Retroreflektor

Retroreflektor

Prinzip eines Retroreflektors: Der Lichtstrahl wird unabhängig vom Einstrahlwinkel immer zur Quelle zurückgeworfen.

Ein Retroreflektor (von lat. retro rückwärts, reflexio Zurückbeugung) ist ein reflektierendes Material, welches die einfallende Strahlung weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Reflektors großteils in Richtung zurück zur Strahlungsquelle reflektiert (Retroreflexion).

Hintergrund

Diffus streuende Oberflächen strahlen nur wenig Licht zur Lichtquelle zurück. Sie erscheinen dennoch meist heller als ein Spiegel, denn bei einem Planspiegel hängt die Rückstrahlung von seiner Orientierung ab, die nur in Ausnahmefällen senkrecht zum Betrachter ausgerichtet ist. Aus diesem Grund erscheint auch eine regennasse Fahrbahn, die nur von den eigenen Fahrzeugscheinwerfern beleuchtet wird, in der Nacht dunkler als die diffus rückstreuende Oberfläche eines trockenen Straßenbelags.

Anwendung

Retroreflektoren für Fahrräder zwecks Sichtbarkeit und Sicherheit
Veraltetes Verkehrsschild, welches bei Nacht nicht mehr reflektiert

In der Funktechnik unterstützen Radarreflektoren die Ortung angestrahlter Objekte, etwa einer Ballonsonde oder eines Brückenpfeilers an einer Wasserstraße.

Präzise Strahlrückführung im optischen Wellenlängenbereich: Tripelspiegel hinter geschliffenem Glas dienen bei der Vermessung einem Laser als Umkehrpunkt. An einer Reflexlichtschranke wird eine retroreflektierende Folie oder ein Rückstrahler verwendet, um den Strahl wieder zum Sensor unmittelbar neben der Lichtquelle zurückzulenken.

Im Straßenverkehr erhöhen Retroreflektoren an Menschen, Hindernissen, Verkehrstafeln, Leiteinrichtungen und Fahrzeugen deren Erkennbarkeit nachts im Scheinwerferlicht. Fahrzeuglenker schauen nahe (etwa 1 m) deren Lichtaustrittsstelle auf die Szene in deren Lichtkegel. Retroreflektierendes wirft Licht entgegen der Einfallsrichtung zurück. Wenn der Lenker nun einen Retroreflektor in 60 m Entfernung sieht, dann spannen Beleuchtungsstrahl und Beobachtungsrichtung einen Winkel von etwa 1° auf. Angestrahlte Retroreflexmittel wirken daher dann am besten, wenn sie eine gewisse kleine Winkelstreuung aufweisen, jedoch auch schräg angestrahlt – wie etwa eine Verkehrstafel halbrechts also 45° vor uns – noch gut wirken. Diese zwei Parameter dienen zu ihrer Charakterisierung.

In weißer oder gefärbter Ausführung gibt es Rückstrahler aus transparentem Kunststoffspritzguss oder Glas, die hinten eine Struktur aus vielen Würfelecken haben. Sie müssen nicht verspiegelt sein, da Totalreflexion stattfindet und somit Tripelspiegel entstehen. Auch diese Elemente werden oft als Katzenaugen bezeichnet.

Retroreflektorfolien sind aus geprägter Alufolie, rückseitig geprägter Plastikfolie oder enthalten transparente, retroreflektierende Kügelchen.

Katzenaugen bestehen aus gefassten Glaskörpern (bikonvex, silberverspiegelt und schutzlackiert).[1]

Dichter Tautropfenbelag oder Raureif kann die Retroreflexion zerstreuen oder verhindern; Autobahnwegweiser zeigen z.B. große dunkle Flecken.

Manche Fahrradscheinwerfer haben am Rand der Streuscheibe eine Retroreflexzone integriert, deren Facetten so gestaltet sind, dass schräg hinten vom Leuchtmittel ankommendes Licht gut durchdringt.

Retroreflektierende Materialien sollten bei Sicherheitsanwendungen mit diffus reflektierenden Oberflächen kombiniert werden, damit sie auch dann erkennbar sind, wenn sie mit Fremdlicht aus anderen Richtungen bestrahlt werden. Aus diesem Grund tragen Leitpfosten nicht nur Rückstrahler, sondern sind auch weiß gefärbt. Auch Aluminium, häufig stranggepresst und eloxiert, als Verkehrstafelmasten oder Geländer wirkt hell, solange es nicht durch Salz stark korrodiert ist.

Bei Fahrbahnmarkierungen werden feinste Glasperlen (d < 0,3 mm) in die aufgebrachte noch feuchte Markierungsfarbe (Lack oder Flüssigkunststoff) durch Aufstreuen teileingebettet, wodurch Retroreflexion erreicht wird, um die Sichtbarkeit bei Anstrahlung zu erhöhen. Der Effekt der Glasperlen ist ähnlich dem der Lüneburg-Linse.

