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

吸収率は、入射光子を吸収し、それを熱や電気などの別の形式のエネルギーに変換する材料の能力を表します。ゴムタイヤ、石炭、テレビ、スマートフォンのディスプレイなどの黒い物体は可視光の吸収率が高く、太陽の下に放置すると通常は比較的熱くなります。吸収率の低い物体は、前述したように、透過率のレベルに応じて光を反射するか、透過します。したがって、吸収率の低い材料は窓ガラスや静水ですが、白い紙、木材、アルミニウム、白チョークなども同様です。また、素材（色物）によっては部分的に吸収性のあるものもあります。

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。

材料のこれらの光学特性の合計によって、その材料がどの程度見えやすいか難しいか、つまり 3D スキャナにどの程度適用できるかが決まります。ほとんどの光学機器には、鏡面性、吸収率、透過率が低いオブジェクトやシーンが適しています。3 つの特性のいずれかの度合いを高めることは、基本的な課題です。今日の多くの 3D スキャナーは、一般的に透明で光沢のあるオブジェクトと呼ばれるものに対して満足のいく結果を生み出すのに苦労しています。以下の図は、反射性、鏡面性、吸収性の材料を含む難しいシーンの例を示しています。