جلا (نورشناسی)

براقیت یک ویژگی نوری است که نشان می‌دهد سطح تا چه اندازه می‌تواند نور را به صورت آینه‌ای (انعکاس منظم و مشابه آینه) بازتاب دهد. براقیت یکی از پارامترهای مهمی است که برای توصیف ظاهر بصری یک جسم به کار می‌رود. دسته‌های دیگری از ظاهر بصری که به ادراک بازتاب منظم یا پراکنده و همچنین عبور نور مربوط می‌شوند، تحت مفهوم سزیا (cesia) در یک نظام مرتب‌سازی با سه متغیر سازمان‌دهی شده‌اند که براقیت نیز یکی از جنبه‌های دخیل در آن به‌شمار می‌رود. عواملی که بر براقیت اثر می‌گذارند شامل ضریب شکست ماده، زاویه تابش نور و پرداخت سطح هستند.

تئوری

وقتی نور به یک جسم می‌تابد، به شکل‌های مختلفی با آن برهم‌کنش می‌کند.

درون آن جذب می‌شود (که تا حد زیادی عامل ایجاد رنگ است).
از درون آن عبور می‌کند (بسته به میزان شفافیت یا کدری سطح).
در آن یا از سطح آن پراکنده می‌شود (بازتاب پراکنده، مه‌آلودگی و انتقال).
به صورت آینه‌ای از سطح آن بازتاب می‌شود (درخشندگی یا براقیت).

تغییرات در بافت سطح به‌طور مستقیم بر میزان بازتاب آینه‌ای تأثیر می‌گذارند. اجسامی که سطحی صاف دارند، مانند سطوح بسیار صیقلی یا پوشش‌هایی که رنگدانه‌های بسیار ریز در آن‌ها پخش شده‌اند، به دلیل بازتاب زیاد نور در جهت آینه‌ای برای چشم براق و درخشان به نظر می‌رسند. در مقابل، سطوح زبر هیچ بازتاب آینه‌ای ایجاد نمی‌کنند، زیرا نور در جهت‌های مختلف پراکنده می‌شود و در نتیجه ظاهری کدر و مات پیدا می‌کنند. ویژگی‌های تصویرساز این سطوح بسیار کمتر است و باعث می‌شود بازتاب‌ها تار و مخدوش دیده شوند.

نوع مادهٔ زیرین (بستر) نیز بر میزان براقیت سطح اثر می‌گذارد. مواد غیر فلزی، مانند پلاستیک‌ها، وقتی با زاویهٔ تابش بیشتری روشن می‌شوند، نور بازتابی بیشتری ایجاد می‌کنند؛ زیرا بخشی از نور درون ماده جذب می‌شود یا بر اساس رنگ ماده به‌طور پراکنده بازتاب می‌یابد. در مقابل، فلزات دچار این پدیده نمی‌شوند و در هر زاویه‌ای مقدار بیشتری از نور را بازتاب می‌کنند.

فرمول فرسنل میزان بازتاب آینه‌ای ( $R_{s}$ ) را برای نور غیرقطبی با شدت $I_{0}$ در زاویهٔ تابش i بیان می‌کند. این فرمول شدت پرتو بازتابیدهٔ آینه‌ای با شدت $I_{r}$ را مشخص می‌سازد، در حالی‌که ضریب شکست سطح نمونه با m نشان داده می‌شود.

معادله فرنل بدین ترتیب نوشته می‌شود: ${\frac {I_{r}}{I_{0}}}$ = $R_{s}$

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]

زبری سطح

زبری سطح بر میزان بازتاب آینه‌ای تأثیر می‌گذارد؛ در ناحیهٔ فرکانس‌های مرئی، پرداخت سطح در بازهٔ میکرومتری بیشترین اهمیت را دارد. نمودار سمت چپ، بازتاب نور در زاویهٔ i روی یک سطح زبر با تغییرات ارتفاع مشخصهٔ زبری $\Delta {h}$ را نشان می‌دهد. اختلاف مسیر میان پرتوهایی که از بالاترین و پایین‌ترین نقاط برجستگی‌های سطح بازتاب می‌شوند برابر است با:

وقتی طول موج نور $\lambda$ باشد، اختلاف فاز برابر خواهد بود با:

\Delta \phi ={\frac {2\pi }{\lambda }}\Delta r={\frac {4\pi \Delta h\cos i}{\lambda }}\;

