Odraz (optický)

K odrazu optické prostředky jevy, ke kterému dochází, když je výskyt světlo na materiál. Část světla, která není absorbována ani propouštěna, se odráží. Právě tento jev vysvětluje, proč vidíme objekt osvětlený zdrojem (například sluncem nebo lampou ): světlo vyzařované zdrojem se odráží na objektu a přichází k našemu oku.

Zrcadlový odraz světla
Úvahy o budově na Avenue Paulista v São Paulu.
Odraz na hladině jezera Stappitz ve Vysokých Taurech v Rakousku.

Tento jev byl popsán v oblasti geometrické optiky , fyzikální optiky a kvantové optiky . Odraz světla závisí do značné míry na vlastnostech světla, jako je jeho vlnová délka nebo intenzita , a na vlastnostech propagačního média a média, na které paprsek přichází.

Optický odraz je fyzický odraz popsaný jako změna směru šíření světelné vlny, která po odrazu zůstává v počátečním médiu šíření.

Existují dva typy odrazu světla: zrcadlový nebo rozptýlený, v závislosti na povaze materiálu a rozhraní. Geometrické zákony odrazu platí pouze pro zrcadlový odraz; k řešení difúzní reflexe je třeba použít složitější modely.

Většina situací představuje kombinaci rozptýleného a zrcadlového odrazu, přičemž dominantní je obvykle rozptýlený odraz. Existuje několik vzácných případů zrcadlového odrazu v přírodě (hlavně odraz v klidné, čisté vodě), ale většina technologických aplikací optiky usiluje o zrcadlový odraz.

Difúzní odraz

Odraz se říká, že je rozptýlený, když se světlo odráží ve velkém počtu směrů a energie dopadajícího paprsku se redistribuuje do mnoha odražených paprsků. Je to tento jev, který umožňuje vidění osvětleného objektu (zrcadlový odraz umožňuje vidět obraz zdroje, ale nikoli samotného odrážejícího objektu). Tato difúze vysvětluje, proč sníh , mléko , zředěný pastis - jeho žlutá barva pochází z barviva, karamelu - a mraky jsou v podstatě bílé: odrážejí bílé sluneční světlo.

Tato difúze umožňuje vytvořit nejjednodušším možným způsobem ortotropní světelný zdroj . To je případ jednoduché kinosály, jejíž povrch je obroubený, ale také z tohoto důvodu se obvykle používají matné dekory a herci jsou na jejich natáčení nalíčení (pudrované tváře).

K difúznímu odrazu dochází u většiny materiálů, ať už je povrch leštěný nebo ne. Vezměte si příklad z bílého mramoru nebo sněhu ; jsou to polykrystalické průhledné materiály. Světlo se odráží na rozhraních, to znamená na hranicích zrn , jejichž orientace je distribuována náhodně. Drtivá většina materiálů vytváří spíše difúzní než zrcadlový odraz: minerály a keramika jsou polykrystalické, kapaliny obsahují částice v suspenzi ( zákal ), rostliny a zvířata jsou tvořeny molekulárními řetězci s náhodnou distribucí. Materiály, které nepředstavují žádný (nebo jen malý) vnitřní difúzní odraz, jsou:

jsou jednotlivé krystaly ;
kov , který neumožňuje na světlo;
že amorfní materiály : plyny, kapaliny, aniž by částice, brýlí , a některých transparentních polymerů.

Na takových materiálech se odraz stane difuzním, pokud je povrch drsný.

Leštěný povrch je nezbytnou podmínkou pro zrcadlový odraz; ale většina materiálů se rozptyluje i při leštěném povrchu.

„Ideální“ difúzní odraz nastane, když je jas stejný ve všech směrech poloprostoru vymezeného povrchem. Tato situace, odpovídající ideálně matnému materiálu, se nazývá „ Lambertovská reflexe “.

Kromě toho, že přirozený odraz je hlavně rozptýlený, můžeme záměrně usilovat o vytvoření rozptýleného odrazu:

pro snímání obrázků:
- mít „měkký“ světelný zdroj, tj. vytvářet spíše progresivní stíny než ostré kontrasty, používá se nepřímé osvětlení: světelný zdroj (slunce nebo projektor) se odráží rozptýleně na plátno,
- jak již bylo zmíněno výše, umělé sady jsou často vybírány mat a herci jsou složeni;
pro projekci obrazů: ve velké místnosti musí být obraz viditelný pro všechny diváky, a tedy z mnoha úhlů pohledu; jak již bylo zmíněno výše, projekční plátno je zesíleno, aby zajistilo difúzní odraz;
pro viditelnost:
- zlepšit viditelnost: v případě zrcadlového odrazu se světlo ze zdroje odráží v daném směru, osvětlený objekt je proto viditelný pouze pro pozorovatele umístěného v tomto směru, a proto pro osobu manipulující s projektorem zřídka; na druhé straně bude objekt způsobující difúzní odraz viditelný z mnoha úhlů; toto by nemělo být zaměňováno s pojmem reflektor , který používá několik zrcadlových odrazů k odrážení světla zpět ke zdroji, čímž je objekt velmi dobře viditelný pro pozorovatele manipulujícího s projektorem,
- ke snížení viditelnosti ( maskování ): přírodní předměty rozptýlené rozptýleným způsobem, objekt, který má být maskovaný, nebo oděv osoby, která má být maskována, musí dodržovat stejný princip a je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, aby nedošlo k úlomkům způsobeným kovovými povrchy a leštěné sklo (viz článek FFOMECBLOT ).

