Отражение света от поверхностей

Индикатрисса отражения

Давайте вспомним, что разные поверхности по-разному отражают падающий на них свет. Именно это обстоятельство и определяет знакомый «по жизни» закон — при одинаковом внешнем освещении одни предметы кажутся нам ярче других. Иными словами, чем эффективнее предмет отражает световой поток, падающий на него, тем его яркость выше.

Для оценки степени отражения светового потока от поверхностей оптическая наука использует коэффициент отражения (ρ). Этот коэффициент определяется из соотношения:

ρ  = Φ out/  Φ in

где Φ out — отраженный от поверхности световой поток; Φ in  — падающий на поверхность световой поток. Если поверхность не является самостоятельным источником световых волн, коэффициент отражения никогда не превысит единицу. Для примера в таблице приведены коэффициенты отражения наиболее часто встречающихся в повседневной жизни поверхностей. Следует отметить, что чем лучше поверхность отражает свет, тем светлее будет казаться она для глаза.

Коэффициенты отражения различных поверхностей

Поверхность Коэффициент отражения
Свежевыпавший снег Близко к 1,0
Оштукатуренная стена 0,8
Покрытая матовым кафелем стена 0,7
Отделка березовой доской 0,6
Отделка светлой дубовой доской 0,4
Бетонная стена 0,3
Стена из красного кирпича 0,2
Стена из стеклоблоков 0,1

Теперь давайте задумаемся: приведенные в таблице поверхности имеют преимущественно матовый (незеркальный) характер, равномерно отражающий световой поток вне зависимости от положения глаза наблюдателя. Такое отражение называется в оптике диффузным (рассеянным). Замечательное свойство диффузных поверхностей состоит в том, что для них связь между освещенностью и яркостью определяется простейшей формулой:

L = ( ρ /π )E

Совершенно по-другому ведет себя в отношении отражения световой волны зеркальная поверхность. Попробуйте взглянуть на зеркало под разными углами зрения, и вы увидите, например, такую последовательность: сначала — темную дверцу шкафа, потом светлые обои, в какой-то момент «всплывет» яркий свет электрической лампы… Яркость зеркальной поверхности постоянно меняется, причем она зависит от яркости отражающихся в ней источников света. Естественно, зеркальная поверхность имеет коэффициент отражения, поэтому ее яркость определяется по формуле

L = ρ Lin 

где Lin — яркость источника света.

Для зеркальных поверхностей действует важный оптический закон: угол падения световой волны на зеркальную поверхность равен углу ее отражения.

Часто встречаемся мы так же и с направленно-рассеянным типом отражения. Этот тип отражения можно считать в некоторой степени средним (промежуточным) между диффузным и зеркальным типами. Направленно-рассеянная поверхность имеет шероховато-зеркальную поверхность, из-за чего в ней могут отражаться источники света, но отражение это получается размытым, без четких границ и углов отражения. Типичный пример поверхности направленно-рассеянного типа — типографская бумага «глянцевых» журналов.

Последний тип поверхности — смешанный. Такая поверхность в определенных условиях имеет чисто диффузный характер отражения, но в какой-то момент сможет отразить световую волну как зеркальная. Пример такой поверхности: белая бумага под тонким прозрачным стеклом.

Теперь понятно, что коэффициент отражения многих поверхностей может меняться в зависимости от угла зрения, и его уже не задать так, как это сделано в таблице. Но для поверхностей, тип отражения которых отличен от диффузного, можно построить индикатрису отражения. Эта линия показывает угловое распределение коэффициента отражения и является очень важной характеристикой в процессе выбора материалов для оформления помещений.

И, наконец, зададимся таким вопросом: куда девается та часть светового потока, которой не было позволено отразиться? Закон сохранения энергии ведь никто не отменял! Действительно, часть падающей световой волны поглощается поверхностью и преобразуется, например, в тепло. Часть волны пройдет сквозь материал и продолжит свое движение, но уже не в направлении отражения, а по линии, близкой к линии падения. Свойство поглощения световой волны в физике называется адсорбцией (поглощением), а свойство прохождения сквозь материал — трансмиссией (пропусканием).

Взаимодействие материалов со световой волной в оптике определяется, помимо коэффициента отражения, также и коэффициентом адсорбции (α):

α = Фconv /  Фin

где Фconv — поглощенный поток, а также коэффициентом трансмиссии (τ):

τ  =  Фtr /  Фin

где Фtr — прошедший сквозь материал поток.

Сумма коэффициента отражения, коэффициента адсорбции и коэффициента трансмиссии для любого материала равна единице! Также отметим, что трансмиссия световой волны может иметь диффузный, рассеянный, направленно-рассеянный и смешанный характер.