光と色の話 第二部
第11回 光沢
日常会話の中でも、例えば、瀬戸物の湯飲み、ガラスのコップ、金属容器など、物体の表面がツルツルでツヤがあって何となく光ったような感じを受ける場合、「光沢がある」とか、「光沢が感じられる」という表現がよく使われます。
一方、和紙や白墨（チョーク）のような物体は、全く光沢感（ツヤ感）は無く、どちらの方向から照明されているか、どちらの方向から見るかに関わらず、見え方に殆ど変化がありません。
この「光沢」とは具体的にはどんな現象なのでしょうか？
反射光の配光特性
光沢が感じられるのは、光源と物体と観察者との位置関係が特定の関係にあること、すなわち光源から物体表面へ入射する光の鏡面反射（正反射）方向から見た場合になります。鏡面反射方向から外れた方向から見ると、光沢性の強い反射面ほど光沢性は感じられず却って暗く見えます。
ある方向から物体表面が照らされている場合、その物体表面への入射光がどの方向にどれだけ反射されているのか、すなわち反射光の配光特性が光沢性に深く関係しています。
下図（ c ）の鏡面反射（正反射）は、文字通り鏡の面での反射現象であり、入射光線の入射角 θi に対して反射光線の進行方向（反射角 θr ）は反射面の法線に対して対称方向（ θr ＝ θi ）となります。
（ a ）の均等（完全）拡散反射は、入射光線の入射角 θi の大きさよらず、常に反射面の法線方向（ θr ＝ 0° ）への反射光束が最も大きく、それ以外の方向への反射光束は法線方向の光束の余弦（ cos θr 倍）になる、という反射配光特性です≪※第一部第９回 反射面での光の「拡散特性」≫。
反射光の配光特性は、鏡面反射（ c ）と 均等（完全）拡散反射（ a ）が両極端で、一般の物体表面における反射は、（ b ）の様に、鏡面反射方向（ θr ＝ θi ）の成分が強めで、鏡面反射方向から外れるほど弱くなっているのが一般的です。細い 1 本の入射光線の場合で考えると、鏡面反射（ c ）の場合は、反射角（ θr ）方向に反射光エネルギーが集中しますので当然その方向から見ると非常に明るく見えますが、反射角以外の方向から見ると眼に光が入ってきませんので真っ暗になってしまいます。
| （ a ）均等（完全）拡散反射面 による拡散反射 |
（ b ）一般の反射面の拡散反射 | （ c ）鏡面反射 （ θr ＝ θi ） | |
|---|---|---|---|
光度配光表示 |
 |
 |
 |
輝度配光表示 |
 |
 |
物体面による反射の様子
一方、均等（完全）拡散反射（ a ）の場合（例えば白い和紙や白墨等の場合）はどうでしょうか？ この拡散反射特性（配光特性）を議論する場合、一般には図の上段のような「光度」配光特性、すなわち「単位立体角当たりの光束」が反射方向によってどのように変化しているかで図示される場合が多い様です。この図（光度配光特性）から、光度が小さい（弱い）方向から見ると暗く、光度が大きい（強い）方向から見ると明るく見える、とつい単純に考えてしまい勝ちですが、正確にはそうとは言い切れません。人間が視る物体表面の明るさ感は「光度」で評価しているのではなく、「輝度」すなわち「見かけの単位面積当たりの光度」で評価していることは、本連載第一部第9回および第10回でお話ししました。従って、光沢を考える時には下段のような「輝度」配光特性で考える必要があります。
均等拡散反射の場合は、観察方向によって反射光の「光度」は cos θr に従って変化しますが「輝度」すなわち“明るさ感”は、配光特性の cos θr の項と、見かけの単位面積を決める cos θr の項が相殺する結果、輝度配光特性は観察方向によらず一定になります≪※第一部第9回 輝度の性質 ( 1 ) ≫。和紙や白墨などの表面の拡散反射配光特性は、概ね均等拡散反射になっているため、光沢が殆ど感じられない訳です。
一般の反射面の場合（上図（ b ））、鏡面反射方向の成分が強くなればなるほど、鏡面反射方向の輝度がそれ以外の方向の輝度に対し大きくなり、光沢感が増していきます。つまり、鏡面反射方向の反射成分の大小が光沢の強さに直結することになります。
反射光の配光特性を決める要因
このような、反射光の配光特性はどのような要因によって決まってくるのでしょうか？
反射光の配光特性分布を左右する要素としては、
- ①反射面に対する照明光の方向
- ②物体表面の微細な凹凸構造の程度（ザラザラなのかツルツルなのか）
- ③物体内部の物質構造と入射光の波長との組み合わせ関係
等が挙げられます。実際の反射配光特性はこれらの要因が複雑に絡み合った結果として生じることになります。
まず、照明光の方向ですが、反射面が完全な平滑面である場合には鏡面反射されます（反射角 θr ＝ 入射角 θi ）。この時、入射光の波長と反射物体組成の組合せによっては、入射光の内の一部は反射せずに物体内部に進行し、後述しますように物体内部組成によって吸収・散乱されますので、その分だけ反射率が低下します。この反射率は一般には入射角 θi が大きいほど高くなりますので、入射角 θi が大きい（浅い角度での照明）ほど光沢が強くなります。
