Diffuse und spiegelnde Reflexion von einer glänzenden Oberfläche. [ 1 ] Die Strahlen stellen die Lichtstärke dar, die sich für einen idealen diffusen Reflektor gemäß dem Lambertschen Kosinusgesetz ändert.

Diffuse Reflexion bezeichnet die Reflexion von Licht , anderen Wellen oder Teilchen an einer Oberfläche, bei der ein einfallender Strahl in viele Winkel gestreut wird , im Gegensatz zur spiegelnden Reflexion, bei der die Streuung nur in einem Winkel erfolgt . Eine ideal diffus reflektierende Oberfläche weist Lambert'sche Reflexion auf, d. h. die Leuchtdichte ist aus allen Richtungen im angrenzenden Halbraum gleich .

Oberflächen aus nicht absorbierendem Pulver wie Gips , aus Fasern wie Papier oder aus polykristallinem Material wie weißem Marmor reflektieren Licht diffus und sehr effizient. Viele gängige Materialien weisen eine Mischung aus spiegelnder und diffuser Reflexion auf.

Die Sichtbarkeit von Objekten, mit Ausnahme von lichtemittierenden Objekten, wird in erster Linie durch diffuse Lichtreflexion verursacht: Es ist diffus gestreutes Licht, das im Auge des Betrachters über einen weiten Bereich von Winkeln des Betrachters zum Objekt das Bild des Objekts erzeugt.

Mechanismus

Abbildung 1 – Allgemeiner Mechanismus der diffusen Reflexion an einer festen Oberfläche ( Brechungsphänomene nicht dargestellt)
Abbildung 2 – Diffuse Reflexion von einer unregelmäßigen Oberfläche

Diffuse Reflexion an Festkörpern ist im Allgemeinen nicht auf Oberflächenrauheit zurückzuführen. Eine ebene Oberfläche ist zwar für spiegelnde Reflexion erforderlich, verhindert aber nicht die diffuse Reflexion. Ein Stück hochglanzpolierter weißer Marmor bleibt weiß; auch intensives Polieren macht ihn nicht zu einem Spiegel. Durch das Polieren entsteht zwar ein gewisser Anteil an spiegelnder Reflexion, das restliche Licht wird jedoch weiterhin diffus reflektiert.

Der allgemeinste Mechanismus, durch den eine Oberfläche diffuse Reflexion erzeugt, betrifft nicht die Oberfläche selbst : Der größte Teil des Lichts stammt von Streuzentren unterhalb der Oberfläche [ 2 ] [ 3 ] , wie in Abbildung 1 dargestellt. Stellt man sich vor, die Abbildung repräsentiert Schnee und die Polygone dessen (transparente) Eiskristallite, so wird ein einfallender Lichtstrahl vom ersten Partikel teilweise (zu wenigen Prozent) reflektiert, tritt in dieses ein, wird an der Grenzfläche zum zweiten Partikel erneut reflektiert, tritt in dieses ein, trifft auf das dritte usw. Dadurch entstehen zahlreiche „primäre“ Streustrahlen in zufälligen Richtungen, die wiederum durch denselben Mechanismus eine große Anzahl „sekundärer“ Streustrahlen erzeugen, welche wiederum „tertiäre“ Strahlen erzeugen usw. [ 4 ] Alle diese Strahlen durchlaufen die Schneekristallite, die kein Licht absorbieren, bis sie die Oberfläche erreichen und in zufälligen Richtungen austreten. [ 5 ] Das Ergebnis ist, dass das ausgesendete Licht in alle Richtungen zurückgeworfen wird, sodass Schnee weiß ist, obwohl er aus transparentem Material (Eiskristallen) besteht.

Der Einfachheit halber ist hier von „Reflexionen“ die Rede, aber im Allgemeinen ist die Grenzfläche zwischen den kleinen Partikeln, aus denen viele Materialien bestehen, auf einer Skala, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist, unregelmäßig, sodass an jeder Grenzfläche diffuses Licht erzeugt wird und nicht ein einzelner reflektierter Strahl. Die Geschichte kann aber auf die gleiche Weise erzählt werden.

