Тема 5. Фотометрические свойства тел и сред.

Измерение глянца (лоска) полиграфических материалов и изделий

Определение понятия лоска (блеска, глянца)

Понятие лоска или глянца полиграфической продукции хорошо знакомо каждому специалисту, тем не менее чёткое определение этой характеристики требует специального толкования. Во-первых, это связано с тем, что различные пользователи применяют различные определения глянца полиграфической продукции. Во-вторых, существует даже точка зрения, что глянец невозможно измерить фотометрическим прибором, поскольку это понятие чисто физиологическое, присущее нашему зрительному аппарату и не характеризующее какие-либо обьективные свойства печатного оттиска. И наконец, в измерительной технике приборы для определения глянца-блескометры широкого массового применения не нашли.

На самом деле глянец (лоск, блеск) имеет совершенно определённый физический смысл. Эта характеристика очень важна в практике полиграфии, поскольку блики на печатной продукции затрудняют чтение текстов и, наоборот, привлекают внимание в тех случаях когда речь идёт о рекламе или об упаковке.

Мы будем руководствоваться определением глянца, данного в государственном стандарте ГОСТ 12921-61, в котором определено понятие “лоск” и даны основные светотехнические условия, которыми следует руководствоваться при измерении этой физической величины.

Согласно определению ГОСТ 12921-61 под понятием “лоск” подразумевается отношение интенсивности светового потока, зеркально отражённого под углом 75 от поверхности обьекта к интенсивности светового потока, отражённого от поверхности чёрного полированного стекла, которое должно отражать 26% падающего на него под тем же углом света. Рис. 1 поясняет ситуацию.

Это определение означает, что для измерения блеска необходимо создать фотометр зеркального отражения, в котором в качестве стандарта следует взять чёрное, полированное стекло. Коэффициент отражения в 26% определяется свойствами волны, отражённой от идеальной полированной поверхности. Чёрное стекло следует брать по той причине, чтобы избежать переотражений от нижней грани образца, а также свести к нулю обьёмное отражение самой стеклянной  пластины. Отражение чёрной, полированной пластины под углом в 75% является по определению 100% лоском.

Итак, глянцем (лоском, блеском) согласно ГОСТ 12921-61 называют физическую величину

где I_бл. – интенсивность светового потока, отражённого от обьекта под углом в 75⁰, I_ч.с. – интенсивность светового потока, отражённого под тем же углом от чёрного, полированного стекла. Индекс 75⁰ отмечает угол наблюдения при измерениях.

Теоретическая часть.

Основные положения ГОСТ 12921 – 61 базируются на физических свойствах поверхности твёрдых тел – на отражении света поверхностью и рассеянии излучения на поверхности.

Под отражением в оптике подразумевается количество энергии светового потока, испытывающего отражение. Зеркальным отражением называют долю световой энергии, отражённой под углом падения. Для идеальной отражающей поверхности имеет место закон отражения  = , где  - угол падения,  - угол отражения.

Рассеяние излучения – более многогранный процесс. Сюда включают следующие процессы:

1. Диффузное отражение. Это по своей сути зеркальное отражение от шероховатостей поверхности, малые участки которой оказываются расположенными под разными углами к падающему световому пучку. Это отражение характеризуется законом косинусов согласно которому площадка dS отражает следующее излучение в пространство световой поток d в телесном угле d как:

d = BddSCos( - )

Здесь  - угол наблюдения излучения,  - угол падения, телесный угол d = df/R², где df – площадь фотоприёмника, R – расстояние от фотоприёмника до наблюдаемого обьекта. B – энергитическая яркость освещённого обьекта, равная

Здесь F0 – мощность падающего на поверхность светового потока, a - угол падения излучения на поверхность и dw - телесный угол, под которым элемент поверхности dS освещается точечным источником, находящимся на расстоянии R´ от поверхности dS. Формула 3 и 4 поясняются рис. 2.  J – источник света; df – площадка фотоприёмника рис.2

В соответствии с формулой 3 идеально матовая поверхность будет отражать свет с распределением, изображённым на рис. 3

2. Истинное рассеяние.

При освещении поверхности твёрдого тела возможно вторичное излучение крохотных участков поверхности. Такое рассеяние может быть когерентным, т.е. без изменения фазы световой волны и некогерентным, когда между процессом взаимодействия падающего излучения и излучением вторичных волн возможны процессы, изменяющие фазу и (или) частоту падающих волн. К таким процессам относятся люминесценция, комбинационное рассеяние, и ряд других процессов, реально не встречающихся в практике полиграфии.

Истинное рассеяние направлено в направлении падающего излучения,  располагаясь в узком конусе. Чаще всего это рассеяние “вперёд” направлено внутрь обьёма твёрдого тела и вызывает во внутренних участках многократное рассеяние. Последнее частично вновь выходит наружу, и его пространственное распределение снова следует закону косинусов Ламберта.

3. Дифракционные явления на матовой поверхности.

