逆反射

逆反射的實現(xiàn)，是一種人工新技術(shù)的實現(xiàn)過程，因此，如何測試和科學準確地定義這種技術(shù)的實現(xiàn)效果，對交通安全技術(shù)應用，具備非常重要的意義。本節(jié)主要介紹我國有關(guān)逆反射測試的技術(shù)基礎(chǔ)。

規(guī)范逆反射術(shù)語定義，是認識和發(fā)展逆反射技術(shù)的前提條件，也是逆反射測試的基礎(chǔ)工作。逆反射概念及其相關(guān)術(shù)語定義，在我國交通行業(yè)標準JT/T 688-2007《逆反射術(shù)語》中有詳細描述。主要術(shù)語定義如下:

1逆反射:反射光從接近入射光的反方向返回的一種反射。當入射光方向在較大范圍內(nèi)變化時，仍能保持這種性質(zhì)。現(xiàn)實中可通過兩種結(jié)構(gòu)方式實現(xiàn)該種反射:玻璃珠結(jié)構(gòu)和棱鏡結(jié)構(gòu)。

2逆反射材料:具備逆反射特性的材料統(tǒng)稱，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。

3逆反射體:具有逆反射性能的一種反光面或器件。具備逆反射特性的物體統(tǒng)稱，在學術(shù)研究中使用較多。

4逆反射體軸:從逆反射體中心發(fā)出的一條特定的射線。逆反射體軸通常選擇照明方向的中心線。當逆反射體為軸對稱時，逆反射體軸通常與逆反射體的對稱軸一致。對于路面標線，逆反射體軸垂直于路面。

5基準軸:從逆反射體中心發(fā)出，垂直于逆反射體軸的一條射線?；鶞瘦S與逆反射體中心、逆反射體軸給出逆反射體的位置。

6照明軸:從逆反射體中心發(fā)出的通過光源的射線。

7觀測軸:從逆反射體中心通過觀測點的射線。

8第一軸:通過逆反射體中心且垂直于觀測半平面的軸。

9第二軸:該軸通過逆反射體中心，在照明軸和觀測軸平面內(nèi)，垂直于逆反射體軸。

10入射角β:照明軸和逆反射體軸之間的夾角。入射角通常不大于90o，但考慮完整性將其規(guī)定為0o≤β≤180o。在角度計系統(tǒng)中β被分解為β1和β2兩個分量。國內(nèi)外道路交通安全測試技術(shù)相關(guān)標準中，入射角一般取4o、5o、10o、15o、20o、30、40o。

11入射角分量β1:照明軸與包含逆反射體軸和第一軸的平面之間的夾角。-180o<β1≤180o。

12入射角分量β2:觀測半平面與逆反射體軸之間的夾角。-90o≤β2≤90o。對于一些測試，擴展到-180o<β2≤180o，此時-90o<β1≤90o。

13觀測角α:照明軸與觀測軸之間的夾角。觀測角不為負值，一般小于10o，通常小于2o。全部范圍定義為0o≤α<180o。國內(nèi)外道路交通安全測試技術(shù)相關(guān)標準中，觀測角一般取0.1o、0.2o、0.33o、0.5o、1o。

14旋轉(zhuǎn)角ε:從逆反射體軸上的觀察點逆時針測量，在垂直于逆反射體軸的平面上，從觀測半平面到基準軸的夾角。-180o<ε≤180o。入射角和視角小于90o時定義是適當?shù)?。更多情況下，旋轉(zhuǎn)角是從逆反射體軸的觀察點逆時針測量，第二軸到基準軸的相反部分。

15視角ν:逆反射體軸和觀測軸之間的夾角。角度計系統(tǒng)中cosν=cos(β1-α)cosβ2。當視角接近90o時，對于路面標線，一般情況下使用視角的余角即余視角a。

16方位角ωs:位于垂直于逆反射體軸的平面內(nèi)，從光源觀察點逆時針測量，從入射半平面到基準軸之間的夾角。ωs值在-180o與180o之間。試樣圍繞逆反射體軸轉(zhuǎn)動時，當光源和接收器在空間相對固定，方位角(ωs)和旋轉(zhuǎn)角(ε)的變化是相等的。

17道路標線方位角b:從逆反射體軸的觀察點順時針測量，入射半平面與從逆反射體軸發(fā)出包含觀測軸的半平面之間的夾角。b 值在-180o與180o之間。

18道路標線方位角補角d:從逆反射體軸的觀察點順時針測量，垂直于逆反射體軸的平面上基準軸與從逆反體軸發(fā)出包含觀測軸的半平面之間的夾角。d 值在-180o與180o之間。

