(57)【要約】  【課題】  高い演示・学習効果が得られながら、準備が容易で演示場所の制約も少ない色光の実験演示装置を提供する。  【解決手段】  フルカラーＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２を並設し、それに対面して分光シート３４を設け、その間の光路を主フード１２で囲繞する。フルカラーＬＥＤ３１の赤、青、緑の各発光部に供給する駆動電流を可変抵抗器で独立に調整可能とし、その駆動電流のオン・オフも独立したスイッチで行う。スイッチのオン・オフ及び可変抵抗器の調整によって適宜に混色してＬＥＤ３１から放射された光は分光シート３４を通過する際に波長分散され、補助フード１６の外側からこれを覗くと、分光シート３４の面内にＬＥＤ３１、３２の投影像とその分光スペクトル像とが見える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)駆動電流によりそれぞれの発光強度を制御可能な三原色の発光部を有する三原色発光手段と、
b)該三原色発光部の各発光部へ供給する駆動電流をそれぞれ変化させるための可変抵抗器と、
c)前記三原色発光手段から放射された光を波長分散させる分光手段と、
を備えることを特徴とする色光の実験演示装置。
【請求項２】
前記三原色発光手段はフルカラーＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の色光の実験演示装置。
【請求項３】
前記三原色発光手段とは別に白色発光手段を併設したことを特徴とする請求項１に記載の色光の実験演示装置。
【請求項４】
前記分光手段は透過型の回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の色光の実験演示装置。
【請求項５】
前記三原色発光手段から前記分光手段までの光路又はさらに該分光手段により外部へ取り出される光の光路を囲繞するフードを備えることを特徴とする請求項１に記載の色光の実験演示装置。
【請求項６】
当該装置本体を平面上に置いたときに前記分光手段により外部へ取り出される光が所定方向を向くように位置決めを行うための支持手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の色光の実験演示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば小中学校、高等学校、専門学校等の教育現場、或いは各地の科学学習施設（例えば科学館等）などにおいて、光の三原色の加法混合や光の分散等に関する理解を深めるために使用される色光の実験演示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の三原色の加法混合の理解は、理科（物理）や美術などの色彩学習において重要であるとともに、テレビジョン用のブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示原理を理解する上でも非常に重要である。こうした物理的な現象の理解を深めるためには、単に基礎的な理論を説明するのみならず、そうした現象を実験的に演示することが非常に有効である。
【０００３】
上記のような実験的な演示を行うために従来から利用されている方法は、例えば非特許文献１に記載のようなものである。すなわち、３本の懐中電灯（或いはスライドプロジェクタ等の投光装置）の前面に光の三原色である赤、青、及び緑のセロハンをそれぞれ貼り、そのセロハンを通すことにより得た三原色光を壁面に張設した白色スクリーン（紙や布など）に投影し、その投影像の一部が重なるようにして色光混合を得る。こうした実験演示装置は各地の学習施設でも採用されている一般的なものである。
【０００４】
しかしながら、市販のセロハンの色は厳密なものではなく、また各色光の光強度を調整することで色光の混合比を調節することは実質的に不可能である。そのため、上記ような三原色光の重なり部分であっても完全な白色を得ることは非常に難しく、必ずしも実験演示の効果を十分に得にくいという問題がある。また、三原色光の混合比を調節することができないために、実験のバリエーションを広げることが難しいという問題がある。
【０００５】
更に、上記方法による演示は暗室内等、周囲が暗い環境下で行う必要があり、またスライドプロジェクタ等を利用する際には商用交流電源を必要とする。そのため、実験場所が限定されてしまうという問題がある。またセッティングが煩わしく、持ち運びにも不便であるため、学校等の教育現場では教師の準備に時間と手間を要し、手軽に演示が行えないという問題もある。
【０００６】
