相互反射

當(dāng)光線射到兩種媒質(zhì)分界面上時(shí)，一部分光線改變了傳播方向返回原來(lái)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(jiàn)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(shù)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(gè)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(shí)，如果沒(méi)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(gè)非常光滑或有光澤的表面上時(shí)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(huì)完整地反射回光源方向。這種鏡面反射現(xiàn)象可能會(huì)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(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)距離的路燈和對(duì)面駛來(lái)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(huì)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(duì)比度與光的總量對(duì)比度。光的發(fā)射是依靠熾熱(燃燒)或發(fā)光來(lái)完成，燈泡和螢火蟲就是兩個(gè)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(gè)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(gè)物體上并在該物體上反射出去，也是一種光的來(lái)源，屬于被動(dòng)光源，英文叫passive light source。

一個(gè)物體的反射性能，或者說(shuō)該物體有多反光，取決于入射光線的強(qiáng)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(dāng)入射光線在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，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(lái)自英文，原文是Retro-reflection，也可以寫成Retroreflection。這個(gè)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(xué)科的綜合性實(shí)用技術(shù)，主要包括逆反射原理及其術(shù)語(yǔ)定義等基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容和材料科學(xué)及其應(yīng)用技術(shù)等應(yīng)用基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。其建立和使用，是圍繞著光控制技術(shù)展開(kāi)的，目的是通過(guò)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(xué)科，包括了高等數(shù)學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、氣象學(xué)、人體工程學(xué)以及應(yīng)用科學(xué)等領(lǐng)域，交通工程及交通安全是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)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(shí)發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，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(gè)入射的光線從玻璃珠前面進(jìn)入，在玻璃珠內(nèi)被折射后穿透玻璃珠在后面離開(kāi)，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(lái)，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(duì)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(gè)元素有三個(gè)相互垂直的反射表面，一個(gè)入射光線會(huì)在這三個(gè)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(lái)。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(guò)人工技術(shù)的合成，就形成了可以實(shí)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(yīng)用于道路交通安全或相關(guān)領(lǐng)域，如制成反光交通標(biāo)志標(biāo)線等交通安全設(shè)施、反光衣物、反光車牌等，就形成了逆反射的應(yīng)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(guò)使用逆反射材料，可讓機(jī)動(dòng)車駕駛員通過(guò)機(jī)動(dòng)車的前車燈光來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別遠(yuǎn)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(jì)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(shí)，貓的眼睛會(huì)發(fā)射出很強(qiáng)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(kāi)始研究反光科學(xué)，以利用它反射汽車的燈光，解決交通標(biāo)志夜間的視讀問(wèn)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(biāo)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(lái)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(shí)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(guò)來(lái)的光線反射回光源處，從而給駕駛員提供清晰的可見(jiàn)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(gè)根據(jù)貓眼原理生產(chǎn)出來(lái)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(gè)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?yàn)椴ＡШ徒饘俚牟馁|(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(dāng)做成特定的標(biāo)志牌時(shí)，需要預(yù)先制定相應(yīng)的帶凹槽的模板。比如圖9、10中的"STOP"標(biāo)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(lái)，就制作成了一塊完整的標(biāo)志牌。這種標(biāo)志牌其實(shí)是一種半反射的標(biāo)志牌，除了鑲有金屬層和玻璃球的凹槽部分，標(biāo)志牌的其余部分是不反光的。這樣的標(biāo)志牌在晚上時(shí)因?yàn)樽址谋尘岸疾环垂猓炊r托出字符的高亮度。

圖9中是在美國(guó)加利福尼亞州至今仍然在使用的"古老"的交通標(biāo)志牌，該標(biāo)志牌的逆反射材料為玻璃珠結(jié)構(gòu)。照片9為白天視覺(jué)效果，照片右邊為夜間視覺(jué)效果。在車速不高和沒(méi)有其他光源干擾的時(shí)代，這樣的發(fā)明，解決了不少夜間視認(rèn)的困難。需要注意的是，這種反光標(biāo)志的依然存在和使用，并不意味著反光標(biāo)志的技術(shù)到此就夠用了，而是見(jiàn)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(biāo)志牌上涂覆油漆相比，是一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步。從這個(gè)技術(shù)開(kāi)始，標(biāo)志牌開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)了夜間的可視認(rèn)效果，為汽車的應(yīng)用和時(shí)代的進(jìn)步，提供了不斷完善的視認(rèn)保證。