漫反射

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漫反射 (Diffuse Reflection)
國立臺灣大學物理學系 簡嘉泓

光的漫反射

當一束平行的入射光線射到凹凸不平的粗糙表面時,由於每條入射光皆遵守反射定律,表面會把光線向著四面八方反射(如下圖一),所以入射線雖然互相平行,由於各點的法線方向不一致,造成反射光線無規則地反射,這種反射稱之為「漫反射」或「漫射」,反射的光則稱為漫射光。

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圖一、漫反射。(本文作者簡嘉泓繪)

事實上,許多生活中的物體在微觀尺度下皆具有凹凸不平的表面,透過漫射光,我們才能夠清楚的看見物體的輪廓,最常見的例子即是看電影時,雖然只有一個方向有光源,但透過銀幕的漫反射,使得每個座位上的觀眾都能清楚接收到光的資訊。然而,若物體的表面透過「拋光處理」,則可以減少表面的不均勻,進而減少漫反射的產生。

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圖二、朗伯發射定律。(本文作者簡嘉泓繪)

一般在光學上,以朗伯發射定律 (Lambert’s emission law) 或餘弦發射定律 (cosine emission law) 來計算一個理想的漫射面的漫射光強度,每個方向反射的光強度會與反射光與入射光的夾角有關,夾角越小,強度越強,如上圖二所示。

漫反射的應用─積分球 (integrating sphere)

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圖三、積分球的工作原理。(本文作者簡嘉泓繪)

積分球,是用來精確測量光通量的儀器,其內部為高度反射及漫射的材料組成,當待測光線由輸入孔入射後,光線在此球內部被均勻的反射及漫射,使光的能量充分平均在空腔中,最後將平均後(積分)的結果輸出(上圖三為積分球的工作原理)。相較於傳統的方法,積分球可降低並除去因光線之形狀、發散角度、及在偵測器上不同位置之敏感度差異所造成之量測誤差。

除了測量光通量外,積分球也可以做為光強度衰減器使用,因為光線經過積分球內部後,會被充分平均,而且其輸出強度與輸入強度比約為:光輸出孔之面積 / 積分球內部之表面積,所以透過適當的改變輸出孔面積,便能得到想要的光強度。

聲音的漫反射

除了光的漫反射外,與光有類似性質的聲波,也有漫反射的性質,這項性質的應用在興建建築(或演奏廳)時格外重要,想降低回聲與原聲的干涉,除了透過吸震的材料外,另一個方法即是將聲音漫反射,透過漫反射,能降低「直接反射」的強度,且能夠維持室內聲音的總能量,使一些不插電的表演聽起來不至於太小聲,同時也能增加觀眾聆聽的品質。


參考文獻

  1. Rathsam, J., & Wang, L. M. (2006). A Review of Diffuse Reflections in Architectural Acoustics. In AEI 2006: Building Integration Solutions (pp. 1-7). ASCE.
  2. Diffuse reflection. — Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Diffuse_reflection

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