Ретрорефлектор (иногда называемый ретрофлектором или катафотом ) — это устройство или поверхность, которая отражает излучение (обычно свет ) обратно к его источнику с минимальным рассеиванием . 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, имея нулевой угол падения. Будучи направленным, отражение ретрорефлектора ярче, чем у диффузного отражателя . Уголковые отражатели и отражатели «кошачий глаз» являются наиболее используемыми типами.
Существует несколько способов получения ретрорефлексии: [1]
Набор из трех взаимно перпендикулярных отражающих поверхностей, размещенных для формирования внутреннего угла куба, работает как ретрорефлектор. Три соответствующих нормальных вектора сторон угла образуют базис ( x , y , z ), в котором можно представить направление произвольного входящего луча, [ a , b , c ] . Когда луч отражается от первой стороны, скажем, x, x -компонента луча, a , меняется на − a , в то время как y- и z -компоненты остаются неизменными. Поэтому, когда луч отражается сначала от стороны x, затем от стороны y и, наконец, от стороны z, направление луча идет от [ a , b , c ] к [− a , b , c ], затем к [− a , − b , c ] и к [− a , − b , − c ] , и он покидает угол со всеми тремя компонентами своего направления, точно измененными на противоположные.
Уголковые отражатели бывают двух видов. В более распространенной форме угол — это буквально усеченный угол куба из прозрачного материала, такого как обычное оптическое стекло. В этой конструкции отражение достигается либо за счет полного внутреннего отражения , либо за счет серебрения внешних поверхностей куба. Во второй форме используются взаимно перпендикулярные плоские зеркала, охватывающие воздушное пространство. Эти два типа имеют схожие оптические свойства.
Большой относительно тонкий ретрорефлектор можно сформировать, объединив множество маленьких уголковых отражателей, используя стандартную шестиугольную мозаику .
Другой распространенный тип ретрорефлектора состоит из преломляющих оптических элементов с отражающей поверхностью, расположенных таким образом, что фокальная поверхность преломляющего элемента совпадает с отражающей поверхностью, обычно прозрачной сферой и (опционально) сферическим зеркалом. В параксиальном приближении этот эффект может быть достигнут с наименьшей расходимостью с помощью одной прозрачной сферы, когда показатель преломления материала равен точно единице плюс показатель преломления n i среды, из которой падает излучение (n i составляет около 1 для воздуха). В этом случае поверхность сферы ведет себя как вогнутое сферическое зеркало с требуемой кривизной для ретрорефлексии. На практике оптимальный показатель преломления может быть ниже, чем n i + 1 ≅ 2, из-за нескольких факторов. Во-первых, иногда предпочтительнее иметь несовершенное, слегка расходящееся ретрорефлексию, как в случае дорожных знаков, где углы освещения и наблюдения различны. Из-за сферической аберрации также существует радиус от центральной линии, на котором падающие лучи фокусируются в центре задней поверхности сферы. Наконец, материалы с высоким индексом имеют более высокие коэффициенты отражения Френеля, поэтому эффективность передачи света из окружающей среды в сферу уменьшается по мере увеличения индекса. Таким образом, коммерческие световозвращающие шарики варьируются по индексу от примерно 1,5 (обычные формы стекла) до примерно 1,9 (обычно стекло титаната бария ).
Проблему сферической аберрации со сферическим кошачьим глазом можно решить разными способами, одним из которых является сферически симметричный градиент индекса внутри сферы, например, в конструкции линзы Люнебурга . На практике это можно аппроксимировать системой концентрических сфер. [2]
Поскольку отражение на обратной стороне сферы без покрытия несовершенно, довольно часто на заднюю половину световозвращающих сфер наносят металлическое покрытие, чтобы увеличить отражательную способность, но это означает, что световозвращающее отражение работает только тогда, когда сфера ориентирована в определенном направлении.
Альтернативная форма ретрорефлектора «кошачий глаз» использует обычную линзу, сфокусированную на изогнутом зеркале, а не на прозрачной сфере, хотя этот тип гораздо более ограничен в диапазоне углов падения, под которыми он отражает свет.
