Ретрорефлектор - Retroreflector

Ретрорефлектор
Corner-Cube.jpg
Золотой уголковый ретрорефлектор
ИспользуетИзмерение расстояния
по оптической линии задержки

А световозвращатель (иногда называемый ретрофлектор или катафот) - это устройство или поверхность, отражает излучение (обычно свет) возвращается к своему источнику с минимальным рассеянием. Это работает в широком диапазоне угол падения в отличие от планарного зеркало, что происходит только в том случае, если зеркало строго перпендикулярно фронту волны и имеет нулевой угол падения. Направленное отражение ретрофлектора ярче, чем у диффузный отражатель. Угловые отражатели, и кошачий глаз отражатели являются наиболее часто используемыми видами.

Типы

Получить световозвращение можно несколькими способами:[1]

Угловой отражатель

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

Набор из трех взаимно перпендикулярных отражающих поверхностей, образующих внутренний угол куба, работает как ретроотражатель. Три соответствующих вектора нормалей сторон угла образуют основу (Икс, у, z) для представления направления произвольного входящего луча, [а, б, c]. Когда луч отражается с первой стороны, скажем x, луч Икс-составная часть, а, меняется на -а, в то время у- и z-компоненты без изменений. Следовательно, поскольку луч отражается сначала от стороны x, затем от стороны y и, наконец, от стороны z, направление луча идет от [а, б, c] к [−а, б, c] к [−а, −б, c] к [−а, −б, −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 полное внутреннее отражение или посеребрение 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 стандартного шестиугольная черепица.

Кошачий глаз

Eyeshine от световозвращателей типа прозрачная сфера хорошо видна в этом кошачьем глазу
Основная статья: Кошачий глаз (дорога)

Другой распространенный тип ретрорефлектора состоит из преломляющих оптических элементов с отражающей поверхностью, расположенных так, чтобы фокальная поверхность преломляющего элемента совпадала с отражающей поверхностью, обычно прозрачный сфера и (опционально) сферическое зеркало. в параксиальное приближение, этот эффект может быть достигнут с наименьшей дивергенцией с помощью одного прозрачный сфера, когда показатель преломления материала ровно один плюс показатель преломления nя среды, из которой падает излучение (nя составляет около 1 для воздуха). 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 пя + 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 сферическая аберрация, 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 бусины имеют индекс от 1,5 (обычные формы стекла) до 1,9 (обычно титанат бария стекло).

Проблема сферической аберрации сферического кошачьего глаза может быть решена различными способами, одним из которых является сферически-симметричный градиент показателя преломления внутри сферы, например, в Люнебургская линза дизайн. Практически это можно аппроксимировать системой концентрических сфер.[2]

Поскольку отражение с обратной стороны для сферы без покрытия является несовершенным, довольно часто добавляют металлическое покрытие к задней половине световозвращающих сфер для увеличения отражательной способности, но это означает, что световозвращение 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.

Период, термин кошачий глаз происходит из сходства ретрорефлектора «кошачий глаз» с оптической системой, которая производит хорошо известное явление «светящихся глаз» или блеск у кошек и других позвоночных (которые только отражают свет, а не светятся). Сочетание глазных линза и роговица образуют рефракционную сходящуюся систему, а Tapetum lucidum за сетчатка 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 Tapetum lucidum структура,[нужна цитата ] что является условием, необходимым для хорошего световозвращения.

Этот тип световозвращателя может состоять из множества небольших версий этих структур, заключенных в тонкий лист или краску. В случае краски, содержащей стеклянные шарики, краска прикрепляет 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 световозвращателя - использование нелинейно-оптический феномен фазовое сопряжение. Этот метод используется в продвинутых оптический такие системы как высокомощные лазеры и оптические линии передачи. Фазово-сопряженные зеркала[3] отражает приходящую волну, так что отраженная волна точно следует по пути, по которому она прошла ранее, и требует сравнительно дорогого и сложного устройства, а также большого количества энергии (поскольку нелинейные оптические процессы могут быть эффективными только при достаточно высоких интенсивностях). 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, ря, является мерой характеристик рефлектора, которая определяется как отношение силы отраженного света (сила света) к количеству света, падающего на рефлектор (нормальная освещенность). Отражатель кажется ярче, чем его Rя значение увеличивается.[1]

