相互反射空氣動力學相互作用

當光線射到兩種媒質(zhì)分界面上時，一部分光線改變了傳播方向返回原來媒質(zhì)中繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象稱為光的反射，光的反射遵循反射定律。在自然界中，存在著漫反射、鏡面反射和逆反射三種光的反射現(xiàn)象。

光的漫反射

漫反射是一種最常見的反射形式。漫反射發(fā)生在光線入射到任何粗糙表面上，比如路面、樹葉、衣服和車輛上所引起的反射。

這些粗糙表面使入射光線發(fā)散到各個方向，只有很少一部分光線可以被反射回光源方向。所以漫反射材料只能給人眼提供很少的可視性。夜間行車時，如果沒有其他光源的輔助，駕駛者觀察道路上物體的主要途徑，就是車燈照射所引起的這種漫反射中，能夠返回到駕駛者眼中的少部分光線。圖1是光的漫反射原理示意圖。

光的鏡面反射

鏡面反射是在光線入射到一個非常光滑或有光澤的表面上時發(fā)生的。光線在物體表面反射的角度和入射的角度，度數(shù)相同但方向相反。如果物體的表面和光源成精確的直角，那么反射光線會完整地反射回光源方向。這種鏡面反射現(xiàn)象可能會在某些漫反射物體上發(fā)生，比如被雨水或冰覆蓋的路面。

對駕駛員來說，遠距離的路燈和對面駛來的汽車前照燈形成的光線，其在被雨水或冰覆蓋的路面上形成的不是漫反射，而是鏡面反射，光線會射到駕駛員的眼睛里。圖2是光的鏡面反射原理示意圖。

光的逆反射

在有光線的條件下能否看到物體，取決于物體發(fā)射的光線和環(huán)境發(fā)射的光線的顏色對比度與光的總量對比度。光的發(fā)射是依靠熾熱(燃燒)或發(fā)光來完成，燈泡和螢火蟲就是兩個例子，物體發(fā)射出光線讓物體具備可視性。在上面提到的兩個例子中，發(fā)射光線是物體自身的光源，并且需要消耗一定的能量。

物體反射是物體自身并不發(fā)射任何光線，而是借助其他光源的光線。光線入射到一個物體上并在該物體上反射出去，也是一種光的來源，屬于被動光源，英文叫passive light source。

一個物體的反射性能，或者說該物體有多反光，取決于入射光線的強度和該物體的物質(zhì)組成。圖3是光的逆反射原理示意圖。

逆反射是指反射光線從靠近入射光線的反方向，向光源返回的反射。當入射光線在較大范圍內(nèi)變化時，仍能保持這一特性。

逆反射也被稱為反光、回射、定向反射或反向反射，概念最初來自英文，原文是Retro-reflection，也可以寫成Retroreflection。這個詞由兩部分組成，Retro的意思是向后的，Reflect 的意思是反射。Retro-reflection在這里是特指光線照射到一表面后反射回到光源方向的現(xiàn)象。

逆反射技術(shù)

逆反射技術(shù)是一門跨學科的綜合性實用技術(shù)，主要包括逆反射原理及其術(shù)語定義等基礎研究內(nèi)容和材料科學及其應用技術(shù)等應用基礎研究內(nèi)容。其建立和使用，是圍繞著光控制技術(shù)展開的，目的是通過特種手段改變光源照射后的光路徑，使其反射到需要照射的地方。涉及到的主要技術(shù)學科，包括了高等數(shù)學、光學、材料學、氣象學、人體工程學以及應用科學等領域，交通工程及交通安全是其最主要的應用領域之一。

逆反射在被照射的物體表面反射一部分入射光線回光源方向時發(fā)生。一般來說，逆反射技術(shù)使用非常微小的球體或立方角體元素(棱鏡)去完成光線折返的功能。球面反射的工作方式是:一個入射的光線從玻璃珠前面進入，在玻璃珠內(nèi)被折射后穿透玻璃珠在后面離開，再被玻璃珠后面的鏡面反射回玻璃珠，光線從玻璃珠后面再次穿透后從前面出來，返回光源的方向。而立方角體不同于球體的是它的形狀和對光線的反射線路，立方角體是具有逆反射性能的透鏡元素，每個元素有三個相互垂直的反射表面，一個入射光線會在這三個反射表面上分別鏡面反射一次以后返回到和入射光平行的方向。它的工作原理很象在房間的墻角上扔籃球后被反彈回來。圖4和圖5是球面和棱鏡兩種逆反射的原理示意圖。

