Reflexión difusa

La reflexión difusa es la reflexión de la luz u otras ondas o partículas sobre una superficie, de tal manera que un rayo incidente sobre ella se dispersa en múltiples ángulos en lugar de en uno solo, como ocurre en la reflexión especular . Se dice que una superficie ideal de reflexión difusa presenta reflexión lambertiana , lo que significa que la luminancia es la misma cuando se observa desde todas las direcciones situadas en el semiplano adyacente a la superficie.

Una superficie construida con un polvo no absorbente como el yeso , o con fibras como el papel, o con un material policristalino como el mármol blanco , refleja la luz de forma difusa con gran eficacia. Muchos materiales comunes presentan una combinación de reflexión especular y difusa.

La visibilidad de los objetos, excluyendo los que emiten luz, se debe principalmente a la reflexión difusa de la luz: es la luz dispersada difusamente la que forma la imagen del objeto en el ojo del observador en un amplio rango de ángulos del observador con respecto al objeto.

La reflexión difusa en sólidos generalmente no se debe a la rugosidad de la superficie. Si bien se requiere una superficie plana para que se produzca reflexión especular, esto no impide la reflexión difusa. Un trozo de mármol blanco pulido permanece blanco; ningún pulido lo convertirá en un espejo. El pulido produce cierta reflexión especular, pero la luz restante continúa reflejándose de forma difusa.

El mecanismo más general por el cual una superficie produce reflexión difusa no involucra exactamente la superficie: la mayor parte de la luz es aportada por centros de dispersión debajo de la superficie , ^{[ 2 ] [ 3 ]} como se ilustra en la Figura  1. Si uno imaginara que la figura representa nieve, y que los polígonos son sus cristalitos de hielo (transparentes), un rayo incidente es reflejado parcialmente (un pequeño porcentaje) por la primera partícula, entra en ella, es nuevamente reflejado por la interfaz con la segunda partícula, entra en ella, incide en la tercera, y así sucesivamente, generando una serie de rayos dispersos "primarios" en direcciones aleatorias, que, a su vez, a través del mismo mecanismo, generan una gran cantidad de rayos dispersos "secundarios", que generan rayos "terciarios", y así sucesivamente. ^{[ 4 ]} Todos estos rayos caminan a través de los cristalitos de nieve, que no absorben luz, hasta que llegan a la superficie y salen en direcciones aleatorias. ^{[ 5 ]} El resultado es que la luz que se emitió se refleja en todas direcciones, de modo que la nieve es blanca a pesar de estar hecha de material transparente (cristales de hielo).

Para simplificar, aquí hablamos de "reflexiones", pero, en términos más generales, la interfaz entre las pequeñas partículas que constituyen muchos materiales es irregular en una escala comparable a la longitud de onda de la luz, por lo que se genera luz difusa en cada interfaz, en lugar de un único rayo reflejado, pero la explicación se puede contar de la misma manera.

Este mecanismo es muy general, ya que casi todos los materiales comunes están formados por pequeñas partículas unidas entre sí. Los materiales minerales suelen ser policristalinos : se pueden describir como un mosaico tridimensional de pequeños cristales defectuosos de forma irregular. Los materiales orgánicos generalmente están compuestos de fibras o células, con sus membranas y su compleja estructura interna. Y cada interfaz, inhomogeneidad o imperfección puede desviar, reflejar o dispersar la luz, reproduciendo así el mecanismo descrito.

Pocos materiales no provocan reflexión difusa: entre ellos se encuentran los metales, que impiden el paso de la luz; los gases, líquidos, vidrio y plásticos transparentes (que poseen una estructura microscópica amorfa similar a la de un líquido); los monocristales , como algunas gemas o un cristal de sal; y algunos materiales muy especiales, como los tejidos que forman la córnea y el cristalino del ojo. Sin embargo, estos materiales pueden reflejar la luz de forma difusa si su superficie es microscópicamente rugosa, como en un vidrio esmerilado (Figura  2), o, por supuesto, si su estructura homogénea se deteriora, como en las cataratas del cristalino.

Una superficie también puede presentar reflexión especular y difusa, como ocurre, por ejemplo, con las pinturas brillantes utilizadas en la pintura doméstica, que también ofrecen una fracción de reflexión especular, mientras que las pinturas mate ofrecen casi exclusivamente reflexión difusa.

