Oberflächenreflexionen

Oberflächenreflexionen bezeichnet die Rückstreuung von Licht an Grenzflächen zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex. Die Reflexion entsteht durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder mit der Elektronenstruktur der Oberfläche und wird durch die Mikrostruktur der Oberfläche beeinflusst.

Es lassen sich zwei Hauptarten unterscheiden: Spekularreflexion, bei der das Licht wie aus einem Spiegel zurückgeworfen wird und eine gerichtete Reflexion in eine bestimmte Richtung liefert; und diffuse Reflexion, bei der das Licht an der Oberfläche in viele Richtungen gestreut wird, was die Oberfläche matt erscheinen lässt. Die tatsächliche Reflexionsverteilung hängt von der Oberflächenrauheit im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts ab.

Theoretisch werden Reflexionen durch Fresnelsche Gesetze beschrieben, die den Anteil des Reflektierten als Funktion des Einfallswinkels und der Polarisation bestimmen. Für realistische Oberflächen werden oft Mikrofacettenmodelle verwendet, bei denen die Oberfläche aus vielen winzigen Flächen besteht, die unterschiedliche Orientierungen haben. Die Reflektivität wird zudem durch die Brechung der Materialgrenzen, also Snell'sches Gesetz, beeinflusst. Bei bestimmten Winkeln kann total innere Reflexion auftreten.

Die Oberflächenreflexion hängt ferner von der Temperatur, der Oberflächenchemie, der Wellenlänge des Lichts und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Messmethoden wie Spektralreflexionsmessungen oder Goniophotometrie charakterisieren Lichtverhalten von Materialien. Anwendungen finden sich in der Optik (Spiegel, Antireflexbeschichtungen), der Computergraphik (BRDF-basierte Shading), der Solarenergie (Minimierung von Reflexionsverlusten) und der Materialwissenschaft (Oberflächencharakterisierung). Beispiele reichen von glänzenden Metallen bis zu matten Kunststoffoberflächen oder glatten Wasseroberflächen.