난반사

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1. 개요
2. 작동 원리
3. 색상과 난반사
4. 응용 분야
5. 람베르트 반사 및 오렌-나이어 반사
참조

1. 개요

난반사는 빛이 표면에서 모든 방향으로 흩어져 반사되는 현상을 의미한다. 이는 표면의 거칠기보다는 표면 아래의 산란 중심에서 주로 발생하며, 대부분의 재료에서 나타난다. 난반사는 표면의 색상과 컴퓨터 그래픽스, 분광학 등 다양한 분야에서 활용된다. 람베르트 반사와 오렌-나이어 반사는 난반사를 설명하는 모델이다.

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난반사
빛 반사
설명	빛이 거친 표면에 부딪혀 여러 방향으로 흩어지는 현상
특징	반사된 빛은 입사각과 무관하게 모든 방향으로 균등하게 퍼짐
이상적인 확산 반사	램버트 반사
적용 예	종이, 무광택 페인트, 천 등
중요도	물체의 색상과 밝기를 인식하는 데 중요한 역할
세부 사항
반사 방향	빛이 모든 방향으로 반사됨
표면 상태	표면이 거칠고 불규칙함
반사광의 세기	입사각과 무관하게 일정함
색상	표면의 색상을 그대로 반영함
관련 개념
관련 용어	정반사 거울 반사 난반사 램버트의 코사인 법칙

2. 작동 원리

일반적으로 고체에서 빛이 난반사되는 주된 이유는 표면의 거칠기 때문이 아니다. 평평한 표면은 정반사를 일으키는 데 필요하지만, 그렇다고 해서 난반사를 완전히 없앨 수는 없다. 흰 대리석을 아무리 연마해도 거울이 되지 않는 것처럼, 연마를 통해 정반사되는 빛의 양을 늘릴 수는 있지만, 여전히 많은 빛이 난반사된다.

대부분의 빛은 표면 아래의 산란 중심^[2]^[3]에서 여러 번 산란을 거친 후 나타난다. 예를 들어, 눈(雪)은 투명한 얼음 결정으로 이루어져 있지만, 빛이 눈 속으로 들어오면 얼음 결정들 사이의 경계면에서 여러 번 반사와 산란을 반복한다.^[4] 이 과정에서 빛은 무작위적인 방향으로 퍼져나가게 되고, 결국 모든 방향으로 빛이 방출되면서 눈이 하얗게 보이게 된다.^[5]

여기서 "반사"라고 표현했지만, 실제로는 빛의 파장 크기 수준에서 불규칙한 작은 입자들 사이의 경계면에서 발생하는 난반사 현상이다.

이러한 메커니즘은 매우 일반적이다. 대부분의 물질은 작은 입자들이 서로 결합된 구조를 가지기 때문이다. 광물은 다결정 구조로, 유기물은 세포나 섬유질로 구성되어 있으며, 이들의 경계면, 불균일성, 결함 등이 빛을 산란시킨다.

하지만, 빛이 들어가지 않는 금속, 기체, 액체, 유리, 투명 플라스틱(비정질 미세 구조), 단결정(일부 보석, 소금 결정), 눈의 각막, 수정체와 같은 특수한 물질은 난반사를 일으키지 않는다. 그러나 이러한 물질도 표면이 거칠거나(모래입자 유리, 그림 2 참고) 내부 구조가 손상되면(백내장) 난반사를 일으킬 수 있다.

광택이 있는 페인트는 정반사와 난반사가 모두 나타나지만, 무광 페인트는 거의 대부분 난반사만 일어난다.

2. 1. 내부 구조에 의한 산란

일반적으로 고체에서 난반사가 일어나는 주된 원인은 표면의 거칠기 때문이 아니다. 평평한 표면은 정반사를 유도하지만, 그렇다고 해서 난반사를 완전히 없앨 수는 없다. 예를 들어, 흰 대리석을 아무리 연마해도 거울처럼 되지는 않는다. 연마를 통해 정반사되는 빛의 양은 늘릴 수 있지만, 여전히 많은 빛이 난반사된다.

