Reflexión difusa - Diffuse reflection
La reflexión difusa es la reflexión de luz u otras ondas o partículas de una superficie de manera que un rayo que incide en la superficie se dispersa en muchos ángulos en lugar de en un solo ángulo como en el caso de la reflexión especular . Se dice que una superficie reflectante difusa ideal exhibe una reflexión lambertiana , lo que significa que hay una luminancia igual cuando se ve desde todas las direcciones que se encuentran en el medio espacio adyacente a la superficie.
Una superficie construida a partir de un polvo no absorbente como el yeso , o de fibras como el papel, o de un material policristalino como el mármol blanco , refleja la luz de forma difusa con gran eficacia. Muchos materiales comunes exhiben una mezcla de reflexión especular y difusa.
La visibilidad de los objetos, excluidos los emisores de luz, se debe principalmente a la reflexión difusa de la luz: es la luz difusa la que forma la imagen del objeto en el ojo del observador.
Mecanismo
La reflexión difusa de los sólidos generalmente no se debe a la rugosidad de la superficie. De hecho, se requiere una superficie plana para dar una reflexión especular, pero no evita la reflexión difusa. Una pieza de mármol blanco muy pulido permanece blanca; ninguna cantidad de pulido lo convertirá en un espejo. El pulido produce cierta reflexión especular, pero la luz restante continúa reflejándose de manera difusa.
El mecanismo más general por el cual una superficie da una reflexión difusa no involucra exactamente la superficie: la mayor parte de la luz es aportada por los centros de dispersión debajo de la superficie, como se ilustra en la Figura 1. Si uno imaginara que la figura representa nieve, y que los polígonos son sus cristalitos de hielo (transparentes), un rayo que incide se refleja parcialmente (un pequeño porcentaje) en la primera partícula, entra en él, se refleja de nuevo en la interfaz con la segunda partícula, entra en él, incide en la tercera, y así sucesivamente, generando una serie de rayos "primarios" dispersos en direcciones aleatorias, que a su vez, por el mismo mecanismo, generan una gran cantidad de rayos "secundarios" dispersos, que generan rayos "terciarios", etc. Todos estos rayos caminan a través de los cristalitos de nieve, que no absorben la luz, hasta que llegan a la superficie y salen en direcciones aleatorias. El resultado es que la luz que se envió se devuelve en todas las direcciones, por lo que la nieve es blanca a pesar de estar hecha de material transparente (cristales de hielo).
Para simplificar, aquí se habla de "reflejos", pero de manera más general, la interfaz entre las partículas pequeñas que constituyen muchos materiales es irregular en una escala comparable con la longitud de onda de la luz, por lo que se genera luz difusa en cada interfaz, en lugar de un solo rayo reflejado. pero la historia se puede contar de la misma manera.
Este mecanismo es muy general, porque casi todos los materiales comunes están hechos de "cosas pequeñas" que se mantienen juntas. Los materiales minerales son generalmente policristalinos : uno puede describirlos como hechos de un mosaico 3D de pequeños cristales defectuosos de forma irregular. Los materiales orgánicos suelen estar compuestos por fibras o células, con sus membranas y su compleja estructura interna. Y cada interfaz, inhomogeneidad o imperfección puede desviar, reflejar o dispersar la luz, reproduciendo el mecanismo anterior.
Pocos materiales no provocan reflexión difusa: entre ellos se encuentran los metales, que no permiten la entrada de luz; gases, líquidos, vidrio y plásticos transparentes (que tienen una estructura microscópica amorfa similar a un líquido ); monocristales , como algunas gemas o un cristal de sal; y algunos materiales muy especiales, como los tejidos que forman la córnea y el cristalino de un ojo. Estos materiales pueden reflejarse de manera difusa, sin embargo, si su superficie es microscópicamente rugosa, como en un vidrio escarchado (Figura 2), o, por supuesto, si su estructura homogénea se deteriora, como en las cataratas del cristalino.
Una superficie también puede exhibir reflejos tanto especulares como difusos, como es el caso, por ejemplo, de las pinturas brillantes como las que se usan en la pintura para el hogar, que también dan una fracción de reflejo especular, mientras que las pinturas mate dan casi exclusivamente un reflejo difuso.
