反射板

反射板

金色のコーナーキューブ反射鏡
用途	光遅延線による距離測定 暗い場所でも視認性の高いマーキング

再帰反射器（レトロリフレクターまたはカタフォトとも呼ばれる）は、放射線（通常は光）を最小限の散乱でその発生源に反射する装置または表面です。これは、平面鏡とは異なり、広範囲の入射角で機能します。平面鏡は、鏡が波面に対して正確に垂直で、入射角がゼロの場合にのみ機能します。再帰反射器は方向付けられているため、反射は拡散反射器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。

再帰反射を得るにはいくつかの方法がある: ^[1]

立方体の内部コーナーを形成するように配置された、互いに垂直な 3 つの反射面のセットは、再帰反射器として機能します。コーナーの辺の 3 つの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、たとえば 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およびz成分は変更されません。したがって、光線が最初に辺 x から反射し、次に辺 y から反射し、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 ]へと変わり、光線は、方向の 3 つの成分すべてが正確に反転した状態でコーナーを離れます。

コーナー リフレクターには 2 種類あります。より一般的な形式では、コーナーは文字通り、従来の光学ガラスなどの透明素材の立方体の角を切り取ったものです。この構造では、反射は全反射または立方体の外側表面の銀メッキによって実現されます。2 番目の形式では、空気空間を挟んで互いに垂直な平面ミラーを使用します。これら 2 つのタイプは、光学特性が似ています。

標準的な六角形のタイル張りを使用して、多数の小さなコーナー反射鏡を組み合わせることで、比較的薄い大型の反射鏡を形成できます。

別の一般的なタイプの再帰反射器は、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（通常は透明球と（オプションで）球面鏡）と一致するように配置されます。近軸近似では、材料の屈折率が、放射が入射する媒体の屈折率n _{i （空気の場合n i}は約1）にちょうど1を加えたものである場合に、単一の透明球でこの効果を最小の発散で実現できます。その場合、球面は、再帰反射に必要な曲率を持つ凹面球面鏡として動作します。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よりも低くなる場合があります。1つには、照明角度と観測角度が異なる道路標識の場合のように、不完全でわずかに発散する再帰反射が好ましい場合があります。球面収差により、入射光線が球の背面の中心に焦点を合わせる中心線からの半径も存在します。最後に、高屈折率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、周囲から球への光の結合効率が低下します。したがって、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 (通常はチタン酸バリウムガラス) までさまざまです。

球面キャッツアイの球面収差問題は、さまざまな方法で解決できます。その1つは、ルーネベルグレンズ設計のように、球面内の球面対称の屈折率勾配です。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背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背面半分に金属コーティングを追加するのが一般的ですが、これは球体が特定の方向を向いている場合にのみ再帰反射が機能することを意味します。

キャッツアイ反射鏡の別の形式では、透明な球体ではなく、曲面鏡に焦点を合わせた通常のレンズを使用しますが、このタイプでは、反射する入射角の範囲がはるかに制限されます。

キャッツアイという用語は、キャッツアイ反射鏡が、猫やその他の脊椎動物の「光る目」またはアイシャイン（実際に光っているのではなく、光を反射しているだけ）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ています。目の水晶体と角膜の組み合わせは屈折収束システムを形成し、網膜の後ろにあるタペタムは球面凹面鏡を形成します。目の機能は網膜上に像を形成することであるため、遠くの物体に焦点を合わせた目の焦点面は、反射タペタムの構造にほぼ従っており、^[要出典]これは良好な再帰反射を形成するために必要な条件です。

このタイプの再帰反射体は、薄いシートまたは塗料に組み込まれたこれらの構造の多数の小さなバージョンから構成されます。ガラスビーズを含む塗料の場合、塗料はビーズを再帰反射が必要な表面に付着させ、ビーズは突き出ます。ビーズの直径は塗料の厚さの約 2 倍です。

3 つ目の、あまり一般的ではない再帰反射鏡の製造方法は、位相共役の非線形光学現象を利用する方法です。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、反射波が以前の経路を正確にたどるようにします。これには、比較的高価で複雑な装置と大量の電力が必要です (非線形光学プロセスは、強度が十分に高い場合にのみ効率的であるため)。ただし、位相共役ミラーは、再帰反射の方向に関して本質的にはるかに高い精度を備えています。これは、受動要素では構造の機械的精度によって制限されます。

