Влияние шероховатости поверхности и условий освещения на цветовые характеристики объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Г6 ОД

/ / ФЕВ 2003

Макаренко Олексій Володимирович

УДК 535.65+535.663+535.668.6

ПЛИВ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ ТА УМОВ ОСВІТЛЕННЯ НА КОЛІРНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБ’ЄКТІВ

01.04.05 — оптика, лазерна фізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Робота виконана на кафедрі оптики фізичного факультету Київського національног університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник -

Офіційні опоненти:

Провідна установа ■

доктор фізико-математичних наук, професор кафедри оптик фізичного факультету Київського національного університет імені Тараса Шевченка ШАЙКЕВИЧ Ігор Андрійович

доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач відділ функціональної оптоелектроніки Інституту фізик напівпровідників НАН України ІПИРШОВ Юрій Михайлович

доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедр експериментальної фізики фізичного факультету Київськог національного універсіггету імені Тараса Шевченка СЛОБОДЯНЮК Олександр Валентинович

Чернівецький національній ушверсігтет Імені Юрія Федькович; м. Чернівці

Захист відбудеться 26 лютого 2001 року о 16 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03127, м.Київ, пр-т Глушкова, 6.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету ім. Тараса Шевченка за адресою: 01033, м.Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий______січня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми

На сьогоднішній день колориметричні вимірювання знаходять широке застосування в айрізноманітніших галузях людської діяльності: дизайн, поліграфія, контроль

ехнологічних процесів, космічні дослідження, виробництво комп’ютерної техніки. Сам по обі колір не зводиться до чисто фізичних або чисто психофізіологічних явищ. Він являє обою деяку характеристику світлової енергії (фізика) через посередництво зорового прийняття (психофізіологія). Це означає, що при визначенні кольору необхідно враховувати к параметри світлового потоку, що потрапляє в око, так і фізіологічні особливості самого ка.

Найважливішою фізичною характеристикою, яка зумовлює колір зразка слід вважати ого спектральний коефіцієнт відбивання (СКВ). Цей коефіцієнт визначається як ідношення світлового потоку, який розсіяний зразком до світлового потоку, що розсіяний талоном при тих самих умовах освітлення та спостереження розсіяного світла (УОСРС). В агальному випадку це відношення змінюється при зміні УОСРС. Необхідність тандартизації при визначенні кольору привела до затвердження Міжнародною комісією по світленню чотирьох стандартних схем (геометрій) для вимірювання СКВ, що привело до яду недоліків: зразок описується чотирма різними коефіцієнтами відбивання між якими уже складний аналітичний зв’язок; з’являються випадки, коли колір об’єкта не узгоджується жодним із чотирьох значень; спостерігаються розходження в межах однієї і тієї ж схеми ри деякій її модифікації. ’

Для більшості об’єктів розсіяння світла відбувається як в їхній товщі, так і на їхній юверхні. Розсіяння на поверхні значною мірою визначається її шорсткістю. Хоча в ітературі і зустрічаються відомості про вплив шорсткості поверхні зразків на їхній колір, іроте досі цей вплив не являвся об’єктом детального вивчення. Зокрема, остаточно не становлено в якій мірі зміни в СКВ при дифузному освітленні зразка зумовлені розсіянням :а поверхні, а в якій мірі - розсіянням в товщі зразка. В той же час, співвідношення між іими двома видами розсіяння впливає на вимірювані колориметричні характеристики:

Визначення СКВ для довільних УОСРС - складна задача, яка пов’язана з реєстрацією утового розподілу розсіяного зразком випромінювання з подальшою інтерполяцією ітриманих даних. Необхідна кількість гоніофотометричних вимірювань обчислюється исячами, що суттєво обмежує застосування цього методу в практиці колориметрії.

Альтернативним методом при визначенні СКВ являється застосування теоретични моделей для описання світлорозсіюючих властивостей зразка. Цей підхід дозволяє п незначній кількості гоніофотометричних вимірювань встановити числові значени параметрів моделі, а отже, визначити СКВ для будь-яких УОСРС.

