Пропускання, поглинання та відбиття світла покриттями - студопедія

Явища, що випливають з хвильової природи світла в найбільшою мірою пов'язані з діелектричної і магнітної проникністю середовища. Вони багато в чому визначаються коефіцієнтом заломлення матеріалу. значення якого може бути визначено по кутах падіння і відбиття падаючих променів або розраховане за рівнянням Максвелла:

Схема заломлення і відображення променів сильно ускладнюється при переході від ідеальних оптичних матеріалів до реальних, якими є лакофарбові покриття. Залежно від властивостей поверхонь покриття і підкладки граничними випадками можуть бути дифузне і дзеркальне відображення.

На малюнку представлено дифузне відображення.

Малюнок - Дифузійне відбиття

Це неглянцевого паперу, більшість тканин, матові фарби, побілка, шорсткі металеві поверхні і багато іншого.

Якщо поверхня відполірована дуже добре, то весь падаючий на неї світло буде відбиватися в одну сторону. При цьому кут, під яким відбивається падаюче світло, точно дорівнює куту, під яким він падає на поверхню. Таке відображення називається дзеркальним, а рівність кутів падіння і відбиття світла є одним з базових законів світлотехніки: на цьому законі засновані всі методи розрахунків прожекторів і світильників із дзеркальною оптичної частиною.

На малюнку представлено дзеркальне відображення.

Малюнок - Дзеркальне відображення

Крім дзеркального і дифузного віддзеркалення, існує направлено-розсіяне (наприклад, від погано відполірованих металевих поверхонь, шовкових тканин або від глянцевого паперу), а також змішане відображення (наприклад шар фарби).

Щоб оцінити блиск, який визначається часткою дзеркальної складової, зразок слід розглядати під кутом, рівним куту падіння світла.

Блиск вимірюють за допомогою приладів-блискомірі фотоелектричним методом, направляючи на тестову поверхню світловий пучок постійної сили під певним кутом і потім контролюючи кількість (інтенсивність) відбитого світла. Для різних поверхонь потрібні різні кути освітлення. Найчастіше кут вимірювання глянцю становить 60 ° (для зарубіжних покриттів, по ISO 2813) або 45 ° (для українських покриттів, по ГОСТ 896) від вертикалі, але для тестування поверхонь з дуже низьким ступенем глянцю використовують прилади з кутом в 85 °, а для дуже блискучих - в 20 °, щоб забезпечити більш точні значення.

Таким чином, напрямок відбитого світла грає велику роль в сприйнятті зовнішнього вигляду покриття. Якщо він концентрується в межах вузького кута, рівного куту падіння, поверхня буде сприйматися блискучою, тобто має місце високий дзеркальне відображення. З іншого боку, якщо він має відображатися у всіх напрямках, незалежно від кута, у нього буде висока дифузне відображення, і його поверхня буде сприйматися матовою.

Оптичні властивості плівок можуть бути охарактеризовані двома константами: коефіцієнтом поглинання К і коефіцієнтом розсіювання S.

У 1930-і рр. Пауль Кубелка і Франц Мунк запропонували рівняння, що описує поглинання і пропускання світла зразками в залежності від співвідношення поглинання і розсіяння K / S.

Розглянемо простий випадок, коли світловий потік проходить крізь дуже тонкий пігментований шар фарби товщиною dx перпендикулярно до поверхні.

Розглянемо спрямований вниз (падаючий потік) і спрямований вгору (відбитий потік) компоненти світлового потоку, позначаючи коефіцієнт поглинання через К, а коефіцієнт розсіювання через S.

Малюнок - проходження світла крізь плівку фарби відповідно до теорії Гуревича-Кубелкі-Мунка.

Той, хто йде вниз потік (інтенсивність I):

- зменшується за рахунок поглинання на (-KI dx);

- зменшується за рахунок розсіювання на (-SI dx);

- збільшується за рахунок розсіювання в зворотному напрямку на + SJ dx (від проходить вгору випромінювання, інтенсивність якого J) і в сумі визначається рівнянням:

Одночасно йде вгору потік (інтенсивність J):

- зменшується за рахунок поглинання на (-KJ dx);

- зменшується за рахунок розсіювання на (-SJ dx);

- збільшується за рахунок розсіювання в зворотному напрямку (від випромінювання, що йде вниз) і в сумі визначається рівнянням:

Вирішення цих диференціальних рівнянь залежить від граничних умов, в разі відсутності розсіювання (S = 0), для проходить вниз потоку, призводить до вираження закону Ламберта-Бера. Для ізотропного поглинає і розсіює шару нескінченної товщини (або, принаймні, такої, що відображення підкладки можна не брати до уваги) призводить до широко відомим висловом Гуревича-Кубелкі-Мунка:

де і є коефіцієнтом відображення нескінченно товстого шару.

Ця формула встановлює зв'язок між одним з параметрів (R), який можна визначити експериментально, і характеристиками До і S для даної речовини.

Двопараметричного теорія розсіювання світла не має принципових обмежень для застосування в тому чи іншому спектральному діапазоні. Обмеження теорії ГКР по суті полягають у наступному:

3) показники заломлення До і розсіювання S повинні бути постійні по всій товщині шару середовища;

4) характер розсіювання (індікатріса) повинен бути незалежний від умов освітлення і постійний по всьому об'єму середовища.

Недоліки теорії ГКР, що перешкоджають остаточному рішенню проблеми підбору кольору:

1) в теорії ГКР передбачається, що шар колоранта має однорідний склад і протяжність, достатню для того, щоб не було втрат світла на краях шару;

2) відображення в теорії ГКР виникає в припущенні, що коефіцієнти К і S однакові для прямого і зворотного потоків світла. Однак з теорії багаторазового відбиття слід, що кутовий розподіл прямого і зворотного потоків світла не однаково.

3) в теорії ГКР передбачається лінійна зв'язок між параметром K / S і концентрацією колоранта. Проте, було виявлено, що в загальному випадку ця залежність нелінійна, що означає неможливість адекватного опису поведінки колоранта

Якщо пігмент складається з великих частинок, які значно перевищують за розмірами довжини хвиль видимого світла, розсіювання зводитися до багаторазового дзеркального відображення світлового потоку поверхнями частинок. При нормальному падінні монохроматичного світла з середовища з коефіцієнтом заломлення n1 в середу з коефіцієнтом заломлення n2 коефіцієнт відображення R визначається рівнянням Френеля:

Формула Френеля справедлива в тому випадку, коли межа розділу двох середовищ гладка, середовища ізотропні, кут відображення дорівнює куту падіння, а кут заломлення визначається законом Снеллиуса.