объяснение принципа действия уголкового отражателя, который положен в основу световозвращающих материалов

Сейчас световозвращатели широко используются в дорожных знаках и обозначениях дорожных объектов, специальной одежде дорожных служб, в униформе специальных служб, таких как ГИБДД, МЧС, Скорой помощи. При попадании света на эти материалы они ярко «светятся», значительно выделяясь на общем фоне дороги. Водители в темноте издалека видят такие объекты, заранее планируя свои действия.

Очень долго мы искали хорошую статью, которая понятно, доступно, но со строгих научных позиций объяснила бы принцип действия световозвращателей. Это оказалось нелегкой задачей. Все сегодняшние описания содержат ряд неточностей. Нашли мы такую статью только  в подшивке научно-популярного физико-математического журнала "Квант" за 1978 год.

В основе эффекта световозрващения лежит принцип уголкового отражателя. Собственно уголковым отражателям посвящена эта статья. Интересны и другие, приведенные в статье  варианты использования этого эффекта.

В.Кравцов, И.Сербин

Уголковые отражатели

научно-популярный физико-математический журнала "Квант"  1978 год №12  стр.7-9,46

  Уголковые отражатели - это устройства, которые применяются для отражения радиолокационных или оптических лучей в направлении, противоположном первоначальному. Еще в недавнем прошлом оптические уголковые отражатели использовались только как скромное дорожное предупредительное устройство - на велосипедах, автомобилях, поездах, на дорожных указателях. Назывались они катафотами. В настоящее время уголковые отражатели находят очень широкое применение: они используются и в навигационной радиолокации, и в метеорологии, и в космических исследованиях.
  Как же "работает" уголковый отражатель?
Устройство его очень просто.  На рисунке 1 приведены различные типы уголковых отражателей. Это может быть треугольная призма,  две боковые грани которой взаимно перпендикулярны (рис. 1а) и с внутренних сторон своих поверхностей (OAA'O и OBB'O') с внутренних сторон покрыты тонким слоем материала хорошо отражающего свет. Уголковый отражатель может представлять собой четырехгранную пирамиду (рис.1б),

Рисунок 1

 Рисунок 1а  Рисунок 1б  Рисунок 1в
 а)  б)  в)
   

три взаимно перпендикулярные грани которой (AOB, BOC, AOC) также имеют внутренние отражающие поверхности. Радиолокационные уголковые отражатели - это три заимно перпендикулярные  полоские пластины (рис. 1в), изготовленные из материала, хорошо отражающего радиоволны.
  Как видно, уголковый отражатель можно схематично представить, как систему взаимно перпендикулярных плоских зеркал.Чтобы лучше понять принцип действия отражателя, рассмотрим, как изменяет ход световых лучей система из двух таких зеркал (З1 и З2 на рис.2)

Рисунок 2
Рисунок 2

Луч S, попадающий на зеркало З1 под углом φ1, отражается от него в точке A, попадает от него на зеркало З2 под углом φ2 и отражается от него в точке B, 2 φ1+2 φ2 = 180°, т.е. луч отраженный параллелен лучу падающему и направлен в противоположную сторону.

Роль двух таких зеркал в отражателе-призме (рис.1а) выполняют грани OAA’O’ и OBB’O’. Луч света, падающий на грань-"гипотенузу" BAA’B’ после отражения в призме выходит строго в обратном направлении. Отметим, что преломление луча на грани-гипотенузе не сказывается на «оборачивающем действии» отражателя (рис.3).

рисунок 3

Рисунок 3

Очевидно, что если луч, падающий и луч отраженный параллельны друг другу по одну сторону от преломляющей грани BAA’B’ – внутри угла, то они параллельны и по другую ее строну.

Однако отражатель, состоящий из двух взаимно перпендикулярных зеркал, «обращает» только те лучи, которые лежат в плоскости, перпендикулярной к ребру двугранного угла, образованного зеркалами. Этого недостатка лишен отражатель, состоящий из трех взаимно перпендикулярных зеркал. Покажем, что всякий луч, попавший на такой отражатель и испытавший последовательно отражения от всех трех зеркал, изменит свое направление на прямо противоположное.

