ברק (אופטיקה)

ברק (gloss) היא תכונה אופטית שמצביעה על כמה טובה החזרת האור הספקולרית (החזרת הראי) של משטח מסוים. מדובר באחד הפרמטרים החשובים המשמשים אותנו לתיאור חזותי של אובייקט. הגורמים שמשפיעים על הברק הם מקדם השבירה של החומר ממנו עשוי האובייקט, זווית הפגיעה של האור, וכן טופוגרפיית פני השטח שלו. נראות הברק תלויה ביחס בין שני גורמים עיקריים: החזרה ספקולרית (החזרת ראי) – אור המוחזר מפני השטח בעוצמה שווה ובזווית סימטרית לאור הפוגע. החזרה דיפוזית (החזרה מפוזרת) – אור מוחזר שמתפזר לכיוונים שונים. ככל שיחס זה גדול יותר, כך החומר נראה לנו מבריק יותר. כאשר אור פוגע בחומר, הוא יכול לעבור עמו מספר סוגים של אינטראקציה:  בליעה (בליעה היא אחת התכונות האחראיות לצבע אותו אנו רואים) העברה (תלוי בשקיפות או בעכירות של החומר)  החזרה דיפוזית  החזרה ספקולרית וריאציות ושינויים במרקם של פני השטח משפיעים באופן ישיר על רמת ההחזרה הדיפוזית. אובייקטים עם פני שטח חלקים או מלוטשים היטב נראים מבריקים (shiny) יותר לעין הודות לכמות הגדולה של אור המוחזר באופן ספקולרי, בעוד שמשטחים מחוספסים כמעט לא מחזירים אור ספקולרי היות שהאור מפוזר רובו ככולו בכיוונים אחרים ועל כן נראה עמום (מט). סוג המצע של החומר משפיע גם הוא על הברק של פני השטח. חומרים לא מתכתיים, דוגמת פלסטיק, מחזירים הרבה יותר אור כאשר הם מוארים בזווית הארה גדולה יותר הודות לאור הנבלע בחומר (או מתפזר ממנו), כתלות בצבע החומר. מתכות לעומת זאת לא סובלות מתופעה זו, ומחזירות אור בכמות גבוהה ללא תלות בזווית ההארה. נוסחת פרנל נותנת לנו את ערך ההחזרה הספקולרית R s {\displaystyle R_{s}} , עבור עוצמת אור לא מקוטב I 0 {\displaystyle I_{0}} , הפוגע בזווית פגיעה i {\displaystyle i} , ומניבה את העוצמה של הקרן הספקולרית המוחזרת I r {\displaystyle I_{r}} , כאשר מקדם השבירה של של המשטח הוא n {\displaystyle n} . משוואת פרנל נתונה על ידי: R s = I r I 0 {\displaystyle R_{s}={\frac {I_{r}}{I_{0}}}} כאשר R s = 1 2 ( ( cos ⁡ i − n 2 − sin 2 ⁡ i cos ⁡ i + n 2 − sin 2 ⁡ i ) 2 + ( n 2 cos ⁡ i − n 2 − sin 2 ⁡ i n 2 cos ⁡ i + n 2 − sin 2 ⁡ i ) 2 ) {\displaystyle R_{s}={\frac {1}{2}}{\Biggl (}{\biggl (}{\frac {\cos i-{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}}{\cos i+{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}}}{\biggr )}^{2}+{\Biggl (}{\frac {n^{2}\cos i-{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}}{n^{2}\cos i+{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}}}{\biggr )}^{2}{\Biggr )}} חספוס פני השטח משפיע על רמת ההחזרה הספקולרית; כאשר עוסקים באורכי גל של האור הנראה, גימור המשטח ברזולוציה המיקרומטרית היא הרלוונטית ביותר. השרטוט משמאל מציג את ההחזרה של קרן הפוגעת בזווית  במשטח מחוספס עם גובה חספוס אופייני Δ h {\displaystyle \Delta h} . פער המסלולים בין קרן המוחזרת מחלקו העליון של המשטח לעומת זו המוחזרת מחלקו התחתון ניתן לביטוי על ידי: Δ r = 2 Δ h cos ⁡ i {\displaystyle \Delta r=2\Delta h\cos i} . כאשר אורך הגל הוא λ {\displaystyle \lambda } , הפרש הפאזה יהיה: Δ ϕ = 2 π λ Δ r = 4 π Δ h cos ⁡ i λ {\displaystyle \Delta \phi ={\frac {2\pi }{\lambda }}\Delta r={\frac {4\pi \Delta h\cos i}{\lambda }}} . אם Δ ϕ {\displaystyle \Delta \phi }  קטנה, שתי הקרניים (ראו שרטוט 1) הן בקירוב באותה פאזה, כך שהן עוברות התאבכות בונה; במקרה זה, נאמר שהמשטח חלק. אך כאשר Δ ϕ = π {\displaystyle \Delta \phi =\pi } , הקרניים לא באותה פאזה ובפרט עוברות התאבכות הורסת. עוצמה נמוכה של אור ספקולרי מצביעה על כך שהמשטח מחוספס ומפזר את האור בכיוונים אחרים. אם נקבע את הקריטריון הבא להגדרתו של משטח כחלק Δ ϕ < π 2 {\displaystyle \Delta \phi <{\frac {\pi }{2}}} . אזי שהצבה שלו למשוואה מעלה תניב את התנאי: Δ h < λ 8 cos ⁡ i {\displaystyle \Delta h<{\frac {\lambda }{8\cos i}}} . תנאי זה ידוע כ"תנאי החספוס של ריילי" (Rayleigh roughness criterion). המחקרים המוקדמים ביותר על אודות הברק מיוחסים לאינגרסול (Ingersoll) אשר ב-1914 בחן את ההשפעה של ברק על נייר. אינגרסול ביצע מדידות שבהן כימת את הברק לכדי ערכים מדידים. הוא ביסס את המחקר שלו על בסיס התאוריה שאור ספקולרי הוא מקוטב ואור מפוזר אינו מקוטב. מד הברק של אינגרסול (Glossmeter, or Glarimeter) היה בעל גאומטריה ספקולרית עבור זווית פגיעה ותצפית של . על בסיס הגדרה זו נמדד הברק על ידי פילטר מקטב שחיסר את הרכיב הספקולרי מכלל האור המוחזר. בשנות ה-30 של המאה הקודמת, עבודה של אוגוסט הרמן פפונד (Pfund) הציעה שאף על פי שהחזר ספקולרי הוא התכונה היסודית והאובייקטיבית המגדירה ברק של חומר, הרי שהנראות של הברק (הסובייקטיבית) תלויה בניגודיות שבין הזוהר שנובע מההחזר הספקולרי לבין האור המפוזר המוחזר מפני השטח. אם שני משטחים – האחד שחור והשני לבן עם אותו החזר ספקולרי של אור עוברים השוואה חזותית, הרי שהמשטח השחור תמיד יראה לצופה כמבריק יותר בגלל הניגוד הגדול יותר בין האור המוחזר לבין הסביבה השחורה בהשוואה לאור המוחזר (בעוצמה שווה) על רקע הסביבה הלבנה. Pfund היה גם הראשון להציע שנדרשת יותר משיטה אחת כדי לנתח נכונה ברק של חומר. ב-1937 האנטר, כחלק ממחקרו על ברק, תיאר שישה קריטריונים ויזואליים שונים המיוחסים לנראות של ברק. הדיאגרמות הבאות מראות את היחס בין קרן האור הפוגעת, I, קרן המוחזרת ספקולרית, S וקרן מוחזרת דיפוזית D, וקרן שהוחזרה באופן קרוב לספקולרי, B. ברק ספקולרי – מוגדר כיחס האור המוחזר ממשטח מסוים בזווית שווה אך הפוכה. בוהקות (Sheen) – מוגדר כרמת הברק הנצפית מזוויות קטנות ביחס למשטח. ברק ניגודי – מוגדר בתור היחס בין האור המוחזר באופן דיפוזי (נורמל למשטח) לאור המוחזר באופן ספקולרי. היעדרות הילה (Absence of Bloom) – מוגדר כמדד להיעדר אובך או מראה "מעונן" בסמוך לאור המוחזר בצורה ספקולרית – באופן אנלוגי אובך הוא ההפך של היעדרות-הילה. ברק טקסטורת המשטח – מוגדר על ידי חוסר אחידות של המשטח במובן של פגמים נראים בטקסטורה. לכן, משטח יכול להיראות מבריק מאוד אם יש לו החזר ספקולרי מוגדר היטב בזווית הראייה ומבריק פחות אם זווית זו תשתנה. איכות התמונה המשתקפת על פני השטח יכולה להידרדר במובנים של ירידה בחדות, או על ידי מראה של ניגודיות נמוכה המאופיינת בעכירות. בכתביו של האנטר, הוא ציין את חשיבותם של שלושה