幾何條件、表面特性與密度測(cè)量值的關(guān)系
發(fā)布時(shí)間：2025-10-03 點(diǎn)擊：33
一、反射率及透射率
一束光線投射到一個(gè)不透明的物體上，將有一部分光被反射，余下的光將被物體表面吸收。
反射光通量與入射光通量的百分比不受光通量大小的影響。設(shè)入射光通量為φ0、反射光通量為φr，對(duì)于一定的測(cè)量表面和規(guī)定的入射角度，入射光通量和反射光通量時(shí)比值是固定的，設(shè)此比值為β，則β值被稱為反射率：
β=φr/φ0
入射光在不透明物體的表面上存在三種不同的反射形式:定向反射、漫反射和介于兩者之間的反射形式。假如把一束定向光束投射到理想白色漫反射表面上，全部入射光將在表面上方的半空間范圍內(nèi)形成均勻的反射，各個(gè)角度上的反射亮度完全一樣（圖1－1）。完全白色無光的理想漫反射表面是不存在的，但是用氧化鎂或硫酸鋇制作的標(biāo)準(zhǔn)白色定標(biāo)板可近似視為無光白色表面。鏡面與無光白色表面不同，它對(duì)入射光的反射遵循反射定律。涂有水銀的玻璃鏡面接近于理想的全反射表面，但即使是這樣的鏡面也達(dá)不到完全的。反射，任何表面都會(huì)吸收一部分入射光量，所不同的是有的表面反射光量多一些，有的表面反射光量少一些。圖1－2分別表示粗面紙張、光澤面紙張和玻璃鏡面的反射情況，箭頭的長(zhǎng)度表示相應(yīng)方向上被反射光的強(qiáng)弱。
圖1－1
圖1－2
與光的反射情況相似，一定物體的透射光通量和入射光通量的比也是固定的，其比值稱為透射率。設(shè)入射光通量為φ0，透射光通量為φr，則透射τ用下式表達(dá)：
τ＝φr/φ0 二、透射測(cè)定
1．幾何條件。透射測(cè)定必須盡可能滿足下述幾何條件：入射光束必須能從半空間體均勻地投射到被測(cè)試物體上，并且只測(cè)定垂直通過被測(cè)物體的光束。
采用烏布利希球作為透射測(cè)定的器件可以使測(cè)定滿足上述的幾何條件要求。烏布利希球是一個(gè)空心的球體（圖1－3），內(nèi)腔涂以無光白色硫酸鋇，球面上開兩個(gè)軸心線在球心正交的小孔，兩個(gè)小孔的總面積不超過球體內(nèi)壁面積的2％。
圖1－3
平行光束通過孔1進(jìn)入球體，并在球體內(nèi)壁上形成光點(diǎn)l，再由光點(diǎn)l把光均勻地反射到球體內(nèi)壁上。測(cè)試物體緊挨著孔2，為了防止孔2接受光點(diǎn)l的直接反射光，需在光點(diǎn)和孔2之間放一塊也是涂成無光白色的橢圓形擋板s，這樣就能夠使緊挨著孔2的測(cè)試物體得到來自半空間體的均勻的光照射。
那么為什么規(guī)定這樣的幾何條件呢？因?yàn)槿绻麕缀螚l件不符合上述規(guī)定，就有可能影響測(cè)量效果。為了證明這一點(diǎn)，比較一下兩個(gè)完全透明的物體mt和mc（圖1－4），也就是說，這兩個(gè)物體的透射率是1．0。物體mt是透明的，它不使定向光束產(chǎn)生漫射，而物體ms則使定向光束完全在半空間范圍內(nèi)形成均勻的漫射。
圖1－4
在兩種情況下，φτ＝φ0都是成立的，然而測(cè)量結(jié)果表明，在直接光射mt的測(cè)量值大于ms的測(cè)量值。這是因?yàn)槿魏喂馔繙y(cè)量?jī)x都只能測(cè)量來自一定立體角度內(nèi)的光量，也就是說，只能測(cè)量一部分透射光量。所以這兩個(gè)測(cè)量值之比約等于前者和后者兩立體角內(nèi)所含光通量之比，但由于前者大于后者，因此得出mt＞ms的結(jié)果。
如果入射光為漫射光，也就是說，入射的是烏布利希球射出的光，那么透射光通量對(duì)于透明物體和散射物體都是均勻地分布在半空間內(nèi)。即使測(cè)量?jī)x只能測(cè)量一定立體角內(nèi)的光通量，但測(cè)量值是相同的。透射測(cè)量的幾何條件就是根據(jù)這個(gè)原理確定的。[next]