La mayoría de los materiales pueden ofrecer cierta reflexión especular, siempre que su superficie pueda pulirse para eliminar irregularidades comparables con la longitud de onda de la luz (una fracción de micrómetro). Dependiendo del material y la rugosidad de la superficie, la reflexión puede ser predominantemente especular, predominantemente difusa o intermedia. Algunos materiales, como los líquidos y los vidrios, carecen de las subdivisiones internas que producen el mecanismo de dispersión subsuperficial descrito anteriormente, por lo que solo ofrecen reflexión especular. Entre los materiales comunes, solo los metales pulidos pueden reflejar la luz especularmente con alta eficiencia, como el aluminio o la plata que se utilizan habitualmente en los espejos. Todos los demás materiales comunes, incluso cuando están perfectamente pulidos, generalmente no ofrecen más de un pequeño porcentaje de reflexión especular, excepto en casos particulares, como la reflexión rasante de un lago, la reflexión total de un prisma de vidrio o cuando se estructuran en ciertas configuraciones complejas, como la piel plateada de muchas especies de peces o la superficie reflectante de un espejo dieléctrico . La reflexión difusa puede ser altamente eficiente, como en los materiales blancos, debido a la suma de las numerosas reflexiones subsuperficiales.

Hasta ahora se han analizado objetos blancos, que no absorben la luz. Sin embargo, el esquema anterior sigue siendo válido incluso cuando el material es absorbente. En este caso, los rayos difusos perderán algunas longitudes de onda al atravesar el material y emergerán coloreados.

La difusión afecta el color de los objetos de manera sustancial porque determina la trayectoria promedio de la luz en el material y, por lo tanto, en qué medida se absorben las distintas longitudes de onda. ^{[ 6 ]} La tinta roja se ve negra cuando permanece en su botella. Su color intenso solo se percibe cuando se coloca sobre un material dispersor (por ejemplo, papel). Esto se debe a que la trayectoria de la luz a través de las fibras del papel (y a través de la tinta) es de solo una fracción de milímetro. Sin embargo, la luz de la botella ha atravesado varios centímetros de tinta y se ha absorbido fuertemente, incluso en sus longitudes de onda rojas.

Cuando un objeto coloreado presenta reflexión difusa y especular, generalmente solo la componente difusa es coloreada. Una cereza refleja luz roja de forma difusa, absorbe todos los demás colores y tiene una reflexión especular que es esencialmente blanca (si la luz incidente es blanca). Esto es bastante general, ya que, salvo en el caso de los metales, la reflectividad de la mayoría de los materiales depende de su índice de refracción , que varía poco con la longitud de onda (aunque es esta variación la que causa la dispersión cromática en un prisma ), de modo que todos los colores se reflejan prácticamente con la misma intensidad.

La gran mayoría de los objetos visibles se perciben principalmente por reflexión difusa de su superficie. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Entre las excepciones se incluyen los objetos con superficies pulidas (que reflejan especularmente) y los objetos que emiten luz. La dispersión de Rayleigh es responsable del color azul del cielo, y la dispersión de Mie del color blanco de las gotas de agua en las nubes.

La interreflexión difusa es un proceso por el cual la luz reflejada por un objeto incide sobre otros objetos en su entorno, iluminándolos. La interreflexión difusa describe específicamente la luz reflejada por objetos que no son brillantes ni especulares . En la práctica, esto significa que la luz se refleja en superficies no brillantes, como el suelo, las paredes o las telas, alcanzando áreas que no están directamente expuestas a la luz. Si la superficie difusa es coloreada , la luz reflejada también lo será, lo que resultará en una coloración similar de los objetos circundantes.

En los gráficos 3D por computadora , la interreflexión difusa es un componente importante de la iluminación global . Existen varias maneras de modelar la interreflexión difusa al renderizar una escena. La radiosidad y el mapeo de fotones son dos métodos comúnmente utilizados.

La espectroscopia de reflectancia difusa puede utilizarse para determinar los espectros de absorción de muestras en polvo cuando la espectroscopia de transmisión no es factible. Esto se aplica a la espectroscopia UV-Vis-NIR o a la espectroscopia de infrarrojo medio . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

• Difusor
• Lista de fuentes de luz reflejada
• Modelo de reflectancia de Oren-Nayar
• Reflectividad
• Remisión