反射鏡は、光を同じ方向に沿って光源に戻すことで動作する装置です。光度係数R _Iは、反射鏡の性能を測る指標であり、反射光の強さ (光度) と反射鏡に当たる光の量 (法線照度) の比として定義されます。反射鏡は、 R _I値が増加するほど明るく見えます。^[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は最も効率が良く、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値も増加します。_[ ^1]

R _I値は、観察者、光源、反射板間の空間的形状の関数でもあります。図 1 と 2 は、自動車のヘッドライト、自転車、ドライバー間の観測角と入射角を示しています。観測角は、光線とドライバーの視線によって形成される角度です。観測角は、ヘッドライトとドライバーの目の間の距離、および反射板までの距離の関数です。交通エンジニアは、乗用車の約 800 フィート前方にある反射板ターゲットをシミュレートするために、0.2 度の観測角を使用します。観測角が大きくなると、反射板の性能が低下します。たとえば、トラックは、乗用車と比較して、ヘッドライトとドライバーの目の間の距離が大きくなっています。自転車の反射板は、車両から反射板までの同じ距離では、乗用車のドライバーにはトラックのドライバーよりも明るく見えます。^[1]

図2に示すように、光線と反射板の法線軸は入射角を形成します。入射角は、光源に対する反射板の向きの関数です。たとえば、交差点で自転車に90度離れて接近する自動車間の入射角は、直線道路で自動車の真正面に自転車が接近する場合の入射角よりも大きくなります。反射板は、光源と一直線になっているときに観察者にとって最も明るく見えます。^[1]

反射板の明るさは、光源と反射板の距離の関数でもあります。特定の観測角度では、光源と反射板の距離が短くなるにつれて、反射板に当たる光が増加します。これにより、観察者に返される光の量が増加し、反射板が明るく見えます。^[1]

再帰反射（retroflection と呼ばれることもある）は、路面、道路標識、車両、衣類（通常のコートではそれほど多くはないが、特殊な安全衣類では表面の大部分）に使用されている。自動車のヘッドライトが再帰反射面を照らすと、反射光は自動車とその運転手に向けられる（拡散反射のように全方向に向けられるのではなく）。しかし、歩行者が暗闇の中で再帰反射面を見ることができるのは、歩行者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を介して）または歩行者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を介して）のみである。「キャッツアイ」は路面に埋め込まれた特定のタイプの再帰反射板であり、主に英国と米国の一部で使用されている。

コーナーリフレクターは、光を長距離にわたって光源に戻すのに優れていますが、球面リフレクターは、ヘッドライトの光が運転者の目に反射する場合のように、光源から多少軸外にある受信機に光を送るのに優れています。

反射板は道路に埋め込むことも（路面と同じ高さ）、路面より高く設置することもできます。隆起反射板は非常に遠く（通常 0.5～1キロメートル以上）から見えますが、沈み込み反射板は光を適切に反射するために高い角度が必要なため、非常に近い距離でしか見えません。 隆起反射板は、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道路から剥がれてしまう可能性があるため、一般的には使用されません。 埋め込まれた物体の上を車が走行することで道路にかかる負荷も、摩耗の加速や道路の穴の形成につながります。

再帰反射道路塗料は、除雪車の通行の影響を受けず、道路の内部にも影響を与えないため、カナダや米国の一部で非常に人気があります。天候が許す限り、埋め込まれたまたは隆起した再帰反射材は、風雨によって風化したり、堆積物や雨で見えにくくなったり、車両の通行によって削り取られたりする道路塗料よりもはるかに長持ちするため、好まれます。

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す。ヘッドライトからの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。反射交通標識の表面は、ガラスビーズまたはプリズム反射体をベースシート層に埋め込んで製造されており、表面が光を反射するため、暗い状況でも標識が明るく見え、車両運転者に見えるようになります。米国道路交通安全局(NHTSA) によると、Traffic Safety Facts 2000 出版物では、夜間の衝突事故の致命的な事故率は、昼間の事故よりも 3 ～ 4 倍高いと述べられています。

多くの人が誤解しているのは、再帰反射は夜間の走行時にのみ重要だということです。しかし、近年では、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、全車両事故の約 24% は悪天候 (雨、みぞれ、雪、霧) 時に発生しています。雨天は天候関連の事故の 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。

FHWA の統一交通管制装置マニュアルでは、標識は照明付きか、反射シート素材で作られていることが義務付けられています。米国の標識のほとんどは反射シート素材で作られていますが、時間の経過とともに劣化します。これまで、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、現在、機関が交通標識を一連の最低レベルに維持することを義務付けていますが、機関が準拠するために使用できるさまざまなメンテナンス方法を提供しています。最低反射性要件は、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 言語は、機関が交通標識の反射性を最低レベル以上に維持するために使用できる方法を説明しています。