2．透射密度與卡里爾效應(yīng)。透射密度定義為透射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)。設(shè)透射密度為d，透射率為τ，則透射密度用下式表示：
d＝lg1/τ
下列公式用于透射率和密度之間的換算：
lg1/τ＝d
1/τ＝10d
τ＝10－d
前面已經(jīng)指出，透射測(cè)量如不滿足規(guī)定的幾何條件，即使兩個(gè)完全透明的物體（即密度d都是0．00），用平行光照明時(shí)，具有漫射表面的物體比非漫射表面物體測(cè)得的透射率要小，即前者顯示的密度值比后者要大一些。倘若兩個(gè)物體都是透明度相同的非漫射體，一個(gè)用平行光照明，一個(gè)用漫射光照明，即使入射的光強(qiáng)相同，測(cè)得的透射密度值也不相同。這種由于兩被測(cè)對(duì)象的漫射性能不同或測(cè)量的幾何條件不同所引起的透射密度示值出現(xiàn)差異的現(xiàn)象稱之為卡里爾效應(yīng)。而同一物體用平行光和漫射光照明時(shí)測(cè)得的密度值的商數(shù)稱為卡里爾系數(shù)。卡里爾系數(shù)可以作為軟片中銀粒子粒度大小的度量。在對(duì)軟片上的圖像進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)特別注意把卡里爾效應(yīng)減至最小。在對(duì)電子分色機(jī)作灰平衡標(biāo)定時(shí)，之所以強(qiáng)調(diào)采用非銀鹽灰梯尺，就是為了避免因卡里爾效應(yīng)帶來偏差。 三、反射測(cè)定
1．幾何條件。反射測(cè)定（鏡面反射除外）主要是在漫射表面進(jìn)行，因此這種測(cè)定比透射測(cè)定要復(fù)雜一些。由于密度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因，要完全做到使測(cè)量表面得到來自半空間體均勻的照射以及對(duì)表面進(jìn)行垂直測(cè)量，存在著一定的困難，所以反射測(cè)量中常采用45°/0°和0°/45°兩種幾何條件（圖1－5）。圖中：ms表示測(cè)光傳感器。
圖1－5
在反射測(cè)定中，測(cè)量結(jié)果與測(cè)量裝置的幾何條件和測(cè)試物體表面的光澤性質(zhì)有密切關(guān)系。現(xiàn)舉一例說明規(guī)定測(cè)量幾何條件的必要性。圖1－6表明兩種測(cè)量幾何條件。在這兩種測(cè)量條件下分別測(cè)量鏡面、無光白色表面和具有一定光澤的紙。圖中sa和sb分別表示兩個(gè)相同規(guī)格的光傳感器。
圖1-6
當(dāng)測(cè)量鏡面物體時(shí)，傳感器sa顯示最大的測(cè)量值，這是因?yàn)楦鶕?jù)反射定律，入射光在測(cè)量面發(fā)生全反射，傳感器sa正好安排在反射光路上。而傳感器sb示值為零，因?yàn)樗哑x反射光路45°。
當(dāng)測(cè)量無光白色表面物體時(shí)，因?yàn)槿肷涔馔勘痪鶆虻芈湓诎肟臻g范圍內(nèi)，所以sa和sb的示值相同。
當(dāng)測(cè)量具有一定光澤的白紙時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量面的反射特性介于前兩種之間，sb接受到的光只包含漫射分量，而sa接受到的光是漫反射成分與全反射成分之和，所以sa的示值將大于sb。
上例說明反射測(cè)定的結(jié)果與幾何條件和被測(cè)面的光澤性質(zhì)密切相關(guān)。那么反射測(cè)量為什么規(guī)定采用后一種幾何條件而不采用前一種呢？這是因?yàn)楹笠环N幾何條件理論上只測(cè)量有用的圖像信息。而前一種的測(cè)量結(jié)果包含了最大的噪音信息（第一表面反射成分）。