上述に対して、実際の物体の反射面は、多くの場合鏡面ではなく、微細な凹凸構造を持っていますので、もっと複雑な反射になります。物体表面の微細な凹凸構造の程度については、当然ながら物体表面が平滑（ツルツル）になるほど、反射特性は平面鏡に近づいて行きますので、鏡面反射成分が多くなります。物体表面の凹凸が多ければ（ザラザラであると）、巨視的反射面に対しては照明光の入射角が一定（平行光入射）であっても、微視的な物体表面への入射角は入射位置によって異なってしまいますので、微視的な正反射光の進行方向は入射位置によって異なってしまうことになります。その結果、巨視的・総合的な反射配光特性は、一般的には巨視的鏡面反射方向を中心に或る角度範囲に散らばることになります。
拡散反射成分の配光特性を左右する別の要因として挙げられるのは、物質を構成する分子・原子と入射光との相互作用の結果生じる物体内部での散乱および吸収現象です。第二部第１回「光（電磁波）の吸収・透過・反射」でお話ししました様に、物体表面で反射せずに物体内部に進行した光は、高密度に存在する分子・原子によって散乱を受け続けて進行方向が様々に変化するとともに、その進行過程において物質による吸収を受けますが、その内の一部が入射側空間に再放出されたものが拡散反射成分の一部を構成します。つまり、物体からの反射光は物体表面での反射光と、物体内部で物体の分子原子によって散乱された光が入射側空間に再放出された拡散反射光の合成となります。
物体内部での散乱と吸収はいずれも一般に波長依存性があり、その結果物体内部から入射側空間に再放出された拡散反射成分は、入射光の分光分布とは異なった分光分布になっていることが多く、これが（白色光照明下で）物体に色が着いて見える原因となる訳です。従って、光沢性が強い反射面ほど鏡面反射成分が多く、物体内部からの鏡面反射方向への拡散反射成分が弱い訳ですから、鏡面反射方向の分光分布は照明光の分光分布に近くなり、（光沢部分以外は色が着いて見えるのに）光沢には殆ど色味が感じられないことになります。
光沢（鏡面光沢度）の測定
以上の様に、反射光の配光特性は、様々な要因が複雑に絡みあった結果として決まると考えられます。「光沢」の程度は、一言で大雑把に言えば、物体表面での鏡面反射光の強弱で決まる、ということですが、客観的定量的な比較・評価をどうするかが問題となります。
例えば、光源面積が大きい場合などは、反射面への入射光が様々な入射角をとることになり、正反射光の内のどれかが目に到達することになるため、かなりの反射面位置や観察方向範囲において光沢が感じられることになります。このような場合、反射面への入射角によって反射率（正確には輝度率）も変わってきますので、鏡面反射光の強さすなわち光沢の度合いも観察方向によって変わってきます。また更に入射光の分光分布と反射物体の分光反射率（正確には分光輝度率）の組合せによって反射光の分光分布も変わって来ますので、目によって感じられる明るさ感も変化します。
上記の様に、反射面の光沢を評価したい場合、光源と反射面と観察者の位置関係、入射角の大きさとその範囲、光源と反射面の分光特性、等々の多くの条件の組合せによって光沢の程度が変わってしまいますので、これらの諸条件を特定した上で比較評価することが必要になります。
「光沢の程度（光沢度）」をどのように測定・評価するかについては日本工業規格 JIS に規定されています。
JIS Z 8741 － 1997 「鏡面光沢度―測定方法」では、右下図のような測定光学系の条件で光沢度を測定するように規定されています。
照明光の入射角 θi に合わせて照明用レンズ L1 、L2 の光軸が設定され、開口 S1 を通して、試料反射面に照明光を入射角 θi で入射させ、その鏡面反射光束をレンズ L3 によって捉えて、受光器側の開口 S2 を介して鏡面反射光束を測定する構成をとります。この時、光源側の開口 S1 はレンズL1 の焦点位置にあり、試料面に鏡面を置くと、ほぼ平行光で試料面を照明します。受光側のレンズ L3 は鏡面反射光束を捉え、開口 S1 の像が受光側開口 S2 の位置に結像するようになっています。 開口 S2 は開口 S1 の像を包含するような配置、すなわち、試料面からの鏡面反射光は開口 S2 を通して全て受光器に入射し、鏡面反射光以外の拡散反射光は開口 S2 でカットされるように配置されます。
このような測定光学系により、試料反射面は入射角 θi の略平行光（狭い開き角 α1 ）で照明され、略平行光（狭い開き角 α1’ ）の鏡面反射光束を受光器で捉えます。≪※1≫
入射角（ θi ）の条件としては、85° 、75° 、60° 、45° 、20° の 5 つの方法が規定されています。これは、同一の物体面であっても、入射角が大きいほど反射率が高くなるため、素材の種類、用途等の条件によって適切な入射角条件を選択できるようにするためです。
鏡面光沢度の基準として、可視域波長範囲全域に亘って屈折率が一定値 n ＝ 1.567 のガラス平滑面が指定されており、入射角 θ i 毎にその鏡面反射率 ρ0 ( θi ) の値が示されています。
| 測定方法の 種類 |
名称 | 入射角 θi |
記号 Gs ( θi ) |
基準反射面の 鏡面反射率 ρ0 ( θi ) |
|---|---|---|---|---|