19顯示角γ:從光源觀察點逆時針測量，從入射半平面到觀測半平面的二面角。γ值在-180o與180o之間。

20 rho角ρ :從光源觀察點逆時針測量，觀測半平面與從照明軸發(fā)出包含基準軸的半平面之間的二面角。

在規(guī)范逆反射術(shù)語定義的基礎(chǔ)上研究逆反射測試技術(shù)，對逆反射性能進行定量分析和質(zhì)量監(jiān)控，是逆反射技術(shù)的重要內(nèi)容之一。逆反射測試系統(tǒng)主要包括如下內(nèi)容:

系統(tǒng)綜述

描述光源、接收器和樣品之間的幾何關(guān)系時，角度的組合非常重要。在任何系統(tǒng)中，通過四個角度中的任何一個都可以計算得出其它角度。逆反射描述主要有下面四個系統(tǒng):

1. {α、β1、β2、ε} CIE角度計系統(tǒng)

2. {α、β、γ、ωs} 固有系統(tǒng)

3. {α、β、ε、ωs} 應用系統(tǒng)

4. {a、b、e、d} 道路標線系統(tǒng)

其中α、β、ε、ωs、γ之間的關(guān)系見圖10。

前三個系統(tǒng)是球形的，樣品中的任何地方都可以被照明和接收。第四個系統(tǒng)是半球形的。

第一個系統(tǒng)通常用于特殊的實驗室測試;第二系統(tǒng)和第三個系統(tǒng)通常用于對大多數(shù)逆反射體性能的研究;第四個系統(tǒng)通常用于對逆反射體入射角余角性能的研究。

CIE角度計系統(tǒng)

CIE角度計系統(tǒng)是基于逆反射體的角度測量方法，相對容易建立，而且容易使實驗室間達成一致，因而被ASTM標準所推薦。

圖11中標明了CIE角度計系統(tǒng)的{α、β1、β2、ε}。這四個CIE角度在逆反射測量儀中隨三維變化而被精確測量。第一軸垂直于包含觀測軸和照明軸的平面。第二軸垂直于逆反射體軸，位于包含觀測軸和照明軸的平面內(nèi)。所有軸、角度和方向都為正值。

樣品角度計的三維運動使角度β1、β2和ε發(fā)生變化，角度的大小根據(jù)樣品的測試要求而設(shè)置，如圖12所示。樣品必須是固定的，逆反射體軸垂直于樣品表面。

無下標的入射角β容易引起歧義，在有些地方被認為是±β1，有些地方則被認為是±β2，造成不同國家實驗室目前存在兩種不同的幾何測試方法:"水平測試法"和"垂直測試法"。圖13表示的是基于"水平測試法"和"垂直測試法"的共平面幾何測試方法。這兩種不同的測試方法對于玻璃珠型逆反射體的測試結(jié)果影響較小，對棱鏡型逆反射體的測試則存在嚴重影響。所以建議在逆反射描述中，β1和β2都必須指定，即使其中一個是零也應予以明確。圖中說明了入射半平面和觀測半平面在同一平面內(nèi)的測試情況，入射角β和觀測角 都為正值。該圖沒有顯示轉(zhuǎn)動角ε。注2:在該圖中β是正值，用終止于逆反射體軸的單向箭號表示，相當于CIE系統(tǒng)中:β=β1，β2=0。

固有系統(tǒng)

固有系統(tǒng){α、β、γ、ωs }可由設(shè)定了α和γ的兩軸觀測者角度計和設(shè)置了β和ωs的兩軸樣品角度計的逆反射測量儀來表示。逆反射體測量儀可以使用一個常用的設(shè)定角度α的一軸觀測者角度計，也可以使用一個設(shè)定角度β、γ和ωs的結(jié)構(gòu)合理的三軸樣品角度計。固有系統(tǒng)的角度{α、β、γ、ωs }包含在圖14中。

棱鏡型逆反射體的表示方法完全依賴該系統(tǒng)的四個角，玻璃珠型的逆反射體則依賴于角α、β和γ。逆反射體軸是樣品角度計平面的法線，角ωs和γ是正值，接收器的轉(zhuǎn)動軌跡圍繞著照明軸，轉(zhuǎn)動角用γ表示，為了避免冗余，β的移動在方向上是受限制的。注2:固有系統(tǒng)與CIE(角度計)系統(tǒng)有關(guān)，其中的入射角β和顯示角γ，幾何上等同于一對入射角分量β1和β2。

應用系統(tǒng)

應用系統(tǒng){α、β、ε、ωs }(圖2-15)從觀測幾何條件(α、ε)中分離出了照明幾何條件(β、ωs)。轉(zhuǎn)動角ε和ωs都是根據(jù)樣品基準軸來定義的。圖16包含了應用系統(tǒng)中的角度{α、β、ε、ωs }。

