Диффузное отражение - Diffuse reflection

Относительно отражения заряженных частиц см. Рассеяние от шероховатых поверхностей.
Диффузное и зеркальное отражение от глянцевой поверхности.[1] Лучи представляют интенсивность света, который варьируется в зависимости от Закон косинусов Ламберта для идеального диффузного отражателя.

Диффузное отражение это отражение из свет или другой волны или частицы с такой поверхности, что луч падает на поверхность разбросанный во многих углы а не только под одним углом, как в случае зеркальное отражение. An идеальный Говорят, что диффузно отражающая поверхность демонстрирует Ламбертовское отражение, что означает, что есть равные яркость при осмотре со всех сторон лежит в полупространство прилегает к поверхности.

Поверхность из неабсорбирующего порошка, например штукатурка, или из волокон, таких как бумага, или из поликристаллический материал, такой как белый мрамор, рассеивает свет с большой эффективностью. Многие распространенные материалы демонстрируют смесь зеркального и диффузного отражения.

Видимость объектов, за исключением светоизлучающих, в первую очередь обусловлена ​​диффузным отражением света: именно диффузно-рассеянный свет формирует изображение объекта в глазу наблюдателя.

Механизм

Рисунок 1 - Общий механизм диффузного отражения твердой поверхностью (преломление явления не представлены)
Рисунок 2 - Диффузное отражение от неровной поверхности

Диффузное отражение от твердых тел обычно не связано с шероховатостью поверхности. Для зеркального отражения действительно требуется плоская поверхность, но она не препятствует диффузному отражению. Кусок полированного белого мрамора остается белым; никакая полировка не превратит его в зеркало. Полировка дает некоторое зеркальное отражение, но оставшийся свет продолжает отражаться диффузно.

Самый общий механизм, с помощью которого поверхность дает диффузное отражение, не включает именно так поверхность: большая часть света создается центрами рассеяния под поверхностью,[2][3] как показано на рисунке 1. Если представить себе, что фигура представляет снег, а многоугольники являются его (прозрачными) ледяными кристаллитами, падающий луч частично отражается (на несколько процентов) первой частицей, входящей в него, снова отражаясь от границы раздела со второй частицей, входит в нее, сталкивается с третьей и так далее, генерируя серию «первичных» рассеянных лучей в случайных направлениях, которые, в свою очередь, через тот же механизм генерируют большое количество «вторичных» рассеянных лучей, которые порождают «третичные» лучи, и так далее.[4] Все эти лучи проходят сквозь кристаллиты снега, которые не поглощают свет, пока не достигают поверхности и не выходят в случайных направлениях.[5] В результате излучаемый свет возвращается во всех направлениях, так что снег остается белым, несмотря на то, что он сделан из прозрачного материала (кристаллы льда).

Для простоты здесь говорится об «отражениях», но в более общем плане граница раздела между небольшими частицами, составляющими множество материалов, нерегулярна в масштабе, сравнимом с длиной волны света, поэтому на каждой границе раздела создается рассеянный свет, а не один отраженный луч, но историю можно рассказать точно так же.

Этот механизм очень общий, потому что почти все обычные материалы сделаны из «мелких вещей», скрепленных вместе. Минеральные материалы обычно поликристаллический: их можно описать как трехмерную мозаику мелких дефектных кристаллов неправильной формы. Органические материалы обычно состоят из волокон или клеток с их мембранами и сложной внутренней структурой. И каждая граница раздела, неоднородность или несовершенство может отклоняться, отражать или рассеивать свет, воспроизводя вышеуказанный механизм.

Некоторые материалы не вызывают диффузного отражения: среди них есть металлы, не пропускающие свет; газы, жидкости, стекло и прозрачные пластмассы (которые имеют жидкую аморфный микроскопическая структура); монокристаллы, например, некоторые драгоценные камни или кристалл соли; и некоторые очень специальные материалы, такие как ткани, из которых роговица и линза глаза. Однако эти материалы могут отражаться диффузно, если их поверхность микроскопически шероховатая, как в морозное стекло (Рисунок 2), или, конечно, если их однородная структура ухудшается, как в катаракта хрусталика глаза.

Поверхность также может демонстрировать как зеркальное, так и диффузное отражение, как, например, в случае глянцевый краски как используется в домашней живописи, которые дают также долю зеркального отражения, в то время как матовый краски дают почти исключительно диффузное отражение.

Большинство материалов могут давать некоторое зеркальное отражение при условии, что их поверхность можно отполировать для устранения неровностей, сопоставимых с длиной волны света (доли микрометра). В зависимости от материала и шероховатости поверхности отражение может быть в основном зеркальным, в основном диффузным или где-то посередине. У некоторых материалов, таких как жидкости и стекло, отсутствуют внутренние подразделения, которые создают механизм подповерхностного рассеяния, описанный выше, и поэтому дают только зеркальное отражение. Среди обычных материалов только полированные металлы могут зеркально отражать свет с высокой эффективностью, как алюминий или серебро, которые обычно используются в зеркалах. Все другие распространенные материалы, даже когда они идеально отполированы, обычно дают не более нескольких процентов зеркального отражения, за исключением особых случаев, таких как угол скольжения отражение у озера или полное отражение стеклянной призмы или когда они структурированы в определенные сложные конфигурации, такие как серебристая кожа многих видов рыб или отражающая поверхность диэлектрическое зеркало. Диффузное отражение может быть очень эффективным, как и в случае с белыми материалами, благодаря суммированию множества подповерхностных отражений.