| 方法 1 | 85 度鏡面光沢 | 85° | Gs ( 85° ) | 0.6191 |
| 方法 2 | 75 度鏡面光沢 | 75° | Gs ( 75° ) | 0.2646 |
| 方法 3 | 60 度鏡面光沢 | 60° | Gs ( 60° ) | 0.1001 |
| 方法 4 | 45 度鏡面光沢 | 45° | Gs ( 45° ) | 0.0597 |
| 方法 5 | 20 度鏡面光沢 | 20° | Gs ( 20° ) | 0.0491 |
指定された入射角条件下でこの基準反射面を測定した鏡面反射光束値をφ0S 、試料面を測定した鏡面反射光束値をφS とすると、試料面の鏡面光沢度 GS ( θi ) は、基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として次式で定義されます。
入射角条件毎に、この基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として、それに対する相対比を以て試料面の鏡面光沢度
（単位：％ ）とする訳です。
なお、光源としては偏光性の無いもの≪※2≫であって、更に、光源と受光器の組合せに関しては、分光特性が標準イルミナント D65 と標準分光視感効率 V（ λ ）との組み合わせと等価であること、という条件が規定されています。
実際の光沢計には、測定器校正用の標準光沢板（実用標準面）が用意されており、上記の一次基準反射面に対して校正された鏡面光沢度の値が付記されていますので、この値に対して上記の定義式を用いて試料面の鏡面光沢度を算出することになります。この実用標準面は汚れなどによって鏡面光沢度が経時変化することがありますので、定期的に校正することが推奨されています。
以上が JIS に規定された鏡面光沢度の測定方法ですが、人の眼の感じる反射面の明るさ感は“輝度”すなわち、“見かけの単位面積当たりの光度”で評価すべきなのに、JIS 規格の測定光学系は、反射面からの反射 “ 光束φ” を測定していることになっています。これは測定器として一見問題ではないか、とも思えますが、どうなのでしょうか？
この場合、測定光学系図に示されたように、受光器は開口 S2 を通して斜め方向から反射面を見ていますので、反射角 θr （ ＝入射角 θ i ）が固定されれば、「測定立体角」と「反射面の見かけの面積」も固定された状態で光束φを測定していることになり、測定出力自体は「光束φ」であっても輝度の次元で測定していることになります。また、光源と受光器の特性も固定されていますので、光度 I = dφ / dΩ と 輝度L = dI / ( dA ･ cos θr ) = dφ / （ dΩ ･ dA ･ cos θr ） はいずれも受光光束φに単純比例することになります。従って、開口 S2 を介して鏡面反射方向の光束φを測定し、基準反射面との相対比で反射率を算出することによって、輝度を直接測定しなくても、より簡単な測定系で基準反射面に対する輝度比、すなわち鏡面光沢度を求めることができる訳です。
註釈
≪※1≫ 開口 S1 、S2 について
JIS の規定では、開口 S1 、S2 は矩形で記述されていますが、ここでは大筋の考え方を理解していただくために単純化して説明しました。
≪※2≫ 偏光の場合の反射率
照明光源に偏光性があると、反射率の入射角依存性が偏光成分（ s 偏光、p 偏光）によって異なる挙動を示しますので、鏡面光沢度の測定には問題が出てきます。
光と色の話 第二部
第11回 光沢
日常会話の中でも、例えば、瀬戸物の湯飲み、ガラスのコップ、金属容器など、物体の表面がツルツルでツヤがあって何となく光ったような感じを受ける場合、「光沢がある」とか、「光沢が感じられる」という表現がよく使われます。
一方、和紙や白墨（チョーク）のような物体は、全く光沢感（ツヤ感）は無く、どちらの方向から照明されているか、どちらの方向から見るかに関わらず、見え方に殆ど変化がありません。
この「光沢」とは具体的にはどんな現象なのでしょうか？
反射光の配光特性
光沢が感じられるのは、光源と物体と観察者との位置関係が特定の関係にあること、すなわち光源から物体表面へ入射する光の鏡面反射（正反射）方向から見た場合になります。鏡面反射方向から外れた方向から見ると、光沢性の強い反射面ほど光沢性は感じられず却って暗く見えます。
ある方向から物体表面が照らされている場合、その物体表面への入射光がどの方向にどれだけ反射されているのか、すなわち反射光の配光特性が光沢性に深く関係しています。
下図（ c ）の鏡面反射（正反射）は、文字通り鏡の面での反射現象であり、入射光線の入射角 θi に対して反射光線の進行方向（反射角 θr ）は反射面の法線に対して対称方向（ θr ＝ θi ）となります。
（ a ）の均等（完全）拡散反射は、入射光線の入射角 θi の大きさよらず、常に反射面の法線方向（ θr ＝ 0° ）への反射光束が最も大きく、それ以外の方向への反射光束は法線方向の光束の余弦（ cos θr 倍）になる、という反射配光特性です≪※第一部第９回 反射面での光の「拡散特性」≫。
