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レトロリフレクター（レトロフレクターまたはカタフォトとも呼ばれる）は、光やその他の放射線を最小限の散乱で光源に反射する装置または表面です。これは、入射角がゼロの平面鏡とは異なり、広い入射角範囲で機能します。指向性があるため、レトロリフレクターの反射光は拡散反射器の反射光よりも明るくなります。コーナーリフレクターとキャッツアイリフレクターが最もよく使用される種類です。
後方反射を得る方法はいくつかあります: [ 1 ]
互いに直交する3つの反射面を立方体の内側の角に配置すると、再帰反射器として機能します。角の3つの辺に対応する法線ベクトルは、任意の入射光線[ a , b , c ]の方向を表す基底( x , y , z )を形成します。光線が最初の辺、例えばxから反射すると、光線のx成分aは−aに反転しますが、y成分とz成分は変化しません。したがって、光線が最初に辺xから、次に辺yから、最後に辺zから反射すると、光線の方向は[ a , b , c ]から[−a , b , c ] 、 [ − a , −b , c ]、[− a , −b , −c ]へと変化し、角を出るときには方向の3つの成分すべてが完全に反転しています。
コーナーリフレクターには2種類あります。より一般的なタイプは、従来の光学ガラスなどの透明な材料で作られた立方体の角を切り取ったものです。この構造では、全反射または立方体の外面を銀メッキすることで反射が実現されます。もう1つのタイプは、空気層を挟んで互いに垂直な平面鏡を使用するものです。これら2種類の光学特性は類似しています。
標準的な六角形タイル配置を用いて、多数の小型コーナーリフレクターを組み合わせることで、比較的薄型の大型レトロリフレクターを形成することができる。
もう1つの一般的なレトロリフレクターは、反射面を持つ屈折光学素子で構成され、屈折素子の焦点面が反射面（通常は透明な球体と（オプションで）球面鏡）と一致するように配置されています。近軸近似では、材料の屈折率が、放射が入射する媒質の屈折率 n i にちょうど 1 を加えた値である場合（空気の場合は n i は約 1 ）、単一の透明な球体で最小発散でこの効果を実現できます。この場合、球面はレトロリフレクションに必要な曲率を持つ凹面球面鏡として機能します。実際には、いくつかの要因により、最適な屈折率はn i + 1 ≅ 2より低くなる場合があります。たとえば、道路標識のように照明角と観測角が異なる場合、不完全でわずかに発散するレトロリフレクションの方が望ましい場合があります。球面収差のため、入射光線が球体後面の中心に集束する中心線からの半径が存在します。また、屈折率の高い材料はフレネル反射係数が高いため、屈折率が高くなるにつれて周囲光から球体への光の結合効率が低下します。そのため、市販の再帰反射ビーズの屈折率は、約1.5（一般的なガラス）から約1.9（一般的なチタン酸バリウムガラス）まで変化します。
球面キャッツアイの球面収差の問題は、さまざまな方法で解決できます。その1つは、ルーネブルグレンズ設計のように、球面内に球対称の屈折率勾配を設けることです。実際には、これは同心球システムで近似できます。[ 2 ]
コーティングされていない球体の裏面反射は不完全であるため、反射率を高めるために再帰反射球体の裏面に金属コーティングを施すことはよく行われるが、これは球体が特定の方向に向いている場合にのみ再帰反射が機能することを意味する。
猫の目型反射器の別の形態として、透明な球体ではなく湾曲した鏡に通常のレンズを焦点を合わせたものもあるが、このタイプは反射する入射角の範囲がはるかに限られている。
「猫の目」という名称は、猫の目のような反射鏡が、猫や他の脊椎動物に見られる「光る目」や「目の輝き」というよく知られた現象を生み出す光学系に似ていることに由来します（実際には光っているのではなく、光を反射しているだけです）。眼の水晶体と角膜の組み合わせが屈折収束系を形成し、網膜の後ろにあるタペタム・ルシダムが球面凹面鏡の役割を果たします。眼の機能は網膜上に像を結ぶことであるため、遠くの物体に焦点を合わせた眼の焦点面は、反射性のタペタム・ルシダムの構造にほぼ沿う形になり、これが良好な反射像を形成するために必要な条件となります。
この種の再帰反射体は、これらの構造の小型版を多数、薄いシートや塗料に組み込むことで構成できます。ガラスビーズを含む塗料の場合、塗料は再帰反射が必要な表面にビーズを接着し、ビーズは突出します。ビーズの直径は塗料の厚さの約2倍です。
