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[摘要] 75°光泽度测定仪，引入LED发光二极管作为光源的装置，并通过实验证明这种装置的可行性，本文着重介绍75°光泽度测定仪的结构以及工作原理，同时介绍LED发光二极管作为光源的优势。
[关键词] 光泽度 LED 光源 聚光镜 反射镜 光电池
1 、引言
LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。作为一种具有巨大发展潜力的固体发光源，其长寿命，低功耗，小外形，性能稳定，耐冲击，多色彩，快响应，坚固耐用，绿色环保，光效高，无辐射等优点得到了越来越多的关注，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白织灯，荧光灯，高强度气体发电灯之后的第四代光源。
2、 LED发光二极管的介绍
LED（Light Emitting Diode），发光二極管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着，在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个镜片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的，色温和亮度没关系，而亮度和流明值有关。
3、 LED光学特性参数
3.1发光强度 光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的发光强度，简称光强，单位是坎德拉（cd）。这个量是表征发光器件发光强弱的重要性能，是表明发光体在空间发射的会聚能力。
3.2光通量 光源在单位时间内发射出来的并被人敢知的所有辐射能称为发光通量，简称光通量，单位是流明（lm）。这个量是对光源而言的，是描述光源发光总量的大小，与光功率等价。与力学单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。
3.3发光效率 代表光源将所消耗的电能转换成光的效率。单位是流明每瓦（lm/W）。发光效率（lm/W）=所产生的光通量（lm）/消耗电功率（W）。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。
3.4 LED发光角度 LED发光角度是指其光线散射角度，主要靠生产时加散射剂来控制，有以下三类：
a）高指向性
b）标准型
c）散射型
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80﹪～90﹪。可见光光谱的波长范围是为380～760nm，是人眼可感受到的七色光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫但这七种颜色的光都各自是一种单色光，例如LED发红光的峰值波长为565nm，在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成。因此白色LED是最被看好的LED新兴产品。
它的色温范围完全适用75°光泽度仪的范围即：2850K±100K。
4 光泽度仪的基本结构
主要有电光系统、光学系统、光电系统、电子系统和数据处理、输出打印系统组成。
电光系统：主要有光源（LED）和相应的电源组成，电光系统对整机的稳定性有很大的影响，是仪器不稳定的重要原因之一。
光学系统：包括外光电系统（反射镜、聚光镜），光学系统外光路设计最重要的是充分利用灯源发出的光通量，尽量多的聚焦在入射狭缝上，为了消除色差，目前国内外科技工作者都采用反射镜（没有色差）效果很好。
光电系统：是将光信号变成电信号的关键部件，直接影响仪器的灵敏度和适用范围，本机用硅光电池，光电池是一种简单适用的光电转换元件，它的优点是简单、便宜、使用方便，不需要附加电源，可直接使用，它的缺点是相应时间较长，有疲劳效应和温度效应。硅光电池的最大电流比硒光电池的最大电流大100倍以上，在可见光区的灵敏度更高。各类光电池都有极限照度，若入射光过强，光电池有可能产生疲劳或损坏。