Термин «кошачий глаз» происходит от сходства ретрорефлектора кошачьего глаза с оптической системой, которая производит известный феномен «светящихся глаз» или блеска глаз у кошек и других позвоночных (которые только отражают свет, а не светятся на самом деле). Сочетание хрусталика глаза и роговицы образует преломляющую конвергентную систему, в то время как tapetum lucidum за сетчаткой образует сферическое вогнутое зеркало. Поскольку функция глаза заключается в формировании изображения на сетчатке, глаз, сфокусированный на удаленном объекте, имеет фокальную поверхность, которая приблизительно следует отражающей структуре tapetum lucidum , [ требуется цитата ] , что является условием, необходимым для формирования хорошего ретрорефлекса.
Этот тип ретрорефлектора может состоять из множества небольших версий этих структур, встроенных в тонкий лист или в краску. В случае краски, содержащей стеклянные шарики, краска приклеивает шарики к поверхности, где требуется ретроотражение, и шарики выступают, их диаметр примерно в два раза больше толщины краски.
Третий, гораздо менее распространенный способ создания ретрорефлектора — использование нелинейного оптического явления фазового сопряжения . Этот метод используется в передовых оптических системах, таких как мощные лазеры и оптические линии передачи . Фазосопряженные зеркала [3] отражают входящую волну так, что отраженная волна точно следует по пути, по которому она прошла ранее, и требуют сравнительно дорогого и сложного аппарата, а также большого количества энергии (поскольку нелинейные оптические процессы могут быть эффективными только при достаточно высоких интенсивностях). Однако фазосопрягающие зеркала имеют изначально гораздо большую точность в направлении ретроотражения, которая в пассивных элементах ограничена механической точностью конструкции.
Ретрорефлекторы — это устройства, которые работают, возвращая свет обратно к источнику света вдоль того же направления света. Коэффициент силы света, R I , является мерой производительности рефлектора, которая определяется как отношение силы отраженного света (силы света) к количеству света, падающего на рефлектор (нормальная освещенность). Рефлектор кажется ярче по мере увеличения его значения R I . [1]
Значение R I отражателя зависит от цвета, размера и состояния отражателя. Прозрачные или белые отражатели наиболее эффективны и выглядят ярче, чем другие цвета. Площадь поверхности отражателя пропорциональна значению R I , которое увеличивается с увеличением отражающей поверхности. [1]
Значение R I также является функцией пространственной геометрии между наблюдателем, источником света и отражателем. На рисунках 1 и 2 показаны угол наблюдения и угол входа между фарами автомобиля, велосипедом и водителем. Угол наблюдения — это угол, образованный световым лучом и линией зрения водителя. Угол наблюдения — это функция расстояния между фарами и глазом водителя, а также расстояния до отражателя. Инженеры по дорожному движению используют угол наблюдения 0,2 градуса для имитации цели отражателя примерно в 800 футах перед легковым автомобилем. По мере увеличения угла наблюдения эффективность отражателя снижается. Например, у грузовика 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. [1]
Световой луч и нормальная ось отражателя, как показано на рисунке 2, образуют угол входа. Угол входа является функцией ориентации отражателя по отношению к источнику света. Например, угол входа между автомобилем, приближающимся к велосипеду на перекрестке на 90 градусов, больше, чем угол входа для велосипеда, идущего прямо перед автомобилем на прямой дороге. Отражатель кажется наблюдателю наиболее ярким, когда он находится прямо на одной линии с источником света. [1]
Яркость отражателя также является функцией расстояния между источником света и отражателем. При заданном угле наблюдения, по мере уменьшения расстояния между источником света и отражателем, свет, падающий на отражатель, увеличивается. Это увеличивает количество света, возвращаемого наблюдателю, и отражатель кажется ярче. [1]
.gif/1280px-Bicycle_Safety_(using_retroreflector_and_Cat-Eye_showing_day_&_night_difference).gif)
Световозвращающее отражение (иногда называемое ретрорефлексией) используется на дорожных покрытиях, дорожных знаках , транспортных средствах и одежде (большие части поверхности специальной защитной одежды , в меньшей степени на обычных пальто). Когда фары автомобиля освещают световозвращающую поверхность, отраженный свет направляется на автомобиль и его водителя (а не во всех направлениях, как при диффузном отражении ). Однако пешеход может видеть световозвращающие поверхности в темноте только в том случае, если источник света находится непосредственно между ними и отражателем (например, через фонарик, который они носят) или непосредственно за ними (например, через приближающийся сзади автомобиль). « Кошачьи глаза » — это особый тип световозвращателя, встроенного в дорожное покрытие, и используются в основном в Великобритании и некоторых частях Соединенных Штатов .