レトロリフレクターを作成する3つ目の、あまり一般的ではない方法は、位相共役という非線形光学現象を利用することです。この技術は、高出力レーザーや光伝送線路などの高度な光学システムで使用されています。位相共役ミラー[ 3 ]は、入射波を反射して、反射波が以前に通った経路を正確にたどるようにします。このミラーは、比較的高価で複雑な装置と大量の電力を必要とします（非線形光学プロセスは、十分な強度でのみ効率的に機能するため）。しかし、位相共役ミラーは、レトロリフレクションの方向において本質的に非常に高い精度を持ち、受動素子では、構造の機械的精度によって制限されます。
再帰反射器は、光を光源と同じ方向に反射させることで動作する装置です。反射器の性能を示す指標として、反射光の強度（光度）と反射器に当たる光量（通常の照度）の比で定義される光度係数R Iがあります。R Iの値が高くなるほど、反射器は明るく見えます。[ 1 ]
反射板のR I値は、反射板の色、サイズ、状態によって決まります。透明または白色の反射板が最も効率が良く、他の色よりも明るく見えます。反射板の表面積はR I値に比例し、反射面が大きくなるにつれてR I値も大きくなります。[ 1 ]
R I値は、観測者、光源、および反射体の間の空間幾何学にも依存します。図 1 および図 2 は、自動車のヘッドライト、自転車、および運転者の間の観測角度と入射角度を示しています。観測角度は、光線と運転者の視線によって形成される角度です。観測角度は、ヘッドライトと運転者の目の間の距離、および反射体までの距離に依存します。交通技術者は、乗用車の約 800 フィート前方にある反射ターゲットをシミュレートするために、0.2 度の観測角度を使用します。観測角度が増加すると、反射体の性能は低下します。たとえば、トラックは乗用車に比べてヘッドライトと運転者の目の間の距離が大きくなります。自転車の反射体は、車両から反射体までの距離が同じ場合、トラックの運転者よりも乗用車の運転者の方が明るく見えます。[ 1 ]
図2に示すように、光線と反射鏡の法線軸が入射角を形成します。入射角は、光源に対する反射鏡の向きによって決まります。例えば、90度の角度で交差点で自転車に接近する自動車の入射角は、直線道路で自動車の真前にいる自転車の入射角よりも大きくなります。反射鏡は、光源と一直線上にあるときに観察者から最も明るく見えます。[ 1 ]
反射板の明るさは、光源と反射板の間の距離にも依存します。一定の観測角度では、光源と反射板の間の距離が短くなるにつれて、反射板に当たる光量が増加します。これにより、観測者に戻ってくる光量が増加し、反射板はより明るく見えます。[ 1 ]
再帰反射（レトロフレクションとも呼ばれる）は、道路面、道路標識、車両、衣服（特殊安全服の表面の大部分、通常のコートの表面の少ない部分）に使用されています。車のヘッドライトが再帰反射面を照らすと、反射光は拡散反射のように全方向にではなく、車と運転手に向けられます。ただし、歩行者は、自分と反射板の間に光源がある場合（例えば、持っている懐中電灯）、または自分の真後ろに光源がある場合（例えば、後ろから近づいてくる車）にのみ、暗闇で再帰反射面を見ることができます。「キャッツアイ」は、道路面に埋め込まれた特殊なタイプの再帰反射材で、主に英国と米国の一部で使用されています。
コーナーリフレクターは、光を光源に長距離にわたって反射させるのに優れている一方、球体は、ヘッドライトからの光がドライバーの目に反射する場合のように、光源からやや軸がずれた位置にある受光器に光を反射させるのに優れている。
再帰反射板は、路面に埋め込む（路面と同じ高さにする）ことも、路面より高く設置することもできます。高く設置された反射板は非常に遠くまで（通常0.5～1キロメートル以上）視認できますが、埋め込まれた反射板は光を適切に反射するために必要な角度が大きいため、非常に近い距離でしか視認できません。冬季に定期的に雪が降る地域では、除雪車が通過する際に反射板が路面から剥がれてしまう可能性があるため、一般的に高く設置された反射板は使用されません。また、埋め込まれた物体を車が乗り越えることで路面に生じるストレスも、摩耗の加速や路面の陥没の原因となります。
そのため、再帰反射性道路塗料は、除雪車の通行による影響を受けず、路面内部にも影響を与えないため、カナダや米国の一部地域で非常に人気があります。天候が許せば、埋め込み式または隆起式の再帰反射材が好まれます。これは、風雨にさらされ、堆積物や雨で見えにくくなり、車両の通行によって摩耗する道路塗料よりもはるかに長持ちするためです。
交通標識と車両運転者にとって、光源は車両のヘッドライトであり、光は交通標識の表面に送られ、その後車両運転者に戻ります。再帰反射型の交通標識の表面は、ベースシート層に埋め込まれたガラスビーズまたはプリズム反射板を使用して製造されており、表面が光を反射するため、暗い状況下でも標識がより明るく、車両運転者から見やすくなります。米国国家道路交通安全局（NHTSA）によると、Traffic Safety Facts 2000 という出版物では、夜間の事故による死亡事故率は、日中の事故の 3 ～ 4 倍高いとされています。
