Retroreflektor

Grundprinzip und Wirkung

Ein Retroreflektor, auch Rückstrahler, ist eine Vorrichtung, die einfallende elektromagnetische Wellen im sichtbaren oder unsichtbaren Spektralbereich größtenteils in die Richtung zurückreflektiert, aus der sie gekommen sind. Diese Rückstrahlung heißt Retroreflexion. Sie funktioniert weitgehend unabhängig davon, aus welcher Richtung die Wellen auf die Vorrichtung treffen und wie diese ausgerichtet ist.

Das unterscheidet Retroreflektoren von gewöhnlichen Spiegeln und diffus streuenden Oberflächen. Ein Planspiegel reflektiert nach dem Reflexionsgesetz nur bei passender Orientierung Licht zurück zum Betrachter. Diffus streuende Flächen senden zwar etwas Licht zur Quelle zurück, aber weniger gezielt. Deshalb erscheint eine trockene Fahrbahn im Licht eigener Scheinwerfer nachts meist heller als eine regennasse Fahrbahn: Die trockene Oberfläche streut diffus zurück, während die nasse Fläche spiegelnder reflektiert und das Licht häufig nicht zum Fahrer zurückschickt.

Wichtige Bauarten sind Winkelreflektoren mit drei spiegelnden Flächen, etwa Tripelspiegel und Tripelprismen, sowie linsenähnliche Reflektoren wie Katzenaugen und Lüneburg-Linsen. Retroreflektoren dienen vor allem dazu, Objekte oder Messpunkte auch bei Beleuchtung aus der Richtung eines Beobachters gut erkennbar zu machen.

Verkehr, Messung und Funktechnik

In der Funktechnik erleichtern Radarreflektoren die Ortung angestrahlter Objekte, beispielsweise von Ballonsonden oder Brückenpfeilern an Wasserstraßen. Bei Militärfahrzeugen, -schiffen und besonders -flugzeugen werden dagegen Innenecken an der Außenkontur möglichst vermieden, weil sie unerwünschte Radarreflexe verursachen können; dies ist ein Grundsatz der Stealth-Technik.

In der Vermessung dient ein Tripelprisma aus geschliffenem Glas einem Laser als Umkehrpunkt. Retroreflektoren aus Quarzglas werden bei Langpfadmessungen mit der DOAS-Technik eingesetzt, um atmosphärische Spurengase entlang eines definierten Lichtwegs nachzuweisen. Reflexlichtschranken nutzen eine retroreflektierende Folie oder einen Rückstrahler, damit der ausgesandte Strahl zum Sensor unmittelbar neben der Lichtquelle zurückkehrt. Dadurch können Sender und Empfänger in einem Gehäuse sitzen und die Justage wird einfacher.

Besonders verbreitet sind Retroreflektoren für die Verkehrssicherheit. An Fahrzeugrückseiten reflektieren sie Scheinwerferlicht nachfolgender Fahrzeuge zu deren Fahrern und verringern damit die Gefahr von Auffahrunfällen. Sie finden sich auch an Fahrrädern, Verkehrszeichen, Hindernissen, Leiteinrichtungen, Leitpfosten, Fahrbahnmarkierungen, Schulranzen, Sicherheitswesten sowie Armbändern oder Klettelementen für Fußgänger und Hunde.

Die Augen eines Fahrers liegen meist etwa 1 m vom eigenen Scheinwerfer entfernt. Daher besitzen Straßenverkehrs-Retroreflektoren eine kleine Winkelstreuung von etwa 1°: Das Licht soll nicht ausschließlich exakt in den Scheinwerfer zurückkehren, sondern auch die Augen des Fahrers erreichen. Ein zu präziser Rückstrahler könnte blenden. Teilweise entstehen bei seitlicher Beleuchtung unerwünschte, sehr helle Spiegelungen an nur zwei Flächen. Das Verdrehen von Teilmengen der Tripelspiegel kann diesen Effekt verringern.

