Что такое оптические свойства
Оптические свойства
Луч света при переходе из одной среды в другую меняет свое направление, что связано с изменением скорости распространения света в различных средах. При прохождении в воздухе и через плоскопараллельную стеклянную пластинку (рис. 1.5) падающий луч образует определенные углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то угол a будет углом падения, а угол b — углом преломления. На рис. угол a больше угла b, потому что скорость распространения световых волн в воздухе больше, чем в стекле.
Рис. Прохождение светового луча через плоскопараллельную стеклянную пластинку.
В данном случае воздух является оптически менее плотной средой, чем стекло. Показатель преломления может быть определен из соотношения
Показатель преломления среды не зависит от угла падения луча на поверхность среды, но зависит от свойств самой среды и длины волны падающего света. Чем больше длина волны падающего света, тем меньше показатель преломления, поэтому луч белого (смешанного) света, входя в стекло под углом к поверхности, расщепляется на пучок расходящихся цветовых лучей, т.е. подвергается дисперсии.
Рис. Разложение белого спектра призмой (а) и диапазон цветов видимой части спектра (б).
Если параллельный пучок белого света, ограниченный узкой щелью, падает на стеклянную призму, то на экране, расположенном за призмой, обнаруживается картина различных цветов, называемая спектром (рис. a). В спектре наблюдается строгая последовательность этих цветов, переходящих от одного к другому, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. б). Причиной разложения света является зависимость показателя преломления от длины волны. Чем короче длина волны, тем меньше угол преломления, поэтому фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные. Разность показателей преломления для голубой коротковолновой F-линии и красной длинноволновой С-линии называется средней дисперсией, т.е. dn = nF – nC.
Коэффициент дисперсии определяется по формуле:
Показатель преломления и дисперсия сильно зависят от состава стекла. Показатель преломления повышают РbО, ВаО, СаО, ZnО, Sb2О3, щелочные оксиды. Добавка SiО2 снижает показатель преломления. Дисперсия заметно возрастает при введении РbО и Sb2О3. ВаО и СаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Показатель преломления и коэффициент дисперсии — важнейшие свойства оптических стекол. Широкая номенклатура стекол с различными значениями этих свойств позволяет формировать различные виды изображений объектов, создавать разнообразные приборы и оборудование, начиная от микрообъектива микроскопа до многометрового зеркала телескопа. Для производства высокохудожественных изделий бытовой посуды, подвергающихся декоративному шлифованию, используют в основном стекло, содержащее до 30% РbО. Такие стекла дают хорошую “игру света” в гранях за счет сильного влияния РbО как на показатель преломления, так и на дисперсию. Зависимость показателя преломления от содержания РbО при введении его вместо SiO2 в промышленные составы хрусталей можно считать прямо пропорциональной.
Коэффициент отражения — отношение светового потока, отраженного стеклом, к световому потоку, падающему на него. Количество света, отраженного стеклом, тем больше, чем больше угол его падения. Количество света, отраженного от поверхности стекла, составляет около 4%. Коэффициент отражения зависит от состояния поверхности и наличия на ней различных веществ.
Явление рассеяния света относится к непрозрачным стеклам. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Пучок лучей света, направленный на матовую поверхность, выходит с другой стороны разбитым на множество направлений вследствие неодинакового преломления отдельных лучей на неровной (матовой) поверхности стекла. В глушенных стеклах находятся угловатые или сферические частицы глушителей, отличающиеся показателем преломления от основной массы стекла. Лучи света, падающие на стекло, претерпевают многократное преломление и отражение, что и вызывает рассеяние света. Размеры частиц глушителей в стекле составляют 0,2-10 мкм. С увеличением размера частиц рассеяние света стеклом возрастает. Относительная прозрачность или пропускание Т стеклом видимого света и невидимых лучей (инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских, g-лучей) подчиняется общему закону Бугера-Ламберта-Бера.
