回复反射原理

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§概述

概述

回复反射器在光学领域称为逆向反射器 (Retroreflector) 。其特点是在一定的入射角范围内 , 反射光基本上沿入射光的反方向并呈一定的发散角返回。因此 ,它广泛用于工业自动化仪表、导航和交通器材等领域。在交通器材上 , 用途广、用量大 : 有自行车反射器 , 机动车、摩托车的回复反射器 , 道路、桥梁的轮廓标、突起路标等。这些反射

器均为

机动车

( 特别

是汽车

) 夜

间行车

驾驶员

了解路

况、安

全行车而设置。图 4.1.1 所示为两辆汽车在道路上行驶的情况。前面汽车的前照灯光照射在路上的逆向反射器标志上 , 驾驶员看到其逆反光便得知道路的状况。后面汽车的前照灯光照在前面汽车尾灯部位的回复反射器上 ,驾驶员仍可根据回复反射器的逆反射光了解前面有汽车行驶。特别是在高速公路上,回复反射器的设置尤为重要。

由于汽车驾驶员的眼睛与汽车前照灯在高度方向上有一定距离,所以为使驾驶员能够在一定范围内清晰地看到前面回复反射器所反射的前照灯光,则要求回复反射器的逆反射光不能完全回到前照灯内而要有一定的发散角和强度。这个特性取决于回复反射器的设计参数和制造技术,其中模具制造、精密注塑和回复反射器反光性能检测为三项基本技术。

§汽车用回复反射器的基本类型

汽车用回复反射器的基本类型

回复(逆向)反射器是由众多个回复(逆向)反射光学单元列阵构成,回复反射光学单元主要有微珠和立方角锥棱镜两大类。用于汽车的回复反射器则是由众多个立方角锥棱镜列阵组成,用光学塑料注塑制造。

所谓立方角锥棱镜 (Cube Comer Retroreflector, 缩写为 CCR) 即是三个反射面互成直角的反射棱镜,也称为三面直角锥棱镜、角隅棱镜、角锥棱镜等。它相当于从一个立方体上切下的一个角(图 4.2.1,b 所示)。直角三角形 OAB 、OBC 、 OCA 为三个反射面,等边三角形 ABC 为角锥的底面(也有称为弦面 )为了和后面的叙述统一起见 , 将底面改称为前面,且其位置也放在最前面。光线由前面入射 , 依次经三个反射面反射 , 再由前面出射。出射光线与入射光线反向且平行 , 两者有一定的偏距 e , 如图所示。若有一束光充满前面入射 , 每一条出射光线虽有偏距,但集合在一起的出射光束就与人射光束完全重合而看不出偏距。应当指出,在立方角锥棱镜中,只有经过三个反射面二次反射的光线才能形成逆向(回复)反射。

由上面叙述可知 , 前面是入射光束的入瞳 (△ABC) 。而出瞠为倒置的前面 (△A’B’C’), 如图 4.2.2 所示。出射光束的有效通光孔为正六边形 DEFGHI 。在正六边形之外的入射光线 , 未经第三个面完成三次反射就与前面相遇 , 经过前面反射而从第三个

反射面折射出去 , 不能沿入射光方向返回 , 造成光能量的损失 , 降低了反射率。由于正六边形的面积仅为前面面积的三分之二 , 所以将有三分之一的光能量损失。用这种立方角锥棱镜阵列构成的回复反射器 ( 图的有效通光面积之和也只有整个回复反射器前表面面积的三分之二。

为了减少入射光能量的损失 , 通常采用两种方法使立方角锥棱镜的出瞳和入瞳完全重合：

(1) 将前面等边三角形的三个角(图 4.2.2 中的△ADI, △BEF, △CGH) 切掉,变成前面为正六边形 DEFGHI 的立方角锥棱镜 , 其反射面分别为五边形 OJDEK 、OKFGL 、 OLHU 。用这种立方角锥棱镜列阵构成的回复反射器如图所示。

(2) 将三个反射面由直角三角形 OAB 、 OBC 、OCA 扩大为正方形OAC’B 、OBA’

C、OCB’A 。用这种立方角锥棱镜列阵构成的回复反射器如图 4.2.3(c)所示。

现在用于汽车上的回复反射器主要是这两种形式的阵列。由于正方形反射面比五边形反射面容易制造 , 故采用较多。

§评定回复(逆向)反射器反光性能的基本术语和坐标系统

评定回复 ( 逆向 ) 反射器反光性能的基本术语和坐标系统

1. 四复反射反射光线主要从靠近入射光线的反方向返回 , 而且当入射光的方向在一定范围内变化时 , 仍能保持这种性质。

2. 回复反射器由一个或多个回复反射光学单元组成具有回复反射功能的器件。回复反射器的反光性能与回复反射器相对于照明光源的方位和观测的方位有关 , 因此 , 在评定其反光性能时 , 应建立相应的坐标系统。

3. 参考中心 (C) 在确定回复反射器反光特性时 , 器件中心或接近中心的一个点。

4. 参考轴 (NC) 起于参考中心 , 与回复反射光学单元的对称轴线平行的直线。此直线用于确定回复反射器的角度位置。

5. 照明轴从参考中心到照明光源的连线。

6. 观测轴从参考中心到观测点的连线。

7. 观测角（α）照明轴和观测轴之间的夹角。

8．入射角 (照射角)( β)照明轴和参考轴的夹角。为确定回复反射器的方位 , 这个角分为β1和β2。β1 为在竖直平面内的入射角。β2 为在水平面内的入射角。

9. 旋转角 (ε)回复反射器从某一位置开始 , 绕其参考轴旋转所转过的角度。

§回复反射器逆反射的机理

回复反射器逆反射的机理

回复反射器的反光单元是实心立方角锥棱镜 , 其反光性能不仅取决于角锥棱镜的反光性能而且也取决于各个反光单元反射光的综合积分效应。

4.4.1 实心立方角锥棱镜的全反射现象

全反射现象是光束由折射率较大的介质向折射率较小的介质传播 , 即由光密介质向光疏介质的传播时 , 在其介面上发生的现象。如图 4.4.1 所示 , 由 A 点发出一束光射向两个介质分界面 , 设入射介质的折射率 n 大于折射介质的折射率n’, 由折射定律ns ini= n’sini’可知 , 折射角i’大于入射角 i 。若增大入射角 i, 则折射角i’ 也相应增大。当入射角增大到某一值 im 时 , 折射角i’等于 90°, 此时折射光线沿两介质分界面掠射。折射定律变为nsinim=n’sin90°=n’ 入射角 im 称为临界角 ,

Im=sin(-1)(n’/n)

当入射角大于临界角时 , 光线不发生折射而按反射定律将光线完全反射回原介质中去。