Угловые отражатели лучше передают свет обратно к источнику на большие расстояния, в то время как сферы лучше передают свет к приемнику, расположенному несколько вне оси источника, например, когда свет фар отражается в глаза водителя .
Световозвращатели могут быть встроены в дорогу (вровень с поверхностью дороги) или подняты над поверхностью дороги. Поднятые отражатели видны на очень большом расстоянии (обычно 0,5–1 км и более), в то время как утопленные отражатели видны только на очень близком расстоянии из-за большего угла, необходимого для надлежащего отражения света. Поднятые отражатели, как правило, не используются в районах, где зимой регулярно выпадает снег, так как проезжающие снегоочистители могут оторвать их от проезжей части. Нагрузка на проезжую часть, вызванная наездом автомобилей на заглубленные объекты, также способствует ускоренному износу и образованию выбоин .
Таким образом, световозвращающая дорожная краска очень популярна в Канаде и некоторых частях Соединенных Штатов, поскольку она не подвержена влиянию снегоочистителей и не влияет на внутреннюю часть проезжей части. Там, где позволяет погода, предпочтительны встроенные или приподнятые световозвращатели, поскольку они служат намного дольше, чем дорожная краска, которая выветривается под воздействием стихий, может быть затемнена осадками или дождем и смывается проезжающими транспортными средствами.
Для дорожных знаков и водителей транспортных средств источником света являются фары транспортного средства, где свет направляется на лицевую сторону дорожного знака, а затем возвращается водителю транспортного средства. Световозвращающие лицевые стороны дорожных знаков изготавливаются с использованием стеклянных шариков или призматических отражателей, встроенных в базовый слой листа, так что лицевая сторона отражает свет, тем самым делая знак более ярким и заметным для водителя транспортного средства в темных условиях. По данным Национальной администрации безопасности дорожного движения США (NHTSA), в публикации Traffic Safety Facts 2000 говорится, что смертельный уровень аварий в 3-4 раза выше во время ночных аварий, чем в дневных.
Многие ошибочно полагают, что световозвращающая способность важна только во время ночных поездок. Однако в последние годы все больше штатов и агентств требуют, чтобы фары были включены в ненастную погоду, такую как дождь и снег. По данным Федерального управления автомобильных дорог США (FHWA): Примерно 24% всех дорожно-транспортных происшествий происходят во время неблагоприятных погодных условий (дождь, мокрый снег, снег и туман). На дождливые условия приходится 47% аварий, связанных с погодой. Эти статистические данные основаны на 14-летних средних значениях с 1995 по 2008 год.
Руководство FHWA по унифицированным устройствам управления дорожным движением требует, чтобы знаки были либо освещены, либо изготовлены из световозвращающих пленочных материалов, и хотя большинство знаков в США изготовлены из световозвращающих пленочных материалов, они со временем деградируют. До сих пор было мало информации, позволяющей определить, как долго сохраняется световозвращающая способность. Теперь MUTCD требует, чтобы агентства поддерживали дорожные знаки на уровне минимальных уровней, но предоставляет различные методы обслуживания, которые агентства могут использовать для соответствия. Минимальные требования к световозвращающей способности не подразумевают, что агентство должно измерять каждый знак. Вместо этого новый язык MUTCD описывает методы, которые агентства могут использовать для поддержания световозвращающей способности дорожных знаков на уровне или выше минимальных уровней.