电子系统：电子系统主要有放大器、A∕D转换器等组成，其中放大器也是影响整机灵敏度、稳定性的主要部件，它又是仪器噪声的主要来源部件，直接影响光泽度的分析误差。
数据处理，输出打印系统：数据处理、输出打印系统是决定整机的自动化程度的关键部件，特别是软件部分，直接影响光泽度的质量。
5 光泽度仪的工作原理：
光泽度是在一组几何规定条件下对材料表面反射光的能力进行评价的物理量，具有方向选择的反射性质。我们通常说的光泽指的是“镜向光泽”，所以光泽度仪有时也叫“镜向光泽度仪”。光泽与机械加工行业的“光洁度”或“粗糙度”的概念完全不同的，后者是对材料表面微小不平度的评定。用光电检测器测定与法线成一定角度75゜，入射到试样表面，并从试样表面与法线成相应角度75°反射到规定孔径内的光，其结果显示在仪器上。
光泽度测量原理如图所示，光线从光源出发，进过聚光镜和矩形孔径（矩形光源视场光阑）的几何中心。光阑用于限制灯丝，使之成为有效光源，光源通过光源物镜和矩形孔径的几何中心到达试样。轴光线与试样平面的交点称为测试面中心（不必与测试孔的几何中心重合），将一块平面镜放到试样位置，轴光线被平面镜反射并且通过接收孔的中心，光源物镜将光源孔径成像在接收孔上，将测试面中心到接收孔距离d作为确定其他尺寸的基数。关键尺寸是入射角和接收孔的位置和直径，紧靠接收孔的正透镜将试样表面成像在光电器件上，为了使经过不同路径进入接收孔的光线得到均匀接收光电器件前面应装一块毛玻璃，使试样成像在毛玻璃上，光电器件接收毛玻璃的散射光，使进入接收孔的杂射光都被内壁吸收消除，光束轴对试样的入射角为β=75゜±0.1，镜面反射光束对试样的反射角通常为β⒉=β⒈+0.1°即┃β⒈-β⒉┃≦0.1°，总之75°光泽度测定仪光学系统由光源、透镜、试样压板和光电器件组成，仪器的测量头由发射器和接受器组成，发射器由LED发光二极管和一组透镜组成，它产生一定的入射光束， 接受器由透镜和光敏元件组成，用于接受从样品表面反射回来的锥体光束。
光谱条件：色温2850K±100K光源，用滤光镜校正光电器件的光谱特性，两者组合的光谱特性应符合CIE光谱的光效率函数。
镜向光泽度是对镜向光泽的相对测量。参照标准是以折射率np=1.567玻璃，假设其平面在得到理想抛光的状态下，有该平面对自然光束进行镜向反射，并定义此时的光泽度值为100.0光泽单位。镜向光泽板用于鉴定光泽度计，光泽度按光泽度值又分高、中、低三种，高光泽板由黑色光学玻璃或其他材料制成。中光泽板和低光泽板由涂釉陶瓷或黑色光学玻璃磨砂制成。光泽度仪利用光反射原理对样品的光泽度测量。即：在规定入射角和规定光束的条件下照射样品，得到镜向反射角方向的光束。
光泽是物体表面定向选择反射的性质，体现在表面上呈现不同的亮斑或形成重叠与表面的物体的像。光泽度是物体受光照射时表面对光的反射能力，通常以试样在镜面（正反射）方向的相对于标准表面的反射率乘以100来表示，即G=100R/R。。
公式中的R—试样表面的反射率，R。--标准板的反射率。以抛光完善的黑玻璃作为参照板，其纳D射线的折射率为1.568，对于每一个几何光学条件的镜向光泽度定标为105光泽度单位。用于测量塑料、陶瓷、油墨、石材、纸张和金属、医疗等平面制品的表面光泽度。
75°光泽度测定法主要适用与涂布纸、纸板，也可用于未涂布及纸板或低印刷光泽度的纸与纸板印样，试样的颜色和漫反射比的差别对测定光泽度影响不大。
6 实验与测试
改进装置的可行性的基础是：LED体积小，光照强度强，不像卤钨灯灯丝受左右、高低距离影响信号发射大小，换卤钨灯要重新调整电路非常麻烦，且发热量小和能耗小，由这些理论的支持才进行了装置的改进，但是目前改进的装置尚未成为正式生产的产品，本文在温度、稳定性作了相应测试，通过试验验证改进装置是可行的。
6.1温度测试：
LED的特点是将电能直接转化为光能，因此产生的热量相对较少，LED被称为冷光源是相对于HID灯而言的，LED由于长期在高温下工作会影响其使用寿命，因此目前还只能尽量改善其散热来延长LED寿命。
表1.温度测试结果
时间min 0 10 20 30 40 50
温度℃ 28 30 32 32 31 31
