Helkurmaterjalid Retroreflective materials
Koostis
/ struktuur
Helkurmaterjalid
(retrorefleksiivmaterjalid) on struktuursed optilised materjalid, mille
elementideks on kas kolm ristuvat peegeltasapinda (kuubi sisenurk –
prismaatilised retroreflektorid) või valgust murdvad-peegeldavad mikrosfäärid.
Omadused
Peegeldavad (hajutavad kitsa nurkindikatrissiga) langenud valguse
langemissuunas tagasi. Läbipaistvad sfäärid helkurmaterjalides toimivad mikroläätsedena,
koondades langeva paralleelse kiirtekimbu sfäärikeste taha fokaaltasapinda
asetatud valgust hajutavale pinnale. Pärast hajumist ja teistkordset sfääri
läbimist levib väljunud kiirtekimp tagasi langeva kiirtekimbu sihis (vt.
vasakpoolne joonis allpool). Võib öelda, autojuht, kes vaatab sellise kattega
liiklusmärki või teemärgistust, näeb klaaskuulikeste poolt tekitatud
autolaternate kujutisi läbi neid kujutisi tekitanud mikroläätsede. Kui hajutav
tasand ei ühti mikoroläätsede-kuulikeste fokaaltasandiga ning sfäärilise
aberatsiooni tõttu (kuulike ei toimi ideaalse läätsena) toimub siiski
peegeldunud kimbu teatud nurkhajumine. Prismaatilistes retrorfelektorites (nt.
ripphelkurid) on pärast kolme peegeldumist kuubi sisenurga kolmelt tahult
väljuva kiire suund täpselt vastupidine langeva kiire suunale, kuna igal peegeldumisel
muutub vastupidiseks valguse kiiruse see komponent, mis on risti tahuga,
millelt peegeldumine toimub (alumisel parempoolsel joonisel kahemõõtmeline
skeem kahe peegeldusega).
Valguskiirte
käik klaaskuulis (vasakul) ja kuupretroreflektoris (paremal, 2D skeem).
Saamine
Erinev
sõltuvalt konstruktsioonist. Liiklusmärgistuses: värvid, mis sisaldavad
väikeseid klaaskuulikesi.
Rakendused
Liiklusohutuse tagamiseks: liiklusmärgid, teeviidad,
teepinna märgistus, ripphelkurid ja helkurribad riietusel jalakäijatele..
Näidised
E52.1. Helkurriba.
E52.2. Klaaskuulikesed retrorefleksiivseks teemärgistuseks.
E52.3. Klaaskuulikestega kaetud valge ekraan. Võrdluseks on tahvli teisel poolel mateeritud valge pind
(parempoolne pilt).
E52.4. Prismaatiline plastist helkurmaterjal.
Keskmisel fotol on punaste piirjoonetga välja toodud
üks peegeldav element. Valguse dispersiooni tõttu (murdumisnäitaja sõltuvus
lainepikkusest), mis plastides on üldiselt tugevam kui anorgaanilises klaasis,
ilmnevad taolistes helkurites ka värvusefektid (parempoolne foto).
E52.5. Ripphelkur on valmistatud
kahest prismaatilisest helkurmaterjalist plaadist (vt. E52.4), mille
retroreflekteerivad (reljeefsed) pooled on pööratud sissepoole. Meie näidisel
on helkuri üks pool võrdluseks mateeritud.
E52.6. 3M ScotchliteTM prismaatilise
retrorefleksiivse kilega ekraan.
Demod,
katsed
D52.1.
Pöörlev helkur: klipp (.avi, 56 kB). Klipi alguses on mõne hetke normaalses
toavalguses nähtav helkuri E52.5 mateeritud pool, edasi pöörleb helkur väga nõrga
valgusallika (taskulambipirn 2 m kauguselt, ühtlaselt hajuv valgus) paistel.
Pange tähele, et helkur on nähtav vaid osa ajast – see on tingitud asjaolust,
et helkur töötab vaid nende vaate-(ja valgustus-)suundade jaoks, kust on
nähtavad peegeldavate kuubiliste elementide kõik kolm tahku.