גורמים למדידת ברק: כמות האור המוחזר בכיוון הספקורלי הכמות והאופן בו האור מתפשט בקרבת הכיוון הספקורלי השינוי בהחזרה ספקורלית כתלות בשינוי בזווית הספקורלית האנטר השתמש במחקרו במד-ברק בזווית ספקורלית של 45 מעלות כפי שהשתמשו ברוב השיטות האלקטרו-אופטיות הראשונות מסוג זה. אולם מחקרים מאוחרים יותר של האנטר וג׳אד בשנת 1939 על מספר גדול יותר של דוגמאות מצוירות, הגיעו למסקנה כי זווית ספקטרלית של 60 מעלות הייתה הזווית הטובה ביותר לתצפית חזותית. התקן במדידת ברק הובלו על ידי האנטר וה-ASTM (האגודה האמריקאית לבדיקות וחומרים) שייצרו את ASTM D523 – שיטת הבדיקה הסטנדרטית לברק בשנת 1939. זה כלל שיטה למדידת ברק בזווית ספקולרית בגודל 60 מעלות. גרסאות מאוחרות יותר של התקן (1951) כללו שיטות למדידה ב-20 מעלות להערכת גימורים מבריקים (שפותחו על ידי חברת DuPont ב-1947) ובזווית 80 מעלות להערכת גימורי מט או ברק נמוך. ל-ASTM יש מספר תקנים אחרים הקשורים לברק, ומיועדים ליישום בתעשיות ספציפיות. למשל שיטת ה-45 מעלות הישנה, שמשמשת כיום בעיקר עבור קרמיקה מזוגגת, פוליאתלין וסרטי פלסטיק. בשנת 1937, תעשיית הנייר אימצה את שיטת 75 מעלות ברק (75 Specular-gloss method) מכיוון שזווית זו נתנה את ההפרדה הטובה ביותר של ניירות ספרים מצופים. שיטה זו אומצה בשנת 1951 על ידי האגודה הטכנית של תעשיות Pulp&Paper תחת השם שיטת TAPPI-T480. בתעשיית הצבע, מדידת הברק הספקולרי נעשות לפי תקן בינלאומי ISO 2813 (BS 3900, חלק 5, בריטניה: DIN 67530, גרמניה: NFT 30-064, צרפת: AS 1580, אוסטרליה: JIS Z8741, יפן גם שוות ערך). תקן זה זהה ל- ASTM D523, אם כי שונה בנוסח. מחקרים על משטחי מתכת מלוטשים וציפוי כלי רכב מאלומיניום באנודיז בשנות ה-60 על ידי טינגל, פוטר וג'ורג הובילו לסטנדרטיזציה של מדידת ברק של משטחים בעלי ברק גבוה באמצעות גוניופוטמטריה  תחת הכינוי ASTM E430 . בתקן זה הגדירו גם שיטות למדידת ההבחנה של ברק התמונה ועכירות ההשתקפות. מראה רשימה של נושאים באופטיקה  PCI Magazin article: What is the Level of Confidence in Measuring Gloss? NPL: Good practice guide for the measurement of Gloss Ingersoll, Ingersoll R. S., The Glarimeter, “An instrument for measuring the gloss of paper”. J.Opt. Soc. Am. 5.213 (1921) Ingersoll, Ingersoll Elec. World 63,645 (1914), Elec. World 64, 35 (1915); Paper 27, 18 (Feb. 9, 1921),and U. S. Patent 1225250 (May 8, 1917) August Herman Pfund, A.H. Pfund, ”The measurement of gloss“, J. Opt. Soc.Am. 20, 23.23 (1930) Hunter, Hunter, R. S., “Methods of determining gloss”, RP958 J. Res. NBS, Volume 18 (1937) Judd, Judd, D B (1937), Gloss and glossiness.Am. Dyest. Rep. 26, 234–235 Hunter, Institute of Paper Chemistry (1937); Hunter (1958) Tingle, George, Tingle, W. H., and George, D. J., “Measuring Appearance Characteristics ofAnodized Aluminum Automotive Trim,” Report No. 650513, Society ofAutomotive Engineers, May 1965. Tingle, Potter, Tingle, W. H., and Potter, F. R., “New Instrument Grades for Polished Metal Surfaces,” Product Engineering, Vol 27, March 1961.