Oberflächenreflexion

Oberflächenreflexion bezeichnet die Wechselwirkung von Licht mit einer Grenzfläche, bei der ein Teil der einfallenden Strahlung in das Medium zurückreflektiert wird. Die Reflexion hängt vom Einfallswinkel, der Oberflächenbeschaffenheit und dem optischen Charakter des Materials ab und kann in diffuse und spekulare (spiegelartige) Reflexion unterteilt werden.

Diffuse Reflexion entsteht an rauen Oberflächen, an denen das Licht in viele Richtungen gestreut wird. Das klassisch beschriebene Verhalten folgt dem Lamberttschen Gesetz: Die aus einer Fläche austretende Intensität ist proportional zum Kosinus des Einfallswinkels zur Oberflächennormalen und nahezu unabhängig vom Beobachterwinkel, sofern die Oberfläche homogen ist.

Spekulare Reflexion erfolgt an glatten Oberflächen, wobei der reflektierte Strahl im gleichen Einfallswinkel zur Normalen austritt. Die Stärke der Reflexion hängt von der Brechung, dem Einfallswinkel und der Polarisation ab und wird durch die Fresnel-Gleichungen beschrieben. Aus dem Zusammenspiel dieser Faktoren ergeben sich je nach Material und Winkel charakteristische Glanzpunkte.

In realen Oberflächen wirkt oft eine Mischung beider Erscheinungen. Mikrofacet-Modelle beschreiben Oberflächen als Ansammlung kleiner Spiegelchen mit unterschiedlicher Orientierung; die Verteilung dieser Orientierung bestimmt, wie breit oder scharf eine Spiegelung erscheint (Rauheit). Dadurch lassen sich komplexe Reflektionsmuster erzeugen, von matt bis glänzend. Die Modellierung erfolgt häufig über die BRDF (Bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion) und berücksichtigt auch spektrale Abhängigkeiten und Polarisation.

Die Gesamtreflexion wird durch den Reflexionsgrad beschrieben. Einflussgrößen sind der Brechungsindex, die Wellenlänge und die Oberflächenbeschaffenheit. In Anwendungen spielt Oberflächenreflexion eine zentrale Rolle: optische Beschichtungen und Spiegel, Fotografie und Computergraphik (BRDF-Modelle), Solar- und Lichttechnik sowie Sensorik.