На сьогоднішній день, існує велика кількість моделей світлорозсіяння. Однак, жодна цих моделей не дає змогу отримати кутовий розподіл розсіяного випромінювання достатньою точністю за короткий час. Таким чином, створення теоретичних моделей ді використання в практиці колориметрії, які будуть вільні від вказаних недоліків являєтьі актуальною задачею, вирішення якої дозволить позбавитись недоліків, що викпика застосуванням чотирьох стандартних геометрій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконувалась в рамках теми №97022 (номер держ. реєстрації 01971100331 „Вплив шорсткості поверхні та надтонких адсорбованих шарів на оптичні і магнітооптич властивості та електронну структуру масивних металів і сплавів, тонких металевих плівс що використовуються як носії оптичної інформації”.

Мстою роботи було з’ясування впливу розсіяння світла на шорсткій поверхні УОСРС на колориметричні характеристики зразків, тобто визначення ряду фізичних причі які впливають на колориметричні характеристики.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані наступні задачі дисертаційі роботи:

• Розробити для слабко та сильнопоглинаючих об’єктів математичні моделі, які зда: описати особливості розсіяння світла як на шорсткій поверхні зразка, так і в його товщі

• На прикладі зразків паперу, як слабкопоглинаючих об’єктів, дослідити залежність їхі колориметричних характеристик, зокрема показника білизни, від шорсткості поверхні УОСРС.

• Дослідити залежність параметрів кольору металевих зразків (сильнопоглинаючі об’єк від шорсткості їхньої поверхні та УОСРС.

• Встановити, в якій мірі збудження поверхневих поляритонів на шорстких металеї поверхнях впливає на колір останніх. Порівняти зміни в кольорі за рахуі поляритонного поглинання зі змінами, що викликані дифракційно-інтерференційна ефектами.

Розробити експериментальну установку для вимірювання кутового розподілу розсіяного випромінювання.

Розробити моделі, методи та алгоритми, які б дозволили за результатами незначної кількості гоніофотометрнчких вимірювань визначити СКВ для довільних УОСРС. Співставити результати розрахунків з експериментальними даними, які отримані при відомих УОСРС.

Наукова новизна одержаних результатів

Розглянуто фізичні причини залежності кольору зразка як від УОСРС, так і від шорсткості його поверхні. Дістало подальший розвиток дослідження впливу на колір об’єкта процесів розсіяння світла в його товщі та на його поверхні.

Вперше досліджено вплив поляритонного поглинання на колір металевих зразків з шорсткими поверхнями. Встановлено, що зміна кольору металів із-за поляритонного поглинання може перевищувати зміни в кольорі за рахунок дифракційно-інтерференційних явищ.

Вперше розроблено теорію, що описує кутовий розподіл випромінювання, яке розсіюється слабко поглинаючим зразком з гладкою (полірованою) поверхнею.

Вперше кількісно досліджено вплив шорсткості поверхні зразка на його колірні характеристики та білизну. Відокремлено ефекти, які викликані розсіянням світла на поверхні зразка від ефектів, що зумовлюються розсіянням в товщі зразка.

Підтверджено дані щодо асиметрії розсіяння світла зразками, які використовуються в якості робочих фотометричних еталонів. Обгрунтовано необхідність та запропоновано шляхи створення теорії, яка б дала можливість описати кутовий розподіл світла, що розсіюється такими зразками.

Практичне значення отриманих результатів

Створено теорію, методику вимірювання та алгоритми розрахунку, які можуть бути використані для гоніофотометричної калібровки зразків з полірованими (гладкими) поверхнями.

Дано пояснення цілому ряду протиріч, які мають місце при порівнянні візуальних колірних оцінок з результатами вимірювання кольору на спектрофотометрах зі стандартизованими УОСРС.

« Усунення неоднозначності у визначенні СКВ при різних УОСРС дозволить значно кращі дослідити як психофізіологічні механізми сприйняття кольору, так і сукупність ефектів які викликані змінами у спектральному складі випромінювання, що освітлює зразок.

• Методичні розробки, одержані в рамках роботи, впроваджені в лабораторний практику» „Оптоелектронні прилади” на фізичному факультеті Київського національноп університету імені Тараса Шевченка і можуть бути впроваджені в інших вузах (легкої деревообробної та ін. промисловостей ).

