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拡散反射とは、表面からの光やその他の波や粒子の反射であり、表面に入射する光線は、鏡面反射の場合のように 1 つの角度だけではなく、多くの角度で散乱されます。理想的な拡散反射面は、ランバート反射を示すと言われており、これは、表面に隣接する半空間にあるすべての方向から見たときに輝度が等しいことを意味します。
石膏などの非吸収性粉末、紙などの繊維、または白大理石などの多結晶材料で作られた表面は、非常に効率的に光を拡散反射します。多くの一般的な材料は、鏡面反射と拡散反射が混在しています。
発光するものを除く物体の可視性は、主に光の拡散反射によって生じます。つまり、観察者の目に物体の像を形成するのは拡散散乱した光です。
機構
固体からの拡散反射は、一般的に表面の粗さによるものではありません。鏡面反射を得るには確かに表面が平らである必要がありますが、拡散反射を防ぐことはできません。磨き上げた白い大理石は白のままです。どれだけ磨いても鏡にはなりません。磨くといくらか鏡面反射が生じますが、残りの光は拡散反射し続けます。
表面が拡散反射を起こす最も一般的なメカニズムは、表面そのものに関係するものではありません。光のほとんどは、図 1 に示すように、表面の下の散乱中心によって発生します[ 2 ] [3]。図が雪を表し、多角形が雪の (透明な) 氷結晶であると想像すると、入射光線は最初の粒子によって部分的に (数パーセント) 反射され、最初の粒子に入り、2 番目の粒子との界面で再び反射され、2 番目の粒子に入り、3 番目の粒子に衝突する、というように、一連の「一次」散乱光線がランダムな方向に生成されます。この散乱光線は、同じメカニズムによって、多数の「二次」散乱光線を生成し、これが「三次」散乱光線を生成する、というように続きます[4] 。これらの光線はすべて、光を吸収しない雪の結晶を通過し、表面に到達してランダムな方向に出ていきます。[5]その結果、放出された光はあらゆる方向に返されるため、雪は透明な物質（氷の結晶）でできているにもかかわらず白く見えるのです。
ここでは簡単にするために「反射」について説明していますが、より一般的には、多くの材料を構成する小さな粒子間の界面は光の波長に匹敵するスケールで不規則であるため、各界面で単一の反射光線ではなく拡散光が生成されますが、同じ方法で説明できます。
このメカニズムは非常に一般的です。なぜなら、ほとんどすべての一般的な材料は「小さなもの」が集まってできているからです。鉱物材料は一般的に多結晶です。つまり、不規則な形の小さな欠陥のある結晶の 3D モザイクでできていると言えます。有機材料は通常、繊維または細胞で構成され、膜と複雑な内部構造を持っています。そして、それぞれの界面、不均一性、または欠陥は、光を逸らしたり、反射したり、散乱させたりして、上記のメカニズムを再現します。
拡散反射を起こさない物質はほとんどありません。これらの物質には、光の進入を許さない金属、気体、液体、ガラス、透明プラスチック（液体のような非晶質の微細構造を持つ）、一部の宝石や塩の結晶などの単結晶、角膜や目の水晶体を作る組織などの非常に特殊な物質などがあります。ただし、これらの物質は、表面が微視的に粗い場合（曇りガラス（図 2）など）や、もちろん、目の水晶体の白内障のように均質な構造が劣化している場合は、拡散反射することがあります。
表面は鏡面反射と拡散反射の両方を示す場合もあります。たとえば、家の塗装に使用される光沢のある 塗料では鏡面反射も少し見られますが、マットな塗料では拡散反射がほぼ独占されます。
ほとんどの材料は、表面を研磨して光の波長 (マイクロメートルの何分の 1) に相当する凹凸をなくすことができれば、ある程度の鏡面反射を生じます。材料と表面の粗さに応じて、反射は主に鏡面反射、主に拡散反射、またはその中間になります。液体やガラスなどのいくつかの材料は、上記の表面下散乱メカニズムを生成する内部の細分化を欠いているため、鏡面反射のみになります。一般的な材料の中では、鏡によく使用されるアルミニウムや銀のように、研磨された金属だけが光を高効率で鏡面反射できます。他のすべての一般的な材料は、完璧に研磨されていても、湖の斜角反射やガラス プリズムの全反射などの特別な場合、または多くの魚種の銀色の皮膚や誘電体ミラーの反射面などの特定の複雑な構成になっている場合を除き、通常は数パーセントを超える鏡面反射を生じません。拡散反射は、多くの表面下反射を合計することで、白色材料のように非常に効率的になることがあります。
色付きのオブジェクト
ここまでは、光を吸収しない白い物体について説明してきました。しかし、上記の図式は、物質が吸収性である場合にも有効です。この場合、拡散光線は物質内を通過する間に一部の波長を失い、色付きで現れます。