多くの人が誤解しているのは、再帰反射は夜間走行時のみ重要だという点です。しかし近年、雨や雪などの悪天候時にヘッドライトを点灯することを義務付ける州や機関が増えています。米国連邦道路管理局（FHWA）によると、車両事故全体の約24%は悪天候（雨、みぞれ、雪、霧）時に発生しています。天候関連事故のうち、雨天が47%を占めています。これらの統計は、1995年から2008年までの14年間の平均に基づいています。
連邦道路局（FHWA）の統一交通制御装置マニュアル（ MUTCD ）では、標識は照明付きであるか、再帰反射シート材で作られていることが求められており、米国の標識のほとんどは再帰反射シート材で作られていますが、それらは時間の経過とともに劣化します。これまで、再帰反射性がどのくらい持続するかを判断するための情報はほとんどありませんでした。MUTCDでは、交通機関が交通標識を一定の最低レベルに維持することを義務付けていますが、機関が遵守するために使用できるさまざまな維持方法も提供しています。再帰反射性の最低要件は、機関がすべての標識を測定しなければならないことを意味するものではありません。むしろ、新しいMUTCDの記述は、交通標識の再帰反射性を最低レベル以上で維持するために機関が使用できる方法を説明しています。
カナダでは、飛行場照明は適切な色の再帰反射板に置き換えることができ、その中で最も重要なのは滑走路の端を区切る白色の再帰反射板であり、着陸灯を備えた航空機から最大2海里離れた場所からでも見える必要がある。[ 4 ]
反射テープは、光とレーダー信号の両方に対する高い反射率を持つことから、海上における人命の安全のための国際条約（SOLAS条約）で認められ、推奨されています。救命いかだ、個人用浮力補助具、その他の安全装備に貼付することで、夜間でも水中の人や物を容易に発見できます。ボートの表面に貼付すると、特にレーダー反射率が非常に低いグラスファイバー製のボートでは、レーダー反射率が大きくなります。国際海事機関（IMO）の規則、IMO決議A.658（16）に準拠し、米国沿岸警備隊の仕様46 CFR Part 164、Subpart 164.018/5/0を満たしています。市販製品の例としては、3Mの部品番号3150Aと6750I、およびOrafol Oralite FD1403などがあります。
測量では、通常プリズムと呼ばれる再帰反射器が測量ポールに取り付けられ、例えばトータルステーションなどの距離測定のターゲットとして使用されます。機器操作者またはロボットは、レーザービームを再帰反射器に向けます。機器は光の伝搬時間を測定し、それを距離に変換します。プリズムは、測量および3Dポイントモニタリングシステムで使用され、点の水平位置と垂直位置の変化を測定します。2つのプリズムは、トータルステーションまたはより単純なセオドライトを使用して角度測定のターゲットとしても機能します。この使用法は、ヘリオトロープを彷彿とさせますが、それ自体は再帰反射を伴うものではなく、光学機器から見たターゲットプリズムの中心を直接視認するために、あらゆる光源（太陽など）による視認性のみを必要とします。
アポロ11号、14号、15号の宇宙飛行士は、月レーザー測距実験の一環として、月面に反射板を残した。ソ連のルノホート1号とルノホート2号の探査車も、より小型の反射板アレイを搭載していた。ルノホート1号からは当初反射信号が受信されたが、少なくとも部分的には月面での位置の不確実性のため、1971年から2010年まで反射信号は検出されなかった。2010年に月周回探査機ルナー・リコネッサンス・オービターの写真で発見され、反射板は再び使用されるようになった。ルノホート2号のアレイは地球に信号を送り続けている。[ 5 ]良好な観測条件下であっても、数秒ごとに1つの反射光子しか受信されない。そのため、レーザーで生成された光子を自然光子からフィルタリングする作業は困難である。[ 6 ]
チャンドラヤーン3号のヴィクラム着陸機は、 NASAのゴダード宇宙飛行センターがISROとの国際協力の一環として提供したレーザー反射アレイ（LRA）装置を左に搭載した。2023年12月12日、月探査機ルナ・リコネッサンス・オービターは、ヴィクラム着陸機から送信されたレーザーパルスを検出することに成功した。[ 7 ]
同様の装置であるレーザー反射鏡アレイ（LaRA）は、火星探査車パーセベランスに搭載されている。この反射鏡は、イタリア国立核物理研究所が設計し、イタリア宇宙機関の委託を受けて製造した。
