Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптические свойства полиграфических материалов и продуктов. Учебное пособие
.pdf
Яркость (brightness) – колориметрическая величина, измеренная при
стандартных условиях. Методы и приборы для измерения яркости описаны
в стандарте ISO 2469. Этот стандарт предусматривает определенные
требования к измерительным приборам. Например, прибор должен
создавать диффузное освещение, образуемое оптической сферой (рис. 11),
и исключать влияние глянца.
Рис. 11. Схема прибора с геометрией измерения d/0º
Таким образом, приборы, используемые в стандарте ISO 2469, имеют
геометрию измерения d/0º. Геометрия d/0º создается в сфере, покрытой
изнутри сульфатом бария (BaSO
). Образец помещают напротив отверстия
4
в сфере, а светочувствительный элемент располагают перпендикулярно
образцу. Излучатель экранируется так, чтобы ни чувствительный элемент,
ни образец не были освещены лампой напрямую, т. е. образец освещается
только рассеянным (отраженным от внутренней поверхности) светом:
символ «d» означает «диффузное отражение». Следовательно, геометрия
d/0º означает, что освещение рассеянное (d), а измерение осуществляется
перпендикулярно образцу (0°).
Измерения отражения производят также при измерении цвета не
только в полиграфии и целлюлозно-бумажной промышленности, но и в
живописи, текстильной и автомобильной промышленности. Приборы для
21
измерения цвета часто имеют другую геометрию, а именно 45º/0º (рис. 12).
Это означает, что образец освещается под углом в 45º, а измерение
осуществляется перпендикулярно плоскости (есть также приборы с
геометрией d/8º). Преимущество геометрии 45º/0º состоит в том, что она
исключает влияние глянца, но недостаток заключается в разнице
показаний, измеренных вдоль и поперек волокон (т. е. цифры в MD и CD
будут разными!). В США методы TAPPI используют геометрию 45º/0º.
Рис. 12. Геометрия измерения 45º/0º
Измерение направленной яркости (45º/0º) было впервые выполнено
IPC (Institute of Paper Chemistry) – Институтом химии бумаги в 1931 г.
Измерения проводили с помощью прибора фирмы General Electric (GE),
имеющего геометрию 45º/0º. Метод был стандартизован как TAPPI T452 в
1945 г. Получаемые с его помощью значения до сих пор называют GEяркость или яркость TAPPI. В 50-х гг. распространились приборы Zeiss
Elrepho, и измерение яркости по d/0º
было
принято в Скандинавии (SCAN-
test). Его немного пересмотрели из-за использования окиси магния (MgO)
вместо сульфата бария (BaSO4). Канадская промышленность тоже имеет
свой стандарт яркости, основанный на d/0º-геометрии и согласующийся со
стандартом ISO: это так называемая яркость CPPA. Этот стандарт
используется и в США как TAPPI T525. Чтобы понять, к какой яркости
22
относятся те или иные измерения, необходимо ориентироваться во всех
Направленная яркость TAPPI T452
(геометрия 45º/0º)
Диффузная яркость ISO 2470
(геометрия d/0º)
Яркость GE
Яркость Elrepho
Яркость по IPC
Яркость по ISO
Яркость CPPA
названиях, что зачастую довольно сложно (табл. 4).
Таблица 4
Обозначения методов измерения яркости
Прямого метода пересчета одних измерений в другие не существует.
Разница обычно составляет не более 2 %, хотя исключения также
возможны.
Например, для чистоцеллюлозной мелованной бумаги массой 100 г/м
опубликованы следующие данные по яркости:
яркость по ISO 92,3 %;
яркость D65 (CIE) 98,6 %;
яркость TAPPI 92,8 %.
2
Важно понимать, что синее свечение оптического отбеливателя
(люминофора) влияет на величину яркости, если прибор не оснащен
специальным УФ-фильтром, который устраняет это свечение («отсекает
ультрафиолет»). По этой причине значение яркости часто различно для
разных приборов. Стандарт ISO 2470 не рекомендует измерять яркость
флуоресцирующих материалов, но все же предусматривает это с помощью
использования источника С. Таким образом, существуют три значения
яркости для флуоресцирующих материалов:
яркость С (как яркость по ISO 2470);
яркость D65 (с учетом УФ-составляющей);
яркость при вычитании УФ-составляющей.
23
Стандарты используют геометрию d/0º, однако методы TAPPI
включают также и геометрию 45º/0º.
Примечание. Источники типа А, В, С и D65 приняты CIE в качестве стандартных
для колориметрии.
Стандартный источник А, воспроизводящий условия искусственного
освещения лампами накаливания, определяется как источник в видимой области
спектра, имеющий относительную спектральную плотность излучения такую же, как
черное тело при цветовой температуре 2856 К.
Стандартный источник В, воспроизводящий условия прямого солнечного
освещения, имеющий относительную спектральную плотность излучения в видимой
области спектра такую же, как черное тело при цветовой температуре 4870 К.
Стандартный источник С, воспроизводящий условия освещения рассеянным
дневным светом, имеющий относительную спектральную плотность излучения в
видимой области спектра такую же, как черное тело с цветовой температурой 6770 К.