Особистий внесок здобувана полягає у складанні експериментальної установки проведенні експериментів по дослідженню кутового розподілу розсіяного випромінювання; обробці експериментальних результатів та участі в їхній інтерпретації; участі у створенії теоретичних моделей та самостійному проведенню розрахунків в рамках цих моделеі2 визначальної участі у підготовці та представленні доповідей на конференціях; в написанні т підготовці до друку наукових статей.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 11-ой науч техн. конф. „Фотометрия и ее метрологическое обеспечение” (Москва, 17-19 грудн 1996 p.), XIII Національній школі-семінарі з міжнародною участю „Спектроскопі молекул і кристалів” (Суми, 20-26 квітня 1997 p.), Першій Міжнародній конфереиц „Релаксаційні явища конденсованого стану речовини” (Полтава, вересень, 1998 p.), XI International School-Seminar „Spectroscopy of molecules and crystals" (Одеса, 7-12 червн 1999 p.), наук.-практ. конф. з міжн. участю „Проблеми оптики та її освітнього аспекту і порозі 3-го тисячоліття” (Київ, 5-6 жовтня, 1999 p.), міжнародній науковій конферені. „Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electrons (OPTDIM’ 99)” (Київ, 7-9 жовтня, 1999 p.).

Публікації

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, у тому числі статей (з них 6-у фахових журналах) та тези 5-х доповідей на наукових конференціях семінарах.

Структура та обсяг роботи

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та спис використаних джерел. Вона викладена на 127 сторінках, включає в себе 44 рисунки, таблиць та список використаних джерел з 97 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, вибір напрямків та методів юсліджень, сформульовано мету та задачі роботи, наведено основні результати дослідження, іідображено їхню наукову новизну та практичне значення.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних з колориметрії, а також іжерел, які описують розсіяння світла на шорстких поверхнях та у випадково-неоднорідних :ередовшцах.

Розглянуто основні колориметричні характеристики. Увага більше зосереджена на ЖВ, який описує спектрофотометричні особливості зразка, ніж на розподілі енергії в пектрі джерела світла та функціях, які описують психофізіологічні аспекти колірного зору. Заводяться чотири стандартні схеми (геометрії), які рекомендовані Міжнародною комісією [О освітленню для визначення СКВ, обговорюються причини, що привели до їх атвердження. Зроблено висновок про те, що застосування чотирьох стандартних УОСРС іри визначені СКВ не дозволяє в повній мірі передбачати зміни кольору при зміні умов ісвітлення та спостереження.

Проведено аналіз літературних даних щодо розсіяння світла шорсткими поверхнями, ’озглядаються способи математичного описання шорстких поверхонь і введення таких їх іарактеристик, як середньоквадратична висота та радіус кореляції нерівностей. Серед іетодів, що описують розсіяння світла на шорстких поверхнях обговорюються наближення 'елея та Кірхгофа, вказується на межі їх застосування. Описується фізичний механізм будження поверхневих плазмон-поляритонів на шорстких поверхнях. Показано, що ’ясування впливу на колір металів явищ дифракції та інтерференції, з одного боку, та оляритонного поглинання, з іншого, потребують окремого дослідження, яке було виконано наступних розділах дисертації.

Наведено загальні відомості по розсіянню світла в каламутних середовищах. Детально озгяянута теорія переносу. Приділено увагу методам розв’язку інтегро-диференційного івняння переносу. Окремо обговорюється двопотокове наближення (теорія) Гуревича-'.убелки-Мунка та її застосування в колориметрії. Зважаючи на успіхи, які досягнуті в амках теорії Гуревича-Кубелки-Мунка зроблено висновок, про необхідність застосування еорії переносу для описання кутової структури розсіяного зразком світла з метою бчислення СКВ при довільних УОСРС.

У другому розділі досліджено вплив шорсткості поверхні та умов освітлення н; колірні характеристики (зокрема показник білизни) слабкопоглинаючих об’єктів.

Запропоновано теоретичну модель, в якій вважається, що інтенсивність розсіяног зразком світла складається з суми інтенсивностей світла, яке розсіяне на поверхні зразка, т світла, що розсіяне в його товщі. Сам зразок представлено у вигляді нескінченно товстог розсіюючого шару з шорсткою поверхнею.

