Спектральный коэффициент отражения¶

Спектральный коэффициент отражения — физическая величина, характеризующая способность поверхности тела отражать электромагнитное излучение в зависимости от длины волны. Определяется как отношение интенсивности (потока) излучения, отражённого от поверхности, к интенсивности падающего на неё излучения в узком спектральном интервале. Является безразмерной величиной и принимает значения от 0 (полное поглощение) до 1 (полное зеркальное или диффузное отражение).

¶Определение и физический смысл

Спектральный коэффициент отражения (обозначается \( \rho_\lambda \) или \( R(\lambda) \)) описывает долю энергии монохроматического излучения, возвращённую поверхностью в окружающее пространство. В отличие от интегрального (альбедо) коэффициента, учитывающего суммарное отражение по всему спектру, спектральная характеристика позволяет анализировать селективные свойства материалов — избирательность отражения на конкретных длинах волн.

Различают два предельных случая отражения:

• Зеркальное (спекулярное) — угол отражения равен углу падения, характерно для полированных металлов и гладких диэлектриков;
• Диффузное (рассеянное) — отражение равномерно во всех направлениях, свойственно матовым поверхностям (бумага, снег, порошки).

Для реальных материалов коэффициент часто представляет собой сумму зеркальной и диффузной составляющих, соотношение которых зависит от шероховатости поверхности и длины волны.

¶Методы измерения

Измерение спектрального коэффициента отражения проводится с помощью спектрофотометров и рефлектометров. Принцип заключается в сравнении интенсивности отражённого от образца света с эталонным значением (обычно используется свежеприготовленный сульфат бария или спечённый политетрафторэтилен, имеющие коэффициент отражения близкий к 0,98–0,99 в видимом диапазоне).

Стандартные геометрии измерения:

• 8°/диффузное — угол падения 8 градусов, сбор отражённого излучения интегрирующей сферой (наиболее распространено для красок и покрытий);
• диффузное/8° — обратная схема для глянцевых образцов;
• Интегрирующая сфера — позволяет раздельно учитывать зеркальную и диффузную компоненты.

¶Зависимость от свойств материала

Спектральный ход коэффициента отражения определяется электронной структурой вещества, наличием свободных носителей заряда, колебательными модами кристаллической решётки и микроструктурой поверхности.

• Металлы (алюминий, серебро, золото) обладают высоким отражением в инфракрасной области (0,95–0,99) и значительно меньшим в видимой и ультрафиолетовой. Для золота характерен резкий спад отражения для длин волн короче 500 нм, что придаёт ему жёлтый цвет.
• Диэлектрики (стекло, большинство минералов) имеют низкий коэффициент отражения (0,04–0,1 на одну поверхность) в видимой области, но могут обладать полосами высокого отражения в инфракрасном диапазоне (так называемое остаточное излучение — рестрален).
• Полупроводники (кремний, германий) показывают резкое увеличение отражения в области прозрачности и характерные особенности вблизи края собственного поглощения.
• Окрашенные поверхности демонстрируют селективное отражение, определяющее их видимый цвет.

¶Применение

Спектральный коэффициент отражения используется в широком круге научных и прикладных задач:

• Дистанционное зондирование Земли — спектральные отражательные характеристики растительности, почв и водной поверхности лежат в основе мультиспектральной и гиперспектральной съёмки. Нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI) рассчитывается на основе коэффициентов отражения в красном и ближнем инфракрасном каналах.
• Оптические покрытия — проектирование просветляющих, зеркальных и интерференционных покрытий требует точного знания спектральных коэффициентов отражения каждого слоя.
• Тепловидение и радиометрия — в инфракрасном диапазоне коэффициент отражения связан с излучательной способностью тела через закон Кирхгофа, что используется для бесконтактного измерения температуры.
• Лакокрасочная промышленность — контроль цвета и качества покрытий, подбор колеровочных паст.
• Архитектура и энергоэффективность — селективные покрытия окон и солнечных коллекторов подбираются по спектральному отражению для оптимизации тепловых потоков.
• Криминалистика и реставрация — идентификация материалов и пигментов по спектральным кривым отражения.

¶Особенности в различных диапазонах спектра

В ультрафиолетовой области коэффициент отражения большинства материалов невелик из-за сильного поглощения, однако для ряда оксидов (например, оксида магния) наблюдается высокое диффузное отражение. В видимом диапазоне селективность определяет цвет объектов. В инфракрасной области (2,5–25 мкм) отражение чувствительно к составу вещества, что используется в спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения. В микроволновом диапазоне коэффициент отражения гладких водных поверхностей приближается к единице, тогда как сухие почвы отражают слабо.

¶Источники

• ГОСТ 8.654-2016 «Государственная система обеспечения единства измерений. Спектрофотометры в диапазоне длин волн 200–2500 нм. Методика поверки»
• Гуревич М. М. «Фотометрия. Теория, методы и приборы» — Л.: Энергоатомиздат, 1983.
• Кривошеин А. Д., Розенталь А. Л. «Оптические измерения» — М.: Радио и связь, 1981.
• Справочник по лазерной технике / под ред. Ю. В. Байбородина — Киев: Техніка, 1978.
• Nicodemus F. E. «Reflectance Nomenclature and Directional Reflectance and Emissivity» // Applied Optics, 1970, Vol. 9, No. 6.