Retrorefletor - Retroreflector

Retrorefletor
Corner-Cube.jpg
Um retrorrefletor de cubo de canto de ouro
Usos Medição de distância
por linha de atraso óptico

Um retrorrefletor (às vezes chamado de retrofletor ou cataphote ) é um dispositivo ou superfície que reflete a radiação (geralmente luz) de volta para sua fonte com um mínimo de espalhamento . Isso funciona em uma ampla faixa de ângulo de incidência , ao contrário de um espelho plano , que faz isso apenas se o espelho estiver exatamente perpendicular à frente da onda, tendo um ângulo de incidência zero. Sendo direcionado, o reflexo do retrofletor é mais brilhante do que o de um refletor difuso . Refletores de canto e olho de gato refletores são os tipos mais utilizados.

Tipos

Existem várias maneiras de obter retrorreflecção:

Refletor de canto

Princípio de funcionamento de um refletor de canto
Comparação do efeito dos retrorrefletores de canto (1) e esférico (2) em três raios de luz. As superfícies reflexivas são desenhadas em azul escuro.

Um conjunto de três superfícies reflexivas perpendiculares entre si, colocadas para formar o canto interno de um cubo, funcionam como um retrorrefletor. Os três vetores normais correspondentes dos lados dos cantos formam uma base ( x , y , z ) na qual representa a direção de um raio de entrada arbitrário, [ a , b , c ] . Quando o raio reflete do primeiro lado, digamos x, o componente x do raio , a , é revertido para - a , enquanto os componentes y - e z - permanecem inalterados. Portanto, como o raio reflete primeiro do lado x, depois do lado y e finalmente do lado z, a direção do raio vai de [ a , b , c ] para [- a , b , c ] para [- a , - b , c ] para [- a , - b , - c ] e sai do canto com todos os três componentes de sua direção exatamente invertidos.

Os refletores de canto ocorrem em duas variedades. Na forma mais comum, o canto é literalmente o canto truncado de um cubo de material transparente, como o vidro óptico convencional. Nesta estrutura, a reflexão é obtida por reflexão interna total ou prateamento das superfícies externas do cubo. A segunda forma usa espelhos planos perpendiculares entre si, enquadrando um espaço aéreo. Esses dois tipos têm propriedades ópticas semelhantes.

Um grande retrorrefletor relativamente fino pode ser formado combinando muitos pequenos refletores de canto, usando o ladrilho hexagonal padrão .

Olho de gato

O brilho dos olhos de retrorrefletores do tipo esfera transparente é claramente visível nos olhos deste gato

Outro tipo comum de retrorrefletor consiste em elementos ópticos refratários com superfície reflexiva, dispostos de modo que a superfície focal do elemento refrativo coincida com a superfície reflexiva, tipicamente uma esfera transparente e (opcionalmente) um espelho esférico. Na aproximação paraxial , este efeito pode ser alcançado com a divergência mais baixa com uma única esfera transparente quando o índice de refração do material é exatamente um mais o índice de refração n i do meio a partir do qual a radiação é incidente (n i é cerca de 1 para ar). Nesse caso, a superfície da esfera se comporta como um espelho esférico côncavo com a curvatura necessária para retrorrefletir. Na prática, o índice de refração ideal pode ser inferior a n i + 1 ≅ 2 devido a vários fatores. Por um lado, às vezes é preferível ter uma retrorreflecção imperfeita, ligeiramente divergente, como no caso dos sinais de trânsito, onde a iluminação e os ângulos de observação são diferentes. Devido à aberração esférica , também existe um raio da linha central no qual os raios incidentes são focados no centro da superfície posterior da esfera. Finalmente, os materiais de alto índice têm coeficientes de reflexão de Fresnel mais altos, de modo que a eficiência do acoplamento da luz do ambiente à esfera diminui à medida que o índice se torna mais alto. Os grânulos retrorrefletivos comerciais, portanto, variam em índice de cerca de 1,5 (formas comuns de vidro) até cerca de 1,9 (comumente vidro de titanato de bário ).

O problema de aberração esférica com o olho de gato esférico pode ser resolvido de várias maneiras, sendo uma delas um gradiente de índice esférico simétrico dentro da esfera, como no design da lente de Luneburg . Praticamente, isso pode ser aproximado por um sistema de esferas concêntricas.

Como a reflexão do verso de uma esfera não revestida é imperfeita, é bastante comum adicionar um revestimento metálico à metade posterior das esferas retrorrefletivas para aumentar a refletância, mas isso implica que a retrorrefletividade só funciona quando a esfera está orientada em um determinado direção.

