Сјај (оптика)

Одраз сјаја

Сјај је оптичко својство које показује колико добро површина одбија светлост у спекуларном (огледалу сличном) смеру. То је један од важних параметара који се користе за описивање визуелног изгледа предмета. Фактори који утичу на сјај су индекс преламања материјала, угао упадне светлости и топографија површине.

Привидни сјај зависи од количине спекуларне рефлексије - светлости која се од површине одбија у једнакој количини и под симетричним углом према оном упадне светлости - у поређењу са дифузним рефлексијом - количином светлости расејане у другим правцима.

Теорија

Спекуларна и дифузна рефлексија

Када светлост осветли објекат, она са њим ступа у интеракцију на више начина:

• Апсорбује се (то је у великој мери одговорно за боју)
• Преноси се кроз њега (у зависности од површинске прозирности и непрозирности)
• Расипа се од или унутар њега (дифузна рефлекција, сумаглица и трансмисија)
• Спектакуларно се рефлектује од њега (сјај)

Варијације у текстури површине директно утичу на ниво спекуларне рефлексије. Предмети глатке површине, односно високо полирани или који садрже премазе са фино диспергованим пигментима, изгледају сјајно за очи због велике количине светлости која се одбија у спекуларном смеру, док храпаве површине не одбијају спекуларну светлост, јер се светлост расипа у другим правцима и због тога изгледају безизражајно. Квалитети формирања слике на овим површинама су много нижи због чега се сви одсјаји чине замућеним и искривљеним.

Тип материјала подлоге такође утиче на сјај површине. Неметални материјали, и.е. пластика етц, производе виши ниво рефлектоване светлости када су осветљени под већим углом осветљења услед упијања светлости у материјал или дифузног расипања у зависности од боје материјала. Метали не трпе због овог ефекта производећи веће количине рефлексије под било којим углом.

Фреснелова формула даје спекуларну рефлектансу, $R_{s}$, за неполаризовано светло интензитета $I_{0}$, под упадним углом $i$, дајући интензитет спекуларно рефлектованог зрака интензитета $I_{r}$, док је рефрактивни индекс преламања површинског узорка $m$.

Фреснелова једначина дата је на следећи начин: $R_{s}={\frac {I_{r}}{I_{0}}}$

$R_{s}={\frac {1}{2}}\left[\left({\frac {\cos i-{\sqrt {m^{2}-\sin ^{2}i}}}{\cos i+{\sqrt {m^{2}-\sin ^{2}i}}}}\right)^{2}+\left({\frac {m^{2}\cos i-{\sqrt {m^{2}-\sin ^{2}i}}}{m^{2}\cos i+{\sqrt {m^{2}-\sin ^{2}i}}}}\right)^{2}\right]$

Храпавост површине

Спекуларни одраз светлости од грубе површине

Храпавост површине у микрометарском опсегу утиче на нивое спекуларне рефлексије. Дијаграм десно приказује рефлексију под углом $i$ на храпавој површини са карактеристичном висином храпавости $h$. Разлика у путањи између зрака одбијених од врха и дна површинских неравнина је:

$\Delta r=2h\cos i\;$

Када је таласна дужина светлости $\lambda$, фазна разлика је:

$\Delta \phi ={\frac {4\pi h\cos i}{\lambda }}\;$

Ако је $\Delta \phi \;$ мало, два зрака (погледајте дијаграм) су скоро у фази и стога се површина узорка може сматрати глатком. Али када је $\Delta \phi =\pi \;$, тада зраци нису у фази и путем интерференције долаyи до међусобног поништавања. Низак интензитет спекуларно рефлектоване светлости значи да је површина храпава и расипа светлост у другим правцима. Ако је произвољан критеријум за глатку површину $\Delta \phi <{\frac {\pi }{2}}$, тада се заменом у горњој једначини добија:

$h<{\frac {\lambda }{8\cos i}}\;$

Ово стање глатке површине познато је као Рејлијев критеријум храпавости.

Историја

Најранија истраживања перцепције сјаја приписују се Ингерсолу који је 1914. испитивао ефекат сјаја на папиру. Квантитативним мерењем сјаја помоћу инструмената Ингерсол је своје истраживање засновао на теорији да је светлост поларизована у спекуларној рефлексији, док је дифузно одбијена светлост неполаризована. Ингерсолов „глариметар“ имао је спекуларну геометрију са угловима упада и посматрања од 57,5°. Коришћењем ове конфигурације сјај је измерен контрастном методом која је одузела спекуларну компоненту од укупне рефлексије помоћу поларизационог филтера.

У раду АХ Пфунда из 1930-их, сугерирано је да иако је спекуларни сјај основни (објективни) доказ сјаја, стварни површински сјајни изглед (субјективни) односи се на контраст између спекуларне сјајности и дифузне светлости околне површине (сада се назива „контрастни сјај“ или „одблесак”).