난반사는 주로 표면 아래에서 일어나는 산란 중심^[2]^[3]에 의해 발생한다. 예를 들어, 눈(雪)은 투명한 얼음 결정으로 이루어져 있지만, 빛이 눈 속으로 들어오면 얼음 결정들 사이의 경계면에서 여러 번 반사 및 산란을 반복한다.^[4] 이 과정에서 빛은 무작위적인 방향으로 퍼져나가게 되고, 결국 모든 방향으로 빛이 방출되면서 눈이 하얗게 보이게 된다.^[5]

이러한 현상은 "반사"라고 단순화하여 표현되지만, 실제로는 빛의 파장 크기 수준에서 불규칙한 작은 입자들 사이의 경계면에서 발생하는 난반사 현상이다.

이러한 산란 메커니즘은 매우 일반적인 현상이다. 대부분의 물질은 작은 입자들이 서로 결합된 구조를 가지기 때문이다. 광물은 다결정 구조로, 유기물은 세포나 섬유질로 구성되어 있으며, 이들의 경계면, 불균일성, 결함 등이 빛을 산란시킨다.

하지만, 빛이 들어가지 않는 금속, 기체, 액체, 유리, 투명 플라스틱(비정질 미세 구조), 단결정(일부 보석, 소금 결정), 눈의 각막, 수정체와 같은 특수한 물질은 난반사를 일으키지 않는다. 그러나 이러한 물질도 표면이 거칠거나(모래입자 유리, 그림 2 참고) 내부 구조가 손상되면(백내장) 난반사를 일으킬 수 있다.

광택이 있는 페인트는 정반사와 난반사가 모두 나타나지만, 무광 페인트는 거의 대부분 난반사만 일어난다.

2. 2. 표면 거칠기의 영향

일반적으로 고체에서 난반사가 일어나는 주된 원인은 표면 거칠기 때문이 아니다. 정반사를 위해서는 평평한 표면이 필요하지만, 평평한 표면이 난반사를 완전히 없애지는 못한다. 예를 들어, 흰 대리석을 아무리 연마해도 거울이 되지는 않는데, 이는 연마를 통해 정반사 성분을 강하게 할 수는 있지만, 나머지 반사되는 빛들은 여전히 확산되어 반사되기 때문이다.

난반사의 주요 작동 원리에서 표면 자체는 중요하지 않다. 대부분의 빛은 그림 1과 같이 표면 아래의 산란 중심^[2]^[3]에서 산란을 거친 후 나타난다. 예를 들어, 눈(雪)은 얼음 결정의 다각형으로 이루어져 있는데, 입사된 빛은 첫 번째 입자에서 부분적으로 반사된 후 입자 안으로 들어가고, 두 번째 입자와의 경계면에서 다시 반사되는 과정을 반복한다. 이러한 과정에서 초기 입사광은 여러 방향으로 나누어지고(산란), 나누어진 빛들은 또다시 산란되는 과정을 반복한다.^[4] 이 빛들은 눈 결정(빛을 흡수하지 않음) 속을 지나 모든 방향으로 뻗어 나가게 된다.^[5] 따라서 눈은 투명한 얼음 결정으로 이루어져 있음에도 불구하고 하얗게 보인다.

여기서 "반사들"이라고 언급했지만, 이는 단일 반사 광선이 아니라 각 경계면에서 발생하는 난반사를 의미한다. 경계면은 빛의 파장과 비슷한 크기의 불규칙적인 재질들로 구성된 작은 입자들 간의 접촉면을 말한다.

이러한 작동 원리는 매우 일반적이다. 왜냐하면 대부분의 재료는 서로 붙어 있는 작은 물질들로 이루어져 있기 때문이다. 광물질은 다결정으로, 작고 불규칙한 결함이 있는 결정들의 3차원 모자이크로 묘사될 수 있다. 유기물은 세포나 섬유질로 구성되며, 세포막과 복잡한 내부 구조를 가진다. 각 경계면의 비균질성이나 결함은 빛을 반사하거나 산란시켜 방향을 바꿀 수 있다.