2．反射密使測(cè)量原理。由圖1－5和圖1－6可知，不管哪一種幾何條件都只能測(cè)量一部分反射光通量，而反射率需要根據(jù)全部反射光通量進(jìn)行測(cè)定，所以這些測(cè)量方式不能用來測(cè)量反射率。但這些測(cè)量方式可用來比較被測(cè)試物體的亮度l，亮度系數(shù)α則表示物體測(cè)量區(qū)域的亮度lm和某一基準(zhǔn)區(qū)域亮度l0的比值。
α≈lm/l0
基準(zhǔn)區(qū)域表面的特性應(yīng)接近于理想的無光白色表面，即應(yīng)符合規(guī)定的硫酸鋇白色標(biāo)準(zhǔn)。
在測(cè)量各種不同的白色表面（如各種紙張表面）的亮度系數(shù)（或反射率）時(shí)，這種標(biāo)準(zhǔn)白色就可以作為基準(zhǔn)區(qū)域。如果要測(cè)量某表面亮度系數(shù)的絕對(duì)值，只要把測(cè)量表面與白色標(biāo)準(zhǔn)的亮度加以比較就可以了。
反射密度dr與透射密度dt類似，它等于反射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)，即：
dr=lg1/β
反射率越小，倒數(shù)越大，反射密度就越大。但由前述可知，規(guī)定的幾何條件只能測(cè)定一部分光通量，而反射率需要根據(jù)全部反射光通量進(jìn)行計(jì)算，所以這種幾何條件不能用來測(cè)量反射率。幸好，在相同的光學(xué)條件下，反射率和亮度系數(shù)的數(shù)值近似相等，即：
β＝α
反射密度計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理來測(cè)定反射密度的，反射密度計(jì)的作用本質(zhì)上是把測(cè)量區(qū)域的亮度和某種基準(zhǔn)區(qū)域的亮度加以比較。
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一束光線投射到一個(gè)不透明的物體上，將有一部分光被反射，余下的光將被物體表面吸收。
反射光通量與入射光通量的百分比不受光通量大小的影響。設(shè)入射光通量為φ0、反射光通量為φr，對(duì)于一定的測(cè)量表面和規(guī)定的入射角度，入射光通量和反射光通量時(shí)比值是固定的，設(shè)此比值為β，則β值被稱為反射率：
β=φr/φ0
入射光在不透明物體的表面上存在三種不同的反射形式:定向反射、漫反射和介于兩者之間的反射形式。假如把一束定向光束投射到理想白色漫反射表面上，全部入射光將在表面上方的半空間范圍內(nèi)形成均勻的反射，各個(gè)角度上的反射亮度完全一樣（圖1－1）。完全白色無光的理想漫反射表面是不存在的，但是用氧化鎂或硫酸鋇制作的標(biāo)準(zhǔn)白色定標(biāo)板可近似視為無光白色表面。鏡面與無光白色表面不同，它對(duì)入射光的反射遵循反射定律。涂有水銀的玻璃鏡面接近于理想的全反射表面，但即使是這樣的鏡面也達(dá)不到完全的。反射，任何表面都會(huì)吸收一部分入射光量，所不同的是有的表面反射光量多一些，有的表面反射光量少一些。圖1－2分別表示粗面紙張、光澤面紙張和玻璃鏡面的反射情況，箭頭的長(zhǎng)度表示相應(yīng)方向上被反射光的強(qiáng)弱。
圖1－1
圖1－2
與光的反射情況相似，一定物體的透射光通量和入射光通量的比也是固定的，其比值稱為透射率。設(shè)入射光通量為φ0，透射光通量為φr，則透射τ用下式表達(dá)：
τ＝φr/φ0 二、透射測(cè)定
1．幾何條件。透射測(cè)定必須盡可能滿足下述幾何條件：入射光束必須能從半空間體均勻地投射到被測(cè)試物體上，并且只測(cè)定垂直通過被測(cè)物體的光束。
采用烏布利希球作為透射測(cè)定的器件可以使測(cè)定滿足上述的幾何條件要求。烏布利希球是一個(gè)空心的球體（圖1－3），內(nèi)腔涂以無光白色硫酸鋇，球面上開兩個(gè)軸心線在球心正交的小孔，兩個(gè)小孔的總面積不超過球體內(nèi)壁面積的2％。
