Un retrorreflector (a veces llamado retrorreflector o catafoto ) es un dispositivo o superficie que refleja la radiación (normalmente luz ) de vuelta a su fuente con una dispersión mínima . Esto funciona en un amplio rango de ángulos de incidencia , a diferencia de un espejo plano , que hace esto solo si el espejo es exactamente perpendicular al frente de onda, teniendo un ángulo de incidencia cero. Al estar dirigido, el reflejo del retrorreflector es más brillante que el de un reflector difuso . Los reflectores de esquina y los reflectores de ojo de gato son los tipos más utilizados.
Hay varias formas de obtener retrorreflexión: [1]
Un conjunto de tres superficies reflectantes perpendiculares entre sí, colocadas para formar la esquina interna de un cubo, funcionan como un retrorreflector. 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 desde el primer lado, digamos x, el componente x del rayo, a , se invierte a − a , mientras que los componentes y y z no cambian. Por lo tanto, como el rayo se refleja primero desde el lado x, luego desde el lado y y finalmente desde el lado z, la dirección del rayo va de [ a , b , c ] a [ − a , b , c ] a [ − a , − b , c ] a [ − a , − b , − c ] y sale de la esquina con los tres componentes de su dirección exactamente invertidos.
Los reflectores de esquina se presentan en dos variedades. En la forma más común, la esquina es literalmente la esquina truncada de un cubo de material transparente como el vidrio óptico convencional. En esta estructura, la reflexión se logra ya sea por reflexión interna total o por plateado de las superficies externas del cubo. La segunda forma utiliza espejos planos mutuamente perpendiculares que encierran un espacio de aire. Estos dos tipos tienen propiedades ópticas similares.
Se puede formar un retrorreflector grande relativamente delgado combinando muchos reflectores de esquina pequeños, utilizando el mosaico hexagonal estándar .
Otro tipo común de retrorreflector consiste en elementos ópticos refractores con una superficie reflectante, dispuestos de manera que la superficie focal del elemento refractor 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 divergencia más baja 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 que incide la radiación (n i es aproximadamente 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 retrorreflexión. En la práctica, el índice de refracción óptimo puede ser inferior a n i + 1 ≅ 2 debido a varios factores. Por un lado, a veces es preferible tener una retrorreflexión 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 , también existe un radio desde la línea central en el que los rayos incidentes se enfocan en el centro de la superficie trasera de la esfera. Finalmente, los materiales de alto índice tienen coeficientes de reflexión de Fresnel más altos, por lo que la eficiencia de acoplamiento de la luz del ambiente a la esfera disminuye a medida que el índice aumenta. Por lo tanto, las perlas retrorreflectivas comerciales varían en índice desde aproximadamente 1,5 (formas comunes de vidrio) hasta aproximadamente 1,9 (comúnmente vidrio de titanato de bario ).
El problema de la aberración esférica en el ojo de gato esférico se puede resolver de varias maneras, una de las cuales es un gradiente de índice simétrico esférico dentro de la esfera, como en el diseño de lentes de Luneburg . En la práctica, esto se puede aproximar mediante un sistema de esferas concéntricas. [2]
Debido a que la reflexión 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 forma alternativa del retrorreflector ojo de gato utiliza una lente normal enfocada sobre un espejo curvo en lugar de una esfera transparente, aunque este tipo es mucho más limitado en el rango de ángulos de incidencia que retrorrefleja.
El término ojo de gato deriva de la semejanza del retrorreflector del ojo de gato con el sistema óptico que produce el conocido fenómeno de los "ojos brillantes" o brillo de ojos en los gatos y otros vertebrados (que solo reflejan la luz, en lugar de brillar realmente). La combinación del cristalino del ojo y la córnea forman el sistema convergente refractivo, mientras que el tapetum lucidum detrás de la retina forma el espejo cóncavo esférico. Debido a 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 , [ cita requerida ] que es la condición requerida para formar una buena retrorreflexión.