多くの人工衛星は、地上局から追跡できるように再帰反射器を搭載しています。一部の衛星は、レーザー測距のためだけに作られました。LAGEOS （ Laser Geodynamics Satellites）は、地球の地球力学研究のための軌道上レーザー測距ベンチマークを提供するように設計された一連の科学研究衛星です。[ 8 ] LAGEOS宇宙機は2機あります。LAGEOS-1 [ 9 ]（1976年打ち上げ）とLAGEOS-2（1992年打ち上げ）です。これらは、溶融石英ガラス製のキューブコーナー再帰反射器を使用しています。2020年現在、両方のLAGEOS宇宙機はまだ運用中です。[ 10 ]再帰反射器を搭載した3機のSTARSHINE衛星は、1999年から打ち上げられました。LARES衛星は2012年2月13日に打ち上げられました。（参照：レーザー測距衛星のリスト）
その他の衛星には、軌道較正[ 11 ]や軌道決定[ 12 ]のためのレトロリフレクターがあり、衛星航法（例：すべてのガリレオ衛星[ 13 ]、ほとんどのGLONASS衛星[ 14 ] 、IRNSS衛星[ 15 ] 、BeiDou [ 16 ] 、QZSS [ 17 ]、2つのGPS衛星[ 18 ]）や衛星重力測定（GOCE [ 19 ]） 、衛星高度測定（例：TOPEX/Poseidon、Sentinel-3 [ 20 ]）などに使用されています。レトロリフレクターは、地上追跡の代わりに衛星間レーザー測距にも使用できます（例：GRACE-FO）[ 21 ] 。
BLITS （Ball Lens In The Space）球面反射鏡衛星は、 2009年9月のソユーズロケット打ち上げ[ 22 ]の一環として、ロシア連邦宇宙局が国際レーザー測距サービス（ ILRS）の支援を受けて軌道に投入した。ILRSはもともと国際測地学協会、国際天文学連合、および国際委員会によって組織された独立機関である[ 23 ] 。ILRSの中央事務局は、米国のゴダード宇宙飛行センターにある。反射鏡は、ルーネブルグレンズの一種で、モスクワの精密機器工学研究所（IPIE）によって開発および製造された。このミッションは、2013年に宇宙ゴミとの衝突により中断された[ 24 ] [ 25 ]。
反射率が何らかの手段で時間とともに変化する変調レトロリフレクタは、自由空間光通信ネットワークの研究開発対象となっている。このようなシステムの基本概念は、センサモートなどの低電力リモートシステムが基地局から光信号を受信し、変調された信号を基地局に反射するというものである。基地局が光パワーを供給するため、リモートシステムは過剰な電力消費なしに通信できる。変調レトロリフレクタは、変調位相共役ミラー（PCM）の形でも存在する。後者の場合、位相共役波の時間符号化によって「時間反転」波がPCMによって生成される（例えば、SciAm、1990年10月、「光屈折効果」、David M. Pepper他を参照）。
安価なコーナー照準型再帰反射器は、ユーザー制御技術において光データリンク装置として利用されている。照準は夜間に行われ、必要な再帰反射器の面積は、照準距離と街灯などの周囲光量によって決まる。光受信機自体は、焦点面内の照明された物体を検出する大型で精密に焦点を合わせたレンズを備えているため、弱い再帰反射器として機能する。これにより、近距離であれば再帰反射器なしで照準を合わせることができる。
再帰反射器は、以下のような用途例で使用されています。
Many prey and predator animals have naturally retroreflective eyes by having a reflective layer called the Tapetum lucidum behind the retina, since this doubles the light that their retina receives.
自然界に触発された道路用「キャッツアイ」の発明者は、イングランド、ウェストヨークシャー州ハリファックスのブースタウンのパーシー・ショーでした。近くの郊外アンブラーソーンで路面電車の線路が撤去されたとき、彼は夜間の移動に磨かれた鋼鉄のレールを使用していたことに気づきました。[ 33 ]「キャッツアイ」という名前は、ショーがこの装置を思いついたきっかけ、つまり猫の目から反射する光の反射に由来しています。1934年に彼はこの発明の特許を取得し（特許番号436,290と457,536）、1935年3月15日にハリファックスにリフレクティング・ロードスタッズ・リミテッドを設立して製品を製造しました。[ 34 ] [ 35 ]キャッツアイという名前は彼らの商標です。[ 36 ]再帰反射レンズは、6年前にヘレフォードシャーの会計士リチャード・ホリンズ・マレーによって広告看板用に発明されており[ 37 ] [ 38 ]、ショーが認めたように、それらは彼のアイデアに貢献した。[ 33 ]
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