Диффузное отражение — это отражение света или других волн или частиц от поверхности, при котором луч , падающий на поверхность, рассеивается под многими углами , а не только под одним углом, как в случае зеркального отражения . Говорят, что идеальная диффузно отражающая поверхность демонстрирует ламбертовское отражение , что означает, что яркость одинакова, если смотреть со всех сторон, лежащих в полупространстве , прилегающем к поверхности.
Поверхность, построенная из непоглощающего порошка, такого как гипс , или из волокон, таких как бумага, или из поликристаллического материала, такого как белый мрамор , диффузно отражает свет с большой эффективностью. Многие распространенные материалы демонстрируют смесь зеркального и диффузного отражения.
Видимость предметов, за исключением светоизлучающих, обусловлена прежде всего диффузным отражением света: именно диффузно-рассеянный свет формирует изображение предмета в глазу наблюдателя.
Диффузное отражение от твердых тел обычно не связано с шероховатостью поверхности. Плоская поверхность действительно необходима для зеркального отражения, но она не предотвращает диффузное отражение. 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, посредством которого поверхность дает диффузное отражение, не затрагивает именно поверхность: большая часть света излучается центрами рассеяния под поверхностью , [2] [3] , как показано на рисунке 1. Если представить, что на рисунке изображен снег, а многоугольники - это его (прозрачные) кристаллиты льда, падающий луч частично отражается (несколько процентов) от первой частицы, входит в нее, снова отражается от границы со второй частицей, входит в нее , падает на третий и так далее, генерируя серию «первичных» рассеянных лучей в случайных направлениях, которые, в свою очередь, по тому же механизму порождают 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, поэтому снег остается белым, несмотря на то, что он сделан из прозрачного материала (кристаллов льда).
Для простоты здесь говорят об «отражениях», но в более общем плане граница между мелкими частицами, из которых состоят многие материалы, нерегулярна в масштабе, сравнимом с длиной волны света, поэтому на каждой границе раздела генерируется рассеянный свет, а не одиночный отраженный луч. но эту историю можно рассказать так же.
Этот механизм очень общий, поскольку почти все распространенные материалы состоят из «мелочей», скрепленных вместе. Минеральные материалы, как правило, являются поликристаллическими : их можно описать как трехмерную мозаику из маленьких дефектных кристаллов неправильной формы. Органические материалы обычно состоят из волокон или клеток с мембранами и сложной внутренней структурой. И каждый интерфейс, неоднородность или несовершенство могут отклоняться, отражать или рассеивать свет, воспроизводя описанный выше механизм.
Немногие материалы не вызывают диффузного отражения: среди них металлы, не пропускающие свет; газы, жидкости, стекло и прозрачные пластмассы (имеющие жидкоподобную аморфную микроскопическую структуру); монокристаллы , например, некоторые драгоценные камни или кристаллы соли; и некоторые совершенно особые материалы, такие как ткани, из которых состоят роговица и хрусталик глаза. Однако эти материалы могут отражать диффузно, если их поверхность микроскопически шероховатая, как у морозного стекла (рис. 2), или, конечно, если их однородная структура ухудшается, как при катаракте хрусталика глаза.
Поверхность может также демонстрировать как зеркальное, так и диффузное отражение, как, например, глянцевые краски , используемые в домашней живописи, которые также дают часть зеркального отражения, тогда 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, сравнимых с длиной волны света (доли микрометра). В зависимости от материала и шероховатости поверхности отражение может быть в основном зеркальным, в основном диффузным или каким-то промежуточным. Некоторые материалы, такие как жидкости и стекла, лишены внутренних подразделений, которые создают описанный выше механизм подповерхностного рассеяния, и поэтому дают только зеркальное отражение. Среди распространенных материалов только полированные металлы могут зеркально отражать свет с высокой эффективностью, как, например, алюминий или серебро, обычно используемые 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 отражение под скользящим углом от озера или полное отражение от стеклянной призмы, или когда они структурированы в определенную сложную структуру. такие конфигурации, как серебристая кожа многих видов рыб или отражающая поверхность диэлектрического зеркала . Диффузное отражение может быть очень эффективным, как в случае с белыми материалами, благодаря суммированию множества подповерхностных отражений.
До сих пор обсуждались белые объекты, не поглощающие свет. Но приведенная выше схема продолжает действовать и в том случае, если материал является впитывающим. В этом случае рассеянные лучи потеряют часть длины волны во время движения в материале и станут окрашенными.
Диффузия существенно влияет на цвет объектов, поскольку она определяет средний путь света в материале и, следовательно, степень поглощения различных длин волн. [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 длина пути света через волокна бумаги (и через чернила) составляет лишь доли миллиметра. Однако свет из бутылки прошел сквозь чернила на несколько сантиметров и сильно поглотился, даже в красных длинах волн.
А когда цветной объект имеет как диффузное, так и зеркальное отражение, обычно окрашивается только диффузный компонент. Вишня диффузно отражает красный свет, поглощает все остальные цвета и имеет зеркальное отражение, которое по сути является белым (если падающий свет — белый свет). Это довольно общий принцип, поскольку, 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 все цвета отражаются. почти с такой же интенсивностью.
Подавляющее большинство видимых объектов видны преимущественно за счет диффузного отражения от их поверхности. [7] [8] Исключение составляют объекты с полированной (зеркально отражающей) поверхностью, а также объекты, которые сами излучают свет. Рэлеевское рассеяние отвечает за голубой цвет неба, а рассеяние Ми — за белый цвет капель воды в облаках.
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, и достигает областей, находящихся вне поля зрения источника света. Если диффузная поверхность окрашена , отраженный свет также окрашен, что приводит к аналогичному окрашиванию окружающих объектов.
В компьютерной 3D-графике диффузное взаимное отражение является важным компонентом глобального освещения . Существует несколько способов моделирования диффузного взаимного отражения при рендеринге сцены. Радиосити и фотонное картирование — два широко используемых метода.
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 спектроскопии среднего инфракрасного диапазона . [9] [10]