Retrorreflector

Un retrorreflector (a veces llamado retrorreflector o catafote) es un dispositivo o superficie que refleja la radiación (generalmente luz) de regreso a su fuente con dispersión mínima. Esto funciona en una amplia gama de ángulos de incidencia, a diferencia de un espejo plano, que lo hace solo si el espejo es exactamente perpendicular al frente de onda, con un ángulo de incidencia cero. Al ser dirigido, el reflejo del retroflector es más brillante que el de un reflector difuso. Los reflectores de esquina y los reflectores de ojo de gato son los tipos más utilizados.

Tipos

Hay varias formas de obtener la retrorreflexión:

Reflector de esquina

Principio de trabajo de un reflector de esquina

Comparación del efecto de los retroflectores de esquina (1) y esférico (2) en tres rayos de luz. Las superficies reflectantes se dibujan en azul oscuro.

Un conjunto de tres superficies reflectantes mutuamente perpendiculares, colocadas para formar la esquina interna de un cubo, funcionan como un retrorreflector. Los tres vectores normales correspondientes de los lados de la esquina forman una base (x, y, z) para representar la dirección de un rayo entrante arbitrario, [a, b, c< /i>]. Cuando el rayo se refleja desde el primer lado, digamos x, la componente x del rayo, a, se invierte en −a, mientras que los componentes y y z no se modifican. Por lo tanto, como el rayo se refleja primero desde el lado x, luego desde el lado y y finalmente desde el lado z, la dirección del rayo va desde [a, b, c] a [−a, b, c ] a [−a, −b, c] a < span class="nowrap">[−a, −b, −c] y sale de la esquina con los tres componentes de su dirección exactamente invertidas.

Los reflectores de esquina se presentan en dos variedades. En la forma más común, la esquina es literalmente la esquina truncada de un cubo de material transparente como el vidrio óptico convencional. En esta estructura, la reflexión se logra ya sea por reflexión interna total o por plateado de las superficies exteriores del cubo. La segunda forma utiliza espejos planos mutuamente perpendiculares que enmarcan un espacio de aire. Estos dos tipos tienen propiedades ópticas similares.

Se puede formar un retrorreflector grande relativamente delgado combinando muchos reflectores de esquina pequeños, utilizando el mosaico hexagonal estándar.

Ojo de gato

Eyeshine de retroreflectores del tipo de esfera transparente es claramente visible en los ojos de este gato

Otro tipo común de retrorreflector consta de elementos ópticos refractores con una superficie reflectante, dispuestos de modo que la superficie focal del elemento refractivo coincida con la superficie reflectante, normalmente una esfera transparente y (opcionalmente) un espejo esférico. En la aproximación paraxial, este efecto se puede lograr con la divergencia más baja con una sola esfera transparente cuando el índice de refracción del material es exactamente uno más el índice de refracción n_i del medio desde el cual incide la radiación. (n_i es alrededor de 1 para el aire). En ese caso, la superficie de la esfera se comporta como un espejo esférico cóncavo con la curvatura requerida para la retrorreflexión. En la práctica, el índice de refracción óptimo puede ser inferior a n_i + 1 ≅ 2 debido a varios factores. Por un lado, a veces es preferible tener una retrorreflexión imperfecta, ligeramente divergente, como en el caso de las señales de tráfico, donde la iluminación y los ángulos de observación son diferentes. Debido a la aberración esférica, también existe un radio desde la línea central en el que los rayos incidentes se enfocan en el centro de la superficie trasera de la esfera. Finalmente, los materiales de alto índice tienen coeficientes de reflexión de Fresnel más altos, por lo que la eficiencia del acoplamiento de la luz del ambiente a la esfera disminuye a medida que el índice aumenta. Por lo tanto, las perlas retrorreflectantes comerciales varían en índice desde alrededor de 1,5 (formas comunes de vidrio) hasta alrededor de 1,9 (comúnmente vidrio de titanato de bario).