Este tipo de retrorreflector puede estar formado por muchas versiones pequeñas de estas estructuras incorporadas en una lámina fina o en pintura. En el caso de la pintura que contiene perlas de vidrio, la pintura adhiere las perlas a la superficie donde se requiere la retrorreflexión y las perlas sobresalen, siendo su diámetro aproximadamente el doble del espesor de la pintura.
Una tercera forma, mucho menos común, de producir un retrorreflector es utilizar 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 conjugados de fase [3] reflejan una onda entrante de modo que la onda reflejada siga exactamente el camino que ha tomado previamente, y requieren un aparato comparativamente caro y complejo, así como grandes cantidades de energía (ya que los procesos ópticos no lineales pueden ser eficientes solo a intensidades suficientemente altas). Sin embargo, los espejos conjugados de fase tienen una precisión inherentemente mucho mayor en la dirección de la retrorreflexión, que en los elementos pasivos está limitada por la precisión mecánica de la construcción.
Los retrorreflectores son dispositivos que funcionan devolviendo la luz a la fuente luminosa en la misma dirección que la luz. El coeficiente de intensidad luminosa, R I , es la medida del rendimiento de un reflector, que se define como la relación entre la intensidad de la luz reflejada (intensidad luminosa) y la cantidad de luz que incide sobre el reflector (iluminancia normal). Un reflector parece más brillante a medida que aumenta su valor R I . [1]
El valor R I del reflector es una función del color, tamaño y estado del reflector. Los reflectores transparentes o blancos son los más eficientes y parecen más brillantes que los de otros colores. El área de superficie del reflector es proporcional al valor R I , que aumenta a medida que aumenta la superficie reflectante. [1]
El valor R I también es una función de la geometría espacial entre el observador, la fuente de luz y el reflector. Las figuras 1 y 2 muestran el ángulo de observación y el ángulo de entrada entre los faros del automóvil, la bicicleta y el conductor. El ángulo de observación es el ángulo formado por el haz de luz y la línea de visión del conductor. El ángulo de observación es una función de la distancia entre los faros y el ojo del conductor, y la distancia al reflector. Los ingenieros de tráfico utilizan un ángulo de observación de 0,2 grados para simular un objetivo reflector a unos 800 pies delante de un automóvil de pasajeros. A medida que aumenta el ángulo de observación, el rendimiento del reflector disminuye. Por ejemplo, un camión tiene una gran separación entre el faro y el ojo del conductor en comparación con un vehículo de pasajeros. Un reflector de bicicleta parece más brillante para el conductor de un automóvil de pasajeros que para el conductor de un camión a la misma distancia del vehículo al reflector. [1]
El haz de luz y el eje normal del reflector, como se muestra en la Figura 2, forman el ángulo de entrada. El ángulo de entrada es una función de la orientación del reflector respecto de la fuente de luz. Por ejemplo, el ángulo de entrada entre un automóvil que se acerca a una bicicleta en una intersección con una distancia de 90 grados es mayor que el ángulo de entrada de una bicicleta que se encuentra directamente frente a un automóvil en una carretera recta. El reflector parece más brillante para el observador cuando está directamente en línea con la fuente de luz. [1]
El brillo de un reflector también es función de la distancia entre la fuente de luz y el reflector. En un ángulo de observación determinado, a medida que disminuye la distancia entre la fuente de luz y el reflector, aumenta la luz que incide sobre el reflector. Esto aumenta la cantidad de luz que regresa al observador y el reflector parece más brillante. [1]
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La retrorreflexión (a veces llamada retrorreflexión) se utiliza en superficies de carreteras , señales de tráfico , vehículos y ropa (grandes partes de la superficie de la ropa de seguridad especial , menos en abrigos normales). Cuando los faros de un coche iluminan una superficie retrorreflectante, la luz reflejada se dirige hacia el coche y su conductor (en lugar de en todas las direcciones como con la reflexión difusa ). Sin embargo, un peatón puede ver superficies retrorreflectantes en la oscuridad solo si hay una fuente de luz directamente entre ellos y el reflector (por ejemplo, a través de una linterna que llevan) o directamente detrás de ellos (por ejemplo, a través de un coche que se acerca por detrás). Los " ojos de gato " son un tipo particular de retrorreflector incrustado en la superficie de la carretera y se utilizan principalmente en el Reino Unido y partes de los Estados Unidos .
