Un retrorreflector (a veces llamado retroflector o catafoto ) es un dispositivo o superficie que refleja la radiación (generalmente luz ) de regreso a su fuente con una dispersión mínima . Esto funciona en un amplio rango de ángulo 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 retroflector es más brillante que el de un reflector difuso . Los reflectores de esquina y los reflectores de ojo de gato son los más utilizados.
Hay varias formas de obtener retrorreflexión: [1]
Un conjunto de tres superficies reflectantes mutuamente perpendiculares, colocadas para formar la esquina interna de un cubo, funcionan como un retrorreflector. Los tres vectores normales correspondientes de los lados de las esquinas forman una base ( x , y , z ) en la que representar la dirección de un rayo entrante 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 existen 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 mediante reflexión interna total o plateado de las superficies exteriores del cubo. La segunda forma utiliza espejos planos mutuamente perpendiculares que rodean un espacio de aire. Estos dos tipos tienen propiedades ópticas similares.
Se puede formar un retrorreflector grande y relativamente delgado combinando muchos reflectores de esquina pequeños, utilizando el mosaico hexagonal estándar .
Otro tipo común de retrorreflector consiste en elementos ópticos refractivos 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 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 cual incide la radiación (n i es alrededor de 1 para 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 y ligeramente divergente, como en el caso de las señales de tráfico, donde la iluminación y los ángulos de 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 del acoplamiento de la luz ambiental a la esfera disminuye a medida que el índice aumenta. Por lo tanto, las perlas retrorreflectantes comerciales varían en índice desde alrededor de 1,5 (formas comunes de vidrio) hasta alrededor de 1,9 (comúnmente vidrio de titanato de bario ).
El problema de la aberración esférica con el ojo de gato esférico se puede resolver de varias maneras, una de las cuales es un gradiente de índice esféricamente simétrico dentro de la esfera, como en el diseño de lente 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. dirección.
Una forma alternativa del retrorreflector de ojo de gato utiliza una lente normal enfocada en un espejo curvo en lugar de una esfera transparente, aunque este tipo es mucho más limitado en el rango de ángulos incidentes que retrorrefleja.
El término ojo de gato deriva del parecido del retrorreflector de ojo de gato con el sistema óptico que produce el conocido fenómeno de los "ojos brillantes" o brillo de ojos en gatos y otros vertebrados (que sólo reflejan luz, en lugar de brillar). La combinación del cristalino del ojo y la córnea forman el sistema refractivo convergente, 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 necesaria ] 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 fina lámina o en pintura. En el caso de pintura que contiene perlas de vidrio, la pintura adhiere las perlas a la superficie donde se requiere 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 la conjugación de fases . Esta técnica se utiliza en sistemas ópticos avanzados como láseres de alta potencia y líneas de transmisión óptica . Los espejos de fase conjugada [3] reflejan una onda entrante de modo que la onda reflejada sigue exactamente el camino que ha tomado previamente, y requieren un aparato comparativamente costoso y complejo, así como grandes cantidades de energía (ya que los procesos ópticos no lineales sólo pueden ser eficientes). a intensidades suficientemente altas). Sin embargo, los espejos conjugados de fase tienen inherentemente una precisión 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 de luz en la misma dirección de 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 función del color, tamaño y condición del reflector. Los reflectores transparentes o blancos son los más eficientes y parecen más brillantes que 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 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 función de la distancia entre los faros y el ojo del conductor, y de 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, disminuye el rendimiento del reflector. 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 turismo que para el conductor de un camión a la misma distancia entre el vehículo y el 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 función de la orientación del reflector con respecto a la fuente de luz. Por ejemplo, el ángulo de entrada entre un automóvil que se acerca a una bicicleta en una intersección a 90 grados de distancia es mayor que el ángulo de entrada de una bicicleta directamente delante de un automóvil en una carretera recta. El reflector parece más brillante para el observador cuando está directamente alineado 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 dado, 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 devuelve al observador y el reflector parece más brillante. [1]
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La retrorreflexión (a veces llamada retroflexión) 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 automóvil iluminan una superficie retrorreflectante, la luz reflejada se dirige hacia el automóvil y su conductor (en lugar de en todas direcciones como ocurre con la reflexión difusa ). Sin embargo, un peatón puede ver superficies retrorreflectantes en la oscuridad sólo 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 automóvil 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 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 se pueden incrustar en la carretera (al nivel de la superficie de la carretera) o se pueden elevar por encima de la superficie de la carretera. Los reflectores elevados son visibles a distancias muy largas (normalmente entre 0,5 y 1 kilómetro o más), mientras que los reflectores hundidos son visibles sólo a distancias muy cercanas debido al mayor ángulo necesario para reflejar adecuadamente la luz. Los reflectores elevados generalmente no se utilizan en áreas que regularmente experimentan nieve durante el invierno, ya que el paso de los quitanieves puede arrancarlos de las carreteras. La tensión en las carreteras causada por los coches que pasan sobre objetos incrustados también contribuye al desgaste acelerado y a la formación de baches .