Uma forma alternativa de retrorrefletor de olho de gato usa uma lente normal focada em um espelho curvo em vez de uma esfera transparente, embora esse tipo seja muito mais limitado na faixa de ângulos incidentes que ele retrorreflete.

O termo olho de gato deriva da semelhança de reflector olho do gato para o sistema óptico que produz o conhecido fenómeno de "olhos brilhantes" ou eyeshine em gatos e outros vertebrados (que estão refletindo apenas a luz, em vez de realmente brilhantes). A combinação do cristalino e da córnea forma o sistema convergente refrativo, enquanto o tapetum lucidum atrás da retina forma o espelho côncavo esférico. Como a função do olho é formar uma imagem na retina, um olho focado em um objeto distante tem uma superfície focal que segue aproximadamente a estrutura reflexiva do tapetum lucidum , que é a condição necessária para formar uma boa retrorreflecção.

Este tipo de retrorrefletor pode consistir em muitas pequenas versões dessas estruturas incorporadas em uma lâmina fina ou em tinta. No caso da tinta que contém contas de vidro, a tinta adere as contas à superfície onde a retrorreflecção é necessária e as contas se projetam, sendo o seu diâmetro cerca de duas vezes a espessura da tinta.

Espelho de conjugado de fase

Uma terceira maneira, muito menos comum de produzir um retrorrefletor, é usar o fenômeno óptico não linear de conjugação de fase . Esta técnica é usada em sistemas ópticos avançados , como lasers de alta potência e linhas de transmissão óptica . Os espelhos conjugados de fase refletem uma onda de entrada para que a onda refletida siga exatamente o caminho que ela tomou anteriormente e requerem um aparato relativamente caro e complexo, bem como grandes quantidades de energia (como processos ópticos não lineares podem ser eficientes apenas em alta intensidades). No entanto, os espelhos conjugados de fase têm uma precisão inerentemente muito maior na direção da retrorreflecção, que em elementos passivos é limitada pela precisão mecânica da construção.

Operação

Figura 1 - Ângulo de observação
Figura 2 - Ângulo de entrada
Retrorrefletores de bicicleta

Retrorefletores são dispositivos que operam devolvendo a luz à fonte de luz ao longo da mesma direção da luz. O coeficiente de intensidade luminosa, R I , é a medida do desempenho de um refletor, que é definido como a relação entre a intensidade da luz refletida (intensidade luminosa) e a quantidade de luz que incide sobre o refletor (iluminância normal). Um refletor parece mais brilhante à medida que seu valor R I aumenta.

O valor R I do refletor é uma função da cor, tamanho e condição do refletor. Refletores transparentes ou brancos são os mais eficientes e parecem mais brilhantes do que outras cores. A área da superfície do refletor é proporcional ao valor R I , que aumenta à medida que a superfície reflexiva aumenta.

O valor R I também é função da geometria espacial entre o observador, a fonte de luz e o refletor. As Figuras 1 e 2 mostram o ângulo de observação e o ângulo de entrada entre os faróis do automóvel, a bicicleta e o motorista. O ângulo de observação é o ângulo formado pelo feixe de luz e a linha de visão do motorista. O ângulo de observação é uma função da distância entre os faróis e o olho do motorista, e a distância até o refletor. Os engenheiros de tráfego usam um ângulo de observação de 0,2 graus para simular um alvo refletor a cerca de 250 metros à frente de um automóvel de passageiros. Conforme o ângulo de observação aumenta, o desempenho do refletor diminui. Por exemplo, um caminhão tem uma grande separação entre o farol e o olho do motorista em comparação com um veículo de passeio. Um refletor de bicicleta parece mais brilhante para o motorista do carro de passeio do que para o motorista do caminhão na mesma distância do veículo ao refletor.

O feixe de luz e o eixo normal do refletor, conforme mostrado na Figura 2, formam o ângulo de entrada. O ângulo de entrada é função da orientação do refletor em relação à fonte de luz. Por exemplo, o ângulo de entrada entre um automóvel que se aproxima de uma bicicleta em um cruzamento de 90 graus é maior do que o ângulo de entrada de uma bicicleta diretamente na frente de um automóvel em uma estrada reta. O refletor parece mais brilhante para o observador quando está diretamente alinhado com a fonte de luz.

O brilho de um refletor também é função da distância entre a fonte de luz e o refletor. Em um determinado ângulo de observação, conforme a distância entre a fonte de luz e o refletor diminui, a luz que incide sobre o refletor aumenta. Isso aumenta a quantidade de luz retornada ao observador e o refletor parece mais brilhante.

