Retroreflector - Retroreflector

Odrazový reflektor
Corner-Cube.jpg
Retroreflektor zlaté rohové kostky
Využití Měření vzdálenosti
optickou prodlevou

Koutovým (někdy nazývá retroflector nebo cataphote ) je zařízení nebo povrch, který odráží záření (obvykle světlo) zpět do jeho zdroje, s minimálním rozptylem . To funguje v širokém rozsahu úhlu dopadu , na rozdíl od rovinného zrcadla , které to dělá pouze v případě, že zrcadlo je přesně kolmé na přední stranu vlny a má nulový úhel dopadu. Po nasměrování je odraz retroflektoru jasnější než difúzní reflektor . Rohové reflektory a reflektory kočičích očí jsou nejpoužívanějšími druhy.

Typy

Existuje několik způsobů, jak získat retroreflexi:

Rohový reflektor

Princip činnosti rohového reflektoru
Porovnání účinku rohových (1) a sférických (2) retroreflektorů na tři světelné paprsky. Reflexní plochy jsou vykresleny tmavě modrou barvou.

Sada tří vzájemně kolmých reflexních ploch umístěných do vnitřního rohu krychle funguje jako retroreflektor. Tři odpovídající normální vektory stran rohu tvoří základ ( x , y , z ), ve kterém představuje směr libovolného přicházejícího paprsku [ a , b , c ] . Když paprsek odráží od první strany, řekněme x, paprsek je x -component, , je obrácen k - , zatímco y - a Z -components jsou nezměněny. Protože paprsek odráží nejprve ze strany x, poté ze strany y a nakonec ze strany z, směr paprsku jde z [ a , b , c ] do [ - a , b , c ] do [ - a , - b , c ] do [ - a , - b , - c ] a opustí roh se všemi třemi složkami jeho směru přesně obrácenými.

Rohové reflektory se vyskytují ve dvou odrůdách. V běžnější formě je roh doslova zkráceným rohem krychle průhledného materiálu, jako je běžné optické sklo. V této struktuře je odraz dosažen buď úplným vnitřním odrazem, nebo postříbřením povrchů vnějších krychlí. Druhá forma používá vzájemně kolmá plochá zrcadla, která drží vzduchový prostor. Tyto dva typy mají podobné optické vlastnosti.

Velký relativně tenký retroreflektor lze vytvořit kombinací mnoha malých rohových reflektorů pomocí standardního šestihranného obkládání .

Kočičí oko

V očích této kočky je jasně viditelná oční linka z retroreflektorů typu transparentní koule

Další běžný typ retroreflektoru sestává z lomivých optických prvků s odraznou plochou, uspořádaných tak, že ohnisková plocha refrakčního prvku se shoduje s odraznou plochou, typicky průhlednou koulí a (volitelně) sférickým zrcadlem. V paraxiální aproximaci lze tohoto efektu dosáhnout s nejnižší divergencí s jedinou průhlednou koulí, když je index lomu materiálu přesně jeden plus index lomu n i média, ze kterého záření dopadá (n i je kolem 1 pro vzduch). V takovém případě se povrch koule chová jako konkávní sférické zrcadlo s požadovaným zakřivením pro retroreflexi. V praxi může být optimální index lomu nižší než n i + 1 ≅ 2 kvůli několika faktorům. Pro jednoho je někdy vhodnější mít nedokonalý, mírně odlišný zpětný odraz, jako v případě dopravních značek, kde jsou úhly osvětlení a pozorování odlišné. V důsledku sférické aberace existuje také poloměr od středové osy, na který jsou dopadající paprsky soustředěny na střed zadního povrchu koule. A konečně, materiály s vysokým indexem mají vyšší Fresnelovy odrazové koeficienty, takže účinnost vazby světla z okolního prostředí do koule klesá, jak se index zvyšuje. Komerční retroreflexní perličky se tedy liší v indexu od přibližně 1,5 (běžné formy skla) do přibližně 1,9 (běžně sklo titaničitanu barnatého ).

Problém sférické aberace se sférickým kočičím okem lze vyřešit různými způsoby, jedním z nich je sféricky symetrický gradient indexu v kouli, například v designu čočky Luneburg . Prakticky to lze aproximovat soustavou soustředných koulí.

Protože odraz zadní strany pro nepotaženou kouli je nedokonalý, je poměrně běžné přidat na zadní polovinu retroreflexních kuliček metalický povlak pro zvýšení odrazivosti, ale to znamená, že retroreflexe funguje pouze tehdy, když je koule orientována v určité směr.

