Trasmissione, riflessione, rifrazione (Parte 3)

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Le fotocamere generalmente registrano l’interazione della luce o delle radiazioni con il soggetto (tranne per soggetti luminosi o che emettono luce) e utilizzano lenti o sistemi ottici per formare un’immagine a sul piano fotografico. Ci sono quattro principali effetti dell’interazione della luce con un oggetto: l’assorbimento, trasmissione, riflessione, rifrazione, il cambiamento chimico. L’assorbimento e la rifrazione si verificano sempre in una qualche misura, mentre la trasmissione avviene nel caso di materia traslucida o trasparente ed il cambiamento chimico avviene in virtù di specifiche situazioni (come il cambio della materia stessa). L’energia luminosa assorbita dal soggetto non è distrutta ma convertita in altro come il calore, o energia elettrica.

La trasmissione

Alcuni materiali trasparenti e traslucidi permettono alla luce di passare completamente, fermo restando una minima perdita per assorbimento. La luce in questione è generalmente detta da trasmettere e la trasmittanza (T) del materiale è il rapporto tra il flusso luminoso emergente ed il flusso luminoso incidente. La trasmissione diretta (talvolta chiamato impropriamente ‘trasmissione speculare’) si riferisce alla luce trasmessa senza dispersione, come per esempio il vetro ottico chiaro. Se avviene l’assorbimento selettivo per particolari lunghezze d’onda, il materiale viene visto come colorato (la luce trasmessa dal materiale in questione è privo di alcune lunghezze d’onda). Se si verifica una dispersione, come accade con dei mezzi trasparente, la luce subisce una trasmissione diffusa che può essere uniforme, direzionale o preferenziale. La trasmittanza di tale mezzo può essere definita sia in generale che riferita ad una direzione specifica.

La riflessione

Trasmissione, riflessione, rifrazione
By Marcelo Reis (Own work) [GFDL (https://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons
 A seconda della natura della superficie, in particolare la sua scorrevolezza, la riflessione della luce può essere diretta o diffusa. La riflessione diretta o speculare è il tipo di riflessione ottenuta da superficie altamente lucida come uno specchio ed è soggetta alle leggi della riflessione.

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La luce incidente sulla superficie viene riflessa con un angolo uguale all’angolo di incidenza. La luminosità della superficie riflettente dipende direttamente dal punto di osservazione. Una superficie perfettamente diffusa o Lambertiana, invece, riflette la luce incidente in tutte le direzioni. In questo caso la sua luminosità o la luminanza è vista come costante a prescindere del punto di osservazione. Va comunque detto che sono poche le superfici lambertiane: le superfici lucide di solito producono una luce diffusa mentre le superfici opache possono mostrare una sorta di “luminescenza”.

La riflessione dalla maggior parte delle superfici combina sia la riflessione diretta che quella diffusa ed è conosciuta come la riflessione mista. A seconda della natura del materiale, dalla proprietà della luce e del suo angolo di incidenza, la luce riflessa può essere parzialmente o completamente polarizzata. Gli oggetti sono visti principalmente dalla luce diffusa riflessa che permette la percezione dei dettagli e delle trame, cosa che non avviene con superfici speculari come specchi.

La Riflettanza (R) è definita come il rapporto tra il flusso luminoso riflesso ed il flusso luminoso incidente e (come la  trasmittanza) può essere definita in termini generali o relativa ad una specifica direzione. Le superfici più comuni hanno una riflettanza compresa tra 0,02 (vernice nera opaca) e 0,9 (specchio).

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La Rifrazione

Trasmissione, riflessione, rifrazione
By GianniG46 (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (https://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Quando un raggio di luce viene trasmesso in un mezzo, la sua direzione viene cambiata al momento in cui colpisce l’oggetto, fatto salvo il caso che il raggio di luce incida perpendicolarmente sulla superfice dell’oggetto stesso. Questa deviazione, o meglio rifrazione, dei raggi è dovuta ad un cambiamento della velocità della luce nel passaggio da un mezzo all’altro. Le lenti utilizzano la rifrazione del vetro per formare le immagini.

La luce viaggia più lentamente in un mezzo più denso ed una diminuzione (o aumento) della velocità provoca una deviazione dalla traiettoria ideale (quella in assenza del mezzo stesso). Il rapporto tra la velocità nello spazio vuoto e quella all’interno del mezzo è noto come indice di rifrazione (n) del mezzo. Per due mezzi con indici di rifrazione n1 e n2 e angoli di incidenza e di rifrazione rispettivamente i ed r, la quantità di rifrazione è data dalla legge di Snell:

n1 sin i = n2 sin r

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Ipotizzando n1 come l’indice di rifrazione dell’aria pari approssimativamente a 1, allora l’indice di rifrazione del mezzo n2 è dato da

n2 = (sin i) / (sin r)

La velocità della luce in un mezzo ottico dipende dalla sua lunghezza d’onda, e l’indice di rifrazione varia in modo non lineare con la lunghezza d’onda, essendo maggiore per la luce blu rispetto alla luce rossa. Quindi un dato valore per l’indice di rifrazione (nλ) si applica solo ad una particolare lunghezza d’onda. Il valore che normalmente viene chiamato nd si riferisce all’indice di rifrazione della lunghezza d’onda della linea d nello spettro dell’elio (587 nm).

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Quando la luce viene trasmessa da vetri ottico o prismi, la rifrazione provoca effetti come la deviazione, la dispersione e la riflessione interna totale. La deviazione è il cambiamento di direzione del raggio emergente rispetto alla direzione del raggio incidente. Nel caso di un blocco di vetro a lati paralleli, il raggio emergente non è deviato rispetto al raggio incidente originale ma è spostato di una dimensione funzione dell’angolo di incidenza e dello spessore del blocco e del suo indice di rifrazione.

Un prisma a lati non paralleli devia il raggio due volte, essendo due le rifrazioni differenti. Lo scostamento dalla linea ideale è funzione dell’angolo di rifrazione del prisma (l’angolo del vertice) nonché del suo indice di rifrazione. Quando la luce bianca è deviata da un prisma è anche dispersa a formare uno spettro. La potenza di un prisma dispersivo non è direttamente legata al suo indice di rifrazione ed è possibile quasi neutralizzare del tutto la dispersione utilizzando due diversi tipi di vetro insieme (non è possibile neutralizzare la deviazione). Negli obiettivi acromatici questo fenomeno permette ai raggi di diverse lunghezze d’onda di essere focalizzati sullo stesso piano.

Per un raggio di luce che emerge da un mezzo denso con indice di rifrazione n2 ed entra in un mezzo meno denso con indice di rifrazione n1, l’angolo di rifrazione è maggiore dell’angolo di incidenza ed aumenta all’aumentare dell’angolo di incidenza fino ad un valore critico (ic ). A questo punto l’angolo di incidenza del raggio non emergerà affatto ma subirà riflessione interna totale (TIR).

L’ angolo di incidenza critico è dato da

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 ic = sin-1 (n1 / n2).

Per l’aria (n1 = 1) e  per il vetro con indice n2 = 1,66, IC è pari a 37 gradi. Il TIR è utilizzato nei prismi riflettori per dare quasi il 100 per cento di riflessione, un valore quindi migliore degli specchi che arrivano al massimo al 95% della riflessione.

Un prisma 45 gradi devierà un fascio di raggi paralleli di 90 gradi. Nel caso il fascio fosse però divergente, l’angolo di incidenza non potrebbe superare l’angolo critico per tutto il fascio: in questi casi può essere necessario metallizzare la superficie riflettente.

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Trasmissione, riflessione, rifrazione