Los reflectores de esquina son mejores para enviar la luz de regreso a la fuente a largas distancias, mientras que las esferas son mejores para enviar la luz a un receptor algo fuera del eje de la fuente, como cuando la luz de los faros se refleja en los ojos del conductor .
Los retrorreflectores pueden estar incrustados en la calzada (a nivel de la superficie de la misma) o pueden estar elevados por encima de la superficie de la calzada. Los reflectores elevados son visibles a distancias muy largas (normalmente de 0,5 a 1 kilómetro o más), mientras que los reflectores hundidos solo son visibles a distancias muy cortas debido al mayor ángulo necesario para reflejar la luz de forma adecuada. Los reflectores elevados no suelen utilizarse en zonas en las que nieva regularmente durante el invierno, ya que las máquinas quitanieves que pasan por allí pueden arrancarlos de la calzada. La tensión en la calzada causada por los coches que pasan sobre objetos incrustados también contribuye a acelerar el desgaste y la formación de baches .
Por ello, la pintura para carreteras retrorreflectiva es muy popular en Canadá y en algunas partes de los Estados Unidos, ya que no se ve afectada por el paso de las máquinas quitanieves ni por el interior de la calzada. Cuando el clima lo permite, se prefieren los retrorreflectores empotrados o elevados, ya que duran mucho más que la pintura para carreteras, que se desgasta por los elementos, puede quedar opacada por los sedimentos o la lluvia y se desgasta con el paso de los vehículos.
En el caso de las señales de tráfico y los conductores de vehículos, la fuente de luz son los faros delanteros del vehículo, que envían la luz a la cara de la señal y luego la devuelven al conductor del vehículo. Las caras de las señales de tráfico retrorreflectivas se fabrican con perlas de vidrio o reflectores prismáticos incrustados en una capa de lámina base para que la cara refleje la luz, lo que hace que la señal parezca más brillante y visible para el conductor del vehículo en condiciones de oscuridad. Según la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) de los Estados Unidos, la publicación Traffic Safety Facts 2000 afirma que la tasa de accidentes mortales es de 3 a 4 veces más probable durante los accidentes nocturnos que durante el día.
Un error que muchas personas tienen es que la retrorreflectividad solo es importante durante los viajes nocturnos. Sin embargo, en los últimos años, más estados y agencias exigen que las luces delanteras se enciendan en condiciones climáticas adversas, como lluvia y nieve. Según la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos (FHWA): Aproximadamente el 24% de todos los accidentes de vehículos ocurren durante condiciones climáticas adversas (lluvia, aguanieve, nieve y niebla). Las condiciones de lluvia representan 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 Tránsito de la FHWA exige que las señales estén iluminadas o hechas con materiales de láminas retrorreflectantes y, aunque la mayoría de las señales en los EE. UU. están hechas con materiales de láminas retrorreflectantes, se degradan con el tiempo. Hasta ahora, ha habido poca información disponible para determinar cuánto dura la retrorreflectividad. El MUTCD ahora exige que las agencias mantengan las señales de tránsito en un conjunto de niveles mínimos, pero proporciona una variedad de métodos de mantenimiento que las agencias pueden usar para cumplir con los requisitos. Los requisitos mínimos de retrorreflectividad no implican que una agencia deba medir cada señal. Más bien, el nuevo lenguaje del MUTCD describe los métodos que las agencias pueden usar para mantener la retrorreflectividad de las señales de tránsito en los niveles mínimos o por encima de ellos.