6.2稳定性测试：开机，预热0.5h后，调零，校准，用标准板间隔10分钟测试一次
表2.稳定性测试结果
时间min 0 10 20 30 40 50
光泽度 74.8 74.8 74.8 74.7 74.8 74.8
7 实验结论
通过上面一系列的实验验证了LED作为75°光泽度仪的光源的可靠性，在连续点亮50min内，光泽度仪内部温度变化为0～4℃，上升最高温度为4℃，该温度不会对装置产生影响且不会破坏装置的使用寿命，稳定性测试中，在50min内测试结果与卤钨灯光源测试结果相同，都在测量精度范围之内。
8 结束语
本文的实验证实该装置在光泽度仪中应用的可行性，LED完全可以作为光泽度仪的光源，本装置为改进产品，体积小，使用寿命长，便于安装调试，已进入试制生产阶段，具有较好的市场应用前景。
参考文献
1. 周志敏 ， 周纪海 ，纪爱华.LED照明技术与应用电路 电子工业出版社，2009
2. 陈育明. 太阳能LED照明系统 化学工业出版社，2011
3. 吴晗平 . 光电系统设计基础 科学出版社，2010
4. 【苏】 诺维茨基. 实验室光学仪器 中国计量出版社，1986
5. 江月松 ， 阎平， 刘震玉 . 光电技术与实验 北京理工大学出版社，2000
6. 缪家鼎等. 光电技术 浙江大学出版社，1995
7. 王庆有. 光电技术 电子工业出版社，2008
8. 吴友明. LED应用技术 电子工业出版社，2011
9. 魏学业 ， 于冬等. 绿色环保LED应用技术 机械工业出版社 ，2011
10. 周志敏， 周纪海等. 太陽能LED照明技术与工程设计 中国电力出版社，2011
11. 李春茂 .LED结构原理与应用技术 机械工业出版社， 2011
12. 来清民 .高亮度LED照明及驱动电路设计 北京航天航空大学出版社，2012
13. 俞建峰 ， 顾高浪 ， 陶宏锦.LED照明产品质量控制与国际认证 人民邮电出版社，2012
14. 周志敏 ， 纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例 人民邮电出版社，2009
15. 郭浩中 ，赖芳仪， 郭守义.LED原理与应用彩色图解版 化学工业出版社，2013
杭州舟山东路66号 盛杰 tel：13989464588
[关键词] 光泽度 LED 光源 聚光镜 反射镜 光电池
1 、引言
LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。作为一种具有巨大发展潜力的固体发光源，其长寿命，低功耗，小外形，性能稳定，耐冲击，多色彩，快响应，坚固耐用，绿色环保，光效高，无辐射等优点得到了越来越多的关注，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白织灯，荧光灯，高强度气体发电灯之后的第四代光源。
2、 LED发光二极管的介绍
LED（Light Emitting Diode），发光二極管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着，在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个镜片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的，色温和亮度没关系，而亮度和流明值有关。
3、 LED光学特性参数
3.1发光强度 光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的发光强度，简称光强，单位是坎德拉（cd）。这个量是表征发光器件发光强弱的重要性能，是表明发光体在空间发射的会聚能力。
3.2光通量 光源在单位时间内发射出来的并被人敢知的所有辐射能称为发光通量，简称光通量，单位是流明（lm）。这个量是对光源而言的，是描述光源发光总量的大小，与光功率等价。与力学单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。