拡散は物質内の光の平均経路を決定し、したがってさまざまな波長がどの程度吸収されるかを決定するため、物体の色に重大な影響を与えます。[6]赤インクはボトルの中に入っているときは黒く見えます。その鮮やかな色は散乱物質（紙など）の上に置かれたときにのみ認識されます。これは、紙の繊維（およびインク）を通る光の経路がわずか数ミリメートルの長さであるためです。しかし、ボトルからの光は数センチメートルのインクを通過し、赤色の波長でさえも大幅に吸収されています。
また、色のついた物体が拡散反射と鏡面反射の両方を持つ場合、通常は拡散成分のみが色付きます。サクランボは赤い光を拡散反射し、他のすべての色を吸収し、鏡面反射は基本的に白色です (入射光が白色光の場合)。これは非常に一般的なことです。金属を除いて、ほとんどの材料の反射率は屈折率に依存し、屈折率は波長によってほとんど変化しないため (ただし、この変化がプリズムの色分散を引き起こします)、すべての色がほぼ同じ強度で反射されるからです。
ビジョンの重要性
目に見える物体のほとんどは、主にその表面からの拡散反射によって見られます。[7] [8] 例外として、磨かれた（鏡面反射する）表面を持つ物体や、物体自体が光を発する物体があります。レイリー散乱は空の青色の原因であり、ミー散乱は雲の中の水滴の白色の原因です。
相互反射
拡散相互反射とは、物体から反射した光が周囲の他の物体に当たり、それらを照らすプロセスです。拡散相互反射は、特に光沢や鏡面反射のない物体から反射した光を指します。現実世界では、光が地面、壁、布地などの光沢のない表面から反射され、光源が直接見えない領域に到達することを意味します。拡散表面が色付きの場合、反射光も色付きになり、周囲の物体も同様の色になります。
3D コンピュータ グラフィックスでは、拡散相互反射はグローバル イルミネーションの重要な要素です。シーンをレンダリングするときに拡散相互反射をモデル化する方法はたくさんあります。ラジオシティとフォトン マッピングは、よく使用される 2 つの方法です。
分光法
拡散反射分光法は、透過分光法が不可能な場合に粉末サンプルの吸収スペクトルを決定するために使用できます。これは、UV-Vis-NIR分光法または中赤外分光法に適用されます。[9] [10]
参照
参考文献
- ^ スコット・M・ジャッズ（1988年）。光電センサと制御：選択と応用。CRC Press。p. 29。ISBN 978-0-8247-7886-62018年1月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ P.Hanrahan および W.Krueger (1993)、「表面下散乱による層状表面からの反射」、SIGGRAPH '93 Proceedings、JT Kajiya 編、vol. 27、pp. 165–174。2010-07-27 にWayback Machineでアーカイブ。
- ^ HWJensen et al. (2001)、地下光輸送の実用モデル、『ACM SIGGRAPH 2001 の議事録』、pp. 511–518 2010-07-27 にWayback Machineでアーカイブ
- ^ 図には一次光線と二次光線のみが示されています。
- ^ あるいは、物体が薄い場合は、反対側の表面から出射し、拡散透過光を与えることができます。
- ^ Paul Kubelka、Franz Munk (1931)、Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche、Zeits. f.技術。 Physik、12、593–601、「The Kubelka-Munk Theory of Reflectance」を参照。2011 年 7 月 17 日にウェイバック マシンにアーカイブされました。
- ^ Kerker, M. (1969).光の散乱. ニューヨーク: アカデミック.
- ^ Mandelstam, LI (1926). 「不均質媒体による光散乱」Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova . 58 : 381.
- ^ Fuller, Michael P.; Griffiths, Peter R. (1978). 「赤外線フーリエ変換分光法による拡散反射率測定」.分析化学. 50 (13): 1906–1910. doi :10.1021/ac50035a045. ISSN 0003-2700.
- ^ Kortüm, Gustav (1969).反射分光法の原理、方法、応用. ベルリン: Springer. ISBN 9783642880711. OCLC 714802320.