Für Fahrbahnmarkierungen werden Glaskugeln mit d < 0,3 mm auf die noch feuchte Markierungsfarbe gestreut und teilweise eingebettet. Ihr Effekt ähnelt dem einer Lüneburg-Linse. Tautropfen oder Raureif können die Retroreflexion durch Streuung schwächen oder verhindern; auf Autobahnwegweisern können dann große dunkle Flecken sichtbar werden. Retroreflektierende Materialien sollten mit diffus reflektierenden Oberflächen kombiniert werden, damit sie auch bei Fremdlicht aus anderen Richtungen sichtbar bleiben. Leitpfosten haben deshalb neben Rückstrahlern eine weiße Oberfläche.

Nach der StVZO müssen Fahrräder in Deutschland mindestens einen roten Reflektor hinten, einen weißen vorn sowie gelbe, nach vorn und hinten wirkende Rückstrahler in den Pedalen haben. Zusätzlich sind entweder mindestens zwei gleichmäßig verteilte gelbe Speichenreflektoren je Laufrad oder retroreflektierende Reifen vorgeschrieben. In der Schweiz verlangt Art. 217 der VTS einen weißen Reflektor vorn und einen roten hinten mit jeweils mindestens 10 cm² sowie gelbe Pedalrückstrahler vorn und hinten mit mindestens 5 cm² Leuchtfläche. Gelbe Speichenreflektoren oder retroreflektierende Reifenkennzeichnung sind dort erlaubt, aber nicht verpflichtend.

Winkelreflektoren mit drei Flächen

Ein Winkelreflektor besitzt drei flache, zueinander senkrecht stehende spiegelnde Flächen wie die drei Flächen einer Würfelecke. Daher heißt diese Bauart im Englischen auch corner cube. Nach drei Reflexionen wird einfallendes Licht oder eine andere Welle wieder zur Quelle zurückgelenkt.

Tripelspiegel und Tripelprismen werden für Laserstrahlen bei LIDAR und Vermessungen eingesetzt, außerdem bei der Mondentfernungsmessung und zur genauen Positionsbestimmung von Satelliten. Radarreflektoren aus Blech arbeiten nach demselben Grundprinzip mit Mikrowellen, etwa in der Schifffahrt vor Brückenpfeilern.

Ein Tripelprisma ist vorne plan und besitzt auf der Rückseite drei unverspiegelte Flächen, die jeweils in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Es reflektiert durch Totalreflexion, also vollständige Reflexion an einer Grenzfläche, prinzipiell verlustärmer als ein Tripelspiegel. Die vordere Fläche bricht das Licht zur Symmetrieachse hin; dadurch ist der Winkelbereich, in dem Reflexion erfolgt, größer. Bei Kunststoffrückstrahlern sind viele kleine Tripelprismen auf der Rückseite angeformt. Sie funktionieren bei ausreichendem Brechungsindex ebenfalls durch Totalreflexion und sind meist hinten gegen Schmutz und Kondenswasser abgedeckt.

Beim verbreiteten Würfeleckenrückstrahler bilden viele dreiseitige Pyramiden ein flächiges Array. Es sind keine Tetraeder: Jede Pyramide entspricht einer von einem Quader abgeschnittenen Ecke; ihre drei Flächen stehen senkrecht aufeinander. Die vordere Trägerscheibe ist glatt und nur im Millimeterbereich dick. Die Spitzen der Ecken zeigen von der Lichtquelle weg nach hinten. Eine Verspiegelung ist nicht nötig, weil die hinteren Grenzflächen das einfallende Licht total reflektieren.

Bei schrägem Einfall wird Licht an der glatten Vorderseite gebrochen. Beim Austritt hebt eine gleich ausgerichtete Brechung diesen Effekt wieder auf; notwendig sind dafür eine ebene, glatte Vorderfläche und die Berücksichtigung des kleinen seitlichen Strahlversatzes im Tripelspiegel. Bei stark seitlichem Einfall kann die Totalreflexion jedoch ausbleiben. Deshalb werden Rückstrahler in unterschiedlich ausgerichtete Teilflächen geteilt oder benachbarte Pyramiden verdreht, damit zumindest ein Teil funktionsfähig bleibt.

