Reflectie (optica)

De reflecție mijloace optice un fenomen care apare atunci când incidența luminii pe un material. Se spune că partea de lumină care nu este nici absorbită, nici transmisă nu este reflectată. Acest fenomen explică de ce vedem un obiect luminat de o sursă (de exemplu soarele sau o lampă ): lumina emisă de sursă se reflectă asupra obiectului și vine spre ochiul nostru.

Reflexia speculară a luminii
Reflecție asupra unei clădiri din Avenue Paulista , São Paulo.
Reflecție pe suprafața lacului Stappitz din Hohe Tauern , Austria.

Acest fenomen a fost descris în domeniul opticii geometrice , opticii fizice și opticii cuantice . Reflecția luminii depinde în mare măsură de proprietățile luminii, cum ar fi lungimea de undă sau intensitatea acesteia , și de proprietățile mediului de propagare și ale mediului pe care ajunge fasciculul.

Reflecția optică este o reflecție fizică descrisă ca schimbarea direcției de propagare a unei unde de lumină care, după reflecție, rămâne în mediul de propagare inițial.

Există două tipuri de reflexie a luminii: speculară sau difuză, în funcție de natura materialului și de interfață. Legile geometrice ale reflexiei se aplică numai reflexiei speculare; este necesar să apelăm la modele mai complexe pentru a face față reflecției difuze.

Cele mai multe situații prezintă o combinație de reflecție difuză și reflexie speculară, reflectarea difuză fiind în general cea dominantă. Există câteva cazuri rare de reflecție speculară în natură (în principal reflectare în apă calmă și limpede), dar majoritatea aplicațiilor tehnologice ale opticii caută să aibă reflexie speculară.

Reflecție difuză

Reflecția se spune că este difuză atunci când lumina este reflectată într-un număr mare de direcții și energia razei incidente este redistribuită într-o multitudine de raze reflectate. Acest fenomen permite viziunea unui obiect iluminat (reflexia speculară face posibilă vizualizarea unei imagini a sursei, dar nu și a obiectului reflectant în sine). Această difuzie explică de ce zăpada , laptele , pastisul diluat - culoarea sa galbenă provine dintr-un colorant, caramel - și norii sunt în esență albi: reflectă lumina soarelui albă.

Această difuzie face posibilă crearea, în cel mai simplu mod posibil, a unei surse de lumină ortotropă . Acesta este cazul cu un ecran de cinema simplu, a cărui suprafață este mărgelată, dar tot din acest motiv sunt utilizate în general decoruri mate și că actorii sunt alcătuite (fețe pudrate) pentru a le filma.

Reflecția difuză are loc în majoritatea materialelor, indiferent dacă suprafața este lustruită sau nu. Luați exemplul de marmură albă sau zăpadă ; sunt materiale transparente policristaline. Lumina se reflectă pe interfețe, adică pe limitele granulelor , a căror orientare este distribuită aleatoriu. Marea majoritate a materialelor creează o reflecție difuză mai degrabă decât speculară: mineralele și ceramica sunt policristaline, lichidele conțin particule în suspensie ( turbiditate ), plantele și animalele sunt alcătuite din lanțuri moleculare cu distribuție aleatorie. Materialele care nu prezintă (sau puțin) reflecție difuză intrinsecă sunt:

a monocristalelor ;
metalul , care nu lasă în lumină;
a materialelor amorfe : gaz, lichid , fără particule, ochelari și unor polimeri transparenți.

Pe astfel de materiale, reflexia devine difuză dacă suprafața este rugoasă.

O suprafață lustruită este o condiție necesară pentru a avea reflexie speculară; dar majoritatea materialelor difuze reflectă chiar și cu o suprafață lustruită.

Reflecția difuză „ideală” apare atunci când luminanța este aceeași în toate direcțiile jumătății de spațiu delimitate de suprafață. Această situație, corespunzătoare unui material ideal mat, se numește „ reflecție lambertiană ”.

Pe lângă faptul că reflexia naturală este în principal difuză, putem căuta în mod deliberat să creăm o reflecție difuză:

pentru captarea imaginii:
- pentru a avea o sursă de lumină „moale”, adică crearea de umbre progresive mai degrabă decât contraste clare, se utilizează iluminarea indirectă: sursa de lumină (soare sau proiector) este reflectată într-o manieră difuză de un ecran,
- așa cum s-a menționat mai sus, seturile artificiale sunt adesea alese mat, iar actorii sunt alcătuiți;
pentru proiecția imaginilor: într-o cameră mare, imaginea trebuie să fie vizibilă pentru toți spectatorii și, prin urmare, din multe unghiuri de vedere; așa cum am menționat mai sus, ecranul de proiecție este cu margele pentru a asigura o reflexie difuză;
pentru vizibilitate:
- pentru a spori vizibilitatea: în cazul unei reflexii speculare, lumina de la sursă este reflectată într-o direcție dată, obiectul luminat este, prin urmare, vizibil numai pentru un observator situat în acea direcție și, prin urmare, rar pentru persoana care manipulează proiectorul; pe de altă parte, un obiect care provoacă reflexie difuză va fi vizibil din multe unghiuri; acest lucru nu trebuie confundat cu noțiunea de reflector , care folosește mai multe reflexii speculare pentru a reflecta lumina înapoi la sursă, făcând astfel obiectul foarte vizibil pentru observatorul care manipulează proiectorul,
- pentru a reduce vizibilitatea ( camuflajul ): obiectele naturale care se reflectă într-o manieră difuză, obiectul care trebuie camuflat sau îmbrăcămintea persoanei care trebuie camuflată trebuie să urmeze același principiu și se acordă o atenție deosebită evitării așchilor cauzate de suprafețele metalice sticlă lustruită (vezi articolul FFOMECBLOT ).