該系統(tǒng)在研究各種道路應用中遇到的幾何問題時是很有用的。棱鏡型逆反射體的性能很明顯依賴于該系統(tǒng)的這四個角度。

沒有一個簡單的角度計可以表示這個角度系統(tǒng)。為了使這一系統(tǒng)得到應用，需要將角度轉(zhuǎn)換到一個更好的計算機化的逆反射測量系統(tǒng)中。角ωs和ε位于垂直于逆反射體軸的平面內(nèi)，用正值表示。注2:在這一系統(tǒng)中，當對對稱轉(zhuǎn)動的逆反射體進行測量時，需要對角ε和ωs同時進行定義，因為這些逆反射體的逆反射性能主要體現(xiàn)在不同的ωs-ε值上。注3:相似系統(tǒng){α、β、ρ、ωs }對研究光通量和衍射上是很有用的。

道路標線系統(tǒng)

道路標線系統(tǒng){a、b、e、d}(圖16)特指接近于平面的道路標線。該系統(tǒng)通常使用RM中的{a、e}兩個角度來限制。道路標線通常是在b=180，d=0的情況下測量的，嚴格地說，這四個角度都要求進行指定，特別是對于非對稱轉(zhuǎn)動的道路標線系統(tǒng)。(注:該RM系統(tǒng)和歐洲道路照明系統(tǒng)(RL)是一致的，只是用不同的角度符號來表示和定義。{a、b、e、d}是RM中的定義，{α、β、ε、δ}則是RL中的定義。RL中的角度ε在RL中被定義為90-γ。)角d和角b用正值表示，一般情況下d=0o，同時b=180o，并且a>e。在測試中，接收器位于光源的上方。

目前，逆反射效果的改善，主要是通過更合理的反光單元結(jié)構(gòu)和更新的材料技術(shù)實現(xiàn)的。在這些新材料里，有塑料棱鏡反射器，如自行車尾燈、車輛用反射片等，也有結(jié)構(gòu)復雜的各種反光膜等。逆反射材料主要采用兩種不同的技術(shù)原理實現(xiàn)光線的逆反射--玻璃珠技術(shù)和微棱鏡技術(shù)。

玻璃珠型反光材料的反光原理，主要利用了玻璃珠的玻璃珠技術(shù)和玻璃珠背面基材的金屬反射層。入射光經(jīng)玻璃珠折射后，在反射層上聚集，再從這個聚集焦點，經(jīng)過玻璃珠的第二次折射，返回光源方向。在實際應用中的玻璃珠逆反射材料除了玻璃珠和金屬反光層以外，還包括了起保護作用的透明樹脂表層膜和起安裝作用的背膠。在這項技術(shù)里，玻璃珠的大小對整個反光亮度幾乎沒有影響，但玻璃珠的化學成分，或者更具體地說材質(zhì)，會有很大的影響。這里包含有一個非常關(guān)鍵的參數(shù)就是玻璃珠的折射率，這個折射率會影響光線通過時的焦點的位置，焦點的位置必須有一個金屬反光層讓光線回到玻璃珠以后，才能實現(xiàn)光線的再次折射(角度導致其實際已經(jīng)是反射)光線回到光源而完成整個逆反射過程。圖17是大小一樣但折射率不同的球體有不同的焦點。

玻璃珠的折射率、玻璃珠的粒徑和光匯聚后形成的焦點位置(焦距)之間關(guān)系符合以下公式:

(公式1)

式中:f--匯聚光焦距即透鏡中心到焦點的距離;

r--玻璃珠半徑;

nd--玻璃珠的折射率。

由上述公式可見，玻璃珠的折射率和微珠的粒徑對焦距的影響直接影響到反光材料的反光性能。玻璃珠背面的反射層一般為玻璃珠鍍銀，或鍍鋁。逆反射之所以也稱回歸反射，就是由于逆反射入射光和反射光位于法線同側(cè)，其原理可從圖19的定向反光光路圖中看出。

當一束光Ⅰ射向玻璃珠時，在微珠表面P點發(fā)生折射，折射光在A點發(fā)生鏡面反射，然后在P′點再發(fā)生折射，返回光源。由圖19可知∠α=∠PAO(同位角)，據(jù)反射定律n·sin∠PAO=n′sin∠P′AO,而在玻璃珠內(nèi)部反射n=n′∴∠PAO=∠P′AO，由光路的可逆性n·sinα′= n′sin∠P′AO=n·sin∠PAO=n·sinα∴n·sinα′= n·sinα，即α=α′，則Ⅰ∥Ⅰ′。入射光Ⅰ平行于反射光Ⅰ′意味著一個反射單元對一平行光的反射光也將是一束平行光，而由于微珠很小，所以反射光束的光軸和入射光束的光軸幾乎重合，從而完成整個逆反射過程。這個折射率的差別使得以玻璃珠技術(shù)生產(chǎn)的反光材料分為暴露型、透鏡埋入型和密封膠囊型。

