Reflecție difuză
Reflecția difuză a luminii de pe o suprafață este o reflexie non-speculară, în care o rază de lumină care lovește suprafața nu este trimisă înapoi la un unghi dat, ci este împrăștiată pe mai multe direcții pe care le putem descrie ca aleatorii. Un difuzor ideal (cu reflectanță lambertiană ) reflectă lumina în mod omogen în toate direcțiile.
Un obiect realizat din particule care nu absorb lumina, cum ar fi tencuiala, sau din fibre incolore, precum hârtia, sau dintr-un material policristalin, precum marmura de Carrara, este capabil să reflecte aproape toată lumina pe care o primește, dar într-un difuz, nu specular.
Majoritatea obiectelor pe care le vedem în fiecare zi reflectă difuz lumina, albul sau culorile, atât de mult încât se poate spune că reflexia difuză este de departe cel mai important mecanism prin care obiectele se dezvăluie ochiului nostru.
Mecanisme de reflecție
Reflecție difuză
Reflecția difuză nu se datorează, așa cum se spune uneori, faptului că suprafața nu este perfectă: o bucată de marmură de Carrara, chiar dacă este perfect netedă și lustruită, rămâne întotdeauna albă și nu devine niciodată o oglindă. În realitate, lumina difuză care ne revine din obiect provine nu numai de la suprafața sa, ci și, mai ales, din interiorul său , din primele straturi de sub suprafață [1] [2] , așa cum se arată în figură, care prezintă un model al mecanismului general prin care suprafețele albe difuzează lumina.
Să ne imaginăm că figura reprezintă zăpada și că poligoanele reprezintă micile cristale de gheață (transparente) care o formează. Raza de lumină care intră este reflectată parțial (câteva procente) pe primul bob, intră puțin slab în el și apoi se reflectă pe interfața cu cel de-al doilea obiectiv, intră în el, se reflectă pe interfața următoare și așa mai departe. Fiecare interfață dintre lentile oferă o mică reflexie la un unghi diferit aleatoriu. Fiecare dintre aceste raze difuze „primare” suferă apoi același tip de reflecții atunci când mergeți în obiect, dând naștere unui număr mare de raze difuze „secundare” mai slabe, care generează apoi raze „terțiare” și așa mai departe [3] . Mai devreme sau mai târziu, dacă materialul nu absoarbe lumina, toată această multitudine de raze se vor întoarce la suprafață [4] , ieșind acum în direcții aleatorii. Rezultatul este că ne întoarcem, împrăștiați peste toate direcțiile, toată lumina pe care o trimisesem și, prin urmare, putem spune că zăpada este albă, în ciuda faptului că este alcătuită din obiecte transparente (cristale de gheață).
Am vorbit despre „reflexii” la interfețe pentru simplitate și, de asemenea, pentru că, în cazul zăpezii, cristalele de gheață sunt suficient de mari, separate și regulate pentru a da reflexii. În majoritatea cazurilor, totuși, la fiecare interfață există o împrăștiere , dacă dimensiunea suprafeței sau neregulile acesteia sunt comparabile cu lungimea de undă a luminii, dar situația nu se schimbă.
Mecanismul expus este foarte general, deoarece aproape toate obiectele care ne înconjoară sunt realizate din materiale „non-monolitice”. Mineralele sunt de obicei policristaline : le putem descrie ca un mozaic tridimensional de cristale cimentate împreună. Materialele organice sunt compuse din fibre sau celule , cu pereții lor și cu o structură internă complexă și neomogenă: orice interfață, neomogenitate sau imperfecțiune pot devia, reflecta sau difuza lumina, reproducând astfel modelul pe care l-am descris mai sus.
Printre puținele materiale care nu respectă acest mecanism se numără:
- metale, care nu permit pătrunderea luminii deoarece o reflectă sau o absorb violent (într-un spațiu care este de obicei mai mic decât lungimea de undă a luminii)
- gaze, lichide și substanțe amorfe (pahare, polimeri precum Plexiglas sau policarbonat ), care nu au de obicei discontinuități interne
- monocristale , monocristaline , cum ar fi un diamant sau un cristal de sare
- materiale foarte speciale, precum țesuturile care alcătuiesc corneea și lentila ochilor.
Cu toate acestea, aceste materiale pot reflecta (sau transmite) lumina difuz dacă suprafața lor este neregulată, ca cea a unei sticle macinate sau, desigur, dacă structura lor omogenă se deteriorează , așa cum se poate întâmpla pentru lentila ochilor.
Reflecție speculară
Multe materiale sunt capabile să reflecte lumina în mod specular, atâta timp cât este posibil să se „lustruiască” suprafața lor, adică să elimine toate neregulile care sunt comparabile cu lungimea de undă a luminii (fracțiuni de µm ). Spontan, regulat, printre materialele comune, sunt suprafețele lichidelor, care sunt dispuse cu o suprafață perfect plană sau, în orice caz, netedă și sticlă, deoarece structura sa amorfă înseamnă că moleculele, lipsite de geometrii cristaline rigide, în timpul solidificării poate urma tensiuni de suprafață, care impun o suprafață netedă microscopic. Cu toate acestea, numai metalele pot reflecta eficient lumina care le lovește: în oglinzile normale, materialul reflectant este, de fapt, aluminiu sau argint. Toate celelalte materiale obișnuite, chiar dacă sunt „lustruite în oglindă”, reflectă doar mici fracțiuni de lumină, cu excepția unor condiții particulare, cum ar fi în prismele de sticlă utilizate în „reflexia totală” sau în materiale complexe, special structurate, cum ar fi pielea argintie a unui lot de pește.
