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CN108415109A - 一种光学回反射器及反射器阵列 - Google Patents

一种光学回反射器及反射器阵列 Download PDF

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CN108415109A CN201810089252.4A CN201810089252A CN108415109A CN 108415109 A CN108415109 A CN 108415109A CN 201810089252 A CN201810089252 A CN 201810089252A CN 108415109 A CN108415109 A CN 108415109A
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    • G02B5/12—Reflex reflectors
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Abstract

本发明公开了一种光学回反射器及反射器阵列，由各向异性介质组成，其形状可以根据需要进行调整。所采用的各向异性介质具有一个主轴方向，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率趋向于零。器件的入射面和出射面都是平面，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性介质相连接。只要入射面和出射面上的点分布满足180度角度的反转关系，该器件即可实现光学回反射器的效果，即以一定角度入射到该器件上的光波将按照原先相反的方向反射回去。

Description

一种光学回反射器及反射器阵列
技术领域
本发明属于光学回反射器。
背景技术
回反射(逆反射)是指反射光线是按照和入射光完全相反的方向传播的现象。光学回反射器在光学测量，警示标志，公路交通安全产品(如用于制作交通标志的反光膜)和个人交通安全产品(如交警、保洁工人等穿着的反光背心)等诸多领域都有重要的应用。传统的光学回反射器主要是基于几何光学的方法设计的，其主要可以分为角锥棱镜回反射器【1，2】和猫眼回反射器两类【3，4】。车辆上的回反射器，是借助于角棱镜阵列组成的，其可以将入射的光反方向回射，进而起到警示的作用。在角棱镜阵列中，每一个反光单元是由三个互相垂直的面构成凹型角锥棱镜。当人射光垂直于反射单元时，反射光最强(效率最高)，改变入射光角度，反光面积减小，反光强度减弱。其有效的工作角度只能从-45度到+45度。另外一种猫眼反射器是受到了猫的眼睛在夜间被光线照射时，会产生很强的反光的启发。目前这种猫眼式的回反射器主要是借助于玻璃珠阵列实现的。为了可以在物体表面有效地固定和保护玻璃珠阵列，其周围都填充了很多其他涂层，这使得这种猫眼式的回反射器的效率及有效工作角度也不是很理想。
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发明内容
1.本发明的目的。
为了解决现有光学回反射技术有效工作角度受限，以及效率受限进而提出了一种借助于高度各向异性介质实现的高效率的宽工作角度的回反射器及反射器阵列。
2.本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种光学回反射器，由各向异性介质组成，所采用的每个各向异性介质具有一个主轴方向，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率非常大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率趋向于零，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性介质相连接，入射面和出射面都是平面，入射面和出射面上的点一一对应，分布满足180度角度的反转关系，即以一定角度入射到该器件上的光波将按照原先相反的方向反射回去。
更进一步具体实施方式，由两个等腰直角三角形各向异性介质相对称设置，第一各向异性介质的主轴方向相对于底边为+45度，第二区域各向异性介质为的主轴方向相对于底边为-45度，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
更进一步具体实施方式，两个各向异性介质分别为四分之一圆形结构，两个各向异性介质一边紧邻设置组成半圆形结构，两个各向异性介质的主轴方向是沿着半圆的切向方向，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
更进一步具体实施方式，两个直角三角形以及一个等腰三角形各向异性介质构成扁矩形结构反射器，两个直角三角形区域中的各向异性介质主轴方向沿着y方向，等腰三角形高度各向异性介质的主轴方向沿着x方向，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
更进一步具体实施方式，入射光入射角度相对于等腰三角形的中心线为-80度到+80度。
本发明提出一种光学回反射器阵列，使用所述的光学回反射器，按照需求设计主轴方向进行阵列组合，构成紧凑型大面积的回反射阵列。
更进一步具体实施方式，使用等腰三角形的光学回反射器背靠背组成一个正方形进行360度的回反射。
3.本发明的有益效果。
(1)本发明器件的有效工作角度范围非常大从-80度到+80度都可以有效工作。甚至还可以进一步扩展为全空间360度的工作角度
(2)本发明器件的效率非常高。当入射光入射角从-60度到+60度入射到器件的工作面上时，该器件都可以实现高于70％的回反射效率。即使入射角度从-80度到-60度(或者+60度到+80度)回反射效率都可以高于50％。
(3)本发明器件的形状可以设计成任意的，比如可以设计的非常薄。
附图说明
图1为本发明的实施例1结构图。
图2为本发明的实施例2结构图。
图3为本发明的实施例3结构图。
图4为本发明实施例1的入射角度改变关系图。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例1
本发明所采用的光学回反射器，由各向异性介质组成。这里使用的各向异性介质存在一个主轴方向，沿着主轴方向上介质的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上介质的介电常数和磁导率趋向于零。器件的入射面和出射面都是平面，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性介质相连接。只要入射面和出射面上的点分布满足180度角度的反转关系，该器件即可实现光学回反射器的效果。器件以外的其他区域都是空气，可以在正常环境下使用，适用范围广。外界光线或者光波照射到器件的工作面上后，即可在宽角度范围内(-80度到+80度)实现高效率逆向反射。
如图1所示(二维截面图)，本发明提出的一种光学回反射器，由等腰直角三角形的两个各向异性介质一边紧邻设置组成的该结构由各向异性介质组成(1-1)和(1-2)的等腰直角三角形。这里使用的各向异性介质存在一个主轴方向，沿着主轴方向上介质的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上介质的介电常数和磁导率趋向于零。区域(1-1)中的各向异性介质主轴方向沿着+45度(相对于水平x轴)，区域(1-2)中的各向异性介质的主轴方向是沿着-45度(相对于水平x轴)。其他的区域都是空气。器件的工作面为S1和S2。
本发明提出的光学回反射器，当入射光入射角从-60度到+60度(相对于y轴)入射到器件的工作面上时，该器件都可以实现高于70％的回反射效率。即使入射角度从-80度到-60度(或者+60度到+80度)回反射效率都可以高于50％。器件的入射面和出射面都是平面，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性介质相连接。只要入射面和出射面上的点分布满足180度角度的反转关系，该器件即可实现光学回反射器的效果，器件的形状不限于图中所示的等腰直角三角形。
S1和S2是器件的工作表面(是两个对接的平面)。S1和S2之间由具有主轴的高度各向异性介质(1-1)和(1-2)连接。这种高度各向异性介质，沿着主轴方向上介质的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上介质的介电常数和磁导率趋向于零。介质(1-1)的主轴方向沿+45度(相对于x轴)，而介质(1-2)的主轴方向是沿着-45度(相对于x轴)。注意这里介质恰好都是等腰直角三角形，但是实际设计时其形状可以灵活调整(此时主轴方向的分布也会有所变化)。这种具有主轴方向的高度各向异性介质(1-1)和(1-2)就相当于具有定向导向性的“波导”，将表面S1和S2上的点建立了一一对应的关系。而通过图1排布的主轴方向的各向异性介质，表面S1和S2上的点分布恰好满足180度角度的反转对应关系。此时，整个器件对于入射到工作面上的光即可产生回反射的效果。
图1对应的器件的回反射效率随着入射角度的改变的关系如图4所示。注意器件本身是沿着y轴对称的。因此，我们在分析效率时只画出了入射角度从0度到+80度的情况。另外，给出一种可以进一步扩展器件有效工作角度范围的方法，就是将图1中4个等腰直角三角形的器件背靠背组成一个正方形，其可以实现全空间360度的有效回反射。
这里给出一种实现这种高度各向异性介质的方案(具体实现方案不限于此)：图1中(1-1)的主轴沿着+45度(相对于x轴)的各向异性介质可以由，沿着+45度方向的金属板子和零折射率材料交错排列实现；图1中(1-2)的主轴沿着-45度(相对于x轴)的各向异性介质可以由，沿着-45度方向的金属板子和零折射率材料交错排列实现。注意金属板子和零折射率组成的单元尺寸要求在工作波长的十分之一左右。这种结构是针对于TM偏振波设计的。
实施例2
本发明提出的光学回反射器，连接S1和S2之间的高度各向异性介质的分布完全可以按照其他方式，实现回反射的关键在于将表面S1和S2上的点分布满足180度角度的反转对应关系。需要指出的是，只要满足S1和S2面上的点分布恰好满足180度角度的反转对应关系即可实现回反射器，具体回反射器的形状并不一定只是图1给出的等腰直角三角形的形状。
如图2中的半圆形结构的光学回反射器，此时高度各向异性介质(由2-1标出)的主轴方向是沿着半圆的切向方向。
实施例3
如图3中的扁矩形结构光学回反射器也可以实现同样的回反射效果。此时3-1,3-2区域中的高度各向异性介质主轴方向沿着y方向，而3-3区域中高度各向异性介质的主轴方向沿着x方向。
实施例4
上述实施例1-3任一所述的光学回反射器都可以排成阵列结构使用，构成光学回反射阵列，进而实现紧凑型大面积的回反射效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (7)