I — интенсивность излучения, прошедшего через образец;
I0 — интенсивность излучения, входящего в образец;
е — основание натуральных логарифмов;
K — натуральный показатель поглощения;
l — толщина образца;
k — десятичный показатель поглощения (k = 0,434 К).
Для окрашенных стекол степень поглощения света прямо пропорциональна концентрации С красителя и коэффициенту e, характеризующему удельное поглощение данного красителя; k = e С. Для выражения избирательного поглощения окрашенных стекол строят кривые зависимости Т, А, К и k от длины волны (рис.). Любая из этих зависимостей может служить спектральной количественной характеристикой цветных стекол. Величины Т и А часто относят к единице толщины стекла (Т/l и А/l). Кривые пропускания и оптической плотности являются обратными, но в то же время не являются точным зеркальным отражением друг друга.
Рис. Зависимость светопропускания Т и оптической плотности D коричневого тарного стекла от длины волны.
Пропускание и поглощение стекол оценивают на спектрофотометрах с применением плоскопараллельных образцов стекла. Эта оценка имеет важное значение в производстве окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета бытовых, сигнальных и других окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в инфракрасной области спектра важны для варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), а в ультрафиолетовой области спектра — для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные стекла — задерживать их для сохранности содержимого тарных изделий). При неравномерном охлаждении или нагревании в стекле возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление. Стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса и т.п. Луч, входящий в образец стекла, разлагается на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны, а скорости распространения в стеклообразной среде различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода обыкновенного и необыкновенного лучей (нм, на 1 см пути луча в стекле). Для контроля двойного лучепреломления в образцах любой формы наиболее удобны полярископы-поляриметры ПКС-250, ПКС-125. Принцип действия приборов основан на наблюдении двойного лучепреломления в исследуемом образце при интерференции лучей.
Оптические свойства
В реальном мире каждый объект, который мы видим, является результатом отражения света от этого объекта. Отражение воспринимается сверхчувствительным (в пределах определенных длин волн) фотодетектором, а именно человеческим глазом (Рис. 1.8.8). Таким образом, у нас есть три составляющие: источник света, объект и наблюдатель. Каждая из этих составляющих оказывает влияние на то, что мы видим. Если поместить яблоко перед тремя разными людьми и попросить их описать его цвет, то можно получить три разных ответа. Одному из них оно покажется просто красным, другому — темно-красным, третьему — ярко-красным. Ответы будут разными потому, что каждый из них обладает разной цветовой чувствительностью и разным пониманием цвета.
Источник света
Рис. 1.8.8. Восприятие внешнего вида объекта зависит от источника света, оптических свойств самого объекта и от способности глаза отображать свет в видимой части спектра на сетчатке
Существуют три характеристики объекта, определяющие природу отраженного света: Цвет. Цвет объекта, воспринимаемый нашим глазом является функцией (1) спектра цветов источника света, попадающего на поверхность объекта, и (2) преобразования этого спектра поверхностью объекта.
Прозрачность. Количество и спектр света, отражаемого объектом и воспринимаемого нашим глазом, зависит от способности света проходить сквозь материал, где его параметры будут меняться. Эти изменения зависят от таких оптических свойств материала, как светопоглощение и светорассеяние, а также от цвета фона, расположенного за объектом.
Текстура поверхности объекта. Свет может отражаться от таких поверхностей, как зеркало, или рассеиваться во всех направлениях. В первом случае поверхность объекта окажется идеально отполированной, а во втором — шероховатой (матовой).
Цвет
Восприятие цвета глубоко субъективно, поскольку представляет собой физиологическую реакцию на физический раздражитель. Например, если несколько человек попытаются выбрать цвет пломбировочного материала, соответствующий окраске натурального зуба, то их мнение может быть различным. Это происходит потому, что глаз недостаточно точно воспринимает свет, а за восприятием следует интерпретация в головном мозге отраженного или рассеянного материалом света. Этот процесс различен у разных людей. Проблемы с определением цвета испытывают люди, страдающие нарушениями цветового зрения, что указывает на нарушение у них способности определения цвета. Следовательно, восприятие не позволяет провести количественную оценку цвета, а может установить лишь его наличие.
