1.8 Reflexion, Transmission und Absorption

Reflexion ist ein Vorgang, bei dem elektromagnetische Strahlung entweder an der Grenzfläche zwischen zwei Medien (Oberflächenreflexion) oder im Innern eines Mediums (Volumenstreuung) abgelenkt und zurückgeworfen wird, wobei Transmission den Durchgang von elektromagnetischer Strahlung durch ein Medium bezeichnet. Beide Vorgänge können mit Diffusion einhergehen (auch Streuung genannt), bei der ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Ausbreitungsrichtung in verschiedene Richtungen abgelenkt wird. In diesem Fall wird von diffuser Reflexion und diffuser Transmission (s. Abb. 1) gesprochen. Tritt keine Diffusion auf, resultiert daraus, dass bei Reflexion oder Transmission ein Lichtstrahl mit bestimmter Ausbreitungsrichtung in einen Lichtstrahl mit einer bestimmten Richtung abgelenkt wird, gemäß den Gesetzen der geometrischen Optik. (s. Abb. 2). Hierbei spricht man von gerichteter Reflexion (oder Spiegelreflexion) sowie von gerichteter Transmission (oder direkter Transmission). Durch Reflexion, Transmission und Streuung bleibt die Frequenz der Strahlung unverändert. Ausnahme: Der Doppler-Effekt bewirkt eine Frequenzänderung, wenn das reflektierende Material oder die reflektierende Oberfläche in Bewegung sind.

Absorption ist die Umwandlung von Strahlungsfluss in eine andere Energieform, für gewöhnlich Wärmeenergie, bei Wechselwirkung mit der Materie.

• Für die optische Messung dieser Größen Reflexion, Transmission, Absorption und Photolumineszenz sind Ulbrichtkugelmesssysteme geeignet.
• Für die Vermessung von streuenden Proben möchten wir auf ein speziell dafür ausgelegtes Spektralphotometer hinweisen.
• Die Messung der klassischen Transmission und Reflexion in einem Handgerät benötigt Messsysteme mit intelligenten Korrekturmethoden.

Abb. 1: oben: gerichtete, gemischte und diffuse Reflexion, unten: gerichtete, gemischte und diffuse Transmission

Abb. 2: Wird ein Lichtstrahl mit bestimmter Ausbreitungsrichtung direkt reflektiert oder direkt durchgegeben, folgt dieser den Gesetzen der geometrischen Optik:
gerichtete Reflexion (links): αi_n = α_out, gerichtete Transmission (rechts): n₁ · sin(α_in) = n₂ · sin(α_out). n₁ und n₂ bezeichnen die jeweilige Brechzahl des Mediums

Reflexions- ρ, Transmissions- τ und Absorptionsgrad α

Reflexion, Transmission und Absorption hängen im Allgemeinen von der Wellenlänge der betreffenden Strahlung ab. Somit können diese Vorgänge sowohl für monochromatische Strahlung (hierbei wird das Adjektiv „spektral” der jeweiligen Größe beigemessen) sowie für gewisse polychromatische Strahlung quantifiziert werden. Bei polychromatischer Strahlung muss die spektrale Verteilung einfallender Strahlung genau bestimmt werden. Hinzu kommt, dass Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsgrad ebenfalls von Polarisation und geometrischer Verteilung der einfallenden Strahlung abhängen können. Diese müssen ebenfalls genau bestimmt werden.

Mit dem Reflexionsgrad ρ wird das Verhältnis von reflektiertem zu einfallendem Strahlungsfluss gemessen. Für ein bestimmtes Flächenelement dA einer reflektierenden Oberfläche, wird der (differentielle) einfallende Strahlungsfluss berechnet mittels der Bestrahlungsstärke E_e der Oberfläche multipliziert mit der Größe des Oberflächenelements:

dΦ_{e, einfallend} = E_e dA

Der (differentielle) reflektierte Strahlungsfluss ist gegeben durch die Lichtausstrahlung M_e multipliziert mit der Größe des Oberflächenelements:

dΦ_{e, reflektiert} = M_e dA

Daraus resultiert

ρ =	dΦe, reflektiert	=	Me · dA	=	Me
	dΦe, einfallend		Ee · dA		Ee

oder

M_e = ρ E_e

Der Reflexionsgrad wird weiterhin in gerichteten Reflexionsgrad ρ_r und diffusen Reflexionsgrad ρ_d eingeteilt, die durch das Verhältnis von gerichtetem (gespiegeltem) reflektierten Strahlungsfluss und diffusem reflektierten Strahlungsfluss zum einfallenden Strahlungsfluss gegeben sind. Aus dieser Erklärung folgt

ρ = ρ_r + ρ_d

Der Transmissionsgrad τ eines Mediums ist das Verhältnis von durchgegebenem Strahlungsfluss zum einfallenden Strahlungsfluss. Der Transmissionsgrad wird weiterhin in gerichteten Transmissionsgrad τ_r und diffusen Transmissionsgrad τ_d eingeteilt. Sie ergeben sich aus dem Verhältnis von gerichtetem (oder direktem) durchgegebenen Strahlungsfluss und diffusem durchgegebenen Strahlungsfluss zum einfallenden Strahlungsfluss.

