Види відбиття та пропускання світла
Систематизуючи розподіл в просторі відбитого та пропущеного поверхнями світлового потоку, відбиття і пропускання можна класифікувати по наступних видах: направлене (дзеркальне), дифузне, направлено-розсіяне і змішане.
Просторовий розподіл відбитого світла визначається структурою поверхні. Відбиття світла металами залежить від їх електропровідності. Високий коефіцієнт відбиття характерний для металів з більшою електропровідністю. При відбитті від діелектриків визначальним є співвідношення показників заломлення діелектрика і середовища, з якого на діелектрик падає світловий потік, а також кут падіння світла. Для непрозорих поверхонь велика частина світу повертається у бік джерела. При цьому повернене світло є сумою випромінювань, що зазнали самі різні ступені вибіркового поглинання зі зміною спектрального складу світла, а значить, і його кольору. Дзеркальне відбиття від полірованих металів зберігає спектральний склад світла і характеризується відсутністю поляризації світла.
Особливістю пропускання є часткове відбиття світлового потоку в місці його падіння. Залежно від матеріалу, що пропускає світловий потік, пропускання може проходити в усьому спектрі довжин хвиль світлового діапазону або вибірково, тобто по колірних зонах спектру, або монохроматично.
Відбиття білого світла збільшується за рахунок покриття поверхонь спеціальними світловідбиваючими складами (сульфатом барію або магнію, гидросульфатом барію або магнію). Для зменшення відбиття чорних тіл і додання ним більшої чорноти їх поверхню покривають шаром речовини з близьким показником заломлення (наприклад, лаком або водою). Гладкість покриття приводить до зменшення поверхнево-відбитої складової, і поверхня здається чорнішою, але при цьому більшою мірою проявляється дзеркальне відбиття і при цьому світло відхиляється убік або проявляється у вигляді відблиску.
Направлене (дзеркальне) відбиття (мал. 11а) характерне для гладких і полірованих поверхонь, нерівності яких малі щодо довжини хвилі падаючого світла.
Мал. 11. Види відбиття: а — направлене; б — дифузне; в — направлено-разсіяне; г — змішане
Дзеркальне відбиття визначається концентрацією світлового потоку в деякому тілесному куті, напрям осі якого визначається законами дзеркального відбиття. Величина і форма тілесного кута в падаючому і відбитому світлових потоках зберігаються. Яскравість дзеркально-відбитого потоку прямо пропорційна яскравості джерела, а коефіцієнт відбиття визначається з виразу:
ρ = Fρ / F = Iρ·ωρ / I·ω = Lρ·ΔSρ / L·ΔS = Lρ / L = Lα / L,
де L – яскравість джерела світла.
Для дзеркального відбиття справедливі три закони: падаючий і відбитий промені знаходяться в одній плоскості з нормаллю в точці падіння; кути падіння і відбиття щодо нормалі рівні; дзеркально-відбите світло, починаючи від зображення джерела світла в дзеркалі, підкоряється закону квадратів відстаней.
Дифузне (розсіяне, рівнояскраве) відбиття (мал. 11б) характерне для матових і шорстких поверхонь з безладними мікронерівностями, розміри яких спільномірні з довжиною хвилі падаючого світла або перевищують її. Дифузне відбиття зумовлює видимість навколишніх тіл, оскільки кожна точка освітленої поверхні відбиває світлові промені на всі боки. За відсутності дифузного відбиття тіла буде не видно (повітря, стекло на просвіт).
Дифузне відбиття характеризується рівномірним відбиттям світла в межах тілесного кута 2π стерадіан, який розташований над відбиваючою поверхнею в напівсфері і не залежить від напряму падаючого світлового потоку. Воно описується законом Ламберта, згідно якому яскравість Lα постійна для будь-якого кута розгляду дифузної поверхні, а сила світла залежно від кута a змінюється за законом косинуса. На мал. 11б розріз напівсфери відбиття рівнояскравого Lα зображено півколом.
Жоден з існуючих об’єктів зйомки не розсіює світло відповідно з законом Ламберта і жоден з них не відбиває всього падаючого на нього світлового потоку. Тим часом у фотометрії широко використовують поняття ідеальний разсювач, маючи на увазі під ним поверхню такого тіла, яке відбиває 100% (ρ = 1) падаючого на нього потоку і розсіює його так, що його яскравість на всіх напрямках виявляється однаковою. Дані властивості ідеального разсіювача не залежать від кута, під яким на нього падає світловий потік. Якщо на поверхні ідеального разсіювача створена освітленість Е (в лк), то його яскравість (в кд/м²) складе: L = E /π .