В Канаде аэродромное освещение может быть заменено соответствующим образом окрашенными световозвращателями, наиболее важными из которых являются белые световозвращатели, которые обозначают края взлетно-посадочной полосы и должны быть видны воздушным судам, оборудованным посадочными огнями, на расстоянии до 2 морских миль. [ 4]
Световозвращающая лента признана и рекомендована Международной конвенцией по охране человеческой жизни на море ( SOLAS ) из-за ее высокой отражательной способности как световых, так и радиолокационных сигналов. Применение на спасательных плотах , персональных плавсредствах и других спасательных средствах позволяет легко находить людей и предметы в воде ночью. При нанесении на поверхности лодок она создает большую радиолокационную сигнатуру — особенно для стекловолоконных лодок, которые сами по себе производят очень мало радиолокационных отражений. Она 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 номера деталей 3M 3150A и 6750I, а также Orafol Oralite FD1403.
В геодезии ретрорефлектор, обычно называемый призмой , обычно крепится на геодезической рейке и используется в качестве цели для измерения расстояния , например, тахеометра . Оператор прибора или робот направляет лазерный луч на ретрорефлектор. Прибор измеряет время распространения света и преобразует его в расстояние. Призмы используются в системах геодезии и трехмерного мониторинга точек для измерения изменений горизонтального и вертикального положения точки. Две призмы также могут служить целями для угловых измерений с использованием тахеометров или более простых теодолитов ; это использование, напоминающее гелиотроп , не подразумевает ретрорефлексию как таковую, оно требует только видимости с помощью любого источника освещения (например, солнца) для прямого визирования на центр призмы цели, как видно из оптического прибора.
Астронавты миссий Apollo 11 , 14 и 15 оставили ретрорефлекторы на Луне в рамках эксперимента по лазерной локации Луны . Советские луноходы Lunokhod 1 и Lunokhod 2 также несли меньшие решетки. Первоначально отраженные сигналы были получены от Lunokhod 1 , но никаких обратных сигналов не было обнаружено с 1971 по 2010 год, по крайней мере, отчасти из-за некоторой неопределенности в его местоположении на Луне. В 2010 году он был обнаружен на фотографиях Lunar Reconnaissance Orbiter , и ретрорефлекторы были использованы снова. Решетка Lunokhod 2 продолжает возвращать сигналы на Землю. [5] Даже при хороших условиях просмотра каждые несколько секунд принимается только один отраженный фотон. Это делает работу по фильтрации фотонов, генерируемых лазером, от естественных фотонов сложной. [6]
Посадочный модуль Vikram миссии Chandrayaan -3 оставил лазерный ретрорефлекторный массив (LRA), предоставленный Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в рамках международного сотрудничества с ISRO . 12 декабря 2023 года лунный разведывательный орбитальный модуль успешно смог обнаружить переданные лазерные импульсы с посадочного модуля Vikram. [7]
Аналогичное устройство, Laser Retroreflector Array (LaRA), было установлено в марсоходе Mars Perseverance . Ретрорефлектор был разработан Национальным институтом ядерной физики Италии, который построил прибор по заказу Итальянского космического агентства .
Многие искусственные спутники оснащены ретрорефлекторами, чтобы их можно было отслеживать с наземных станций . Некоторые спутники были построены исключительно для лазерной локации. LAGEOS , или лазерные геодинамические спутники, представляют собой серию научно-исследовательских спутников, разработанных для обеспечения орбитального лазерного локационного эталона для геодинамических исследований Земли. [8] Существует два космических аппарата LAGEOS: LAGEOS-1 [9] (запущен в 1976 году) и LAGEOS-2 (запущен в 1992 году). Они используют кубические уголковые ретрорефлекторы из плавленого кварцевого стекла. По состоянию на 2020 год оба космических аппарата LAGEOS все еще находятся в эксплуатации. [10] Три спутника STARSHINE , оснащенные ретрорефлекторами, были запущены, начиная с 1999 года. Спутник LARES был запущен 13 февраля 2012 года. (См. также: Список спутников лазерной локации .)