暴露型玻璃珠的最好例子，就是上面提到的仍在美國的鄉(xiāng)村使用的古董級反光標志牌、反光布、反光片和道路標線涂料。它和后面兩種類別的區(qū)別，在于它的玻璃珠上面沒有保護膜而直接和空氣接觸。光線直接經(jīng)過玻璃珠的折射聚焦后，其能量損失最少，光線受到的影響也最小，因此，其反光強度比較高。但是在特定的情況下，有些玻璃珠是沒有金屬反光層的，比如反光標線涂料，它的反光層就是白色的標線涂料。這樣的反光層不能精確地把光線反射回玻璃珠，形成有效的逆反射，所以其反光亮度很低，一般是反光衣物和反光標志牌亮度單位的千分之一。如圖19中的反光衣物與地面標線的對比效果。

反光材料的性能，除了與玻璃珠本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還取決于玻璃珠的有序排列、玻璃珠與基材的粘合度、耐侯性能和角度性能，而這些都是玻璃珠暴露型反光材料的不足之處。這種裸露型的反光材料，其反光亮度已經(jīng)無法與其他更新的反光材料相比，在很多情況下也已經(jīng)不能適應高速交通的安全要求，所以已經(jīng)逐步退出了在交通標志牌上的應用。但在其他領(lǐng)域，比如反光服裝和反光涂料上仍然在大量使用。

在暴露型玻璃珠的基礎(chǔ)上，進一步研發(fā)了透鏡埋入型的玻璃珠反光材料，它是將玻璃珠直接埋入在透明樹脂里的。由于玻璃珠的大小并不是完全一致的，玻璃珠和背后的反光層的距離也不是一致的，在光線穿過玻璃珠時，并不能保證該玻璃珠的焦點就正好落在背后的反光層上，這時就不能反射光線再次通過玻璃珠回到光源。因此該類型的逆反射亮度并不是很高。

在上述兩種逆反射技術(shù)之上，又有了密封膠囊型的玻璃珠反光材料。其反光層是直接涂在玻璃珠上的。該類型玻璃珠的折射率與前者不同，它的特點在于折射率可以控制它的焦點剛好落在它的外壁上，而外壁上正好有一個反光層，這樣的結(jié)果是保證了所有從玻璃珠折射到外壁的光線都可以返回到玻璃珠。這個特殊的折射率有一個副產(chǎn)品，就是光線只能從空氣層進入該玻璃珠時才能保證該折射率有效。所以這類產(chǎn)品的特征除了反光亮度比透鏡埋入型產(chǎn)品有更高反光亮度以外還有一個特征:在玻璃珠前面有一個空氣層。這個空氣層解決了膜結(jié)構(gòu)內(nèi)和膜結(jié)構(gòu)的溫差問題，減少了露水凝結(jié)導致的視認難題。圖21是兩者在結(jié)構(gòu)上的對比，圖22是兩者在顯微鏡下的對比。

值得關(guān)注的是，上述這些技術(shù)，都是反光材料發(fā)展前期的一些技術(shù)，其核心技術(shù)的生成與發(fā)展，主要是在20世紀40年代到70年代，此后，伴隨著密封膠囊型反光膜上的多項技術(shù)專利在1985年到期，逆反射材料的新技術(shù)研發(fā)，開始轉(zhuǎn)向新的反光材料--棱鏡型反光材料。主要原因是，從數(shù)學角度看，玻璃珠型反光材料的反射效率，由于受到玻璃珠的球體形狀的限制，有很多體積部分，是無法作為反射區(qū)的，并不是最理想的光反射控制途徑，所以反光效率并不高，反光角度也還沒有得到更好的控制，加之在生產(chǎn)過程中的能耗、廢棄物排放、VOC的排放(可揮發(fā)性有機化合物的總稱)，都比之后問世的微棱鏡反光材料高，因此，從進入21世紀后，在世界范圍內(nèi)，特別是在發(fā)達國家和地區(qū)，在交通標志用反光材料領(lǐng)域，棱鏡結(jié)構(gòu)的反光材料開始越來越獲得了普遍的應用。

微棱鏡逆反射技術(shù)

逆反射材料除了采用玻璃珠技術(shù)原理制作外，有另外一種微棱鏡型技術(shù)，其原理是:光線由棱鏡的三個面鏡面反射之后朝光源方向返回。每一個單位的微棱鏡相當于立方體的一個角，入射光線經(jīng)過微棱鏡的全反射，向光源方向反射。和玻璃珠技術(shù)的區(qū)別在于，微棱鏡技術(shù)沒有光線的折射，也沒有金屬反射層，所有的光線都從微棱鏡的三個面反射出去，這些光線反射都發(fā)生在微棱鏡和空氣的界面中，因此在微棱鏡結(jié)構(gòu)中，其棱鏡上面和下面都有一個空氣層。