圖1－3
平行光束通過孔1進(jìn)入球體，并在球體內(nèi)壁上形成光點(diǎn)l，再由光點(diǎn)l把光均勻地反射到球體內(nèi)壁上。測(cè)試物體緊挨著孔2，為了防止孔2接受光點(diǎn)l的直接反射光，需在光點(diǎn)和孔2之間放一塊也是涂成無光白色的橢圓形擋板s，這樣就能夠使緊挨著孔2的測(cè)試物體得到來自半空間體的均勻的光照射。
那么為什么規(guī)定這樣的幾何條件呢？因?yàn)槿绻麕缀螚l件不符合上述規(guī)定，就有可能影響測(cè)量效果。為了證明這一點(diǎn)，比較一下兩個(gè)完全透明的物體mt和mc（圖1－4），也就是說，這兩個(gè)物體的透射率是1．0。物體mt是透明的，它不使定向光束產(chǎn)生漫射，而物體ms則使定向光束完全在半空間范圍內(nèi)形成均勻的漫射。
圖1－4
在兩種情況下，φτ＝φ0都是成立的，然而測(cè)量結(jié)果表明，在直接光射mt的測(cè)量值大于ms的測(cè)量值。這是因?yàn)槿魏喂馔繙y(cè)量?jī)x都只能測(cè)量來自一定立體角度內(nèi)的光量，也就是說，只能測(cè)量一部分透射光量。所以這兩個(gè)測(cè)量值之比約等于前者和后者兩立體角內(nèi)所含光通量之比，但由于前者大于后者，因此得出mt＞ms的結(jié)果。
如果入射光為漫射光，也就是說，入射的是烏布利希球射出的光，那么透射光通量對(duì)于透明物體和散射物體都是均勻地分布在半空間內(nèi)。即使測(cè)量?jī)x只能測(cè)量一定立體角內(nèi)的光通量，但測(cè)量值是相同的。透射測(cè)量的幾何條件就是根據(jù)這個(gè)原理確定的。[next]
2．透射密度與卡里爾效應(yīng)。透射密度定義為透射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)。設(shè)透射密度為d，透射率為τ，則透射密度用下式表示：
d＝lg1/τ
下列公式用于透射率和密度之間的換算：
lg1/τ＝d
1/τ＝10d
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前面已經(jīng)指出，透射測(cè)量如不滿足規(guī)定的幾何條件，即使兩個(gè)完全透明的物體（即密度d都是0．00），用平行光照明時(shí)，具有漫射表面的物體比非漫射表面物體測(cè)得的透射率要小，即前者顯示的密度值比后者要大一些。倘若兩個(gè)物體都是透明度相同的非漫射體，一個(gè)用平行光照明，一個(gè)用漫射光照明，即使入射的光強(qiáng)相同，測(cè)得的透射密度值也不相同。這種由于兩被測(cè)對(duì)象的漫射性能不同或測(cè)量的幾何條件不同所引起的透射密度示值出現(xiàn)差異的現(xiàn)象稱之為卡里爾效應(yīng)。而同一物體用平行光和漫射光照明時(shí)測(cè)得的密度值的商數(shù)稱為卡里爾系數(shù)。卡里爾系數(shù)可以作為軟片中銀粒子粒度大小的度量。在對(duì)軟片上的圖像進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)特別注意把卡里爾效應(yīng)減至最小。在對(duì)電子分色機(jī)作灰平衡標(biāo)定時(shí)，之所以強(qiáng)調(diào)采用非銀鹽灰梯尺，就是為了避免因卡里爾效應(yīng)帶來偏差。 三、反射測(cè)定
1．幾何條件。反射測(cè)定（鏡面反射除外）主要是在漫射表面進(jìn)行，因此這種測(cè)定比透射測(cè)定要復(fù)雜一些。由于密度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因，要完全做到使測(cè)量表面得到來自半空間體均勻的照射以及對(duì)表面進(jìn)行垂直測(cè)量，存在著一定的困難，所以反射測(cè)量中常采用45°/0°和0°/45°兩種幾何條件（圖1－5）。圖中：ms表示測(cè)光傳感器。