  Для этого предварительно рассмотрим, как изменяется единичный вектор, определяющий направление луча, при отражении луча от плоского зеркала. На рисунке 4:
З – плоское зеркало,
S – луч, падающий на зеркало под углом φ,
  векторS.jpg – единичный вектор, определяющий направление падающего луча,  n.jpg– единичный вектор, перпендикулярный к плоскости зеркала,  s.jpg– единичный вектор, определяющий направление отраженного луча. (векторы векторS.jpg, n.jpg и s.jpg лежат в одной плоскости). Представим, каждый из векторов векторS.jpg, и s.jpg;в виде суммы двух векторов (будем называть их «составляющими»): s=s2st и s=s2st.jpg где составляющие; s2.jpg и s2.jpg  параллельный плоскости З, а st.jpg и st.jpg     перпендикулярны к этой плоскости. Из закона отражения света следует, что s2=s2.jpg а st=-st.jpg, то есть при отражении луча составляющая вектора векторS.jpg, параллельная плоскости зеркала, не меняется, а составляющая, перпендикулярная к этой плоскости, меняет знак на противоположный.


Рисунок 4

Рисунок 4

Теперь рассмотрим три взаимно перпендикулярных плоских зеркала З1, З2, З3 на рисунке 5

Рисунок 5

Рисунок 5
Пусть S – луч, падающий на систему этих зеркал; s – единичный вектор в направлении луча S. Представим, векторS.jpg как сумму трех составляющих s[ sy sz.jpg параллельных осям X, Y и Z соответственно. После первого отражения – отражения от зеркала - луч идет по направлению, определяемому единичным вектором s.jpg . Составляющие вектора s.jpg– это  s[ sy sz.jpg (составляющая sx.jpgвектора векторS.jpgперпендикулярная к плоскости зеркала З1, меняет знак на противоположный, а составляющие sy.jpg  и sz.jpg   параллельные этой плоскости, остаются неизменными). Проследив последовательные отражения луча от зеркал З2 и З3, мы убедимся, что после третьего отражения (от З3) луч идет по направлению, задаваемому единичным вектором s.jpg, составляющие которого равны соответственно   -sx-sy-sz.jpg. Значит, любой луч, попадающий на систему трех, взаимно перпендикулярных зеркал, отражается этой системой в направлении, противоположном первоначальному.

   Такую систему зеркал образуют три вазимно перпендикулярные посербренные грани уголкового отражателя-пирамиды (см. рис. 1, б). Наличие «закрывающей» угол грани АВС не нарушает действия отражающих граней АОВ, ВОС и АОС.

    Мы уже говорили о том, какое широкое применение находят уголковые отражатели. Самые «старые» из них – катафоты, можно предсатвить себе как набор отражателей-призм, скомпанованных таким образом, что ребрадвугранных углов, образованных отражающими гранями, лежат в одной плоскости и поверуты друг относительно друга под всевозможными углами. Каждая такая призма отражает «назад» лучи перпендикулярные к ребру двугранного угла. Оттого катафот и кажется светящимся.

В повседневной практике уголковые отражатели типа изображенного на рисунке 1, в, используются в навигационной радиолокации. Например, бакены и буйки, снабженные такими отражателями, становятся более заметными для радиолокаторов. С помощью отражателей, прикрепленных к метеорологическим шарам-зондам, радиолокационным методом определяются скорость и направление ветра на большой высоте.

Уникальны по своему применению оптические уголковые отражатели в космических исследованиях. Помещенный на искусственный спутник земли или на космический корабль отражатель позволяет с очень большой точностью определять расстояние до этих объектов. При этом в качестве луча локатора используется луч лазера.

В 1968 году уголковый отражатель был доставлен экипажем американского космического корабля Аполлон – II на Луну. Через год на Луне появился второй уголковый отражатель – установленные на советском автоматическом самоходном аппарате Луноход -1. Изготовлен он был в порядке международного сотрудничества французскими специалистами. Этот отражатель состоит из 14 четырехгранных пирамид, сделанных из плавленого кварца. Отражающие гоани каждой призмы покрыты тонким слоем серебра, который предохраняется слоем напыленного кварца; поверхность призм отшлифована с точностью до 0,07 мкм (т.е. размеры шероховатостей не превышают 0,07 мкм).

Использование уголковых отражателей, доставленных на Луну, позволило с помощью лазерного луча-локатора измерить расстояние Земля – Луна с очень большой точностью. – до 0,1 метра.

Приведенные нами примеры далеко не исчерпывают многообразия применений простого и надежного устройства – уголкового отражателя.


 

Все статьи

Новости

Новости сайта, новинки, анонсы

Каталог

Продукция компании. Световозвращатели для пешеходов