Reflexión especular y difusa: preguntas frecuentes, conceptos y ejemplos importantes

Reflexión especular y difusa

El tema de discusión: Reflexión especular y difusa.

 

¿Qué es la reflexión especular de la luz? | ¿Qué es la reflexión regular?

Definición de reflexión especular:

La reflexión especular se refiere al fenómeno de reflexión de rayos de luz paralelos que caen sobre una superficie, en ángulos iguales. La reflexión especular se realiza mediante superficies lisas como espejos. La reflexión especular sigue todas las 3 leyes de la reflexión, es decir, el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia, el rayo normal, incidente y reflejado se encuentran todos en el mismo plano. El rayo incidente y el rayo reflejado están en otros lados de la normal.

¿Qué es la reflexión difusa? | ¿Qué se entiende por reflexión difusa?

Definición diffuse reflective | reflexión no especular:

La reflexión difusa se refiere al fenómeno de reflexión de rayos de luz paralelos que caen sobre una superficie, en diferentes ángulos. La reflexión difusa se lleva a cabo por superficies rugosas como carreteras, muros, etc. 

Nota: Para que una reflexión difusa sea ideal, debe seguir y demostrar las leyes de la reflexión de Lambert. Según esto, la luminancia es la misma para todas las direcciones presentes en el semiespacio contiguo a la superficie reflectante. Los reflejos difusos a veces se denominan reflejos no especulares.

¿La reflexión difusa significa el fracaso de las leyes de la reflexión? | ¿La reflexión difusa sigue la ley de la reflexión?

La reflexión difusa como la reflexión especular sigue todas las leyes de la reflexión. El ángulo de reflexión se iguala al ángulo de incidencia donde ambos ángulos se miden desde el rayo incidente normal y normal, y el rayo reflejado en el punto de incidencia están en el mismo plano. El rayo incidente y el rayo reflejado están presentes en lados opuestos de la normal.

Ejemplos de reflexión difusa

Reflexión difusa. Fuente de imagen: Jeff DahlReflexión difusaCC BY-SA 3.0

¿Cuáles son los componentes de la reflexión?

¿Cuáles son las leyes de la reflexión?

Leyes de la reflexión | ley de la reflexión especular

Las leyes de la reflexión se dan como:

  • El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia donde ambos ángulos se calculan a partir de los planos normales.
  • Los rayos normales, incidentes y reflejados en el punto de incidencia permanecen todos en el mismo plano idéntico.
  • El rayo incidente y el rayo reflejado existen en otros lados opuestos al normal.

Credito de imagen : Nilock, Dominio público, a través de Wikimedia Commons

Aquí,

Normal:

una línea a 90 ° de la superficie de un medio reflejado.

Rayo incidente:

Un rayo de luz que se dirige al medio reflejado.

Rayo reflejado:

Un rayo que sale del medio reflejado.

Ángulo de incidencia:

El ángulo entre el rayo incidente y el normal.

Ángulo de reflexión:

El ángulo entre el rayo reflejado y el normal.

¿Cuál es la diferencia entre reflexión especular y difusa? | ¿En qué se diferencia la reflexión especular de la reflexión difusa?

Reflexión especular vs reflexión difusa

Reflexión especularReflexión difusa
La reflexión de los rayos de luz paralelos incidentes se produce en ángulos iguales.La reflexión de los rayos de luz paralelos incidentes se produce en ángulos desiguales.
Requiere que la superficie reflectante sea muy lisa.Requiere que la superficie reflectante sea rugosa.
Sigue todas las leyes de la reflexión para formar una imagen.Sigue las leyes de la reflexión para dispersar la luz.
Ejemplo: reflejo de un espejo / superficie de metal pulido.Ejemplo: reflejo de una superficie rugosa / sin pulir como carreteras, paredes, etc.
La reflectancia es cero para todos los ángulos excepto el ángulo reflejado exacto.Hay un valor de reflectancia distinto de cero presente para aproximadamente todos los ángulos.
  
Reflexión especular y difusa
Reflexión especular y difusa. Fuente de imagen; GianniG46Lambert2CC BY-SA 3.0

¿Qué es la reflectancia?

Definición de reflectancia

La reflectancia superficial de un material se define como la eficiencia del material para reflejar la energía radiante incidente. En otras palabras, la reflectancia se refiere a la relación entre la potencia del rayo de luz reflejada y el rayo de luz incidente desde el plano del material.