Розглядаються два типи шорстких, поверхонь, що вкриті нерівностями: а) малими порівнянні з довжиною світлової хвилі; б) великими в порівнянні з довжиною СЕІТЛОВС хвилі. Розсіяння на шорсткій поверхні описується із застосуванням методів Релея т Кірхгофа відповідно. Використано співвідношення між середньоквадратичною висотої нерівностей, радіусом кореляції та довжиною світлової хвилі, яке дає можливість нехтуват явищами затінення та багатократного відбивання на шорсткій поверхні.

Розсіяння в товщі зразка описується за допомогою рівняння переносу. При розрахуй» кутової структури розсіяного світлового поля використовується наближення, яке вперц було застосовано Амбарцумяном та Чандрасекаром. Параметрами цього наближень виступають ймовірність виживання фотона та індикатриса розсіяння елементарного об’єм Як правило, при розв’язанні задач теорії переносу згадана індикатриса записується у вигля нескінченної суми, що відповідає її розкладу в ряд за поліномами Лежандра, запропонованому наближені індикатриса представлена як сума двох перших доданків цьо: ряду, що, з одного боку, дозволяє отримати відносно прості формули, які описують куто; структуру розсіяного світла, а з іншого, накладають певні обмеження на витягнутіс індикатриси (так званий параметр асиметрії індикатриси розсіяння).

Результати розрахунків демонструють зміну колірних характеристик зі зміно шорсткості поверхні, а також відмінність значень, які отримані при різних умов; освітлення. Показано, що основні колірні зміни відбуваються у світлоті зразків, а не в їхн колірності. Абсолютна зміна світлоти при зміні шорсткості незначна. Останнє мож пояснити тим, що основна частина світла розсіюється в товщі зразка, а не на його поверхні.

В розділі розглядаються зміни показника білизни і координат кольору для трь найбільш часто використовуваних з чотирьох існуючих на сьогоднішній день стандарти схем освітлення. Крім цього, показник білизни обчислюється за трьома різними формула», які відповідають новому стандарту КОЛЛБ 11475, старому стандарту ШО 2470, а такі формулі колірних відмін у просторі (Ь, и\ V*). Відзначено характерні зміни показнн світлотн при зміні УОСРС. Приймаючи до уваги, що значення показника світлоти так

(акше присутнє у всіх відомих (більше 100) на сьогоднішній день формулах для визначення оказника білизни, можна стверджувати, що розрахунок за будь-якою з них дасть якісно хожий результат.

Проведені дослідження показали, що суттєве відхилення закону розсіяння для зразків ід закону Ламберта, яке викликане як асиметрією розсіяння в товщі зразка, так і наявністю зеркальної компоненти, приводить до неспівпадання колірних характеристик, які визначені :ри різних умовах освітлення. В ситуації, що склалася, можуть виникати випадки, коли езультати спектрофотометричних вимірювань-не будуть співпадати з даними візуального постереження.

Третій розділ присвячено дослідженню фізичних механізмів зміни кольору сильно оглинаючих об’єктів при зміні шорсткості їхньої поверхні та УОСРС. За такі об’єкти було брано метали: алюміній, мідь та золото.

Відомо, що характерні кольори міді та золота зумовлюються їхніми зонними труктурами та особливостями міжзонних переходів. Були розглянуті металеві зразки, оверхня яких вкрита малими нерівностями (середньоквадратична висота нерівностей менше Онм). В роботі вивчалась зміна координати кольору Yта координат колірності х, у при зміні юрсткості поверхні та кута падіння.

Переважна більшість результатів відповідає УОСРС, коли реєструється дзеркальна омпонента відбитого від поверхні зразка світла, однак деякі результати отримано і для кладової, яка відповідає дифузному розсіянню в напрямку, що відмінний від дзеркального, ітенсивність дзеркально відбитої компоненти визначається широко відомою формулою:

е Іо(<р) - інтенсивність світла, що падає під кутом <р, Щф) - френелівський коефіцієнт ідбивання, а-середньоквадратичне відхилення, а А -довжина хвилі.

При збільшенні шорсткості поверхні завдяки експоненті в (1) відбувалось зменшення оординати кольору У, а також незначна зміна координат колірності зразків х та у, що ідповідас зміщенню колірності в червону область. Поведінка координати кольору У при міні кута падіння головним чином визначається поведінкою френелівсьхого коефіцієнта ідбивання Щф). Що стосується колірності, то при збільшенні кута падіння для,всіх зразків она прямує до колірності джерела світла, яке освітлює зразок. Якщо джерело має білий

(1)

колір, то білий колір буде і у міді та золота при <р -» 90°. Наведено залежності, що кількісно описують це відоме явище.

