Reflexão (ótica)

A reflexão óptica significa um fenômeno que ocorre quando da incidência da luz sobre um material. A parte da luz que não é absorvida nem transmitida é considerada refletida. É este fenômeno que explica porque vemos um objeto iluminado por uma fonte (por exemplo, o sol ou uma lâmpada ): a luz emitida pela fonte é refletida no objeto e vem em direção ao nosso olho.

Reflexão especular da luz
Reflexão sobre um prédio na Avenida Paulista , São Paulo.
Reflexo na superfície do Lago Stappitz em Hohe Tauern , Áustria.

Este fenômeno foi descrito no campo da ótica geométrica , da ótica física e da ótica quântica . A reflexão da luz depende muito das propriedades da luz, como seu comprimento de onda ou intensidade , e das propriedades do meio de propagação e do meio no qual o feixe chega.

A reflexão óptica é uma reflexão física descrita como a mudança na direção de propagação de uma onda de luz que, após a reflexão, permanece no meio de propagação inicial.

Existem dois tipos de reflexão de luz: especular ou difusa, dependendo da natureza do material e da interface. As leis geométricas da reflexão se aplicam apenas à reflexão especular; modelos mais complexos devem ser usados para lidar com a reflexão difusa.

A maioria das situações apresenta uma combinação de reflexão difusa e reflexão especular, sendo a reflexão difusa geralmente a dominante. Existem alguns casos raros de reflexão especular na natureza (principalmente reflexão em águas calmas e límpidas), mas a maioria das aplicações tecnológicas da óptica busca ter reflexão especular.

Reflexão difusa

A reflexão é dita difusa quando a luz é refletida em um grande número de direções e a energia do raio incidente é redistribuída em uma infinidade de raios refletidos. É este fenômeno que permite a visão de um objeto iluminado (a reflexão especular permite ver uma imagem da fonte, mas não do próprio objeto refletivo). Essa difusão explica por que neve , leite , pastis diluído - sua cor amarela vem de um corante, caramelo - e nuvens são essencialmente brancas: elas refletem a luz branca do sol.

Esta difusão permite criar, da forma mais simples possível, uma fonte de luz ortotrópica . É o caso de uma simples tela de cinema, cuja superfície é frisada, mas é também por esta razão que geralmente se utilizam decorações mate e que os atores são maquiados (faces empoadas) para as filmar.

A reflexão difusa ocorre na maioria dos materiais, seja a superfície polida ou não. Veja o exemplo do mármore branco ou da neve ; são materiais transparentes policristalinos. A luz é refletida nas interfaces, ou seja, nos contornos dos grãos , cuja orientação é distribuída aleatoriamente. A grande maioria dos materiais cria reflexão difusa em vez de especular: minerais e cerâmicas são policristalinos, líquidos contêm partículas em suspensão ( turbidez ), plantas e animais são constituídos por cadeias moleculares com distribuição aleatória. Os materiais que apresentam nenhuma (ou pouca) reflexão difusa intrínseca são:

os monocristais ;
o metal , que não deixa entrar luz;
os materiais amorfos : gás, líquido sem partículas, vidros e alguns polímeros transparentes.

Em tais materiais, a reflexão torna-se difusa se a superfície for rugosa.

Uma superfície polida é uma condição necessária para ter reflexão especular; mas a maioria dos materiais difusos refletem mesmo com uma superfície polida.

A reflexão difusa "ideal" ocorre quando a luminância é a mesma em todas as direções do meio-espaço delimitado pela superfície. Esta situação, correspondente a um material idealmente mate, é denominada " reflexão lambertiana ".

Além do fato de que a reflexão natural é principalmente difusa, podemos procurar deliberadamente criar uma reflexão difusa:

para captura de imagem:
- para ter uma fonte de luz "suave", ou seja, criando sombras progressivas em vez de contrastes nítidos, utiliza-se a iluminação indireta: a fonte de luz (sol ou projetor) é refletida de forma difusa por uma tela,
- como mencionado acima, os cenários artificiais são freqüentemente escolhidos de forma simples, e os atores são compostos;
para a projeção de imagens: em uma grande sala, a imagem deve ser visível para todos os espectadores e, portanto, de vários ângulos de visão; conforme mencionado acima, a tela de projeção é frisada para garantir uma reflexão difusa;
para visibilidade:
- para aumentar a visibilidade: no caso de reflexão especular, a luz da fonte é refletida em uma determinada direção, o objeto iluminado é, portanto, visível apenas para um observador localizado nessa direção e, portanto, raramente para a pessoa que manuseia o projetor; por outro lado, um objeto que causa reflexão difusa será visível de muitos ângulos; isso não deve ser confundido com a noção de refletor , que usa várias reflexões especulares para refletir a luz de volta para a fonte, tornando o objeto muito visível para o observador que manipula o projetor,
- para reduzir a visibilidade ( camuflagem ): objetos naturais refletindo de forma difusa, o objeto a ser camuflado, ou a roupa da pessoa a ser camuflada, devem seguir este mesmo princípio, com especial cuidado para evitar estilhaços causados por superfícies metálicas e vidro polido (ver artigo FFOMECBLOT ).