La pintura para carreteras retrorreflectante es, por tanto, muy popular en Canadá y partes de Estados Unidos, ya que no se ve afectada por el paso de los quitanieves y no afecta el interior de la carretera. Cuando el clima lo permite, se prefieren los retrorreflectores empotrados o elevados, ya que duran mucho más que la pintura de la carretera, que se desgasta por los elementos, puede oscurecerse con los sedimentos o la lluvia y se desgasta con el paso de los vehículos.
Para las señales de tráfico y los operadores de vehículos, la fuente de luz son los faros del vehículo, donde la luz se envía al frente de la señal de tráfico y luego se devuelve al operador del vehículo. Las caras retrorreflectantes de las señales de tráfico se fabrican con cuentas de vidrio o reflectores prismáticos incrustados en una capa de lámina base para que la cara refleje la luz, haciendo que la señal parezca más brillante y visible para el operador del vehículo en condiciones de oscuridad. Según la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de los Estados Unidos (NHTSA), la publicación Traffic Safety Facts 2000 afirma que la tasa de accidentes mortales es entre 3 y 4 veces más probable durante los accidentes nocturnos que durante los incidentes diurnos.
Una idea errónea que tiene mucha gente es que la retrorreflectividad sólo es importante durante los viajes nocturnos. Sin embargo, en los últimos años, más estados y agencias exigen que las luces delanteras estén encendidas 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 automovilísticos 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 sobre dispositivos uniformes de control de tráfico de la FHWA exige que las señales estén iluminadas o fabricadas 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 requiere que las agencias mantengan las señales de tránsito a un conjunto de niveles mínimos, pero proporcionen una variedad de métodos de mantenimiento que las agencias pueden usar para cumplir. Los requisitos mínimos de retrorreflectividad no implican que una agencia deba medir cada señal. Más bien, el nuevo lenguaje MUTCD describe métodos que las agencias pueden usar para mantener la retroreflectividad de las señales de tránsito en o por encima de los niveles mínimos.
En Canadá , la iluminación de los aeródromos puede ser reemplazada por retrorreflectores de colores apropiados, los más importantes de los cuales son los retrorreflectores blancos que delimitan los bordes de las pistas, y deben ser vistos por aeronaves equipadas con luces de aterrizaje a una distancia de hasta 2 millas náuticas. [4]
La cinta retroflectiva está reconocida y recomendada por el Convenio Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar ( SOLAS ) debido a su alta reflectividad de las señales de luz y 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 por sí solos producen muy poca reflexión del radar. 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. Ejemplos de productos disponibles comercialmente son los números de pieza 3150A y 6750I de 3M y Orafol Oralite FD1403.
En topografía , un retrorreflector, generalmente denominado prisma , normalmente se coloca en un poste topográfico y se utiliza como objetivo para medir 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 distancia. Los prismas se utilizan con sistemas topográficos y de 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 observar directamente el centro del prisma objetivo visto desde el instrumento óptico.
