Retroreflector

Un conjunto de tres superficies reflectantes mutuamente perpendiculares, colocadas para formar la esquina interna de un cubo, funcionan como un retroreflector. Los tres vectores normales correspondientes de los lados de la esquina forman una base ( x , y , z ) en la que se representa la dirección de un rayo incidente arbitrario, [ a , b , c ] . Cuando el rayo se refleja en el primer lado, digamos x, la componente x del rayo, a , se invierte a -a , mientras que las componentes y y z permanecen sin cambios. Por lo tanto, como el rayo se refleja primero en el lado x, luego en el lado y y finalmente en el lado z, la dirección del rayo pasa de [ a , b , c ] a [ -a , b , c ] a [ -a , -b , c ] a [ -a , -b , -c ] y sale de la esquina con las tres componentes de su dirección exactamente invertidas.

Los reflectores de esquina se presentan en dos variantes. En la forma más común, la esquina es literalmente el vértice truncado de un cubo de material transparente, como el vidrio óptico convencional. En esta estructura, la reflexión se logra mediante reflexión interna total o mediante el recubrimiento de las superficies exteriores del cubo. La segunda variante utiliza espejos planos perpendiculares entre sí que delimitan un espacio de aire. Ambos tipos presentan propiedades ópticas similares.

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

Otro tipo común de retroreflector consiste en elementos ópticos refractantes con una superficie reflectante, dispuestos de manera que la superficie focal del elemento refractivo coincida con la superficie reflectante, típicamente una esfera transparente y (opcionalmente) un espejo esférico. En la aproximación paraxial , este efecto se puede lograr con la menor divergencia 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 retroreflexión. En la práctica, el índice de refracción óptimo puede ser menor que n _i + 1 ≅ 2 debido a varios factores. Por ejemplo, a veces es preferible tener una retroreflexión imperfecta, ligeramente divergente, como en el caso de las señales de tráfico, donde los ángulos de iluminación y observación son diferentes. Debido a la aberración esférica , existe un radio desde el eje central en el que los rayos incidentes se enfocan en el centro de la superficie posterior de la esfera. Por último, los materiales de alto índice de refracción presentan coeficientes de reflexión de Fresnel más elevados, por lo que la eficiencia de acoplamiento de la luz ambiental a la esfera disminuye a medida que aumenta el índice. Por consiguiente, las microesferas retrorreflectantes comerciales varían en índice de refracción desde aproximadamente 1,5 (formas comunes de vidrio) hasta aproximadamente 1,9 ( vidrio de titanato de bario, comúnmente ).

El problema de la aberración esférica en el ojo de gato esférico se puede resolver de varias maneras, una de ellas mediante 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. ^{[ 2 ]}

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

Una variante del retrorreflector de ojo de gato utiliza una lente normal enfocada sobre un espejo curvo en lugar de una esfera transparente, aunque este tipo está mucho más limitado en el rango de ángulos de incidencia que refleja.

El término «ojo de gato» deriva de la semejanza del retroreflector del ojo felino con el sistema óptico que produce el conocido fenómeno de los «ojos brillantes» o brillo ocular en gatos y otros vertebrados (que solo reflejan la luz, en lugar de brillar realmente). La combinación del cristalino y la córnea forman el sistema refractivo convergente, mientras que el tapetum lucidum, situado detrás de la retina , forma el espejo cóncavo esférico. Dado 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 , condición necesaria para 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 la pintura que contiene microesferas de vidrio, la pintura adhiere las microesferas a la superficie donde se requiere la retroreflexión y las microesferas sobresalen, con un diámetro que es aproximadamente el doble del grosor de la pintura.

Una tercera forma, mucho menos común, de producir un retroreflector es mediante el fenómeno óptico no lineal de conjugación de fase . Esta técnica se utiliza en sistemas ópticos avanzados , como láseres de alta potencia y líneas de transmisión óptica . Los espejos de conjugación de fase ^{[ 3 ]} reflejan una onda incidente de manera que la onda reflejada siga exactamente la trayectoria que ha seguido previamente, y requieren un aparato relativamente costoso y complejo, así como grandes cantidades de energía (ya que los procesos ópticos no lineales solo pueden ser eficientes a intensidades suficientemente altas). Sin embargo, los espejos de conjugación de fase tienen una precisión inherentemente mucho mayor en la dirección de la retroreflexión, que en los elementos pasivos está limitada por la precisión mecánica de la construcción.