Свет — это электромагнитное излучение, которое может быть воспринято человеческим глазом. Ньютон (1666) воспроизвел спектр разных цветов, направив луч света на стеклянную призму, которая превратила его в многоцветную полосу. Эти цвета оказались идентичными цветам радуги. Ньютон показал, что белый цвет фактически представляет собой комбинацию широкого спектра цветных лучей. На Рис. 1.8.9 представлен весь спектр электромагнитного излучения, от ультрафиолетового до инфракрасного. Из рисунка видно, что видимый свет составляет только небольшую часть полного спектра электромагнитного излучения. Длина волн видимого света расположена в диапазоне от 380 до 780 нанометров (1 нанометр [нм] = 10
м). Спектр видимого света проходит через ультрафиолетовую область (от 380 до 450 нм), голубую (от 450 до 490 нм), затем зеленую (от 490 до 560 нм), желтую (от 560 до 590 нм), оранжевую (от 590 до 630 нм), и, наконец, красную (от 630 до 780 нм).
Рис. 1.8.9. Спектр электромагнитного излучения
Свет фокусируется сетчатой оболочкой (сетчаткой) глаза, и импульсы от зрительного нерва поступают в головной мозг. В сетчатке глаза находятся два вида рецепторных клеток: колбочки, отвечающие за восприятие разных цветов света, и палочки, чувствительные только к яркости (т.е. количеству) света, попадающего на сетчатку. Лучше всего человеческий глаз воспринимает видимый свет в зелено-желтой области спектра, и хуже — в приграничных участках спектра, то есть в красной и синей областях.
Колбочки сетчатки глаза обладают порогом интенсивности. Воздействие на них интенсивного света с определенной длиной волны может привести к отключению этих рецепторных клеток, что, в свою очередь, приведет к уставанию глаза и совершенно иному восприятию цвета.
Тот свет, который мы видим, не является светом с одной длиной волны, а представляет собой сочетание разных длин волн, в результате которого образуется один определенный цвет. Длина волн и интенсивность спектра видимого нами света зависит от источника освещения. Спектры дневного света и лампы накаливания с вольфрамовой нитью существенно отличаются друг от друга. Это означает, что цвет объекта будет восприниматься по-разному при его оценке при свете от разных источников освещения.
Для того, чтобы сообщить о цвете объекта в зуботехническую лабораторию, где пациенту изготавливают коронку или винир, необходимо иметь определенный механизм описания цветовых характеристик зубов пациента, чтобы будущая реставрация не отличалась от них по цвету. Многие исследователи пытались разработать метод количественной оценки цвета и выражения его в числовых величинах для того, чтобы сделать передачу цвета простой и точной. В 1905 году американский художник Генри Манселл предложил метод описания цветов с помощью трех цветовых параметров — основного цветового тона, насыщенности цвета и светлоты.
Основной цветовой тон. Представляет собой цвет (т.е. длину волн), преобладающий(ую) в спектре света от источника освещения. Примерами могут быть фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Три первичных цвета, из которых можно составить остальные цвета — это красный, зеленый и синий. Фактически эти три цвета используются в телевизионных установках для создания полной цветовой картины из всего трех четко окрашенных наборов точек.
Насыщенность (плотность) цвета. Это — сила цвета, или, иными словами, то, насколько живым выглядит цвет. Для того, чтобы представить себе этот цветовой параметр, вспомним, что у каждой телевизионной установки насыщенность цветового тона можно регулировать ручкой настройки цвета.
Светлота (степень светлоты). Это светлость или затемненность объекта, изменяющаяся в пределах от черного до белого для рассеивающих или отражающих объектов, и от черного до прозрачного для просвечивающих (светопропускающих) объектов. В то время, как основной цветовой тон и насыщенность цвета являются свойствами самого объекта, светлота зависит от случайного попадания света, рельефа поверхности объекта, а если материал пропускает свет, то и от окраски фона. Следовательно, важно проводить оценку цвета под разными источниками освещения, причем слишком яркий дневной свет лучше не использовать.
