Brillo (óptica)

Reflexión especular y difusa

Cuando la luz ilumina un objeto, interactúa con él de varias formas:

• Absorbido dentro de él (en gran parte responsable del color)
• Transmitido a través de él (depende de la transparencia y opacidad de la superficie)
• Dispersos desde o dentro de él (reflexión difusa, neblina y transmisión)
• Especularmente reflejado de él (brillo)

Las variaciones en la textura de la superficie influyen directamente en el nivel de reflexión especular. Los objetos con una superficie lisa, es decir, muy pulidos o que contienen recubrimientos con pigmentos finamente dispersos, aparecen brillantes a la vista debido a que una gran cantidad de luz se refleja en una dirección especular, mientras que las superficies rugosas no reflejan luz especular ya que la luz se dispersa en otras direcciones. Las cualidades de formación de imagen de estas superficies son mucho menores, lo que hace que los reflejos parezcan borrosos y distorsionados.

El tipo de material de sustrato también influye en el brillo de una superficie. Los materiales no metálicos, es decir, plásticos, etc., producen un mayor nivel de luz reflejada cuando se iluminan con un ángulo de iluminación mayor debido a que la luz se absorbe en el material o se dispersa de manera difusa según el color del material. Los metales no sufren este efecto produciendo mayores cantidades de reflexión en ningún ángulo.

La fórmula de Fresnel da la reflectancia especular, ${\displaystyle R_{s}}$, para una luz de intensidad no polarizada ${\displaystyle I_{0}}$, con ángulo de incidencia ${\displaystyle i}$, dando la intensidad del haz de intensidad reflejado especularmente ${\displaystyle I_{r}}$, mientras que el índice de refracción de la muestra de superficie es ${\displaystyle m}$.

La ecuación de Fresnel resulta ser : ${\displaystyle R_{s}={\frac {I_{r}}{I_{0}}}}$

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

Rugosidad superficial

Figura 1:Reflexión especular de la luz de una superficie rugosa

La rugosidad de la superficie en un rango de micrómetros influye en los niveles de reflectancia especular. El diagrama de la derecha muestra la reflexión con un ángulo ${\displaystyle i}$ sobre una superficie rugosa con una altura de rugosidad característica ${\displaystyle h}$. La diferencia de trayectoria entre los rayos reflejados desde la parte superior e inferior de las protuberancias de la superficie es:

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

Cuando la longitud de onda de la luz es ${\displaystyle \lambda }$, la diferencia de fase es:

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

Si ${\displaystyle \Delta \phi \;}$ es pequeño, los dos haces (ver Figura 1) están casi en fase y, por lo tanto, la superficie de la muestra puede considerarse lisa. Pero cuando ${\displaystyle \Delta \phi =\pi \;}$, entonces los haces no están en fase y debido a la interferencia, se producirán cancelaciones entre sí. La baja intensidad de la luz reflejada de forma especular significa que la superficie es rugosa y dispersa la luz en otras direcciones. Si un criterio arbitrario para una superficie lisa es ${\displaystyle \Delta \phi <{\frac {\pi }{2}}}$, entonces la sustitución en la ecuación anterior producirá:

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

Esta condición de superficie lisa se conoce como criterio de rugosidad de Rayleigh.

Los primeros estudios sobre la percepción del brillo se atribuyen a Ingersoll [1], quien en 1914 examinó el efecto del brillo en el papel. Al medir cuantitativamente el brillo utilizando instrumentación, Ingersoll basó su investigación en la teoría de que la luz está polarizada en la reflexión especular, mientras que la luz reflejada de forma difusa no está polarizada. El “glarímetro” de Ingersoll tenía una geometría especular con ángulos de incidencia y de visión de 57,5°. Usando esta configuración, se midió el brillo usando un método de contraste que restaba el componente especular de la reflectancia total usando un filtro polarizador.

En su trabajo de la década de 1930 de AH Pfund,[2] sugirió que aunque el brillo especular es la evidencia básica (objetiva) del brillo, la apariencia brillante de la superficie real (subjetiva) se relaciona con el contraste entre el brillo especular y la luz difusa del área de la superficie circundante ( ahora llamado "brillo de contraste" o "lustre").

Si se comparan visualmente superficies en blanco y negro con el mismo brillo, la superficie negra siempre aparecerá más brillante debido al mayor contraste entre la iluminación especular y el entorno negro en comparación con la superficie y el entorno blancos. Pfund también fue el primero en sugerir que se necesitaba más de un método para analizar el brillo correctamente.

En 1937, Hunter,[3] como parte de su artículo de investigación sobre el brillo, describió seis criterios visuales diferentes atribuidos al brillo aparente. Los siguientes diagramas muestran las relaciones entre un haz de luz incidente, I, un haz reflejado especularmente, S, un haz reflejado difusamente, D y un haz reflejado casi especularmente, B.

