Ретрорефлектор - Retroreflector

Ретрорефлектор
Corner-Cube.jpg
Золотой уголковый световозвращатель
Использует Измерение расстояния
по оптической линии задержки

Ретрорефлекторное (иногда называемый retroflector или cataphote ) представляет собой устройство , или поверхность , которая отражает излучение (свет) , как правило , обратно к его источнику с минимальным рассеянием . Это работает в широком диапазоне углов падения , в отличие от плоского зеркала , которое делает это только в том случае, если зеркало точно перпендикулярно фронту волны и имеет нулевой угол падения. Направленное отражение ретрофлектора ярче, чем у диффузного отражателя . Угловые отражатели и отражатели « кошачий глаз» являются наиболее часто используемыми.

Типы

Получить световозвращение можно несколькими способами:

Угловой отражатель

Принцип работы углового отражателя
Сравнение влияния углового (1) и сферического (2) световозвращателей на три световых луча. Светоотражающие поверхности нарисованы темно-синим цветом.

Набор из трех взаимно перпендикулярных отражающих поверхностей, образующих внутренний угол куба, работает как ретроотражатель. Три соответствующих вектора нормалей сторон угла образуют основу ( x , y , z ), в которой они представляют направление произвольного входящего луча, [ a , b , c ] . Когда луч отражается от первой стороны, скажем , х, лучевой х компонентным, , восстанавливаются до - , в то время как у - и Z - компоненты остаются неизменными. Следовательно, поскольку луч отражается сначала от стороны x, затем от стороны y и, наконец, от стороны z, направление луча изменяется от [ a , b , c ] к [- a , b , c ] к [- a , - b , c ] к [- a , - b , - c ], и он покидает угол со всеми тремя составляющими его направления в точности на обратное.

Угловые отражатели бывают двух разновидностей. В более распространенной форме угол - это буквально усеченный угол куба из прозрачного материала, такого как обычное оптическое стекло. В этой структуре отражение достигается либо полным внутренним отражением, либо серебрением внешних поверхностей куба. Во второй форме используются взаимно перпендикулярные плоские зеркала, ограничивающие воздушное пространство. Эти два типа имеют схожие оптические свойства.

Большой относительно тонкий световозвращатель может быть сформирован путем объединения множества маленьких угловых отражателей с использованием стандартной шестиугольной мозаики .

Кошачий глаз

В глазах этой кошки хорошо виден свет от световозвращателей типа прозрачной сферы.

Другой распространенный тип ретрорефлектора состоит из преломляющих оптических элементов с отражающей поверхностью, расположенных так, что фокальная поверхность преломляющего элемента совпадает с отражающей поверхностью, обычно это прозрачная сфера и (необязательно) сферическое зеркало. В параксиальном приближении этот эффект может быть достигнут с наименьшей расходимостью с одной прозрачной сферой, когда показатель преломления материала равен ровно единице плюс показатель преломления n i среды, из которой падает излучение (n i составляет около 1 для воздух). В этом случае поверхность сферы ведет себя как вогнутое сферическое зеркало с необходимой кривизной для обратного отражения. На практике оптимальный показатель преломления может быть ниже n i + 1 ≅ 2 из-за нескольких факторов. Во-первых, иногда предпочтительнее иметь несовершенное, слегка расходящееся световозвращение, как в случае дорожных знаков, где углы освещения и наблюдения различаются. Из-за сферической аберрации также существует радиус от центральной линии, на котором падающие лучи фокусируются в центре задней поверхности сферы. Наконец, материалы с высоким показателем преломления имеют более высокие коэффициенты отражения Френеля, поэтому эффективность передачи света из окружающей среды в сферу уменьшается по мере того, как индекс становится выше. Таким образом, коммерческие световозвращающие шарики различаются по индексу от примерно 1,5 (обычные формы стекла) до примерно 1,9 (обычно стекло из титаната бария ).

Проблема сферической аберрации сферического кошачьего глаза может быть решена различными способами, одним из которых является сферически-симметричный градиент показателя преломления внутри сферы, например, в конструкции линзы Люнебурга . Практически это можно аппроксимировать системой концентрических сфер.

Поскольку отражение с обратной стороны для сферы без покрытия является несовершенным, довольно часто добавляют металлическое покрытие на заднюю половину световозвращающих сфер для увеличения отражательной способности, но это означает, что обратное отражение работает только тогда, когда сфера ориентирована в определенном направлении. направление.

