Les mécanisme d'absorption -réflexion d'une onde électromagnétisme peuvent s'expliquer par les lois de la mécanique classique (celle des ondes électromagnétiques) ou les lois de la mécanique quantique. Attardons nous un instant sur cette dernière approche qui permet de donner une bonne intuition du phénomène. Une onde électromagnétique de longueur d'onde peut d'un point de vue quantique, se voir comme la propagation d'un ensemble de photons d'énergie , où est la constante de plank. Lorsqu'un photon heurte un électron il y transmet son énergie et l'électron passe d'un état au repos à un état excité. L'ensemble des électrons susceptible de changer d'état et la quantité d'énergie que peut absorber chaque électron dans un milieu donné caractérise les longueurs d'ondes du champ électromagnétique incident qui seront absorbées et donc la couleur du milieu.
Le calcul exact du spectre réfléchi requiert donc une connaissance extrêmement précise des caractéristiques du milieu qui est rarement disponible. De plus comme nous l'avons rapidement abordé dans le paragraphe précédent le spectre réfléchie dépend de la géométrie de l'objet qui est souvent connue que d'un point de vue macroscopique quand elle n'est pas totalement inconnue (le plan infini est une abstraction mathématique).
Du fait de ces limitations de nombreux modèles ont été établis afin de rendre compte ne fusse que de façon approximative (voir empirique) des phénomènes de réfraction - absorption.
Il est relativement clair que de nombreux matériaux réfléchissent la lumière de façon très différente. Un pot de céramique et de cuivre auront par exemple des propriétés optiques très différentes. Ces différents types de réflexions seront donc caractérisés par différents modèles décrivant différent types de matériaux. On distingue notamment [Sha85,Hea89,Hun75] :
Notez que les points 1 et 2 indiquent si le phénomène de réflexion est un phénomène de surface. Les points 3 et 4 décomposent les matériaux en fonction des phénomènes optiques se produisant à l'intérieur de ceux ci.
Un autre paramètre important d'une surface est sa rugosité. Ainsi, des matériaux homogènes et parfaitement lisses réfléchissent la lumière dans une direction symétrique au rayon incident par rapport à la normale. Ce phénomène est appelé une réflexion spéculaire. Inversement des matériaux homogènes plus rugueux diffusent la lumière autour de la réflexion spéculaire. L'ensemble des rayons réfléchis est appelé le lobe spéculaire.
L'électromagnétisme permet de décrire les propriétés optiques d'un matériau à l'aide des constantes , et décrivant respectivement la perméabilité magnétique, la permittivité électrique et la conductivité du matériau (Table 2.1). Les propriétés optiques d'un matériau peuvent également être résumées à l'aide d'une seule variable appelée l'indice complexe de réfraction et noté où et sont deux réels. La constante est appelée la part réfractive de . Dans des matériaux n'atténuant pas le signal (), la constante est égale au rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et dans le matériau. La constante est directement impliquée dans l'atténuation de l'onde électromagnétique dans le matériau. En effet l'irradiance d'une onde planaire de fréquence de direction qui heurte le plan est égale à :
Cette atténuation de l'énergie de l'onde incidente ce fait au bénéfice de l'apparition d'un courant appelé courant de surface. La profondeur est appelé la profondeur de peau du matériau. Les constantes et peuvent être calculée en fonction de et en utilisant les lois de Maxwell [SH81] :
Un dernier paramètre fondamental dans la description de la réflexion d'une onde électromagnétique est le Coefficient de Fresnel qui décrit la fraction de l'onde incidente réfléchie par la surface d'un matériau. Dans le cas d'un matériau isotropique et homogène, la réflexion d'une onde non polarisée heurtant une surface lisse avec un angle produit un coefficient de Fresnel égal à :
Les termes et peuvent se déduire de la théorie des ondes électromagnétiques. Toutefois la forme explicite de ces termes n'étant pas utile pour la suite de ce document nous nous contenterons de noter que et peuvent s'exprimer sous forme d'une fraction de termes dépendant de , et .