Reflexia difuză

(Reflexie difuză și speculară de pe o suprafață lucioasă. Radiațiile reprezintă intensitatea luminoasă, care variază în conformitate cu legea cosinusului Lambert pentru un reflector difuz ideal. )

Reflexia difuză este reflectarea luminii sau a altor unde sau particule de o suprafață astfel încât o rază incidentă pe suprafață să fie împrăștiată la mai multe unghiuri, mai degrabă decât într-un singur unghi ca în cazul reflexiei speculare. O suprafață ideală difuză reflectorizantă este considerată a prezenta reflexie lambertiană, ceea ce înseamnă că există o luminanță egală atunci când este privită din toate direcțiile la jumătatea spațiului adiacent la suprafață.

O suprafață construită dintr-o pulbere neabsorbantă, cum ar fi tencuiala, sau fibre, cum ar fi hârtia, sau dintr-un material policristalin, cum ar fi marmura albă, reflectă difuz lumina cu o mare eficiență. Multe materiale obișnuite prezintă un amestec de reflexie speculară și difuză.

Vizibilitatea obiectelor, excluzând cele care emit lumina, este cauzată în primul rând de reflectarea difuză a luminii: este o lumină cu împrăștiere difuză care formează imaginea obiectului în ochiul observatorului.

Mecanism

(Reflexie difuză de pe o suprafață neregulată. )

Reflexia difuză a solidelor nu se datorează, în general, rugozității suprafeței. O suprafață plană este într-adevăr necesară pentru a oferi o reflecxie speculară, dar nu împiedică reflexia difuză. O bucată de marmură albă lustruită rămâne albă; nici o cantitate de lustruire nu o va transforma într-o oglindă. Lustruirea produce o reflexie speculară, dar lumina rămasă continuă să se reflecte difuz.

Cel mai general mecanism prin care o suprafață dă reflecție difuză nu implică exact suprafața: cea mai mare parte a luminii este contribuită de centrele de împrăștiere de sub suprafață, așa cum este ilustrat în prima figură de mai sus. Dacă ne imaginăm că figura reprezintă zăpada și că poligoanele sunt cristalitele sale de gheață (transparente), o rază care cade pe ele este parțial reflectată (câteva procente) de prima particulă, intră în ea, este din nou reflectată de interfața cu a doua particulă, intră în ea, și așa mai departe, generând o serie de raze „primare” împrăștiate în direcții aleatorii, care, la rândul lor, prin același mecanism, generează un număr mare de raze „secundare” împrăștiate, care generează raze „terțiare” și așa mai departe. Toate aceste raze trec prin cristalele de zăpadă, care nu absorb lumina, până când ajung la suprafață și ies în direcții aleatorii. Rezultatul este că lumina care a fost trimisă este returnată în toate direcțiile, astfel încât zăpada este albă, în ciuda faptului că este făcută din material transparent (cristale de gheață).

Pentru simplitate se vorbește aici despre „reflexii”, dar mai general interfața dintre particulele mici care constituie multe materiale este neregulată pe o scară comparabilă cu lungimea de undă a luminii, astfel încât lumina difuză este generată la fiecare interfață, mai degrabă decât o singură rază reflectată.

Acest mecanism este foarte general, deoarece aproape toate materialele obișnuite sunt făcute din „lucruri mici” care se țin împreună. Materialele minerale sunt, în general, policristaline: se pot descrie ca fiind realizate dintr-un mozaic 3D de cristale defecte mici, neregulate. Materialele organice sunt de obicei compuse din fibre sau celule, cu membranele lor și structura lor internă complexă. Și fiecare interfață, neomogenitate sau imperfecțiune poate să devieze, să reflecte sau să împrăștie lumina, reproducând mecanismul de mai sus.

Puține materiale nu produc reflexie difuză: printre acestea se numără și metalele care nu permit intrarea luminii; gaze, lichide, sticlă și materiale plastice transparente (care au o structură microscopică amorfă lichidă); cristale unice, cum ar fi unele pietre prețioase sau cristalul de sare; și unele materiale foarte speciale, cum ar fi țesuturile care fac corneea și lentilele ochiului. Aceste materiale pot reflecta difuz, totuși, dacă suprafața lor este macroscopic dură, ca într-o sticlă înghețată (figura de mai jos), sau, bineînțeles, dacă structura lor omogenă se deteriorează, ca în cataractele lentilei oculare.

(Mecanismul general al reflexiei difuze pe o suprafață solidă (fenomenele de refracție nu sunt reprezentate).)

O suprafață poate de asemenea să prezinte atât reflexie speculară, cât și difuză, cum ar fi, de exemplu, vopselele lucioase utilizate în vopsirea caselor, care dau și o fracție de reflexie speculară, în timp ce vopselele mate dau o reflexie aproape exclusiv difuză.