Zrcadlový odraz

Odraz se říká, že je zrcadlový, když dopadající paprsek vede k jedinému odraženému paprsku. V ideálním případě se energie dopadajícího paprsku nachází úplně v odraženém paprsku, v praxi může být část energie absorbována, rozptýlena nebo lomena na úrovni rozhraní.

Jak již bylo uvedeno výše, tento typ odrazu může tedy probíhat pouze u určitých materiálů, které zajišťují, že světlo se odráží pouze od povrchu a nepřichází zevnitř objektu:

dokonale neprůhledné materiály: kovy;
dokonale průhledné, průzračné materiály: brýle, průhledné plasty, průhledné kapaliny.

Kromě toho kvalita odrazu závisí na kvalitě rozhraní. Jakmile je velikost defektů rozhraní menší nebo řádově vyšší než vlnová délka , rozhraní má tendenci se dokonale odrážet. To je důvod, proč povrch surového kovu, který silně difunduje, se při leštění stává dokonale odrazivým (je obroušen, dokud velikost defektů není srovnatelná s vlnovou délkou světla).

Tento typ odrazu je proto v přírodě vzácný; je to v podstatě odraz klidné vody. Na druhé straně je to technologicky zajímavé, protože je základem konceptu zrcadla, a proto umožňuje pozorování objektu mimo zorné pole ( zpětné zrcátko, zubní zrcátko, zrcadlo kontroly), zaostřování ( dalekohled , lucerna projektoru ), kolimace ( projektor , světlomet ), vychylování paprsku (např. u interferometrů , pro holografii , pro vedení vln ).

Pokud zkonstruujeme zrcadlo pro viditelné světlo, velikost defektů by neměla překročit několik stovek nanometrů, řádově 0,5 µm , viditelné spektrum v rozmezí od 380 do 720 nm . U rádiových vln nebo radarových vln mohou být tyto defekty řádově několik centimetrů, místo konstrukce zrcadel s jednotným kovovým povrchem lze uspokojit hrubší povrch typu „ok“.

Média považovaná za modelovaná zrcadlovým odrazem se řídí Fresnelovými zákony odrazu . Nechť je vlna šířící se v médiu a dosahující rozhraní s médiem . Voláním normalizované odrazivosti pro část elektrické příčné polarizované vlny a pro část magnetické příčné polarizované vlny máme: $1$ $2$ $r _ {{TE}}$ $r _ {{TM}}$

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

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

Druhý vzorec umožňuje zejména zjistit hodnotu Brewsterova úhlu .

V geometrické optice

V geometrické optice se uvažuje pouze zrcadlový odraz; řídí se zákony Snella-Descarta . Světelný paprsek se říká, že dopadá, než narazí na odrazný povrch, říká se, že se odráží později. Bod setkání dopadajícího paprsku a odrazné plochy se nazývá bod dopadu . Rovina obsahující dopadající paprsek a kolmice na odrazný povrch v bodě dopadu se nazývá rovina dopadu .

Úhel dopadu i mezi normálem a bodem dopadu a dopadajícím paprskem se nazývá úhel dopadu . Úhel odrazu nazýváme orientovaný úhel r mezi normálkou a bodem dopadu a odraženým paprskem.

Pomocí těchto definic je zákon reflexe stanoven následovně:

dopadající paprsek a odražený paprsek jsou v rovině dopadu;
i = r .

Ve fyzikální optice

Ve fyzikální optice je každý bod dioptrie považován za zdroj sférické vlny. Právě interference vln z různých zdrojů vytváří fenomén odrazu: interference je konstruktivní pouze v daném směru.

V kvantové optice

Vlnovod

Vlna, jejíž frekvence je řádově několik megahertzů, se může odrážet na jedné z ionizovaných vrstev horní atmosféry .

Poznámky a odkazy

(in) P. Hanrahan a W. Krueger , „ Odraz od vrstveného povrchu v důsledku rozptylu podpovrchového povrchu “ , SIGGRAPH '93 Proceedings , JT Kajiya, sv. 27,1993, str. 165–174. ( číst online )
(en) HW Jensen et al. , „ Praktický model pro podpovrchové lehkou dopravu “ , Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001 ,2001, str. 511–518 ( číst online )
Johann Heinrich Lambert , Photometria , Augsburg, Klett,1760( číst online )