Цветные объекты

До сих пор обсуждались белые объекты, которые не поглощают свет. Но приведенная выше схема продолжает действовать в том случае, если материал впитывающий. В этом случае рассеянные лучи потеряют часть длин волн во время своего прохождения в материале и станут цветными.

Диффузия существенно влияет на цвет объектов, поскольку определяет средний путь света в материале и, следовательно, степень поглощения волн различной длины.[6] Красные чернила выглядят черными, когда остаются в бутылке. Его яркий цвет воспринимается только тогда, когда он помещен на рассеивающий материал (например, бумагу). Это происходит потому, что путь света через волокна бумаги (и через чернила) составляет лишь доли миллиметра. Однако свет от бутылки пересек несколько сантиметров чернил и сильно поглощается, даже в его красных длинах волн.

И, когда цветной объект имеет как диффузное, так и зеркальное отражение, обычно окрашивается только диффузный компонент. Вишня диффузно отражает красный свет, поглощает все другие цвета и имеет зеркальное отражение, которое по существу является белым (если падающий свет является белым светом). Это довольно общий случай, потому что, за исключением металлов, отражательная способность большинства материалов зависит от их показатель преломления, который мало меняется в зависимости от длины волны (хотя именно это изменение вызывает хроматическая дисперсия в призма ), так что все цвета отражаются почти с одинаковой интенсивностью. Вместо этого могут быть окрашены отражения различного происхождения: металлические отражения, такие как золото или медь, или интерференционный размышления: радужные оболочки, павлиньи перья, крылья бабочки, жук надкрылья, или антиотражающее покрытие линзы.

Значение для зрения

Глядя на окружающую среду, можно увидеть, что подавляющее большинство видимых объектов видны в основном путем диффузного отражения от их поверхности. Это справедливо за некоторыми исключениями, такими как стекло, отражающие жидкости, полированные или гладкие металлы, глянцевые объекты и объекты, которые сами излучают свет: Солнце, лампы и экраны компьютеров (которые, однако, излучают размытый свет). На открытом воздухе это то же самое, за исключением, пожалуй, прозрачной струи воды или переливающихся цветов жука. Дополнительно, Рэлеевское рассеяние отвечает за синий цвет неба, а Рассеяние Ми для белого цвета капель воды облаков.

Свет, рассеянный поверхностями объектов, безусловно, является основным светом, который люди наблюдают визуально.[7][8]

Взаимное отражение

Диффузное взаимное отражение это процесс, посредством которого свет отражение от объекта ударяет по другим объектам в окружающей области, освещая их. Диффузное взаимное отражение описывает свет, отраженный от предметов, которые не являются блестящими или зеркальный. В реальной жизни это означает, что свет отражается от неблестящих поверхностей, таких как земля, стены или ткань, чтобы достигать областей, находящихся вне прямой видимости источника света. Если диффузная поверхность цветной, отраженный свет также окрашивается, что приводит к аналогичному окрашиванию окружающих объектов.

В 3D компьютерная графика, диффузное взаимное отражение - важная составляющая глобальное освещение. Есть несколько способов смоделировать диффузное взаимное отражение при рендеринге сцены. Лучистость и фотонное отображение два широко используемых метода.

Спектроскопия

Коэффициент диффузного отражения можно использовать для определения спектров поглощения порошкообразных образцов в тех случаях, когда спектроскопия пропускания невозможна. Это относится к УФ-Вид-БИК спектроскопия или средняя инфракрасная спектроскопия.[9][10]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Скотт М. Джадс (1988). Фотоэлектрические датчики и органы управления: выбор и применение. CRC Press. п. 29. ISBN  978-0-8247-7886-6. В архиве из оригинала на 2018-01-14.
  2. ^ П. Ханрахан и В. Крюгер (1993), Отражение от слоистых поверхностей из-за подповерхностного рассеяния, в SIGGRAPH ’93 Proceedings, J. T. Kajiya, Ed., Vol. 27. С. 165–174. В архиве 2010-07-27 на Wayback Machine.
  3. ^ H.W. Jensen et al. (2001), Практическая модель для подземного легкового транспорта, в 'Материалы ACM SIGGRAPH 2001 ', стр. 511–518 В архиве 2010-07-27 на Wayback Machine
  4. ^ На рисунке представлены только первичные и вторичные лучи.
  5. ^ Или, если объект тонкий, он может выходить с противоположной поверхности, давая рассеянный проходящий свет.
  6. ^ Пауль Кубелка, Франц Мунк (1931), Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche, Zeits. f. Техн. Физик, 12, 593–601, см. Теория отражения Кубелки-Мунка В архиве 2011-07-17 на Wayback Machine
  7. ^ Керкер, М. (1969). Рассеяние света. Нью-Йорк: Академ.
  8. ^ Мандельштам, Л. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Русь. Физ-хим. Ova. 58: 381.
  9. ^ Фуллер, Майкл П .; Гриффитс, Питер Р. (1978). «Измерение коэффициента диффузного отражения методом инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье». Аналитическая химия. 50 (13): 1906–1910. Дои:10.1021 / ac50035a045. ISSN  0003-2700.
  10. ^ Кортум, Густав (1969). Принципы, методы, применение спектроскопии отражения. Берлин: Springer. ISBN  9783642880711. OCLC  714802320.