Рис. 1.8.12. Цветовая система Манселла в трехмерном пространстве с координатами цвета, насыщенности и светлоты
На Рис. 1.8.12. представлена основа системы Манселла. Такое трехкоординатное представление цвета не слишком практично. Поначалу, в этот метод описания цвета входило большое число цветных бумажных этикеток, позже он был превращен в цифровую систему. В цифровой системе любой выбранный цвет, визуально оцениваемый по атласу цветов Манселла, может быть выражен комбинацией буквы и цифры. Однако и эта система имеет свои ограничения, поскольку из-за цветовой нестабильности красок, атлас приходится заменять 1 раз в 5 лет, и при этом его следует рассматривать только при стандартных условиях освещения. Кроме того, хотя атлас и подходит для оценки цвета одежды или краски, которые можно близко поднести к диаграмме цветов, он является не самым удобным методом оценки цвета натуральных зубов пациента.
Было показано, что диапазон цветов зубов человека ограничен всего 2% цветового пространства Манселла. Специально для стоматологии была разработана более простая система, основанная на использовании шкалы расцветок. Наибольшее распространение получила шкала расцветок ВИТА (Рис. 1.8.13). Она создана на базе трех цветовых параметров: основного цветового тона, цветовой насыщенности и степени светлоты цвета.
В ней представлены 4 основных цветовых тона: группа А (красновато-коричневые цвета), группа В (красновато-желтые), группа С (серые) и группа D (красновато-серые). Параметр светлоты представлен серой шкалой, и образцы расцветок располагаются в ней в последовательности, зависящей от того, насколько светлым (белым) или темным (черным) будет зуб. Третьим элементом шкалы расцветок Вита является цветовая насыщенность, отражающая глубину основного цветового тона и указанная номерами, расположенными возле обозначения группы: А1-А4, В1-В4, С1-С4 и D1-D4. Важно, чтобы выбранная шкала расцветок соответствовала цветам материала, который предполагается использовать для реставрации зубов. В идеале образцы шкалы расцветок должны быть изготовлены из того же материала, что и реставрация.
Свойство изменения цвета объекта при попадании на него света от разных источников называют метамеризмом. Метамеризм можно наблюдать в тех случаях, когда цвета двух объектов с разными светоотражательными свойствами (с разными коэффициентами отражения) выглядят одинаково при определенном освещении и определенных условиях наблюдения, и начинают выглядеть по-разному, если поменять источник освещения или условия наблюдения. Многие покупатели знают, что если они захотят подобрать себе две вещи, совпадающие по цвету, то лучше это делать при дневном освещении, чем под светом флюоресцентных ламп в магазине.
Другой важной особенностью света является то, что некоторые объекты способны поглощать свет с длинами волн, находящимися вблизи от ультрафиолетовой области спектра (300 — 400 нм), а затем высвобождать свет с большими длинами волн (400 — 450 нм). Эта особенность называется флюоресценцией, и она наблюдается у эмали натуральных зубов. Ею можно объяснить то, почему зубы выглядят такими белыми при флюоресцентном освещении, и почему коронки, мостовидные протезы или пломбы иногда становятся слишком заметными при попадании на них света от флюоресцентных ламп, хотя при дневном свете цвет этих реставраций совпадает с цветом натуральных зубов. Если материал, используемый для изготовления реставрации не обладает свойством флюоресценции, то рядом с флюоренцирующим натуральным зубом реставрация будет выглядеть более темной.
Клиническое значение
Светопроницаемость
Свет проходит сквозь прозрачные материалы, такие, как оконное стекло, почти без искажений, что означает, что вид объекта через стекло будет достаточно четким. В некоторых случаях может происходить выборочное поглощение лучей с определенными длинами волн: на основе этого явления были разработаны оптические фильтры.