圖1－5
在反射測(cè)定中，測(cè)量結(jié)果與測(cè)量裝置的幾何條件和測(cè)試物體表面的光澤性質(zhì)有密切關(guān)系。現(xiàn)舉一例說明規(guī)定測(cè)量幾何條件的必要性。圖1－6表明兩種測(cè)量幾何條件。在這兩種測(cè)量條件下分別測(cè)量鏡面、無光白色表面和具有一定光澤的紙。圖中sa和sb分別表示兩個(gè)相同規(guī)格的光傳感器。
圖1-6
當(dāng)測(cè)量鏡面物體時(shí)，傳感器sa顯示最大的測(cè)量值，這是因?yàn)楦鶕?jù)反射定律，入射光在測(cè)量面發(fā)生全反射，傳感器sa正好安排在反射光路上。而傳感器sb示值為零，因?yàn)樗哑x反射光路45°。
當(dāng)測(cè)量無光白色表面物體時(shí)，因?yàn)槿肷涔馔勘痪鶆虻芈湓诎肟臻g范圍內(nèi)，所以sa和sb的示值相同。
當(dāng)測(cè)量具有一定光澤的白紙時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量面的反射特性介于前兩種之間，sb接受到的光只包含漫射分量，而sa接受到的光是漫反射成分與全反射成分之和，所以sa的示值將大于sb。
上例說明反射測(cè)定的結(jié)果與幾何條件和被測(cè)面的光澤性質(zhì)密切相關(guān)。那么反射測(cè)量為什么規(guī)定采用后一種幾何條件而不采用前一種呢？這是因?yàn)楹笠环N幾何條件理論上只測(cè)量有用的圖像信息。而前一種的測(cè)量結(jié)果包含了最大的噪音信息（第一表面反射成分）。
2．反射密使測(cè)量原理。由圖1－5和圖1－6可知，不管哪一種幾何條件都只能測(cè)量一部分反射光通量，而反射率需要根據(jù)全部反射光通量進(jìn)行測(cè)定，所以這些測(cè)量方式不能用來測(cè)量反射率。但這些測(cè)量方式可用來比較被測(cè)試物體的亮度l，亮度系數(shù)α則表示物體測(cè)量區(qū)域的亮度lm和某一基準(zhǔn)區(qū)域亮度l0的比值。
α≈lm/l0
基準(zhǔn)區(qū)域表面的特性應(yīng)接近于理想的無光白色表面，即應(yīng)符合規(guī)定的硫酸鋇白色標(biāo)準(zhǔn)。
在測(cè)量各種不同的白色表面（如各種紙張表面）的亮度系數(shù)（或反射率）時(shí)，這種標(biāo)準(zhǔn)白色就可以作為基準(zhǔn)區(qū)域。如果要測(cè)量某表面亮度系數(shù)的絕對(duì)值，只要把測(cè)量表面與白色標(biāo)準(zhǔn)的亮度加以比較就可以了。
反射密度dr與透射密度dt類似，它等于反射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)，即：
dr=lg1/β
反射率越小，倒數(shù)越大，反射密度就越大。但由前述可知，規(guī)定的幾何條件只能測(cè)定一部分光通量，而反射率需要根據(jù)全部反射光通量進(jìn)行計(jì)算，所以這種幾何條件不能用來測(cè)量反射率。幸好，在相同的光學(xué)條件下，反射率和亮度系數(shù)的數(shù)值近似相等，即：
β＝α
反射密度計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理來測(cè)定反射密度的，反射密度計(jì)的作用本質(zhì)上是把測(cè)量區(qū)域的亮度和某種基準(zhǔn)區(qū)域的亮度加以比較。
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