Medición de reflectancia difusa

La reflectancia especular que es válida para vidrio liso o superficies metálicas pulidas resulta aproximadamente cero para todos los ángulos excepto en el ángulo reflejado aplicable. Este ángulo es el ángulo reflejado que tiene un valor equivalente al ángulo de incidencia en el lado opuesto de la normal, y en caso de que el rayo incidente caiga normalmente sobre la superficie del material, entonces se refleja en la misma dirección, es decir, ambos el ángulo reflejado y el ángulo incidente es igual a 0o.

La reflectancia difusa de ciertos materiales, como la pintura blanca mate, resulta uniforme, es decir, el flujo luminoso se refleja por igual o casi por igual en todos los ángulos. Se dice que estos materiales siguen las leyes de reflexión de Lambert. En el mundo práctico, los materiales demuestran una combinación de propiedades reflectantes difusas y especulares.

¿Qué es la espectroscopia de reflectancia difusa?

Principio de espectroscopia de reflectancia difusa

La espectroscopia de reflectancia difusa se refiere a un método o técnica altamente desarrollado para observar y analizar las características espectrales de objetos sólidos opacos. El método de espectroscopía de reflectancia difusa funciona teniendo en cuenta el fenómeno de la reflexión interna de la luz que es difusa junto con la reflexión de la superficie externa de la luz que es especular.

La técnica de espectroscopia de reflectancia difusa se considera extremadamente útil para analizar y observar las interacciones entre varios componentes de la formulación. Este método se ha utilizado con éxito para caracterizar numerosas reacciones en estado sólido. En uno de esos experimentos, la Investigación utilizó este método con condiciones de estrés adecuadamente diseñadas para examinar y transportar diferentes tipos de interacciones de excipiente especializado, vías de degradación y alteración de la biodisponibilidad basada en la quimisorción del material de muestra a algunos componentes diferentes durante la formulación.

Sensor fotoeléctrico reflectante difuso

En un sensor fotoeléctrico reflectante difuso, la fuente de luz y el receptor de luz están presentes en el mismo instrumento. Los sensores fotoeléctricos reflectantes difusos son capaces de detectar cosas cuando el haz de luz que se emite hacia el objetivo dado sufre un reflejo en la superficie del objetivo y se dirige de vuelta al detector.

Estos tipos de sensores difusos se utilizan ampliamente para aplicaciones de automatización porque son más prácticos o más compactos (porque la mayoría de los componentes de detección están presentes en la cubierta única) que la mayoría de los otros sensores que tienen la misma función.

Los sensores fotoeléctricos reflectantes difusos se utilizan principalmente para:

  • Detección de varios objetos de una unidad transportadora común.
  • Detección de materiales translúcidos.
  • Detectando el nivel de sustancia presente dentro de diferentes envases.
  • A Detecta la existencia de material de pieza, caja y banda.
  • Detectar ciertas características de identificación para determinar la orientación de un objeto.
  • Detección de condiciones de error para trabajos de examen de objetos.

Los sensores fotoeléctricos reflectantes difusos son fáciles de usar porque son sencillos en términos de procedimiento de instalación porque todos los componentes están incluidos en una sola unidad y también son soluciones de detección de bolsillo. Sin embargo, como cualquier otro dispositivo, los sensores fotoeléctricos reflectantes difusos también tienen ciertos inconvenientes.

Estos sensores proporcionan resultados menos precisos cuando se utilizan para detectar la posición que la detección de haz. Estos sensores también resultan menos efectivos en objetos translúcidos. Además, se ve que estos tipos de sensores se ven afectados fácilmente por el color de la superficie, la textura del material, el ángulo de incidencia, las características físicas del objetivo y los entornos no homogéneos.

Instrumento de espectroscopia de reflectancia difusa

Los instrumentos de espectroscopia de reflectancia difusa proporcionan mediciones alineando el material frente a la ventana de luz incidente, y luego un haz de luz concentrado se refleja desde el objeto al detector con la ayuda de una esfera recubierta internamente por sulfato de bario. El valor obtenido de esta configuración es la reflectancia o reflectancia relativa del material en cuestión con respecto a la reflectancia de referencia estándar de una pizarra que se considera igual al 100%.

Luego, la luz se dirige hacia el material dado en un ángulo de 0 °. Durante esto, la luz reflejada de forma especular abandona la esfera de integración y, por lo tanto, el detector no la detecta. Por esta razón, esta configuración es capaz de medir solo la luz reflejada difusa. Sin embargo, se diseñan nuevos modelos de esferas integradoras que son capaces de enviar haces de luz a diferentes ángulos de incidencia. Por lo tanto, estos modelos pueden calcular la combinación de luz reflejada difusa y especular.