Alternativní forma retroreflektoru kočičího oka používá normální čočku zaměřenou spíše na zakřivené zrcadlo než na průhlednou kouli, ačkoli tento typ je v rozsahu dopadových úhlů, které retroreflektuje, mnohem omezenější.

Pojem kočičí oko pochází z podobnosti retroreflektoru kočičího oka s optickým systémem, který u koček a jiných obratlovců produkuje známý jev „zářících očí“ nebo očních svitů (které pouze odrážejí světlo, než ve skutečnosti září). Kombinace oční čočky a rohovky tvoří refrakční konvergující systém, zatímco tapetum lucidum za sítnicí tvoří sférické konkávní zrcadlo. Protože funkcí oka je vytvořit obraz na sítnici, oko zaostřené na vzdálený předmět má ohniskovou plochu, která přibližně sleduje strukturu reflexního tapetum lucidum , což je podmínka nutná k vytvoření dobré retroreflexe.

Tento typ retroreflektoru se může skládat z mnoha malých verzí těchto struktur začleněných do tenkého plechu nebo barvy. V případě barvy obsahující skleněné kuličky barva přilne kuličky k povrchu, kde je vyžadována retroreflexe a kuličky vyčnívají, přičemž jejich průměr je přibližně dvojnásobek tloušťky barvy.

Fázově konjugované zrcadlo

Třetím, mnohem méně obvyklým způsobem výroby retroreflektoru je použití nelineárního optického jevu fázové konjugace . Tato technika se používá v pokročilých optických systémech, jako jsou vysoce výkonné lasery a optické přenosové linky . Fázová konjugovaná zrcadla odrážejí příchozí vlnu, takže odražená vlna přesně sleduje cestu, kterou dříve prošla, a vyžadují poměrně drahé a složité zařízení a také velké množství energie (protože nelineární optické procesy mohou být účinné pouze při dostatečně vysokých intenzity). Fázová konjugovaná zrcadla však mají ve své podstatě mnohem větší přesnost ve směru zpětného odrazu, který je u pasivních prvků omezen mechanickou přesností konstrukce.

Úkon

Obrázek 1 - Pozorovací úhel
Obrázek 2 - Vstupní úhel
Odrazky na kole

Retroreflektory jsou zařízení, která fungují tak, že vrací světlo zpět ke zdroji světla ve stejném směru světla. Koeficient světelné intenzity, R I , je mírou výkonu reflektoru, která je definována jako poměr síly odraženého světla (intenzita světla) k množství světla, které dopadá na reflektor (normální osvětlení). Reflektor se objeví jasnější jako jeho R I zvýšení hodnoty.

Hodnota R I reflektoru je funkcí barvy, velikosti a stavu reflektoru. Nejúčinnější jsou čiré nebo bílé reflektory, které vypadají jasnější než jiné barvy. Povrchová plocha reflektoru je úměrná hodnotě R I , která se zvětšuje s tím, jak se reflexní plocha zvětšuje.

Hodnota R I je také funkcí prostorové geometrie mezi pozorovatelem, zdrojem světla a reflektorem. Obrázky 1 a 2 ukazují úhel pozorování a úhel vstupu mezi světlomety automobilu, jízdním kolem a řidičem. Pozorovací úhel je úhel tvořený světelným paprskem a zorným úhlem řidiče. Pozorovací úhel je funkcí vzdálenosti mezi světlomety a okem řidiče a vzdálenosti od reflektoru. Dopravní inženýři používají pozorovací úhel 0,2 stupně k simulaci reflektorového cíle asi 800 stop před osobním automobilem. Jak se pozorovací úhel zvyšuje, výkon reflektoru klesá. Například nákladní automobil má ve srovnání s osobním vozidlem velký odstup mezi světlometem a okem řidiče. Reflektor jízdního kola se zdá řidiči osobního auta jasnější než řidiči nákladního vozidla ve stejné vzdálenosti od vozidla k reflektoru.

Světelný paprsek a normální osa reflektoru, jak je znázorněno na obrázku 2, tvoří úhel vstupu. Vstupní úhel je funkcí orientace reflektoru ke zdroji světla. Například vstupní úhel mezi automobilem blížícím se ke kolu v křižovatce vzdálené 90 stupňů je větší než vstupní úhel pro jízdní kolo přímo před automobilem na rovné silnici. Reflektor se pozorovateli zdá nejjasnější, když je přímo v souladu se zdrojem světla.

Jas reflektoru je také funkcí vzdálenosti mezi zdrojem světla a reflektorem. Při daném pozorovacím úhlu, jak se vzdálenost mezi světelným zdrojem a reflektorem zmenšuje, se světlo, které dopadá na reflektor, zvětšuje. To zvyšuje množství světla vráceného pozorovateli a reflektor vypadá jasněji.