根據(jù)反射效率的大小，棱鏡反射分為部分反射和全反射。全反射是一種特殊的反射現(xiàn)象，其發(fā)生必須滿足兩個條件:光線從光密介質(zhì)進入到光疏介質(zhì)，入射角大于或等于臨界角。圖22是光線從折射到全反射的變化，當n1> n2及入射角增大時，更多的光線被反射回去;當入射角增大到某一角度時(臨界角)，發(fā)生全反射。

根據(jù)臨界角的定義，可以求出光從折射率為n1的光密介質(zhì)進入折射率為n2的光疏介質(zhì)時的臨界角。設(shè)入射角為α0時，折射角為90°，如圖23所示，由折射定律可得:

所以，由上式可見，光疏介質(zhì)的折射率n2越小，光密介質(zhì)的折射率n1越大，發(fā)生全反射的臨界角越小，即越容易發(fā)生全反射。由上式計算出α0的正弦值后，查三角函數(shù)表得α0值，或從計算器上查得α0值。注意光密和光疏是相對兩種界面發(fā)生全反射的物質(zhì)而言的。一種物質(zhì)可以是某一特定界面時的光疏物質(zhì)而同時是另外一個界面的光密物質(zhì)。當光從折射率為n的某種介質(zhì)射入真空(空氣)時，臨界角計算公式為:

表1是對比空氣而言的幾種物質(zhì)的臨界角。

表1 幾種常見物質(zhì)對真空(空氣)的臨界角

在非交通安全產(chǎn)品以外應用最廣的全反射產(chǎn)品是光纖通信。光纖的結(jié)構(gòu)由中心和外皮兩種不同介質(zhì)組成，當光線從中心傳播時遇到光纖彎曲處，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，這樣就保證了光線不會泄漏到光纖外。

這種技術(shù)開始應用在交通安全產(chǎn)品上是從截角式微棱鏡開始的。所謂截角式棱鏡(英文:truncated cube)，就是指整個微棱鏡的基本結(jié)構(gòu)和立方體的一個切角的結(jié)構(gòu)是類似的。這個切角的切面和三個反射面的角度變化可以組合成幾種不同角度性能的微棱鏡結(jié)構(gòu)。把這些結(jié)構(gòu)的單元聯(lián)結(jié)排列后形成完整的平面，在這個平面的上面加保護膜，然后在下面加背膠就制造出了在道路上廣泛使用的截角棱鏡型反光膜。圖25是微棱鏡的截面圖。

由于微棱鏡反光膜里的反射單元，是根據(jù)能進行光反射的棱鏡型數(shù)學模型，由人工微復制出的，所以從理論上講，微棱鏡的結(jié)構(gòu)，是能夠根據(jù)光反射的功能需要，進行結(jié)構(gòu)調(diào)整的，其中真正的難度，在于微復制的工藝和材料科學。也因為這些特點，微棱鏡結(jié)構(gòu)的反光膜，有多種結(jié)構(gòu)形式。以下主要介紹三種結(jié)構(gòu)類型。

第一種結(jié)構(gòu)，是和普通微棱鏡的數(shù)學模式一樣的結(jié)構(gòu)，它的切面為正三角形，三個反射面為三個相互垂直的直角等邊三角形。在排列方式上是把六個切角連接成一個正六角形，整個平面排列方式是蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。使用這種結(jié)構(gòu)制作的反光膜，正面反射亮度非常高，而且沒有方向性(方向性是指同一反光膜在同樣的觀測條件下，垂直放置和平行放置時的逆反射性能不一樣)，但在大的入射角，也就是照射光線不和切面垂直時，反光亮度會有很大的衰減。如圖26所示。

第二種結(jié)構(gòu)，棱鏡三個反射面也是相互垂直的，但其切面不是正三角形而是等邊三角形。其排列方式也是連接六個微棱鏡單位成為一個六角形，但這個六角形并不是等邊的六角形。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)做出的反光膜，正面亮度比正六角形排列的反光膜要低，但在大的入射角，也就是照射光線不和切面垂直時，反光亮度不會有很大的衰減，加上本身正面亮度就不高，所以雖然它在遠距離的反光亮度一般，但在車燈近距離照射時(觀測角加大)，反光亮度比第一種結(jié)構(gòu)的要高。還有，其方向性要比第一種結(jié)構(gòu)要強。如圖26所示。

第三種結(jié)構(gòu)，是一種不同于前兩種結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)。其特殊之處在于它的基本單元不是一致的，而是由兩種不同形狀的切角排列組成，如圖27所示。