Другие спутники включают ретрорефлекторы для калибровки орбиты [11] и определения орбиты, [12] например, в спутниковой навигации (например, все спутники Galileo , [13] большинство спутников ГЛОНАСС , [14] спутники IRNSS , [15] BeiDou , [16] QZSS , [17] и два спутника GPS [18] ), а также в спутниковой гравиметрии ( GOCE [19] ) и спутниковой альтиметрии (например, TOPEX/Poseidon , Sentinel-3 [20] ). Ретрорефлекторы также могут использоваться для межспутниковой лазерной локации вместо наземного слежения (например, GRACE-FO ). [21]
Сферический ретрорефлекторный спутник BLITS (Ball Lens In The Space) был выведен на орбиту в ходе запуска ракеты «Союз» в сентябре 2009 года [22] Федеральным космическим агентством России при содействии Международной службы лазерной локации , независимого органа, изначально организованного Международной ассоциацией геодезии , Международным астрономическим союзом и международными комитетами. [23] Центральное бюро ILRS находится в Центре космических полетов имени Годдарда в США . Рефлектор, тип линзы Люнеберга , был разработан и изготовлен Институтом точного приборостроения (ИПИЭ) в Москве. Миссия была прервана в 2013 году из-за столкновения с космическим мусором . [24] [25]
Модулированные ретрорефлекторы, в которых отражательная способность изменяется со временем каким-либо 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 сенсорный мотик, может принимать оптический сигнал от базовой станции и отражать модулированный сигнал обратно на базовую станцию. Поскольку базовая станция поставляет оптическую мощность, это позволяет удаленной системе общаться без чрезмерного потребления энергии. Модулированные ретрорефлекторы также существуют в форме модулированных фазово-сопряженных зеркал (ФСЗ). В последнем случае «обращенная во времени» волна генерируется ФСЗ с временным кодированием фазово-сопряженной волны (см., например, SciAm, октябрь 1990 г., «Эффект фоторефракции», Дэвид М. Пеппер и др. ).
Недорогие угловые световозвращатели используются в контролируемой пользователем технологии в качестве оптических устройств передачи данных. Нацеливание осуществляется ночью, а необходимая площадь световозвращателя зависит от дальности наведения и окружающего освещения от уличных фонарей. Сам оптический приемник ведет себя как слабый световозвращатель, поскольку содержит большую, точно сфокусированную линзу , которая обнаруживает освещенные объекты в своей фокальной плоскости. Это позволяет наводиться без световозвращателя на короткие расстояния.
Световозвращатели используются в следующих примерах:
У многих животных, являющихся добычей или хищниками, глаза от природы световозвращающие, так как за сетчаткой находится отражающий слой, называемый Tapetum lucidum . Он удваивает количество света, попадающего на сетчатку.
Вдохновленный природой, изобретателем дорожных «кошачьих глаз» был Перси Шоу из Буттауна , Галифакс, Западный Йоркшир , Англия. Когда трамвайные пути были демонтированы в близлежащем пригороде Эмблер-Торн, он понял, что использовал полированные стальные рельсы для навигации ночью. [33] Название «кошачий глаз» происходит от вдохновения Шоу на создание устройства: блеск глаз, отражающийся от глаз кошки. В 1934 году он запатентовал свое изобретение (патенты №№ 436,290 и 457,536), а 15 марта 1935 года основал Reflecting Roadstuds Limited в Галифаксе для производства этих изделий. [34] [35] Название Catseye является их торговой маркой. [36] Световозвращающая линза была изобретена шестью годами ранее для использования в рекламных вывесках Ричардом Холлинсом Мюрреем, бухгалтером из Херефордшира [37] [38], и, как признал Шоу, они внесли свой вклад в его идею. [33]
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)