Diffus refleksjon

Diffus refleksjon: Refleksjon (av lys) fra en matt overflate, for eksempel en hvit vegg. I motsetning til speilende refleksjon. Ved diffus refleksjon spres lyset i alle retninger.

Innledning

Lys består av elektromagnetiske bølger, som forplantes i vakuum med hastighet c = 3×108 m/s. Synlig lys har frekvenser ν i området 750×1012 til 428×1012 [Hz], svarende til bølgelengder λ = c/ν i området 400 til 700 [nm]. Lyshastigheten v i et medium er gitt ved v = c/n, hvor n er mediets brytningsindeks, slik at jo høyere brytningsindeksen er i forplantingsmediet, desto lavere er lyshastigheten. I et homogent medium er brytningsindeksen - og dermed også lyshastigheten - konstant.  Klar luft og rent vann er gode eksempler på homogene medier hvor lysets bane ikke endrer retning under forplanting. I et ikke-homogent medium varierer brytningsindeksen, og lysets bane vil endres eller brytes. 

Når lys fra en bestemt retning treffer en gjennomsiktig, glatt grenseflate mellom to medier med ulik brytningsindeks, vil deler av det innfallende lyset bli reflektert og transmittert. Retningen til det reflekterte lyset følger av refleksjonsloven (speilloven), som sier at refleksjonsvinkelen  (vinkelen mellom refleksjonsretningen og flatenormalen) er lik innfallsvinkelen  (vinkelen mellom innfallsretningen og flatenormalen). Dessuten ligger retningen til det reflekterte lyset i innfallsplanet, som defineres av innfallsretningen og flatenormalen.  Retningen til det transmitterte lyset følger av Snells lov:  , hvor  er transmisjonsvinkelen (vinkelen mellom transmisjonsretningen og flatenormalen), og hvor n1 og n2 er brytningsindeks i henholdsvis medium 1 med innfallende lys og medium 2 med transmittert lys. I tillegg ligger transmisjonsretningen i innfallsplanet. Hvis ingen av de to mediene absorberer lys eller inneholder partikler som sprer lys, vil mengden av lys som reflekteres og transmitteres være bestemt av Fresnels lover for refleksjon og transmisjon.

Diffus refleksjon

Hvis grenseflaten mellom de to mediene ikke er glatt, men består av en ru overflate med en vilkårlig variasjon i høyde omkring et gjennomsnittsnivå, vil det reflekterte lyset spres diffust i mange forskjellige retninger (diffus refleksjon) i tillegg til at det fortsatt kan være en speilende komponent med retning bestemt av refleksjonsloven (speilende refleksjon). Likeledes vil det transmitterte lyset generelt bestå av en direkte-transmittert komponent med retning bestemt av Snells lov, og en diffus del med spredning i mange forskjellige retninger. Retningsfordelingen til det diffust reflekterte lyset avhenger av overflatens struktur og lysets innfallsretning. Hvit maling og matt papir er eksempler på overflater som reflekterer innfallende lys i mange ulike retninger og gir opphav til stor grad av diffus refleksjon. 
Siden diffust lys kommer fra alle retninger, kaster det ikke skarpe skygger, en egenskap som utnyttes av fotografer til å lage bilder uten sjenerende skygger. Intensitetsforholdet mellom diffust og speilende reflektert lys avhenger av overflatens mikroskopiske topografi eller struktur, dvs. av overflatens ruhet (som øker med høyden til ujevnheter i overflaten) sammenlignet med bølgelengden til det innfallende lyset. Topografien kan modelleres som en fordeling av V-formede daler hvor man antar at sidene i hver dal reflekterer det innfallende lyset gjentatte ganger i ulike retninger og gir opphav til diffust tilbakespredt lys. Diffus refleksjon kan også skyldes transmisjon av lys inn i mediet hvor det spres tilbake av partikler eller ujevnheter. 