En Canadá , la iluminación del aeródromo puede sustituirse por retrorreflectores de colores apropiados, de los cuales los más importantes son los retrorreflectores blancos que delimitan los bordes de la pista y deben ser vistos por aeronaves equipadas con luces de aterrizaje hasta 2 millas náuticas de distancia. [4]
La cinta retrorreflectiva está reconocida y recomendada por la Convención Internacional para la Seguridad de la Vida en el Mar ( SOLAS ) debido a su alta reflectividad tanto de las señales de luz como de radar . La aplicación a balsas salvavidas , dispositivos de flotación personal y otros equipos de seguridad facilita la localización de personas y objetos en el agua durante la noche. Cuando se aplica a las superficies de los barcos, crea una firma de radar más grande , especialmente para los barcos de fibra de vidrio, que producen muy poca reflexión de radar por sí mismos. Cumple con la regulación de la Organización Marítima Internacional, IMO Res. A.658 (16) y cumple 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 retrorreflector, generalmente denominado prisma , se fija normalmente a un poste de topografía y se utiliza como objetivo para la medición de distancias , por ejemplo, una estación total . El operador del instrumento o el robot apunta un rayo láser al retrorreflector. 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 monitoreo 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 simples ; este uso, que recuerda al heliotropo , no implica retrorreflexión per se, solo requiere visibilidad por medio de cualquier fuente de iluminación (como el sol) para apuntar directamente al centro del prisma objetivo como se ve desde el instrumento óptico.
Los astronautas de las misiones Apolo 11 , 14 y 15 dejaron retrorreflectores en la Luna como parte del Experimento de Medición de Distancia Láser Lunar . Los exploradores soviéticos Lunokhod 1 y Lunokhod 2 también llevaban conjuntos más pequeños. Las señales reflejadas se recibieron inicialmente desde Lunokhod 1 , pero no se detectaron señales de retorno desde 1971 hasta 2010, al menos en parte debido a cierta incertidumbre en su ubicación en la Luna. En 2010, se encontró en fotografías del Lunar Reconnaissance Orbiter y los retrorreflectores se han utilizado nuevamente. El conjunto de Lunokhod 2 continúa devolviendo señales a la Tierra. [5] Incluso en buenas condiciones de visualización, solo se recibe un único fotón reflejado cada pocos segundos. Esto hace que la tarea de filtrar los fotones generados por láser de los fotones naturales sea un desafío. [6]
El módulo de aterrizaje Vikram de Chandrayaan-3 dejó el instrumento Laser Retroreflector Array (LRA) suministrado por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA como parte de la colaboración internacional con ISRO . El 12 de diciembre de 2023, el Lunar Reconnaissance Orbiter pudo detectar con éxito los pulsos láser transmitidos desde el módulo de aterrizaje Vikram. [7]
Un dispositivo similar, el Laser Retroreflector Array (LaRA), se ha incorporado al rover Perseverance de Marte . El retrorreflector fue diseñado por el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, que construyó el instrumento por encargo de la Agencia Espacial Italiana .
Muchos satélites artificiales llevan retrorreflectores para que puedan ser rastreados desde estaciones terrestres . Algunos satélites fueron construidos únicamente para la medición de distancia por láser. LAGEOS , o Satélites de Geodinámica Láser, son una serie de satélites de investigación científica diseñados para proporcionar un punto de referencia de medición de distancia por láser en órbita para estudios geodinámicos de la Tierra. [8] Hay dos naves espaciales LAGEOS: LAGEOS-1 [9] (lanzada en 1976) y LAGEOS-2 (lanzada en 1992). Utilizan retrorreflectores de esquinas cúbicas hechos de vidrio de sílice fundido. A partir de 2020, ambas naves espaciales LAGEOS todavía están en servicio. [10] Tres satélites STARSHINE equipados con retrorreflectores se lanzaron a partir de 1999. El satélite LARES se lanzó el 13 de febrero de 2012. (Véase también: Lista de satélites de medición de distancia por láser ).