Aplikace

Na silnicích

Retroreflector a Cat-Eye na kole
Odrazky na pár cyklistických bot. Zdrojem světla je blesk několik centimetrů nad objektivem fotoaparátu.
Auto s reflexními samolepkami

Retroreflexe (někdy nazývané retroflection) se používá na silnicích ploch, dopravních značek , automobilů a oděvů (velká část povrchu speciálního ochranného oděvu , méně na pravidelných vrstvách). Když světlomety automobilu osvětlují odrazný povrch, odražené světlo je směrováno k autu a jeho řidiči (spíše než do všech směrů jako u difuzního odrazu ). Nicméně, chodec vidět retroreflexní plochy ve tmě, jen pokud je zdroj světla přímo mezi nimi a reflektoru (například pomocí baterky budou moci) nebo přímo za nimi (např, přes auto přijíždějící zezadu). „ Kočičí oči “ jsou zvláštním typem retroreflektoru zabudovaného na povrchu vozovky a používají se převážně ve Velké Británii a částech Spojených států .

Rohové reflektory lépe zasílají světlo zpět ke zdroji na dlouhé vzdálenosti, zatímco koule lépe zasílají světlo do přijímače poněkud mimo osu od zdroje, jako když se světlo z reflektorů odráží do očí řidiče .

Reflektory mohou být zabudovány do vozovky (v úrovni povrchu vozovky), nebo mohou být zvednuty nad povrch vozovky. Vyvýšené reflektory jsou viditelné na velmi dlouhé vzdálenosti (obvykle 0,5–1 kilometr nebo více), zatímco zapuštěné reflektory jsou viditelné pouze ve velmi krátkých vzdálenostech kvůli vyššímu úhlu potřebnému k řádnému odrazu světla. Vyvýšené reflektory se obecně nepoužívají v oblastech, kde se v zimě pravidelně vyskytuje sníh, protože projíždějící sněhové pluhy je mohou odtrhnout z vozovek. Důraz na vozovkách způsobených automobily spuštěn přes vložené objekty také přispívá ke zrychlenému opotřebení a výmol formace.

Retroreflexní silniční barva je tak v Kanadě a částech USA velmi oblíbená , protože není ovlivněna průjezdem sněhových pluhů a neovlivňuje interiér vozovky. Tam, kde to počasí dovoluje, jsou upřednostňovány vestavěné nebo zvednuté retroreflektory, protože vydrží mnohem déle než silniční barva, která je zvětralá živly, může být zakryta usazeninami nebo deštěm a je uzemněna průjezdem vozidel.

Pro znamení

U dopravních značek a provozovatelů vozidel jsou světelným zdrojem světlomety vozidla, kde je světlo odesláno na obličej dopravní značky a poté vráceno provozovateli vozidla. Retroreflexní dopravní značky jsou vyráběny se skleněnými kuličkami nebo hranolovými reflektory zapuštěnými do základní vrstvy fólie tak, aby obličej odrážel světlo, a proto znatelně vypadal nápis pro provozovatele vozidla za ztemněných podmínek. Podle amerického Národního úřadu pro bezpečnost silničního provozu (NHTSA) publikace Traffic Safety Facts 2000 uvádí, že smrtelná nehodovost je při nočních nehodách 3-4krát pravděpodobnější než denní incidenty.

Mnoho lidí má mylnou představu, že retroreflektivita je důležitá pouze při nočním cestování. V posledních letech však více států a agentur požaduje, aby byla za nepříznivého počasí, jako je déšť a sníh, zapnuta světlomety. Podle americké federální dálniční správy (FHWA): Přibližně 24% všech dopravních nehod se stane za nepříznivého počasí (déšť, déšť se sněhem, sníh a mlha). Dešťové podmínky představují 47% nehod souvisejících s počasím. Tyto statistiky vycházejí ze 14letých průměrů od roku 1995 do roku 2008.

Manuál FHWA k jednotným zařízením pro řízení provozu vyžaduje, aby značky byly buď osvětlené, nebo vyrobené z retroreflexních fóliových materiálů, a přestože většina značek v USA je vyrobena z retroreflexních fóliových materiálů, časem degradují. Až dosud bylo k dispozici jen málo informací, které by určovaly, jak dlouho retroreflektivita trvá. MUTCD nyní vyžaduje, aby agentury udržovaly dopravní značení na sadě minimálních úrovní, ale aby poskytovaly celou řadu metod údržby, které mohou agentury používat pro dodržování předpisů. Minimální požadavky na retroreflektivitu neznamenají, že agentura musí změřit každé znamení. Nový jazyk MUTCD spíše popisuje metody, které mohou agentury použít k udržení retroreflektivity dopravních značek na minimálních úrovních nebo nad nimi.