На наступному етапі було вирішено дослідити, в якій мірі збудження на шорстких металевих поверхнях поверхневих плазмон-поляритонів впливає на колір металів.

З цією метою нами розраховано залежності координат кольору від куга падіння для зразків з: а) ідеально гладкими поверхнями; б) шорсткими поверхнями за методом Релея (формула (і)); в) шорсткими поверхнями із врахуванням збудження на них поверхневих плазмон-поляритонів.

Результати, які отримані для шорстких поверхонь міді та золота з середньоквадратичною висотою нерівностей 3.5 нм і радіусом кореляції 30 нм, наведені на рис.1.

ф, град ф, град

Рис. 1. Залежність координати кольору У міді та золота від кута падіння

Як видно з рис.1, врахування збудження поверхневих поляритонів (крива в) веде д зменшення координати кольору У в порівняні з результатами, які отримані в рамках метод Релея (крива б). Відмінність між ними зростає при збільшенні кута падіння ер. Таким чино!> ефекти, які пов’язані зі зменшенням дзеркальної компоненти внаслідок збудження н шорсткій поверхні метала поверхневих плазмон-поляритонів (навіть при частотах, щ суттєво менші за частоту плазмових коливань), для слабкошорстких поверхонь мають таке:

іажливе значення у формуванні їхніх колірних характеристик, як і ефекти дифракції та нтерференції.

Необхідно відзначити, що отримані результати важливі не тільки для колориметрії. Формула (1) широко застосовується при визначенні шорсткості поверхні безконтактними методами. Те, що вона не враховує поляритонного поглинання може приводити до «правильного визначення середньоквадратнчної висоти нерівностей для шорстких металевих поверхонь.

В четвертому розділі обговорюється питання створення теоретичної моделі та летодики, які б дозволили проводити спєктрогошофотометричну калібровку зразків за )бмеженою кількістю експериментальних даних. Задача полягає в створенні ланцюжка: «значна (порядку 10) кількість кутових вимірювань розсіяного зразком світла -з становлення оптичних характеристик зразка, які фігурують в моделі - розрахунок зозсіяного світлового поля. Це дало б змогу однозначно визначити СКВ при будь-яких УОСРС.

Враховуючи, що найбільш гостро питання про гоніофотометричну калібровку стоїть зля зразків, що реалізують робочі фотометричні еталони, саме вони були обрані нами за об’єкти дослідження. Вивчались еталонні зразки двох різних типів. До першого відносяться іразки скла МС-20 та ОНС з шліфованою (сильно шорсткою) поверхнею, а до другого - скло парки МС-20 з полірованою (гладкою) поверхнею.

Для зразків з шліфованими поверхнями вимірювався кутовий розподіл розсіяного :вітла при кутах падіння 0°, 45° та 60° (площина розсіяння співпадала з площиною падіння). Вимірювання проводились на сконструйованій нами оригінальній установці. Для зразка була збрана теоретична модель, що представляла його у вигляді нескінченно товстого розсіюючого шару, оптичними характеристиками якого являються такі параметри теорії переносу як ймовірність виживання фотона та індикатриса розсіяння елементарного об’єму. Методика визначення цих параметрів полягала у тому, щоб досягти найменшого :ередньоквадратичного відхилення теоретичної кривої від експериментальних значень. Незважаючи на певні успіхи, запропонована методика потребує деякого вдосконалення. Основна проблема полягає в тому, що використане нами наближення Амбарцумяна-Чандрасекара не може бути застосовано для середовищ з сильно витягнутими індикатрисами розсіяння елементарного об’єму. Для таких індикатрис врахування лише двох перших членів розкладу в ряд за поліномами Лежандра виявляється недостатнім. В свою чергу, наближення,

які оперують з більшою кількістю членів розкладу значно ускладнюють визначення оптичних характеристик зразка.

