La reflexión difusa es la reflexión de la luz u otras ondas o partículas desde una superficie de modo que un rayo que incide sobre la superficie se dispersa en muchos ángulos en lugar de solo en un ángulo como en el caso de la reflexión especular . Se dice que una superficie reflectora difusa ideal exhibe reflexión lambertiana , lo que significa que hay una luminancia igual cuando se la observa desde todas las direcciones que se encuentran en el semiespacio adyacente a la superficie.
Una superficie construida a partir de un polvo no absorbente como el yeso , o de fibras como el papel, o de un material policristalino como el mármol blanco , refleja la luz de forma difusa con gran eficacia. Muchos materiales comunes presentan una mezcla de reflexión especular y difusa.
La visibilidad de los objetos, excluidos los que emiten luz, se debe principalmente a la reflexión difusa de la luz: es la luz dispersada de forma difusa la que forma la imagen del objeto en el ojo del observador.
La reflexión difusa de los sólidos no suele deberse a la rugosidad de la superficie. Es cierto que se necesita una superficie plana para que se produzca una reflexión especular, pero no impide la reflexión difusa. Un trozo de mármol blanco muy pulido sigue siendo blanco; ningún pulido lo convertirá en un espejo. El pulido produce cierta reflexión especular, pero la luz restante sigue reflejándose de forma difusa.
El mecanismo más general por el cual una superficie da reflexión difusa no involucra exactamente a 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 parcialmente reflejado (un pequeño porcentaje) por la primera partícula, entra en ella, es reflejado nuevamente 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 emitida se devuelve en todas las direcciones, de modo que la nieve es blanca a pesar de estar hecha de material transparente (cristales de hielo).
Para simplificar, aquí se habla de "reflexiones", pero de forma más general, la interfaz entre las pequeñas partículas que constituyen muchos materiales es irregular en una escala comparable con 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 historia se puede contar de la misma manera.
Este mecanismo es muy general, ya que casi todos los materiales comunes están hechos de "pequeñas cosas" unidas. Los materiales minerales son generalmente policristalinos : se los puede describir como un mosaico tridimensional de pequeños cristales defectuosos de forma irregular. Los materiales orgánicos suelen estar 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 el mecanismo anterior.
Son pocos los materiales que no provocan reflexión difusa: entre ellos están los metales, que no dejan pasar la luz; los gases, los líquidos, el vidrio y los plásticos transparentes (que tienen una estructura microscópica amorfa parecida a la de los líquidos); 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 de forma difusa si su superficie es microscópicamente rugosa, como en el caso de un vidrio esmerilado (Figura 2), o, por supuesto, si su estructura homogénea se deteriora, como en el caso de las cataratas del cristalino.
Una superficie también puede exhibir tanto reflexión especular como difusa, como es el caso, por ejemplo, de las pinturas brillantes que se usan para pintar en el hogar, que también dan una fracción de reflexión especular, mientras que las pinturas mate dan casi exclusivamente reflexión difusa.
La mayoría de los materiales pueden dar alguna reflexión especular, siempre que su superficie pueda pulirse para eliminar irregularidades comparables con la longitud de onda de la luz (una fracción de un micrómetro). Dependiendo del material y la rugosidad de la superficie, la reflexión puede ser mayoritariamente especular, mayoritariamente difusa o cualquier punto intermedio. Algunos materiales, como los líquidos y los vidrios, carecen de las subdivisiones internas que producen el mecanismo de dispersión subsuperficial descrito anteriormente, y por lo tanto solo dan 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 usan generalmente en los espejos. Todos los demás materiales comunes, incluso cuando están perfectamente pulidos, generalmente no dan más que un pequeño porcentaje de reflexión especular, excepto en casos particulares, como la reflexión de ángulo rasante por un lago, o 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 muy eficiente, como en los materiales blancos, debido a la suma de las muchas reflexiones subsuperficiales.
Hasta aquí se ha hablado de objetos blancos, que no absorben la luz. Pero el esquema anterior sigue siendo válido en el caso de que el material sea absorbente. En este caso, los rayos difusos perderán algunas longitudes de onda durante su recorrido por el material y saldrán coloreados.
La difusión afecta el color de los objetos de manera sustancial porque determina el camino promedio de la luz en el material y, por lo tanto, en qué medida se absorben las diversas longitudes de onda. [6] La tinta roja se ve negra cuando permanece en su botella. Su color vivo solo se percibe cuando se coloca sobre un material que dispersa (por ejemplo, papel). Esto es así porque el camino de la luz a través de las fibras de papel (y a través de la tinta) es solo una fracción de milímetro de largo. Sin embargo, la luz de la botella ha cruzado varios centímetros de tinta y ha sido absorbida en gran medida, incluso en sus longitudes de onda rojas.
Y, cuando un objeto coloreado tiene tanto reflexión difusa como especular, normalmente sólo el componente difuso está coloreado. Una cereza refleja difusamente la luz roja, absorbe todos los demás colores y tiene una reflexión especular que es esencialmente blanca (si la luz incidente es luz blanca). Esto es bastante general, porque, a excepción 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 casi con la misma intensidad.
La gran mayoría de los objetos visibles se ven principalmente por reflexión difusa de su superficie. [7] [8] Las excepciones incluyen objetos con superficies pulidas (que reflejan especularmente) y objetos que emiten luz por sí mismos. 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 desde un objeto incide sobre otros objetos en el área circundante, iluminándolos. La interreflexión difusa describe específicamente la luz reflejada desde objetos que no son brillantes ni especulares . En términos de la vida real, lo que esto significa es que la luz se refleja en superficies no brillantes, como el suelo, las paredes o la tela, para alcanzar áreas que no están directamente a la vista de una fuente de luz. Si la superficie difusa está coloreada , la luz reflejada también está coloreada, lo que da como resultado una coloración similar de los objetos circundantes.
En los gráficos por computadora en 3D , la interreflexión difusa es un componente importante de la iluminación global . Existen varias formas de modelar la interreflexión difusa al renderizar una escena. La radiosidad y el mapeo de fotones son dos métodos que se usan comúnmente.
La espectroscopia de reflectancia difusa se puede utilizar para determinar los espectros de absorción de muestras en polvo en los casos en que la espectroscopia de transmisión no es factible. Esto se aplica a la espectroscopia UV-Vis-NIR o la espectroscopia de infrarrojo medio . [9] [10]