V Kanadě , letištní osvětlení může být nahrazena vhodně barevnými retroreflectors, z nichž nejdůležitější jsou bílé odrazky, které vymezují okraje RWY a musí být viděn letadla vybavená přistání svítí 2 námořních mil daleko.

Lodě, čluny, nouzové vybavení

Retroflexní páska je uznávána a doporučována Mezinárodní úmluvou o bezpečnosti lidského života na moři ( SOLAS ), protože má vysokou odrazivost světelných i radarových signálů. Aplikace na záchranné vory, osobní flotační zařízení a další bezpečnostní vybavení usnadňuje lokalizaci osob a předmětů ve vodě v noci. Když je aplikován na povrchy lodí, vytváří větší radarový podpis - zejména u laminátových lodí, které samy o sobě produkují velmi malý radarový odraz. Vyhovuje předpisům Mezinárodní námořní organizace, IMO Res. A.658 (16) a splňuje specifikaci americké pobřežní stráže 46 CFR, část 164, hlava 164.018/5/0. Příklady komerčně dostupných produktů jsou čísla dílů 3M 3150A a 6750I a Orafol Oralite FD1403.

Zeměměřičství

Typický geodetický hranol se zadním cílem

Při geodetii je retroreflektor - obvykle označován jako hranol - obvykle připevněn na měřicí tyč a používá se jako cíl pro měření vzdálenosti například pomocí totální stanice . Operátor nástroje nebo robot míří laserovým paprskem na reflektor. Přístroj měří dobu šíření světla a převádí ji na vzdálenost. Hranoly se používají se systémy průzkumu a 3D monitorování bodů k měření změn nadmořské výšky a polohy bodu.

Ve vesmíru

Na Měsíci

Lunární laserový experiment Apollo 11

Astronauti na misích Apollo 11 , 14 a 15 opustili odrazné reflektory na Měsíci v rámci experimentu s lunárním laserem . Tyto sovětské Lunokhod 1 a Lunokhod 2 Rovers také provedeny menší pole. Odražené signály byly původně přijímány z Lunokhod 1 , ale od roku 1971 do roku 2010 nebyly detekovány žádné zpětné signály, alespoň částečně kvůli určité nejistotě v jeho umístění na Měsíci. V roce 2010 byl nalezen na fotografiích Lunar Reconnaissance Orbiter a retroreflektory byly znovu použity. Pole Lunokhod 2 nadále vrací signály na Zemi. I za dobrých pozorovacích podmínek je každých několik sekund přijat pouze jeden odražený foton. Díky tomu je náročné filtrovat laserem generované fotony z přirozeně se vyskytujících fotonů.

Na Marsu

Podobné zařízení, Laser Retroreflector Array (LaRA), bylo začleněno do roveru Mars Perseverance . Retroreflektor byl navržen italským Národním institutem pro jadernou fyziku , který tento nástroj postavil jménem Italské vesmírné agentury .

Mars Perseverance rover - LaRA - (umělecká díla)

V satelitech

Mnoho umělých satelitů nese retroreflektory, takže je lze sledovat z pozemních stanic . Některé satelity byly postaveny výhradně pro laserové dosahování. LAGEOS , neboli Laser Geodynamics Satellites, je řada satelitů vědeckého výzkumu navržených tak, aby poskytovaly srovnávací měřítko obíhajícího laseru pro geodynamické studie Země. Existují dvě kosmické lodě LAGEOS: LAGEOS-1 (vypuštěné v roce 1976) a LAGEOS-2 (vypuštěné v roce 1992). Používají krychlové rohové reflektory z taveného křemičitého skla. Od roku 2020 jsou obě kosmické lodě LAGEOS stále v provozu. Tři satelity STARSHINE vybavené retroreflektory byly vypuštěny od roku 1999. Satelit LARES byl vypuštěn 13. února 2012. (Viz také Seznam satelitů s laserovým dosahem )

Ostatní satelity patří retroreflectors na oběžné dráze kalibraci a určení oběžné dráhy, například v oblasti družicové navigace (např všechny satelity Galileo , většina GLONASS satelitů , IRNSS satelity , Beidou , QZSS a dva satelity GPS ), stejně jako v satelitní gravimetrie ( GOCE ) satelitního měření výšek (např. TOPEX/Poseidon , Sentinel-3 ). Retroreflektory lze také použít pro mezisatelitní laserové dosahování namísto sledování země (např. GRACE-FO ).