In der Natur tritt Retroreflexion an betauten Pflanzen, etwa Gras- und Getreidehalmen auf, wenn diese stark behaart sind. Sichtbar wird der Effekt als sogenannter „Heiligenschein“ beim Radeln am Straßenrand rund um den Schatten des eigenen Kopfes im Grünen, wenn die Sonne links hinter einem mittelhoch steht. Das Phänomen tritt auch an unbehaarten Pflanzen auf, wenn deren Blätter durch eine Wachsschicht so stark hydrophob sind, dass der Kontaktwinkel am Tautropfen auf 140° ansteigt, was von Alistair B. Fraser an Nadelbäumen beobachtet und daher sylvanshine (engl. Waldschein) genannt wurde.[2]

Umgekehrt versuchen Konstrukteure von Militärfahrzeugen, -schiffen und insbesondere -flugzeugen durch strenges Vermeiden von Innenecken an deren Außenkontur unerwünschte Radarreflexe zu vermeiden (Stealth-Technik).

Retroreflektoren aus Quarzglas (um auch UV-Lichtanteile zu reflektieren) werden bei Langpfadmessungen auf Basis der DOAS-Technik verwendet, um atmosphärische Spurengase in der Luft auf einem definierten Lichtweg nachzuweisen.

Andere Effekte

  • glory (engl.)[3][4]
  • Heiligenschein
  • Oppositionseffekt: Pro Fläche erscheint der Vollmond viel heller als der Halbmond, eine staubige Straße erscheint um den Gegenpunkt der Lichtquelle hinter einem am hellsten, auch (trockene) Wiesen, Felder und Wälder erscheinen rund um den eigenen (Sonnen-)Schatten bedeutend heller. Denn rauhe Strukturen werfen Schatten auf sich selbst. Nur aus Sicht der Beleuchtungsrichtung besehen, sind diese Schatten jedoch durch die angestrahlten Flächen verdeckt.[5]

Retroreflexionselemente

Vergleich von Winkelreflektor (1) und Linsenreflektor (2) an drei unterschiedlichen Einfallswinkeln. Die reflektierende Oberfläche ist dunkelblau eingezeichnet.

Neben planoptischen Winkelreflektoren (Tripelspiegeln und Tripelprismen) und Rückstrahlern gibt es rotationssymmetrische Linsenreflektoren (Katzenaugen, Lüneburg-Linsen) und auch prinzipiell andere Typen retroreflektierender Körper, zum Beispiel bikonische Konstruktionen.

Ausführungen mit Planspiegeln

Veranschaulichung der Retroreflexion am 90°-Doppelspiegel

Bei den Retroreflektoren aus Planspiegeln und Planflächen unterscheidet man Bauformen mit zwei oder drei zueinander senkrecht stehenden spiegelnden Ebenen.

Das Bild oben veranschaulicht die Retroreflexion in einer Ebene (zwei Spiegel). Wenn sich auch die dritte Raumrichtung ändern kann, sind drei Spiegel erforderlich, es entsteht ein Tripelspiegel, zum Prinzip siehe auch Winkelreflektor.

Ein Tripelprisma ist ein Glaskörper, der vorne plan ist und rückseitig drei zueinander in einem Winkel von 90° stehende unverspiegelte Planflächen besitzt. Es reflektiert prinzipiell sogar verlustärmer als ein Tripelspiegel, auch wenn die frontseitige Oberfläche nicht entspiegelt ist. Ursache ist die verlustfreie Totalreflexion an den schrägen rückseitigen Oberflächen. Tripelprismen haben einen größeren Winkelbereich innerhalb dessen die Reflexion auftritt, da die vordere Oberfläche des Glaskörpers eine Brechung zur Symmetrieachse hin bewirkt.

Beispiele:

  • Rückstrahler bestehen meist aus Kunststoff, seltener (früher) auch aus Glas. Sie tragen rückseitig angeformte Tripelprismen, die durch Totalreflexion wie Tripelspiegel funktionieren. Sie sind hinten abgedeckt, um Reflexionsverluste durch Schmutz und (Kondens-)Wasser zu vermeiden, weshalb die Tripelspitzen nur an zerbrochenen, geöffneten Reflektoren tastbar und von hinten sichtbar sind.
  • Winkelreflektoren als
    • Radarreflektoren (engl. corner reflector) aus Blech als Retroreflektor für Mikrowellenstrahlung (RADAR) etwa für die Schifffahrt vor Brückenpfeilern.
    • Tripelspiegel und Tripelprismen aus Glas zur Retroreflexion von Laserstrahlen (LIDAR) bei der Vermessung, der Messung der Entfernung des Mondes und zur genauen Positionsbestimmung von Satelliten
  • Reflexkugeln aus Glas werden (als feines Pulver geschüttet) in frisch aufgetragene Straßenmarkierfarbe eingedrückt, am besten gut zur Hälfte des Durchmessers, doch nicht zu dicht, um sich nicht abzuschatten (Retroreflexfarbe).

