的灯壳及灯罩是用耐高温塑料制成，不仅安全，而且耐“摔打”，在1m的高度自由落下不会造成损坏，而玻壳的白炽灯则易被碰碎。
（4）恒温优势： 实验光源是装在一个用镀锌铁板外壳喇叭型且有散热对流孔的特制灯罩内，罩内白漆，罩外黑漆。经过较长时间白炽灯光源的烘烤，罩内的白色油漆变成了焦黄色，且成块状的大片的脱落，罩外的黑漆也斑驳不整，这不仅影响美观，也直接影响着光源输出的质量，影响着实验数据的准确性和实验效果[2-3]。在炎热的夏季，一个实验室有20支25W白炽灯光源的增热效应导致实验室环境温度升高。而绿光LED灯装在铁制灯罩内长期工作，用手触摸铁制灯罩，感觉与室温无别，只是在高温季节时才有稍微升温的现象。所以，可以降低环境空调的耗能。
（5）视觉优势：绿光LED光源长时间使用无视觉疲劳。从色感上看，绿色给人以凉爽、平静、舒适的感觉[9-10]；从各种颜色对光的吸收和反射分析来看，绿色对光的吸收和反射较为适中，人体的神经系统、大脑皮层和眼睛里的视网膜组织比较适应，人的感觉也就轻松舒适，较长时间使用无不适的感觉。
（6）选择性优势：LED绿色光具有抗杂光的干扰的属性。光学实验室是一个有着双层避光窗帘光线较暗的环境，实验时一般不开照明灯或开少量的照明灯，以减少杂散光线对实验的影响，但暗的环境同时也影响着学生的实验操作过程和实验数据的采集与记录，绿光LED灯光源不仅在较暗的实验环境下与其它实验光源相比具有较大的优势，而且在较明亮的环境中更勝一筹[8]。
3.结论
超高亮聚光型LED绿色光源（λ=520～525nm）以优异的性能、较大的优势、成功地应用于用光具座测薄透镜焦距实验，替代高能耗的白炽灯光源。对比实验研究证明：绿光LED光源不仅节能、长寿、环保、经济效益明显，而且综合实验效果良好。 将此项目成果推广应用于全国各大专院校光学实验室， 对于节能减排、建设绿色实验室，构建低碳社会体系起到积极的作用。
参考文献：
[1]李春茂. 单色光LED 及其应用研究[J]. 高科技与产业化，2009, 2: 105-107.
[2]罗旺. 高亮度发光二极管在高校物理实验仪器中的应用[J]. 中国科技信息，2008，12：209-212.
[3]邓剑平，马鸿洋，王淑梅. 高亮度LED在物理实验中的应用[J]. 实验室研究与探索，2003, 22（3）：101-102.
[4]徐晓波，王晓娟，郭彦杰，等. LED光源在薄透镜焦距测定实验中的应用[J].实验技术与管理，2011, 9：76-78.
[5]马存云. 几款市电供电的低成本LED驱动电路[J]. 光源与照明，2007, 6: 88-89.
[6]刘利斌，高连军. 几种电容降压电路的原理分析与比较[J]. 山西电子技术，2007, 6：88-89.
[7]晨明. 发光二极管的性能简介[J]. 光源与照明，2001, 3：44-46.
[8]赵凯华. 新概念物理教程（光学）[M]. 高等教育出版社，2004, 11.
[9]陶晶，刘云. 分析色彩的心理感觉[J]. 西南民族学院学报（哲学），2002，5：76-77.
[10]袁博. 色彩的心理因素[J]. 数字生活，2004，8：32-36.
作者简介：
徐晓波（1953-），男，山东昌邑， 实验师，主要研究方向：物理实验及教学管理。
【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，與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
分别使用白炽灯和30珠绿光LED灯进行了物距像距法测凸透镜凹透镜焦距实验，实测数据对比结果说明，对于凹透镜，使用绿光LED灯的实验效果则明显优于白炽灯光源。
对于凸透镜，两种光源的实验效果基本相同的原因：一是人眼对光的敏感程度和精确识别的程度有限，不像光学仪器那样能够准确无误地判断出微小的单色像差和复色像差间的区别；二是凸透镜焦距较短（f=10cm），色像差的影响小，成像范围较窄，相对容易识别最清晰的成像，误差也较小，因此两种光源的优劣表现不明显；三是利用物距像距法测凸透镜时，光源的光线只通过一只透镜成像，光强的衰减较小，清晰成像时较易判断，因此“单色”光源的优势在此难以体现出来。
