Retroreflektor

Prinzip eines Retroreflektors: Der Lichtstrahl (Beispiel: rot oder schwarz) wird unabhängig vom Einfallswinkel immer zur Quelle zurückgeworfen.

Ein Retroreflektor (von lateinisch retro rückwärts, reflexio Zurückbeugung) ist eine Vorrichtung, die einfallende elektromagnetische Wellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Reflektors großteils in die Richtung reflektiert, aus der sie gekommen sind. Dies wird als Retroreflexion bezeichnet.

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

Front- und Speichenreflektoren erhöhen die passive Sicherheit von Fahrrädern

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

Ein Tripelprisma aus geschliffenem Glas dient 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 in Gestalt von Rückstrahlern an Menschen, Hindernissen, Verkehrszeichen, Leiteinrichtungen und Fahrzeugen deren Erkennbarkeit nachts im Scheinwerferlicht. Die Augen des Fahrers sind in der Regel etwa 1 m vom Scheinwerfer ihres Fahrzeuges entfernt. Da ein idealer Retroreflektor das Licht theoretisch exakt in Einfallsrichtung zurückwerfen würde, haben Retroreflektoren für den Straßenverkehr eine kleine Winkelstreuung von etwa 1°. Retroreflektoren haben einen Grenzwinkel der Retroreflexion gegenüber ihrer Flächennormalen, ab dem sie nicht mehr reflektieren. Die Parameter Winkelstreuung und Grenzwinkel von Retroreflektoren dienen zu ihrer Charakterisierung.

In weißer oder gefärbter Ausführung gibt es Rückstrahler aus transparenten Kunststoffspritzguss- oder Glasplatten, die vorn glatt sind, hinten eine Struktur aus vielen Würfelecken haben. Sie sind manchmal auch hinten verspiegelt, unverspiegelt wird jedoch auch eine Retroreflexion erreicht. 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).

Sind Retroreflektoren durch Tautropfen oder Raureif beschlagen, kann dies die Retroreflexion durch Streuung mindern oder ganz verhindern; Autobahnwegweiser zeigen in solchen Fällen große dunkle Flecken.

Manche Fahrradscheinwerfer haben Retroreflexzone integriert.

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 Glaskugeln (d < 0,3 mm) in die aufgebrachte noch feuchte Markierungsfarbe (Lack oder Flüssigkunststoff) durch Aufstreuen teileingebettet, wodurch Retroreflexion erreicht wird. Der Effekt der Glasperlen ist ähnlich dem der Lüneburg-Linse.

In der Natur tritt Retroreflexion an betauten Pflanzen auf, wenn diese stark behaart sind. Auch Gras- und Getreidehalme zeigen den Effekt. Sichtbar wird dieser „Heiligenschein“ rund um den Schatten des eigenen Kopfes im Grünen, wenn die Sonne mittelhoch von hinten scheint. 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. 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 (englisch)
• 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 raue Strukturen werfen Schatten auf sich selbst. Aus Sicht der Beleuchtungsrichtung gesehen sind diese Schatten jedoch durch die angestrahlten Flächen verdeckt.

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 drei spiegelnden Flächen

Drei flache, zueinander senkrecht stehende, spiegelnde Oberflächen lenken einfallende Wellen zurück zur Quelle der Wellen. Die drei Flächen sind dabei so angeordnet wie die drei Flächen eines Würfels, die eine Ecke berühren. Daher wird diese Winkelreflektoren in der englischen Fachsprache auch corner cube genannt.

Beispiele für Winkelreflektoren:

• 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
• 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.
• Radarreflektoren aus Blech als Retroreflektor für Mikrowellenstrahlung (RADAR) etwa für die Schifffahrt vor Brückenpfeilern.
• Rückstrahler aus Kunststoff, seltener auch aus Glas tragen rückseitig angeformte Tripelprismen, die bei ausreichendem Brechungsindex durch Totalreflexion wie Tripelspiegel funktionieren. Sie sind meist hinten abgedeckt, um Störungen durch Schmutz und (Kondens-)Wasser zu vermeiden.

Auswirkung von Tripelreflektoren auf die Polarisation

Tripelreflektoren drehen die Polarisation der einfallenden Lichtwellen um etwa 90°. Dieser Effekt wird in der Optoelektronik eingesetzt, um mit Reflexionslichtschranken spiegelnde Objekte zu erkennen. Dabei befindet sich vor dem Sender und vor dem Empfänger jeweils ein Polarisationsfilter; die Filter sind zueinander um 90° gedreht. Wenn durch den ersten Filter linear polarisiertes Licht vom Tripelreflektor zum Empfänger gelenkt wurde, kann es wegen der Drehung der Polarisation den zweiten Polarisationsfilter passieren. Licht, das durch eine einzelne spiegelnde Oberfläche zum Empfänger gelenkt wurde, wird dagegen durch den zweiten Polarisationsfilter blockiert. Auf diese Weise wird trotz der Spiegelung sicher erkannt, dass sich ein Objekt im Bereich der Lichtschranke aufhält.

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 Retroreflexion 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 eine 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 außen 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

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  Tripelprisma an einem Messziel (Vermessung), Aufnahme mit Kamerablitz

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  Aufnahme eines Tripel­spiegels ohne und mit Blitz; drei der sechs Kanten sind Spiege­lungen; das Auge bzw. die Kamera erscheint immer im Mittelpunkt

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  Retroreflektor, montiert auf einem Leitpfosten am Straßenrand

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  In eine Straße einge­lassene Reflektoren

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  Einer von fünf zur Entfernungs­messung auf dem Mond befindlichen Retro­reflektoren