El problema de la aberración esférica con el ojo de gato esférico se puede resolver de varias maneras, una de las cuales es un gradiente de índice esféricamente simétrico dentro de la esfera, como en el diseño de la lente de Luneburg. En la práctica, esto se puede aproximar mediante un sistema de esferas concéntricas.

Debido a que el reflejo de la parte posterior de una esfera sin recubrimiento es imperfecto, es bastante común agregar un recubrimiento metálico a la mitad posterior de las esferas retrorreflectoras para aumentar la reflectancia, pero esto implica que la retrorreflexión solo funciona cuando la esfera está orientada. en una dirección particular.

Una forma alternativa del retrorreflector de ojo de gato utiliza una lente normal enfocada en un espejo curvo en lugar de una esfera transparente, aunque este tipo es mucho más limitado en el rango de ángulos incidentes que retrorrefleja.

El término ojo de gato deriva del parecido del retrorreflector de ojo de gato con el sistema óptico que produce el conocido fenómeno de "ojos brillantes' 34; o brillo de ojos en gatos y otros vertebrados (que solo reflejan la luz, en lugar de brillar). La combinación del cristalino del ojo y la córnea forman el sistema refractivo convergente, mientras que el tapetum lucidum detrás de la retina forma el espejo esférico cóncavo. Debido a que la función del ojo es formar una imagen en la retina, un ojo enfocado en un objeto distante tiene una superficie focal que sigue aproximadamente la estructura reflectante del tapetum lucidum, que es la condición requerida para formar una buena retrorreflexión.

Este tipo de retrorreflector puede consistir en muchas versiones pequeñas de estas estructuras incorporadas en una lámina delgada o en pintura. En el caso de pintura que contiene perlas de vidrio, la pintura adhiere las perlas a la superficie donde se requiere la retrorreflexión y las perlas sobresalen, siendo su diámetro aproximadamente el doble del espesor de la pintura.

Espejo de fase conjugada

Una tercera forma, mucho menos común, de producir un retrorreflector es usar el fenómeno óptico no lineal de la conjugación de fase. Esta técnica se utiliza en sistemas ópticos avanzados como láseres de alta potencia y líneas de transmisión óptica. Los espejos de fase conjugada reflejan una onda entrante, de modo que la onda reflejada sigue exactamente el camino que tomó previamente, y requieren un aparato comparativamente costoso y complejo, así como grandes cantidades de energía (ya que los procesos ópticos no lineales pueden ser eficientes solo en lo suficientemente alto). intensidades). Sin embargo, los espejos de fase conjugada tienen inherentemente una precisión mucho mayor en la dirección de la retrorreflexión, que en los elementos pasivos está limitada por la precisión mecánica de la construcción.

Operación

Gráfico 1 – Ángulo de observación

Figura 2 - Ángulo de entrada

Retroflectores de bicicletas

"Aura" alrededor de la sombra de un globo de aire caliente, causado por la retroreflexión de rodajas

Los retrorreflectores son dispositivos que funcionan devolviendo la luz a la fuente de luz en la misma dirección de la luz. El coeficiente de intensidad luminosa, R_I, es la medida del rendimiento de un reflector, que se define como la relación entre la fuerza de la luz reflejada (intensidad luminosa) y la cantidad de luz que incide sobre el reflector (iluminación normal). Un reflector parece más brillante a medida que aumenta su valor R_I.

El valor R_I del reflector es una función del color, tamaño y condición del reflector. Los reflectores transparentes o blancos son los más eficientes y parecen más brillantes que otros colores. El área superficial del reflector es proporcional al valor R_I, que aumenta a medida que aumenta la superficie reflectante.

