材料的光学特性

介绍

由于光子和物质之间的相互作用，我们才能够看到周围的物质及其颜色和鲜艳度。 当光在空间中传播时，光子与其路径中的粒子相互作用，这可能导致光子改变其路径或转换为另一种形式的能量。 光与物体的相互作用方式取决于材料的化学成分，并可以通过三种特性来描述-镜面反射性，吸收性和透射性。 这些特性的大小在材料内随光波长的变化而变化。

镜面反射

镜子、镀铬的表面和窗户玻璃都是高镜面反射材料。这些材料的共同点是它们的表面纹理非常光滑且纹理精细，经常被描述为反射性的（虽然有些不精确）。橡胶、木材、树叶和粉笔是低镜面反射材料。这些物体的共同点是虽然它们很容易看到，但它们不会产生反射。这些材料表面具有非常分散的纹理，这导致入射光几乎均匀地向各个方向散射。因此，不可能在例如粉笔制成的镜子中看到反射。

透射性

透射性描述了材料的透光能力。比如窗户玻璃，清水，某些塑料和环氧树脂，都是具有高透射率的材料。即使光可能会改变方向，被衍射或折射，它也会穿过材料而不是被反射回去。因此，低透射率的材料会反射光，而您将透过它看到后面的景象。

吸收性

吸收性描述了材料吸收入射光子并将其转换为另一种形式的能量（例如热或电）的能力。橡胶轮胎、煤、电视和智能手机显示屏等黑色物体对可见光具有很高的吸收率，并且在阳光下暴露时通常会变得相对较热。如上所述，具有低吸收率的物体会反射或使其穿过，这取决于透射性的级别。因此，具有低吸收率的材料包括玻璃窗和水，同时白纸，木材，铝和白色粉笔的光吸收率也很低。此外，一些材料（有色物体）具有部分光吸收性。

红色和绿色的苹果对除了红色（700 nm）和绿色（530nm）以外的所有波长的可见光的都具有很强的吸收性。出于这个原因，一些结构光扫描仪，例如使用红色激光源的那些，可以在红色物体上获得非常好的结果，而在蓝色物体上则效果很差，即使物体的形状相同。

镜面反射特性和反射特性的典型影响

在处理高度镜面反射和反射的材料时，会发生一些光学效应。

• 由环境或预期光源引起的直接反射的高光。

• 对象之间的相互反射：

  • 从周围物体反射到物体上。

  • 从物体反射到周围物体上。

• 由角平面散射的光引起的低光。

下图是显示了其中一些效果如何发生的示例。

综上所述

下图概述了上述材料的各种光学特性。左边的两幅图说明了不同级别的镜面反射，而左边的图3和4展现了不同的吸收率级别。最右边的图则展示了透射性。

材料的这些光学特性的总和决定了看到它的难易程度，从而决定了它对3D扫描仪的适用性。对于大多数光学仪器来说，具有低镜面反射率、吸收率和透射性的物体和场景是首选。增加这三个属性中的任何一个的程度都会带来挑战。目前许多3D扫描仪都在努力在透明和反光的物体上得到令人满意的结果。下图显示了一个包含了反射、镜面反射和光吸收材料等具有挑战性的场景示例。