Otros satélites incluyen retrorreflectores para calibración de órbita [11] y determinación de órbita [12] , como en navegación por satélite (por ejemplo, todos los satélites Galileo , [13] la mayoría de los satélites GLONASS , [14] satélites IRNSS , [ 15] BeiDou , [16] QZSS , [17] y dos satélites GPS [18] ), así como en gravimetría satelital ( GOCE [19] ) y altimetría satelital (por ejemplo, TOPEX/Poseidon , Sentinel-3 [20] ). Los retrorreflectores también se pueden utilizar para medición de distancias láser entre satélites en lugar de seguimiento terrestre (por ejemplo, GRACE-FO ). [21]
El satélite retrorreflector esférico BLITS (Ball Lens In The Space) fue colocado en órbita como parte de un lanzamiento Soyuz en septiembre de 2009 [22] por la Agencia Espacial Federal de Rusia con la asistencia del Servicio Internacional de Medición de Distancia por Láser , un organismo independiente originalmente organizado por la Asociación Internacional de Geodesia , la Unión Astronómica Internacional y comités internacionales. [23] La oficina central del ILRS está ubicada en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de los Estados Unidos . El reflector, un tipo de lente de Luneburg , fue desarrollado y fabricado por el Instituto de Ingeniería de Instrumentos de Precisión (IPIE) en Moscú. La misión fue interrumpida en 2013 después de una colisión con desechos espaciales . [24] [25]
Los retrorreflectores modulados, en los que la reflectancia se modifica con el tiempo por algún medio, son objeto de investigación y desarrollo para redes de comunicaciones ópticas en el espacio libre . El concepto básico de dichos sistemas es que un sistema remoto de baja potencia, como un sensor de movimiento, 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 retrorreflectores 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, "El efecto fotorrefractivo", David M. Pepper, et al. ).
En la tecnología controlada por el usuario se utilizan retrorreflectores económicos con enfoque en las esquinas como dispositivos de transmisión de datos ópticos. El enfoque se realiza de noche y la superficie necesaria del retrorreflector depende de la distancia de enfoque y de la iluminación ambiental de las farolas. El receptor óptico se comporta como un retrorreflector débil porque contiene una lente grande y enfocada con precisión que detecta los objetos iluminados en su plano focal. Esto permite apuntar sin un retrorreflector a distancias cortas.
Los retrorreflectores se utilizan en las siguientes aplicaciones de ejemplo:
Muchos animales presas y depredadores tienen ojos naturalmente retrorreflectivos al tener una capa reflectante llamada Tapetum lucidum detrás de la retina, ya que esto duplica la luz que recibe su retina.
Inspirado por el mundo natural, el inventor de los "ojos de gato" para carreteras fue Percy Shaw de Boothtown , Halifax, West Yorkshire , Inglaterra. Cuando se quitaron las vías del tranvía en el cercano suburbio de Ambler Thorn, se dio cuenta de que había estado usando los rieles de acero pulido para navegar de noche. [33] El nombre "ojo de gato" proviene de la inspiración de Shaw para el dispositivo: el brillo de los ojos que se refleja en los ojos de un gato. En 1934, patentó su invento (patentes n.º 436.290 y n.º 457.536) y, el 15 de marzo de 1935, fundó Reflecting Roadstuds Limited en Halifax para fabricar los artículos. [34] [35] El nombre Catseye es su marca registrada. [36] La lente retrorreflectante había sido inventada seis años antes para su uso en carteles publicitarios por Richard Hollins Murray, un contable de Herefordshire [37] [38] y, como Shaw reconoció, habían contribuido a su idea. [33]
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