Formulários

Nas estradas

Retrorefletor e olho-de-gato em uma bicicleta
Retrorefletores em um par de sapatos de bicicleta. A fonte de luz é um flash alguns centímetros acima da lente da câmera.
Carro com adesivos reflexivos

A retrorreflexão (às vezes chamada de retroflexão) é usada em superfícies de estradas , sinais de trânsito , veículos e roupas (grandes partes da superfície de roupas de segurança especiais , menos em casacos regulares). Quando os faróis de um carro iluminam uma superfície retrorrefletiva, a luz refletida é direcionada para o carro e seu motorista (ao invés de em todas as direções como com reflexão difusa ). No entanto, um pedestre pode ver superfícies retrorrefletivas no escuro apenas se houver uma fonte de luz diretamente entre eles e o refletor (por exemplo, por meio de uma lanterna que carregam) ou diretamente atrás deles (por exemplo, por meio de um carro se aproximando por trás). Os " olhos de gato " são um tipo particular de retrorrefletor embutido na superfície da estrada e são usados ​​principalmente no Reino Unido e em partes dos Estados Unidos .

Os refletores de canto são melhores para enviar a luz de volta para a fonte em longas distâncias, enquanto as esferas são melhores para enviar a luz para um receptor um pouco fora do eixo da fonte, como quando a luz dos faróis é refletida nos olhos do motorista .

Os retrorrefletores podem ser embutidos na estrada (ao nível da superfície da estrada) ou podem ser elevados acima da superfície da estrada. Os refletores elevados são visíveis a distâncias muito longas (normalmente 0,5-1 km ou mais), enquanto os refletores afundados são visíveis apenas em faixas muito próximas devido ao ângulo mais alto necessário para refletir adequadamente a luz. Em geral, os refletores elevados não são usados ​​em áreas que apresentam neve regularmente durante o inverno, pois os limpadores de neve que passam podem arrancá-los das estradas. O estresse nas estradas causado por carros atropelando objetos embutidos também contribui para o desgaste acelerado e a formação de buracos .

A tinta retrorrefletiva para estradas é, portanto, muito popular no Canadá e em partes dos Estados Unidos, pois não é afetada pela passagem de limpadores de neve e não afeta o interior da estrada. Onde o clima permitir, retrorrefletores embutidos ou elevados são preferidos, pois duram muito mais do que a pintura de estradas, que é desgastada pelos elementos, pode ser obscurecida por sedimentos ou chuva e é esmerilhada pela passagem de veículos.

Para sinais

Para sinais de trânsito e operadores de veículos, a fonte de luz são os faróis de um veículo, onde a luz é enviada para a face do sinal de trânsito e depois devolvida ao operador do veículo. As faces retrorrefletivas dos sinais de trânsito são fabricadas com contas de vidro ou refletores prismáticos embutidos em uma camada de folha de base para que a face reflita a luz, fazendo com que o sinal pareça mais brilhante e visível para o operador do veículo em condições de escurecimento. De acordo com a National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) dos Estados Unidos , a publicação Traffic Safety Facts 2000 afirma que a taxa de acidentes fatais é 3-4 vezes mais provável durante acidentes noturnos do que durante o dia.

Um equívoco que muitas pessoas têm é que a retrorrefletividade só é importante durante as viagens noturnas. No entanto, nos últimos anos, mais estados e agências exigem que os faróis sejam acesos em condições meteorológicas adversas, como chuva e neve. De acordo com a Administração Federal de Rodovias dos Estados Unidos (FHWA): Aproximadamente 24% de todos os acidentes com veículos ocorrem durante condições climáticas adversas (chuva, granizo, neve e neblina). As condições de chuva são responsáveis ​​por 47% dos acidentes climáticos. Essas estatísticas são baseadas em médias de 14 anos, de 1995 a 2008.

O Manual do FHWA sobre Dispositivos Uniformes de Controle de Tráfego exige que os sinais sejam iluminados ou feitos com materiais de folha retrorrefletiva e, embora a maioria dos sinais nos EUA seja feita com materiais de folha retrorrefletiva, eles se degradam com o tempo. Até agora, havia pouca informação disponível para determinar quanto tempo dura a retrorrefletividade. O MUTCD agora exige que as agências mantenham os sinais de trânsito em um conjunto de níveis mínimos, mas forneçam uma variedade de métodos de manutenção que as agências podem usar para fins de conformidade. Os requisitos mínimos de retrorrefletividade não implicam que uma agência deva medir todos os sinais. Em vez disso, a nova linguagem MUTCD descreve métodos que as agências podem usar para manter a retrorrefletividade dos sinais de trânsito em ou acima dos níveis mínimos.