3.3发光效率 代表光源将所消耗的电能转换成光的效率。单位是流明每瓦（lm/W）。发光效率（lm/W）=所产生的光通量（lm）/消耗电功率（W）。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。
3.4 LED发光角度 LED发光角度是指其光线散射角度，主要靠生产时加散射剂来控制，有以下三类：
a）高指向性
b）标准型
c）散射型
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80﹪～90﹪。可见光光谱的波长范围是为380～760nm，是人眼可感受到的七色光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫但这七种颜色的光都各自是一种单色光，例如LED发红光的峰值波长为565nm，在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成。因此白色LED是最被看好的LED新兴产品。
它的色温范围完全适用75°光泽度仪的范围即：2850K±100K。
4 光泽度仪的基本结构
主要有电光系统、光学系统、光电系统、电子系统和数据处理、输出打印系统组成。
电光系统：主要有光源（LED）和相应的电源组成，电光系统对整机的稳定性有很大的影响，是仪器不稳定的重要原因之一。
光学系统：包括外光电系统（反射镜、聚光镜），光学系统外光路设计最重要的是充分利用灯源发出的光通量，尽量多的聚焦在入射狭缝上，为了消除色差，目前国内外科技工作者都采用反射镜（没有色差）效果很好。
光电系统：是将光信号变成电信号的关键部件，直接影响仪器的灵敏度和适用范围，本机用硅光电池，光电池是一种简单适用的光电转换元件，它的优点是简单、便宜、使用方便，不需要附加电源，可直接使用，它的缺点是相应时间较长，有疲劳效应和温度效应。硅光电池的最大电流比硒光电池的最大电流大100倍以上，在可见光区的灵敏度更高。各类光电池都有极限照度，若入射光过强，光电池有可能产生疲劳或损坏。
电子系统：电子系统主要有放大器、A∕D转换器等组成，其中放大器也是影响整机灵敏度、稳定性的主要部件，它又是仪器噪声的主要来源部件，直接影响光泽度的分析误差。
数据处理，输出打印系统：数据处理、输出打印系统是决定整机的自动化程度的关键部件，特别是软件部分，直接影响光泽度的质量。
5 光泽度仪的工作原理：
光泽度是在一组几何规定条件下对材料表面反射光的能力进行评价的物理量，具有方向选择的反射性质。我们通常说的光泽指的是“镜向光泽”，所以光泽度仪有时也叫“镜向光泽度仪”。光泽与机械加工行业的“光洁度”或“粗糙度”的概念完全不同的，后者是对材料表面微小不平度的评定。用光电检测器测定与法线成一定角度75゜，入射到试样表面，并从试样表面与法线成相应角度75°反射到规定孔径内的光，其结果显示在仪器上。
光泽度测量原理如图所示，光线从光源出发，进过聚光镜和矩形孔径（矩形光源视场光阑）的几何中心。光阑用于限制灯丝，使之成为有效光源，光源通过光源物镜和矩形孔径的几何中心到达试样。轴光线与试样平面的交点称为测试面中心（不必与测试孔的几何中心重合），将一块平面镜放到试样位置，轴光线被平面镜反射并且通过接收孔的中心，光源物镜将光源孔径成像在接收孔上，将测试面中心到接收孔距离d作为确定其他尺寸的基数。关键尺寸是入射角和接收孔的位置和直径，紧靠接收孔的正透镜将试样表面成像在光电器件上，为了使经过不同路径进入接收孔的光线得到均匀接收光电器件前面应装一块毛玻璃，使试样成像在毛玻璃上，光电器件接收毛玻璃的散射光，使进入接收孔的杂射光都被内壁吸收消除，光束轴对试样的入射角为β=75゜±0.1，镜面反射光束对试样的反射角通常为β⒉=β⒈+0.1°即┃β⒈-β⒉┃≦0.1°，总之75°光泽度测定仪光学系统由光源、透镜、试样压板和光电器件组成，仪器的测量头由发射器和接受器组成，发射器由LED发光二极管和一组透镜组成，它产生一定的入射光束， 接受器由透镜和光敏元件组成，用于接受从样品表面反射回来的锥体光束。
光谱条件：色温2850K±100K光源，用滤光镜校正光电器件的光谱特性，两者组合的光谱特性应符合CIE光谱的光效率函数。