カナダでは、飛行場の照明を適切な色の反射板に置き換えることができます。最も重要なのは滑走路の端を示す白い反射板で、着陸灯を装備した航空機から2海里以内で視認できなければなりません。^[4]

反射テープは、光とレーダー信号の両方に対して高い反射率を持つことから、海上人命安全条約 ( SOLAS ) で認められ推奨されています。救命いかだ、個人用浮遊装置、その他の安全装備に貼り付けると、夜間に水中の人や物体の位置を容易に特定できます。船の表面に貼り付けると、特にレーダー反射がほとんどないグラスファイバー製の船では、より大きなレーダーシグネチャが生成されます。国際海事機関の規制、IMO Res. A.658 (16) に準拠しており、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。市販されている製品の例としては、3M 部品番号 3150A および 6750I、および Orafol Oralite FD1403 があります。

測量では、通常プリズムと呼ばれる反射鏡が測量ポールに取り付けられ、距離測定のターゲットとして使用されます(たとえば、トータルステーション)。機器のオペレーターまたはロボットは、レーザー光線を反射鏡に向けます。機器は光の伝播時間を測定し、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、ポイント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た角度測定のターゲットとしても使用できます。この使用法は、ヘリオトロープを彷彿とさせますが、それ自体は反射を伴わず、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の光源 (太陽など) による可視性のみを必要とします。

アポロ11号、14号、15号のミッションに参加した宇宙飛行士は、月レーザー測距実験の一環として、月に反射鏡を残しました。ソ連のルノホート1号とルノホート2号の探査車も、より小さなアレイを搭載していました。ルノホート1号からの反射信号は当初受信されましたが、1971年から2010年まで、少なくとも部分的には月面上の位置が不確実であったため、戻り信号は検出されませんでした。2010年に、ルナ・リコネッサンス・オービターの写真でそれが発見され、反射鏡は再び使用されました。ルノホート2号のアレイは、地球に信号を返し続けています。^[5]良好な視界条件下でも、反射光子は数秒に1つしか受信されません。そのため、レーザー生成光子と自然発生光子をフィルタリングする作業は困難です。^[6]

チャンドラヤーン3号のヴィクラム着陸機は、 ISROとの国際協力の一環として、NASAゴダード宇宙飛行センターから提供されたレーザー反射鏡アレイ（LRA）装置を月外に持ち出した。2023年12月12日、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、火星探査車パーサヴィアランスに組み込まれている。この反射鏡はイタリア国立原子核物理研究所によって設計され、同研究所はイタリア宇宙機関に代わってこの装置を製造した。

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る。一部の衛星はレーザー測距専用に作られた。LAGEOS 、またはレーザー地球力学衛星は、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ある。^[8] LAGEOS宇宙船には、LAGEOS-1 ^[9]（1976年打ち上げ）とLAGEOS-2（1992年打ち上げ）の2機がある。これらは、溶融シリカガラス製のキューブコーナー再帰反射器を使用している。2020年現在、両方のLAGEOS宇宙船がまだ運用されている。[ ^10]再帰反射器を備えた3機のSTARSHINE衛星は、1999年以降に打ち上げられた。LARES衛星は2012年2月13日に打ち上げられた。（参照：レーザー測距衛星の一覧。）

その他の衛星には、軌道較正^[11]や軌道決定^[12]のための反射鏡があり、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]、および 2 つのGPS 衛星^{[18] ）や}衛星重力測定（GOCE ^[19]）や衛星高度測定（例：TOPEX/Poseidon、Sentinel-3 ^[20]）に使用されています。反射鏡は、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、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2009年9月にソユーズ宇宙船で打ち上げ^[22]、軌道上に投入された。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中央局は、米国ゴダード宇宙飛行センターにある。この反射鏡は、リュ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・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]}

変調反射鏡は、何らかの方法で反射率が時間とともに変化するもので、自由空間光通信ネットワークの研究開発の対象となっています。このようなシステムの基本概念は、センサー モートなどの低電力リモート システムがベース ステーションから光信号を受信し、変調信号をベース ステーションに反射するというものです。ベース ステーションが光電力を供給するため、リモート システムは過剰な電力を消費することなく通信できます。変調反射鏡は、変調位相共役ミラー (PCM) の形でも存在します。後者の場合、位相共役波の時間的エンコードを使用して PCM によって「時間反転」波が生成されます (たとえば、SciAm、1990 年 10 月、「The Photorefractive Effect」(David M. Pepper他)を参照)。