No Canadá , a iluminação do aeródromo pode ser substituída por retrorrefletores com cores apropriadas, sendo os mais importantes os retrorrefletores brancos que delineiam as bordas da pista, e devem ser vistos por aeronaves equipadas com luzes de pouso a até 2 milhas náuticas de distância.

Navios, barcos, equipamento de emergência

A fita retroflexiva é reconhecida e recomendada pela Convenção Internacional para a Salvaguarda da Vida Humana no Mar ( SOLAS ) por causa de sua alta refletividade dos sinais de luz e radar . A aplicação em botes salva-vidas, dispositivos pessoais de flutuação e outros equipamentos de segurança facilita a localização de pessoas e objetos na água à noite. Quando aplicado a superfícies de barco, ele cria uma assinatura de radar maior - especialmente para barcos de fibra de vidro, que produzem muito pouca reflexão de radar por conta própria. Está em conformidade com o regulamento da Organização Marítima Internacional, IMO Res. A.658 (16) e atende à especificação 46 CFR Parte 164 da Guarda Costeira dos EUA, Subparte 164.018 / 5/0. Exemplos de produtos disponíveis comercialmente são os números de peça 3M 3150A e 6750I e Orafol Oralite FD1403.

Topografia

Um prisma topográfico típico com alvo posterior

No levantamento topográfico , um retrorefletor - normalmente referido como prisma - é normalmente anexado a um poste de levantamento e é usado como um alvo para medição de distância usando, por exemplo, uma estação total . O operador do instrumento ou robô aponta um feixe de laser para o retrorrefletor. O instrumento mede o tempo de propagação da luz e o converte para uma distância. Os prismas são usados ​​com sistemas de levantamento e monitoramento de ponto 3D para medir mudanças na elevação e posição de um ponto.

No espaço

Na Lua

O experimento de alcance do laser lunar da Apollo 11

Astronautas nas missões Apollo 11 , 14 e 15 deixaram retrorrefletores na Lua como parte do Experimento Lunar Laser Ranging . Os rovers soviéticos Lunokhod 1 e Lunokhod 2 também carregavam matrizes menores. Os sinais refletidos foram inicialmente recebidos do Lunokhod 1 , mas nenhum sinal de retorno foi detectado de 1971 até 2010, pelo menos em parte devido a alguma incerteza em sua localização na lua. Em 2010, ele foi encontrado em fotografias do Lunar Reconnaissance Orbiter e os retrorrefletores foram usados ​​novamente. A matriz do Lunokhod 2 continua a retornar sinais para a Terra. Mesmo em boas condições de visualização, apenas um único fóton refletido é recebido a cada poucos segundos. Isso torna o trabalho de filtrar fótons gerados a partir de fótons naturais um desafio.

Em Marte

Um dispositivo semelhante, o Laser Retroreflector Array (LaRA), foi incorporado ao Mars Perseverance rover . O retrorrefletor foi projetado pelo Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, que construiu o instrumento em nome da Agência Espacial Italiana .

Mars Perseverance rover - LaRA - (arte)

Em satélites

Muitos satélites artificiais carregam retrorrefletores para que possam ser rastreados a partir de estações terrestres . Alguns satélites foram construídos exclusivamente para alcance a laser. LAGEOS , ou Laser Geodynamics Satellites, é uma série de satélites de pesquisa científica projetados para fornecer um benchmark orbital de alcance do laser para estudos geodinâmicos da Terra. Existem duas espaçonaves LAGEOS: LAGEOS-1 (lançada em 1976) e LAGEOS-2 (lançada em 1992). Eles usam retrorefletores de canto de cubo feitos de vidro de sílica fundida. Em 2020, ambas as espaçonaves LAGEOS ainda estão em serviço. Três satélites STARSHINE equipados com retrorefletores foram lançados a partir de 1999. O satélite LARES foi lançado em 13 de fevereiro de 2012. (Ver também Lista de satélites de alcance a laser )

Outros satélites incluem retrorefletores para calibração de órbita e determinação de órbita, como em navegação por satélite (por exemplo, todos os satélites Galileo , a maioria dos satélites GLONASS , satélites IRNSS , BeiDou , QZSS e dois satélites GPS ), bem como em gravimetria por satélite ( GOCE ) altimetria de satélite (por exemplo, TOPEX / Poseidon , Sentinel-3 ). Os retrorefletores também podem ser usados ​​para o alcance do laser entre satélites em vez do rastreamento do solo (por exemplo, GRACE-FO ).