일부 특정한 재질들은 난반사를 일으키지 않는다. 빛이 들어가지 못하는 금속, 기체, 액체, 투명한 플라스틱(비정질 미세 구조), 단결정(소금 결정, 일부 보석 등), 그리고 매우 특수한 유기 재질들(각막, 수정체 등)이 이에 해당한다. 그러나 모래입자 유리(그림 2)처럼 표면이 미세하게 거칠거나, 수정체의 백내장처럼 균질한 구조가 손상되면 난반사를 일으킬 수 있다.

광택 있는 페인트와 같은 표면에서는 정반사와 난반사가 모두 나타날 수 있다. 무광 페인트는 거의 난반사만 보이는 반면, 광택 페인트는 정반사의 일부도 제공한다.

2. 3. 정반사와 난반사

이론적으로 모든 재질은 빛의 파장 크기 수준의 불규칙성을 제거하는 연마를 통해 정반사를 가질 수 있다. 액체나 유리와 같이 내부 경계면 구조가 부족한 일부 재질은 투명하고 정반사만을 가진다. 그러나 연마된 금속(주로 알루미늄이나 은)을 제외한 대부분의 일반적인 재질은 완벽하게 연마하더라도 충분한 정반사를 할 수 없다. 대신 흰 재질에서 발생하는 난반사는 많은 경계면 반사들이 합쳐져 효율이 높을 수 있다.^[2]^[3]

고체에서의 난반사는 일반적으로 표면 거칠기 때문이 아니다. 정반사를 얻으려면 평평한 표면이 필요하지만, 난반사를 방지하지는 않는다. 연마는 정반사를 어느 정도 발생시키지만, 나머지 빛은 계속 난반사된다.

표면이 난반사를 일으키는 가장 일반적인 메커니즘은 표면 아래의 산란 중심^[4]에서 기여한다. 입사 광선은 여러 입자와의 계면에서 반복적으로 반사되며 무작위 방향으로 산란된다.^[5] 이 메커니즘은 매우 일반적인데, 거의 모든 일반적인 재료는 서로 결합된 "작은 것들"로 만들어지기 때문이다.

난반사를 일으키지 않는 물질은 금속, 기체, 액체, 유리, 투명 플라스틱, 단결정, 특수한 생체 조직 등이다. 그러나 이러한 물질도 표면이 거칠거나 내부 구조가 손상되면 난반사를 일으킬 수 있다.

표면은 정반사와 난반사 모두를 나타낼 수 있다. 광택 페인트는 정반사의 일부를 제공하지만, 무광 페인트는 거의 전적으로 난반사를 제공한다.

3. 색상과 난반사

지금까지는 빛을 흡수하지 않는 흰색 물체에 대해 논의했다. 하지만 위의 설명은 물질이 빛을 흡수하는 경우에도 유효하다. 이 경우, 확산된 광선은 물질 내에서 진행하는 동안 일부 파장을 잃게 되고, 색을 띠게 되어 나온다.

확산은 물질 내에서 빛의 평균 경로를 결정하고, 따라서 다양한 파장이 어느 정도 흡수되는지를 결정하기 때문에 물체의 색에 상당한 영향을 미친다.^[6] 붉은 잉크는 병에 담겨 있을 때는 검게 보이지만, 종이와 같이 산란 물질에 놓였을 때는 선명한 색깔이 인지된다. 이는 종이 섬유(및 잉크)를 통과하는 빛의 경로가 밀리미터의 일부분에 불과하기 때문이다. 그러나 병에서 나온 빛은 몇 센티미터의 잉크를 통과했고, 붉은색 파장에서조차도 강하게 흡수되었다.

색깔이 있는 물체가 확산 반사와 정반사를 모두 가지는 경우, 일반적으로 확산 성분만 색깔을 띤다. 벚꽃은 붉은색 빛을 확산 반사하고, 다른 모든 색깔을 흡수하며, 정반사는 본질적으로 흰색이다(입사광이 백색광인 경우). 이것은 대부분의 물질의 반사율이 파장에 따라 거의 변하지 않는 굴절률에 의존하기 때문에 매우 일반적이다. 따라서 모든 색깔이 거의 같은 세기로 반사된다.