Reflexão especular

A reflexão é considerada especular quando o raio incidente dá origem a um único raio refletido. Idealmente, a energia do raio incidente é encontrada completamente no raio refletido, na prática uma parte da energia pode ser absorvida, difundida ou refratada no nível da interface.

Como afirmado anteriormente, este tipo de reflexão só pode ocorrer com certos materiais que garantem que a luz seja refletida apenas pela superfície e não venha de dentro do objeto:

materiais perfeitamente opacos: metais;
materiais perfeitamente transparentes e límpidos: vidros, plásticos transparentes, líquidos transparentes.

Além disso, a qualidade da reflexão depende da qualidade da interface. Assim que o tamanho dos defeitos da interface for menor ou da ordem de magnitude do comprimento de onda , a interface tende a se tornar perfeitamente reflexiva. É por isso que uma superfície de metal bruto que se difunde fortemente torna-se perfeitamente reflexiva quando é polida (é esfolada até que o tamanho dos defeitos seja comparável ao comprimento de onda da luz).

Este tipo de reflexão é, portanto, raro na natureza; é essencialmente um reflexo de águas calmas. Por outro lado, é de capital interesse tecnológico, pois está na base do conceito de espelho e, portanto, permite a observação de um objeto fora do campo de visão ( espelho retrovisor , espelho de dentista, espelho). Inspeção). , focalização ( telescópio , lanterna de projetor de cinema ), colimação ( projetor , farol ), deflexão de feixe (por exemplo, em interferômetros , para holografia , para guiar ondas ).

Se construirmos um espelho para luz visível, o tamanho dos defeitos não deve ultrapassar algumas centenas de nanômetros, da ordem de 0,5 µm , o espectro visível variando de 380 a 720 nm . Para ondas de rádio ou ondas de radar, esses defeitos podem ser da ordem de alguns centímetros, ao invés de construir espelhos com superfície metálica uniforme, pode-se contentar com uma superfície mais grosseira do tipo “malha”.

A mídia considerada modelada pela reflexão especular segue as leis da reflexão de Fresnel . Seja uma onda se propagando em um meio e alcançando a interface com um meio . Ao chamar o fator de reflexão normalizado para a parte da onda polarizada transversal elétrica e para a parte da onda polarizada transversal magnética, temos: $1$ $2$ $r _ {{TE}}$ $r _ {{TM}}$

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

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

A segunda fórmula permite, em particular, encontrar o valor do ângulo de Brewster .

Em óptica geométrica

Em óptica geométrica , apenas a reflexão especular é considerada; obedece às leis de Snell-Descartes . Diz-se que o raio de luz incide antes de encontrar a superfície refletora e depois é refletido . O ponto de encontro do raio incidente e da superfície refletora é chamado de ponto de incidência . O plano que contém o raio incidente e a normal à superfície refletora no ponto de incidência é chamado de plano de incidência .

O ângulo de incidência i tomada entre o normal ao ponto de incidência e o raio incidente é chamado ângulo de incidência . Chamamos o ângulo de reflexão de ângulo orientado r tomado entre a normal ao ponto de incidência e o raio refletido.

Usando essas definições, a lei da reflexão é declarada da seguinte forma:

o raio incidente e o raio refletido estão no plano de incidência;
i = r .

Em óptica física

Na óptica física, cada ponto de uma dioptria é considerado uma fonte de uma onda esférica. É a interferência de ondas de diferentes fontes que cria o fenômeno da reflexão: a interferência só é construtiva em uma determinada direção.

Em óptica quântica

Guia de Ondas

Uma onda cuja freqüência é da ordem de alguns megahertz pode ser refletida em uma das camadas ionizadas da alta atmosfera .

Notas e referências

(em) P. Hanrahan e W. Krueger , " Reflection from layered surface due to subsurface scattering " , SIGGRAPH '93 Proceedings , JT Kajiya, vol. 27,1993, p. 165–174. ( leia online )
(en) HW Jensen et al. , " Um modelo prático para transporte de luz subterrânea " , Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001 ,2001, p. 511-518 ( ler online )
Johann Heinrich Lambert , Photometria , Augsburg, Klett,1760( leia online )