反射光の配光特性は、鏡面反射（ c ）と 均等（完全）拡散反射（ a ）が両極端で、一般の物体表面における反射は、（ b ）の様に、鏡面反射方向（ θr ＝ θi ）の成分が強めで、鏡面反射方向から外れるほど弱くなっているのが一般的です。細い 1 本の入射光線の場合で考えると、鏡面反射（ c ）の場合は、反射角（ θr ）方向に反射光エネルギーが集中しますので当然その方向から見ると非常に明るく見えますが、反射角以外の方向から見ると眼に光が入ってきませんので真っ暗になってしまいます。
| （ a ）均等（完全）拡散反射面 による拡散反射 |
（ b ）一般の反射面の拡散反射 | （ c ）鏡面反射 （ θr ＝ θi ） | |
|---|---|---|---|
光度配光表示 |
|
|
|
輝度配光表示 |
|
|
物体面による反射の様子
一方、均等（完全）拡散反射（ a ）の場合（例えば白い和紙や白墨等の場合）はどうでしょうか？ この拡散反射特性（配光特性）を議論する場合、一般には図の上段のような「光度」配光特性、すなわち「単位立体角当たりの光束」が反射方向によってどのように変化しているかで図示される場合が多い様です。この図（光度配光特性）から、光度が小さい（弱い）方向から見ると暗く、光度が大きい（強い）方向から見ると明るく見える、とつい単純に考えてしまい勝ちですが、正確にはそうとは言い切れません。人間が視る物体表面の明るさ感は「光度」で評価しているのではなく、「輝度」すなわち「見かけの単位面積当たりの光度」で評価していることは、本連載第一部第9回および第10回でお話ししました。従って、光沢を考える時には下段のような「輝度」配光特性で考える必要があります。
均等拡散反射の場合は、観察方向によって反射光の「光度」は cos θr に従って変化しますが「輝度」すなわち“明るさ感”は、配光特性の cos θr の項と、見かけの単位面積を決める cos θr の項が相殺する結果、輝度配光特性は観察方向によらず一定になります≪※第一部第9回 輝度の性質 ( 1 ) ≫。和紙や白墨などの表面の拡散反射配光特性は、概ね均等拡散反射になっているため、光沢が殆ど感じられない訳です。
一般の反射面の場合（上図（ b ））、鏡面反射方向の成分が強くなればなるほど、鏡面反射方向の輝度がそれ以外の方向の輝度に対し大きくなり、光沢感が増していきます。つまり、鏡面反射方向の反射成分の大小が光沢の強さに直結することになります。
反射光の配光特性を決める要因
このような、反射光の配光特性はどのような要因によって決まってくるのでしょうか？
反射光の配光特性分布を左右する要素としては、
- ①反射面に対する照明光の方向
- ②物体表面の微細な凹凸構造の程度（ザラザラなのかツルツルなのか）
- ③物体内部の物質構造と入射光の波長との組み合わせ関係
等が挙げられます。実際の反射配光特性はこれらの要因が複雑に絡み合った結果として生じることになります。
まず、照明光の方向ですが、反射面が完全な平滑面である場合には鏡面反射されます（反射角 θr ＝ 入射角 θi ）。この時、入射光の波長と反射物体組成の組合せによっては、入射光の内の一部は反射せずに物体内部に進行し、後述しますように物体内部組成によって吸収・散乱されますので、その分だけ反射率が低下します。この反射率は一般には入射角 θi が大きいほど高くなりますので、入射角 θi が大きい（浅い角度での照明）ほど光沢が強くなります。
上述に対して、実際の物体の反射面は、多くの場合鏡面ではなく、微細な凹凸構造を持っていますので、もっと複雑な反射になります。物体表面の微細な凹凸構造の程度については、当然ながら物体表面が平滑（ツルツル）になるほど、反射特性は平面鏡に近づいて行きますので、鏡面反射成分が多くなります。物体表面の凹凸が多ければ（ザラザラであると）、巨視的反射面に対しては照明光の入射角が一定（平行光入射）であっても、微視的な物体表面への入射角は入射位置によって異なってしまいますので、微視的な正反射光の進行方向は入射位置によって異なってしまうことになります。その結果、巨視的・総合的な反射配光特性は、一般的には巨視的鏡面反射方向を中心に或る角度範囲に散らばることになります。
拡散反射成分の配光特性を左右する別の要因として挙げられるのは、物質を構成する分子・原子と入射光との相互作用の結果生じる物体内部での散乱および吸収現象です。第二部第１回「光（電磁波）の吸収・透過・反射」でお話ししました様に、物体表面で反射せずに物体内部に進行した光は、高密度に存在する分子・原子によって散乱を受け続けて進行方向が様々に変化するとともに、その進行過程において物質による吸収を受けますが、その内の一部が入射側空間に再放出されたものが拡散反射成分の一部を構成します。つまり、物体からの反射光は物体表面での反射光と、物体内部で物体の分子原子によって散乱された光が入射側空間に再放出された拡散反射光の合成となります。
物体内部での散乱と吸収はいずれも一般に波長依存性があり、その結果物体内部から入射側空間に再放出された拡散反射成分は、入射光の分光分布とは異なった分光分布になっていることが多く、これが（白色光照明下で）物体に色が着いて見える原因となる訳です。従って、光沢性が強い反射面ほど鏡面反射成分が多く、物体内部からの鏡面反射方向への拡散反射成分が弱い訳ですから、鏡面反射方向の分光分布は照明光の分光分布に近くなり、（光沢部分以外は色が着いて見えるのに）光沢には殆ど色味が感じられないことになります。
