Difúzní odraz - Diffuse reflection

Difúzní a zrcadlový odraz od lesklého povrchu. Paprsky představují světelnou intenzitu , která se liší podle Lambertova kosinového zákona pro ideální difúzní reflektor.

Reflexní je odrazem ze světelných nebo jiných vln nebo částice z povrchu tak, že paprsek , dopadající na povrch je rozptýlené na mnoha úhlů , spíše než jen u jediného úhlem jako v případě zrcadlového odrazu . Ideální difuzní odrazová plocha se uvádí, že projevují Lambertian odrazu , což znamená, že se rovná svítivost při pohledu ze všech stran, ležících v poloprostoru přiléhající k povrchu.

Povrch vytvořený z neabsorbujícího prášku, jako je sádra , nebo z vláken, jako je papír, nebo z polykrystalického materiálu, jako je bílý mramor , odráží světlo difúzně s velkou účinností. Mnoho běžných materiálů vykazuje směs zrcadlového a rozptýleného odrazu.

Viditelnost předmětů, kromě těch, které vyzařují světlo, je primárně způsobena difuzním odrazem světla: je to difúzně rozptýlené světlo, které vytváří obraz objektu v oku pozorovatele.

Mechanismus

Obrázek 1 - Obecný mechanismus difuzního odrazu pevným povrchem ( refrakční jevy nejsou znázorněny)
Obrázek 2 - Difúzní odraz od nepravidelného povrchu

Difúzní odraz od pevných látek obecně není způsoben drsností povrchu. K zrcadlovému odrazu je skutečně zapotřebí plochý povrch, ale nebrání to rozptýlenému odrazu. Kousek vysoce leštěného bílého mramoru zůstává bílý; žádné leštění to nezmění na zrcadlo. Leštění produkuje určitý zrcadlový odraz, ale zbývající světlo je stále rozptýleno.

Nejobecnější mechanismus, kterým povrch poskytuje difúzní odraz, nezahrnuje přesně povrch: většina světla je poskytována rozptylovými středy pod povrchem, jak je znázorněno na obrázku 1. Pokud bychom si měli představit, že obrázek představuje sníh, a že polygony jsou jeho (transparentní) ledové krystality, dopadající paprsek je částečně odražen (několik procent) první částicí, vstupuje do ní, je opět odražen rozhraním s druhou částicí, vstupuje do ní, naráží na třetí, a tak dále, generování řady „primárních“ rozptýlených paprsků v náhodných směrech, které zase stejným mechanismem generují velké množství „sekundárních“ rozptýlených paprsků, které generují „terciární“ paprsky atd. Všechny tyto paprsky procházejí sněhovými krystaly, které neabsorbují světlo, dokud nedorazí na povrch a nevycházejí náhodnými směry. Výsledkem je, že vyslané světlo se vrací ve všech směrech, takže sníh je bílý, přestože je vyroben z průhledného materiálu (ledové krystaly).

Pro jednoduchost se zde hovoří o „odrazech“, ale obecněji je rozhraní mezi malými částicemi, které tvoří mnoho materiálů, nepravidelné v měřítku srovnatelném s vlnovou délkou světla, takže na každém rozhraní se generuje difúzní světlo, nikoli jeden odražený paprsek, ale příběh lze vyprávět stejným způsobem.

Tento mechanismus je velmi obecný, protože téměř všechny běžné materiály jsou vyrobeny z „malých věcí“ držených pohromadě. Minerální materiály jsou obecně polykrystalické : lze je popsat jako vyrobené z 3D mozaiky malých, nepravidelně tvarovaných vadných krystalů. Organické materiály se obvykle skládají z vláken nebo buněk s jejich membránami a jejich složitou vnitřní strukturou. A každé rozhraní, nehomogenita nebo nedokonalost může odchylovat, odrážet nebo rozptylovat světlo a reprodukovat výše uvedený mechanismus.

Několik materiálů nezpůsobuje difúzní odraz: mezi nimi jsou kovy, které nedovolují vstupu světla; plyny, kapaliny, sklo a průhledné plasty (které mají amorfní mikroskopickou strukturu podobnou kapalině ); monokrystaly , jako například některé drahokamy nebo krystaly soli; a některé velmi speciální materiály, jako jsou tkáně, které tvoří rohovku a oční čočku . Tyto materiály se však mohou difuzně odrážet, pokud je jejich povrch mikroskopicky drsný, jako v mrazivém skle (obrázek 2), nebo pokud se jejich homogenní struktura zhoršuje, jako u katarakty očních čoček.