【非特許文献１】“色の三原色”「おもしろ実験工房」，［online］，監修：宮城物理サークルどんぐり探検隊，東北電力株式会社，［平成１５年９月１８日検索］，インターネット〈URL : http://www.tohokup-epco.co.jp/new_naze/koubou/html/j_c05.html〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、バリエーションに富んだ実験が可能であって学習者の興味を引き易く、高い学習効果が得られるものでありながら、取り扱いが容易であって実験場所等の制限が少ない色光の実験演示装置を提供することにある。
【０００８】
なお、本発明に係る色光の実験演示装置は、２００３年第５１回全日本教職員発明展において「色光の混合と光の分散実験器」という名称で特許庁長官賞を受賞したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来より、種々の色の光を放射する発光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）が広く利用されており、最近では、三原色の３個の発光部を１個のパッケージに搭載した発光色可変ＬＥＤ（一般にフルカラーＬＥＤと呼ばれる）が市販されている。こうしたフルカラーＬＥＤでは、各発光部へ供給する駆動電流を適宜に調節することで各色の光量を制御し、ＬＥＤからの発光色を様々に変化させることが可能である（例えば特開平８−２５０７７１号公報など参照）。本願発明者は、上述したような三原色光の混合に関する実験演示装置の光源としてこうしたフルカラーＬＥＤを利用することに想到し、さらに演示効果の向上、使用性の改善を図るために種々の工夫を施すことで本発明を得るに到った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために成された本発明に係る色光の実験演示装置は、
a)駆動電流によりそれぞれの発光強度を制御可能な三原色の発光部を有する三原色発光手段と、
b)該三原色発光部の各発光部へ供給する駆動電流をそれぞれ変化させるための可変抵抗器と、
c)前記三原色発光手段から放射された光を波長分散させる分光手段と、
を備えることを特徴とするものである。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１１】
本発明に係る色光の実験演示装置では、複数の可変抵抗器を適宜調整することで各発光部に供給される駆動電流を制御することにより、各発光部からの発光強度をそれぞれ変化させ、それによって三原色発光手段からの放出光の色を、白色のほか、様々に変化させる。さらに、その三原色光の混合によって作り出された色光を分光手段により波長分散させることで、その色光に含まれる色成分が分離して表現された分光スペクトルを作成する。
【００１２】
したがって、本発明に係る色光の実験演示装置によれば、三原色の混合比率を自由に変えることができるので、バリエーションに富んだ実験が行えるとともに、各色は高い色精度（波長精度）を有しているので、三原色を所定強度比で以て混色させたときにほぼ純粋な白色を得ることができる。さらにまた、混色された光を波長分散した分光スペクトルが表示されるため、人間の目では白色又は他の色に見えても実際には様々な色の光が混合したものであるということを、視覚的に確認することができる。そのため、学習者にとっては興味もわき易く、視覚的に学習効果が高い。
【００１３】
また、従来方法では三原色光が重なり合うように投影位置を調節する必要があるが、本発明に係る実験演示装置では三原色発光手段により加法混合した光が得られるので、そうした面倒な調節が不要であり、セッティングが容易で演示の準備に手間が掛からない。
【００１４】
本発明に係る色光の実験演示装置の一態様として、前記三原色発光手段はフルカラーＬＥＤである構成とするとよい。この構成によれば、消費電力が非常に小さく、直流４．５〜６Ｖ程度の電源電圧で十分に駆動可能であるので、一般に入手容易な電池を電源として利用することができる。したがって、商用交流電源を必要としないので実験場所の制約が少なくなる。また装置自体を小型・軽量化することができるため、装置の取り扱い、持ち運びが容易になる。
【００１５】
また、本発明に係る色光の実験演示装置の別の態様として、前記三原色発光手段とは別に白色発光手段を併設した構成とするとよい。この構成によれば、例えば白色光の分光スペクトルと三原色発光手段による放射光の分光スペクトルとを比較対照し、混色による色と補色との関係などを容易に知ることができる。それによって、演示効果、学習効果を一層高めることができる。
【００１６】