Kõrvalolev
joonis näitab, milliste valgustus-vaatesuundade (violetne nool) korral helkur
töötab. Joonise keskel on punaste joontega kujutatud reflekteeriv element
eestvaates (joonise tasand ühtib helkuri tasandiga, vrdl. E52.4). Langeva-peegeldunud kiire suuna määravad
asimutaalnurk j ja langemisnurk f (nurk langeva kiire ja helkuri pinnanormaali vahel).
Joonisel on polaarkoordinaatides esitatud helkuri tööpiirkond (keskmine valge
ala). Raadiuse osas on siin nurk f, musta ringi keskel f = 0° (langev kiir risti helkuri tasandiga) ja serval f = 90° (langev kiir paralleelne helkuri tasandiga).
Langemisnurga maksimaalne väärtus f0, mille korral helkur töötab saavutatakse keskmise valge
ala piiril, asimutaalnurkade vahemikus 300° ... 60° on selle piirjoone võrrandiks
.
f0 maksimaalne väärtus 45° saavutatakse nurkade j = 60°, 180°, 300° korral, minimaalne (26°34’) on f0 nurkade j = 0°, 120°, 240° korral. Märgime, et kui helkur pöörleb telje ümber, mis
on risti valgustus-vaatesihiga (näiteks helkur on enam-vähem samal kõrgusel autolaternatega
ja pöörleb rippudes nöör otsas), siis asimutaalnurk j ei
muutu ja muutub vaid langemisnurk f. Seega saab taolisel juhul kahepoolne helkur
olla pöörlemisel nähtav maksimaalselt
40% ajast, seda juhul kui j = 60°, 180° või 300°.
D52.2. Retrorfleksiivse pinna heledus
sõltuvalt valgustusuunast. Vasakpoolne
pilt: langeva valguse suund ühtib vaate(pildistamis-)suunaga, parempoolne pilt:
suunad on erinevad (valgusallika kaugus pinnast sama).
D52.3. Helkurpinnale lähedane
valgusallikas. Retrorefleksiivse materjali hajumise
nurkkarakteristikud ilmnevad kujukalt,
kui vaadelda distantsilt helkurekraanile lähedase valgusallika hajunud
kiirgust, nii et otsekiirgus on varjutatud.
Vasakul – helkurekraanilt E52.3 hajunud valgus, paremal võrdluseks mattpind.
Ülemistel piltidel on valgusallikas ekraanile lähemal, alumistel kaugemal.
D52.4. Retrorefleksiivne kuvamine. Asjaolu, et retrorefleksiivne peegel saadab
talle langeva valguskiire langemissuunas tagasi, saab kasutada optiliste
kujutiste formeerimiseks. Hariliku tasapeegli korral formeerub näiv kujutis
peegli taha, retropeegli korral tõeline kujutis objekti asukohta. Muidugi ei
saa sellisel juhul kujutist jälgida, küll aga on see võimalik optilises skeemis
poolläbilaskva peegli kasutamisega [2] nagu näidatud järgneval joonisel.
Objektilt (“rasvane” punane nool) lähtuvad valguskiired (peenikesed punased nooled) peegelduvad osaliselt 50% läbilaskvusega peeglilt (otse läbi minevat osa pole näidatud) ja langevad retroreflektorile, kust peegelduvad langemissuunas tagasi (kiirte käiku pärast retropeeglit näitavad peenikesed sinised nooled). Pärast 50% peegli läbimist (peegeldunud osa ei ole näidatud) koonduvad “sinised” kiired tekitades tõelise kujutise (“rasvane” sinine nool). Kui retropeegli asemel oleks tavaline peegel, kulgeksid kiired pärast peegeldumist nagu näitavad peenikesed punased punktiirnooled. Nende pikenduste lõikumisel moodustub peegli taga näiv kujutis (“rasvane ” katkendlik punane nool).
