Retroreflective materials

Koostis / struktuur

Helkurmaterjalid (retrorefleksiivmaterjalid) on struktuursed optilised materjalid, mille elementideks on kas kolm ristuvat peegeltasapinda (kuubi sisenurk – prismaatilised retroreflektorid) või valgust murdvad-peegeldavad mikrosfäärid.

Omadused

Peegeldavad (hajutavad kitsa nurkindikatrissiga) langenud valguse langemissuunas tagasi. Läbipaistvad sfäärid helkurmaterjalides toimivad mikroläätsedena, koondades langeva paralleelse kiirtekimbu sfäärikeste taha fokaaltasapinda asetatud valgust hajutavale pinnale. Pärast hajumist ja teistkordset sfääri läbimist levib väljunud kiirtekimp tagasi langeva kiirtekimbu sihis (vt. vasakpoolne joonis allpool). Võib öelda, autojuht, kes vaatab sellise kattega liiklusmärki või teemärgistust, näeb klaaskuulikeste poolt tekitatud autolaternate kujutisi läbi neid kujutisi tekitanud mikroläätsede. Kui hajutav tasand ei ühti mikoroläätsede-kuulikeste fokaaltasandiga ning sfäärilise aberatsiooni tõttu (kuulike ei toimi ideaalse läätsena) toimub siiski peegeldunud kimbu teatud nurkhajumine. Prismaatilistes retrorfelektorites (nt. ripphelkurid) on pärast kolme peegeldumist kuubi sisenurga kolmelt tahult väljuva kiire suund täpselt vastupidine langeva kiire suunale, kuna igal peegeldumisel muutub vastupidiseks valguse kiiruse see komponent, mis on risti tahuga, millelt peegeldumine toimub (alumisel parempoolsel joonisel kahemõõtmeline skeem kahe peegeldusega).

Valguskiirte käik klaaskuulis (vasakul) ja kuupretroreflektoris (paremal, 2D skeem).

Saamine

Erinev sõltuvalt konstruktsioonist. Liiklusmärgistuses: värvid, mis sisaldavad väikeseid klaaskuulikesi.

Rakendused

Liiklusohutuse tagamiseks: liiklusmärgid, teeviidad, teepinna märgistus, ripphelkurid ja helkurribad riietusel jalakäijatele..

Näidised

E52.1. Helkurriba.

E52.2. Klaaskuulikesed retrorefleksiivseks teemärgistuseks.

E52.3. Klaaskuulikestega kaetud valge ekraan. Võrdluseks on tahvli teisel poolel mateeritud valge pind (parempoolne pilt).

E52.4. Prismaatiline plastist helkurmaterjal.

Keskmisel fotol on punaste piirjoonetga välja toodud üks peegeldav element. Valguse dispersiooni tõttu (murdumisnäitaja sõltuvus lainepikkusest), mis plastides on üldiselt tugevam kui anorgaanilises klaasis, ilmnevad taolistes helkurites ka värvusefektid (parempoolne foto).

E52.5. Ripphelkur on valmistatud kahest prismaatilisest helkurmaterjalist plaadist (vt. E52.4), mille retroreflekteerivad (reljeefsed) pooled on pööratud sissepoole. Meie näidisel on helkuri üks pool võrdluseks mateeritud.

E52.6. 3M Scotchlite^TM prismaatilise retrorefleksiivse kilega ekraan.

Demod, katsed

D52.1. Pöörlev helkur.  Klipi alguses on mõne hetke normaalses toavalguses nähtav helkuri E52.5 mateeritud pool, edasi pöörleb helkur väga nõrga valgusallika (taskulambipirn 2 m kauguselt, ühtlaselt hajuv valgus) paistel. Pange tähele, et helkur on nähtav vaid osa ajast – see on tingitud asjaolust, et helkur töötab vaid nende vaate-(ja valgustus-)suundade jaoks, kust on nähtavad peegeldavate kuubiliste elementide kõik kolm tahku.