また、本発明に係る色光の実験演示装置の別の態様として、前記分光手段は透過型の回折格子である構成とするとよい。ここで言う透過型回折格子とは、一般に分光シート、ホログラムシート、回折格子（グレーティング）シートなどと呼ばれているものであり、一方向や十字状に多数の回折溝が形成されている。この透過型回折格子に対する光の入射面と反対側の面には分光スペクトル像が現れる。そのため、この構成によれば、分光スペクトルを別の面に投影する必要がなく、構造が簡単になる。また、透過型回折格子は比較的安価に入手できるものであるので、装置のコストを抑制することができる。
【００１７】
また、本発明に係る色光の実験演示装置の別の態様として、前記三原色発光手段から前記分光手段までの光路又はさらに該分光手段により外部へ取り出される光の光路を囲繞するフードを備える構成とするとよい。この構成によれば、周囲環境が明るい場合であっても三原色発光手段の投影像や分光スペクトルを見易くすることができ、演示場所の制約を一層少なくすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る色光の実験演示装置の別の態様として、当該装置本体を平面上に置いたときに前記分光手段により外部へ取り出される光が所定方向を向くように位置決めを行うための支持手段を備える構成とすると更に好ましい。この構成によれば、支持手段によって本装置本体が適度な角度で以て斜め上方向を向くので、学習者が自然な姿勢で観察が可能であり、また比較的多人数でも同時に観察が可能である。
【実施例】
【００１９】
本発明に係る色光の実験演示装置の一実施例を、図１〜図５を参照して説明する。図１は本実施例による実験演示装置の外観斜視図、図２は本実施例の実験演示装置における本体部の断面図（図１中のＡ−Ａ’線断面図）、図３は本実施例の実験演示装置の電気回路図である。
【００２０】
図１に示すように、この実験演示装置は、三原色光の加法混合や混合された光の分光を観察するための本体部１と操作者（例えば教師）により操作される操作ボックス２とから成り、両者は信号線３により接続されている。
【００２１】
本体部１は、光源部１１が取り付けられた基部１０と、光源部１１を囲繞して基部１０に固定されている筒状の主フード１２と、主フード１２とは反対側の面の基部１０に固着されている脚部１３と、基部１０から測方に延設されている角度決め用の支持部１４と、主フード１２の上端面にあって透過性回折格子である分光シート（図１では図示せず）を保持する分光シートホルダ１５と、分光シートホルダ１５の外側に着脱自在に装着されている筒状の補助フード１６とを備える。
【００２２】
主フード１２及び補助フード１６はいずれも円筒形状であり、光の反射を抑制するために内面が黒色に着色されている。補助フード１６は特に外部が明るい場合に装着すればよいが、通常の使用時にも装着したままで何ら構わない。本体部１は使用時（つまり演示時）には、図１に示すように脚部１３と支持部１４とで机上に支持され、それによって机上面に対し角度θだけ傾斜した状態に安定的に保持される。つまり、支持部１４はその延出量に応じて傾斜角θを調整することが可能であるから、その延出量を調節可能であるような構成としてもよい。本体部１を傾斜させて設置するのは、学習者が無理のない姿勢で補助フード１６内部を覗き込めるようにするためである。
【００２３】
一方、操作ボックス２には、４個のスナップ式スイッチ２０と３個の可変抵抗器の回転ツマミ２１が操作部として設けられている。
【００２４】
図２に示すように、本体部１にあって、基部１０には、フルカラーＬＥＤ３１と白色ＬＥＤ３２の２個が半田付けされた基板３０が固定されている。各ＬＥＤ３１、３２の光軸は基部１０に対し略直交している。これらＬＥＤ３１、３２としては、光の放射角が狭いつまり指向性が高いものが選ばれる。これは、分光シート３４に到達するまでの光の拡散をできるだけ抑制して、鮮明な投影像を観察できるようにするためである。分光シート３４は一般に市販されている各種のものを利用でき、一方向にのみ格子溝を有するもの、互いに直交する２方向（つまり十字状）にそれぞれ格子溝を有するもののいずれでもよい。
【００２５】
次に、図３により本実験演示装置の電気的な構成について説明する。フルカラーＬＥＤ３１は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色に対応した発光部を有し、それら３個の発光部の各陰極と共通の陽極との、合計４本の端子を有している。陽極側の共通端子はバッテリ３３の正極側に接続され、各発光部の陰極側の端子はそれぞれ固定抵抗器Ｒ１〜Ｒ３、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３、可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲ３を介してバッテリ３３の負極側に接続されている。白色ＬＥＤ３２の陽極側端子もバッテリ３３の正極側に接続され、陰極側端子は固定抵抗器Ｒ４及びスイッチＳＷ４を介してバッテリ３３の負極側に接続されている。ここで使用しているフルカラーＬＥＤ３１、白色ＬＥＤ３２の特性は図５に示す通りであり、順電圧、順電流におけるＲＧＢの発光強度の比率は、３：６：１である。
