Диффузное отражение света и частиц

Введение

отражение заряженных частиц
Отражение с рассеянием света под случайными углами

Диффузное отражение — это отражение света или других волн или частиц от поверхности, при котором луч, падающий на поверхность, рассеивается под многими углами, а не под одним углом, как в случае зеркального отражения. Идеальная диффузно отражающая поверхность характеризуется ламбертовским отражением, что означает, что яркость одинакова при наблюдении со всех направлений, лежащих в полупространстве, прилегающем к поверхности. Поверхность, состоящая из непоглощающего порошка, такого как штукатурка, из волокон, таких как бумага, или из поликристаллического материала, такого как белый мрамор, эффективно диффузно отражает свет. Многие распространенные материалы демонстрируют сочетание зеркального и диффузного отражения. Видимость объектов, не являющихся источниками света, обусловлена главным образом диффузным отражением света: именно диффузно рассеянный свет формирует изображение объекта в глазу наблюдателя.

Механизм

Диффузное отражение от твердых тел обычно не связано с шероховатостью поверхности. Плоская поверхность действительно необходима для создания зеркального отражения, но она не препятствует диффузному отражению. Хорошо отполированный белый мрамор остается белым; никакая полировка не превратит его в зеркало. Полировка создает некоторое зеркальное отражение, но оставшийся свет продолжает отражаться диффузно. Наиболее общий механизм, посредством которого поверхность дает диффузное отражение, не заключается непосредственно в самой поверхности: большая часть света обусловлена центрами рассеяния, расположенными под поверхностью, как показано на рисунке 1. Если представить, что рисунок изображает снег, а многоугольники – его (прозрачные) ледяные кристаллики, то падающий луч частично отражается (на несколько процентов) первым кристалликом, входит в него, снова отражается от границы со вторым кристалликом, входит в него, сталкивается с третьим и так далее, генерируя серию "первичных" рассеянных лучей в случайных направлениях, которые, в свою очередь, тем же механизмом генерируют большое количество "вторичных" рассеянных лучей, которые генерируют "третичные" лучи и так далее. Все эти лучи проходят сквозь кристаллики снега, которые не поглощают свет, пока не достигают поверхности и не выходят в случайных направлениях. В результате свет, посланный внутрь, возвращается во всех направлениях, поэтому снег, несмотря на то, что он состоит из прозрачного материала (кристаллов льда), выглядит белым. Для простоты здесь говорят об "отражениях", но в более общем смысле граница между мелкими частицами, составляющими многие материалы, неровная в масштабе, сопоставимом с длиной волны света, поэтому диффузный свет генерируется на каждой границе, а не одним отраженным лучом, хотя историю можно рассказать и таким образом. Этот механизм очень распространен, поскольку почти все обычные материалы состоят из "маленьких частиц", связанных вместе. Минеральные материалы обычно поликристаллические: их можно описать как состоящие из трехмерной мозаики из маленьких, неправильной формы дефектных кристаллов. Органические материалы обычно состоят из волокон или клеток с их мембранами и сложной внутренней структурой. И каждый интерфейс, неоднородность или дефект может отклонять, отражать или рассеивать свет, воспроизводя описанный механизм. Небольшое количество материалов не вызывает диффузного отражения: к ним относятся металлы, которые не пропускают свет внутрь; газы, жидкости, стекло и прозрачные пластмассы (которые имеют жидкоподобную аморфную микроскопическую структуру); монокристаллы, такие как некоторые драгоценные камни или кристаллы соли; и некоторые очень специальные материалы, такие как ткани, из которых состоят роговица и хрусталик глаза. Однако эти материалы могут отражать диффузно, если их поверхность микроскопически шероховатая, как в матовом стекле (рисунок 2), или, конечно, если их однородная структура нарушается, как при катаракте хрусталика глаза. Поверхность также может проявлять как зеркальное, так и диффузное отражение, например, глянцевые краски, используемые в малярных работах, которые дают также долю зеркального отражения, в то время как матовые краски дают почти исключительно диффузное отражение. Большинство материалов могут давать некоторое зеркальное отражение, при условии, что их поверхность может быть отполирована для устранения неровностей, сопоставимых с длиной волны света (долей микрона). В зависимости от материала и шероховатости поверхности отражение может быть преимущественно зеркальным, преимущественно диффузным или занимать промежуточное положение. Некоторые материалы, такие как жидкости и стекла, лишены внутренних подразделений, которые создают механизм подповерхностного рассеяния, описанный выше, и поэтому дают только зеркальное отражение. Среди обычных материалов только отполированные металлы могут отражать свет зеркально с высокой эффективностью, как, например, алюминий или серебро, обычно используемые в зеркалах. Все остальные обычные материалы, даже идеально отполированные, обычно дают не более нескольких процентов зеркального отражения, за исключением особых случаев, таких как отражение под скользящим углом от поверхности озера 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, благодаря суммированию множества подповерхностных отражений.