В альтернативной форме ретрорефлектора «кошачий глаз» используется обычная линза, сфокусированная на изогнутом зеркале, а не на прозрачной сфере, хотя этот тип гораздо более ограничен в диапазоне углов падения, которые он отражает в обратном направлении.

Термин « кошачий глаз» происходит от сходства ретрорефлектора «кошачий глаз» с оптической системой, которая производит хорошо известное явление «светящихся глаз» или блеска глаз у кошек и других позвоночных (которые только отражают свет, а не светятся на самом деле). Комбинация хрусталика глаза и роговицы формирует рефракционную собирающую систему, в то время как светлый тапетум позади сетчатки образует сферическое вогнутое зеркало. Поскольку функция глаза заключается в формировании изображения на сетчатке, глаз, сфокусированный на удаленном объекте, имеет фокальную поверхность, которая приблизительно соответствует отражающей структуре tapetum lucidum , что является условием, необходимым для формирования хорошего световозвращения.

Этот тип световозвращателя может состоять из множества небольших версий этих структур, включенных в тонкий лист или в краску. В случае краски, содержащей стеклянные шарики, краска приклеивает шарики к поверхности, где требуется световозвращение, и шарики выступают наружу, причем их диаметр примерно в два раза превышает толщину краски.

Фазово-сопряженное зеркало

Третий, гораздо менее распространенный способ изготовления ретрорефлектора - это использование нелинейно-оптического явления фазового сопряжения . Этот метод используется в передовых оптических системах, таких как мощные лазеры и оптические линии передачи . Фазово-сопряженные зеркала отражают приходящую волну, так что отраженная волна точно следует по пути, по которому она прошла ранее, и требует сравнительно дорогостоящего и сложного устройства, а также большого количества энергии (поскольку нелинейные оптические процессы могут быть эффективными только при достаточно высоких значениях мощности). интенсивности). Однако зеркала с ОВФ обладают гораздо большей точностью в направлении обратного отражения, которое в пассивных элементах ограничено механической точностью конструкции.

Операция

Рисунок 1 - Угол наблюдения
Рисунок 2 - Угол входа
Велосипедные световозвращатели

Ретрорефлекторы - это устройства, которые работают, возвращая свет обратно к источнику света в том же направлении света. Коэффициент силы света R I является мерой характеристик рефлектора, которая определяется как отношение силы отраженного света (сила света) к количеству света, попадающему на рефлектор (нормальная освещенность). Отражатель становится ярче по мере увеличения его значения R I.

Значение R I отражателя зависит от цвета, размера и состояния отражателя. Прозрачные или белые отражатели являются наиболее эффективными и кажутся ярче, чем другие цвета. Площадь поверхности отражателя пропорциональна значению R I , которое увеличивается с увеличением отражающей поверхности.

Значение R I также является функцией пространственной геометрии между наблюдателем, источником света и отражателем. На рисунках 1 и 2 показаны угол обзора и угол въезда между фарами автомобиля, велосипеда и водителя. Угол наблюдения - это угол, образованный световым лучом и линией взгляда водителя. Угол обзора зависит от расстояния между фарами и глазом водителя и расстояния до отражателя. Инженеры-транспортники используют угол наблюдения 0,2 градуса для имитации отражателя на расстоянии около 800 футов перед пассажирским автомобилем. По мере увеличения угла наблюдения эффективность отражателя снижается. Например, у грузовика есть большое расстояние между фарой и глазом водителя по сравнению с легковым автомобилем. Отражатель велосипеда кажется водителю легкового автомобиля ярче, чем водителю грузовика на том же расстоянии от транспортного средства до отражателя.

Луч света и нормальная ось рефлектора, как показано на рисунке 2, образуют входной угол. Угол входа зависит от ориентации рефлектора по отношению к источнику света. Например, угол въезда между автомобилем, приближающимся к велосипеду на перекрестке, разнесенном на 90 градусов, больше, чем угол въезда для велосипеда непосредственно перед автомобилем на прямой дороге. Отражатель кажется наиболее ярким для наблюдателя, когда он находится прямо на линии с источником света.

Яркость отражателя также зависит от расстояния между источником света и отражателем. При заданном угле наблюдения, когда расстояние между источником света и отражателем уменьшается, свет, падающий на отражатель, увеличивается. Это увеличивает количество света, возвращаемого наблюдателю, и отражатель становится ярче.