Tyto Blits (Míč Lens v prostoru) kulová koutovým satelit byl umístěn na oběžnou dráhu jako součást září 2009, Soyuz startu ze strany federální vesmírnou agenturou Ruska se za pomoci Mezinárodního laserové měření služby , nezávislý orgán, který původně organizovaný Mezinárodní asociací geodézie , Mezinárodní astronomické unie a mezinárodních výborů. Centrální úřad ILRS se nachází v americkém Goddardově vesmírném letovém středisku . Reflektor, typ čočky Luneburg , byl vyvinut a vyroben Ústavem pro přesné přístrojové inženýrství (IPIE) v Moskvě. Mise byla v roce 2013 přerušena po srážce s vesmírným odpadem .

Optická komunikace ve volném prostoru

Modulované retroreflektory, u nichž se v průběhu času nějakým způsobem mění odrazivost, jsou předmětem výzkumu a vývoje optických komunikačních sítí ve volném prostoru . Základní koncept takových systémů spočívá v tom, že vzdálený systém s nízkým výkonem, jako je senzorový snímač, může přijímat optický signál ze základnové stanice a odrážet modulovaný signál zpět do základnové stanice. Protože základna dodává optický výkon, umožňuje to vzdálenému systému komunikovat bez nadměrné spotřeby energie. Modulované retroreflektory existují také ve formě modulovaných fázově konjugovaných zrcadel (PCM). V druhém případě je „časově obrácená“ vlna generována pomocí PCM s časovým kódováním vlny fázově konjugátu (viz např. SciAm, říjen 1990, „The Photorefractive Effect“, David M. Pepper, et al. . ).

Nenákladné retroreflektory zaměřené na rohy se používají v uživatelsky ovládané technologii jako optická zařízení pro datové odkazy. Zaměřování se provádí v noci a nezbytná plocha reflektoru závisí na cílové vzdálenosti a okolním osvětlení pouličních lamp. Samotný optický přijímač se chová jako slabý retroreflektor, protože obsahuje velký, přesně zaostřený objektiv, který detekuje osvětlené objekty ve své ohniskové rovině. To umožňuje míření bez retroreflektoru na krátké vzdálenosti.

Jiné použití

Reflektory Retrore se používají v následujících příkladech aplikací:

  • U běžných digitálních fotoaparátů (bez SLR) je senzorový systém často retroreflexní. Vědci použili tuto vlastnost k demonstraci systému, který zabraňuje neoprávněným fotografiím detekováním digitálních fotoaparátů a paprskem vysoce zaostřeného paprsku světla do objektivu.
  • Na filmových plátnech umožňující vysokou brilanci za tmavých podmínek.
  • Programy digitálního skládání a prostředí chroma klíčů používají retroreflexi k nahrazení tradičních osvětlených pozadí v kompozitní práci, protože poskytují pevnější barvy, aniž by bylo nutné pozadí osvětlovat samostatně.
  • V Longpath- DOAS systémů odrazky používá pro odrážení světla emitovaného z světelného zpět do dalekohledu. Poté je spektrálně analyzován, aby získal informace o obsahu stopových plynů ve vzduchu mezi dalekohledem a odrazkou.
  • Štítky s čárovým kódem lze tisknout na reflexní materiál, aby se zvýšil dosah skenování až na 50 stop.
  • Ve formě 3D zobrazení ; kde se k promítání stereoskopických obrazů zpět do oka uživatele používá retro-reflexní fólie a sada projektorů. Použití mobilních projektorů a sledování polohy namontovaných na rámu brýlí uživatele umožňuje vytvořit iluzi hologramu pro počítačem generované snímky .
  • Svítilny z čeledi Anomalopidae mají přirozené odrazky. Viz tapetum lucidum .

Viz také

Poznámky

Reference

  • Optics Letters , Vol. 4 , s. 190–192 (1979), „Retroreflective Arrays as Aproximate Phase Conjugators“, HH Barrett a SF Jacobs.
  • Optical Engineering , sv. 21 , s. 281–283 (březen/duben 1982), „Experimental with Retrodirective Arrays“, Stephen F. Jacobs.
  • Scientific American , prosinec 1985, „Fázová konjugace“, Vladimir Shkunov a Boris Zel'dovich.
  • Scientific American , leden 1986, „Aplikace konjugace optické fáze“, David M. Pepper.
  • Scientific American , duben 1986, „The Amateur Scientist“ („Divy s odrážečem Retrore“), autor: Jearl Walker.
  • Scientific American , říjen 1990, „Fotorefrakční efekt“, David M. Pepper, Jack Feinberg a Nicolai V. Kukhtarev.

externí odkazy