Для зразка з полірованою поверхнею запропонована модель, яка представляє його у вигляді нескінченно товстого розсіюючого шару, що накритий ідеально гладкою поверхнею. Роль шару зводиться до розсіяння та поглинання, а поверхні - до заломлення та пропускання світлового потоку. В розсіяному світлі виділено дзеркальну та дифузну компоненти. Основна увага зосереджена на розрахунку дифузної компоненти. При її обчисленні було враховано, що частина розсіяного в товщі зразка світла, зазнавши відбивання на межі зразок-повітря, знову прийме участь в освітленні зразка. Врахування цих багатократних відбивань дозволило записати дифузну компоненту розсіяного світлового потоку у вигляді нескінченної суми, доданки якої зв’язані рекурентним співвідношенням. Проведені розрахунки, показали, що починаючи з другого доданку, всі наступні являються членами спадаючою геометричної прогресії. Це дало змогу оптимізувати початкову модель, суттєво зменшити час розрахунків із збереженням точності.

Ъ гРад

Рис.2. Залежність коефіцієнта відбивання для зразка молочного скла від кута розсіяння

На рис.2 зображена залежність коефіцієнта відбивання R від кута розсіяння ■ %. 1 -експериментальні дані американських колег (Fairchild M.D., Daoust D.J.O., Peterson J., Bern:

R.S. Absolute Reflectance Factor Calibtation for Goniospectrophotometry // Color Res. & Appl. -1990. - Vol. 15, No. 6. - P.311-320.); 2 - розрахунок в рамках запропонованої теорії (лише дифузна компонента).

Як видно з рис.2, теоретична крива непогано описує експериментальні дані. Деяка розбіжність спостерігається лише при великих кутах розсіяння, які, до речі, не використовуються в практиці фотометрії. Незважаючи на необхідність порівняння результатів теорії з більшою кількістю експериментальних даних, особливо у випадках , коли площини падіння та розсіяння не співпадають, запропонована модель може бути використана як базова при гоніофотометричній калібровці вказаних фотометричних еталонів.

ВИСНОВКИ

1. Вирішена фізична задача оцінки впливу шорсткості поверхні та УОСРС на колір сильно та слабкопоглинаючих зразків.

2. Встановлено, що неспівпадання параметрів кольору слабкопоглинаючих зразків (зокрема їхніх показників білизни), які визначені при різних стандартних геометріях, зумовлено особливостями розсіяння світла як на поверхні зразка, так і в його товщі. Зміна кольору, в основному, зумовлена зміною в світлоті зразка і, меншою мірою, зміною його колірності.

3. Послаблення дзеркально відбитого світлового потоку внаслідок поляритонного поглинання може викликати зміни кольору шорстких металевих поверхонь, які перевищують зміни кольору, що викликані дифракційно-інтерференційними ефектами. На відміну від слабкопоглинаючих об’єктів, зміна кольору металів відбувається в однаковій мірі за рахунок змін як у світлоті, так і в колірності.

4. Запропонована теоретична модель розсіяння світла слабкопоглннагочим зразком з шорсткою (шліфованою) поверхнею. Основу моделі складає описання світлорозсіяння за допомогою рівняння переносу. З метою визначення СКВ для довільних УОСРС розроблена методика та алгоритм відновлення оптичних характеристик зразка за обмеженою кількістю гоніофотометричних даних. Отримані теоретичні залежності якісно відповідають експериментальним, однак кількісні розходження не дозволяють повною мірою досягти поставленої мети.

5. Розроблена теорія, що описує кутовий розподіл випромінювання, яке розсіюється слабкопоглинаючим зразком з гладкою (полірованою) поверхнею. Теорія враховує

багатократне розсіяння в товщі зразка, а також заломлення та відбивання на межі поділу зразок-повітря. Теорія дозволяє за незначною кількістю гоніофотометричних вимірювань відновити оптичні параметри зразка. Розраховані за цими параметрами кутові залежності СКВ як якісно, так і кількісно непогано узгоджуються з експериментальними значеннями. Подальше уточнення базової моделі надає реальну можливість для створення методу гоніофотометричної калібровки зразків з полірованими поверхнями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Вплив дзеркальної складової розсіяного світла на величину білизни паперу в залежності від шорсткості його поверхні І/ Вісник Київського університету. Сер.: фіз.-мат. науки. -1996. -Вип. 2. -С. 326-331.

2. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Залежність білизни паперу від вибору схеми освітленш // Вісник Київського університету. Сер.: фіз.-мат, науки. -1998. - Вип. 3. -С. 442-447.

3. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Вплив гладкості поверхні паперу на його колірн властивості // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. -1998. - Вип. 6. -С 110-112.

4. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Колориметричні характеристики поверхонь алюмінія золота та міді з малою шорсткістю П Вісник Київського університету. Сер.: фіз.-мат науки. -1999. - Вип. 1. -С. 399-404.

5. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Новий підхід до гоніометричних вимірювань прі визначенні кольору// Вісник Київського університету. Сер.: фіз.-мат. науки. -1999. - Вип

З.-С. 427-431.

6. Makarenko A.V., Shaykevich І.А. Dependence of the Whiteness of Paper on the Surfac. Roughness and Illumination Conditions // Color Research and Application. - 2000. - Vol. 26 No.3-P. 170-175.

7. Шайкевич I.A., Ісайко Л.С., Макаренко О.В. Про можливість відтворення оптични: характеристик еталонних зразків за кутовим розподілом розсіяного випромінювання ; Вісник Київського університету. Сер.: фіз.-мат. науки. -2000. - Вип. 1. -С. 502-507.

8. Макаренко А.В., Мельниченко Л.Ю., Трайдук С.Ф., Шайкевич И.А. Влияни шероховатости поверхности бумаги на измерение ее белизны // Тезисы докладов ll-о

науч.-техн. конф. „Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”. -Москва: ВНИИОФИ. -1996 -С. 32

5. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Вплив шорсткості поверхні на вимірювану білизну

паперу в системах ДЕСТ та МКО И Тези доповідей ХІП Національної школи-семінару з міжнародною участю „Спектроскопія молекул і кристалів” (Суми, 20-26 квітня 1997 р.) / Наук, редактор Г. О. Пучківська. -Суми: Сумський Державний університет. -1997. -С. 29.

10. Шайкевич І.А., Макаренко О.В. Перспективи використання гоніофотометричних вимірювань в практиці колориметрії II Тези доповідей иаук.-практ. конф. з міжн. участю „Проблеми оптики та її освітнього аспекту на порозі 3-го тисячоліття” (Київ, 5-6 жовтня 1999 p.). -Київ: Київський університет імені Тараса Шевченка. -1999. -С. 27.

11. Makarenko O.V., Shaykevich l.A. Dependence of the colour values of metals on the surface roughness and observation method // Proc. XIV International School-Seminar „Spectroscopy of molecules and crystals” (June 7-12,1999, Odessa). - Odessa: Astroprint. - 1999. - P. 201.

12. Makarenko A.V., Shaykevich I.A. Influence of the surface polariton absorbtion on the color of the metallic surfaces with small irregularities // Intern, conf. “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics (OPTDIM’99)”. 7-9 October 1999, Kiev, Ukraine. Abstracts. -P. 37.

Макаренко О.В. Вплив шорсткості поверхні та умов освітлення на колірні характеристики об’єктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук іа спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено виявленню фізичних механізмів, що зумовлюють зміни кольору при зміні шорсткості поверхні та умов освітлення. Досліджувались як слабко, так і сильнопоглинаючі зразки.

Показано, що суттєве відхилення закону розсіяння від закону Ламберта, яке викликане як асиметрією розсіяння світла в товщі зразка, так і наявністю дзеркальної компоненти, приводить до неспівпадання колірних характеристик, які визначені при різних умовах освітлення. В ситуації, що склалася, можуть виникати випадки, коли результати

спектрофотометричних вимірювань будуть знаходитись в протиріччі даним візуального спостереження.

Проведені розрахунки показали, що на колір металевих зразків з шорсткими поверхнями в однаковій мірі впливають як ефекти, які пов’язані з перерозподілом розсіяногс світла внаслідок явищ дифракції та інтерференції, так і ефект зменшення інтенсивност дзеркальної компоненти із-за збудження поверхневих плазмон-поляритонів.

Запропоновано теоретичні моделі, методики та алгоритми по розрахунку оптичню характеристик зразків з поверхнями різного ступеня шорсткості з подальшим визначення?, кутової структури розсіяного світлового поля.

Ключові слова: колориметрія, шорсткі поверхні, розсіяння світла, теорія переносу поверхневі поляритони, спектрогоніофотометрія.