Приложения

По дорогам

Ретрорефлектор и кошачий глаз на велосипеде
Световозвращатели на велосипедной обуви. Источник света - вспышка в нескольких сантиметрах над объективом камеры.
Автомобиль со светоотражающими наклейками

Световозвращение (иногда называемое ретрофлексией) используется на дорожных покрытиях, дорожных знаках , транспортных средствах и одежде (большие части поверхности специальной защитной одежды , реже - на обычных пальто). Когда фары автомобиля освещают световозвращающую поверхность, отраженный свет направляется в сторону автомобиля и его водителя (а не во всех направлениях, как при диффузном отражении ). Однако пешеход может видеть световозвращающие поверхности в темноте только при наличии источника света непосредственно между ними и отражателем (например, через фонарик, который они носят) или непосредственно позади них (например, через автомобиль, приближающийся сзади). « Кошачьи глаза » представляют собой особый тип световозвращателя, встроенного в дорожное покрытие, и используются в основном в Великобритании и некоторых частях США .

Угловые отражатели лучше направляют свет обратно к источнику на большие расстояния, в то время как сферы лучше отправляют свет на приемник, находящийся несколько вне оси от источника, как когда свет от фар отражается в глаза водителя .

Световозвращатели могут быть встроены в дорогу (на уровне дорожного покрытия) или они могут быть подняты над поверхностью дороги. Поднятые отражатели видны на очень больших расстояниях (обычно 0,5–1 километр или более), в то время как утопленные отражатели видны только на очень близких расстояниях из-за более высокого угла, необходимого для правильного отражения света. Поднятые отражатели обычно не используются в районах, где зимой регулярно бывает снег, поскольку проезжающие снегоочистители могут оторвать их от проезжей части. Нагрузка на проезжую часть, вызванная наездом автомобилей на врезанные предметы, также способствует ускоренному износу и образованию выбоин .

Таким образом, световозвращающая дорожная краска очень популярна в Канаде и некоторых частях Соединенных Штатов, поскольку на нее не влияет прохождение снегоуборочных машин и не влияет на внутреннюю часть проезжей части. Если позволяет погода, предпочтительнее использовать встроенные или приподнятые световозвращатели, поскольку они служат намного дольше, чем дорожная краска, которая подвергается атмосферным воздействиям, может быть закрыта осадками или дождем и стирается при проезде транспортных средств.

Для знаков

Для дорожных знаков и операторов транспортных средств источником света являются фары транспортного средства, свет которых направляется на поверхность дорожного знака, а затем возвращается оператору транспортного средства. Световозвращающие поверхности дорожных знаков изготавливаются со стеклянными шариками или призматическими отражателями, встроенными в базовый слой листового покрытия, так что лицевая сторона отражает свет, что делает знак более ярким и видимым для водителя транспортного средства в темных условиях. По данным Национального управления безопасности дорожного движения США (NHTSA), в публикации «Факты о безопасности дорожного движения 2000 года» указывается, что количество ДТП со смертельным исходом во время ночных ДТП в 3-4 раза выше, чем ДТП в дневное время.

Многие люди ошибочно полагают, что световозвращающая способность важна только во время ночных путешествий. Однако в последние годы все больше штатов и агентств требуют, чтобы фары включались в ненастную погоду, такую ​​как дождь или снег. По данным Федерального управления шоссейных дорог США (FHWA): Примерно 24% всех дорожно-транспортных происшествий происходит в неблагоприятную погоду (дождь, мокрый снег, снег и туман). Дождь является причиной 47% аварий, связанных с погодой. Эти статистические данные основаны на 14-летнем среднем показателе с 1995 по 2008 год.

Руководство FHWA по единообразным устройствам управления дорожным движением требует, чтобы знаки были либо освещены, либо изготовлены из световозвращающих листовых материалов, и хотя большинство знаков в США изготавливаются из световозвращающих листовых материалов, они со временем разрушаются. До сих пор было мало информации, чтобы определить, как долго сохраняется световозвращающая способность. MUTCD теперь требует, чтобы агентства поддерживали дорожные знаки на минимальном уровне, но предоставляли различные методы обслуживания, которые агентства могут использовать для соблюдения. Минимальные требования к световозвращающей способности не означают, что агентство должно измерять каждый знак. Скорее, новый язык MUTCD описывает методы, которые агентства могут использовать для поддержания световозвращения дорожных знаков на минимальном уровне или выше.