Стандартный источник D, воспроизводящий условия освещения
усредненным дневным светом, имеющий относительную спектральную плотность
излучения в видимой области спектра. Цветовая температура источника D
определяется несколькими значениями: 6500, 5500, 5000 К (для этого используется
индекс: D65, D55, D
D. В частности, источник D65 определен в ГОСТ как источник для измерения цвета
люминесцирующих образцов.
Кроме рассмотренных стандартных источников A, B, C и D, в колориметрии
используется и понятие равноэнергетического источника Е с равномерным
распределением энергии по длинам волн.
). В различных областях могут использоваться разные источники
50
Из-за сложности интерпретации оптических характеристик бумаги и
картона производители и поставщики этих материалов в последнее
время указывают обе характеристики – и белизну, и оптическую
яркость.
24
Светопроницаемость, прозрачность и непрозрачность
Вернемся к равенству (1) и рассмотрим две другие его составляющие:
свет поглощенный и свет прошедший.
Способность тела пропускать свет называется светопроницаемостью.
Она определяется в проходящем свете. Частным случаем
светопроницаемости является прозрачность, т. е. пропускание света без
рассеяния. Если световые лучи, проходя через слой материала, выходят из
него параллельно, этот материал кажется прозрачным. Примером
прозрачного тела является стекло, а прозрачной бумаги – калька. По
отношению к бумаге прозрачностью называют степень видимости через
бумагу в отраженном свете знаков и рисунков, нанесенных на подложке,
на которой бумага находится в данный момент. Желательно, чтобы
печатная бумага была непрозрачной, следовательно, светопроницаемость –
недостаток бумаги, и при производстве ее стремятся снизить. На практике
вместо светопроницаемости пользуются условным и обобщенным
показателем непрозрачности, определяемым в отраженном свете:
(9)
где Н – непрозрачность, %;
ρ
– коэффициент отражения бумаги (от верхнего листа
б
светонепроницаемой стопки из пяти образцов);
ρ
– коэффициент отражения от единичного листа, положенного на
ч
черную подложку.
Для бумаги непрозрачность должна быть не менее 80%.
Непрозрачность (opacity) по-разному стандартизована в Европе и в
США. Например, в стандарте TAPPI T425 непрозрачность рассчитывается
по формуле:
H
= 100 %, (10)
TAPPY
25
где ρ
Материал
Показатель преломления
Воздух
1,00
Вода и лед
1,30
Стекло
1,50
Целлюлоза
1,53
Крахмал
1,53
Гипс
1,53
Каолин
1,57
Химический мел (осажденный) CaCO
3
1,61
Сульфат бария (бланфикс) BaSO4
1,64
Оксид цинка ZnO
2,00
Диоксид титана TiO
2
2,62
– коэффициент отражения для одного листа, положенного на белое
0,89
основание с коэффициентом отражения 0,89;
ρ
– коэффициент отражения от единичного листа, положенного на
ч
черную подложку.
Здесь используется стандартный источник А и геометрия 15º/d.
Особое внимание на непрозрачность обращают при изготовлении
тонкой бумаги, поскольку с уменьшением толщины непрозрачность тоже
падает. Доказано, что с повышением толщины бумаги непрозрачность
растет в геометрической прогрессии! Для повышения непрозрачности
подбирают композицию волокнистых материалов (древесная масса лучше
целлюлозы), комбинируют степень помола (нужен тощий помол), вводят
наполнители, рассеивающие свет, особенно диоксид титана (табл. 5).
Таблица 5
Показатели преломления различных материалов
Следует помнить, что крахмальная проклейка и чрезмерное
каландрирование повышают прозрачность бумаги.
Каков же механизм повышения прозрачности бумаги? Почему рыхлая
пористая бумага – всегда более непрозрачная, чем плотная? Здесь главную
26
роль играет воздух. Несмотря на высокую светопроницаемость воздуха
(n = 1,00), его пузырек в бумаге нарушает оптическую однородность среды, и
бумага становится менее светопроницаемой (более непрозрачной). Точно так
же пузырек воздуха в оконном стекле делает стекло в этом месте
непрозрачным. Чем выше плотность бумаги и чем больше вытеснен воздух из
ее толщи, тем прозрачнее будет лист (прозрачную чертежную кальку
получают уплотнением пергамина – бумаги из целлюлозы жирного помола – в
суперкаландре). Еще больше возрастает прозрачность бумаги, если ее
пропитать маслом или керосином, коэффициент преломления которых близок
коэффициенту преломления целлюлозы: у целлюлозы n = 1,53, у
минерального масла n = 1,48–1,50. При этом вследствие вытеснения из бумаги
воздуха создается оптически однородная среда.
Почему же минеральные наполнители, имеющие коэффициент
преломления, близкий к целлюлозе, не повышают прозрачность бумаги,
например гипс с показателем преломления 1,53? Минеральные
наполнители, повышая пористость бумаги, повышают и содержание в ней
воздуха, следовательно, создают оптическую неоднородность среды. А
крахмал (n = 1,53) наоборот повышает прозрачность, так как способствует
получению прочной бумаги с сомкнутой структурой. При усадке такой
бумаги воздух вытесняется, и бумага становится более прозрачной.