光沢（鏡面光沢度）の測定
以上の様に、反射光の配光特性は、様々な要因が複雑に絡みあった結果として決まると考えられます。「光沢」の程度は、一言で大雑把に言えば、物体表面での鏡面反射光の強弱で決まる、ということですが、客観的定量的な比較・評価をどうするかが問題となります。
例えば、光源面積が大きい場合などは、反射面への入射光が様々な入射角をとることになり、正反射光の内のどれかが目に到達することになるため、かなりの反射面位置や観察方向範囲において光沢が感じられることになります。このような場合、反射面への入射角によって反射率（正確には輝度率）も変わってきますので、鏡面反射光の強さすなわち光沢の度合いも観察方向によって変わってきます。また更に入射光の分光分布と反射物体の分光反射率（正確には分光輝度率）の組合せによって反射光の分光分布も変わって来ますので、目によって感じられる明るさ感も変化します。
上記の様に、反射面の光沢を評価したい場合、光源と反射面と観察者の位置関係、入射角の大きさとその範囲、光源と反射面の分光特性、等々の多くの条件の組合せによって光沢の程度が変わってしまいますので、これらの諸条件を特定した上で比較評価することが必要になります。
「光沢の程度（光沢度）」をどのように測定・評価するかについては日本工業規格 JIS に規定されています。
JIS Z 8741 － 1997 「鏡面光沢度―測定方法」では、右下図のような測定光学系の条件で光沢度を測定するように規定されています。
照明光の入射角 θi に合わせて照明用レンズ L1 、L2 の光軸が設定され、開口 S1 を通して、試料反射面に照明光を入射角 θi で入射させ、その鏡面反射光束をレンズ L3 によって捉えて、受光器側の開口 S2 を介して鏡面反射光束を測定する構成をとります。この時、光源側の開口 S1 はレンズL1 の焦点位置にあり、試料面に鏡面を置くと、ほぼ平行光で試料面を照明します。受光側のレンズ L3 は鏡面反射光束を捉え、開口 S1 の像が受光側開口 S2 の位置に結像するようになっています。 開口 S2 は開口 S1 の像を包含するような配置、すなわち、試料面からの鏡面反射光は開口 S2 を通して全て受光器に入射し、鏡面反射光以外の拡散反射光は開口 S2 でカットされるように配置されます。
このような測定光学系により、試料反射面は入射角 θi の略平行光（狭い開き角 α1 ）で照明され、略平行光（狭い開き角 α1’ ）の鏡面反射光束を受光器で捉えます。≪※1≫
入射角（ θi ）の条件としては、85° 、75° 、60° 、45° 、20° の 5 つの方法が規定されています。これは、同一の物体面であっても、入射角が大きいほど反射率が高くなるため、素材の種類、用途等の条件によって適切な入射角条件を選択できるようにするためです。
鏡面光沢度の基準として、可視域波長範囲全域に亘って屈折率が一定値 n ＝ 1.567 のガラス平滑面が指定されており、入射角 θ i 毎にその鏡面反射率 ρ0 ( θi ) の値が示されています。
| 測定方法の 種類 |
名称 | 入射角 θi |
記号 Gs ( θi ) |
基準反射面の 鏡面反射率 ρ0 ( θi ) |
|---|---|---|---|---|
| 方法 1 | 85 度鏡面光沢 | 85° | Gs ( 85° ) | 0.6191 |
| 方法 2 | 75 度鏡面光沢 | 75° | Gs ( 75° ) | 0.2646 |
| 方法 3 | 60 度鏡面光沢 | 60° | Gs ( 60° ) | 0.1001 |
| 方法 4 | 45 度鏡面光沢 | 45° | Gs ( 45° ) | 0.0597 |
| 方法 5 | 20 度鏡面光沢 | 20° | Gs ( 20° ) | 0.0491 |
指定された入射角条件下でこの基準反射面を測定した鏡面反射光束値をφ0S 、試料面を測定した鏡面反射光束値をφS とすると、試料面の鏡面光沢度 GS ( θi ) は、基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として次式で定義されます。
入射角条件毎に、この基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として、それに対する相対比を以て試料面の鏡面光沢度
（単位：％ ）とする訳です。
なお、光源としては偏光性の無いもの≪※2≫であって、更に、光源と受光器の組合せに関しては、分光特性が標準イルミナント D65 と標準分光視感効率 V（ λ ）との組み合わせと等価であること、という条件が規定されています。
実際の光沢計には、測定器校正用の標準光沢板（実用標準面）が用意されており、上記の一次基準反射面に対して校正された鏡面光沢度の値が付記されていますので、この値に対して上記の定義式を用いて試料面の鏡面光沢度を算出することになります。この実用標準面は汚れなどによって鏡面光沢度が経時変化することがありますので、定期的に校正することが推奨されています。
