Reflexão difusa - Diffuse reflection

Reflexão difusa e especular de uma superfície brilhante. Os raios representam a intensidade luminosa , que varia de acordo com a lei do cosseno de Lambert para um refletor difuso ideal.

A reflexão difusa é a reflexão da luz ou de outras ondas ou partículas de uma superfície, de modo que um raio incidente na superfície é espalhado em vários ângulos, em vez de em apenas um ângulo, como no caso da reflexão especular . Um ideal difusa superfície reflectora é dito que exibem reflexão Lambertiana , o que significa que não é igual luminância quando visto a partir de todas as direcções que se encontram na metade do espaço adjacente à superfície.

Uma superfície construída a partir de um pó não absorvente como o gesso , ou de fibras como o papel, ou de um material policristalino como o mármore branco , reflete a luz difusamente com grande eficiência. Muitos materiais comuns exibem uma mistura de reflexão especular e difusa.

A visibilidade dos objetos, excluindo os emissores de luz, é causada principalmente pela reflexão difusa da luz: é a luz difusamente espalhada que forma a imagem do objeto no olho do observador.

Mecanismo

Figura 1 - Mecanismo geral de reflexão difusa por uma superfície sólida ( fenômenos de refração não representados)
Figura 2 - Reflexo difuso de uma superfície irregular

A reflexão difusa dos sólidos geralmente não é devida à aspereza da superfície. Uma superfície plana é de fato necessária para dar reflexão especular, mas não impede a reflexão difusa. Um pedaço de mármore branco altamente polido permanece branco; nenhuma quantidade de polimento vai transformá-lo em um espelho. O polimento produz alguma reflexão especular, mas a luz restante continua a ser refletida difusamente.

O mecanismo mais geral pelo qual uma superfície dá reflexão difusa não envolve exatamente a superfície: a maior parte da luz é contribuída por centros de dispersão abaixo da superfície, como ilustrado na Figura 1. Se alguém fosse imaginar que a figura representa a neve, e que os polígonos são seus cristalitos de gelo (transparentes), um raio colidindo é parcialmente refletido (alguns por cento) pela primeira partícula, entra nele, é novamente refletido pela interface com a segunda partícula, entra nela, colide com a terceira, e assim por diante, gerando uma série de raios dispersos "primários" em direções aleatórias, os quais, por sua vez, pelo mesmo mecanismo, geram um grande número de raios dispersos "secundários", que geram raios "terciários", e assim por diante. Todos esses raios caminham pelos cristalitos da neve, que não absorvem luz, até chegarem à superfície e saírem em direções aleatórias. O resultado é que a luz que foi enviada é devolvida em todas as direções, de forma que a neve é ​​branca apesar de ser feita de um material transparente (cristais de gelo).

Para simplificar, "reflexos" são falados aqui, mas mais geralmente a interface entre as pequenas partículas que constituem muitos materiais é irregular em uma escala comparável ao comprimento de onda da luz, então a luz difusa é gerada em cada interface, em vez de um único raio refletido, mas a história pode ser contada da mesma maneira.

Esse mecanismo é muito geral, porque quase todos os materiais comuns são feitos de "pequenas coisas" mantidas juntas. Os materiais minerais são geralmente policristalinos : pode-se descrevê-los como feitos de um mosaico 3D de pequenos cristais defeituosos de forma irregular. Os materiais orgânicos são geralmente compostos de fibras ou células, com suas membranas e sua complexa estrutura interna. E cada interface, não homogeneidade ou imperfeição pode desviar, refletir ou espalhar luz, reproduzindo o mecanismo acima.

Poucos materiais não causam reflexão difusa: entre estes estão os metais, que não permitem a entrada de luz; gases, líquidos, vidro e plásticos transparentes (que têm uma estrutura microscópica amorfa semelhante a líquido ); cristais únicos , como algumas gemas ou um cristal de sal; e alguns materiais muito especiais, como os tecidos que constituem a córnea e o cristalino de um olho. Esses materiais podem refletir difusamente, no entanto, se sua superfície for microscopicamente rugosa, como em um vidro fosco (Figura 2), ou, é claro, se sua estrutura homogênea se deteriorar, como em cataratas do cristalino.