El valor R_I también es una función de la geometría espacial entre el observador, la fuente de luz y el reflector. Las figuras 1 y 2 muestran el ángulo de observación y el ángulo de entrada entre los faros del automóvil, la bicicleta y el conductor. El ángulo de observación es el ángulo formado por el haz de luz y la línea de visión del conductor. El ángulo de observación es una función de la distancia entre los faros y el ojo del conductor, y la distancia al reflector. Los ingenieros de tránsito utilizan un ángulo de observación de 0,2 grados para simular un objetivo reflector a unos 800 pies frente a un automóvil de pasajeros. A medida que aumenta el ángulo de observación, disminuye el rendimiento del reflector. Por ejemplo, un camión tiene una gran separación entre el faro y el ojo del conductor en comparación con un vehículo de pasajeros. El reflector de una bicicleta parece más brillante para el conductor de un automóvil de pasajeros que para el conductor de un camión a la misma distancia del vehículo al reflector.

El haz de luz y el eje normal del reflector, como se muestra en la Figura 2, forman el ángulo de entrada. El ángulo de entrada es una función de la orientación del reflector a la fuente de luz. Por ejemplo, el ángulo de entrada entre un automóvil que se acerca a una bicicleta en una intersección separada 90 grados es mayor que el ángulo de entrada de una bicicleta directamente frente a un automóvil en una carretera recta. El reflector parece más brillante para el observador cuando está directamente en línea con la fuente de luz.

El brillo de un reflector también depende de la distancia entre la fuente de luz y el reflector. En un ángulo de observación dado, a medida que disminuye la distancia entre la fuente de luz y el reflector, aumenta la luz que incide sobre el reflector. Esto aumenta la cantidad de luz que regresa al observador y el reflector parece más brillante.

Aplicaciones

En carreteras

Retroreflector y Cat-Eye en bicicleta

Retroreflectores en un par de zapatos de bicicleta. La fuente de luz es un flash de unos pocos centímetros sobre el objetivo de la cámara.

Coche con pegatinas reflectantes

La retrorreflexión (a veces llamada retroflexión) se utiliza en superficies de carreteras, señales de tráfico, vehículos y ropa (gran parte de la superficie de la ropa de seguridad especial, menos en los abrigos normales). Cuando los faros de un automóvil iluminan una superficie retrorreflectante, la luz reflejada se dirige hacia el automóvil y su conductor (en lugar de en todas las direcciones como ocurre con la reflexión difusa). Sin embargo, un peatón puede ver superficies retrorreflectantes en la oscuridad solo si hay una fuente de luz directamente entre él y el reflector (p. ej., a través de una linterna que lleva) o directamente detrás de él (p. ej., a través de un automóvil que se acerca por detrás). "Ojos de gato" son un tipo particular de retrorreflector incrustado en la superficie de la carretera y se utilizan principalmente en el Reino Unido y partes de los Estados Unidos.

Los reflectores de esquina son mejores para devolver la luz a la fuente en largas distancias, mientras que las esferas son mejores para enviar la luz a un receptor un poco fuera del eje de la fuente, como cuando la luz de los faros se refleja en el conductor. 39;s ojos.

Los retrorreflectores se pueden incrustar en la carretera (al nivel de la superficie de la carretera) o se pueden elevar por encima de la superficie de la carretera. Los reflectores elevados son visibles a distancias muy largas (normalmente de 0,5 a 1 kilómetro o más), mientras que los reflectores hundidos solo son visibles a distancias muy cortas debido al ángulo más alto necesario para reflejar correctamente la luz. Los reflectores elevados generalmente no se usan en áreas que experimentan nieve regularmente durante el invierno, ya que los quitanieves que pasan pueden arrancarlos de las carreteras. El estrés en las carreteras causado por automóviles que pasan sobre objetos incrustados también contribuye al desgaste acelerado y la formación de baches.

Por lo tanto, la pintura retrorreflectante para carreteras es muy popular en Canadá y partes de los Estados Unidos, ya que no se ve afectada por el paso de las máquinas quitanieves y no afecta el interior de la carretera. Cuando el clima lo permite, se prefieren los retrorreflectores incrustados o elevados, ya que duran mucho más que la pintura de la carretera, que se desgasta con los elementos, puede oscurecerse con los sedimentos o la lluvia y se desgasta con el paso de los vehículos.