以上が JIS に規定された鏡面光沢度の測定方法ですが、人の眼の感じる反射面の明るさ感は“輝度”すなわち、“見かけの単位面積当たりの光度”で評価すべきなのに、JIS 規格の測定光学系は、反射面からの反射 “ 光束φ” を測定していることになっています。これは測定器として一見問題ではないか、とも思えますが、どうなのでしょうか？
この場合、測定光学系図に示されたように、受光器は開口 S2 を通して斜め方向から反射面を見ていますので、反射角 θr （ ＝入射角 θ i ）が固定されれば、「測定立体角」と「反射面の見かけの面積」も固定された状態で光束φを測定していることになり、測定出力自体は「光束φ」であっても輝度の次元で測定していることになります。また、光源と受光器の特性も固定されていますので、光度 I = dφ / dΩ と 輝度L = dI / ( dA ･ cos θr ) = dφ / （ dΩ ･ dA ･ cos θr ） はいずれも受光光束φに単純比例することになります。従って、開口 S2 を介して鏡面反射方向の光束φを測定し、基準反射面との相対比で反射率を算出することによって、輝度を直接測定しなくても、より簡単な測定系で基準反射面に対する輝度比、すなわち鏡面光沢度を求めることができる訳です。
註釈
≪※1≫ 開口 S1 、S2 について
JIS の規定では、開口 S1 、S2 は矩形で記述されていますが、ここでは大筋の考え方を理解していただくために単純化して説明しました。
≪※2≫ 偏光の場合の反射率
照明光源に偏光性があると、反射率の入射角依存性が偏光成分（ s 偏光、p 偏光）によって異なる挙動を示しますので、鏡面光沢度の測定には問題が出てきます。
光と色の話 第二部
第11回 光沢
日常会話の中でも、例えば、瀬戸物の湯飲み、ガラスのコップ、金属容器など、物体の表面がツルツルでツヤがあって何となく光ったような感じを受ける場合、「光沢がある」とか、「光沢が感じられる」という表現がよく使われます。
一方、和紙や白墨（チョーク）のような物体は、全く光沢感（ツヤ感）は無く、どちらの方向から照明されているか、どちらの方向から見るかに関わらず、見え方に殆ど変化がありません。
この「光沢」とは具体的にはどんな現象なのでしょうか？
反射光の配光特性
光沢が感じられるのは、光源と物体と観察者との位置関係が特定の関係にあること、すなわち光源から物体表面へ入射する光の鏡面反射（正反射）方向から見た場合になります。鏡面反射方向から外れた方向から見ると、光沢性の強い反射面ほど光沢性は感じられず却って暗く見えます。
ある方向から物体表面が照らされている場合、その物体表面への入射光がどの方向にどれだけ反射されているのか、すなわち反射光の配光特性が光沢性に深く関係しています。
下図（ c ）の鏡面反射（正反射）は、文字通り鏡の面での反射現象であり、入射光線の入射角 θi に対して反射光線の進行方向（反射角 θr ）は反射面の法線に対して対称方向（ θr ＝ θi ）となります。
（ a ）の均等（完全）拡散反射は、入射光線の入射角 θi の大きさよらず、常に反射面の法線方向（ θr ＝ 0° ）への反射光束が最も大きく、それ以外の方向への反射光束は法線方向の光束の余弦（ cos θr 倍）になる、という反射配光特性です≪※第一部第９回 反射面での光の「拡散特性」≫。
反射光の配光特性は、鏡面反射（ c ）と 均等（完全）拡散反射（ a ）が両極端で、一般の物体表面における反射は、（ b ）の様に、鏡面反射方向（ θr ＝ θi ）の成分が強めで、鏡面反射方向から外れるほど弱くなっているのが一般的です。細い 1 本の入射光線の場合で考えると、鏡面反射（ c ）の場合は、反射角（ θr ）方向に反射光エネルギーが集中しますので当然その方向から見ると非常に明るく見えますが、反射角以外の方向から見ると眼に光が入ってきませんので真っ暗になってしまいます。
| （ a ）均等（完全）拡散反射面 による拡散反射 |
（ b ）一般の反射面の拡散反射 | （ c ）鏡面反射 （ θr ＝ θi ） | |
|---|---|---|---|
光度配光表示 |
|
|
|
輝度配光表示 |
|
|
物体面による反射の様子
一方、均等（完全）拡散反射（ a ）の場合（例えば白い和紙や白墨等の場合）はどうでしょうか？ この拡散反射特性（配光特性）を議論する場合、一般には図の上段のような「光度」配光特性、すなわち「単位立体角当たりの光束」が反射方向によってどのように変化しているかで図示される場合が多い様です。この図（光度配光特性）から、光度が小さい（弱い）方向から見ると暗く、光度が大きい（強い）方向から見ると明るく見える、とつい単純に考えてしまい勝ちですが、正確にはそうとは言い切れません。人間が視る物体表面の明るさ感は「光度」で評価しているのではなく、「輝度」すなわち「見かけの単位面積当たりの光度」で評価していることは、本連載第一部第9回および第10回でお話ししました。従って、光沢を考える時には下段のような「輝度」配光特性で考える必要があります。