В ря Значение отражателя зависит от цвета, размера и состояния отражателя. Прозрачные или белые отражатели являются наиболее эффективными и выглядят ярче, чем другие цвета. Площадь поверхности отражателя пропорциональна Rя значение, которое увеличивается с увеличением отражающей поверхности.[1]

Rя значение 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 обзора - это угол, образованный световым лучом и линией обзора водителя. Угол обзора зависит от расстояния между фарами и глазом водителя, а также от расстояния до отражателя. Инженеры-транспортники используют угол обзора 0,2 градуса для имитации отражателя на расстоянии около 800 футов перед пассажирским автомобилем. По мере увеличения угла наблюдения эффективность отражателя снижается. Например, грузовик имеет большое расстояние между фарой и глазом водителя по сравнению с легковым автомобилем. Отражатель велосипеда кажется водителю легкового автомобиля ярче, чем водителю грузовика, находящемуся на таком же расстоянии от транспортного средства до отражателя.[1]

Световой луч и нормальная ось рефлектора, как показано на рисунке 2, образуют входной угол. Угол входа зависит от ориентации рефлектора относительно источника 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 непосредственно на одной линии с источником света.[1]

Яркость рефлектора также зависит от расстояния между источником света и рефлектором. 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.[1]

Приложения

По дорогам

Смотрите также: Маркер дорожный приподнятый
Ретрорефлектор и кошачий глаз на велосипед
Световозвращатели на велосипедной обуви. Источник света - вспышка на несколько сантиметров выше объектива камеры.
Автомобиль со светоотражающими наклейками

Обратное отражение (иногда называемое ретрофлексией) используется на Дорога поверхности, дорожные знаки, автомобили, и одежда (большие части поверхности особого защитная одежда, 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 в случае с рассеянным светом). отражение ). Однако пешеход могут видеть световозвращающие поверхности в темноте, только если есть источник 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 других странах. Соединенные Штаты.

Угловые отражатели лучше направляют свет обратно к источнику на большие расстояния, в то время как сферы лучше отправляют свет к приемнику, находящемуся несколько вне оси от источника, как когда свет от источника передние фары отражается в водительском глаза.

Световозвращатели могут быть встроены в дорогу (на уровне поверхности дороги) или они могут быть подняты над поверхностью дороги. Поднятые отражатели видны с очень больших расстояний (обычно 0,5–1 километр или более), а затонувшие 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 выпадает снег, поскольку снегоочистители может оторвать их от проезжей части. Нагрузка на проезжую часть из-за наезда автомобилей на врезанные предметы также способствует ускоренному износу и выбоина формирование.

Поэтому световозвращающая дорожная краска очень популярна в Канада и в некоторых частях США, так как на него не влияет прохождение снегоочистителей и не затрагивается внутренняя часть проезжей части. Если позволяет погода, предпочтительны 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 США Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA), в публикации Traffic Safety Facts 2000 говорится, что количество аварий со смертельным исходом во время ночных аварий в 3-4 раза выше, чем в дневное время.

Многие люди ошибочно полагают, что световозвращение важно 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 США Федеральное управление автомобильных дорог (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. Эта статистика основана на 14-летнем среднем показателе с 1995 по 2008 год.

FHWA's Пособие по унифицированным устройствам управления движением требует, чтобы вывески 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, позволяющей 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 Канада, аэродром Освещение может быть заменено световозвращателями соответствующего цвета, наиболее важными из которых являются световозвращатели белого цвета, очерчивающие края взлетно-посадочной полосы, и которые должны быть видны самолетам, оборудованным посадочными огнями, на расстоянии до 2 морских миль.[4]

Корабли, катера, аварийное снаряжение

Светоотражающая лента признана и рекомендована Международной конвенцией по охране человеческой жизни на море (СОЛАС ) из-за его высокой отражательной способности как света, так и радар сигналы. Применение на спасательных плотах, личных плавсредствах и другом защитном снаряжении позволяет легко обнаруживать людей и предметы в воде ночью. При применении к поверхности лодки он создает большую радиолокационную сигнатуру - особенно для лодок из стекловолокна, которые сами по себе создают очень мало радиолокационных отражений. 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