В Канаде , аэродромное освещение можно заменить соответствующий цветные отражатели, наиболее важными из которых являются белыми отражатели , которые разграничивают края взлетно - посадочную полосы, и должны быть замечены воздушными судами , оборудованных с посадкой зажигает до 2 морских миль.

Корабли, катера, аварийное снаряжение

Световозвращающая лента признана и рекомендована Международной конвенцией по охране человеческой жизни на море ( СОЛАС ) из-за ее высокой отражательной способности как для световых, так и для радиолокационных сигналов. Применение на спасательных плотах, личных плавсредствах и другом защитном снаряжении позволяет легко обнаруживать людей и предметы в воде в ночное время. При применении к поверхности лодки он создает большую радиолокационную сигнатуру - особенно для лодок из стекловолокна, которые сами по себе создают очень слабое радиолокационное отражение. Он соответствует правилам Международной морской организации, IMO Res. A.658 (16) и соответствует спецификации береговой охраны США 46 CFR, часть 164, подраздел 164.018 / 5/0. Примерами коммерчески доступных продуктов являются каталожные номера 3M 3150A и 6750I, а также Orafol Oralite FD1403.

Геодезия

Типичная геодезическая призма с задней целью

При съемке ретрорефлектор, обычно называемый призмой , обычно прикрепляется к геодезической вехе и используется в качестве цели для измерения расстояний с использованием, например, тахеометра . Оператор прибора или робот направляет лазерный луч на ретрорефлектор. Инструмент измеряет время распространения света и преобразует его в расстояние. Призмы используются с геодезическими системами и системами трехмерного мониторинга точек для измерения изменений высоты и положения точки.

В космосе

На Луне

Эксперимент по лазерной локации Аполлона-11

Астронавты на Apollo 11 , 14 и 15 миссий покинули отражатели на Луне в рамках выбора диапазона эксперимента Lunar Laser . В советский Луноход 1 и Луноход 2 марсохода также несут меньшие массивы. Первоначально отраженные сигналы были получены от Лунохода-1 , но с 1971 по 2010 год не было обнаружено никаких обратных сигналов, по крайней мере, частично из-за некоторой неопределенности его местоположения на Луне. В 2010 году он был найден на фотографиях Лунного разведывательного орбитального аппарата, и его снова использовали световозвращатели. Группа Лунохода-2 продолжает возвращать сигналы на Землю. Даже при хороших условиях просмотра каждые несколько секунд принимается только один отраженный фотон. Это затрудняет фильтрацию фотонов, генерируемых лазером, от фотонов естественного происхождения.

На марсе

Аналогичное устройство, Laser Retroreflector Array (LaRA), было встроено в марсоход Mars Perseverance . Ретрорефлектор был разработан Национальным институтом ядерной физики Италии, который построил прибор по заказу Итальянского космического агентства .

Марс Настойчивость ровер - LARA - (работа)

В спутниках

Многие искусственные спутники имеют световозвращатели, поэтому их можно отслеживать с наземных станций . Некоторые спутники были созданы исключительно для лазерной локации. LAGEOS , или спутники лазерной геодинамики, представляют собой серию научно-исследовательских спутников, разработанных для обеспечения эталона орбитальной лазерной локации для геодинамических исследований Земли. Есть два космических аппарата LAGEOS: LAGEOS-1 (запущен в 1976 г.) и LAGEOS-2 (запущен в 1992 г.). В них используются световозвращатели с кубическими уголками из кварцевого стекла. По состоянию на 2020 год оба космических корабля LAGEOS все еще находятся в эксплуатации. В 1999 г. были запущены три спутника STARSHINE, оборудованные ретрорефлекторами. Спутник LARES был запущен 13 февраля 2012 г. (см. Также Список спутников с лазерной локацией )

Другие спутники включают в себя отражатели для калибровки орбиты и определения орбиты, например, в спутниковой навигации (например, все спутники Galileo , большинство спутников ГЛОНАСС , IRNSS спутники , БейДоу , QZSS и два спутника GPS ), а также в спутниковой гравиметрии ( GOCE ) спутник альтиметрию (например, TOPEX / Poseidon , Sentinel-3 ). Ретрорефлекторы также могут использоваться для межспутниковой лазерной локации вместо слежения за землей (например, GRACE-FO ).

