光沢（光学）

光沢は、表面が鏡面（鏡のような）方向に光をどれだけよく反射するかを示す光学特性です。これは、物体の外観を表す重要なパラメータの 1 つです。光の通常の反射や拡散反射、透過の知覚に関連するその他の外観カテゴリは、光沢を含む 3 つの変数を持つ順序システムでセシアの概念に基づいて整理されています。光沢に影響を与える要因は、材料の屈折率、入射光の角度、表面の地形です。

見かけの光沢は、拡散反射（他の方向に散乱する光の量）と比較して、鏡面反射（表面から反射される光が入射光に対して等量かつ対称な角度で反射する）の量によって決まります。

光が物体を照らすと、さまざまな方法で物体と相互作用します。

• その中に吸収される（主に色の原因となる）
• 透過する（表面の透明度と不透明度に依存）
• そこからまたは内部で散乱する（拡散反射、ヘイズ、透過）
• 鏡面反射（光沢）

表面の質感の変化は、鏡面反射のレベルに直接影響します。滑らかな表面、つまり高度に磨かれた表面や、顔料が細かく分散されたコーティングが施された物体は、大量の光が鏡面方向に反射するため、目には光沢があるように見えますが、粗い表面は光が他の方向に散乱するため鏡面光を反射せず、くすんで見えます。これらの表面の像形成品質ははるかに低く、反射はぼやけて歪んで見えます。

基板の材質の種類も表面の光沢に影響します。プラスチックなどの非金属材料は、光が材料に吸収されるか、材料の色に応じて拡散散乱されるため、より大きな照射角度で照射されると、反射光のレベルが高くなります。金属にはこの影響がなく、どの角度でも反射光が高くなります。

フレネルの公式は、入射角 での強度の非偏光光の鏡面反射率 を与え、強度 の鏡面反射ビームの強度 を与え、表面試料の屈折率は です。 ${\displaystyle R_{s}}$ ${\displaystyle I_{0}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle I_{r}}$${\displaystyle m}$

フレネル方程式は次のように与えられます。${\displaystyle R_{s}={\frac {I_{r}}{I_{0}}}}$

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

表面粗さは鏡面反射率に影響します。可視周波数では、マイクロメートル範囲の表面仕上げが最も重要です。右の図は、特徴的な粗さの高さの変化を持つ粗い表面での角度による反射を示しています。表面の隆起の上部と下部から反射された光線の経路差は次のとおりです。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle \Delta h}$

${\displaystyle \Delta r=2\Delta h\cos i\;}$

光の波長が のとき、位相差は次のようになります。 ${\displaystyle \lambda}$

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

が小さい場合、2 つのビーム (図 1 を参照) はほぼ同位相となり、干渉が強め合うため、試料表面は滑らかであるとみなすことができます。しかし、の場合には、ビームは同位相ではなくなり、干渉が弱め合うため、互いに打ち消し合うことになります。鏡面反射光の強度が低いということは、表面が粗く、光が他の方向に散乱していることを意味します。中間の位相値を滑らかな表面の基準とすると、上記の式に代入すると次のようになります。 ${\displaystyle \Delta \phi \;}$${\displaystyle \Delta \phi =\pi \;}$${\displaystyle \Delta \phi <\pi /2}$

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

この滑らかな表面状態はレイリー粗さ基準として知られています。

光沢の知覚に関する最も初期の研究は、1914 年に紙の光沢の影響を調べたLeonard R. Ingersoll ^{[1] [2]によるものとされています。 [一次資料以外が必要]}機器を使用して光沢を定量的に測定することにより、Ingersoll は、鏡面反射では光が偏光するのに対し、拡散反射では光が非偏光であるという理論に基づいて研究を進めました。Ingersoll の「グレアメーター」は、入射角と視野角が 57.5° の鏡面幾何学形状でした。この構成を使用して、偏光フィルターを使用して全反射率から鏡面成分を差し引くコントラスト法を使用して光沢を測定しました。

1930年代のAH Pfundの研究^[3]では、鏡面光沢は光沢の基本的な（客観的な）証拠であるが、実際の表面の光沢のある外観（主観的）は、鏡面光沢と周囲の表面領域の拡散光とのコントラスト（現在では「コントラスト光沢」または「光沢」と呼ばれている）に関連していると示唆されている。^{[非一次ソースが必要]}

同じ光沢の黒と白の表面を視覚的に比較すると、鏡面反射ハイライトと黒の周囲とのコントラストが白の表面と周囲とのコントラストより大きいため、黒の表面の方が常に光沢があるように見えます。Pfund は、光沢を正しく分析するには複数の方法が必要であることを初めて提案しました。