镜向光泽度是对镜向光泽的相对测量。参照标准是以折射率np=1.567玻璃，假设其平面在得到理想抛光的状态下，有该平面对自然光束进行镜向反射，并定义此时的光泽度值为100.0光泽单位。镜向光泽板用于鉴定光泽度计，光泽度按光泽度值又分高、中、低三种，高光泽板由黑色光学玻璃或其他材料制成。中光泽板和低光泽板由涂釉陶瓷或黑色光学玻璃磨砂制成。光泽度仪利用光反射原理对样品的光泽度测量。即：在规定入射角和规定光束的条件下照射样品，得到镜向反射角方向的光束。
光泽是物体表面定向选择反射的性质，体现在表面上呈现不同的亮斑或形成重叠与表面的物体的像。光泽度是物体受光照射时表面对光的反射能力，通常以试样在镜面（正反射）方向的相对于标准表面的反射率乘以100来表示，即G=100R/R。。
公式中的R—试样表面的反射率，R。--标准板的反射率。以抛光完善的黑玻璃作为参照板，其纳D射线的折射率为1.568，对于每一个几何光学条件的镜向光泽度定标为105光泽度单位。用于测量塑料、陶瓷、油墨、石材、纸张和金属、医疗等平面制品的表面光泽度。
75°光泽度测定法主要适用与涂布纸、纸板，也可用于未涂布及纸板或低印刷光泽度的纸与纸板印样，试样的颜色和漫反射比的差别对测定光泽度影响不大。
6 实验与测试
改进装置的可行性的基础是：LED体积小，光照强度强，不像卤钨灯灯丝受左右、高低距离影响信号发射大小，换卤钨灯要重新调整电路非常麻烦，且发热量小和能耗小，由这些理论的支持才进行了装置的改进，但是目前改进的装置尚未成为正式生产的产品，本文在温度、稳定性作了相应测试，通过试验验证改进装置是可行的。
6.1温度测试：
LED的特点是将电能直接转化为光能，因此产生的热量相对较少，LED被称为冷光源是相对于HID灯而言的，LED由于长期在高温下工作会影响其使用寿命，因此目前还只能尽量改善其散热来延长LED寿命。
表1.温度测试结果
时间min 0 10 20 30 40 50
温度℃ 28 30 32 32 31 31
6.2稳定性测试：开机，预热0.5h后，调零，校准，用标准板间隔10分钟测试一次
表2.稳定性测试结果
时间min 0 10 20 30 40 50
光泽度 74.8 74.8 74.8 74.7 74.8 74.8
7 实验结论
通过上面一系列的实验验证了LED作为75°光泽度仪的光源的可靠性，在连续点亮50min内，光泽度仪内部温度变化为0～4℃，上升最高温度为4℃，该温度不会对装置产生影响且不会破坏装置的使用寿命，稳定性测试中，在50min内测试结果与卤钨灯光源测试结果相同，都在测量精度范围之内。
8 结束语
本文的实验证实该装置在光泽度仪中应用的可行性，LED完全可以作为光泽度仪的光源，本装置为改进产品，体积小，使用寿命长，便于安装调试，已进入试制生产阶段，具有较好的市场应用前景。
参考文献
1. 周志敏 ， 周纪海 ，纪爱华.LED照明技术与应用电路 电子工业出版社，2009
2. 陈育明. 太阳能LED照明系统 化学工业出版社，2011
3. 吴晗平 . 光电系统设计基础 科学出版社，2010
4. 【苏】 诺维茨基. 实验室光学仪器 中国计量出版社，1986
5. 江月松 ， 阎平， 刘震玉 . 光电技术与实验 北京理工大学出版社，2000
6. 缪家鼎等. 光电技术 浙江大学出版社，1995
7. 王庆有. 光电技术 电子工业出版社，2008
8. 吴友明. LED应用技术 电子工业出版社，2011
9. 魏学业 ， 于冬等. 绿色环保LED应用技术 机械工业出版社 ，2011
10. 周志敏， 周纪海等. 太陽能LED照明技术与工程设计 中国电力出版社，2011
11. 李春茂 .LED结构原理与应用技术 机械工业出版社， 2011
12. 来清民 .高亮度LED照明及驱动电路设计 北京航天航空大学出版社，2012
13. 俞建峰 ， 顾高浪 ， 陶宏锦.LED照明产品质量控制与国际认证 人民邮电出版社，2012
14. 周志敏 ， 纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例 人民邮电出版社，2009
15. 郭浩中 ，赖芳仪， 郭守义.LED原理与应用彩色图解版 化学工业出版社，2013
杭州舟山东路66号 盛杰 tel：13989464588