4. 응용 분야

확산 상호반사는 어떤 물체에서 반사된 빛이 주변의 다른 물체에 부딪혀 그 물체들을 비추는 과정이다. 특히 반짝이거나 정반사하지 않는 물체에서 반사된 빛을 설명한다. 실제로는 빛이 땅, 벽, 천과 같은 광택이 없는 표면에서 반사되어 광원이 직접 비추지 않는 영역까지 도달하는 것을 의미한다. 확산 표면이 색을 띠고 있다면, 반사된 빛 또한 색을 띠게 되어 주변 물체에도 비슷한 색이 나타난다.

3D 컴퓨터 그래픽스에서 확산 상호반사는 전역 조명의 중요한 구성 요소이며, 라디오시티와 포톤 매핑은 확산 상호반사를 모델링하는 데 사용되는 방법이다.^[9]^[10]

확산 반사 분광법은 투과 분광법이 불가능한 경우 분말 시료의 흡수 스펙트럼을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 UV-Vis-NIR 분광법 또는 중적외선 분광법에 적용된다.^[9]^[10]

4. 1. 조명

확산 상호 반사는 다른 물체에서 반사된 빛이 주변의 다른 물체에 부딪혀 그것들을 비추는 현상이다. 이는 광택이 있는 거울과 같은 물체의 빛 반사를 의미하는 것은 아니다. 지면, 벽, 직물 등과 같이 광택이 없는 표면에서 반사된 빛은 광원이 직접 비추는 곳에서 반사된 것이 아니다. 만약 확산 반사하는 표면에 색이 있다면, 반사광에도 색이 띠게 되고, 결과적으로 주변 물체에도 비슷한 색이 띠게 된다.

3차원 컴퓨터 그래픽스에서 확산 상호 반사는 글로벌 일루미네이션의 중요한 구성 요소이다. 렌더링 시 확산 상호 반사를 모델링하는 방법은 여러 가지가 있는데, 널리 사용되는 방법으로 라디오시티 방법과 포톤 매핑 두 가지가 있다.

4. 2. 분광학

확산 반사 분광법은 투과 분광법이 불가능한 경우 분말 시료의 흡수 스펙트럼을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 UV-Vis-NIR 분광법 또는 중적외선 분광법에 적용된다.^[9]^[10]

확산 반사 스펙트럼의 강도 재현에는 쿠벨카와 문크에 의해 유도된^[12] 다음 식이 사용된다.

:

f(R_\infty ) \equiv \frac{(1-R_\infty)^2}{2R_\infty}=\frac{K}{S}

여기서

f(R_\infty )

는 쿠벨카-문크(Kubelka-Munk) 함수,

R_\infty

는 광 확산 거리에 대해 충분히 두꺼운 샘플에서의 절대 확산 반사율,

K

는 흡수 계수,

S

는 산란 계수이다.

4. 3. 컴퓨터 그래픽스

3차원 컴퓨터 그래픽스에서 확산 상호반사는 글로벌 일루미네이션의 중요한 구성 요소이다. 렌더링 시 확산 상호반사를 모델링하는 방법은 여러 가지가 있다. 널리 사용되는 방법으로 라디오시티 방법과 포톤 매핑 두 가지가 있다.

5. 람베르트 반사 및 오렌-나이어 반사

확산반사의 가장 단순한 근사는 광속이 반구형으로 균일하게 분포하는 람베르트 반사이다. 보다 정확한 모델로는 표면의 요철을 고려한 오렌-나이어 반사가 있다.

참조

_[1] 서적 Photoelectric sensors and controls: selection and application https://books.google[...] CRC Press
_[2] 논문 Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering http://www.cs.berkel[...]
_[3] 논문 A practical model for subsurface light transport http://www.cs.berkel[...]
_[4] 문서 Only primary and secondary rays are represented in the figure.
_[5] 문서 Or, if the object is thin, it can exit from the opposite surface, giving diffuse transmitted light.
_[6] 논문 Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche https://web.archive.[...]
_[7] 서적 The Scattering of Light Academic
_[8] 학술지 Light Scattering by Inhomogeneous Media
_[9] 학술지 Diffuse reflectance measurements by infrared Fourier transform spectrometry
_[10] 서적 Reflectance spectroscopy Principles, methods, applications. Springer
_[11] 서적 Photoelectric sensors and controls: selection and application https://books.google[...] CRC Press
_[12] 논문 Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche

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