Diffus refleksjon eller spredning avhenger av lysets bølgelengde. Ifølge geometrisk optikk eller stråleoptikk antas enhver overflate som lyset treffer å være glatt eller speilende. Dette betyr at bølgelengden til lyset antas å være meget liten i forhold til overflatens ruhet. Men lysets innfallsretning har også betydning for overflatens ruhet. Nær streifende innfall, hvor lyset kommer inn nesten parallelt med overflaten, vil overflaten være glatt uavhengig av dens ruhet. Når bølgelengden til det innfallende lyset øker i forhold til overflatens ruhet, må man anvende fysikalsk optikk eller bølgeoptikk. Siden stråleoptikk gjelder for en glatt overflate, vil lysets innfallsvinkel og bølgelengde avgjøre om en reflekterende overflate skal kunne karakteriseres som optisk glatt eller ru. Både stråleoptikk og bølgeoptikk anvendes i modellering av lysspredning og gir – innenfor deres gyldighetsområder -  en god beskrivelse av diffus refleksjon samt av lysets polarisasjon, dvs. retningen til den reflekterte lysbølgens elektriske feltvektor. Fordelen med stråleoptikken er at den gir en enklere fysikalsk modell og mindre tidkrevende beregninger enn bølgeoptikken, men den kan ikke brukes til å forklare typiske bølgefenomener som diffraksjon og interferens.

Albedo og BRDF

Forholdet mellom intensitetene til reflektert lys fra en overflate og innfallende lys kalles overflatens albedo. Per definisjon er albedo til en flate et tall mindre eller lik 1, og dette tallet angir netto refleksjon fra flaten i alle retninger og ved alle bølgelengder. For en gitt retning og bølgelengde til det innfallende lys beskrives andelen av reflektert lys i en bestemt retning av en to-veis fordelingsfunksjon som kalles BRDF (Bidireksjonal-Reflektans-Distribusjons-Funksjon). BRDF for et gitt område av en overflate avhenger av lysets bølgelengde, innfallsretning og refleksjonsretning,  og gir en fullstendig beskrivelse av områdets refleksjonsegenskaper. 
BRDF er definert som forholdet mellom reflektert radians (intensitet) i en bestemt retning fra et gitt areal  på overflaten og energien til lyset som faller inn mot samme areal. Dersom BRDF for en overflate er den samme uavhengig av hvilket område på overflaten lyset reflekteres fra, sies overflaten å være homogen, og dersom intensiteten til det reflekterte lyset er den samme for alle observasjonsretninger, sies BRDF å være isotrop. En overflate som er homogen og isotrop for alle mulige retninger til det innfallende lys, kalles en Lambert-flate,  som gir en BRDF som er konstant. Lambert-modellen beskriver diffus refleksjon av lik styrke i alle retninger, og inkluderer ikke speilende refleksjon. En ideell Lambert-flate finnes ikke, men målinger har vist at fabrikkerte overflater, slik som for eksempel Spektralon, kan gi  en god tilnærmelse til en Lambert-flate når retningene til innfallende og reflektert lys er nær flatenormalen. Spektralon er laget av termoplastiske harpiks-materialer med høy permittivitet. Overflaten er porøs, og interne refleksjoner som finner sted innenfor noen få tiendedels millimeter under overflaten, randomiserer fasen til innfallende lys og gir diffust reflektert lys. Spektralon opprettholder sine optiske egenskaper selv når overflaten utsettes for ekstremt høy stråling og brukes derfor som referanse for refleksjonsmålinger. Når innfallsvinkel eller observasjonsvinkel øker, viser målinger en gradvis økende anisotrop eller retningsbestemt refleksjon. Det finnes ulike BRDF-modeller som inkluder både speilende og diffus refleksjon og som anvendes i datagrafikk og fjernmåling.

Anvendelser

Diffus lysspredning utnyttes i fotografering til å oppnå mykere kontrast i bilder med mer detaljer i både lyse og mørke områder. Utendørsfotografering i dagslys med skydekke kan produsere bilder med slike egenskaper. I industriell sammenheng brukes BRDF til å karakterisere materialoverflater. I biologi og medisin brukes diffus spredning av infrarød stråling til å karakterisere strukturer og funksjonelle mekanismer til levende vev. Undersøkelser har vist at diffus refleksjon av synlig lys fra menneskesvev åpner mulighet for å identifisere ulike sykdommer, så som ondartet føflekkreft.