Le reflet spéculaire - Specular reflection

Condition coplanaire de réflexion spéculaire, dans laquelle .
Les réflexions sur l'eau calme sont un exemple de réflexion spéculaire.

La réflexion spéculaire , ou réflexion régulière , est la réflexion semblable à un miroir des ondes , telles que la lumière , à partir d'une surface.

La loi de la réflexion stipule qu'un rayon de lumière réfléchi émerge de la surface réfléchissante au même angle par rapport à la normale à la surface que le rayon incident, mais du côté opposé de la surface normale dans le plan formé par les rayons incident et réfléchi. Ce comportement a été décrit pour la première fois par Hero of Alexandria ( AD c. 10-70).

La réflexion spéculaire peut être contrastée avec la réflexion diffuse , dans laquelle la lumière est dispersée loin de la surface dans une gamme de directions.

Loi de la réflexion

Réflexion spéculaire d'une sphère métallique humide
Réflexion diffuse d'une boule de marbre

Lorsque la lumière rencontre une limite d'un matériau, elle est affectée par les fonctions de réponse optique et électronique du matériau aux ondes électromagnétiques. Les processus optiques, qui comprennent la réflexion et la réfraction , sont exprimés par la différence de l'indice de réfraction des deux côtés de la frontière, tandis que la réflectance et l' absorption sont les parties réelles et imaginaires de la réponse due à la structure électronique du matériau. Le degré de participation de chacun de ces processus à la transmission est fonction de la fréquence, ou longueur d'onde, de la lumière, de sa polarisation et de son angle d'incidence. En général, la réflexion augmente avec l'augmentation de l'angle d'incidence et avec l'augmentation de l'absorptivité à la limite. Les équations de Fresnel décrivent la physique à la frontière optique.

La réflexion peut se produire sous forme de réflexion spéculaire ou de type miroir et de réflexion diffuse . La réflexion spéculaire reflète toute la lumière qui arrive d'une direction donnée sous le même angle, tandis que la réflexion diffuse reflète la lumière dans une large gamme de directions. La distinction peut être illustrée par des surfaces recouvertes de peinture brillante et de peinture mate . Les peintures mates présentent une réflexion diffuse essentiellement complète, tandis que les peintures brillantes présentent une plus grande composante de comportement spéculaire. Une surface construite à partir d'une poudre non absorbante, telle que le plâtre, peut être un diffuseur presque parfait, tandis que les objets métalliques polis peuvent réfléchir la lumière de manière spéculaire très efficacement. Le matériau réfléchissant des miroirs est généralement en aluminium ou en argent.

La lumière se propage dans l'espace sous la forme d'un front d'onde de champs électromagnétiques. Un rayon lumineux est caractérisé par la direction normale au front d' onde ( onde normale ). Lorsqu'un rayon rencontre une surface, l'angle que fait la normale d'onde par rapport à la normale à la surface est appelé angle d'incidence et le plan défini par les deux directions est le plan d'incidence . La réflexion du rayon incident se produit également dans le plan d'incidence.

La loi de la réflexion stipule que l'angle de réflexion d'un rayon est égal à l'angle d'incidence et que la direction incidente, la normale à la surface et la direction réfléchie sont coplanaires .

Lorsque la lumière frappe perpendiculairement à la surface, elle est réfléchie directement dans la direction de la source.

Le phénomène de réflexion résulte de la diffraction d'une onde plane sur une frontière plane. Lorsque la taille de la frontière est beaucoup plus grande que la longueur d'onde , les champs électromagnétiques à la frontière oscillent exactement en phase uniquement pour la direction spéculaire.

Formulation vectorielle

La loi de la réflexion peut également être exprimée de manière équivalente en utilisant l'algèbre linéaire . La direction d'un rayon réfléchi est déterminée par le vecteur d'incidence et le vecteur normal de surface . Étant donné une direction incidente de la surface à la source lumineuse et la direction normale de la surface, la direction réfléchie spéculairement (tous les vecteurs unitaires ) est :

où est un scalaire obtenu avec le produit scalaire . Différents auteurs peuvent définir les directions d'incident et de réflexion avec des signes différents . En supposant que ces vecteurs euclidiens soient représentés sous forme de colonne , l'équation peut être exprimée de manière équivalente sous la forme d'une multiplication matrice-vecteur :

où est la matrice de transformation dite de Householder , définie comme :

en termes de matrice d'identité et deux fois le produit extérieur de .

