Световозвращение
Как известно, все поверхности отражают свет. Существует три типа отражения света: диффузное, зеркальное и отражение в сторону источника, иначе «световозвращение».
- Диффузное отражение. Если поверхность матовая, то есть имеет неровную, бугристую поверхность, свет отражается одновременно во многих направлениях.
- Зеркальное отражение. Луч света падает на полированную или зеркальную поверхность и отражается от нее. Углы падения и отражения луча при этом равны.
- Световозвращение - ситуация, когда свет, падающий на поверхность, отражается обратно в направлении источника света. Достигается это использованием поверхности, специально созданной для «разворота» луча в противоположном направлении. Существует два способа отразить свет обратно - с помощью стеклянного шарика или уголковой призмы.
Шариковые световозвращатели
Еще В 1934 году англичанин Перси Шоу разработал "кошачий глаз" — дорожный световозвращатель, вдохновленный отражением света от глаз кошки. Он представлял из себя заключенный в металлическую обойму стеклянный шарик, который размещался на дорожном полотне и позволял в свете фар видеть границу дороги. С тех пор эта отрасль производства позволила создать совершенные световозвращающие материалы, состоящие из микросфер, утопленных в связывающие вещество.
Тем не менее технология с использованием стеклянных шариков имеет ряд недостатков, которые принципиально не позволяют достичь высоких показателей эффективности световозвращения. Рассмотрим принцип работы шарообразного световозвращателя.
sinA=nsinB, где n коэффициент преломления стекла
nsinB=sinA
по теореме синусов в треугольнике OCF
OF/sin(180−A)=R/sin(2A−2B), где R – радиус шара
отсюда: OF=R*sinA/sin(2A−2B), или
OF=R*A/2(A−B)=R*n/2(n−1) так как при малых углах меняем sin угла на значение угла (в радианах)
Диапазон коэффициента преломления стекла 1,5-2,
поэтому OF (фокусное расстояние шара) > R
Падающий луч (зеленая линия) идет параллельно его оптической оси и пересекает ее в точке F. Это фокус шарика. Когда луч входит в шарик, он не распространяется в том же направлении, а меняет его – «преломляется». Преломление света — это явление изменения направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую с различными показателями преломления. Это происходит из-за изменения скорости света в разных средах.
Выходя из шарика, он еще раз преломляется в обратном порядке и как следует из рассмотренной геометрии, для среды воздух-стекло-воздух фокус шара лежит за его пределами. Это делает невозможным 100% возвращение света, так как не для параксиальных лучей (лучи, которые проходят вблизи оптической оси и образуют с ней малые углы) смещение фокуса за заднюю поверхность шарика приводит к сильному рассеянию и эффективность световозвращения падает тем сильнее, чем больше расстояние падающего луча от оптической оси шарика.
Еще одной особенностью шариковых пленочных световозвращателей является неполное заполнение площади поверхности самими шариками из-за невозможности компоновки сферических объектов вплотную друг к другу и высокого содержания частиц несферической формы. Последний параметр достигает величины 20% и объясняется малым коэффициентом поверхностного натяжения шарика в момент образования при температуре в 1300°С.
Эффективность любого световозвращателя характеризует коэффициент световозвращения, который количественно оценивает способность поверхности отражать свет обратно к его источнику. Он определяется как отношение силы светового потока, возвращаемого в направлении источника, к силе падающего светового потока на поверхность. Этот коэффициент выражается в канделах на квадратный метр на люкс (кд·м⁻²·лк⁻¹).
Коэффициент световозвращения стеклянных шариков из-за рассмотренных недостатков невысок, он зависит от размеров, формы шара и показателя преломления стекла, который в зависимости от типа стекла и температуры находится в диапазоне от 1,5 до 2. В системе, основанной на шариках, только около 35% падающего света отражаются обратно в сторону источника.
Микропризматические световозвращатели
Гораздо более эффективны материалы, использующие для создания эффекта световозврата уголковые призмы. Чтобы представить себе форму этих кубических уголковых призм, отрежьте угол картонной коробки и загляните внутрь отрезанного угла. Вы увидите три одинаковые грани, сходящиеся в центре трехмерного треугольника. Попадая на любую из граней луч свет последовательно отражается от каждой из них и выходит в направлении источника света.
Для отражения от грани призмы используется явление полного внутреннего отражения, когда призма сформирована в среде прозрачный полимер-воздух или зеркальное отражение, если с обратной стороны призма покрыта напыленным алюминиевым слоем.
Кубические уголковые призмы выглядят в два-три раза более яркими по сравнению со стеклянными шариками. Материалы на основе призм обладают великолепными пользовательскими характеристиками, такими как устойчивость к истиранию и проникновению растворителей, сверхмалая толщина и высокая гибкость, исключительная способность сохранять отражательную способность в условиях дождя и отличные колориметрические показатели отражения.
Отражающая поверхность материалов, основанная на использовании кубических уголковых призм, изготавливается методом литья или формовки призматических элементов на нижней поверхности очень тонкой подложки. В зависимости от типа материала, на одном квадратном сантиметре поверхности размещается от 7300 до 15500 призм.
Если шарик – идеальный 3D объект, не имеющий анизотропных оптических свойств и, как следствие, отражающий свет в более широком диапазоне углов, обеспечивая видимость из различных направлений, то микропризма отлично работает до определенных углов и резко теряет эффективность при больших.