对于凹透镜，绿光LED光源的优势得以体现：一是凹透镜焦距较长（f=-25cm），色像差的影响大，白光波长范围较宽，在光轴位置上形成不同颜色不同焦点的轴向色像差现象明显（图3），即成清晰像的范围较宽，清晰度变化不明显，不易识别，难以确定最佳成像位置，因此误差较大。由于使用“单色”光源，透镜只存在着单色像差，成清晰像的范围相对较窄，容易识别最佳成像位置，因此误差较小；二是利用物距像距法测凹透镜焦距时，需要凸透镜的辅助，两种透镜的组合使用（同材料普通光学透镜），色像差的因素影响加大，使真正成像位置更加难以判断和识别，因此误差也更大。三是两种透镜的迭加，使光源的强度衰减较大，也使成像位置更加难以判断和识别。但是，由于绿光LED光源的强度要大于白炽灯光源，光线通过两个透镜后光强衰减相对较小，成像位置相对容易判断和识别，因而数据误差较小，实验效果较好。因此，“单色”光源的优势在凹透镜焦距的测定实验中得以充分体现。 2.4 绿光LED光源与钨丝白炽灯光源的比较优势
（1）节电优势： 实测绿光LED光源电路输入端的交流电流为10.15 mA，电源电压为AC 220V，实际功耗为2.2W，若按此计算，与25—40W白炽灯光源相比，是其1/11， 比白炽灯节能11—18倍 。
（2）成本优势：使用寿命长。自制的30珠绿光LED灯造价每只计6.5元，普通白炽灯约1.5—2元左右，绿光LED灯在正常使用情况下使用寿命50000 — 100000 h，普通白炽灯寿命一般在1000 h。虽然绿光LED灯造价是普通白炽灯的4倍，但从50—100倍于白炽灯的使用寿命来看，绿光LED灯的投入成本是白炽灯的4%—8%之间。
（3）安全优势：绿光LED灯使用方便, 坚固耐用。它采用的是与普通白炽灯相同的E27标准灯头，安装与更换都十分简单，它的灯壳及灯罩是用耐高温塑料制成，不仅安全，而且耐“摔打”，在1m的高度自由落下不会造成损坏，而玻壳的白炽灯则易被碰碎。
（4）恒温优势： 实验光源是装在一个用镀锌铁板外壳喇叭型且有散热对流孔的特制灯罩内，罩内白漆，罩外黑漆。经过较长时间白炽灯光源的烘烤，罩内的白色油漆变成了焦黄色，且成块状的大片的脱落，罩外的黑漆也斑驳不整，这不仅影响美观，也直接影响着光源输出的质量，影响着实验数据的准确性和实验效果[2-3]。在炎热的夏季，一个实验室有20支25W白炽灯光源的增热效应导致实验室环境温度升高。而绿光LED灯装在铁制灯罩内长期工作，用手触摸铁制灯罩，感觉与室温无别，只是在高温季节时才有稍微升温的现象。所以，可以降低环境空调的耗能。
（5）视觉优势：绿光LED光源长时间使用无视觉疲劳。从色感上看，绿色给人以凉爽、平静、舒适的感觉[9-10]；从各种颜色对光的吸收和反射分析来看，绿色对光的吸收和反射较为适中，人体的神经系统、大脑皮层和眼睛里的视网膜组织比较适应，人的感觉也就轻松舒适，较长时间使用无不适的感觉。
（6）选择性优势：LED绿色光具有抗杂光的干扰的属性。光学实验室是一个有着双层避光窗帘光线较暗的环境，实验时一般不开照明灯或开少量的照明灯，以减少杂散光线对实验的影响，但暗的环境同时也影响着学生的实验操作过程和实验数据的采集与记录，绿光LED灯光源不仅在较暗的实验环境下与其它实验光源相比具有较大的优势，而且在较明亮的环境中更勝一筹[8]。
3.结论
超高亮聚光型LED绿色光源（λ=520～525nm）以优异的性能、较大的优势、成功地应用于用光具座测薄透镜焦距实验，替代高能耗的白炽灯光源。对比实验研究证明：绿光LED光源不仅节能、长寿、环保、经济效益明显，而且综合实验效果良好。 将此项目成果推广应用于全国各大专院校光学实验室， 对于节能减排、建设绿色实验室，构建低碳社会体系起到积极的作用。
参考文献：
[1]李春茂. 单色光LED 及其应用研究[J]. 高科技与产业化，2009, 2: 105-107.
[2]罗旺. 高亮度发光二极管在高校物理实验仪器中的应用[J]. 中国科技信息，2008，12：209-212.
[3]邓剑平，马鸿洋，王淑梅. 高亮度LED在物理实验中的应用[J]. 实验室研究与探索，2003, 22（3）：101-102.
[4]徐晓波，王晓娟，郭彦杰，等. LED光源在薄透镜焦距测定实验中的应用[J].实验技术与管理，2011, 9：76-78.
[5]马存云. 几款市电供电的低成本LED驱动电路[J]. 光源与照明，2007, 6: 88-89.
[6]刘利斌，高连军. 几种电容降压电路的原理分析与比较[J]. 山西电子技术，2007, 6：88-89.
[7]晨明. 发光二极管的性能简介[J]. 光源与照明，2001, 3：44-46.
[8]赵凯华. 新概念物理教程（光学）[M]. 高等教育出版社，2004, 11.
[9]陶晶，刘云. 分析色彩的心理感觉[J]. 西南民族学院学报（哲学），2002，5：76-77.
[10]袁博. 色彩的心理因素[J]. 数字生活，2004，8：32-36.
作者简介：
徐晓波（1953-），男，山东昌邑， 实验师，主要研究方向：物理实验及教学管理。