В геодезия, ретрорефлектор, обычно называемый призма- обычно прикрепляется к геодезический столб и используется как цель для измерение расстояния используя, например, тахеометр. Оператор инструмента или робот нацеливается лазер луч на световозвращателе. 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

Основные статьи: Список ретрорефлекторов на Луне и Лунный лазерный эксперимент
Эксперимент по лазерной локации Аполлона-11

Космонавтов на Аполлон-11, 14, и 15 миссии оставили световозвращатели на Луна как часть Лунный лазерный эксперимент. В Советский Луноход 1 и Луноход 2 вездеходы также несли меньшие массивы. Отраженные сигналы первоначально были получены от Луноход 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 его нашли в Лунный разведывательный орбитальный аппарат снова были использованы фотографии и световозвращатели. Луноход 2-х массив продолжает возвращать сигналы на Землю.[5] Даже при хороших условиях просмотра каждые несколько секунд принимается только один отраженный фотон. Это усложняет задачу фильтрации фотонов, генерируемых лазером, от фотонов естественного происхождения.[6]

На марсе

Аналогичное устройство, Лазерная матрица ретрорефлекторов (LaRA), был включен в Марс Настойчивость марсоход. Ретрорефлектор был разработан Национальный институт ядерной физики Италии, которая построила инструмент от имени Итальянское космическое агентство.

Марс Настойчивость марсоход - ЛаРА - (произведение искусства)

В спутниках

Дальнейшая информация: Спутниковая лазерная локация

Много искусственные спутники иметь ретрорефлекторы, чтобы их можно было отследить от наземные станции. Некоторые спутники были созданы исключительно для лазерной локации.LAGEOS, или спутники лазерной геодинамики, представляют собой серию научно-исследовательских спутников, разработанных для обеспечения эталонного лазерного локации на орбите для геодинамических исследований Земли. Есть два космических корабля LAGEOS: LAGEOS-1[7] (запущен в 1976 г.) и LAGEOS-2 (запущен в 1992 г.). В них используются световозвращатели с кубическим углом из кварцевого стекла. По состоянию на 2004 год оба космических корабля LAGEOS все еще находятся в эксплуатации. Три ЗВЕЗДНОЕ СИЯНИЕ Спутники, оснащенные световозвращателями, были запущены с 1999 года. ЛАРЕС спутник был запущен 13 февраля 2012 г. (см. также Список пассивных спутников )

Другие спутники включают в себя ретрорефлекторы для калибровки орбиты, например, в спутниковая навигация (например, все Спутники Галилео и BeiDou, самый Спутники ГЛОНАСС, Спутники IRNSS[8] и несколько Спутники GPS ) а также в спутниковая альтиметрия (например., TOPEX / Посейдон Ретрорефлекторы также могут использоваться для межспутниковой лазерной локации (например, ГРЕЙС-ФО ).[9]

В Сферический ретрорефлекторный спутник BLITS (Ball Lens In The Space) был выведен на орбиту в рамках запуска корабля "Союз" в сентябре 2009 г.[10] посредством Федеральное космическое агентство России с помощью Международная служба лазерной локации, независимый орган, первоначально организованный Международная ассоциация геодезии, то Международный астрономический союз, и международные комитеты.[11] Центральное бюро ILRS находится в США. Центр космических полетов Годдарда.Отражатель, разновидность Люнебургская линза, был разработан и изготовлен Институтом точного приборостроения (ИПИП) в Москве. Миссия была прервана в 2013 году из-за столкновения с космический мусор.[12][13]

Оптическая связь в свободном пространстве

Модулированные световозвращатели, в которых отражательная способность изменяется со временем тем или иным образом, являются предметом исследований и разработок для оптическая связь в свободном пространстве сети. 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 потребления энергии. Модулированные ретрорефлекторы также существуют в виде модулированных зеркал с ОВФ (PCM). 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 другие.).