Ако се визуелно упореде црно-беле површине исте сјајности, црна површина ће увек изгледати сјајнија због већег контраста између спекуларног истицања и црне околине у поређењу са белом површином и околином. Пфунд је такође први сугерисао да је за правилну анализу сјаја потребно више метода.

Године 1937. Хантер је у оквиру свог истраживачког рада о сјају описао шест различитих визуелних критеријума који се приписују привидном сјају. Следећи дијаграми показују везу између упадног снопа светлости, I, спекуларно одбијеног снопа, S, дифузно одбијеног снопа, D и блиско спекуларног одбијеног снопа, B.

• Спекуларни сјај - перципирана осветљеност и сјај врхунаца

Дефинисано као однос светлости која се одбија од површине под једнаким, али супротним углом од упадног на површину.

• Сјај - перципирана сјајност при малим упадним угловима

Дефинисан као сјај прим малим угловима упада и посматрања

• Контрастни сјај - перципирана осветљеност спекуларно и дифузно рефлектујућих подручја

Дефинисано као однос спекуларно рефлектоване светлости према дифузно одбијеној нормалној површини;

• Одсуство цветања - опажена облачност у одсјајима близу спекуларног правца

Дефинисано као мера одсуства измаглице или млечног изгледа у близини спекуларно рефлектоване светлости: измаглица је инверзна одсуству цвета

• Изразитост сјаја слике - препознаје се по различитости слика одражених на површинама

Дефинисано као оштрина спекуларно рефлектоване светлости

• Сјај површинске текстуре - препознаје се због одсуства површинске текстуре и површинских мрља

Дефинисано као уједначеност површине у погледу видљиве текстуре и недостатака (поморанџина кора, огреботине, инклузије итд.)

Према томе, површина може изгледати врло сјајно ако има добро дефинисану спекуларну рефлексију под спекуларним углом. Перцепција слике која се одражава на површини може се погоршати ако се не појави оштро, или ако се чини да има слаб контраст. Прво карактерише мерење изразитости слике, а друго маглица или контрастни сјај.

У свом раду Хантер је такође приметио важност три главна фактора у мерењу сјаја:

• Количина светлости која се рефлектује у спекуларном правцу
• Количина и начин на који се светлост шири око спекуларног правца
• Промена спекуларне рефлексије са променом спекуларног угла

За своја истраживања он је користио глосметар са спекуларним углом од 45°, као и већина првих фотоелектричних метода тог типа, али су касније студије Хантера и Џда из 1939. године, на већем броју узорака боје довеле до извођења закључка да је геометрија од 60 степени била је најподеснији угао како би се обезбедила најближа корелација са визуелним посматрањем.

Стандардно мерење сјаја

Стандардизацију у мерењу сјаја предводили су Хантер и АСТМ (Америчко друштво за тестирање и материјале) који су произвели АСТМ Д523 стандардну методу испитивања за спекуларни сјај 1939. године. То је укључивало методу за мерење сјаја под спекуларним углом од 60°. Каснија издања Стандарда (1951) укључивала су методе за мерење на 20° за оцену завршних облога високог сјаја, развијених у компанији ДуПонт (Хорнинг анд Морy, 1947) и 85° (мат или ниски сјај).

АСТМ има низ других стандарда повезаних са сјајем дизајнираних за примену у одређеним индустријама, укључујући стару методу од 45° која се данас углавном користи за глазирану керамику, полиетилен и друге пластичне филмове.

Године 1937. индустрија папира усвојила је методу спекуларног сјаја од 75°, јер је тај угао најбоље раздвајао обложене папире за књиге. Ову методу је 1951. године усвојило Техничко удружење целулозне и папирне индустрије као ТАППИ метод Т480.

У индустрији лакова, мерења спекуларног сјаја врше се према међународном стандарду ИСО 2813 (БС 3900, део 5, УК; ДИН 67530, Немачка; НФТ 30-064, Француска; АС 1580, Аустралија; ЈИС З8741, Јапан, такође еквивалентно). Овај стандард је у основи исти као АСТМ Д523, иако је различито израђен.

Студије полираних металних површина и аутомобилских облога од елоксираног алуминијума из шездесетих година, које су спровил Тингл, Потер и Џорџ довели су до стандардизације мерења сјаја површина високог сјаја путем гониофотометрије под ознаком АСТМ Е430. У овом стандарду су такође дефинисане методе за мерење различитости сјаја слике и маглице рефлексије.