Para señales

Para las señales de tránsito y los operadores de vehículos, la fuente de luz son los faros del vehículo, donde la luz se envía al frente de la señal de tránsito y luego se devuelve al operador del vehículo. Las caras retrorreflectantes de las señales de tráfico se fabrican con perlas de vidrio o reflectores prismáticos incrustados en una capa de lámina base para que la cara refleje la luz y, por lo tanto, haga que la señal parezca más brillante y visible para el operador del vehículo en condiciones de oscuridad. Según la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de los Estados Unidos (NHTSA), la publicación Traffic Safety Facts 2000 establece que la tasa de accidentes fatales es 3-4 veces más probable durante los accidentes nocturnos que durante los incidentes diurnos.

Una idea errónea que mucha gente tiene es que la retrorreflectividad solo es importante durante los viajes nocturnos. Sin embargo, en los últimos años, más estados y agencias exigen que las luces delanteras se enciendan en condiciones climáticas adversas, como lluvia y nieve. Según la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos (FHWA): Aproximadamente el 24% de todos los accidentes de vehículos ocurren durante condiciones climáticas adversas (lluvia, aguanieve, nieve y niebla). Las condiciones de lluvia representan el 47% de los accidentes relacionados con el clima. Estas estadísticas se basan en promedios de 14 años desde 1995 hasta 2008.

El Manual sobre dispositivos uniformes de control de tráfico de la FHWA exige que las señales se iluminen o se fabriquen con láminas de materiales retrorreflectantes y, aunque la mayoría de las señales en los EE. UU. se fabrican con láminas de materiales retrorreflectantes, se degradan con el tiempo. Hasta ahora, ha habido poca información disponible para determinar cuánto dura la retrorreflectividad. El MUTCD ahora requiere que las agencias mantengan las señales de tráfico en un conjunto de niveles mínimos pero proporcionen una variedad de métodos de mantenimiento que las agencias pueden usar para el cumplimiento. Los requisitos mínimos de retrorreflectividad no implican que una agencia deba medir cada señal. Más bien, el nuevo lenguaje MUTCD describe métodos que las agencias pueden usar para mantener la retrorreflectividad de las señales de tránsito en o por encima de los niveles mínimos.

En Canadá, la iluminación del aeródromo se puede reemplazar por retrorreflectores de colores apropiados, los más importantes de los cuales son los retrorreflectores blancos que delimitan los bordes de la pista y deben ser vistos por aeronaves equipadas con luces de aterrizaje a una distancia de hasta 2 millas náuticas.

Barcos, botes, equipo de emergencia

La cinta retrorreflectante está reconocida y recomendada por la Convención internacional para la seguridad de la vida humana en el mar (SOLAS) debido a su alta reflectividad tanto de la luz como de las señales de radar. La aplicación a balsas salvavidas, dispositivos de flotación personal y otros equipos de seguridad facilita la localización de personas y objetos en el agua durante la noche. Cuando se aplica a las superficies de los barcos, crea una firma de radar más grande, especialmente para los barcos de fibra de vidrio, que producen muy pocos reflejos de radar por sí mismos. Cumple con la regulación de la Organización Marítima Internacional, IMO Res. A.658 (16) y cumple con la especificación 46 CFR Parte 164, Subparte 164.018/5/0 de la Guardia Costera de EE. UU. Ejemplos de productos disponibles comercialmente son los números de pieza 3150A y 6750I de 3M y Orafol Oralite FD1403.

Topografía

Un prisma típico de la encuesta con el objetivo trasero

En topografía, un retrorreflector, generalmente conocido como prisma, normalmente se coloca en un poste de topografía y se usa como objetivo para la medición de distancia usando, por ejemplo, una estación total. El operador del instrumento o robot apunta un rayo láser al retrorreflector. El instrumento mide el tiempo de propagación de la luz y lo convierte en una distancia. Los prismas se utilizan con sistemas topográficos y de seguimiento de puntos 3D para medir cambios en la elevación y la posición de un punto.