Макаренко А.В. Влияние шероховатости поверхности и условий освещения н: цветовые характеристики объектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических чау. по специальности 01.04.05 — оптика, лазерная физика. - Киевский национальны, университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена выявлению физических механизмов, которые обуславливаю изменение цвета при изменении шероховатости поверхности и условий освещени* Исследовались как слабо, так и сильно поглощающие образцы.

Показано, что существенное отклонение закона рассеяния от закона Ламберт: вызванное как асимметрией рассеяния в толще образца, так и наличием зеркально компоненты, приводит к различию цветовых характеристик, определенных при различны условиях освещения. В сложившейся ситуации, могут возникать случаи, когда результаті спектрофотометрических измерений будут расходиться с данными визуального наблюдения

Проведенные расчеты показали, что на цвет металлических образцов с шероховатым поверхностями в одинаковой степени влияют как эффекты, связанные с перераспределение рассеянного света вследствие явлений дифракции и интерференции, так и эффе» уменьшения интенсивности зеркальной компоненты из-за возбуждения поверхностны поляритонов. Следует отметить, что полученные результаты могут быть использованы і только в колориметрии. Теория Релея находит широкое применение при бесконтактно определении шероховатости поверхности. Тот факт, что эта теория не учитыва<

юляритонного поглощения может приводить к ошибкам при определении реднеквадратичной высоты неровностей для шероховатых металлических поверхностей.

Предложены теоретические модели, методики и алгоритмы по определению штических характеристик образцов с поверхностями разной степени шероховатости с (альнейшим расчетом угловой структуры рассеянного светового поля. Задача состояла в оздании цепочки взаимосвязанных операций: проведение незначительного (порядка 10) юличества угловых измерений рассеянного образцом света - определение оптических характеристик образца, фигурирующих в модели - расчет рассеянного светового поля. Тоскольку гониофотометрическая калибровка необходима, прежде всего, для образцов, соторые используются в качестве рабочих фотометрических эталонов, то именно они были )ыбраны нами в качестве объектов исследования. Рассматривались два типа эталонов: стекла : полированной (гладкой) поверхностью и стекла со шлифованной (шероховатой) юверхностью. ■

Особенности выбранной модели для образцов со шлифованной поверхностью не юзволили с необходимой точностью определить оптические характеристики образца. Этот £акт явился причиной количественного расхождения между теоретическими результатами и ханными эксперимента.

Для образцов с полированной поверхностью разработана теория, которая учитывает многократные отражения на границе раздела стекло-воздух. Выражение для коэффициента фкости образца получено в виде бесконечной суммы, слагаемые которой связаны между :обой рекуррентным соотношением. Проведена оптимизация исходной модели. Расчетные тачения находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Несмотря на необходимость дополнительных исследований, предложенная модель уже сейчас может рассматриваться как базовая при гониофотометрической калибровке эталонов с голированными поверхностями.

Ключевые слова: колориметрия, шероховатые поверхности, рассеяние света, теория переноса, поверхностные поляритоны, спектрогониофотометрия.

Makarenko O.V. Influence of surface roughness and illumination conditions on color characteristics of objects. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Kyiv Taras Shevchenko National University, Kyiv, 2000.

Thesis is devoted to elucidation of physical mechanisms which cause color transformation i: changing the surface roughness and illumination conditions. Both slightly and strongly absorbin samples were studied.

It is shown that substantional departure of the scattering law from the Lambert low, which i due to both the asymmetry of light scattering in the depth of the sample and the presence of specuh component, leads to non-coincidence of the chromaticity characteristics determined under differer illumination conditions. In the present situation there can appear cases when the results c spectrophotometric measurements will contradict the data of visual observation.

The calculations show that the color of metal samples with rough surfaces is affected to th same extent both by the effects associated with redistribution of scattered light due to of diffractio and interference phenomena and by the decrease in the specular component intensity due t excitation of surface plasmon-polaritons.

Theoretical models, techniques and algorithms for restoration of optical characteristics of th samples with different surface roughness are proposed for calculation of angular structure of tl scattered light field.

Key words: colorimetry, rough surfaces, light scattering, transport theory, surfac polaritons, spectrogoniophotometry.