Научно о привычном. Глава 2: Технология световозвращения

Вспомним основные моменты:

• Световозвращение — это явление, при котором свет возвращается объектом или материалом в направлении источника света.
• Световозращающие материалы, такие, например, как пленки для дорожных знаков, используют микросферы и микропризмы для перенаправления света в сторону источника, используя различные принципы отражения, пропускания и поглощения света.
• Микропризматические элементы в большинстве случаев более эффективны в световозвращении, но при этом количество возвращаемого ими света в отличие от микросфер в значительной степени зависит от угла наблюдения.

Световозвращение это явление, при котором свет отражается в сторону источника. Световозвращающие элементы — устройства, отражающие свет в сторону источника — используются на дорогах для того, чтобы отражать свет в направлении фар транспортного  средства.

На рисунке выше показан конус света фар автомобиля. Часть лучей этого светового конуса достигает поверхности дорожного знака, после чего отражается световозращающими элементами, в данном случае пленкой, из которой изготовлено изображение дорожного знака. При этом формируется конус отраженного света, который возвращается в сторону автомобиля.  Этот конус называется конусом световозвращения. Существует две основные технологии, позволяющие получить эффект световозвращения: микросферы и микропризмы.

Микросферы

Микросфера преломляет лучи света в направлении оптического фокуса (расположенного за пределами микросферы), после чего лучи отражаются от специального алюминиевого покрытия противоположной полусферы и, снова преломившись на выходе из микросферы, устремляются в направлении своего источника.

Благодаря особенностям своей формы (можно смело утверждать, что сфера является самой симметричной трехмерной фигурой) микросферы обеспечивают равномерное световозвращение независимо от углов наблюдения. Тем не менее, также в силу особенностей своей формы, невозможно обеспечить 100% заполнение поверхности микросферами. Кроме того, оптический фокус сферы лежит не на ее поверхности, а за ее пределами, поэтому эффективность световозвращения обратно пропорциональна расстоянию падающего луча от оптической оси сферы. Проявляется эта особенность в виде «темного кольца» - части поверхности сферы, где световозвращение крайне неэффективно или же не происходит вообще.

В завершение всего отражающее покрытие, наносимое на поверхность сферы в процессе металлизации, поглощает часть света, что также снижает эффективность световозвращающих материалов на микросферах.

Микропризмы

Микропризмы, которые используются в световозвращателях, чаще всего выглядят, как угол куба, и имеют четыре грани - три боковых и одну фронтальную. Геометрически такой элемент представляют из себя тэтраэдр, но общепринятым названием является «уголковый отражатель».

Как мы уже упоминали в Главе 1, свет преломляется на границе раздела двух сред различной оптической плотности.   При определенном критическом угле падения на границе раздела более оптически плотной и менее оптически плотной сред, например, полимера и воздуха, свет преломляется настолько, что возникает явление полного внутреннего отражения.

В уголковой микропризме угол между гранями может быть точно выверен, исходя из требуемых оптических характеристик и используемого материала. Когда световой луч после преломления на внешней грани падает на одну из внутренних граней, он отражается на вторую внутреннюю грань, затем на третью, после чего оказывается полностью развернутым по отношению к своему первоначальному направлению и не отправляется обратно в сторону источника. В отличие от микросфер, микропризмы могут быть размещены настолько плотно друг к другу, что полностью заполняют всю поверхность световозвращающего материала, тем самым значительно повышая эффективность световозвращения.

Кроме того, благодаря феномену полного внутреннего отражения потери света в микропризматических материалах за счет рассеивания или поглощения на металлизированном слое практически сведены к нулю, так как такой слой в большинстве случаев просто отсутствует.

Недостатком уголковых призм является невозможность обеспечить феномен полного внутреннего отражения во всем диапазоне углов наблюдения. Происходит это из-за того, что угол падения на внутренние грани призмы должен лежать в определенным диапазоне, что в некоторых случаях недостижимо. Это приводит к практически полному рассеиванию и поглощению света микропризматическим материалом при освещении его под большим углом.

В дополнение к этому, отсутствие полной оптической симметрии, как у микросфер проявляется, во-первых, в потере световозвращения на определенных частях поверхности призмы за счет переотражения только от двух (вместо трех) внутренних граней, а во-вторых, в зависимости эффективности световозвращения от ориентации самих призматических элементов относительно источника света.

Тем не менее, считается, что микропризматические материалы в значительной степени более эффективны в световозвращении, чем микросферы, за счет гораздо большего количества света, который они могут вернуть в сторону источника.