Cele mai multe materiale pot da o reflexie speculară, cu condiția ca suprafața lor să poată fi lustruită pentru a elimina neregularitățile comparabile cu lungimea de undă a luminii (o fracțiune de micrometru). În funcție de rugozitatea materialului și a suprafeței, reflexia poate fi în cea mai mare parte speculară, în cea mai mare parte difuză sau undeva între ele. Câteva materiale, cum ar fi lichidele și sticlele, nu au subdiviziuni interne care produc mecanismul de împrăștiere de sub suprafață descris mai sus, și astfel oferă doar reflexie speculară. Dintre materialele obișnuite, numai metalele lustruite pot reflecta lumină specular cu eficiență ridicată, ca în cazul aluminiului sau argintului, utilizate în mod obișnuit în oglinzi. Toate celelalte materiale obișnuite, chiar și atunci când sunt lustruite perfect, nu oferă mai mult de câteva procente de reflexie speculară, cu excepția unor cazuri particulare, cum ar fi reflexia unghiului tazant într-un lac, sau reflectarea totală a unei prisme de sticlă, sau când este structurată în anumite configurații complexe cum ar fi pielea argintie a multor specii de pești sau suprafața reflectorizantă a unei oglinzi dielectrice. Reflexia difuză poate fi extrem de eficientă, ca și în cazul materialelor albe, datorită însumării numeroaselor reflexii subterane.

Obiecte colorate

Până în acest moment au fost discutate obiectele albe, care nu absorb lumina. Dar schema de mai sus continuă să fie valabilă în cazul în care materialul este absorbant. În acest caz, razele difuze vor pierde unele lungimi de undă în timpul deplasării lor în material și vor ieși colorate.

Difuzia afectează culoarea obiectelor într-o manieră substanțială deoarece determină calea medie a luminii din material și, prin urmare, în ce măsură sunt absorbite diferitele lungimi de undă. Cerneala roșie arată neagră când rămâne în sticlă. Culoarea sa reală este percepută numai atunci când este plasată pe un material de împrăștiere (de ex. hârtie). Acest lucru se datorează faptului că traseul luminii prin fibrele de hârtie (și prin cerneală) este doar o fracțiune de milimetru lungime. Cu toate acestea, lumina din sticlă a trecut câțiva centimetri prin cerneală și a fost puternic absorbită, chiar și lungimile sale de undă roșii.

Și, atunci când un obiect colorat are atât reflexie difuză, cât și reflecție, de obicei numai componenta difuză este colorată. O cireașă reflectă difuziv lumina roșie, absoarbe toate celelalte culori și are o reflexie speculară care este în esență albă (dacă lumina incidentă este lumină albă). Acest lucru este destul de general, deoarece, cu excepția metalelor, reflexia majorității materialelor depinde de indicele lor de refracție, care variază foarte puțin cu lungimea de undă (deși această variație cauzează dispersia cromatică într-o prismă), astfel încât toate culorile să fie reflectate aproape cu aceeași intensitate. În schimb, reflexiile provenite din diferite surse pot fi colorate: reflecțiile metalice, cum ar fi aurul sau cuprul, sau reflexiile interferențiale: irizări, pene de păun, aripi de fluture, gândacul elytra sau acoperirea antireflexie a unei lentile.

Importanța pentru vedere

Privind la mediul înconjurător, marea majoritate a obiectelor vizibile sunt văzute în primul rând prin reflexia difuză de pe suprafața lor. Acest lucru este valabil cu câteva excepții, cum ar fi sticla, lichidele reflexive, metalele lustruite sau netede, obiectele lucioase și obiectele care emit lumină: soarele, lămpile și ecranele de calculator (care, totuși, emit lumină difuză). În aer liber este același lucru, poate cu excepția unui flux de apă transparent sau a culorilor irizate ale unui gândac. În plus, împrăștierea Rayleigh este responsabilă pentru culoarea albastră a cerului, iar împrăștierea Mie pentru culoarea albă a picăturilor de apă de nori.

Lumina împrăștiată de pe suprafețele obiectelor este de departe lumina primară pe care oamenii o observă vizual.

Interreflexia

Interreflexia difuză este un proces prin care lumina reflectată de un obiect loveste alte obiecte din zona înconjurătoare, luminându-le. Interreflexia difuză descrie în mod specific lumina reflectată de obiecte care nu sunt strălucitoare sau speculare. În termeni reali, aceasta înseamnă că lumina se reflectă pe suprafețe ne-strălucitoare, cum ar fi solul, pereții sau țesătura, pentru a ajunge în zone care nu sunt direct vizate de o sursă de lumină. Dacă suprafața difuză este colorată, lumina reflectată este de asemenea colorată, rezultând o colorare similară a obiectelor înconjurătoare.

În grafica 3D computerizată, interreflexia difuză este o componentă importantă a iluminării globale. Există o serie de moduri de a modela interreflecxa difuză atunci când redați o scenă. Radiozitatea și cartografierea fotonilor sunt două metode utilizate în mod obișnuit.