利用上述光反射原理，通過人工技術(shù)的合成，就形成了可以實現(xiàn)光線逆反射效果的新型物質(zhì)--逆反射材料。將逆反射材料應用于道路交通安全或相關(guān)領域，如制成反光交通標志標線等交通安全設施、反光衣物、反光車牌等，就形成了逆反射的應用技術(shù)。

逆反射材料

具有逆反射性能的材料統(tǒng)稱為逆反射材料。通過使用逆反射材料，可讓機動車駕駛員通過機動車的前車燈光來發(fā)現(xiàn)和識別遠處帶有逆反射材料(反光材料)的人和物。

逆反射材料的發(fā)展要追溯到上世紀二十年代。善于發(fā)現(xiàn)新事物的人們，發(fā)現(xiàn)在晚上用燈光照射貓的眼睛時，貓的眼睛會發(fā)射出很強的光線，可以很清楚的看清貓的眼睛。受到貓眼的啟示，人們開始研究反光科學，以利用它反射汽車的燈光，解決交通標志夜間的視讀問題，如圖6、7、8。

逆反射材料是在暴露的表面或接近表面有一層薄的、連續(xù)的微小逆反射元素的反射層，例如反光膜、反光片、道路交通標線等。在交通行業(yè)里，逆反射材料也稱反光材料或回歸反射材料，其稱呼最初來自Retroreflective materials的英文翻譯。

逆反射材料之所以能夠反光，主要在于其中含有高折射率玻璃珠或者微棱鏡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光的球面反射或棱鏡反射。這種高折射玻璃珠或者微棱鏡，可將發(fā)射過來的光線反射回光源處，從而給駕駛員提供清晰的可見度。

值得關(guān)注的是，逆反射材料的反光層不是一種天然物質(zhì)，而是人類創(chuàng)造出的一種新型物質(zhì)。第一個根據(jù)貓眼原理生產(chǎn)出來的逆反射材料是玻璃球，其結(jié)構(gòu)和大小幾乎完全和貓眼一樣，就是一個透明的渾圓的球體，再加上一層具有光滑表面的金屬反射層。因為玻璃和金屬的材質(zhì)不同，需要制成的形狀也不同，所以一般都是分別制作，然后再組裝在一起的。當做成特定的標志牌時，需要預先制定相應的帶凹槽的模板。比如圖9、10中的"STOP"標志牌，就是先在金屬板上制作"STOP"的字符的凹槽，然后在凹槽中粘貼金屬層，再在金屬層上排列玻璃球，最后把凹槽的邊緣封起來，就制作成了一塊完整的標志牌。這種標志牌其實是一種半反射的標志牌，除了鑲有金屬層和玻璃球的凹槽部分，標志牌的其余部分是不反光的。這樣的標志牌在晚上時因為字符的背景都不反光，反而襯托出字符的高亮度。

圖9中是在美國加利福尼亞州至今仍然在使用的"古老"的交通標志牌，該標志牌的逆反射材料為玻璃珠結(jié)構(gòu)。照片9為白天視覺效果，照片右邊為夜間視覺效果。在車速不高和沒有其他光源干擾的時代，這樣的發(fā)明，解決了不少夜間視認的困難。需要注意的是，這種反光標志的依然存在和使用，并不意味著反光標志的技術(shù)到此就夠用了，而是見證著逆反射技術(shù)的起源，也體現(xiàn)了發(fā)展的持續(xù)需求。

玻璃球反光技術(shù)和在標志牌上涂覆油漆相比，是一個劃時代的進步。從這個技術(shù)開始，標志牌開始逐步實現(xiàn)了夜間的可視認效果，為汽車的應用和時代的進步，提供了不斷完善的視認保證。