【００２６】
３個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオンにし、可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲ３をいずれも０Ωの位置にすると、フルカラーＬＥＤ３１では上記比率で以て発光した三原色光が混じり合い、白濁したモールド樹脂を通して白色光が発せられる。ＲとＧ、ＧとＢ、ＢとＲとの２個のスイッチをオンさせ、残りの１個のスイッチをオフにすると、それぞれ黄、青緑、赤紫の発光が得られる。また、そうしたいずれかの状態で可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲ３により抵抗値を適宜調整すると、発光強度の比率が変わって発光色が変化する。
【００２７】
図２に示すようにフルカラーＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２から発せられた光は大きく広がらずに分光シート３４に到達し、分光シート３４を透過する際に分光される。したがって、補助フード１６の外側から覗き込むと、フルカラーＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２の光軸上にはそれぞれのＬＥＤの投影像３１ａ、３２ａが現れ、その近傍に分光スペクトル像が現れる。
【００２８】
図４は分光シート３４の面に現れる観察像を概略的に描いた図であり、（ａ）は十字に格子溝が形成されている分光シートを利用した場合、（ｂ）は直線状に格子溝が形成されている分光シートを利用した場合の例である。いずれも、光源であるフルカラーＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２の投影像３１ａ、３２ａを中心にして、その周囲に、すなわち（ａ）の例では上下左右に、（ｂ）の例では左右に、細長い分光スペクトル像３１ｂ、３２ｂが得られる。この分光スペクトル像３１ｂ、３２ｂの分解能は分光シート３４の格子溝の密度で決まる。
【００２９】
上述したように可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲ３を適宜調節してフルカラーＬＥＤ３１側の発光色を変化させた場合、それに伴って分光スペクトル像３１ｂにおける色成分の状態が変化する。これにより、加法混合によって或る色に見える光が、実際には複数の色成分を含む光から構成されることを視覚的に確認することができる。また、白色ＬＥＤ３２側の分光スペクトル像３２ｂの色成分の状態は一定であるため、両分光スペクトル像を比較することによって、加法混合によって得られる光の色とその補色との関係を視覚的に確認することもできる。
【００３０】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨に沿って適宜変形や修正を行えることは明らかである。例えば、上記実施例の装置の形態は単に一例であって、本発明に係る実験演示装置の形態は適宜に変更できることは当然である。また、上記記載の素子の特性等は一例であり、適宜の特性のものを利用できることは当業者であれば当然、想到し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例である実験演示装置の外観斜視図。
【図２】本実施例の実験演示装置における本体部の断面図。
【図３】本実施例の実験演示装置の電気回路図。
【図４】本実施例の実験演示装置において分光シートの出射面に現れる観察像を概略的に描いた図。
【図５】本実施例の実験演示装置に用いたフルカラーＬＥＤ及び白色ＬＥＤの特性の一例を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１…本体部
２…操作ボックス
３…信号線
１０…基部
１１…光源部
１２…主フード
１３…脚部
１４…支持部
１５…分光シートホルダ
１６…補助フード
３０…基板
３１…フルカラーＬＥＤ
３２…白色ＬＥＤ
３３…バッテリ
３４…分光シート
２０、ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチ
ＶＲ１〜ＶＲ３…可変抵抗器
Ｒ１〜Ｒ４…固定抵抗器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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