該第三種結(jié)構(gòu)，就是21世紀初形成的最新技術(shù)，叫全棱鏡逆反射技術(shù)。

全棱鏡逆反射技術(shù)形成的背景

無論是玻璃珠型還是和棱鏡型的反光材料，其實都是通過光線作用在材料結(jié)構(gòu)上的幾何體實現(xiàn)的。也就是說，這種逆反射材料的結(jié)構(gòu)，首先是以數(shù)學理論為基礎(chǔ)的。它利用幾何體對光的折射和反射，結(jié)合光波傳送時的波長和特點，找到了盡量完美的光線傳導方式，并通過材料科技加以實現(xiàn)，從而不斷地提升了不同入射角度的光線的逆反射亮度。

這種利用數(shù)學幾何模型，尋找光回復反射效率改善答案的努力，在21世紀初，達到了微棱鏡逆反射技術(shù)的新的理論高峰，并通過和微復制技術(shù)和膜技術(shù)的結(jié)合，成功地完成了全棱鏡逆反射材料的制作，

全棱鏡逆反射反光膜的數(shù)學結(jié)構(gòu)，從理論上說，可實現(xiàn)100%的逆反射效率，兼?zhèn)淞私煌酥痉垂饽に鶓摼邆涞募骖欉h距離發(fā)現(xiàn)能力和中近距離的認讀能力。用這種理論指導完成的全棱鏡逆反射材料，是完全根據(jù)交通標志的動態(tài)視認需求特點，再結(jié)合光學、人體工程學的技術(shù)，首先完成了數(shù)學結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，再通過微復制技術(shù)，制造出來的新一帶逆反射材料。它既做到了在盡量遠的距離上，保持優(yōu)越的逆反射性能，使駕駛者盡早發(fā)現(xiàn)標志，又做到了不同的車輛連同駕駛者，在進入200米左右之后的標志內(nèi)容視認距離后，也就是在觀測角快速變大，車輛迅速接近交通標志時，逆反射系數(shù)的衰減緩慢，使標志的逆反射光度，在0.2到2.0度觀測角之間始終保持了超過50%的逆反射效率，即在距離標志50到200米的范圍內(nèi)，盡量使標志處在便于識讀的穩(wěn)定亮度狀態(tài)下.

圖28是根據(jù)美國ASTM標準定義的不同級別的反光膜，在觀測角變大時，所能保持的逆反射效率曲線，其中第I、III類是玻璃珠型的反光膜，對應GB/T 18833-2012的I、III類，X、IX類是兩種截角型棱鏡反光膜，對應GB/T 18833-2012的第IV類，逆反射效率最高的，是全棱鏡型反光膜, 對應GB/T 18833-2012的第V，。

全棱鏡反光膜的目標，是要使交通安全領(lǐng)域里使用的各種逆反射材料，都能最大限度的"利用"來自于主動光源的能量，實現(xiàn)最理想的逆反射效率，從而優(yōu)化視認距離，提高視認效率，改善安全視認條件。

到目前為止，全棱鏡反光膜實際產(chǎn)品的逆反射效率是58%，它的未來發(fā)展方向大致有兩個。一個來源于材料工藝的提升以降低實際反射效率和理論的差異，這包括通過材料表面和機理的研究與提高，進一步減少光損耗，增強耐侯性，增強反光材料的韌性和貼服適應力等;另外一個是進一步加大和新材料的結(jié)合以適應不同的需求，其中一個已經(jīng)成功的例子是和耐侯性熒光材料結(jié)合而產(chǎn)生的熒光反光膜，利用熒光材料轉(zhuǎn)換不可見光為可見光的性能，革命性地提高了反光膜在黃昏和黎明時的反光亮度。

全棱鏡反光材料實現(xiàn)全反射理論的過程

全棱鏡是微棱鏡結(jié)構(gòu)中的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。在制造第一代和第二代微棱鏡時，光學的折射率和臨界角的知識已經(jīng)完善，因此，從傳統(tǒng)微棱鏡過渡到全棱鏡的并不是反射理論知識的更新，而是完全由一個新技術(shù)，即微復制技術(shù)和已有的微棱鏡技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生的對微米級結(jié)構(gòu)的切割和組合材料工藝技術(shù)。雖然微棱鏡的所有表面都有全反射功能，但從全反射到逆反射還需要一個條件，就是光線必須連續(xù)在微棱鏡單元上的三個面上各進行一次全反射。在微棱鏡的截角式結(jié)構(gòu)里并不是所有的光線照射到截角式微棱鏡以后都可以完成三次全反射，達到逆反射效果;照射到微棱鏡三個角落的光線只能完成兩次全反射，而沒有逆反射效果，圖29說明了截角微棱鏡的不反光部分。圖29右側(cè)顯示了全棱鏡的全部反光(圖中綠色部分為有效反射面積)。

突破這個瓶頸的關(guān)鍵，就是把微棱鏡中反光和不反光的部分分離、切割、最后再組合。在微棱鏡的角落部分是不反光的，而在棱鏡的中心角(頂角)位置附近是反光的，把頂角附近反光部分切割再重新組合以后的全棱鏡，可以在理論上達到100%反光。圖32是全棱鏡從微棱鏡轉(zhuǎn)變的過程。