Linsenähnliche Ausführung

Prinzip Lüneburg-Linse
Retroreflektor-Element nach dem Prinzip eines Katzenauges; die gekrümmten Flächen links sind verspiegelt. Die rechte gekrümmte Fläche hat ihren Brennpunkt auf der Spiegelfläche. Die Zeichnungen illustrieren die Funktion bei aus unterschiedlichem Winkel einfallendem Licht

Wenn sich im Fokus einer abbildenden Optik eine reflektierende Oberfläche befindet, dann wird das reflektierte Licht durch die Optik wieder in Richtung Lichtquelle gelenkt. Anders als bei einem einfachen flachen Spiegel hängt diese Eigenschaft nicht von der genauen Ausrichtung der spiegelnden Oberfläche ab. Für eine ideale Retroreflektion muss allerdings der Abstand der spiegelnden Oberfläche genau stimmen. Außerdem bewirken Linsenfehler, dass das Licht nicht vollständig in Richtung der Lichtquelle gelenkt wird. Bei einigen Anwendungen ist ein Reflexion in einen Bereich nahe, aber nicht genau an der Lichtquelle sogar erwünscht. Das gilt zum Beispiel für Retroreflektoren im Straßenverkehr. Damit das reflektierte Licht eines Scheinwerfers gesehen werden kann, darf es nicht vollständig wieder in den Scheinwerfer gelenkt werden.

Beispiele:

  • Die optisch wirksame Komponente von Reflektorfolien und Leinwänden besteht aus vielen kleinen transparenten Kugeln. Eine durchsichtige Kugel aus Glas oder Kunststoff fokussiert einen Großteil des einfallenden Lichts einer weit entfernten Lichtquelle auf einen Fleck kurz hinter der hinteren Oberfläche. Durch den Unterschied im Brechungsindex im Vergleich zur Luft wirkt die hintere Oberfläche der Kugel spiegelnd. Da sie nur wenig vor dem Fokus liegt, wird das Licht in einen schmalen Kegel um die Richtung der Lichtquelle gelenkt. Auf diese Weise erreicht im Kino besonders viel Licht des Filmprojektors die Augen der Zuschauer. Das Gleiche gilt für Scheinwerferlicht, das von mit Reflektorfolie ausgestatteten Schildern bevorzugt in Richtung der Fahrer des jeweiligen Fahrzeugs gelenkt wird.
  • Katzenaugen sind Glaskörper, deren Vorderseite so gekrümmt ist, dass einfallendes paralleles Licht auf die verspiegelte Rückseite fokussiert wird. Anders als bei transparenten Kugeln kann bei Katzenaugen der Raumwinkel, in den einfallendes zurück reflektiert wird, in weiten Grenzen durch die Form bestimmt werden. Außerdem kann die Rückseite vollständig reflektierend sein. Katzenaugen können daher mehr Licht in die gewünschte Richtung lenken. Sie sind jedoch aufwändiger in der Herstellung.
  • Die Augen insbesondere nachtaktiver Tiere wie Katzen sind retroreflektierend, da deren Netzhaut reflektierend hinterlegt ist. Siehe Tapetum lucidum und Rote-Augen-Effekt
  • Retroreflexion durch Nebeltröpfchen ist unerwünscht, weshalb Nebelscheinwerfer möglichst weit entfernt von der Blickrichtung angeordnet werden.
  • Lüneburg-Linsen sind rückseitig verspiegelte Kugeln aus einem transparenten Material mit einem nach innen geringer werdenden Brechungsindex. Sie werden auch als Radarreflektoren eingesetzt. Die Verspiegelung ist dann jedoch als Gürtel ausgeführt, so dass aus allen horizontalen Richtungen Retroreflexion stattfindet.

Abbildungen

Einzelnachweise

  1. Crystal Glass Reflectors. Swareflex.com, abgerufen am 28. August 2013
  2. Alistair B. Fraser: The sylvanshine: retroreflection from dew-covered trees. In: Applied Optics. Band 33, Nr. 21, 20. Juli 1994, S. 4539–4547, doi:10.1364/AO.33.004539.
  3. H. Moysés Nussenzveig: The Science of the Glory. Scientific American, 30. Dezember 2011, abgerufen 29. August 2013
  4. Lawrence J. Mayes: Glories - an Atmospheric Phenomenon. 9. Januar 2003, abgerufen 29. August 2013
  5. Opposition Effect, Atmospheric Optics. atoptics.co.uk, abgerufen 29. August 2013

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