Somit ergibt sich

τ = τ_r + τ_d

Der Absorptionsgrad α eines Mediums wird durch das Verhältnis von absorbiertem Strahlungsfluss zu einfallendem Strahlungsfluss definiert.

Der Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsgrad sind dimensionslose Verhältniszahlen berechnet durch Strahlungsflusswerte.

Der Reflexions- und Transmissionsgrad sind Größen, mit denen die lichttechnischen Eigenschaften von Materialien beschrieben werden können. Diese Größen gelten für komplexe Strahlung oder monochromatische Strahlung. Die lichttechnischen Eigenschaften von Materialen können nicht als eine Konstante angesehen werden, da diese von zahlreichen Parametern wie: 

• der Dicke des Körpers,

• den Bedingungen an der Oberfläche,

• dem Einfallswinkel,

• der Temperatur,

• der spektralen Zusammensetzung der Strahlung (Normlichtarten A, B, C, D65 und andere Normlichtarten D der CIE) oder

• Polarisationseffekten

abhängen. Wie die lichttechnischen Eigenschaften von Materialien, die sich der Ulbrichtschen Kugeln bedienen, gemessen werden, ist in DIN 5036-3 und CIE 130-1998 festgehalten.

Eine Beschreibung der wesentlichen Vorgehensweise zur Messung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften wird im Abschnitt Messung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften gegeben.

Strahldichtekoeffizient q_e, bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion
(engl. bidirectional reflectance distribution function, BRDF)

Anhand des Strahldichtekoeffizenten q_e wird die Richtungsverteilung von diffus reflektierter Strahlung beschrieben. D. h., dass der Strahldichtekoeffizent von der Richtung des reflektierten Strahles abhängig ist. Er ist gegeben durch das Verhältnis von der Strahldichte, die in eine bestimmte Richtung reflektiert wird, zur gesamten einfallenden Bestrahlungsstärke Die reflektierte Strahldichte ist im Allgemeinen nicht von der Richtungsverteilung der einfallenden Strahlung abhängig; diese gilt es daher genau zu bestimmen.

In den USA, kommt das Konzept der Reflektanzverteilungsfunktion BRDF dem Strahldichtekoeffizenten nahe. Der Unterschied dabei ist, dass die BRDF eine Funktion ist, die sowohl die Richtung des einfallenden Strahls als auch des reflektierten Strahls beschreibt (siehe Abb. 3). Dies bedeutet, dass die auftreffende (differentielle) Bestrahlungsstärke dEe von einer bestimmten Richtung aus dafür sorgt, dass die reflektierte Strahldichte dLe in eine andere Richtung gelenkt wird, was durch

dL_e = BRDF · dE_e

ausgedrückt wird. Die BRDF hängt von mehr Faktoren als nur vom Strahldichtekoeffizenten ab. Vorteilig dabei ist jedoch, dass mit ihr gleichzeitig die Reflexionseigenschaften von Materialien für sämtliche mögliche Richtungsverteilungen einfallender Strahlung beschrieben werden können, während der Strahldichtekoeffizent im Wesentlichen nur für eine bestimmte Richtungsverteilung einfallender Strahlung zur Anwendung kommt.

Die Einheit des Strahldichtekoeffizenten und der BRDF ist 1/Steradiant. Die BRDF wird häufig mit dem griechischen Buchstaben ρ abgekürzt, wobei es hierbei leicht zur Verwechslung mit der Abkürzung für den Reflexionsgrad kommen kann (siehe obiger Abschnitt: Reflexions- ρ, Transmissions- τ und Absorptionsgrad α).

Abb. 3: Anhand dieser geometrischen Figur wird die Reflektanzverteilungsfunktion BRDF verdeutlicht. 
Die BRDF ist von der Richtung der einfallenden und reflektierten Strahlung abhängig.
Dies ist durch die Winkel ϑ_i und ϑ_r (gemessen in Relation zur Normalen der reflektierenden Oberfläche) und
durch die Azimutwinkel φ_i und φ_r (gemessen in der Ebene der reflektierenden Oberfläche) gegeben.

Quelle (Stand 2002): Basierend auf http://math.nist.gov/~FHunt/appearance/brdf.html