在顯微鏡下對比傳統(tǒng)微棱鏡和全棱鏡的可以看出，微棱鏡的邊角部分和頂角部分有明顯的亮度區(qū)別，也就是說，頂角部分反光而邊角部分不反光。而全棱鏡的頂角和邊角部分沒有亮度區(qū)別，全部都是反光的。在反光單元的底部的三個角的連接部分的不反光部分已經(jīng)消失了。

這種全棱鏡反光材料的問世，對道路交通標志的視認，有著非常大的意義。受到人的肉眼視力和道路條件的限制，道路交通標志的有效識讀距離是有限的，一般在50到250米之內(nèi)是比較現(xiàn)實的一個視認距離，因此，提高標志表面材料的逆反射光控制能力，使光在關(guān)鍵距離里分布到需要的方向上，以應對在各種角度條件下的主動光源的照射和駕駛員的觀察，就能最大限度地提升光使用效率，改進標志亮度，從而優(yōu)化標志視認，改善視距。

逆反射材料亮度的概念

由于逆反射技術(shù)，是把光源照射的光線，通過被照射物體表面的材料，再返回到光源處，其反射效能不僅與反射材料的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與逆反射材料的亮度有關(guān)。因此，在了解逆反射技術(shù)的基本原理后，有必要建立關(guān)于逆反射亮度的概念。事實上，逆反射材料的亮度，是一個俗稱，更多地是人們在描述對光的感受。

不同顏色的不同物體的反光能力是不同的。特別是采用不同技術(shù)制成的反光材料，對反射"亮度"具有顯著的影響。人們?yōu)榱擞酶茖W的方法來表現(xiàn)這種差異，總結(jié)出了光度性能的逆反射系數(shù)。表2列出了不同逆反射體的逆反射系數(shù)。

表2 各類物品的逆反射系數(shù)比較

從上面簡單的數(shù)據(jù)列表里，能夠發(fā)現(xiàn)，人體在身著白衣服的情況下，其反光亮度，只有白色鉆石級反光材料的1/4000，也就是說,其被從光源附近的觀察者辨識的機會,比白色反光材料所能提供的辨識幾率,相去幾百到幾千倍,這也就是為什么，逆反射技術(shù)能夠使人們更安全，因為它可以大幅度地提高機動車駕駛的安全視距。

從上面的簡單數(shù)據(jù)舉例中，很難全面理解逆反射材料的亮度，特別是對逆反射技術(shù)的亮度的理解，還是有很大的技術(shù)距離的。鑒于逆反射技術(shù)的亮度，主要是為了提高交通標志的視認性，因此，在技術(shù)評價上，相對逆反射材料的亮度概念，事實上是一個宏觀概念，包含了兩個很重要的微觀技術(shù)指標:光度和色度。

逆反射的光度

根據(jù)交通行業(yè)標準JT/T690-2007《逆反射體光度性能測試方法》的規(guī)定，逆反射的光度性能可以用比率法、替代法、直接發(fā)光強度法和直接亮度法等四種方法來測量。因為在本書中著重討論和交通安全相關(guān)的逆反射技術(shù)，所以只使用逆反射體的光度測試方法中的逆反射系數(shù)，英文是Coefficient of Retro-reflection, 單位是cd/lx/m2，Candelas per square meter per lux ，也簡稱為CPL。在JT/T 688-2007《逆反射術(shù)語》中，對逆反射系數(shù)的定義是"發(fā)光強度系數(shù)與逆反射體的表面積之比。"用數(shù)學公式表現(xiàn)為:

式中:RA是逆反射系數(shù)，單位為每堪德拉每勒克斯每平方米(cd/lx/m2);

A是試樣表面面積，單位是平方米(m2);

I是發(fā)光強度系數(shù)，單位為坎德拉每勒克斯(cd/lx);

I是發(fā)光強度，單位為坎德拉(cd);

E┴是光照度，單位為勒克斯(lx)。

逆反射系數(shù)是用來描述光線照射到物體表面以后再反射回光源的量。這個系數(shù)簡單來說就是反射光線對應照射光線的比率。該系數(shù)在不同的入射角(例如-4°，+30°，+50°)和不同的觀測角(例如0.2°，0.5°)時分別對應車輛在相對標志牌的不同關(guān)鍵位置時逆反射性能，這些性能對應了駕駛員在不同位置和時間對標志牌的識認要求。圖33是關(guān)于逆反射系數(shù)的基本光學單位介紹。

發(fā)光強度(Luminous intensity, Candlepower)，是指從光源一個立體角(單位為sr)所放射出來的光通量，也就是光源或照明燈具所發(fā)出的光通量在空間選定方向上分布密度，單位為燭光(Candle or Candela, cd，堪德拉)。發(fā)光強度為1堪德拉的光源可放射出12.57lm(流明)的光通量?？梢院唵蔚匕?堪德拉理解成一個蠟燭產(chǎn)生的光的強度。