اگر اختلاف فاز Δ𝜙 اندک باشد، دو پرتو (مطابق شکل ۱) تقریباً در حالت هم‌فاز قرار می‌گیرند و در نتیجه تداخل سازنده رخ می‌دهد؛ به همین دلیل سطح نمونه را می‌توان صاف فرض کرد. اما زمانی که Δ𝜙 = π باشد، پرتوها از فاز خارج شده و به‌دلیل تداخل ویرانگر یکدیگر را خنثی می‌سازند. در این حالت، کاهش شدت بازتاب آینه‌ای نشان‌دهندهٔ زبری سطح و پراکندگی نور به سایر جهات است.

اکنون اگر مقدار میانی اختلاف فاز به‌عنوان ملاک سطح صاف در نظر گرفته شود، یعنی: Δ𝜙 < π/۲ آنگاه با جایگذاری در رابطهٔ فوق، نتیجهٔ زیر به دست خواهد آمد:

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

این شرایط برای سطح صاف به عنوان «معیار زبری ریلی» (Rayleigh roughness criterion) شناخته می‌شود.

تاریخچه

اولین مطالعات در زمینهٔ ادراک براقیت به لئونارد آر. اینگرسول^[۱]^[۲] (Leonard R. Ingersoll) نسبت داده می‌شود، که در سال ۱۹۱۴ تأثیر براقیت روی کاغذ را بررسی کرد. با اندازه‌گیری کمی براقیت با استفاده از ابزارهای مخصوص، اینگرسول پژوهش‌های خود را بر نظریه‌ای بنا نهاد که طبق آن نور در بازتاب آینه‌ای قطبی می‌شود، در حالی که نور بازتابیدهٔ پراکنده، قطبی نشده است. ابزار «گلاریمتر» اینگرسول دارای هندسهٔ آینه‌ای با زاویه‌های تابش و دید ۵۷٫۵ درجه بود. با استفاده از این پیکربندی، براقیت با روش کنتراست اندازه‌گیری می‌شد، به این صورت که بخش آینه‌ای بازتاب با استفاده از یک فیلتر قطبی‌کننده از بازتاب کل کم می‌شد.

در دههٔ ۱۹۳۰،^[۳]A.H. Pfund در پژوهش‌های خود نشان داد که هرچند بازتاب آینه‌ای به‌عنوان معیار اصلی و عینی براقیت شناخته می‌شود، اما آنچه درک ذهنی ما از براق بودن یک سطح را شکل می‌دهد، وابسته به کنتراست میان شدت بازتاب آینه‌ای و میزان نور پراکنده در نواحی اطراف سطح است. امروزه از این مفهوم با اصطلاح «براقیت کنتراستی» یا «درخشندگی» یاد می‌شود.

اگر سطوح سیاه و سفید با همان میزان درخشندگی به‌طور بصری مقایسه شوند، سطح سیاه همیشه براق‌تر به نظر می‌رسد، زیرا کنتراست بین نقطهٔ درخشان آینه‌ای و زمینهٔ سیاه بیشتر از کنتراست مشابه با سطح و زمینهٔ سفید است. Pfund همچنین اولین کسی بود که پیشنهاد داد برای تحلیل صحیح براقیت، بیش از یک روش لازم است.

در سال ۱۹۳۷،^[۴]R.S.Hunter، در قالب مقالهٔ پژوهشی خود دربارهٔ براقیت، شش معیار بصری مختلف را که به براقیت ظاهری نسبت داده می‌شوند، توصیف کرد. نمودارهای زیر روابط میان یک پرتو تابشی ورودی I، پرتو بازتاب آینه‌ای S، پرتو بازتاب پراکنده D و پرتو نزدیک به آینه‌ای B را نشان می‌دهند.

براقیت آینه‌ای – روشنایی درک‌شده و درخشش نقاط برجسته (هایلایت‌ها)

به‌عنوان نسبت نور بازتابیده از سطح در زاویه‌ای برابر اما مخالف با زاویه تابش روی سطح تعریف می‌شود.

درخشندگی (Sheen) – براقیت درک‌شده در زاویه‌های کم‌شیب یا نزدیک به سطح

به‌عنوان براقیت در زاویه‌های کم‌شیب تابش و مشاهده تعریف می‌شود.

