【GPU Gems 学习笔记】Iridescence : Simulating Diffraction_1

一. 光学现象

物体表面受光呈现七彩色，且会随着光照方向或观察视角的不同而改变，这是一种光学现象，比如说常见的彩虹。

彩虹是由于水滴中光的反射、折射和色散引起的。因为空气中存在的小水珠对各种频率的光具有不同的折射率，使各种色光的传播方向在进入和离开小水珠时各发生一次不同程度的偏折，使复色光分解为单色光，从而形成光谱产生的。

再比如混合了油的水和肥皂泡也有"彩虹"现象，这是由于薄膜干涉引起的。薄膜干涉是由两个或者多个半透明表面对光线进行多次反射，使光线之间产生光程差并且发生干涉，通过放大或者削弱某些光频率而产生的。

除了干涉，衍射同样也能产生该现象。比如CD，DVD光盘。光盘用于存储数据，因此表面被用激光刻上了很多不同间距的凹槽和刻线，这样光盘的表面就类似于光栅表面，当光线照射到光盘表面时，光线发生衍射，不同波长的光波衍射的角度不同，形成了衍射光谱。

一些动植物的表面也会有这种现象，比如光与昆虫表面的微结构形成的衍射光栅发生作用。

二. 光波

光具有波粒二象性，人们常常将光建模为其中一种。大多数的阴影模型将光看做均匀粒子粒子的合集，它们的表现就像打台球一样沿直线传播，当光线射向表面时，它会以相同的入射角反射。这些表面就像理想的镜子完美地反射光线。我们称之为"镜面反射"。

在现实中，大多数物体表现出另一种类型的反射。当一束光照射到表面时，它会分散在各个方向，这赋予物体一种统一且分散的颜色。不同于"完美的镜面反射"那样只能在特定角度观察到反射光，观察者能从各个方向看到反射光。我们称其为”漫反射“。

我们常见的Lambert光照模型，和Blinn-Phong反射模型，就分别解释模拟了漫反射与镜面反射现象，但同样也是把光看做粒子的集合。基于粒子的建模固然能解决许多问题，然而它却模拟不了“彩虹”现象。

原因是将光视为粒子这种大规模简化的做法，使光受到了额外因素的影响。如果两束光照射到观察者，他们的强度就会增加。表面发出的射线越多，它就越亮，而事实上并非如此。如果两束光照射到观察者，最终的颜色是取决于他们的波是如何相互作用的。下面展示了两个简单的正弦波如何根据相位放大或相互抵消。

当两波处于相位时，意味着它们的波峰和波谷是完全一致的：在这种情况下，产生的波被放大。当相反的情况发生时，他们会互相抵消。这意味着，如果在某些情况下，两束光击中了观察者，会像完全没有收到任何光一样。

波的相互作用并不奇怪，只是大多时候我们习惯于把光做为粒子看待了。在之前的文章中就提到过使用波函数来模拟水面，也展示了波之间的叠加效应(增强或者削弱)。

不同波长的光对应不同的颜色，一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760nm之间，当复合光照射到某些物体表面，不同波长的光的相互作用，放大了其中一些颜色，削弱了其他颜色，从而出现了“彩虹”。

三. 衍射

当我们把光看成是一种波时，由于波之间会相互叠加，因此一些新的行为就出现了。其中一个叫做干涉，一个叫做衍射。

衍射与干涉

光的干涉是指两束或者有限束光的叠加，使得某些区域震动加强，某些区域减弱，形成明暗条纹，且每束光线都按几何光学直线传播；

光的衍射是指光遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。衍射现象其实是无数个子波叠加时产生干涉的结果，即衍射现象的本质也是干涉现象。

干涉是有限，衍射是无限，本质都是相干。从数学角度来看，干涉是求和，涉射则是积分。

在实际问题中，纯干涉是不存在的，通常都是干涉和衍射的综合效应。但在许多教科书和资料中，总是把纯干涉问题称为干涉，而将纯衍射，干涉和衍射的混合问题统称为衍射。事实上干涉和衍射的区别是很难定义的，只是术语用途的问题，不过一般来说，“干涉”指代有限多个波束“相加”的结果，而“衍射”则是无限多个波束“积分”的结果。

干涉和衍射都是光的波动性的表征。