O satélite retrorrefletor esférico BLITS (Ball Lens In The Space) foi colocado em órbita como parte de um lançamento Soyuz em setembro de 2009 pela Agência Espacial Federal da Rússia com a assistência do International Laser Ranging Service , um órgão independente originalmente organizado pela Associação Internacional de Geodésia , a União Astronômica Internacional e comitês internacionais. O escritório central do ILRS está localizado no Goddard Space Flight Center dos Estados Unidos . O refletor, um tipo de lente de Luneburg , foi desenvolvido e fabricado pelo Instituto de Engenharia de Instrumentos de Precisão (IPIE) de Moscou. A missão foi interrompida em 2013 após uma colisão com detritos espaciais .

Comunicação óptica em espaço livre

Retrorefletores modulados, nos quais a refletância é alterada por alguns meios ao longo do tempo, são objeto de pesquisa e desenvolvimento para redes de comunicações ópticas em espaço livre . O conceito básico de tais sistemas é que um sistema remoto de baixa potência, como um mote sensor, pode receber um sinal óptico de uma estação base e refletir o sinal modulado de volta para a estação base. Como a estação base fornece energia óptica, isso permite que o sistema remoto se comunique sem consumo excessivo de energia. Retrorefletores modulados também existem na forma de espelhos conjugados de fase modulados (PCMs). No último caso, uma onda "invertida no tempo" é gerada pelo PCM com codificação temporal da onda conjugada de fase (ver, por exemplo, SciAm, outubro de 1990, "The Photorefractive Effect", David M. Pepper, et al. . ).

Retrorefletores de canto de mira baratos são usados ​​em tecnologia controlada pelo usuário como dispositivos ópticos de datalink. A mira é feita à noite, e a área retrorrefletora necessária depende da distância de mira e da iluminação ambiente dos postes de luz. O próprio receptor óptico se comporta como um retrorrefletor fraco porque contém uma lente grande e precisamente focada que detecta objetos iluminados em seu plano focal. Isso permite mirar sem retrorrefletor para curtos alcances.

Outros usos

Retrorefletores são usados ​​nos seguintes aplicativos de exemplo:

  • Em câmeras digitais comuns (não SLR), o sistema de sensor costuma ser retrorrefletivo. Os pesquisadores usaram essa propriedade para demonstrar um sistema para evitar fotografias não autorizadas, detectando câmeras digitais e irradiando um feixe de luz altamente focado na lente.
  • Em telas de cinema para permitir alto brilho em condições de escuridão.
  • Os programas de composição digital e ambientes de chroma key usam retrorreflecção para substituir os cenários tradicionais iluminados em trabalhos compostos, pois fornecem uma cor mais sólida sem exigir que o cenário seja iluminado separadamente.
  • Nos sistemas Longpath- DOAS , os retrorefletores são usados ​​para refletir a luz emitida por uma fonte de luz de volta ao telescópio. Em seguida, é analisado espectralmente para obter informações sobre o conteúdo de gases traço do ar entre o telescópio e o retrorrefletor.
  • Etiquetas de código de barras podem ser impressas em material retrorrefletivo para aumentar o alcance da digitalização em até 15 metros.
  • Em forma de exibição 3D ; onde uma folha retro-reflexiva e um conjunto de projetores são usados ​​para projetar imagens estereoscópicas de volta aos olhos do usuário. O uso de projetores móveis e rastreamento posicional montado na armação dos óculos do usuário permite a ilusão de um holograma a ser criado para imagens geradas por computador .
  • Os peixes-lanterna da família Anomalopidae têm retrorrefletores naturais. Veja tapetum lucidum .

Veja também

Notas

Referências

  • Optics Letters , vol. 4 , pp. 190-192 (1979), "Retroreflective Arrays as Approximate Phase Conjugators," por HH Barrett e SF Jacobs.
  • Optical Engineering , vol. 21 , pp. 281-283 (março / abril de 1982), "Experiments with Retrodirective Arrays," por Stephen F. Jacobs.
  • Scientific American , dezembro de 1985, "Phase Conjugation", de Vladimir Shkunov e Boris Zel'dovich.
  • Scientific American , janeiro de 1986, "Applications of Optical Phase Conjugation," por David M. Pepper.
  • Scientific American , abril de 1986, "The Amateur Scientist" ('Wonders with the Retroreflector'), de Jearl Walker.
  • Scientific American , outubro de 1990, "The Photorefractive Effect", de David M. Pepper, Jack Feinberg e Nicolai V. Kukhtarev.

links externos