Dieser Mechanismus ist sehr allgemein, da fast alle gängigen Materialien aus zusammengehaltenen „kleinen Teilen“ bestehen. Mineralische Materialien sind in der Regel polykristallin : Man kann sie als dreidimensionales Mosaik aus kleinen, unregelmäßig geformten und fehlerhaften Kristallen beschreiben. Organische Materialien bestehen üblicherweise aus Fasern oder Zellen mit ihren Membranen und ihrer komplexen inneren Struktur. Jede Grenzfläche, Inhomogenität oder Unregelmäßigkeit kann Licht ablenken, reflektieren oder streuen und so den oben beschriebenen Mechanismus reproduzieren.

Nur wenige Materialien verursachen keine diffuse Reflexion: Dazu gehören Metalle, die kein Licht durchlassen; Gase, Flüssigkeiten, Glas und transparente Kunststoffe (die eine flüssigkeitsähnliche, amorphe Mikrostruktur aufweisen); Einkristalle wie einige Edelsteine ​​oder Salzkristalle; und einige sehr spezielle Materialien, wie beispielsweise das Gewebe der Hornhaut und der Augenlinse . Diese Materialien können jedoch diffus reflektieren, wenn ihre Oberfläche mikroskopisch rau ist, wie bei mattiertem Glas (Abbildung 2), oder wenn sich ihre homogene Struktur verschlechtert, wie etwa bei einem Grauen Star (Katarakt) der Augenlinse.

Eine Oberfläche kann auch sowohl spiegelnde als auch diffuse Reflexion aufweisen, wie es beispielsweise bei glänzenden Farben der Fall ist , die beim Streichen von Wohnräumen verwendet werden und die auch einen Teil der spiegelnden Reflexion aufweisen, während matte Farben fast ausschließlich diffuse Reflexion aufweisen.

Die meisten Materialien können eine gewisse spiegelnde Reflexion aufweisen, vorausgesetzt, ihre Oberfläche lässt sich so polieren, dass Unebenheiten im Bereich der Lichtwellenlänge (ein Bruchteil eines Mikrometers) beseitigt werden. Je nach Material und Oberflächenrauheit kann die Reflexion überwiegend spiegelnd, überwiegend diffus oder irgendwo dazwischen liegen. Einige wenige Materialien, wie Flüssigkeiten und Gläser, weisen nicht die inneren Unterteilungen auf, die den oben beschriebenen Streumechanismus unter der Oberfläche erzeugen, und zeigen daher ausschließlich spiegelnde Reflexion. Unter den gängigen Materialien können nur polierte Metalle Licht mit hoher Effizienz spiegelnd reflektieren, wie beispielsweise Aluminium oder Silber, die üblicherweise für Spiegel verwendet werden. Alle anderen gängigen Materialien weisen selbst bei perfekter Politur in der Regel nicht mehr als wenige Prozent spiegelnde Reflexion auf, außer in Sonderfällen wie der streifenden Reflexion an einem See, der Totalreflexion eines Glasprismas oder bei bestimmten komplexen Strukturen, wie der silbrigen Haut vieler Fischarten oder der reflektierenden Oberfläche eines dielektrischen Spiegels . Diffuse Reflexion kann, wie bei weißen Materialien, aufgrund der Überlagerung vieler Reflexionen unter der Oberfläche sehr effizient sein.

Farbige Objekte

Bisher wurden weiße Objekte betrachtet, die kein Licht absorbieren. Das obige Schema bleibt jedoch auch dann gültig, wenn das Material absorbierend ist. In diesem Fall verlieren die gestreuten Strahlen auf ihrem Weg durch das Material einen Teil ihrer Wellenlängen und treten farbig aus.

Die Diffusion beeinflusst die Farbe von Objekten maßgeblich, da sie den mittleren Lichtweg im Material und somit das Ausmaß der Absorption verschiedener Wellenlängen bestimmt. [ 6 ] Rote Tinte erscheint schwarz, solange sie in der Flasche bleibt. Ihre leuchtende Farbe wird erst sichtbar, wenn sie auf ein streuendes Material (z. B. Papier) gelangt. Dies liegt daran, dass der Lichtweg durch die Papierfasern (und die Tinte) nur einen Bruchteil eines Millimeters beträgt. Das Licht aus der Flasche hat jedoch mehrere Zentimeter Tinte durchdrungen und wurde stark absorbiert, selbst im roten Wellenlängenbereich.