Диоксид титана (n = 2,62) наиболее сильно рассеивает свет. Добавление
его в бумагу в количестве 1 % эквивалентно добавке 10–20 % мела или
каолина в отношении повышения непрозрачности!
Непрозрачность печатной бумаги должна находиться в пределах:
для текстовой продукции не менее 93–94 %;
для иллюстрационной продукции не менее 97–98 %.
Это не относится к классу тонких бумаг, у которых непрозрачность
может быть существенно ниже (но не менее 80 %).
27
Для этикеточных бумаг влагостойких сортов важна также
0
dF
l
dF
0
dF
l
dF
dl
)(0dFd
dldFdFd
00
)()(
)(
l
l
edFdF
)(
0
l
l)(
)(
)(
l
dlllD
0
),()(
непрозрачность в увлажненном состоянии.
Оптическая плотность
При падении светового потока
на тонкий слой dlоднородного
поглощающего вещества часть потока поглощается этим слоем, а часть
выходит из него.
Для бесконечно тонкого слоя
где
– коэффициент поглощения.
убыль потока
равна:
, (11)
После интегрирования по l от 0 до lполучим:
(12)
Это выражение носит название закона Бугера–Ламберта для
однородной среды конечной ширины
и, вообще говоря, для
монохроматического излучения (т. е. для определенной длины волны).
Выражение
носит название оптической плотности D. Оптическая
плотность безразмерна, поскольку
Если среда неоднородна, то коэффициент поглощения
имеет размерность [см–1], а l – [см].
будет
зависеть от l. В этом случае оптическая плотность среды будет выражаться
интегралом:
. (13)
Значение коэффициента поглощения не одинаково для различных длин
волн. Прозрачными называются тела, для которых коэффициент поглощения
28
мал для всей области видимого спектра. Тела, для которых зависимость
)(
)(
)(
l
l
е
dF
dF
)(
0
)(
)()(
)(
Dl
ее
)(
1
ln)(ln)(D
xx
е
434,0
10
ll
е
)(434,0)(
10)(
0D
1,0
1D
01,0
2D
001,0
3D
коэффициента поглощения от λ выражена сильно, называются селективно
поглощающими и визуально имеют цвет. Тела, для которых коэффициент
практически постоянен для всей видимой области, называются серыми
или нейтральными поглотителями. Типичные значения
тел находятся в диапазоне 10
–1
10–5 см
, для обычных прозрачных стекол
–5
–10–2 см–1 (для воздуха при λ = 400 нм )( = 2
= 2 10–3 см–1).
для прозрачных
Из выражения закона Бугера–Ламберта можно получить связь между
коэффициентами поглощения и пропускания . Для монохроматической
длины волны λ:
, т. е.
;
или
. (14)
На практике пользуются не натуральным логарифмом для выражения
оптической плотности, а десятичным, пользуясь соотношением
. (15)
:
Значение 0,434α(λ) обозначают как новое значение α΄(λ) и используют
его в практических расчетах и при измерениях (в измерительных
приборах – денситометрах – вводится соответствующая поправка).
Применение десятичного логарифма вместо натурального связано с
большей наглядностью и удобством на практике. Так, пропускание 1
(100 %) соответствует оптической плотности
(10 %) соответствует оптической плотности
(1 %) соответствует оптической плотности
(0,1 %) соответствует оптической плотности
29
,
;
;
и т. д.
При наличии нескольких слоев светопоглощающего вещества с
1
l
2
l
1
2
1
2
l
l
D
D
коэффициентами пропускания τ1, τ
коэффициента пропускания можно использовать выражение τ
т. е. DΣ = D1 + D2 +…+ D
, откуда следует аддитивность оптических
n
τ
… τ
2,
для определения суммарного
3
n
Σ
–(D1+ D1+… Dn)
= 10
плотностей: при наложении оптических сред их оптические плотности
складываются. А при переходе от одной толщины поглощающего слоя
другой
мы будем иметь соотношение:
к
.
Все вышеизложенное справедливо для сред, состояние которых
удовлетворяет условиям выполнимости закона Бугера–Ламберта. Однако
эти выражения можно распространить и на конечную область видимого
диапазона, если модифицирующие свойства среды (как было отмечено
выше) не зависят в этой области от длины волны, т. е. являются
нейтрально-серыми или нейтральными.
Пластины из оптических материалов, ослабляющих поток излучения
(если коэффициент поглощения не зависит от λ) или изменяющих
спектральный состав проходящего через них излучения (при зависимости
,
коэффициента поглощения от λ), называются светофильтрами
(нейтральными или цветными, соответственно). В качестве светофильтров
используются чаще всего оптические стекла.
1.2. Понятие о теории Гуревича–Кубелки–Мунка
Теория Гуревича–Кубелки–Мунка (ГКМ) играет центральную роль в
оптике бумаги, а также в лакокрасочной промышленности, где ее
используют для расчета смесей цветных пигментов. Бумажники
пользуются ею при прогнозировании оптических свойств бумаги
различного композиционного состава.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]