Uma superfície também pode exibir reflexão especular e difusa, como é o caso, por exemplo, de tintas brilhantes usadas em pinturas caseiras, que fornecem também uma fração de reflexão especular, enquanto as tintas mate fornecem reflexão quase exclusivamente difusa.

A maioria dos materiais pode dar alguma reflexão especular, desde que sua superfície possa ser polida para eliminar irregularidades comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz (uma fração de um micrômetro). Dependendo do material e da rugosidade da superfície, a reflexão pode ser principalmente especular, difusa ou em qualquer lugar entre os dois. Alguns materiais, como líquidos e vidros, carecem das subdivisões internas que produzem o mecanismo de espalhamento de subsuperfície descrito acima e, portanto, fornecem apenas reflexão especular. Entre os materiais comuns, apenas os metais polidos podem refletir a luz especularmente com alta eficiência, como o alumínio ou a prata geralmente usados ​​em espelhos. Todos os outros materiais comuns, mesmo quando perfeitamente polidos, geralmente não fornecem mais do que alguns percentuais de reflexão especular, exceto em casos particulares, como reflexão de ângulo rasante por um lago, ou a reflexão total de um prisma de vidro, ou quando estruturado em determinado complexo configurações como a pele prateada de muitas espécies de peixes ou a superfície reflexiva de um espelho dielétrico . A reflexão difusa pode ser altamente eficiente, como em materiais brancos, devido à soma dos muitos reflexos de subsuperfície.

Objetos coloridos

Até este ponto, objetos brancos foram discutidos, os quais não absorvem luz. Mas o esquema acima continua válido no caso de o material ser absorvente. Nesse caso, os raios difusos perderão alguns comprimentos de onda durante sua caminhada no material, e sairão coloridos.

A difusão afeta a cor dos objetos de maneira substancial porque determina o caminho médio da luz no material e, portanto, até que ponto os vários comprimentos de onda são absorvidos. A tinta vermelha parece preta quando permanece na garrafa. A sua cor viva só é percebida quando é colocada sobre um material difusor (por exemplo, papel). Isso ocorre porque o caminho da luz pelas fibras do papel (e pela tinta) tem apenas uma fração de milímetro de comprimento. No entanto, a luz do frasco atravessou vários centímetros de tinta e foi fortemente absorvida, mesmo em seus comprimentos de onda vermelhos.

E, quando um objeto colorido tem reflexão difusa e especular, geralmente apenas o componente difuso é colorido. Uma cereja reflete difusamente a luz vermelha, absorve todas as outras cores e tem uma reflexão especular essencialmente branca (se a luz incidente for branca). Isso é bastante geral, porque, exceto para metais, a refletividade da maioria dos materiais depende de seu índice de refração , que varia pouco com o comprimento de onda (embora seja esta variação que causa a dispersão cromática em um prisma ), de modo que todas as cores são refletidas quase com a mesma intensidade.

Importância para a visão

A grande maioria dos objetos visíveis são vistos principalmente por reflexão difusa de sua superfície. As exceções incluem objetos com superfícies polidas (refletindo especularmente) e objetos que emitem luz. O espalhamento de Rayleigh é responsável pela cor azul do céu, e o espalhamento de Mie pela cor branca das gotículas de água nas nuvens.

Inter-reflexo

A inter - reflexão difusa é um processo pelo qual a luz refletida de um objeto atinge outros objetos na área circundante, iluminando-os. A inter-reflexão difusa descreve especificamente a luz refletida de objetos que não são brilhantes ou especulares . Em termos da vida real, isso significa que a luz é refletida em superfícies não brilhantes, como o solo, paredes ou tecido, para atingir áreas que não estão diretamente à vista de uma fonte de luz. Se a superfície difusa for colorida , a luz refletida também será colorida, resultando em uma coloração semelhante dos objetos ao redor.

Na computação gráfica 3D , a inter-reflexão difusa é um componente importante da iluminação global . Existem várias maneiras de modelar a inter-reflexão difusa ao renderizar uma cena. Radiosidade e mapeamento de fótons são dois métodos comumente usados.

Espectroscopia

A espectroscopia de refletância difusa pode ser usada para determinar o espectro de absorção de amostras em pó nos casos em que a espectroscopia de transmissão não é viável. Isso se aplica à espectroscopia UV-Vis-NIR ou espectroscopia de infravermelho médio .

Veja também

Referências