1.一种光学回反射器，其特征在于：由各向异性介质组成，所采用的每个各向异性介质具有一个主轴方向，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率非常大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率趋向于零，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性介质相连接，入射面和出射面都是平面，入射面和出射面上的点一一对应，分布满足180度角度的反转关系，即以一定角度入射到该器件上的光波将按照原先相反的方向反射回去。
2.根据权利要求1所述的光学回反射器，其特征在于：由两个等腰直角三角形各向异性介质(1-1，1-2)相对称设置，第一各向异性介质(1-1)的主轴方向相对于底边为+45度，第二区域各向异性介质为(1-2)的主轴方向相对于底边为-45度，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
3.根据权利要求1所述的光学回反射器，其特征在于：两个各向异性介质(2-1，2-2)分别为四分之一圆形结构，两个各向异性介质一边紧邻设置组成半圆形结构，两个各向异性介质的主轴方向是沿着半圆的切向方向，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
4.根据权利要求1所述的光学回反射器，其特征在于：两个直角三角形以及一个等腰三角形各向异性介质构成扁矩形结构反射器，两个直角三角形区域中的各向异性介质主轴方向沿着y方向，等腰三角形高度各向异性介质的主轴方向沿着x方向，器件的工作面为两个各向异性介质组成的底边，第一区域各向异性介质底边上的点与第二区域各向异性介质底边上的点满足180度角度的反转对应关系。
5.根据权利要求1所述的光学回反射器，其特征在于：入射光入射角度相对于等腰三角形的中心线为-80度到+80度。
6.一种光学回反射器阵列，其特征在于：使用权利要求1任一所述的光学回反射器，按照需求设计主轴方向进行阵列组合，构成紧凑型大面积的回反射阵列。
7.根据权利要求6所述的光学回反射器阵列，其特征在于：使用权利要求2所述的光学回反射器背靠背组成一个正方形进行360度的回反射。
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