Недорогие угловые ретрорефлекторы используются в управляемой пользователем технике в качестве оптических устройств передачи данных. Прицеливание производится ночью, а необходимая площадь световозвращателя зависит от расстояния прицеливания и окружающего освещения от уличных фонарей. Сам оптический приемник ведет себя как слабый ретрорефлектор, поскольку он содержит большой, точно сфокусированный линза который 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.[14]
  • На киноэкранах, чтобы обеспечить высокую яркость в темноте.[15]
  • Цифровой композитинг программы и цветовой ключ Среды используют световозвращение для замены традиционных освещенных фонов в композитных работах, поскольку они обеспечивают более сплошной цвет, не требуя, чтобы фон освещался отдельно.[16]
  • В Longpath-ДЕЛАЙ КАК Системы ретрорефлекторов используются для отражения света, испускаемого источником света, обратно в телескоп. Затем он подвергается спектральному анализу для получения информации о газовых следах в воздухе между телескопом и ретроотражателем.
  • Штрих-код этикетки могут быть напечатаны на световозвращающем материале, что увеличивает диапазон сканирования до 50 футов.[17]
  • В виде 3D дисплей; где световозвращающая пленка и набор проекторов используется для проецирования стереоскопических изображений обратно в глаза пользователя. Использование мобильные проекторы и позиционное отслеживание установка на оправу очков пользователя позволяет создать иллюзию голограммы для компьютерные изображения.[18][19][20]
  • Фонарик рыбы семьи Аномалопиды имеют натуральные световозвращатели. Увидеть Tapetum lucidum.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ а б c d е ж Комиссия США по безопасности потребительских товаров Отчет о проекте велосипедного рефлектора В архиве 2007-10-05 на Wayback Machine
  2. ^ Bernacki, Bruce E .; Anheier, Norman C .; Кришнасвами, Каннан; Cannon, Bret D .; Бинкли, К. Брент (2008). «Разработка и производство эффективных миниатюрных световозвращателей для среднего инфракрасного диапазона». Конференция SPIE по обороне и безопасности 2008, Инфракрасные технологии и приложения. Proc. ШПИОН 6940. XXXIV (30).
  3. ^ Гауэр, М. (1984). «Физика фазово-сопряженных зеркал». Прогресс в квантовой электронике. Elsevier B.V. 9 (2): 101–147. Дои:10.1016/0079-6727(84)90023-5. ISSN  0079-6727.
  4. ^ "Транспорт Канады CARs 301.07". tc.gc.ca. Получено 6 апреля 2018.
  5. ^ http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/williams_lw13.pdf
  6. ^ «НАСА - Точность предсказаний затмений». eclipse.gsfc.nasa.gov. Получено 2015-08-15.
  7. ^ https://ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov/missions/s satellite_missions/current_missions/lag1_general.html
  8. ^ «IRNSS: Информация об отражателе». ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov. Архивировано из оригинал на 2019-03-25. Получено 2019-03-25.
  9. ^ Шварц, Оливер. "Лазерный дальномер GRACE FO - SpaceTech GmbH". spacetech-i.com. Получено 6 апреля 2018.
  10. ^ «Освоение космоса в 2009 году». www.russianspaceweb.com. Получено 1 сен, 2020.
  11. ^ «Миссии ILRS: BLITS».
  12. ^ "БЛИЦ (шаровые линзы в космосе)". ЕКА, Портал наблюдения за Землей.
  13. ^ "Российский спутник БЛИЦ поражен космическим мусором". Spaceflight101: космические новости и не только. 9 марта 2013. Архивировано 05 октября 2016 года.. Получено 16 апреля 2020.CS1 maint: неподходящий URL (ссылка на сайт)
  14. ^ "Устройство пытается помешать тайным цифровым фотографам". ABC News. 7 января 2006 г.. Получено 6 апреля 2018.
  15. ^ "Как работают плащи-невидимки". howstuffworks.com. 20 июля 2005 г.. Получено 6 апреля 2018.
  16. ^ Томас, Грэм. «Заставляя вещи исчезать - технология Truematte». BBC. Получено 25 октября 2014.
  17. ^ «Световозвращающие этикетки». MidcomData. Получено 2014-07-16.
  18. ^ «Дизайн сверхлегкого проекционного дисплея с креплением на голову (HMPD) и его приложения в расширенной среде совместной работы» (PDF). Труды SPIE. 2002 г.
  19. ^ «Световозвращающий индикатор светового поля». Бюро патентов и товарных знаков США. 2016-09-22.
  20. ^ «Тестовые кадры castAR - Симулятор полета». YouTube. 2013-09-26.

использованная литература

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

внешние ссылки