Диффузное отражение — это отражение света или других волн или частиц от поверхности таким образом, что 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 при наблюдении со всех направлений, лежащих в полупространстве , прилегающем к поверхности, наблюдается одинаковая яркость .
Поверхность, созданная из неабсорбирующего порошка, такого как гипс , или из волокон, таких как бумага, или из поликристаллического материала, такого как белый мрамор , отражает свет диффузно с большой эффективностью. Многие обычные материалы демонстрируют смесь зеркального и диффузного отражения.
Видимость объектов, за исключением светоизлучающих, обусловлена прежде всего диффузным отражением света: именно диффузно-рассеянный свет формирует изображение объекта в глазу наблюдателя.
Диффузное отражение от твердых тел обычно не связано с шероховатостью поверхности. Плоская поверхность действительно требуется для зеркального отражения, но она не препятствует рассеянному отражению. Кусок тщательно отполированного белого мрамора остается белым; никакая полировка не превратит его в зеркало. Полировка создает некоторое зеркальное отражение, но оставшийся свет продолжает диффузно отражаться.
Самый общий механизм, посредством которого поверхность дает диффузное отражение, не включает в себя именно поверхность: большая часть света вносится рассеивающими центрами под поверхностью , [2] [3], как показано на рисунке 1. Если представить, что фигура представляет собой снег, а многоугольники - его (прозрачные) ледяные кристаллиты, падающий луч частично отражается (несколько процентов) первой частицей, входит в нее, снова отражается границей со второй частицей, входит в нее, падает на третью и т. д., создавая серию «первичных» рассеянных лучей в случайных направлениях, которые, в свою очередь, посредством того же механизма, генерируют большое количество «вторичных» рассеянных лучей, которые генерируют «третичные» лучи и т. д. [4] Все эти лучи проходят через снежные кристаллиты, которые не поглощают свет, пока не достигнут поверхности и не выйдут в случайных направлениях. [5] В результате свет, который был послан, возвращается во всех направлениях, поэтому снег белый, несмотря на то, что он состоит из прозрачного материала (ледяных кристаллов).
Для простоты здесь говорится об «отражениях», но в более общем смысле интерфейс между малыми частицами, составляющими многие материалы, нерегулярен в масштабе, сопоставимом с длиной волны света, поэтому на каждом интерфейсе генерируется рассеянный свет, а не один отраженный луч, но эту историю можно рассказать тем же способом.
Этот механизм очень общий, потому что почти все обычные материалы состоят из «маленьких вещей», удерживаемых вместе. Минеральные материалы, как правило, поликристаллические : их можно описать как сделанные из трехмерной мозаики маленьких, неправильной формы дефектных кристаллов. Органические материалы обычно состоят из волокон или клеток, с их мембранами и их сложной внутренней структурой. И каждый интерфейс, неоднородность или несовершенство могут отклонять, отражать или рассеивать свет, воспроизводя вышеуказанный механизм.
Немногие материалы не вызывают диффузного отражения: среди них металлы, которые не пропускают свет; газы, жидкости, стекло и прозрачные пластики (которые имеют жидкую аморфную микроскопическую структуру); монокристаллы , такие как некоторые драгоценные камни или кристалл соли; и некоторые очень специальные материалы, такие как ткани, из которых состоит роговица и хрусталик глаза . Однако эти материалы могут отражать диффузно, если их поверхность микроскопически шероховатая, как в морозном стекле (рисунок 2), или, конечно, если их однородная структура ухудшается, как при катаракте хрусталика глаза.
Поверхность может также демонстрировать как зеркальное, так и рассеянное отражение, как, например, в случае глянцевых красок , используемых при покраске домов, которые также дают часть зеркального отражения, в то время как матовые краски дают почти исключительно рассеянное отражение.
Большинство материалов могут давать некоторое зеркальное отражение, при условии, что их поверхность может быть отполирована для устранения неровностей, сопоставимых с длиной волны света (доля микрометра). В зависимости от материала и шероховатости поверхности отражение может быть в основном зеркальным, в основном диффузным или где-то между ними. Некоторые материалы, такие как жидкости и стекла, не имеют внутренних подразделений, которые производят механизм подповерхностного рассеяния, описанный выше, и поэтому дают только зеркальное отражение. Среди обычных материалов только полированные металлы могут отражать свет зеркально с высокой эффективностью, как в алюминии или серебре, обычно используемых в зеркалах. Все другие обычные материалы, даже идеально отполированные, обычно дают не более нескольких процентов зеркального отражения, за исключением особых случаев, таких как скользящее угловое отражение озером или полное отражение стеклянной призмы, или когда они структурированы в определенных сложных конфигурациях, таких как серебристая кожа многих видов рыб или отражающая поверхность диэлектрического зеркала . Диффузное отражение может быть очень эффективным, как в белых материалах, из-за суммирования многих подповерхностных отражений.
До этого момента обсуждались белые объекты, которые не поглощают свет. Но приведенная выше схема остается справедливой и в случае, если материал поглощает свет. В этом случае рассеянные лучи будут терять часть длин волн во время своего прохождения по материалу и будут окрашены.
Диффузия существенно влияет на цвет объектов, поскольку она определяет средний путь света в материале, и, следовательно, в какой степени поглощаются различные длины волн. [6] Красные чернила выглядят черными, когда они остаются в бутылке. Их яркий цвет воспринимается только тогда, когда они помещены на рассеивающий материал (например, бумагу). Это происходит потому, что путь света через волокна бумаги (и через чернила) составляет всего лишь долю миллиметра. Однако свет из бутылки пересек несколько сантиметров чернил и был сильно поглощен, даже в своих красных длинах волн.
И, когда цветной объект имеет как диффузное, так и зеркальное отражение, обычно окрашен только диффузный компонент. Вишня отражает диффузно красный свет, поглощает все остальные цвета и имеет зеркальное отражение, которое по сути является белым (если падающий свет является белым светом). Это довольно общее, потому что, за исключением металлов, отражательная способность большинства материалов зависит от их показателя преломления , который мало меняется с длиной волны (хотя именно это изменение вызывает хроматическую дисперсию в призме ), так что все цвета отражаются почти с одинаковой интенсивностью.
Подавляющее большинство видимых объектов воспринимается в первую очередь за счет диффузного отражения от их поверхности. [7] [8] Исключения составляют объекты с полированными (зеркально отражающими) поверхностями и объекты, которые сами излучают свет. Рассеяние Рэлея отвечает за голубой цвет неба, а рассеяние Ми — за белый цвет капель воды в облаках.
Диффузное взаимоотражение — это процесс, при котором свет, отраженный от объекта, попадает на другие объекты в окружающей области, освещая их. Диффузное взаимоотражение конкретно описывает свет, отраженный от объектов, которые не являются блестящими или зеркальными . В терминах реальной жизни это означает, что свет отражается от неблестящих поверхностей, таких как земля, стены или ткань, чтобы достичь областей, которые не находятся в прямой видимости источника света. Если диффузная поверхность окрашена , отраженный свет также окрашен, что приводит к аналогичной окраске окружающих объектов.
В 3D компьютерной графике диффузное взаимное отражение является важным компонентом глобального освещения . Существует несколько способов моделирования диффузного взаимного отражения при рендеринге сцены. Излучательность и фотонное картирование являются двумя часто используемыми методами.
Спектроскопия диффузного отражения может быть использована для определения спектров поглощения порошкообразных образцов в случаях, когда спектроскопия пропускания невозможна. Это относится к спектроскопии UV-Vis-NIR или средней инфракрасной спектроскопии . [9] [10]