En el espacio

En la Luna

El experimento de laser lunar Apollo 11

Los astronautas de las misiones Apolo 11, 14 y 15 dejaron retrorreflectores en la Luna como parte del Experimento de alcance láser lunar. Los rovers soviéticos Lunokhod 1 y Lunokhod 2 también llevaban matrices más pequeñas. Las señales reflejadas se recibieron inicialmente de Lunokhod 1, pero no se detectaron señales de retorno desde 1971 hasta 2010, al menos en parte debido a cierta incertidumbre sobre su ubicación en la Luna. En 2010, se encontró en fotografías del Lunar Reconnaissance Orbiter y los retrorreflectores se han vuelto a utilizar. La matriz Lunokhod 2 continúa devolviendo señales a la Tierra. Incluso en buenas condiciones de visualización, solo se recibe un único fotón reflejado cada pocos segundos. Esto hace que el trabajo de filtrar fotones generados por láser a partir de fotones naturales sea un desafío.

En Marte

Un dispositivo similar, el Laser Retroreflector Array (LaRA), se ha incorporado en el rover Mars Perseverance. El retrorreflector fue diseñado por el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, que construyó el instrumento en nombre de la Agencia Espacial Italiana.

Marte Perseverance rover - LaRA - (artwork)

En satélites

Muchos satélites artificiales llevan retrorreflectores para que puedan ser rastreados desde estaciones terrestres. Algunos satélites se construyeron únicamente para medir con láser. LAGEOS, o satélites de geodinámica láser, son una serie de satélites de investigación científica diseñados para proporcionar un punto de referencia de alcance láser en órbita para estudios geodinámicos de la Tierra. Hay dos naves espaciales LAGEOS: LAGEOS-1 (lanzada en 1976) y LAGEOS-2 (lanzada en 1992). Utilizan retrorreflectores de esquina cúbica hechos de vidrio de sílice fundido. A partir de 2020, ambas naves espaciales LAGEOS todavía están en servicio. A partir de 1999 se lanzaron tres satélites STARSHINE equipados con retrorreflectores. El satélite LARES se lanzó el 13 de febrero de 2012. (Consulte también la Lista de satélites de alcance láser)

Otros satélites incluyen retrorreflectores para la calibración y determinación de la órbita, como en la navegación por satélite (p. ej., todos los satélites Galileo, la mayoría de los satélites GLONASS, los satélites IRNSS, BeiDou, QZSS y dos satélites GPS), así como en la gravimetría por satélite (GOCE) altimetría satelital (p. ej., TOPEX/Poseidon, Sentinel-3). Los retrorreflectores también se pueden usar para el rango láser entre satélites en lugar del seguimiento en tierra (por ejemplo, GRACE-FO).

El satélite retrorreflector esférico BLITS (Ball Lens In The Space) se puso en órbita como parte de un lanzamiento Soyuz en septiembre de 2009 por parte de la Agencia Espacial Federal de Rusia con la asistencia del Servicio Internacional de Telemetría Láser, un organismo independiente organizado originalmente por la Asociación Internacional de Geodesia, la Unión Astronómica Internacional y comités internacionales. La oficina central de ILRS está ubicada en los Estados Unidos' Centro de Vuelo Espacial Goddard. El reflector, un tipo de lente de Luneburg, fue desarrollado y fabricado por el Instituto de Ingeniería de Instrumentos de Precisión (IPIE) en Moscú. La misión se interrumpió en 2013 tras una colisión con basura espacial.