براقیت کنتراستی – روشنایی درک‌شدهٔ نواحی بازتابندهٔ آینه‌ای و پراکنده

به‌عنوان نسبت نور بازتابیدهٔ آینه‌ای به نور بازتابیدهٔ پراکنده در راستای عمود بر سطح تعریف می‌شود.

عدم وجود هاله (Absence of bloom) – کدری یا مات بودن درک‌شده در بازتاب‌ها نزدیک جهت آینه‌ای

به‌عنوان معیاری برای اندازه‌گیری عدم وجود مه یا ظاهر شیری در نزدیکی نور بازتاب آینه‌ای تعریف می‌شود؛ هِیز (haze) عکس مفهوم «عدم وجود هاله» است.

براقیت با وضوح تصویر (Distinctness of image gloss) – مشخص شده با وضوح تصاویر بازتابیده روی سطح.

به‌عنوان تیزی یا وضوح نور بازتابیدهٔ آینه‌ای تعریف می‌شود.

براقیت بافت سطح (Surface texture gloss) – مشخص شده با نبود بافت یا عیب‌های سطحی.

به‌عنوان یکنواختی سطح از نظر بافت و عیوب قابل مشاهده (مانند موج‌های سطحی، خراش‌ها، ناخالصی‌ها و غیره) تعریف می‌شود.

بنابراین، یک سطح می‌تواند بسیار براق به نظر برسد اگر بازتاب آینه‌ای آن در زاویهٔ آینه‌ای به‌خوبی تعریف شده باشد. درک تصویر بازتابیده روی سطح می‌تواند با ظاهر شدن تار یا کم‌کنتراست کاهش یابد. حالت اول با اندازه‌گیری «وضوح تصویر بازتاب» (distinctness-of-image) و حالت دوم با «هیز» (haze) یا «براقیت کنتراستی» (contrast gloss) مشخص می‌شود.

در مقالهٔ خود، هانتر همچنین بر اهمیت سه عامل اصلی در اندازه‌گیری براقیت تأکید کرد:

میزان نور بازتابیده در جهت آینه‌ای
میزان و نحوهٔ پراکندگی نور در اطراف جهت آینه‌ای
تغییرات بازتاب آینه‌ای با تغییر زاویهٔ آینه‌ای

برای پژوهش خود، او از یک براقیت‌سنج با زاویه آینه‌ای ۴۵ درجه استفاده کرد، همان‌طور که بیشتر روش‌های اولیهٔ فوتوالکتریک از این نوع چنین زاویه‌ای داشتند. با این حال، مطالعات بعدی هانتر و D. B. Judd در سال^[۵]۱۹۳۹، روی نمونه‌های رنگ‌شده بیشتر، نتیجه گرفتند که هندسه با زاویه ۶۰ درجه بهترین زاویه برای استفاده است تا بیشترین همبستگی با مشاهدهٔ بصری را فراهم کند.

اندازه‌گیری استاندارد براقیت

استانداردسازی در اندازه‌گیری براقیت توسط هانتر و ASTM (انجمن آمریکایی آزمون و مواد) هدایت شد که در سال ۱۹۳۹ روش آزمایشی استاندارد ASTM D523 برای براقیت آینه‌ای را منتشر کردند. این استاندارد شامل روشی برای اندازه‌گیری براقیت در زاویه آینه‌ای ۶۰ درجه بود. نسخه‌های بعدی این استاندارد (۱۹۵۱) شامل روش‌هایی برای اندازه‌گیری در زاویه ۲۰ درجه برای ارزیابی سطوح با براقیت بالا، توسعه یافته در شرکت DuPont (هورنینگ و مورس، ۱۹۴۷) و زاویه ۸۵ درجه (برای سطوح مات یا کم‌درخش) بود.

ASTM چندین استاندارد مرتبط با براقیت دارد که برای کاربرد در صنایع خاص طراحی شده‌اند، از جمله روش قدیمی ۴۵ درجه که امروزه عمدتاً برای سرامیک‌های لعاب‌دار، پلی‌اتیلن و دیگر فیلم‌های پلاستیکی استفاده می‌شود.

در سال ۱۹۳۷، صنعت کاغذ روش براقیت آینه‌ای با زاویه ۷۵ درجه را پذیرفت، زیرا این زاویه بهترین تفکیک را برای کاغذهای کتابی پوشش‌دار فراهم می‌کرد.^[۶] این روش در سال ۱۹۵۱ توسط انجمن فنی صنایع خمیر و کاغذ (TAPPI) به‌عنوان روش TAPPI T480 به رسمیت شناخته شد.