La retroreflexión (a veces llamada retroreflectancia) 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 abrigos normales). Cuando los faros de un coche iluminan una superficie retroreflectante, la luz reflejada se dirige hacia el coche y su conductor (en lugar de en todas direcciones como con la reflexión difusa ). Sin embargo, un peatón solo puede ver las superficies retroreflectantes en la oscuridad si hay una fuente de luz directamente entre él y el reflector (por ejemplo, mediante una linterna que lleve) o directamente detrás de él (por ejemplo, mediante un coche que se aproxima por detrás). Los " ojos de gato " son un tipo particular de retroreflector incrustado en la superficie de la carretera y se utilizan principalmente en el Reino Unido y algunas partes de los Estados Unidos .

Los reflectores de esquina son mejores para devolver la luz a la fuente a largas distancias, mientras que las esferas son mejores para enviar la luz a un receptor ligeramente descentrado con respecto a la fuente, como cuando la luz de los faros se refleja en los ojos del conductor .

Los retroreflectores pueden estar integrados en la calzada (al mismo nivel que la superficie) o elevados. Los reflectores elevados son visibles a distancias muy largas (normalmente de 0,5 a 1 kilómetro o más), mientras que los reflectores empotrados solo son visibles a corta distancia debido al mayor ángulo necesario para reflejar la luz correctamente. Generalmente, no se utilizan reflectores elevados en zonas con nevadas frecuentes durante el invierno, ya que las quitanieves pueden arrancarlos de la calzada. El desgaste de la calzada provocado por los vehículos que pasan por encima de objetos integrados también contribuye a la formación de baches y a un mayor desgaste .

La pintura reflectante para carreteras es muy popular en Canadá y algunas zonas de Estados Unidos, ya que no se ve afectada por el paso de las quitanieves ni daña el interior de la calzada. Cuando las condiciones climáticas lo permiten, se prefieren los retroreflectores integrados o en relieve, puesto que duran mucho más que la pintura para carreteras, la cual se deteriora con la intemperie, puede quedar oculta por sedimentos o lluvia y se desgasta con el paso de los vehículos.

Para las señales de tráfico y los conductores, la fuente de luz son los faros del vehículo, que dirigen la luz a la señal y la devuelven al conductor. Las señales de tráfico retrorreflectantes se fabrican con microesferas de vidrio o reflectores prismáticos incrustados en una capa base, de modo que la superficie refleja la luz, lo que hace que la señal sea más brillante y visible para el conductor en condiciones de poca luz. Según la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de Estados Unidos (NHTSA), la publicación Traffic Safety Facts 2000 indica que la probabilidad de accidentes mortales es entre 3 y 4 veces mayor durante la noche que durante el día.

Una idea errónea común es que la retroreflectividad solo es importante al conducir de noche. Sin embargo, en los últimos años, cada vez más estados y agencias exigen que se enciendan las luces delanteras en condiciones climáticas adversas, como lluvia y nieve. Según la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos (FHWA): Aproximadamente el 24 % de todos los accidentes de tráfico ocurren durante condiciones climáticas adversas (lluvia, aguanieve, nieve y niebla). La lluvia representa el 47 % de los accidentes relacionados con el clima. Estas estadísticas se basan en promedios de 14 años, desde 1995 hasta 2008.

El Manual de Dispositivos Uniformes de Control de Tráfico (MUTCD) de la FHWA exige que las señales estén iluminadas o fabricadas con materiales retrorreflectantes. Si bien la mayoría de las señales en EE. UU. están hechas con estos materiales, se degradan con el tiempo. Hasta ahora, existía poca información disponible para determinar la duración de la retroreflectividad. El MUTCD ahora exige que las agencias mantengan las señales de tráfico a niveles mínimos establecidos, pero proporciona diversos métodos de mantenimiento que pueden utilizar para cumplir con la normativa. Los requisitos mínimos de retroreflectividad no implican que una agencia deba medir cada señal. Más bien, la nueva normativa del MUTCD describe métodos que las agencias pueden utilizar para mantener la retroreflectividad de las señales de tráfico en o por encima de los niveles mínimos.