1937年、RSハンター^[4]は光沢に関する研究論文の中で、見かけの光沢を表す6つの異なる視覚基準を説明しました。^{[一次資料以外が必要]}次の図は、入射光線I、鏡面反射光線S、拡散反射光線D、およびほぼ鏡面反射光線Bの関係を示しています。

• 鏡面光沢 – ハイライト部分の明るさと輝きの知覚

表面に入射する光と等しいが反対の角度で表面から反射される光の比率として定義されます。

• 光沢 – 低い角度で知覚される光沢

斜入射角と視野角における光沢として定義される

• コントラスト光沢 – 鏡面反射と拡散反射の領域の知覚される明るさ

鏡面反射光と表面に対して垂直に拡散反射した光の比として定義されます。

• ブルームの欠如 - 鏡面反射方向付近の反射で知覚される曇り

鏡面反射光に隣接するヘイズまたは乳白色の外観の欠如の尺度として定義されます。ヘイズはブルームの欠如の逆です。

• 画像の光沢の明瞭さ - 表面に映る画像の明瞭さによって識別されます

鏡面反射光の鮮明さとして定義される

• 表面の質感の光沢 - 表面の質感と表面の傷がないことで識別されます

目に見える質感と欠陥（オレンジピール、傷、内包物など）の観点から見た表面の均一性として定義されます。

したがって、鏡面反射角で明確に定義された鏡面反射率を持つ表面は、非常に光沢があるように見えます。表面に映る画像の認識は、ぼやけて見えたり、コントラストが低く見えたりすることで低下する可能性があります。前者は画像の鮮明さの測定によって特徴付けられ、後者はヘイズまたはコントラスト光沢によって特徴付けられます。

ハンター氏は論文の中で、光沢の測定における 3 つの主な要素の重要性についても指摘しています。

• 鏡面方向に反射される光の量
• 光が鏡面方向に広がる量と方法
• 鏡面反射角の変化による鏡面反射の変化

彼は研究のために、そのタイプの初期の光電式方法のほとんどと同様に、45°の鏡面角度を持つ光沢計を使用しましたが、その後の1939年のハンターとDBジャッドによる研究^[5]では、より多くの塗装サンプルを対象に、視覚的な観察と最も近い相関関係を提供するには60度の幾何学的角度が最適であると結論付けられました。^{[非一次ソースが必要]}

光沢測定の標準化は、ハンターと ASTM (米国材料試験協会) が主導し、1939 年に鏡面光沢の標準試験方法 ASTM D523 を作成しました。これには、鏡面角度 60° で光沢を測定する方法が組み込まれました。この標準の後の版 (1951 年) には、デュポン社で開発された高光沢仕上げを評価するための 20° での測定方法 (ホーニングとモース、1947 年) と 85° (マット、または低光沢) での測定方法が含まれていました。

ASTM には、特定の業界での適用を目的として設計された光沢関連の規格が他にも多数あり、その中には、現在主に艶出しセラミック、ポリエチレン、その他のプラスチックフィルムに使用されている古い 45° 法も含まれます。

1937年、製紙業界では75°鏡面光沢法を採用しました。この角度では、コートされた本の用紙の分離が最も良好だったためです。^[6]この方法は、1951年にパルプ製紙産業技術協会によってTAPPI法T480として採用されました。

塗料業界では、鏡面光沢度の測定は国際規格 ISO 2813 (BS 3900、パート 5、英国、DIN 67530、ドイツ、NFT 30-064、フランス、AS 1580、オーストラリア、JIS Z8741、日本も同等) に従って行われます。この規格は、作成方法が異なりますが、基本的に ASTM D523 と同じです。

1960年代にティングル、^{[7] [8]}ポッター、ジョージが行った研磨された金属表面と陽極酸化アルミニウムの自動車用トリムの研究により、高光沢表面の光沢測定法がゴニオフォトメトリーによってASTM E430として標準化されました。この規格では、画像の光沢と反射ヘイズの鮮明さを測定する方法も定義されています。

• 光学トピックス一覧
• 画像の鮮明さ

• Koleske, JV (2011)。「パート 10」。塗料およびコーティング試験マニュアル。米国: ASTM。ISBN 978-0-8031-7017-9。

• ミーテン、GH（1986）。ポリマーの光学特性。ロンドン：エルゼビア応用科学 。pp.326-329。ISBN 0-85334-434-5。

• PCI マガジンの記事: 光沢測定の信頼性はどの程度ですか?
• NPL: 光沢の測定に関する適正実施ガイド