در صنعت رنگ، اندازه‌گیری براقیت آینه‌ای طبق استاندارد بین‌المللی ISO 2813 انجام می‌شود (استانداردهای معادل شامل BS 3900 قسمت ۵ در بریتانیا، DIN 67530 در آلمان، NFT 30-064 در فرانسه، AS 1580 در استرالیا و JIS Z8741 در ژاپن هستند). این استاندارد اساساً مشابه ASTM D523 است، هرچند به شیوه‌ای متفاوت تدوین شده است.

مطالعات انجام شده در دهه ۱۹۶۰ توسط تین گل، پاتر و جورج روی سطوح فلزی صیقلی و تزئینات آلومینیوم آنودایز شده خودرو،^[۷]^[۸] منجر به استانداردسازی اندازه‌گیری براقیت سطوح با براقیت بالا از طریق گونیوفوتومتری تحت عنوان ASTM E430 شد. این استاندارد همچنین روش‌هایی برای اندازه‌گیری وضوح تصویر بازتابی (distinctness of image gloss) و هِیز بازتاب (reflection haze) را تعریف می‌کند.

جستارهای وابسته

List of optical topics
Distinctness of image

منابع

↑ Ingersoll Elec. World 63,645 (1914), Elec. World 64, 35 (1915); Paper 27, 18 (Feb. 9, 1921), and U. S. Patent 1225250 (May 8, 1917)
↑ Ingersoll R. S. , The Glarimeter, "An instrument for measuring the gloss of paper". J.Opt. Soc. Am. 5.213 (1921)
↑ A. H. Pfund, "The measurement of gloss", J. Opt. Soc. Am. 20, 23.23 (1930)
↑ Hunter, Richard S. (January 1937), "Methods of Determining Gloss" (PDF), Journal of Research of the National Bureau of Standards, NBS Research Paper, vol. 18, doi:10.6028/jres.018.006, RP 958
↑ Judd, D B (1937), Gloss and glossiness. Am. Dyest. Rep. 26, 234–235
↑ Institute of Paper Chemistry (1937); Hunter (1958)
↑ Tingle, W. H. , and Potter, F. R. , “New Instrument Grades for Polished Metal Surfaces,” Product Engineering, Vol 27, March 1961.
↑ Tingle, W. H. , and George, D. J. , “Measuring Appearance Characteristics of Anodized Aluminum Automotive Trim,” Report No. 650513, Society of Automotive Engineers, May 1965.

منابع

Koleske, J.V. (2011). "Part 10". Paint and Coating Test Manual. USA: ASTM. ISBN 978-0-8031-7017-9.
Meeten, G.H. (1986). Optical Properties of Polymers. London: Elsevier Applied Science. pp. 326–329. ISBN 0-85334-434-5.

پیوند به بیرون

http://www.pcimag.com/articles/100528-what-is-the-level-of-confidence-in-measuring-gloss

http://www.npl.co.uk/optical-radiation-photonics/optical-characterisation-of-materials/products-and-services/gloss-measurements

[1] Ingersoll Elec. World 63,645 (1914), Elec. World 64, 35 (1915); Paper 27, 18 (Feb. 9, 1921), and U. S. Patent 1225250 (May 8, 1917)

[2] Ingersoll R. S. , The Glarimeter, "An instrument for measuring the gloss of paper". J.Opt. Soc. Am. 5.213 (1921)

[3] A. H. Pfund, "The measurement of gloss", J. Opt. Soc. Am. 20, 23.23 (1930)

[4] Hunter, Richard S. (January 1937), "Methods of Determining Gloss" (PDF), Journal of Research of the National Bureau of Standards, NBS Research Paper, vol. 18, doi:10.6028/jres.018.006, RP 958

[5] Judd, D B (1937), Gloss and glossiness. Am. Dyest. Rep. 26, 234–235

[6] Institute of Paper Chemistry (1937); Hunter (1958)

[7] Tingle, W. H. , and Potter, F. R. , “New Instrument Grades for Polished Metal Surfaces,” Product Engineering, Vol 27, March 1961.

[8] Tingle, W. H. , and George, D. J. , “Measuring Appearance Characteristics of Anodized Aluminum Automotive Trim,” Report No. 650513, Society of Automotive Engineers, May 1965.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]