均等拡散反射の場合は、観察方向によって反射光の「光度」は cos θr に従って変化しますが「輝度」すなわち“明るさ感”は、配光特性の cos θr の項と、見かけの単位面積を決める cos θr の項が相殺する結果、輝度配光特性は観察方向によらず一定になります≪※第一部第9回 輝度の性質 ( 1 ) ≫。和紙や白墨などの表面の拡散反射配光特性は、概ね均等拡散反射になっているため、光沢が殆ど感じられない訳です。
一般の反射面の場合（上図（ b ））、鏡面反射方向の成分が強くなればなるほど、鏡面反射方向の輝度がそれ以外の方向の輝度に対し大きくなり、光沢感が増していきます。つまり、鏡面反射方向の反射成分の大小が光沢の強さに直結することになります。
反射光の配光特性を決める要因
このような、反射光の配光特性はどのような要因によって決まってくるのでしょうか？
反射光の配光特性分布を左右する要素としては、
- ①反射面に対する照明光の方向
- ②物体表面の微細な凹凸構造の程度（ザラザラなのかツルツルなのか）
- ③物体内部の物質構造と入射光の波長との組み合わせ関係
等が挙げられます。実際の反射配光特性はこれらの要因が複雑に絡み合った結果として生じることになります。
まず、照明光の方向ですが、反射面が完全な平滑面である場合には鏡面反射されます（反射角 θr ＝ 入射角 θi ）。この時、入射光の波長と反射物体組成の組合せによっては、入射光の内の一部は反射せずに物体内部に進行し、後述しますように物体内部組成によって吸収・散乱されますので、その分だけ反射率が低下します。この反射率は一般には入射角 θi が大きいほど高くなりますので、入射角 θi が大きい（浅い角度での照明）ほど光沢が強くなります。
上述に対して、実際の物体の反射面は、多くの場合鏡面ではなく、微細な凹凸構造を持っていますので、もっと複雑な反射になります。物体表面の微細な凹凸構造の程度については、当然ながら物体表面が平滑（ツルツル）になるほど、反射特性は平面鏡に近づいて行きますので、鏡面反射成分が多くなります。物体表面の凹凸が多ければ（ザラザラであると）、巨視的反射面に対しては照明光の入射角が一定（平行光入射）であっても、微視的な物体表面への入射角は入射位置によって異なってしまいますので、微視的な正反射光の進行方向は入射位置によって異なってしまうことになります。その結果、巨視的・総合的な反射配光特性は、一般的には巨視的鏡面反射方向を中心に或る角度範囲に散らばることになります。
拡散反射成分の配光特性を左右する別の要因として挙げられるのは、物質を構成する分子・原子と入射光との相互作用の結果生じる物体内部での散乱および吸収現象です。第二部第１回「光（電磁波）の吸収・透過・反射」でお話ししました様に、物体表面で反射せずに物体内部に進行した光は、高密度に存在する分子・原子によって散乱を受け続けて進行方向が様々に変化するとともに、その進行過程において物質による吸収を受けますが、その内の一部が入射側空間に再放出されたものが拡散反射成分の一部を構成します。つまり、物体からの反射光は物体表面での反射光と、物体内部で物体の分子原子によって散乱された光が入射側空間に再放出された拡散反射光の合成となります。
物体内部での散乱と吸収はいずれも一般に波長依存性があり、その結果物体内部から入射側空間に再放出された拡散反射成分は、入射光の分光分布とは異なった分光分布になっていることが多く、これが（白色光照明下で）物体に色が着いて見える原因となる訳です。従って、光沢性が強い反射面ほど鏡面反射成分が多く、物体内部からの鏡面反射方向への拡散反射成分が弱い訳ですから、鏡面反射方向の分光分布は照明光の分光分布に近くなり、（光沢部分以外は色が着いて見えるのに）光沢には殆ど色味が感じられないことになります。
光沢（鏡面光沢度）の測定
以上の様に、反射光の配光特性は、様々な要因が複雑に絡みあった結果として決まると考えられます。「光沢」の程度は、一言で大雑把に言えば、物体表面での鏡面反射光の強弱で決まる、ということですが、客観的定量的な比較・評価をどうするかが問題となります。
例えば、光源面積が大きい場合などは、反射面への入射光が様々な入射角をとることになり、正反射光の内のどれかが目に到達することになるため、かなりの反射面位置や観察方向範囲において光沢が感じられることになります。このような場合、反射面への入射角によって反射率（正確には輝度率）も変わってきますので、鏡面反射光の強さすなわち光沢の度合いも観察方向によって変わってきます。また更に入射光の分光分布と反射物体の分光反射率（正確には分光輝度率）の組合せによって反射光の分光分布も変わって来ますので、目によって感じられる明るさ感も変化します。
上記の様に、反射面の光沢を評価したい場合、光源と反射面と観察者の位置関係、入射角の大きさとその範囲、光源と反射面の分光特性、等々の多くの条件の組合せによって光沢の程度が変わってしまいますので、これらの諸条件を特定した上で比較評価することが必要になります。
「光沢の程度（光沢度）」をどのように測定・評価するかについては日本工業規格 JIS に規定されています。
JIS Z 8741 － 1997 「鏡面光沢度―測定方法」では、右下図のような測定光学系の条件で光沢度を測定するように規定されています。