Литература

• Колеске, Ј.V. (2011). „Парт 10”. Паинт анд Цоатинг Тест Мануал. УСА: АСТМ. ИСБН 978-0-8031-7017-9. 
• Меетен, Г.Х. (1986). Оптицал Пропертиес оф Полyмерс. Лондон: Елсевиер Апплиед Сциенце. стр. 326–329. ИСБН 0-85334-434-5. 
• Борн, Маx; Wолф, Емил (2002). Принциплес оф Оптицс. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-1-139-64340-5. 
• Хецхт, Еугене (2002). Оптицс (4 изд.). Аддисон-Wеслеy Лонгман, Инцорпоратед. ИСБН 978-0-8053-8566-3. 
• Серwаy, Раyмонд А.; Јеwетт, Јохн W. (2004). Пхyсицс фор сциентистс анд енгинеерс (6, иллустратед изд.). Белмонт, ЦА: Тхомсон-Броокс/Цоле. ИСБН 978-0-534-40842-8. 
• Типлер, Паул А.; Мосца, Гене (2004). Пхyсицс фор Сциентистс анд Енгинеерс: Елецтрицитy, Магнетисм, Лигхт, анд Елементарy Модерн Пхyсицс. 2. W.Х. Фрееман. ИСБН 978-0-7167-0810-0. 
• Липсон, Степхен Г.; Липсон, Хенрy; Таннхаусер, Давид Стефан (1995). Оптицал Пхyсицс. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-0-521-43631-1. 
• Фоwлес, Грант Р. (1975). Интродуцтион то Модерн Оптицс. Цоуриер Довер Публицатионс. ИСБН 978-0-486-65957-2. 
• Р. С. Хунтер, Р. W. Харолд: Тхе Меасуремент оф Аппеаранце, 2нд Едитион, Wилеy-ИЕЕЕ (1987)
• ЦИЕ Но 38-1977: Радиометриц анд пхотометриц цхарацтеристицс оф материалс анд тхеир меасуремент
• ЦИЕ Но 44-1979: Абсолуте метходс фор рефлецтион меасурементс
• Ф. Е. Ницодемус, ет ал., Геометриц Цонсидератионс анд Номенцлатуре фор Рефлецтанце, У.С. Депт. оф Цоммерце, НБС Монограпх 160 (1977)
• Јохн C. Стовер, Оптицал Сцаттеринг, Меасуремент анд Аналyсис, СПИЕ Пресс (1995)
• Yоунг, Х.D. (1992). Университy Пхyсицс: Еxтендед Версион Wитх Модерн Пхyсицс (8тх изд.). Аддисон-Wеслеy. Цх. 35. ИСБН 978-0-201-52981-4. 
• Марцханд, Е.W. (1978). Градиент Индеx Оптицс. Неw Yорк: Ацадемиц Пресс. 
• Е. Хецхт (1987). Оптицс (2нд изд.). Аддисон Wеслеy. ИСБН 978-0-201-11609-0. 
• Маxwелл, Јамес Цлерк (1865). „А дyнамицал тхеорy оф тхе елецтромагнетиц фиелд” (ПДФ). Пхилосопхицал Трансацтионс оф тхе Роyал Социетy оф Лондон. 155: 499. Бибцоде:1865РСПТ..155..459Ц. дои:10.1098/рстл.1865.0008. Архивирано (ПДФ) из оригинала 2011-07-28. г. 
• Ј. Гоодман (2005). Интродуцтион то Фоуриер Оптицс (3рд изд.). Робертс & Цо Публисхерс. ИСБН 978-0-9747077-2-3. 
• А.Е. Сиегман (1986). Ласерс. Университy Сциенце Боокс. ИСБН 978-0-935702-11-8. 
• Wоан, Г. (2010). Тхе Цамбридге Хандбоок оф Пхyсицс Формулас. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-0-521-57507-2. 
• Гриффитхс, Давид Ј. (2017). „Цхаптер 9.3: Елецтромагнетиц Wавес ин Маттер”. Интродуцтион то Елецтродyнамицс (4тх изд.). Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-1-108-42041-9. 
• Банд, Y. Б. (2010). Лигхт анд Маттер: Елецтромагнетисм, Оптицс, Спецтросцопy анд Ласерс. Јохн Wилеy & Сонс. ИСБН 978-0-471-89931-0. 
• Кенyон, I. Р. (2008). Тхе Лигхт Фантастиц – Интродуцтион то Цлассиц анд Qуантум Оптицс. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-856646-5. 
• Енцyцлопаедиа оф Пхyсицс (2нд Едитион), Р.Г. Лернер, Г.L. Тригг, ВХЦ публисхерс, 1991, ИСБН (Верлагсгеселлсцхафт) 3-527-26954-1, ИСБН (ВХЦ Инц.) 0-89573-752-3
• МцГраw Хилл Енцyцлопаедиа оф Пхyсицс (2нд Едитион), C.Б. Паркер, 1994, ISBN 0-07-051400-3

Спољашње везе

• PCI Magazin article: What is the Level of Confidence in Measuring Gloss?
• NPL: Good practice guide for the measurement of Gloss