En Canadá , la iluminación de los aeródromos puede sustituirse por retroreflectores del color adecuado, siendo los más importantes los retroreflectores blancos que delimitan los bordes de la pista y que deben ser visibles para las aeronaves equipadas con luces de aterrizaje hasta a 2 millas náuticas de distancia. ^{[ 4 ]}

La cinta retrorreflectante está reconocida y recomendada por el Convenio 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 . Su aplicación en balsas salvavidas , dispositivos de flotación personal y otros equipos de seguridad facilita la localización de personas y objetos en el agua durante la noche. Al aplicarse a las superficies de las embarcaciones, crea una mayor firma de radar , especialmente en embarcaciones de fibra de vidrio, que producen muy poca reflexión de radar por sí solas. Cumple con la normativa de la Organización Marítima Internacional, IMO Res. A.658 (16), y con la especificación de la Guardia Costera de EE. UU. 46 CFR Parte 164, Subparte 164.018/5/0. Algunos ejemplos de productos disponibles comercialmente son los números de pieza 3M 3150A y 6750I, y Orafol Oralite FD1403.

En topografía , un retroreflector —generalmente denominado prisma— se suele acoplar a un poste topográfico y se utiliza como objetivo para la medición de distancias , por ejemplo, con una estación total . El operador del instrumento o el robot dirige un rayo láser hacia el retroreflector. El instrumento mide el tiempo de propagación de la luz y lo convierte en una distancia. Los prismas se utilizan con sistemas de topografía y monitorización de puntos 3D para medir cambios en la posición horizontal y vertical de un punto. Dos prismas también pueden servir como objetivos para mediciones de ángulos , utilizando estaciones totales o teodolitos más sencillos ; este uso, que recuerda al heliotropo , no implica retroreflexión propiamente dicha, sino que solo requiere visibilidad mediante cualquier fuente de iluminación (como el sol) para apuntar directamente al centro del prisma objetivo visto desde el instrumento óptico.

Los retroreflectores modulados, en los que la reflectancia se modifica con el tiempo mediante algún método, son objeto de investigación y desarrollo para redes de comunicaciones ópticas en espacio libre . El concepto básico de estos sistemas es que un sistema remoto de baja potencia, como un nodo sensor, puede recibir una señal óptica de una estación base y reflejar la señal modulada de vuelta a la estación base. Dado que la estación base suministra la potencia óptica, esto permite que el sistema remoto se comunique sin un consumo excesivo de energía. Los retroreflectores modulados también existen en forma de espejos conjugados de fase modulados (PCM). En este último caso, el PCM genera una onda "invertida en el tiempo" con codificación temporal de la onda conjugada de fase (véase, por ejemplo, SciAm, octubre de 1990, "The Photorefractive Effect", David M. Pepper, et al. ).

Los retroreflectores de bajo costo con puntería en esquina se utilizan en tecnologías controladas por el usuario como dispositivos de enlace de datos ópticos. La puntería se realiza de noche, y el área necesaria del retroreflector depende de la distancia de puntería y la iluminación ambiental de las farolas. El receptor óptico en sí se comporta como un retroreflector débil, ya que contiene una lente grande y de enfoque preciso que detecta objetos iluminados en su plano focal. Esto permite apuntar sin retroreflector a corta distancia.

Los retroreflectores se utilizan en las siguientes aplicaciones de ejemplo:

• En las cámaras digitales comunes (no réflex), el sistema de sensores suele ser retrorreflectante. Los investigadores han utilizado esta propiedad para demostrar un sistema que impide la toma de fotografías no autorizadas mediante la detección de cámaras digitales y la proyección de un haz de luz altamente concentrado hacia el objetivo. ^{[ 26 ]}
• En pantallas de cine para permitir un alto brillo en condiciones de oscuridad. ^{[ 27 ]}
• Los programas de composición digital y los entornos de croma utilizan la retrorreflexión para reemplazar los fondos iluminados tradicionales en el trabajo de composición, ya que proporcionan un color más sólido sin necesidad de iluminar el fondo por separado. ^{[ 28 ]}
• En los sistemas DOAS de largo alcance , se utilizan retroreflectores para reflejar la luz emitida por una fuente de luz hacia un telescopio. Posteriormente, se analiza espectralmente para obtener información sobre el contenido de gases traza en el aire entre el telescopio y el retroreflector.
• Las etiquetas de código de barras se pueden imprimir en material retrorreflectante para aumentar el alcance del escaneo hasta 50 pies. ^{[ 29 ]}
• En una forma de visualización 3D , donde se utiliza una lámina retrorreflectante y un conjunto de proyectores para proyectar imágenes estereoscópicas de vuelta al ojo del usuario. El uso de proyectores móviles y seguimiento posicional montado en la montura de las gafas del usuario permite crear la ilusión de un holograma para imágenes generadas por computadora . ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}
• Los peces linterna de la familia Anomalopidae poseen retrorreflectores naturales. Véase tapetum lucidum .
• Ropa de alta visibilidad, especialmente en el sector de la construcción .