Povrch může také vykazovat zrcadlový i difúzní odraz, jako je tomu například v případě lesklých barev používaných v domácím malování, které poskytují také zlomek zrcadlového odrazu, zatímco matné barvy poskytují téměř výhradně difúzní odraz.

Většina materiálů může poskytovat určitý zrcadlový odraz za předpokladu, že jejich povrch může být vyleštěn, aby se odstranily nepravidelnosti srovnatelné s vlnovou délkou světla (zlomek mikrometru). V závislosti na materiálu a drsnosti povrchu může být odraz většinou zrcadlový, většinou difúzní nebo kdekoli mezi nimi. Několik materiálů, jako jsou kapaliny a brýle, postrádají vnitřní členění, která produkují výše popsaný mechanismus podpovrchového rozptylu, a proto poskytují pouze zrcadlový odraz. Mezi běžnými materiály mohou pouze leštěné kovy zrcadlit světlo s vysokou účinností, jako u hliníku nebo stříbra, které se obvykle používají v zrcadlech. Všechny ostatní běžné materiály, i když jsou dokonale leštěné, obvykle poskytují ne více než několik procent zrcadlového odrazu, s výjimkou zvláštních případů, jako je odraz úhlu spásání u jezera nebo celkový odraz skleněného hranolu, nebo pokud jsou strukturovány v určitém komplexu konfigurace, jako je stříbrná kůže mnoha druhů ryb nebo reflexní povrch dielektrického zrcadla . Difúzní odraz může být velmi účinný, stejně jako u bílých materiálů, díky součtu mnoha odrazů pod povrchem.

Barevné předměty

Až do tohoto bodu byly diskutovány bílé objekty, které neabsorbují světlo. Výše uvedené schéma však nadále platí v případě, že je materiál savý. V tomto případě rozptýlené paprsky během procházky materiálem ztratí některé vlnové délky a budou barevné.

Difúze ovlivňuje barvu předmětů podstatným způsobem, protože určuje průměrnou dráhu světla v materiálu, a tedy do jaké míry jsou absorbovány různé vlnové délky. Červený inkoust vypadá černě, když zůstane v lahvi. Jeho živá barva je vnímána pouze tehdy, když je umístěna na rozptylný materiál (např. Papír). Je tomu tak proto, že dráha světla skrz vlákna papíru (a přes inkoust) je dlouhá jen zlomek milimetru. Světlo z lahve však překročilo několik centimetrů inkoustu a bylo silně pohlceno, a to i v jeho červených vlnových délkách.

A když má barevný objekt difúzní i zrcadlový odraz, je obvykle obarvena pouze difúzní složka. Třešeň odráží difuzně červené světlo, absorbuje všechny ostatní barvy a má zrcadlový odraz, který je v podstatě bílý (pokud dopadající světlo je bílé světlo). To je celkem obecné, protože kromě kovů závisí odrazivost většiny materiálů na jejich indexu lomu , který se s vlnovou délkou mění jen málo (i když právě tato variace způsobuje chromatickou disperzi v hranolu ), takže se odrážejí všechny barvy téměř se stejnou intenzitou.

Důležitost pro vidění

Drtivá většina viditelných předmětů je viděna především difuzním odrazem od jejich povrchu. Výjimkou jsou předměty s leštěnými (zrcadlově odrážejícími) povrchy a předměty, které samy vyzařují světlo. Rayleighův rozptyl je zodpovědný za modrou barvu oblohy a Mie rozptyl za bílou barvu kapiček vody v oblacích.

Interreflexe

Difúzní interreflexe je proces, při kterém světlo odražené od předmětu dopadá na jiné objekty v okolní oblasti a osvětluje je. Difúzní interreflexe konkrétně popisuje světlo odražené od předmětů, které nejsou lesklé ani zrcadlové . V reálném životě to znamená, že světlo se odráží od nelesklých povrchů, jako je země, stěny nebo textilie, aby se dostalo do oblastí, které nejsou přímo z pohledu světelného zdroje. Pokud je difúzní povrch zbarven , odráží se i odražené světlo, což má za následek podobné zbarvení okolních předmětů.

V 3D počítačové grafice je difúzní interreflexe důležitou součástí globálního osvětlení . Při vykreslování scény existuje řada způsobů, jak modelovat difúzní interreflexi. Radiozita a fotonové mapování jsou dvě běžně používané metody.

Spektroskopie

Difúzní reflektanční spektroskopii lze použít ke stanovení absorpčních spekter práškových vzorků v případech, kdy není přenosová spektroskopie proveditelná. To platí pro spektroskopii UV-Vis-NIR nebo mid-infračervenou spektroskopii .

Viz také

Reference