• Brillo especular: el brillo percibido y el brillo de los reflejos

Definido como la relación de la luz reflejada desde una superficie en un ángulo igual pero opuesto al incidente en la superficie.

• Lustre: el brillo percibido en ángulos de incidencia bajos

Definido como el brillo en ángulos rasantes de incidencia y visión.

• Brillo de contraste: el brillo percibido de áreas que se reflejan de manera especular y difusa

Definido como la relación entre la luz reflejada de forma especular y la normal a la superficie reflejada de forma difusa;

• Ausencia de floración: la nubosidad percibida en los reflejos cerca de la dirección especular.

Definido como una medida de la ausencia de neblina o una apariencia lechosa adyacente a la luz reflejada de forma especular: la neblina es la inversa de la ausencia de floración.

• Distinción del brillo de la imagen: identificado por la distinción de las imágenes reflejadas en las superficies

Definido como la nitidez de la luz reflejada de forma especular

• Brillo de la textura de la superficie: identificado por la falta de textura de la superficie y las imperfecciones de la superficie.

Definido como la uniformidad de la superficie en términos de textura visible y defectos (piel de naranja, rayones, inclusiones, etc.)

Por tanto, una superficie puede parecer muy brillante si tiene una reflectancia especular bien definida en el ángulo especular. La percepción de una imagen reflejada en la superficie puede degradarse al parecer poco nítida o al parecer con poco contraste. El primero se caracteriza por la medición de la distinción de la imagen y el segundo por la bruma o brillo de contraste.

En su artículo, Hunter también señaló la importancia de tres factores principales en la medición del brillo:

• La cantidad de luz reflejada en la dirección especular.
• La cantidad y la forma en que la luz se distribuye alrededor de la dirección especular.
• El cambio en la reflexión especular a medida que cambia el ángulo especular

Para su investigación usó un medidor de brillo con un ángulo especular de 45° al igual que la mayoría de los primeros métodos fotoeléctricos de ese tipo, sin embargo, estudios posteriores de Hunter y Judd en 1939,[4] en un mayor número de muestras pintadas, concluyeron que el La geometría de 60° fue el mejor ángulo a utilizar para proporcionar la correlación más cercana a una observación visual.

La estandarización en la medición del brillo fue liderada por Hunter y la ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) que produjeron el método de prueba estándar ASTM D523 para brillo especular en 1939. Este incorporó un método para medir el brillo en un ángulo especular de 60°. Las ediciones posteriores de la Norma (1951) incluyeron métodos para medir a 20° para evaluar acabados de alto brillo, desarrollados en DuPont Company (Horning y Morse, 1947) y 85° (para superficies mate o de bajo brillo).

ASTM tiene una serie de otras normas relacionadas con el brillo diseñadas para su aplicación en industrias específicas, incluido el antiguo método de 45° que se usa principalmente ahora para cerámica vidriada, polietileno y otras películas plásticas.

En 1937, la industria del papel adoptó un método de brillo especular de 75° porque el ángulo proporcionaba la mejor separación de los papeles estucados para libros. [6] Este método fue adoptado en 1951 por la Asociación Técnica de Industrias de Pulpa y Papel como Método TAPPI T480.

En la industria de la pintura, las mediciones del brillo especular se realizan de acuerdo con la Norma Internacional ISO 2813 (BS 3900, Parte 5, Reino Unido; DIN 67530, Alemania; NFT 30-064, Francia; AS 1580, Australia; JIS Z8741, Japón, son también equivalente). Esta norma es esencialmente la misma que la ASTM D523, aunque está redactada de manera diferente.

Los estudios de superficies de metal pulido y molduras automotrices de aluminio anodizado en la década de 1960 por Tingle,[5][6] Potter y George llevaron a la estandarización de la medición del brillo de superficies de alto brillo por goniofotometría bajo la designación ASTM E430. En esta norma también definió métodos para la medición de la distinción del brillo de la imagen y la neblina de reflexión.

• Luz Negra
• Cesía (apariencia visual)
• Colorimetría
• Pintura metalizada
• Reflectancia

• « Éclairage », dans Commission électrotechnique internationale, CEI 60050 Vocabulaire électrotechnique international (lire en ligne [archive]), p. 845-04-73 « Brillant »
• Jean Petit, Jacques Roire et Henri Valot, Encyclopédie de la peinture : formuler, fabriquer, appliquer, t. 1, Puteaux, EREC, 1999, p. 402 « Brillant »
• Jean Petit, Jacques Roire et Henri Valot, Encyclopédie de la peinture : formuler, fabriquer, appliquer, t. 2, Puteaux, EREC, 2001, p. 83 « Mat »
• Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam, 2009, p. 255-295.
• Robert Sève, « Problems connected with the concept of gloss », Color Research and application,‎ août 1993 (présentation en ligne [archive])

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