Los astronautas de las misiones Apolo 11 , 14 y 15 dejaron retrorreflectores en la Luna como parte del Experimento de alcance láser lunar . Los rovers soviéticos Lunokhod 1 y Lunokhod 2 también llevaban conjuntos más pequeños. Inicialmente se recibieron señales reflejadas de Lunokhod 1 , pero no se detectaron señales de retorno desde 1971 hasta 2010, al menos en parte debido a cierta incertidumbre sobre su ubicación en la Luna. En 2010, se encontró en fotografías del Lunar Reconnaissance Orbiter y los retrorreflectores se han vuelto a utilizar. El conjunto de Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. [5] Incluso en buenas condiciones de visualización, sólo se recibe un fotón reflejado cada pocos segundos. Esto dificulta el trabajo de filtrar fotones generados por láser a partir de fotones naturales. [6]
El módulo de aterrizaje Vikram del Chandrayaan-3 dejó el instrumento Laser Retroreflector Array (LRA) suministrado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA como parte de la colaboración internacional con ISRO . El 12 de diciembre de 2023, Lunar Reconnaissance Orbiter pudo detectar con éxito pulsos láser transmitidos desde el módulo de aterrizaje Vikram. [7]
Un dispositivo similar, el Laser Retroreflector Array (LaRA), se ha incorporado en el rover Mars Perseverance . El retrorreflector fue diseñado por el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, que construyó el instrumento en nombre de la Agencia Espacial Italiana .
Muchos satélites artificiales llevan retrorreflectores para poder seguirlos desde estaciones terrestres . Algunos satélites se construyeron únicamente para alcance láser.LAGEOS , o satélites de geodinámica láser, son una serie de satélites de investigación científica diseñados para proporcionar un punto de referencia de alcance 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. En 2020, ambas naves espaciales LAGEOS todavía están en servicio. [10] A partir de 1999 se lanzaron tres satélites STARSHINE equipados con retrorreflectores. El satélite LARES se lanzó el 13 de febrero de 2012. (Ver también: Lista de satélites de alcance láser ).
Otros satélites incluyen retrorreflectores para la calibración de la órbita [11] y la determinación de la órbita, [12] como en la navegación por satélite (por ejemplo, todos los satélites Galileo , [13] la mayoría de los satélites GLONASS , [14] los 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 el alcance láser entre satélites en lugar del seguimiento terrestre (por ejemplo, GRACE-FO ). [21]
El satélite retrorreflector esférico BLITS (Ball Lens In The Space) fue puesto 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 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) de Moscú. La misión fue interrumpida en 2013 tras una colisión con desechos espaciales . [24] [25]
Los retrorreflectores modulados, en los que la reflectancia cambia 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 tales sistemas es que un sistema remoto de baja potencia, como un sensor de mota, puede recibir una señal óptica desde una estación base y reflejar la señal modulada de regreso a la estación base. Dado que la estación base suministra la energía 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 el último caso, el PCM genera una onda "en tiempo invertido" con codificación temporal de la onda conjugada de fase (véase, por ejemplo, SciAm, octubre de 1990, "The Photorefractive Effect", David M. Pepper, et al . . ).
En la tecnología controlada por el usuario se utilizan retrorreflectores económicos orientados en las esquinas como dispositivos ópticos de enlace de datos. La orientación se realiza de noche y el área necesaria del retrorreflector depende de la distancia de orientación y de la iluminación ambiental de las farolas. El propio receptor óptico se comporta como un retrorreflector débil porque contiene una lente grande y enfocada con precisión que detecta objetos iluminados en su plano focal. Esto permite apuntar sin retrorreflector a distancias cortas.
Los retrorreflectores se utilizan en las siguientes aplicaciones de ejemplo:
Muchos animales de presa y depredadores tienen ojos naturalmente retrorreflectantes al tener una capa reflectante llamada Tapetum lucidum detrás de la retina, ya que esta duplica la luz que recibe su retina.
Inspirándose en el mundo natural, el inventor de los "ojos de gato" de las carreteras fue Percy Shaw de Boothtown , Halifax, West Yorkshire , Inglaterra. Cuando quitaron las vías del tranvía en el cercano suburbio de Ambler Thorn, se dio cuenta de que había estado utilizando los rieles de acero pulido para desplazarse de noche. [33] El nombre "ojo de gato" proviene de la inspiración de Shaw para el dispositivo: el brillo de ojos que se refleja en los ojos de un gato. En 1934, patentó su invento (patentes nº 436.290 y 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 contador de Herefordshire [37] [38] y, como reconoció Shaw, habían contribuido a su idea. [33]
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