Stend retrokuvamise
demonstreerimiseks (vasakpoolne foto), kuvatav objekt (hõõglambiga
tagantvalgustatav “R”-kujuline valgust
hajutav väljalõige trafaretis – keskmine foto) ja selle “retrokujutis”
(parempoolne foto). Viimasel pildil on nähtav ka näiv (parasiit)kujutis
(vasakul – väiksem, moonutatud), mis tekib valguse peegeldumisel
helkurstruktuuri katvalt tasapinnaliselt plastkilelt. Kuna retropeeglina
kasutatav 3M ScotchliteTM
film pole sirgestatud, on see näivkujutis mõneti moonutatud. Seda kahe kujutise
erinevust demonstreerib ka klipp (.avi, 58 kB), kus retropeeglit liigutatakse ja
deformeeritakse – näiv kujutis liigub ja deformeerub samal ajal kui retropeegli
poolt tekitatud kujutis ei muutu.
Retropeegli poolt tekitatud kujutis näib hõljuvat ruumis – sama kaugel 50% peeglist kui seda on kujutist tekitav objekt. See on nähtav klipilt (.avi, 70 kB), kus kaamera sõidab kujutise eest läbi: jälgige millise kiirusega nihkuvad retrokujutus, näiv kujutis ja 50% peegli tasandis (ülal keskel) paiknev tume pabeririba. Kui objekt pole tasapinnaline (erinevalt ülalpooltoodud näitest), on ka kujutis mittetasapinnaline (ruumiline) – nagu harilikuski peeglis tekkiv näiv kujutis. Ruumilise “retrokujutise” jälgimisel ülalkirjeldatud optilises skeemis on siiski üks oluline iseärasus – me jälgime teda “seestpoolt” - st kui kujutise annab nt mingi kumer objekt, vaataksime me selle peegli poole pööratud pinda nagu seespoolt – pind näib nõgusana. Taolist efekti nimetatakse pseudoskoopiaks.
Objekti ja retropeegli vahele asetatud optiliselt mittehomogeenne (hajutav) keskkond, mis deformeeriks tugevalt või teeks suisa nähtmatuks näiva kujutise harilikus peeglis, ei avalda mõju retrokujutisele. See asjaolu tuleneb kiire käigu pööratavusest – retropeeglis peegeldunud kiir liigub läbi taolise keskkonna, mis on üldjuhul muutuva murdumisnäitajaga ja mittetasaste pindadega, tagasi täpselt tuldud teed pidi. Nii on see muidugi ideaalse retropeegli korral, reaalset on selleks vaja, et retroreflekteerivate elementide (prismad, sfäärid-mikroläätsed) mõõtmed oleksid väikesed võrreldes piirkondade mõõtmetega hajutavas keskkonnas, kus murdumisnäitaja võib lugeda konstantseks (pinna tasaseks). Retrokuvamise seda omadust demonstreerivad võrdluses ülalolevad fotod: vasakpoolne on võrdlusfoto ja parempoolsel on kiirte teele 50% peegli ja retropeegli vahele asetatud reljeefne plastplaat (Fresneli lääts), mis katab osaliselt retrokujutise ja täielikult näiva “parasiitkujutise”– jälgige, kuidas see mõjutab kujutisi.
Sama demo, kus hajutavaks
(aberreerivaks) keskkonnaks on korrpäratu reljeefiga dekoratiivklaasist plaat
(vasakpoolne fofo). Objekt (“R”-trafaret, keskmine foto) ei ole läbi taolise
aberraatori nähtav (parempoolne foto). Kui aga aberraator on asetatud
retropeegli ette, siis retrokujutis on endiselt nähtav (võrdle alumisi fotosid:
vasakul ilma aberraatorita, paremal aberraatoriga), näiv parasiitkujutis aga
kaob aberraatori vaheleasetamisel.
Viited: 1.
Silve Liibert “Helkurmaterjalide optilised karakteristikud” (bakalaureusetöö),
Tartu, 2003 [Resümee].
2. D. A. Palmer, Retroreflective materials and optical imaging, Applied Optics, 24
(1985) 1413. Abstract [08.01.05]
Tänu: Silve Liibert, Koit Mauring, Tõnis Ennet & AS Hermseal, Liina
Hints
Koostas: JK
Viimati toimetatud: 22.12.06
Taust:
Sool-geel meetodil saadud TiO2 kile, AFM: Kristjan Saal