¿Qué sucede durante la reflexión especular?

Lámpara de hendidura de reflexión especular

El fenómeno de la reflexión especular se aplica para visualizar y analizar la funcionalidad de las superficies de la córnea y del cristalino del ojo humano. Para nosotros está claro que cuando la superficie reflectante es lisa, el reflejo será regular o especular y cuando la superficie reflectante es irregular o rugosa, el reflejo será irregular o difuso. Se utiliza para examinar el exterior normal del endotelio corneal. Este método se lleva a cabo colocando el iluminador a unos 30 grados en un lado y el microscopio a 30 grados en el lado opuesto. El ángulo del microscopio al iluminador debe ser igual y opuesto.

Para visualizar el endotelio, se debe comenzar con un aumento menor que varía de aproximadamente 10X a 16X. Un haz de luz comparativamente estrecho debe dirigirse hacia la córnea de tal manera que el reflejo de la luz del epitelio corneal refleje sus ojos. Después de eso, es necesario mover ligeramente el haz de luz estrecho hacia un lado y mirar a su lado, el reflejo que proviene de la superficie endotelial.

Después de esto, uno tiene que cambiar a la mayor ampliación posible. La altura del rayo de hendidura se puede reducir ligeramente para reducir el deslumbramiento. Cuando ensanchamos la rendija, realzamos el campo de visión pero reducimos el contraste. Se ha descubierto que el endotelio corneal se puede observar mejor si se utiliza una única lente ocular. Por lo tanto, uno podría cerrar el ojo que no mira para obtener mejores resultados.

El método descrito aquí requiere muchas pruebas para una evaluación adecuada. Esto se debe a que las células endoteliales de la córnea tienen un contraste muy débil y requiere algo de experiencia para detectarlas correctamente. Las células que se cuentan solo mediante la técnica de la lámpara de hendidura no suelen aceptarse. Se considera que los resultados obtenidos por microscopía especular de contacto proporcionan resultados mucho más precisos.

¿Qué es FTIR?

Reflectancia especular FTIR

In FTIR (infrarrojo por transformada de Fourier)El muestreo de reflectancia especular se considera un método muy crucial que se utiliza para medir las películas delgadas en sustratos reflectantes, analizar las muestras a granel y medir las capas monomoleculares en el material de un sustrato. Este método es muy popular porque permite la observación y el análisis de muestras sin el requisito de ninguna preparación de muestras. Esto también ayuda a que el material de muestra no se vea afectado por todas las mediciones posteriores.

La primera parte del método de muestreo es medir el flujo luminoso reflejado desde la superficie del material en un ángulo de incidencia dado. Al final de la superficie del material, se observa la ocurrencia de ciertos fenómenos electromagnéticos y físicos y depende del ángulo de incidencia del haz de iluminación, el índice de refracción del material y el espesor del material y otras muestras y luego condiciones experimentales prevalentes.

¿Cuál es la fórmula de la reflexión especular?

Fórmula de reflexión especular

La ley de la reflexión se puede demostrar usando las propiedades del álgebra lineal. La dirección de un vector reflejado se puede calcular mediante la dirección del vector incidente y el vector normal de superficie.

En una dirección de incidente dada di desde la fuente de luz hasta la superficie del material y deje que la superficie en la dirección normal dn, la dirección reflejada especularmente ds viene dada por la ecuación:

\ hat {d_ {s}} = 2 (\ hat {d_ {n}}. \ hat {d_ {i}}) \ hat {d_ {n}} - \ hat {d_ {i}}

dónde dn. rei es una cantidad escalar generada por el producto escalar de los dos vectores.

En esta ecuación, ciertos autores pueden describir las direcciones de incidencia y reflexión con diferentes convenciones de signos.

Si asumimos la representación de estos vectores euclidianos en forma de columna, entonces la ecuación dada se puede transmitir igualmente como una multiplicación matriz-vector:

\ hat {d_ {s}} = R \ hat {d_ {i}}

Dónde R se refiere a la matriz de transformación de los jefes de hogar y se define como:

R = I-2 \ hat {d_ {n}} \ hat {d_ {n}} ^ {^ {T}}

R se le dan diez términos de una matriz de identidad I y dos veces del producto externo de dn.