Diffuse reflection from solids is generally not due to surface roughness. A flat surface is indeed required to give specular reflection, but it does not prevent diffuse reflection. A piece of highly polished white marble remains white; no amount of polishing will turn it into a mirror. Polishing produces some specular reflection, but the remaining light continues to be diffusely reflected. The most general mechanism by which a surface gives diffuse reflection does not involve exactly the surface: most of the light is contributed by scattering centers beneath the surface, as illustrated in Figure 1. If one were to imagine that the figure represents snow, and that the polygons are its (transparent) ice crystallites, an impinging ray is partially reflected (a few percent) by the first particle, enters in it, is again reflected by the interface with the second particle, enters in it, impinges on the third, and so on, generating a series of "primary" scattered rays in random directions, which, in turn, through the same mechanism, generate a large number of "secondary" scattered rays, which generate "tertiary" rays, and so forth. All these rays walk through the snow crystallites, which do not absorb light, until they arrive at the surface and exit in random directions. The result is that the light that was sent out is returned in all directions, so that snow is white despite being made of transparent material (ice crystals). For simplicity, "reflections" are spoken of here, but more generally the interface between the small particles that constitute many materials is irregular on a scale comparable with light wavelength, so diffuse light is generated at each interface, rather than a single reflected ray, but the story can be told the same way. This mechanism is very general, because almost all common materials are made of "small things" held together. Mineral materials are generally polycrystalline: one can describe them as made of a 3D mosaic of small, irregularly shaped defective crystals. Organic materials are usually composed of fibers or cells, with their membranes and their complex internal structure. And each interface, inhomogeneity or imperfection can deviate, reflect or scatter light, reproducing the above mechanism. Few materials do not cause diffuse reflection: among these are metals, which do not allow light to enter; gases, liquids, glass, and transparent plastics (which have a liquid like amorphous microscopic structure); single crystals, such as some gems or a salt crystal; and some very special materials, such as the tissues which make the cornea and the lens of an eye. These materials can reflect diffusely, however, if their surface is microscopically rough, like in a frost glass (Figure 2), or, of course, if their homogeneous structure deteriorates, as in cataracts of the eye lens. A surface may also exhibit both specular and diffuse reflection, as is the case, for example, of glossy paints as used in home painting, which give also a fraction of specular reflection, while matte paints give almost exclusively diffuse reflection. Most materials can give some specular reflection, provided that their surface can be polished to eliminate irregularities comparable with the light wavelength (a fraction of a micrometer). Depending on the material and surface roughness, reflection may be mostly specular, mostly diffuse, or anywhere in between. A few materials, like liquids and glasses, lack the internal subdivisions which produce the subsurface scattering mechanism described above, and so give only specular reflection. Among common materials, only polished metals can reflect light specularly with high efficiency, as in aluminum or silver usually used in mirrors. All other common materials, even when perfectly polished, usually give not more than a few percent specular reflection, except in particular cases, such as grazing angle reflection by a lake, or the total reflection of a glass prism, or when structured in certain complex configurations such as the silvery skin of many fish species or the reflective surface of a dielectric mirror. Diffuse reflection can be highly efficient, as in white materials, due to the summing up of the many subsurface reflections.

Цветные предметы

До этого момента мы говорили о белых объектах, которые не поглощают свет. Но описанная выше схема остаётся справедливой и для поглощающих свет материалов. В этом случае рассеянные лучи будут терять часть длин волн при прохождении через материал и выходить окрашенными. Рассеяние существенно влияет на цвет объектов, поскольку определяет средний путь света в материале и, следовательно, степень поглощения различных длин волн. Красная краска выглядит чёрной, когда находится в бутылке. Её яркий цвет становится заметным только при нанесении на рассеивающий материал (например, бумагу). Это происходит потому, что путь света через волокна бумаги (и через краску) составляет лишь долю миллиметра. Однако свет, проходящий через бутылку, преодолевает несколько сантиметров краски и сильно поглощается, даже в красной области спектра. И когда цветной объект обладает как диффузным, так и зеркальным отражением, обычно окрашенным является только диффузный компонент. Вишня рассеянно отражает красный свет, поглощает все остальные цвета и имеет зеркальное отражение, которое по сути белое (если падающий свет белый). Это довольно общий принцип, поскольку, за исключением металлов, отражательная способность большинства материалов зависит от их показателя преломления, который незначительно изменяется с длиной волны (хотя именно это изменение вызывает хроматическую дисперсию в призме), поэтому все цвета отражаются почти с одинаковой интенсивностью.

Важность для зрения

Подавляющее большинство видимых объектов мы видим главным образом благодаря диффузному отражению от их поверхности. Исключения составляют объекты с полированными (зеркально отражающими) поверхностями и объекты, которые сами излучают свет. Рассеяние Рэлея является причиной синего цвета неба, а рассеяние Ми – белого цвета капель воды в облаках.

Взаимное отражение

Диффузное межповерхностное отражение – это процесс, при котором свет, отраженный от объекта, попадает на другие объекты в окружающем пространстве, освещая их. Диффузное межповерхностное отражение описывает свет, отраженный от матовых, неблестящих и незеркальных поверхностей. В практическом смысле это означает, что свет отражается от неблестящих поверхностей, таких как земля, стены или ткань, и достигает областей, не находящихся в прямом поле зрения источника света. Если отражающая поверхность имеет цвет, то и отраженный свет будет окрашен, что приводит к аналогичному окрашиванию окружающих объектов. В 3D-компьютерной графике диффузное межповерхностное отражение является важным компонентом глобального освещения. Существует несколько способов моделирования диффузного межповерхностного отражения при рендеринге сцены. Радиосити и фотонная трассировка – два часто используемых метода.

Спектроскопия

Спектроскопия диффузного отражения может быть использована для определения спектров поглощения порошкообразных образцов в случаях, когда спектроскопия пропускания невозможна. Это применимо к УФ-видимой и ближней инфракрасной спектроскопии, а также к среднеинфракрасной спектроскопии.