Диффузного отражения является отражением от света или других волн или частиц с поверхности таким образом, что луч , падающий на поверхность рассеивается во многих углов , а не на только один угол , как и в случае зеркального отражения . Идеально подходит диффузному отражающей поверхности называется демонстрирует Lambertian отражения , а это означает , что существует равная яркость , если смотреть со всех направлений , лежащих в полупространстве , прилегающем к поверхности.
Поверхность, созданная из неабсорбирующего порошка, такого как гипс , или из волокон, таких как бумага, или из поликристаллического материала, такого 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 [ править ]
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 затрагивает именно поверхность: большую часть света вносят рассеивающие центры под поверхностью [2] [3], как показано на рисунке 1. Если представить, что На рисунке изображен снег, и что многоугольники являются его (прозрачными) ледяными кристаллитами, падающий луч частично отражается (на несколько процентов) первой частицей, входит в нее, снова отражается границей раздела со второй частицей, входит в нее , падает на третье 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 генерируют «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, как правило, поликристаллические : 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.
Немногие материалы не вызывают диффузного отражения: среди них есть металлы, не пропускающие свет; газы, жидкости, стекло и прозрачные пластмассы (которые имеют жидкоподобную аморфную микроскопическую структуру); монокристаллы , такие как некоторые драгоценные камни или кристалл соли; и некоторые очень специальные материалы, такие как ткани, из которых состоят роговица и хрусталик глаза. Однако эти материалы могут отражаться диффузно, если их поверхность микроскопически шероховатая, как в морозном стекле (рис. 2), или, конечно, если их однородная структура ухудшается, как при катаракте хрусталика глаза.
Поверхность также может демонстрировать как зеркальное, так и диффузное отражение, как, например, в случае глянцевых красок, используемых в домашней живописи, которые также дают часть зеркального отражения, в то время как матовые 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. Некоторые материалы, такие как жидкости и стекло, не имеют внутренних подразделений, которые создают подповерхностный механизм 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 если они идеально отполированы, обычно дают не более нескольких процентов зеркального отражения, за исключением особых случаев, таких как угол скольжения.отражение от озера, или полное отражение стеклянной призмы, или когда он структурирован в определенных сложных конфигурациях, таких как серебристая кожа многих видов рыб или отражающая поверхность диэлектрического зеркала . Диффузное отражение может быть очень эффективным, как и в случае с белыми материалами, благодаря суммированию множества подповерхностных отражений.
Цветные объекты [ править ]
До сих пор обсуждались белые объекты, которые не поглощают свет. Но приведенная выше схема продолжает действовать и 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 так, потому что путь света через волокна бумаги (и через чернила) составляет лишь доли миллиметра. Однако свет от бутылки пересек несколько сантиметров чернил и был сильно поглощен, 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 показателя преломления , который мало меняется в зависимости от длины волны (хотя именно это изменение вызывает хроматическую дисперсию в призме ), так что отражаются все цвета. почти с такой же интенсивностью.
Важность для зрения [ править ]
Глядя на окружающую среду, можно увидеть, что подавляющее большинство видимых объектов видны в основном благодаря диффузному отражению 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 рассеянный свет). На улице это то же самое, за исключением, пожалуй, прозрачной струи воды или переливающихся цветов жука. Кроме того, рассеяние Рэлея отвечает за синий цвет неба, а рассеяние Ми - за белый цвет капель воды в облаках.
Свет, рассеянный поверхностями объектов, безусловно, является основным светом, который люди наблюдают визуально. [7] [8]
Interreflection [ править ]
Диффузное взаимное отражение - это процесс, при котором свет, отраженный от объекта, падает на другие объекты в окружающей области, освещая их. Диффузное взаимное отражение описывает свет, отраженный от объектов, которые не являются блестящими или зеркальными . 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 окрашена , отраженный свет также окрашивается, что приводит к аналогичному окрашиванию окружающих объектов.
В трехмерной компьютерной графике диффузное взаимное отражение - важный компонент глобального освещения . Есть несколько способов смоделировать диффузное взаимное отражение при рендеринге сцены. Излучение и фотонное картирование - два широко используемых метода.
Спектроскопия [ править ]
Спектроскопию диффузного отражения можно использовать для определения спектров поглощения порошкообразных образцов в тех случаях, когда спектроскопия пропускания невозможна. Это относится к спектроскопии UV-Vis-NIR или средней инфракрасной спектроскопии . [9] [10]
См. Также [ править ]
- Диффузор
- Модель отражательной способности Орена – Наяра.
- Отражательная способность
- Ремиссия
Ссылки [ править ]
- ^ Скотт М. Джадс (1988). Фотоэлектрические датчики и органы управления: выбор и применение . CRC Press. п. 29. ISBN 978-0-8247-7886-6. Архивировано 14 января 2018 года.
- ^ П. Ханрахан и В. Крюгер (1993), Отражение от слоистых поверхностей из-за подповерхностного рассеяния , в SIGGRAPH '93 Proceedings, JT Kajiya, Ed., Vol. 27, pp. 165–174. Архивировано 27 июля 2010 г. в Wayback Machine .
- ^ HWJensen et al. (2001), Практическая модель подповерхностного легкого транспорта , в « Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001», стр. 511–518. Архивировано 27 июля 2010 г. на Wayback Machine.
- ^ На рисунке представлены только первичные и вторичные лучи.
- ^ Или, если объект тонкий, он может выходить с противоположной поверхности, давая рассеянный проходящий свет.
- ^ Поль Кубелка, Франц Мунк (1931), Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche , Zeits . f. Техн. Physik, 12 , 593–601, см. The Kubelka-Munk Theory of Reflectance. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Керкер, М. (1969). Рассеяние света . Нью-Йорк: Академ.
- ^ Мандельштам, LI (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Русь. Физ-хим. Ova . 58 : 381.
- ^ Фуллер, Майкл П .; Гриффитс, Питер Р. (1978). «Измерения диффузного отражения методом инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье». Аналитическая химия . 50 (13): 1906–1910. DOI : 10.1021 / ac50035a045 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Kortüm, Густав (1969). Спектроскопия отражения Принципы, методы, применения . Берлин: Springer. ISBN 9783642880711. OCLC 714802320 .