Coeficiente de reflexión especular

Consideremos un haz de luz procedente de una fuente de luz puntual distante en la dirección dada como ~s. Este haz de luz se refleja de nuevo en un rango de direcciones alrededor de las direcciones perfectas del espejo. ~m = 2 (~n · ~s) ~n -~s.

Una representación común de esto viene dada por la siguiente expresión:

 Ls (~ de) = rsI max (0, ~ m · ~ de) α  

Aquí, el término rs se conoce como el coeficiente de reflexión especular (que frecuentemente asume un valor igual a 1 - rd), 'YO' se refiere a la potencia de la potencia incidente de la fuente puntual dada, y α≥0 se toma como una constante, conocida como ancho del resalte especular.

Con el aumento en el valor de α, hay una disminución en el ancho efectivo de la reflexión especular. Esta disposición se convierte en un espejo cuando aumenta el límite a medida que α.

¿Para qué se utiliza la reflexión especular?

Aplicaciones de la reflexión especular y difusa

Se pueden encontrar varias aplicaciones de la reflexión difusa y la reflexión especular en nuestra vida cotidiana. Aquí, vamos a discutir dos aplicaciones principales que experimentamos casi todos los días:

  1. Reflexión difusa: cuando conducimos un automóvil, cualquier forma de deslumbramiento dificulta la concentración en la carretera para el conductor. En la temporada de lluvias, cuando una gran parte de la carretera está mojada y refleja la luz que proviene de los faros de otros automóviles, se vuelve difícil conducir. Este deslumbramiento resultará del reflejo especular del haz de luz. Sin embargo, la superficie rugosa de las carreteras ayuda a mantener un reflejo difuso que reduce el deslumbramiento en los ojos del conductor. Cuando el agua llena los cuellos de la carretera, se vuelve más suave, lo que conduce a una reflexión especular.
  2. Reflexión especular: ahora, consideremos una aplicación de la reflexión en la fotografía. Todos hemos visto y aplaudido hermosos paisajes de la naturaleza que comprenden un cuerpo de agua tranquila en primer plano que refleja los objetos presentes en el fondo, de lado o por encima. Cuando el agua está en calma, su superficie es lisa y actúa como un espejo aplicando el principio de reflexión especular para formar imágenes. Ahora, para la cámara, la lente de la cámara podría recibir directamente los rayos de luz reflejados desde el cuerpo de agua (sometidos a reflexión especular). Si la luz golpea otra superficie rugosa (experimentando un reflejo difuso) antes de llegar a la cámara, entonces la lente de la cámara no podrá capturar la imagen del reflejo del cuerpo de agua. Por lo tanto, solo cuando la reflexión especular envía un haz de luz amplio junto a la lente de la cámara y es capaz de formar una imagen de réplica exacta.

Numérico sobre reflexión especular y difusa

Considere tres rayos de luz paralelos. Luego, estos rayos de luz inciden sobre una superficie rugosa con baches en ángulos marginalmente diferentes, como se muestra en la figura siguiente. Los ángulos de incidencia de los rayos se dan como 15o para el rayo A (azul en la figura), 31o para el rayo B (verde) y 47o para el rayo C (rojo). 

(a) ¿Cuáles serán los ángulos de reflexión para cada uno de los tres rayos? 

(b) ¿Es posible que los tres rayos permanezcan paralelos después de someterse a una reflexión? 

(c) Dibuja la trayectoria de los rayos de luz reflejados.

Soluciones:

(A)Sabemos por el enunciado de las leyes de la reflexión que el ángulo de reflexión es equivalente al ángulo de incidencia de cada rayo y, por lo tanto, el ángulo de incidencia del rayo A será de 15o, el ángulo de incidencia del rayo B será de 31o, y el ángulo de incidencia del rayo C será 47o.
(B)No, como se menciona que la superficie es rugosa y con baches, los tres rayos se difundirán después de la reflexión y no serán paralelos entre sí.
(C)La figura dibujada a continuación muestra la trayectoria de cada rayo de luz después de someterse a la reflexión de la superficie dada.

¿Cuál refleja más papel de seda claro o ventana de cristal?

El papel tisú, si no es negro, reflejará más luz que el vidrio. Además, el vidrio es transparente, permite que la luz pase a través.

¿Por qué no puedes ver tu reflejo en todos los objetos que reflejan la luz?

La razón principal por la que es posible que no veamos el reflejo de todo el objeto es porque la luz reflejada por esos objetos podría estar dispersa.

Para conocer la interferencia de película delgada, haga clic aquí

Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

Conectemos a través de https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

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