Этот вид рассеяния обусловлен тем, что размеры шероховатостей зачастую имеют периодическую структуру. В этом случае при больших углах падения вершины неровностей начинают работать как дифракционная решётка, т.е. дают квазизеркальное отражение с концентрацией энергии под углом a = n. При таком рассеянии высшие порядки дифракции отсутствуют, а наблюдается дополнительный “зеркальный блеск”.

Обобщая сказанное, на глянцевой поверхности зеркальное отражение накладывается на светорассеяние. Источником информации могли бы быть точные угловые фотометрические измерения, т.е. получение зависимости интенсивности отражённого поверхностью светового потока от угла наблюдения. Следует учесть что на процессы отражения и рассеяния на поверхности может наложиться отражение и рассеяние обьёмом твёрдого тела, переотражение, возможны процессы люминесценции, комбинационного расеяния, комптон – эффект и т.д. Теория и практика этих процессов достаточно сложна и для практики особого значения не имеет, хотя в настоящее время существуют металлизированные бумаги и бумаги с люминисцентным покрытием. Для таких обьектов лоск, измеренный по ГОСТ 12921 – 61 может превышать 100%, что с точки зрения традиционной науки некорректно. Тем не менее в подавляющем большинстве случаев измерение лоска по ГОСТ 12921-61 вполне приемлимо для определения уровня бликов, уровня глянца полиграфической продукции.

Реальная индикатрисса  рассеяния поверхности какого – либо оттиска есть наложение зеркальной составляющей и составлющей от диффузного отражения. Энергетически величина сигнала  (за исключением оговоренных случаев с метализированными или люминисцирующими  обьектами) будет меньше сигнала от идеально отполированного чёрного стекла.

Описание фотометра для измерения лоска полиграфических материалов

Прибор для измерения лоска полиграфических материалов представляет собой блескометр с углами падения и наблюдения, равными 75°. Измерения проводятся с источником света типа А, т.е. с лампой накаливания. Схема прибора приведена на рис. 4

Схема блескометра – прибора для измерения лоска полиграфических материалов.

1 – источник света, 2 – линза, 3 – фотоприёмник, 4 – образец

Источники света питаются от безопасного напряжения в 5 В. Сигнал регистрируется цифровым  милливольтметром на 2000 мВ.

Методика выполнений измерений

Для выполнения измерений лоска  какой - либо поверхности необходимо выключить питание источника  света и установить переключатель милливольтметра в положение 2000 мВ. Измерить последовательно:

1. Показание прибора, когда образцом служит чёрный бархат. Это и есть значение темнового тока фотоприёмника – U1

2. Показания прибора, когда образцами служат стандартные образцы молочного и серого стёкол марки МС – 20, ОНС – 1, ОНС – 2, ОНС – 3, ОНС – 4. Одна сторона стандартного образца отполированная, а другая матовая. Соответственно, от полированной поверхности свет отражается зеркально, а от матовой поверхности диффузно.

Измерить показания блескометра, устанавливая образцы полированной стороной по направлению к падающему световому лучу. Измерения провести по 3 раза для каждого образца и записать в протокол по прилагаемой формуле 1.

Измерить на денситометре “Дон” оптическую плотность тех же стандартных образцов, которые измерялись на блескометре. Измерения так же провести для глянцевой стороны стандартного образца. Повторить измерения на денситометре 3 раза. Результат записать в протокол по форме 1.

Измерения отражения полированной стороны стандартных образцов.

По результатам измерений найти среднее значение для каждой величины, для всех стандартных образцов по формуле

где X – показания блескометра или показания денситометра “Дон” Для чёрного и молочного стёкол найти среднее квадратическое отклонение по формуле

Записать результат измерения как

где 3 – коэффициент Стьюдента для трёх измерений при доверительной вероятности 0,9 (90%). Провести измерения на блескометре и на денситометре для матовых поверхностей стандартных образцов по аналогичной схеме.  Результаты записать в таблицу по прилагаемой форме 2. Форма 2

Для результатов измерений матовой стороны стандартных образцов также найти среднее значение по формуле 6 и среднее квадратическое отклонение по формуле 7. Записать результат измерений в виде

для матовой стороны всех стандартных образцов. Найти значение сигнала с блескометра, соответствующего 100% лос-ку, т.е. разность фототока блескометра при установке чёрного полирован-ного стекла и сигнала соответствующего темновому току блескометра

Найти значение сигналов с блескометра, соответствующих полиро-ванным и диффузным отражающим поверхностям стандартных образцов. Результат записать в таблицу по форме 3 Сигналы с блескометра, соответствующие отражению от различных стандартных образцов.

Найти глянец (лоск) поверхностей стандартных образцов по ГОСТ – 21 – 61 по формулам:

 где ГП – лоск глянцевой поверхности, МП – лоск матовой поверхности.

На основании результатов измерений блескометром и денситомет-ром сделать вывод об обоснованности определения лоска по ГОСТ 12921 – 61 для зеркально и диффузно отражающих поверхностей.