材料の光学特性
導入
光子と物質の相互作用により、私たちは周囲をあらゆる色と鮮やかさで見ることができます。光が空間を通過する際、光子はその経路にある粒子と相互作用し、その結果、光子の進路が変化したり、別の形態のエネルギーに変換されたりすることがあります。光が物体とどのように相互作用するかは、材料の化学組成に依存し、鏡面性、吸収性、透過性という 3 つの特性によって説明できます。これらの特性の大きさは、光の波長の関数として材料内で変化します。
鏡面性
鏡、クロム、窓ガラスは、高い鏡面性を持つ材料の例です。これらの素材は、表面の質感が非常に滑らかでキメが細かいという共通点があり、やや不正確ではありますが、反射性があると表現されることがよくあります。ゴム、木材、葉、チョークは、鏡面性が低い材料です。これらの物体には、見やすくても反射が生じないという共通点があります。材料の表面には非常に拡散したテクスチャがあり、入射光が全方向にほぼ均一に散乱します。したがって、例えばチョークでできた鏡では反射を見ることはできません。
透過率
透過率は、材料が光を透過する能力を表します。窓ガラス、清水、特定のプラスチックおよびエポキシは、透過率の高い材料の例です。光は方向を変えたり、回折したり屈折したりすることがありますが、元の場所に跳ね返されるのではなく、素材を通過します。したがって、透過率が低い素材は代わりに光を反射し、透けて見ることができなくなります。
吸収率
Absorptivity describes a material's ability to absorb an incident photon and convert it to another form of energy, such as heat or electricity. Black objects like rubber tires, coal, TV, and smartphone displays have high absorptivity of visible light and typically get relatively hot when left out in the sun. Objects with low absorptivity will either reflect the light or pass it through, depending on the level of transmissivity (see Transmissivity above). Therefore, materials with low absorptivity include window glass and still water, but also white paper, wood, aluminum, and white chalk. In addition, some materials (colored objects) are partially absorptive.
赤と緑のリンゴは、それぞれ赤 (700 nm) と緑 (530 nm) を除く、可視光のすべての波長をよく吸収します。このため、赤色レーザー光源を使用するものなど、一部の構造化光スキャナーでは、赤色の物体に対して非常に良好な結果が得られます。同時に、青いオブジェクトについては、たとえオブジェクトの形状が同じであっても、非常に悪い結果が得られます。
鏡面性と反射率の一般的な効果
鏡面性と反射性が高い材料を扱う場合、いくつかの光学効果が発生します。
周囲の光源または意図した光源による直接反射によるハイライト。
オブジェクト間の相互反射:
周囲の物体から物体への反射。
オブジェクトから周囲のオブジェクトへの反射。
光が角のある面から散乱することによって生じるローライト。
以下の画像は、これらの効果の一部がどのように発生するかを示す例です。
まとめ
以下の画像は、上で説明した材料のさまざまな光学特性の概要を示しています。左の 2 つの図は、異なるレベルの鏡面性を示し、左から 3 番目と 4 番目の図は、異なる吸収率のレベルを示しています。一番右の図は透過率を示しています。
The sum of these optical properties of a material determines how easy or difficult it is to see it and thus how applicable it is for a 3D scanner. Objects and scenes that have low specularity, absorptivity, and transmissivity are preferable for most optical instruments. Increasing the degree of any of the three properties is the fundamental challenge. Many 3D scanners today are struggling to produce satisfactory results on what we typically refer to as transparent and shiny objects. For practical guidance on capturing these materials with a Zivid camera, see ハイライトと光沢のあるオブジェクトへの対処 and Dealing with Transparent Objects. The figure below shows an example of a challenging scene containing both reflective, specular, and absorptive materials.
