Reflexión difusa

Reflexión difusa es la reflexión de la luz u otras ondas o partículas desde una superficie de manera que un rayo que incide sobre la superficie se dispersa en muchos ángulos en lugar de solo un ángulo como en el caso de la reflexión especular. reflexión. Se dice que una superficie reflectante difusa ideal exhibe reflexión lambertiana, lo que significa que hay igual luminancia 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 que emiten luz, se debe principalmente a la reflexión difusa de la luz: es la luz difusamente dispersa 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 reflexión especular, pero esto 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 reflejada de manera difusa.

El mecanismo más general por el cual una superficie produce una reflexión difusa no involucra exactamente la superficie: la mayor parte de la luz proviene de 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 incidente es parcialmente reflejado (un pequeño porcentaje) por la primera partícula, entra en ella y nuevamente se refleja en la interfaz con la segunda partícula, entra en ella, incide sobre la tercera, y así sucesivamente, generando una serie de partículas "primarias". rayos dispersos en direcciones aleatorias, que, a su vez, mediante el mismo mecanismo, generan una gran cantidad de rayos "secundarios" rayos dispersos, que generan energía "terciaria" rayos, etc. Todos estos rayos recorren los cristalitos de nieve, que no absorben la luz, hasta llegar a la superficie y salir en direcciones aleatorias. El resultado es que la luz que se envía se devuelve en todas direcciones, de modo que la nieve es blanca a pesar de estar hecha de un material transparente (cristales de hielo).

Para la simplicidad, aquí se hablan "reflexiones", pero más generalmente la interfaz entre las pequeñas partículas que constituyen muchos materiales es irregular en una escala comparable con la longitud de onda ligera, por lo que la luz difusa se genera 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" mantienen unidos. Los materiales minerales son generalmente policristalinos: se pueden describir como hechos de un mosaico tridimensional 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, falta de homogeneidad 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 dejan entrar la luz; gases, líquidos, vidrio y plásticos transparentes (que tienen una estructura microscópica amorfa similar a un líquido); cristales individuales, como algunas gemas o un cristal de sal; y algunos materiales muy especiales, como los tejidos que forman la córnea y el cristalino del ojo. Sin embargo, estos materiales pueden reflejar de forma difusa si su superficie es microscópicamente rugosa, como en un cristal escarchado (Figura 2), o, por supuesto, si su estructura homogénea se deteriora, como en las cataratas del cristalino.

Una superficie también puede presentar reflejos tanto especulares como difusos, como es el caso, por ejemplo, de las pinturas brillantes utilizadas en pintura doméstica, que también dan una fracción de reflejo especular, mientras que las pinturas mate dan casi exclusivamente reflejos difusos.

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 mayoritariamente especular, mayoritariamente 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, dan sólo reflexión especular. Entre los materiales comunes, sólo los metales pulidos pueden reflejar la luz de forma especular con alta eficiencia, como el aluminio o la plata que se utilizan habitualmente en los espejos. Todos los demás materiales comunes, incluso cuando están perfectamente pulidos, normalmente no dan más que un pequeño porcentaje de reflexión especular, excepto en casos particulares, como la reflexión en ángulo rasante de un lago o la reflexión total de un prisma de vidrio., o cuando está estructurado en ciertas configuraciones complejas, 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 subsuperficiales.

Objetos de colores

Hasta este punto se ha hablado de 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 recorrido por el material y emergerán coloreados.

La difusión afecta el color de los objetos de manera sustancial porque determina la trayectoria promedio de la luz en el material y, por lo 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 sólo 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 sólo 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 de color tiene tanto la reflexión difusa como la especulación, por lo general sólo se colorea el componente difuso. Una cereza refleja la luz difusamente roja, absorbe todos los otros colores y tiene un reflejo especular que es esencialmente blanco (si la luz del incidente es luz blanca). Esto es bastante general, porque, excepto los metales, la reflectividad de la mayoría de los materiales depende de su índice refractivo, que varía poco con la longitud de onda (aunque es esta variación que causa la dispersión cromática en un prisma), de modo 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 de su superficie. Las excepciones incluyen objetos con superficies pulidas (reflectantes especularmente) 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

Interreflexión difusa es un proceso mediante el cual la luz reflejada por un objeto incide sobre 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, lo que esto significa es 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 se colorea la superficie difusa, la luz reflejada también se colorea, 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 comúnmente utilizados.

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.