Réflectivité

La réflectivité est le rapport entre la puissance de l'onde réfléchie et celle de l'onde incidente. C'est une fonction de la longueur d'onde du rayonnement, et est liée à l'indice de réfraction du matériau tel qu'exprimé par les équations de Fresnel . Dans les régions du spectre électromagnétique où l'absorption par le matériau est importante, elle est liée au spectre d'absorption électronique à travers la composante imaginaire de l'indice de réfraction complexe. Le spectre d'absorption électronique d'un matériau opaque, difficile ou impossible à mesurer directement, peut donc être indirectement déterminé à partir du spectre de réflexion par une transformée de Kramers-Kronig . La polarisation de la lumière réfléchie dépend de la symétrie de l'agencement de la lumière de sondage incidente par rapport aux transitions absorbant les moments dipolaires dans le matériau.

La mesure de la réflexion spéculaire est effectuée avec des spectrophotomètres à réflexion à incidence normale ou variable ( réflectomètre ) en utilisant une source lumineuse à balayage à longueur d'onde variable. Les mesures de qualité inférieure à l'aide d'un brillancemètre quantifient l'aspect brillant d'une surface en unités de brillance .

Conséquences

Réflexion interne

Lorsque la lumière se propage dans un matériau et frappe une interface avec un matériau d' indice de réfraction inférieur , une partie de la lumière est réfléchie. Si l'angle d'incidence est supérieur à l' angle critique , il se produit une réflexion interne totale : toute la lumière est réfléchie. On peut montrer que l'angle critique est donné par

Polarisation

Lorsque la lumière frappe une interface entre deux matériaux, la lumière réfléchie est généralement partiellement polarisée . Cependant, si la lumière frappe l'interface à l'angle de Brewster , la lumière réfléchie est complètement polarisée linéairement parallèlement à l'interface. L'angle de Brewster est donné par

Images réfléchies

L'image dans un miroir plat a ces caractéristiques :

  • C'est la même distance derrière le miroir que l'objet est devant.
  • C'est la même taille que l'objet.
  • C'est dans le bon sens (dressé).
  • Il est inversé.
  • Il est virtuel , c'est-à-dire que l'image semble être derrière le miroir et ne peut pas être projetée sur un écran.

L'inversion des images par un miroir plan est perçue différemment selon les circonstances. Dans de nombreux cas, l'image dans un miroir semble être inversée de gauche à droite. Si un miroir plat est monté sur le plafond , il peut sembler inverser haut et vers le bas si une personne se tient sous et lève les yeux vers elle. De même, une voiture qui tourne à gauche semblera toujours tourner à gauche dans le rétroviseur pour le conducteur d'une voiture qui la précède. L'inversion des directions, ou leur absence, dépend de la façon dont les directions sont définies. Plus précisément, un miroir modifie le sens manuel du système de coordonnées, un axe du système de coordonnées semble être inversé et la chiralité de l'image peut changer. Par exemple, l'image d'une chaussure droite ressemblera à une chaussure gauche.

Exemples

Esplanade du Trocadéro à Paris après la pluie. La couche d'eau présente une réflexion spéculaire, reflétant une image de la Tour Eiffel et d'autres objets.

Un exemple classique de réflexion spéculaire est un miroir , qui est spécialement conçu pour la réflexion spéculaire.

En plus de la lumière visible , la réflexion spéculaire peut être observée dans la réflexion ionosphérique des ondes radio et la réflexion des signaux radar radio ou micro - ondes par des objets volants. La technique de mesure de la réflectivité des rayons X exploite la réflectivité spéculaire pour étudier les couches minces et les interfaces avec une résolution inférieure au nanomètre, en utilisant soit des sources de laboratoire modernes, soit des rayons X synchrotron .

Les ondes non électromagnétiques peuvent également présenter une réflexion spéculaire, comme dans les miroirs acoustiques qui reflètent le son et les miroirs atomiques , qui reflètent les atomes neutres . Pour la réflexion efficace des atomes à partir d'un miroir à l' état solide , des atomes très froids et/ou une incidence rasante sont utilisés afin de fournir une réflexion quantique significative ; les miroirs striés sont utilisés pour améliorer la réflexion spéculaire des atomes. La réflectométrie neutronique utilise la réflexion spéculaire pour étudier les surfaces des matériaux et les interfaces des couches minces d'une manière analogue à la réflectivité des rayons X.

Voir également

Remarques

Les références