安価なコーナー照準反射鏡は、ユーザー制御技術で光データリンク デバイスとして使用されます。照準は夜間に行われ、必要な反射鏡の領域は照準距離と街灯からの周囲光によって異なります。光受信機自体は、焦点面にある照らされた物体を検出する、正確に焦点を合わせた大きなレンズを備えているため、弱い反射鏡として機能します。これにより、反射鏡なしで短距離の照準が可能になります。

反射鏡は、次のアプリケーション例で使用されます。

• 一般的な（一眼レフではない）デジタルカメラでは、センサーシステムは再帰反射性であることが多い。研究者はこの特性を利用して、デジタルカメラを検出し、レンズに高度に集中した光線を照射することで、不正な写真撮影を防ぐシステムを実証した。^[26]
• 映画スクリーンでは暗い環境でも高い輝度を保つために用いられる。^[27]
• デジタル合成プログラムやクロマキー環境では、合成作業において従来の照明付き背景の代わりに再帰反射を使用します。再帰反射は、背景を別途照らす必要がなく、より安定した色を提供するためです。^[28]
• Longpath- DOASシステムでは、光源から放射された光を反射して望遠鏡に戻すために反射鏡が使用されます。その後、スペクトル分析が行われ、望遠鏡と反射鏡の間の空気中の微量ガス含有量に関する情報が得られます。
• バーコードラベルを再帰反射材に印刷することで、スキャン範囲を最大50フィートまで拡大することができます。^[29]
• 3Dディスプレイの一種で、反射シートとプロジェクターのセットを使用して立体画像をユーザーの目に投影します。ユーザーの眼鏡フレームに取り付けられたモバイルプロジェクターと位置追跡を使用すると、コンピューター生成画像にホログラムの錯覚を作り出すことができます。^{[30] [31] [32]}
• アオウミウシ科のフラッシュライトフィッシュは天然の再帰反射体を持っています。タペタム・ルシダムを参照してください。

多くの獲物や捕食動物は、網膜の後ろに タペタム・ルシダムと呼ばれる反射層を持つことにより、網膜が受け取る光を2倍にする、自然に再帰反射する目を持っています。

自然界からヒントを得て、道路用「キャッツアイ」を発明したのは、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に住むパーシー・ショーである。近郊のアンブラー・ソーン郊外で路面電車の線路が撤去されたとき、彼は磨かれた鋼鉄のレールを夜間の移動に使用していたことに気付いた。^[33]「キャッツアイ」という名前は、猫の目から反射する光というこの装置のひらめきに由来する。1934年、彼はこの発明の特許を取得し（特許番号436,290および457,536）、1935年3月15日、ハリファックスにこの製品を製造するReflecting Roadstuds Limited社を設立した。 ^{[34] [35]} 「キャッツアイ」という名前は同社の商標である。^{[36]反射レンズは、}ヘレフォードシャー出身の会計士リチャード・ホリンズ・マレーが広告看板に使用するために6年前に発明しており^{[37] [38]}、ショーが認めているように、彼らが彼のアイデアに貢献した。^[33]

• コーナーリフレクター
• 自由空間光通信
• GPSブロックIII衛星の改良
• ハイリゲンシャイン
• 視認性の高い衣服
• 光学スクエア
• 反対勢力の急増
• 変調反射鏡
• 反射プリズム
• 反射シートとテープ
• 安全反射板

• Optics Letters、第4巻、pp. 190-192 (1979)、「近似位相共役器としての反射アレイ」、HH Barrett および SF Jacobs 著。
• Optical Engineering 、第21巻、pp. 281-283（1982年3月/4月）、「レトロディレクティブアレイの実験」、Stephen F. Jacobs著。
• Scientific American、1985 年 12 月、「位相共役」、Vladimir Shkunov と Boris Zel'dovich 著。
• Scientific American、1986 年 1 月、「光位相共役の応用」、David M. Pepper 著。
• Scientific American、1986 年 4 月、「アマチュア科学者」(「反射鏡の驚異」)、著者: Jearl Walker。
• Scientific American、1990 年 10 月、「光屈折効果」、David M. Pepper、Jack Feinberg、Nicolai V. Kukhtarev 著。

ウィキメディア・コモンズには、再帰反射板に関連するメディアがあります。

• アポロ15号レーザー測距反射鏡実験
• 交通標識マニュアル - 標識面に使用される反射シート
• オートバイ用反射シート
• 月反射鏡
• 反射板を使った透明マントに関するHowstuffworksの記事
• 反射交通標識に関する法律