Wenn ein farbiges Objekt sowohl diffuse als auch spiegelnde Reflexion aufweist, ist üblicherweise nur die diffuse Komponente farbig. Eine Kirsche reflektiert diffus rotes Licht, absorbiert alle anderen Farben und hat eine spiegelnde Reflexion, die im Wesentlichen weiß ist (wenn das einfallende Licht weißes Licht ist). Dies ist eine allgemeine Regel, denn mit Ausnahme von Metallen hängt das Reflexionsvermögen der meisten Materialien von ihrem Brechungsindex ab , der sich mit der Wellenlänge kaum ändert (obwohl diese Änderung die chromatische Dispersion in einem Prisma verursacht ), sodass alle Farben nahezu mit der gleichen Intensität reflektiert werden.

Bedeutung für das Sehvermögen

Die überwiegende Mehrheit der sichtbaren Objekte wird primär durch diffuse Reflexion an ihrer Oberfläche wahrgenommen. [ 7 ] [ 8 ] Ausnahmen bilden Objekte mit polierten (spiegelreflektierenden) Oberflächen und Objekte, die selbst Licht emittieren. Die Rayleigh-Streuung ist für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich, die Mie-Streuung für die weiße Farbe der Wassertröpfchen in Wolken.

Interreflexion

Diffuse Interreflexion ist ein Prozess, bei dem Licht, das von einem Objekt reflektiert wird, auf andere Objekte in der Umgebung trifft und diese beleuchtet. Diffuse Interreflexion beschreibt insbesondere Licht, das von nicht glänzenden oder spiegelnden Objekten reflektiert wird. Im Alltag bedeutet dies, dass Licht von nicht glänzenden Oberflächen wie dem Boden, Wänden oder Stoffen reflektiert wird und so Bereiche erreicht, die nicht direkt von der Lichtquelle beschienen werden. Ist die diffuse Oberfläche farbig , ist auch das reflektierte Licht farbig, wodurch die umliegenden Objekte eine ähnliche Farbe annehmen.

In der 3D-Computergrafik ist die diffuse Interreflexion ein wichtiger Bestandteil der globalen Beleuchtung . Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die diffuse Interreflexion beim Rendern einer Szene zu modellieren. Radiosity und Photon Mapping sind zwei gängige Methoden.

Spektroskopie

Die diffuse Reflexionsspektroskopie kann zur Bestimmung der Absorptionsspektren von pulverförmigen Proben eingesetzt werden, wenn die Transmissionsspektroskopie nicht durchführbar ist. Dies gilt für die UV-Vis-NIR- Spektroskopie oder die Infrarotspektroskopie . [ 9 ] [ 10 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Scott M. Juds (1988). Fotoelektrische Sensoren und Steuerungen: Auswahl und Anwendung . CRC Press. S. 29. ISBN 978-0-8247-7886-6Archiviert vom Original am 14.01.2018 .
  2. ^ P.Hanrahan und W.Krueger (1993), Reflexion von geschichteten Oberflächen aufgrund von Streuung im Untergrund , in SIGGRAPH '93 Proceedings, JT Kajiya, Hrsg., Bd. 27, S. 165–174. Archiviert am 27.07.2010 in der Wayback Machine .
  3. ^ HWJensen et al. (2001), Ein praktisches Modell für den Lichttransport im Untergrund , in: ' Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001', S. 511–518. Archiviert am 27.07.2010 im Internet Archive.
  4. ^ In der Abbildung sind nur Primär- und Sekundärstrahlen dargestellt.
  5. Oder , wenn das Objekt dünn ist, kann es auf der gegenüberliegenden Seite austreten und so diffuses, durchgelassenes Licht erzeugen.
  6. ↑ Paul Kubelka, Franz Munk (1931), Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche , Zeits. F. Techn. Physik, 12 , 593–601, siehe The Kubelka-Munk Theory of Reflectance, archiviert am 17.07.2011 auf der Wayback Machine
  7. ^ Kerker, M. (1969). Die Streuung des Lichts . New York: Academic.
  8. ^ Mandelstam, LI (1926). „Lichtstreuung an inhomogenen Medien“. Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova . 58 : 381.
  9. ^ Fuller, Michael P.; Griffiths, Peter R. (1978). „Diffuse Reflexionsmessungen mittels Infrarot-Fourier-Transformationsspektrometrie“. Analytical Chemistry . 50 (13): 1906–1910 . doi : 10.1021/ac50035a045 . ISSN 0003-2700 . 
  10. ^ Kortüm, Gustav (1969). Reflexionsspektroskopie: Prinzipien, Methoden, Anwendungen . Berlin: Springer. ISBN 9783642880711OCLC  714802320 .​