照明光の入射角 θi に合わせて照明用レンズ L1 、L2 の光軸が設定され、開口 S1 を通して、試料反射面に照明光を入射角 θi で入射させ、その鏡面反射光束をレンズ L3 によって捉えて、受光器側の開口 S2 を介して鏡面反射光束を測定する構成をとります。この時、光源側の開口 S1 はレンズL1 の焦点位置にあり、試料面に鏡面を置くと、ほぼ平行光で試料面を照明します。受光側のレンズ L3 は鏡面反射光束を捉え、開口 S1 の像が受光側開口 S2 の位置に結像するようになっています。 開口 S2 は開口 S1 の像を包含するような配置、すなわち、試料面からの鏡面反射光は開口 S2 を通して全て受光器に入射し、鏡面反射光以外の拡散反射光は開口 S2 でカットされるように配置されます。
このような測定光学系により、試料反射面は入射角 θi の略平行光（狭い開き角 α1 ）で照明され、略平行光（狭い開き角 α1’ ）の鏡面反射光束を受光器で捉えます。≪※1≫
入射角（ θi ）の条件としては、85° 、75° 、60° 、45° 、20° の 5 つの方法が規定されています。これは、同一の物体面であっても、入射角が大きいほど反射率が高くなるため、素材の種類、用途等の条件によって適切な入射角条件を選択できるようにするためです。
鏡面光沢度の基準として、可視域波長範囲全域に亘って屈折率が一定値 n ＝ 1.567 のガラス平滑面が指定されており、入射角 θ i 毎にその鏡面反射率 ρ0 ( θi ) の値が示されています。
| 測定方法の 種類 |
名称 | 入射角 θi |
記号 Gs ( θi ) |
基準反射面の 鏡面反射率 ρ0 ( θi ) |
|---|---|---|---|---|
| 方法 1 | 85 度鏡面光沢 | 85° | Gs ( 85° ) | 0.6191 |
| 方法 2 | 75 度鏡面光沢 | 75° | Gs ( 75° ) | 0.2646 |
| 方法 3 | 60 度鏡面光沢 | 60° | Gs ( 60° ) | 0.1001 |
| 方法 4 | 45 度鏡面光沢 | 45° | Gs ( 45° ) | 0.0597 |
| 方法 5 | 20 度鏡面光沢 | 20° | Gs ( 20° ) | 0.0491 |
指定された入射角条件下でこの基準反射面を測定した鏡面反射光束値をφ0S 、試料面を測定した鏡面反射光束値をφS とすると、試料面の鏡面光沢度 GS ( θi ) は、基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として次式で定義されます。
入射角条件毎に、この基準鏡面の光沢度を G0S ( θi ) ＝ 100 ％ として、それに対する相対比を以て試料面の鏡面光沢度
（単位：％ ）とする訳です。
なお、光源としては偏光性の無いもの≪※2≫であって、更に、光源と受光器の組合せに関しては、分光特性が標準イルミナント D65 と標準分光視感効率 V（ λ ）との組み合わせと等価であること、という条件が規定されています。
実際の光沢計には、測定器校正用の標準光沢板（実用標準面）が用意されており、上記の一次基準反射面に対して校正された鏡面光沢度の値が付記されていますので、この値に対して上記の定義式を用いて試料面の鏡面光沢度を算出することになります。この実用標準面は汚れなどによって鏡面光沢度が経時変化することがありますので、定期的に校正することが推奨されています。
以上が JIS に規定された鏡面光沢度の測定方法ですが、人の眼の感じる反射面の明るさ感は“輝度”すなわち、“見かけの単位面積当たりの光度”で評価すべきなのに、JIS 規格の測定光学系は、反射面からの反射 “ 光束φ” を測定していることになっています。これは測定器として一見問題ではないか、とも思えますが、どうなのでしょうか？
この場合、測定光学系図に示されたように、受光器は開口 S2 を通して斜め方向から反射面を見ていますので、反射角 θr （ ＝入射角 θ i ）が固定されれば、「測定立体角」と「反射面の見かけの面積」も固定された状態で光束φを測定していることになり、測定出力自体は「光束φ」であっても輝度の次元で測定していることになります。また、光源と受光器の特性も固定されていますので、光度 I = dφ / dΩ と 輝度L = dI / ( dA ･ cos θr ) = dφ / （ dΩ ･ dA ･ cos θr ） はいずれも受光光束φに単純比例することになります。従って、開口 S2 を介して鏡面反射方向の光束φを測定し、基準反射面との相対比で反射率を算出することによって、輝度を直接測定しなくても、より簡単な測定系で基準反射面に対する輝度比、すなわち鏡面光沢度を求めることができる訳です。
註釈
≪※1≫ 開口 S1 、S2 について
JIS の規定では、開口 S1 、S2 は矩形で記述されていますが、ここでは大筋の考え方を理解していただくために単純化して説明しました。
≪※2≫ 偏光の場合の反射率
照明光源に偏光性があると、反射率の入射角依存性が偏光成分（ s 偏光、p 偏光）によって異なる挙動を示しますので、鏡面光沢度の測定には問題が出てきます。