Reflecția difuză de pe suprafețele albe, pe de altă parte, poate fi foarte eficientă pentru a reda aproape toată lumina primită, deoarece derivă din suma tuturor reflexiilor mici care provin din straturile de suprafață ale materialului.
Reflecție mixtă
Dacă un obiect difuz are o suprafață regulată microscopic, puteți avea reflexie atât difuză, cât și speculară în același timp, cum ar fi obiecte strălucitoare nemetalice : o placă ceramică, o piesă de mobilier lăcuită, o cireșă, o marmură lustruită. Un obiect alb lucios reflectă de obicei nu mai mult de 5-10% din lumină și împrăștie orice altceva.
Culoarea obiectelor
Până acum am vorbit despre obiecte albe, adică nu absorb lumina. Dar schema de mai sus se aplică și dacă materialul absoarbe parțial lumina. În acest caz, razele împrăștiate vor pierde unele lungimi de undă în timpul călătoriei lor prin material și vor ieși colorate din acesta.
Într-adevăr, difuzia condiționează puternic culoarea obiectelor, deoarece determină calea medie pe care lumina o parcurge prin material înainte de a-l părăsi și, prin urmare, cât vor fi absorbite diferitele lungimi de undă [5] . Cerneala roșie arată negru atâta timp cât este în sticla sa: culoarea sa strălucitoare se vede doar atunci când o punem pe o suprafață care difuzează lumina (hârtie). Acest lucru se întâmplă deoarece lumina incidentă pe hârtie pătrunde în ea și merge printre fibrele sale (și în cerneală) doar pentru o fracțiune de milimetru și, prin urmare, trece prin puțină cerneală, înainte de a ieși din ea. Lumina care ne vine din sticlă, pe de altă parte, a parcurs centimetri prin cerneală și a pierdut toate lungimile de undă, chiar și roșu.
Și, dacă materialul are atât reflexie difuză, cât și reflexie speculară, de obicei, numai cea difuză este colorată: o cireșă reflectă difuz roșu, absoarbe celelalte culori și are o reflexie speculară care este în esență albă. Și acesta este un fapt general: cu excepția metalelor, de regulă reflectivitatea materialelor depinde de diferența dintre indicele lor de refracție și cel al aerului. Indicele de refracție se poate schimba odată cu culoarea (și acest lucru determină o prismă să împrăștie culoarea ), dar nu mult, astfel încât toate culorile sunt reflectate cu aproximativ aceeași intensitate. Reflecțiile datorate altor cauze pot fi în schimb colorate: cele metalice, de fapt, (auriu, cupru), cele interferențiale ( irizări , pene de păun, aripi de fluture, elitre de gândac , acoperiri de lentile antireflexive )
Reflecție și viziune difuze
Dacă ne uităm în jurul nostru, descoperim că ceea ce permite ochiului nostru să formeze o imagine a aproape tot ceea ce ne înconjoară este reflectarea lor difuză. Excepțiile sunt puține: sticlă, lichide, metale, unele reflexii de la obiecte strălucitoare și, bineînțeles, surse care emit lumină, cum ar fi soarele sau becurile (precum și ecranul la care ne uităm chiar acum, care, cu toate acestea, , emite lumină larg răspândită). În exterior, se adaugă lumina difuză din cer: cea albastră care vine din aer pentru împrăștierea Rayleigh , cea albă a norilor ( împrăștierea Mie ), cea variat colorată a apusului.
Atât de mult încât se poate spune cu siguranță că percepția luminii difuzate de la suprafața obiectelor este cel mai important mecanism al nostru de observare vizuală. [6]
Notă
- ^ P. Hanrahan și W. Krueger (1993), Reflecție de la suprafețe stratificate datorită împrăștierii subterane . În SIGGRAPH '93 Proceedings, JT Kajiya, Ed., Vol. 27, pp. 165–174 Arhivat 7 aprilie 2016 la Internet Archive.
- ^ HWJensen și colab. (2001), Un model practic pentru transportul ușor subteran . În „ Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001”, pp. 511–518 Arhivat 7 aprilie 2016 la Internet Archive .
- ^ Numai reflexiile „primare” și „secundare” sunt prezentate în figură.
- ^ Sau, dacă obiectul este subțire, vor ajunge la suprafața opusă, ieșind ca lumină difuză transmisă.
- ^ P. Kubelka, F. Munk. Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche , Zeits. f. Tehn. Physik, (12): 593–601, 1931, vezi și The Kubelka-Munk Theory of Reflectance. Arhivat 17 iulie 2011 la Internet Archive .
- ^ Mandelstam, LI, Light Scattering by Inhomogeneous Media , în Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova. , vol. 58, 1926, p. 381.