Reflecție speculară

Reflecția se spune că este speculară atunci când raza incidentă dă naștere unei singure raze reflectate. În mod ideal, energia razei incidente se găsește complet în raza reflectată, în practică o parte din energie poate fi absorbită, difuzată sau refractată la nivelul interfeței.

Așa cum s-a menționat anterior, acest tip de reflecție poate avea loc deci numai cu anumite materiale care asigură faptul că lumina este reflectată doar de suprafață și nu provine din interiorul obiectului:

materiale perfect opace: metale;
materiale perfect transparente, limpezi: pahare, materiale plastice transparente, lichide transparente.

În plus, calitatea reflexiei depinde de calitatea interfeței. De îndată ce dimensiunea defectelor interfeței este mai mică sau de ordinul de mărime al lungimii de undă , interfața tinde să devină perfect reflexivă. Acesta este motivul pentru care o suprafață de metal brut care difuzează puternic devine perfect reflectantă atunci când este lustruită (este abrazată până când dimensiunea defectelor este comparabilă cu lungimea de undă a luminii).

Prin urmare, acest tip de reflecție este rar în natură; este în esență o reflectare a apei calme. Pe de altă parte, are un interes tehnologic capital, deoarece se află la baza conceptului de oglindă și, prin urmare, permite observarea unui obiect în afara câmpului vizual ( oglinda retrovizoare, oglinda dentistului, oglinda). , focalizare ( telescop , felinar cu proiector de cinema ), colimare ( proiector , far ), devierea fasciculului (de exemplu, în interferometre , pentru holografie , pentru ghidarea undelor ).

Dacă construim o oglindă pentru lumină vizibilă, dimensiunea defectelor nu trebuie să depășească câteva sute de nanometri, de ordinul a 0,5 µm , spectrul vizibil variind de la 380 la 720 nm . Pentru undele radio sau undele radar, aceste defecte pot fi de ordinul câtorva centimetri, în loc să construiască oglinzi cu o suprafață metalică uniformă, se poate satisface cu o suprafață mai grosieră de tipul „mesh”.

Mass-media considerată modelată de reflecția speculară urmează legile de reflecție ale lui Fresnel . Luați în considerare o undă care se propagă într-un mediu și ajunge la interfață cu un mediu . Apelând factorul de reflecție normalizat pentru partea undei polarizate transversale electrice și cea a părții undei polarizate magnetice transversale, avem: $1$ $2$ $r _ {{TE}}$ $r _ {{TM}}$

$r _ {{TE}} = {\ frac {n _ {{1}} \ cos (\ theta _ {{1}}) - n _ {{2}} \ cos (\ theta _ {{2}} )} {n _ {{1}} \ cos (\ theta _ {{1}}) + n _ {{2}} \ cos (\ theta _ {{2}})}}$

$r _ {{TM}} = {\ frac {n _ {{2}} \ cos (\ theta _ {{1}}) - n _ {{1}} \ cos (\ theta _ {{2}} )} {n _ {{2}} \ cos (\ theta _ {{1}}) + n _ {{1}} \ cos (\ theta _ {{2}})}}$

A doua formulă face posibilă în special găsirea valorii unghiului Brewster .

În optica geometrică

În optica geometrică , se are în vedere doar reflexia speculară; respectă legile lui Snell-Descartes . Se spune că raza de lumină este incidentă înainte de a întâlni suprafața reflectantă, se spune că se reflectă ulterior. Punctul de întâlnire al razei incidente și suprafața reflectorizantă se numește punctul de incidență . Planul care conține raza incidentă și normalul la suprafața reflectantă la punctul de incidență se numește plan de incidență .

Unghiul de incidență i luate între normala la punctul de incidență și raza de incident este numit unghi de incidență . Unghiul de reflexie îl numim unghiul orientat r luat între normal până la punctul de incidență și raza reflectată.

Folosind aceste definiții, legea reflecției este enunțată după cum urmează:

raza incidentă și raza reflectată se află în planul incidenței;
i = r .

În optica fizică

În optica fizică, fiecare punct al unei dioptrii este considerat ca o sursă a unei unde sferice. Interferența undelor din diferite surse este cea care creează fenomenul de reflexie: interferența este doar constructivă într-o direcție dată.

În optica cuantică

Ghid de undă

O undă a cărei frecvență este de ordinul câtorva megahertz poate fi reflectată pe unul dintre straturile ionizate ale atmosferei superioare .

Note și referințe

(în) P. Hanrahan și W. Krueger , „ Reflection from layered surface due to the subsurface scattering ” , SIGGRAPH '93 Proceedings , JT Kajiya, vol. 27,1993, p. 165–174. ( citește online )
(ro) HW Jensen și colab. , „ Un model practic pentru transportul ușor subteran ” , Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001 ,2001, p. 511–518 ( citește online )
Johann Heinrich Lambert , Photometria , Augsburg, Klett,1760( citește online )