Joonis näitab, milliste valgustus-vaatesuundade (violetne nool) korral helkur töötab. Joonise keskel on punaste joontega kujutatud reflekteeriv element eestvaates (joonise tasand ühtib helkuri tasandiga, vrdl. E52.4). Langeva-peegeldunud kiire suuna määravad asimutaalnurk j ja langemisnurk f (nurk langeva kiire ja helkuri pinnanormaali vahel). Joonisel on polaarkoordinaatides esitatud helkuri tööpiirkond (keskmine valge ala). Raadiuse osas on siin nurk f, musta ringi keskel f = 0° (langev kiir risti helkuri tasandiga) ja serval f = 90° (langev kiir paralleelne helkuri tasandiga). Langemisnurga maksimaalne väärtus f₀, mille korral helkur töötab saavutatakse keskmise valge ala piiril, asimutaalnurkade vahemikus 300° … 60° on selle piirjoone võrrandiks.

f₀ maksimaalne väärtus 45° saavutatakse nurkade j = 60°, 180°, 300° korral, minimaalne (26°34’) on f₀ nurkade j = 0°, 120°, 240° korral. Märgime, et kui helkur pöörleb telje ümber, mis on risti valgustus-vaatesihiga (näiteks helkur on enam-vähem samal kõrgusel autolaternatega ja pöörleb rippudes nöör otsas), siis asimutaalnurk j ei muutu ja muutub vaid langemisnurk f. Seega saab taolisel juhul kahepoolne helkur olla pöörlemisel nähtav  maksimaalselt 40% ajast, seda juhul kui j = 60°, 180° või 300°.

D52.2. Retrorefleksiivse pinna heledus sõltuvalt valgustusuunast. Vasakpoolne pilt: langeva valguse suund ühtib vaate(pildistamis-)suunaga, parempoolne pilt: suunad on erinevad (valgusallika kaugus pinnast sama).

D52.3. Helkurpinnale lähedane valgusallikas. Retrorefleksiivse materjali hajumise nurkkarakteristikud ilmnevad  kujukalt, kui vaadelda distantsilt helkurekraanile lähedase valgusallika hajunud kiirgust, nii et otsekiirgus on varjutatud.

Vasakul – helkurekraanilt E52.3 hajunud valgus, paremal võrdluseks mattpind. Ülemistel piltidel on valgusallikas ekraanile lähemal, alumistel kaugemal.

D52.4. Retrorefleksiivne kuvamine. Asjaolu, et retrorefleksiivne peegel saadab talle langeva valguskiire langemissuunas tagasi, saab kasutada optiliste kujutiste formeerimiseks. Hariliku tasapeegli korral formeerub näiv kujutis peegli taha, retropeegli korral tõeline kujutis objekti asukohta. Muidugi ei saa sellisel juhul kujutist jälgida, küll aga on see võimalik optilises skeemis poolläbilaskva peegli kasutamisega [2] nagu näidatud järgneval joonisel.

Objektilt (“rasvane” punane nool) lähtuvad valguskiired (peenikesed punased nooled) peegelduvad osaliselt 50% läbilaskvusega peeglilt (otse läbi minevat osa pole näidatud) ja langevad retroreflektorile, kust peegelduvad langemissuunas tagasi (kiirte käiku pärast retropeeglit näitavad peenikesed sinised nooled). Pärast 50% peegli läbimist (peegeldunud osa ei ole näidatud) koonduvad “sinised” kiired tekitades tõelise kujutise (“rasvane” sinine nool). Kui retropeegli asemel oleks tavaline peegel, kulgeksid kiired pärast peegeldumist nagu näitavad peenikesed punased punktiirnooled. Nende pikenduste lõikumisel moodustub peegli taga näiv kujutis (“rasvane ” katkendlik  punane nool).