Светопроницаемый материал, пропуская сквозь себя свет, поглощает его некоторое количество, и отражает часть лучей от своей внешней поверхности или внутренних границ в неоднородной структуре. Объект, рассматриваемый через светопроницаемый (полупрозрачный) материал, будет выглядеть искаженным.
Непрозрачный материал — это такой материал, который не пропускает свет, но поглощает, рассеивает или отражает его от своей поверхности. Цвет объекта зависит от поглощаемых и отражаемых длин световых волн. Например, красное стекло будет выглядеть красным потому, что оно пропускает сквозь себя красные световые волны, но поглощает свет с любыми другими длинами волн. Следовательно, красное стекло может выглядеть непрозрачным, если в спектре источника освещения отсутствует красные световые волны, поскольку световые лучи с любыми другими длинами волн будут поглощаться этим стеклом.
На Рис. 1.8.14 представлена простейшая шкала, позволяющая оценить степень непрозрачности материала. В этой системе непрозрачность (опаковость, заглушенность) представляет собой соотношение между степенью отражения дневного света от образца стандартной толщины (обычно, 1 мм) на черном стандартном фоне и кажущейся степенью отражения дневного света от того же образца на белом стандартном фоне. Коэффициент отражения белого стандартного фона составляет 70% относительно оксида магния (С070). Восстановительный материал сравнивают по этой шкале с эмалью и дентином, что позволяет легко оценить относительную степень непрозрачности интересующего материала.
Рис. 1.8.14. Простая шкала показателя непрозрачности
Текстура (строение) поверхности
Глянцевый или матовый вид материала зависит от степени гладкости его поверхности. Эмаль имеет блестящую поверхность, поскольку она обладает гладкой текстурой и отражает большую часть света, падающего на ее поверхность. По мере увеличения шероховатости поверхности материала, рассеяние света усиливается и поверхность становится матовой. Это явление должно быть учтено при работе со стоматологическими материалами, поскольку реставрация будет выглядеть неэстетичной из-за матовой поверхности, которая образуется при ее шлифовании. Наличие матовой поверхности приведет к тому, что реставрация станет заметно отличаться от остальных сохранившихся тканей зуба.
Рис. 1.8.15. Профили поверхности, полученные на профилометре, снабженном сканирующим электронным микроскопом, для (а) полимерного гибридного композита с большим размером частиц (Occlusin, ICI) и (Ь) полимерного композита с малым размером частиц (Herculite XRV, Kerr UK Ltd)
Клиническое значение
Способность материала для восстановления зубов к полированию является важным критерием при его выборе.
Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
Оптические свойства
Оптические свойства — это свойства, воспринимаемые в зрительных ощущениях. К основным оптическим свойствам относятся поглощение, преломление, отражение и рассеяние света. Они имеют значение при эстетической оценке качества товаров.
Световое излучение может проходить через материалы, отражаться, поглощаться, преломляться и рассеиваться в них. Непросвечивающий материал частично поглощает падающий на него световой поток, а частично его отражает. В просвечивающем материале значительная часть светового потока, кроме отраженного и поглощенного, проходит через него. Каждая часть светового потока характеризуется соответствующим коэффициентом (отражения, поглощения, пропускания), который является важным показателем и учитывается при оценке оптических свойств материалов и изделий.
Коэффициент пропускания т характеризует отношение потока излучения, пропущенного материалом, к потоку излучения, упавшему на него. При этом коэффициент пропускания при различных частотах излучения имеет разные значения и зависит от строения материалов, температуры, окраски, состояния поверхности и других факторов.
От поверхности материалов свет может отражаться. Отражательная способность зависит от свойств поверхности.
Преломление света на границе сред разной оптической плотности принято характеризовать коэффициентом преломления n. Он определяется отношением скорости света в вакууме к скорости света в веществе материала. Значение этого показателя зависит также от частоты падающего света. При увеличении частоты коэффициент преломления уменьшается. Материалы с высоким коэффициентом преломления дают “игру” света, связанную с разложением белого на спектральные цвета. Например, у стекла п = 1,3, а у алмаза — примерно 2,5.