照度的單位是勒克司(lux，Lm/m2，勒克斯)，在距離一個發(fā)光強度為l堪德拉的光源1米處接受的照明強度，習慣稱為燭光.米。亦即距離該光源1米處，1平方米面積接受1流明光通量時的照度。

亮度(luminance, Brightness)也稱為輝度。當人眼目視某物所看到的物體，可以用兩種方式表達其亮度:一種用于較高發(fā)光值者如光源或燈具，直接以其發(fā)光強度來表示;另一種則用于本身不發(fā)光只反射光線者如交通標志牌，以亮度表示。亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發(fā)出或反射的發(fā)光強度，用以顯示被照物的明暗差異，公制單位為堪德拉/平方米(Candela/m2,cd/m2)或尼特(nit)。

逆反射系數(shù)就是反光膜接受光線以后的反射亮度，單位是每堪德拉每勒克斯每平方米(cd/lx/m2)，或者簡稱CPL。

一般意義上講，逆反射系數(shù)越高，說明逆反射材料的逆反射性能越好，由此制作的安全設(shè)施越能在更遠的地方越早被駕駛員看見。但如果從工程技術(shù)人員的角度評判逆反射材料的"亮度"，實際上是一定要帶上距離和角度值的。因為所有的逆反射材料，在不同的距離、入射角和觀測角下，都有不同的逆反射系數(shù)。概括起來講，影響逆反射系數(shù)的最關(guān)鍵因素是兩個角度:車燈、設(shè)施和駕駛員的視線形成的觀測角;車燈和設(shè)施形成的入射角。單純地評價逆反射材料的亮與不亮，更多地是人們的一種感受和印象，很難作為科學概念進行理解。不過，伴隨著國際交通界對視認問題研究的深入，近來也逐漸形成了一個共識，就是在一定條件下，逆反射性能較好的材料，即指可以兼顧遠距離發(fā)現(xiàn)需求和近距離視認需求的反光材料。

(三)逆反射的色度

道路交通安全設(shè)施中所使用的材料涉及普通材料、逆反射材料、熒光材料等，顏色主要包括表面色(晝間色)和逆反射色(夜間色)。

表面色為各種材料、設(shè)施在白天使用時的顏色，即晝間色。目前國家標準中規(guī)定的安全色和視覺信號表面色均屬于表面色。

逆反射色為具備逆反射特性的材料或設(shè)施在夜間使用時所顯現(xiàn)的顏色，即夜間色。近幾年隨著逆反射技術(shù)及其應用的發(fā)展，人們逐漸意識到夜間使用的逆反射色的重要性，開始對其進行研究和規(guī)范。

測量表面色時，采用D65光源作為照明光源。D65光源的亮度近似于白天中午左右的太陽光，照明觀測條件是45/0，觀測到的是晝間色;測量逆反射色時，采用標準A光源作為照明光源。標準A光源亮度近似于汽車前照燈，照明觀測條件是入射角0°、觀測角0.2°，觀測到的是夜間色。

D65和A光源分別代表了色溫等于6504K的日光和輻射體在2856K發(fā)出的光，簡單說就是白天中午時的陽光和夜間條件下車燈照射的光線。

為什么要同時規(guī)定兩種狀況下的顏色標準呢?因為我們?nèi)搜劭吹降念伾珜嶋H上是物體顏色和環(huán)境光線在人眼中綜合的反映，同樣物體在不同光線條件下的顏色是不一樣的。而交通安全設(shè)施要傳遞的信息是固定的，不能因為顏色的差異而引起白天和夜晚的視認性能變化過大。例如高速公路上的警告標志，在白天時的視認環(huán)境良好可以及時預告而引導交通流安全通行，但在晚上可能因為顏色的差異使得視認性能大大下降而引發(fā)交通事故，所以交通標志上的顏色變化要有嚴格的規(guī)定。圖34是GB18833-2012的兩種反光膜顏色坐標。

在交通標志上使用反光膜，在夜晚，反光膜對光線的定向反射會影響反光膜在人眼里反映的顏色。如圖35所示，禁止摩托車通行的標志牌和稍遠處的公益標志牌在白天的顏色并沒有很大差異。在夜晚，標志牌的顏色仍然是保持和白天基本一致的顏色，而公益標志牌的顏色已經(jīng)變得很灰暗了。

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(chǔ)研究內(nèi)容和材料科學及其應用技術(shù)等應用基礎(chǔ)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(lǐng)域，交通工程及交通安全是其最主要的應用領(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(lǐng)域，如制成反光交通標志標線等交通安全設(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。

測量所有類型逆反射材料的道路標志。

測量道路標線逆反射性能。