Stend retrokuvamise demonstreerimiseks (vasakpoolne foto), kuvatav objekt (hõõglambiga tagantvalgustatav  “R”-kujuline valgust hajutav väljalõige trafaretis – keskmine foto) ja selle “retrokujutis” (parempoolne foto). Viimasel pildil on nähtav ka näiv (parasiit)kujutis (vasakul – väiksem, moonutatud), mis tekib valguse peegeldumisel helkurstruktuuri katvalt tasapinnaliselt plastkilelt. Kuna retropeeglina kasutatav 3M Scotchlite^TM film pole sirgestatud, on see näivkujutis mõneti moonutatud.

Seda kahe kujutise erinevust demonstreerib ka video, kus retropeeglit liigutatakse ja deformeeritakse – näiv kujutis liigub ja deformeerub samal ajal kui retropeegli poolt tekitatud kujutis ei muutu.

Retropeegli poolt tekitatud kujutis näib hõljuvat ruumis – sama kaugel 50% peeglist kui seda on kujutist tekitav objekt. See on nähtav klipilt, kus kaamera sõidab kujutise eest läbi: jälgige millise kiirusega nihkuvad retrokujutus, näiv kujutis ja 50% peegli tasandis (ülal keskel) paiknev tume pabeririba. Kui objekt pole tasapinnaline (erinevalt ülalpooltoodud näitest), on ka kujutis mittetasapinnaline (ruumiline) – nagu harilikuski peeglis tekkiv näiv kujutis. Ruumilise “retrokujutise” jälgimisel ülalkirjeldatud optilises skeemis on siiski üks oluline iseärasus – me jälgime teda “seestpoolt”  – st kui kujutise annab nt mingi kumer objekt, vaataksime me selle peegli poole pööratud pinda nagu seespoolt – pind näib nõgusana. Taolist efekti nimetatakse pseudoskoopiaks.

Objekti ja retropeegli vahele asetatud optiliselt mittehomogeenne (hajutav) keskkond, mis deformeeriks tugevalt või teeks suisa nähtmatuks näiva kujutise harilikus peeglis, ei avalda mõju retrokujutisele. Fresneli lääts, mis katab osaliselt retrokujutise ja täielikult näiva “parasiitkujutise”– jälgige, kuidas see mõjutab kujutisi. See asjaolu tuleneb kiire käigu pööratavusest – retropeeglis peegeldunud kiir liigub läbi taolise keskkonna, mis on üldjuhul muutuva murdumisnäitajaga ja mittetasaste pindadega, tagasi täpselt tuldud teed pidi. Nii on see muidugi ideaalse retropeegli korral, reaalset on selleks vaja, et retroreflekteerivate elementide (prismad, sfäärid-mikroläätsed) mõõtmed oleksid väikesed võrreldes piirkondade mõõtmetega hajutavas keskkonnas, kus murdumisnäitaja võib lugeda konstantseks (pinna tasaseks). Retrokuvamise seda omadust  demonstreerivad võrdluses ülalolevad fotod: vasakpoolne on võrdlusfoto ja parempoolsel on kiirte teele 50% peegli ja retropeegli vahele asetatud reljeefne plastplaat (

Sama demo, kus hajutavaks (aberreerivaks) keskkonnaks on korrpäratu reljeefiga dekoratiivklaasist plaat (vasakpoolne fofo). Objekt (“R”-trafaret, keskmine foto) ei ole läbi taolise aberraatori nähtav (parempoolne foto). Kui aga aberraator on asetatud retropeegli ette, siis retrokujutis on endiselt nähtav (võrdle alumisi fotosid: vasakul ilma aberraatorita, paremal aberraatoriga), näiv parasiitkujutis aga kaob aberraatori vaheleasetamisel.

Viited:

1. Silve Liibert “Helkurmaterjalide optilised karakteristikud” (bakalaureusetöö), Tartu,   2003 [Resümee].
2. D. A. Palmer, Retroreflective materials and optical imaging, Applied Optics, 24 (1985) 1413. Abstract [08.01.05]

Tänu: Silve Liibert, Koit Mauring, Tõnis Ennet & AS Hermseal, Liina Hints

Koostas: JK