В БЛИЦЕ (Ball объектив в пространстве) сферический ретрорефлекторный спутник был выведен на орбиту в рамках сентября 2009 года Союз запуска по Федеральному космическому агентству России при содействии с Международным лазерной локацией службы , независимый органом , первоначально организованный Международной ассоциацией геодезии , Международного астрономического союза и международных комитетов. Центральное бюро ILRS находится в Центре космических полетов имени Годдарда в США . Отражатель, разновидность линзы Люнебурга , был разработан и изготовлен Институтом точного приборостроения (IPIE) в Москве. Миссия была прервана в 2013 году из-за столкновения с космическим мусором .

Оптическая связь в свободном пространстве

Модулированные ретрорефлекторы, в которых отражательная способность изменяется с течением времени тем или иным образом, являются предметом исследований и разработок для сетей оптической связи в свободном пространстве . Основная концепция таких систем заключается в том, что маломощная удаленная система, такая как сенсорная соринка, может принимать оптический сигнал от базовой станции и отражать модулированный сигнал обратно на базовую станцию. Поскольку базовая станция обеспечивает оптическую мощность, это позволяет удаленной системе обмениваться данными без чрезмерного энергопотребления. Модулированные ретрорефлекторы также существуют в виде модулированных зеркал с ОВФ. В последнем случае «обращенная во времени» волна генерируется ИКМ с временным кодированием обращенной по фазе волны (см., Например, SciAm, октябрь 1990 г., «Эффект фоторефракции», Дэвид М. Пеппер и др. . ).

Недорогие угловые ретрорефлекторы используются в управляемой пользователем технике в качестве оптических устройств передачи данных. Прицеливание осуществляется ночью, а необходимая площадь световозвращателя зависит от дальности прицеливания и окружающего освещения от уличных фонарей. Сам оптический приемник ведет себя как слабый ретрорефлектор, поскольку он содержит большую точно сфокусированную линзу, которая обнаруживает освещенные объекты в своей фокальной плоскости. Это позволяет прицеливаться без световозвращателя на короткие дистанции.

Другое использование

Ретрорефлекторы используются в следующих примерах применения:

  • В обычных (не SLR) цифровых камерах сенсорная система часто имеет обратное отражение. Исследователи использовали это свойство, чтобы продемонстрировать систему предотвращения несанкционированных фотографий, обнаруживая цифровые камеры и направляя в объектив сфокусированный луч света.
  • На киноэкранах, чтобы обеспечить высокую яркость в темноте.
  • Программы цифрового композитинга и среды цветного ключа используют ретроотражение для замены традиционных освещенных фонов в композитных работах, поскольку они обеспечивают более сплошной цвет, не требуя, чтобы фон освещался отдельно.
  • В системах Longpath- DOAS используются ретрорефлекторы для отражения света, испускаемого источником света, обратно в телескоп. Затем он подвергается спектральному анализу, чтобы получить информацию о газовых следах в воздухе между телескопом и ретроотражателем.
  • Этикетки со штрих-кодом могут быть напечатаны на световозвращающем материале для увеличения диапазона сканирования до 50 футов.
  • В виде 3D-дисплея ; где световозвращающая пленка и набор проекторов используются для проецирования стереоскопических изображений обратно в глаза пользователя. Использование мобильных проекторов и позиционного отслеживания, установленных на оправе очков пользователя, позволяет создать иллюзию голограммы для компьютерных изображений .
  • Рыбы- фонарики семейства Anomalopidae имеют естественные световозвращатели. См. Tapetum lucidum .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

  • Письма об оптике , Vol. 4 , стр. 190–192 (1979), «Световозвращающие матрицы как приближенные сопряжения фаз», Х. Х. Барретт и С. Ф. Якобс.
  • Оптическая инженерия , Vol. 21 , стр. 281–283 (март / апрель 1982 г.), «Эксперименты с ретро-направленными матрицами», Стивен Ф. Джейкобс.
  • Scientific American , декабрь 1985 г., "Фазовое сопряжение" Владимира Шкунова и Бориса Зельдовича.
  • Scientific American , январь 1986 г., "Применение оптического сопряжения фаз" Дэвида М. Пеппера.
  • Scientific American , апрель 1986 г., "Ученый-любитель" ("Чудеса с ретрорефлектором") Джерла Уокера.
  • Scientific American , октябрь 1990 г., "Эффект фоторефракции" Дэвида М. Пеппера, Джека Файнберга и Николая В. Кухтарева.

внешние ссылки