La mayoría de los materiales pueden dar cierta reflexión especular, siempre que su superficie pueda pulirse para eliminar irregularidades comparables con la longitud de onda de la luz (una fracción de un micrómetro). Dependiendo del material y la rugosidad de la superficie, la reflexión puede ser principalmente especular, en su mayoría difusa o en cualquier punto intermedio. Algunos materiales, como líquidos y vidrios, carecen de las subdivisiones internas que producen el mecanismo de dispersión subsuperficial descrito anteriormente y, por lo tanto, solo dan una reflexión especular. Entre los materiales comunes, solo los metales pulidos pueden reflejar la luz de forma especular con alta eficiencia, como en el aluminio o la plata que se utilizan habitualmente en los espejos. Todos los demás materiales comunes, incluso cuando están perfectamente pulidos, generalmente no dan más que un pequeño porcentaje de reflexión especular, excepto en casos particulares, como la reflexión del ángulo rasante por un lago o la reflexión total de un prisma de vidrio, o cuando están estructurados en cierto complejo. configuraciones como la piel plateada de muchas especies de peces o la superficie reflectante de un espejo dieléctrico . La reflexión difusa puede ser muy eficaz, como en los materiales blancos, debido a la suma de las numerosas reflexiones del subsuelo.
Objetos de colores
Hasta este punto se ha hablado de los objetos blancos, que no absorben la luz. Pero el esquema anterior sigue siendo válido en el caso de que el material sea absorbente. En este caso, los rayos difusos perderán algunas longitudes de onda durante su paso por el material y emergerán coloreados.
La difusión afecta el color de los objetos de manera sustancial porque determina la trayectoria media de la luz en el material y, por tanto, en qué medida se absorben las distintas longitudes de onda. La tinta roja se ve negra cuando permanece en su botella. Su color vivo solo se percibe cuando se coloca sobre un material disperso (por ejemplo, papel). Esto se debe a que el camino de la luz a través de las fibras del papel (y a través de la tinta) tiene solo una fracción de milímetro de largo. Sin embargo, la luz de la botella ha atravesado varios centímetros de tinta y ha sido fuertemente absorbida, incluso en sus longitudes de onda rojas.
Y, cuando un objeto coloreado tiene reflexión tanto difusa como especular, normalmente sólo se colorea el componente difuso. Una cereza refleja difusamente la luz roja, absorbe todos los demás colores y tiene un reflejo especular que es esencialmente blanco (si la luz incidente es luz blanca). Esto es bastante general, porque, a excepción de los metales, la reflectividad de la mayoría de los materiales depende de su índice de refracción , que varía poco con la longitud de onda (aunque es esta variación la que provoca la dispersión cromática en un prisma ), por lo que todos los colores se reflejan. casi con la misma intensidad.
Importancia para la visión
La gran mayoría de los objetos visibles se ven principalmente por reflexión difusa desde su superficie. Las excepciones incluyen objetos con superficies pulidas (reflectantes de forma especular) y objetos que emiten luz por sí mismos. La dispersión de Rayleigh es responsable del color azul del cielo y la dispersión de Mie del color blanco de las gotas de agua en las nubes.
Interreflexión
La interreflexión difusa es un proceso mediante el cual la luz reflejada de un objeto golpea otros objetos en el área circundante, iluminándolos. La interreflexión difusa describe específicamente la luz reflejada por objetos que no son brillantes ni especulares . En términos de la vida real, esto significa que la luz se refleja en superficies no brillantes, como el suelo, las paredes o la tela, para llegar a áreas que no están directamente a la vista de una fuente de luz. Si la superficie difusa está coloreada , la luz reflejada también está coloreada, lo que da como resultado una coloración similar de los objetos circundantes.
En los gráficos por computadora en 3D , la interreflexión difusa es un componente importante de la iluminación global . Hay varias formas de modelar la interreflexión difusa al renderizar una escena. La radiosidad y el mapeo de fotones son dos métodos de uso común.
Espectroscopia
La espectroscopia de reflectancia difusa se puede utilizar para determinar los espectros de absorción de muestras en polvo en los casos en que la espectroscopia de transmisión no sea factible. Esto se aplica a la espectroscopia UV-Vis-NIR o la espectroscopia de infrarrojo medio .
Ver también
- Difusor
- Lista de fuentes de luz reflejada
- Modelo de reflectancia de Oren-Nayar
- Reflectividad
- Remisión