Comunicación óptica en espacio libre

Los retrorreflectores modulados, en los que la reflectancia cambia con el tiempo de alguna manera, son objeto de investigación y desarrollo para las redes de comunicaciones ópticas en el espacio libre. El concepto básico de tales sistemas es que un sistema remoto de baja potencia, como un sensor remoto, puede recibir una señal óptica de una estación base y reflejar la señal modulada de regreso a la estación base. Dado que la estación base suministra la energía óptica, esto permite que el sistema remoto se comunique sin un consumo excesivo de energía. Los retrorreflectores modulados también existen en forma de espejos conjugados de fase modulada (PCM). En el último caso, un "tiempo invertido" La onda es generada por el PCM con codificación temporal de la onda conjugada de fase (consulte, por ejemplo, SciAm, octubre de 1990, "The Photorefractive Effect», David M. Pepper, et al.< /i>).

Los retrorreflectores económicos que apuntan a las esquinas se utilizan en la tecnología controlada por el usuario como dispositivos de enlace de datos ópticos. La orientación se realiza de noche y el área necesaria del retrorreflector depende de la distancia de orientación y la iluminación ambiental de las farolas. El propio receptor óptico se comporta como un retrorreflector débil porque contiene una lente grande enfocada con precisión que detecta objetos iluminados en su plano focal. Esto permite apuntar sin retrorreflector para distancias cortas.

Otros usos

Los retrorreflectores se utilizan en las siguientes aplicaciones de ejemplo:

• En cámaras digitales comunes (no-SLR), el sistema de sensores suele ser retroreflexivo. Los investigadores han utilizado esta propiedad para demostrar un sistema para prevenir fotografías no autorizadas mediante la detección de cámaras digitales y el envío de un rayo de luz altamente concentrado en la lente.
• En las pantallas de cine para permitir un alto brillo bajo condiciones oscuras.
• Los programas digitales de composición y los entornos clave de croma usan retroreflexión para reemplazar los fondos literarios tradicionales en el trabajo compuesto, ya que proporcionan un color más sólido sin exigir que el fondo se encienda por separado.
• En sistemas Longpath-DOAS retroreflectores se utilizan para reflejar la luz emitida de un fuente de luz de nuevo en un telescopio. Se analiza espectralmente para obtener información sobre el contenido de gas traza del aire entre el telescopio y el reflector retro.
• Las etiquetas de código de barras se pueden imprimir en material retroreflexivo para aumentar la gama de escaneado de hasta 50 pies.
• En una forma de pantalla 3D; donde se utiliza una lámina retro-reflexiva y un conjunto de proyectores para proyectar imágenes estereoscópicas de vuelta al ojo del usuario. El uso de proyectores móviles y seguimiento posicional montados en el marco de espectáculos del usuario permite crear la ilusión de un holograma para imágenes generadas por ordenador.
• Los peces linterna de la familia Anomalopidae tienen retroreflectores naturales. Ver el taptum lucidum.

Historia

Muchos animales de presa y depredadores tienen ojos naturalmente retrorreflectantes al tener una capa reflectante llamada Tapetum lucidum detrás de la retina, ya que esto duplica la luz que recibe su retina.

El ojo de gato doble es el diseño original de Shaw y marca el centro de carretera-line

Inspirado en el mundo natural, el inventor de la carretera 'ojos de gato' fue Percy Shaw de Boothtown, Halifax, West Yorkshire, Inglaterra. Cuando se retiraron las líneas de tranvía en el suburbio cercano de Ambler Thorn, se dio cuenta de que había estado usando los rieles de acero pulido para navegar de noche. El nombre "ojo de gato" proviene de la inspiración de Shaw para el dispositivo: el brillo de los ojos que se refleja en los ojos de un gato. En 1934 patentó su invento (patentes n.º 436.290 y 457.536) y el 15 de marzo de 1935 fundó Reflecting Roadstuds Limited en Halifax para fabricar los artículos. El nombre Catseye es su marca registrada. La lente retrorreflectante había sido inventada seis años antes para su uso en carteles publicitarios por Richard Hollins Murray, un contador de Herefordshire y, como reconoció Shaw, habían contribuido a su idea.