Одно из важных световых явлений — цвет. Цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз электромагнитного излучения из диапазона видимого спектра длиной волн от 380 до 760 нм. Известно, что каждой длине волны соответствует определенный цвет, плавно переходящий в другой (табл. 5.1).
Соседние волны сравнительно мало отличаются друг от друга, цвет изменяется постепенно. Кроме длины волны, любой цвет характеризуется цветовым тоном, яркостью и насыщенностью.
Цветовой тон зависит от спектрального состава света, попадающего в глаз, по нему мы определяем цвет (красный, синий, желтый).
Яркость и светлота — показатели количества световой энергии, отражаемой, пропускаемой или излучаемой телом.
Насыщенность цвета характеризует чистоту оттенка, отсутствие белесоватости. Насыщенность цвета не зависит от яркости или светлоты; она лишь выражает отношение между яркостями белого и цветного света, отраженного телом. Примером насыщенных цветов являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов.
В зависимости от характера и величины отражения света материалы могут приобретать ахроматические или хроматические цвета. При избирательном отражении лучей разных длин волн материал приобретает хроматический цвет.
Ахроматические цвета получаются при отражении материалом лучей всех длин волн спектра в одинаковом соотношении. Известно, что при полном отражении будет белый цвет, при полном поглощении — черный, при неполном — серый. Для многих материалов и изделий важна степень отражения света, оцениваемая как белизна и определяемая по количеству отраженного света с помощью фотометров.
Все цвета по зрительному восприятию человеком подразделяются на теплые и холодные. Теплые цвета — наиболее яркие, бодрящие, возбуждающие, оживляющие (красные, оранжевые, желтые и др.). Холодные цвета менее заметные, более спокойные (синий, фиолетовый, голубой и др.). Предметы теплых и насыщенных цветов кажутся более тяжелыми по сравнению с предметами холодных цветов.
Спектральные цвета не исчерпывают всего богатства хроматических цветов, глаза человека способны различать несколько тысяч оттенков хроматических цветов. Различные оттенки спектральных цветов могут быть получены смешением их с белым цветом. Полученные цвета различаются соотношением белого и спектрально-чистого цвета. Чем чище и насыщеннее цвет, тем меньше примесей белого цвета он содержит.
Хроматические цвета определяются следующими показателями: длиной волны (цветовой тон), коэффициентом отражения (светлотой), чистотой, насыщенностью (степенью различия хроматического цвета от серого, одинакового с ним по светлоте), величиной светового потока (яркостью) излучения и координатами цвета.
В современных стандартах принято характеризовать цвет в координатах цвета. Определение координат цвета основано на теории трехкомпонентности цветового зрения. Согласно этой теории любой хроматический цвет можно представить в виде определенной смеси трех цветов (красного, зеленого и синего). Под координатами цвета понимают долю каждого цвета. При смешении цветов в различных соотношениях глаза человека могут ощущать большое разнообразие оттенков цвета. Практически смешение цветов может быть получено двумя способами: аддитивным и субтрактивным (от лат. additivus — прибавленный; subtrano — извлекаю, удаляю).
При аддитивном смешении цветов на одно и то же место сетчатки глаза попадает одновременно или в быстрой последовательности несколько излучений различного цвета, а глаз воспринимает их как один цвет. Субтрактивное смешение цветов происходит в тех случаях, когда излучение источника света перед попаданием на сетчатку глаз проходит последовательно через поглощающие или отражающие свет среды различного цвета. В этом случае цвет зависит от спектральной характеристики источника света и кривых спектрального пропускания и отражения поглощающих свет сред.
Аддитивное смешение цветов используется в визуальных колориметрах для количественной оценки цвета и в цветном телевидении.
На субтрактивном смешении цветов основаны цветовое кино, цветная фотография, цветная печать и др.