Значення такого ідеального разсіювача полягає в тому, що з його граничними властивостями зручно порівнювати властивості всіх реальних матеріалів. Зокрема, коефіцієнт відбиття теж можна розглядати як відношення світлового потоку, відбитого від даної поверхні, до світлового потоку, відбитого від поверхні ідеального разсіювача, що знаходиться в тих же умовах освітлення.
Поверхня кожного дифузно-розсіюючого тіла має більш-менш значні відхилення від властивостей ідеального розсіювача, так як яскравості у різних напрямах виявляються різними. Щоб чисельно охарактеризувати величину яскравості поверхні у різних напрямах, використовують коефіцієнт яскравості. Під коефіцієнтом яскравості світлорозсіювальної поверхні розуміється відношення яскравості цієї поверхні в деякому напрямі Lα до яскравості ідеального розсіювача Li, що знаходиться в тих же умовах освітлення. Коефіцієнт яскравості прийнято позначати буквою β:
β = Lα / Li.
Для поверхні, що дифузно-відбиває, коефіцієнт яскравості дорівнює коефіцієнту віддзеркалення, оскільки:
Lα = ρ·E /π , а Li = E /π , то β = (ρ·E /π ) / (E /π ), тобто β = ρ.
Зрозуміло, що коефіцієнт відбиття не може бути більше одиниці через закон збереження енергії. На коефіцієнт яскравості β дане твердження не розповсюджується: в межах обмеженого тілесного кута він може бути скільки завгодно великий без порушення яких-небудь закономірностей, так як збільшення світлового потоку, відбитого в якомусь напрямі, пов'язане зі значним перевищенням одиниці коефіцієнтом яскравості, компенсується його зменшенням в інших напрямах.
Для направлено-розсіяного відбиття характерна концентрація відбитого потоку в тілесному куті, відмінного по величині від тілесного кута, в якому розповсюджується падаючий потік, причому напрям осі тілесного кута відбитого потоку відповідає закону дзеркального відбиття (мал. 11в). При відбитті від діелектриків визначальним є співвідношення показників заломлення діелектрика і середовища, з якого на діелектрик падає світловий потік, а також кут падіння світла. Яскравість направлено-розсіяних відбиваючих поверхонь різна у різних напрямах. Так, коефіцієнт яскравості у напрямі максимального відбиття поверхонь покритих алюмінієвою фарбою може складати від 2 до 8; структурних альзакованих поверхонь відбивачів освітлювальних приладів від 4 до 8; екрану фронтальної проекції – більше 100. Направлено-розсіяне відбиття має глянцевий папір, матований метал, фарбовані поверхні та ін. При відбитті від таких поверхонь джерело світла сприймається як розпливчата пляма.
Для змішаного відбиття характерний одночасний прояв направлено-розсіяного та дифузного відбиття (мал. 11г). Коефіцієнт яскравості для таких поверхонь у бік направленого відбиття може бути більше одиниці. Змішане відбиття створюють фарфорова емаль і слабо матовані поверхні. У місці збільшення яскравості спостерігається так звана «гаряча пляма».
Направлене пропускання (мал. 12а) характеризується прямим проходженням світла через прозорі тіла в одному і тому ж тілесному куті при збігу напрямів падаючого і пропущеного потоків (прозорі пластмаси, скло). Розсіяння світла в прозорому середовищі практично відсутнє, проте вісь пропущеного світлового потоку зміщується через заломлення світла середовищем.
Для дифузного пропускання (мал. 12б) характерний рівномірний розподіл пропущеного світлового потоку по всіх напрямках усередині тілесного кута 2π стерадіан, розташованого за пропускаючим тілом. Джерела світла через повне розсіяння не видно. Такі тіла здаються самосвітними (молочні, опалові стекла і пластмаси).
Для направлено-розсіяного пропускання (мал. 12в) характерне пропускання розсіяного світлового потоку з великим тілесним кутом, який зберігає напрям падаючого світлового потоку. Джерело випромінювання, в світловому потоку, що проходить, видно розпливчатим (пластмаса, матоване скло). Коефіцієнти яскравості направлено-розсіюючих пропускаючих світло матеріалів при грубому матуванні можуть складати від 3 до 12, а при тонкому матуванні досягати 80...100. Матеріали, які використовуються для екранів рірпроекції, мають коефіцієнти яскравості в межах 2…6.