Für Sicherheitsanwendungen wird absichtlich eine kontrollierte Streuwirkung hergestellt. Die Strahlen werden dann als enger Kegel statt exakt in die Lichtquelle zurückgeworfen, allerdings mit geringerer Helligkeit. Dies geschieht etwa durch winzige Formabweichungen der Flächen oder Beugungseffekte und verlangt sehr hohe Fertigungsgenauigkeit; Spritzguss-Werkzeuge erhalten dafür spezielle Einsätze, sogenannte Galvanos. Rückstrahler wurden früher aus Glas, heute meist aus transparentem Kunststoff wie Plexiglas gefertigt und oft rot oder gelb eingefärbt.

Polarisation und linsenähnliche Reflektoren

Tripelreflektoren drehen die Polarisation einfallender Lichtwellen um etwa 90°. Polarisation bezeichnet die Ausrichtung der Schwingung einer Lichtwelle. In Reflexionslichtschranken kann vor Sender und Empfänger je ein Polarisationsfilter angebracht werden; beide Filter sind um 90° gegeneinander gedreht. Licht, das vom Tripelreflektor kommt, passiert wegen der Polarisationdrehung den zweiten Filter. Licht, das nur an einer einzelnen spiegelnden Fläche reflektiert wurde, wird dagegen blockiert. So lassen sich spiegelnde Objekte im Bereich der Lichtschranke sicher erkennen.

Bei einem linsenähnlichen Retroreflektor liegt eine reflektierende Oberfläche im Fokus einer abbildenden Optik. Die Optik lenkt das reflektierte Licht wieder zur Lichtquelle, ohne dass die spiegelnde Fläche exakt ausgerichtet sein muss. Für ideale Retroreflexion muss ihr Abstand aber genau stimmen; außerdem begrenzen Linsenfehler die Genauigkeit. Im Straßenverkehr ist es sogar erwünscht, dass das Licht in einen Bereich nahe der Quelle statt exakt in sie zurückkehrt.

Katzenaugen sind kleine, meist bikonvexe, silberverspiegelte und schutzlackierte Glaskörper. Ihre gewölbte Vorderseite fokussiert paralleles Licht auf die gewölbte, verspiegelte Rückseite. Form und Rückseite können so ausgelegt werden, dass besonders viel Licht in die gewünschte Richtung gelenkt wird; die Herstellung ist jedoch aufwändiger. Lüneburg-Linsen sind rückseitig verspiegelte Kugeln aus transparentem Material, deren Brechungsindex nach außen abnimmt. Als Radarreflektoren ist ihre Verspiegelung gürtelförmig, damit Retroreflexion aus allen horizontalen Richtungen erfolgt.

Reflektorfolien und retroreflektive Bildwände bestehen optisch aus vielen kleinen transparenten Kugeln aus Glas oder Kunststoff. Sie fokussieren Licht einer weit entfernten Quelle kurz hinter die hintere Oberfläche. Wegen des Brechungsindexunterschieds zur Luft wirkt diese Oberfläche spiegelnd und lenkt Licht in einen schmalen Kegel um die Richtung der Lichtquelle zurück. So erreicht bei Bildwänden viel Projektorlicht die Zuschauer, bei Verkehrsschildern viel Scheinwerferlicht die Fahrer.

Auch die Augen besonders nachtaktiver Tiere wie Katzen reflektieren Licht, weil hinter ihrer Netzhaut das Tapetum lucidum liegt. Nebeltröpfchen bewirken ebenfalls Retroreflexion, die jedoch unerwünscht ist; Nebelscheinwerfer sollen daher möglichst weit von der Blickrichtung entfernt angeordnet sein. In der Natur ist Retroreflexion auch an betauten, stark behaarten Pflanzen sowie an Gras- und Getreidehalmen sichtbar. Bei stark hydrophoben Blättern kann ein Kontaktwinkel am Tautropfen von 140° auftreten; Alistair B. Fraser beobachtete dies an Nadelbäumen und nannte es sylvanshine.

Beispiel Mondentfernung

Lunar Laser Ranging-Reflektoren auf dem Mond ermöglichen bis heute eine auf wenige Zentimeter genaue Messung der Entfernung zwischen Erde und Mond. Die NASA stellte bei Apollo 11 1969 im Mare Tranquillitatis, bei Apollo 14 nördlich des Kraters Fra Mauro und bei Apollo 15 1971 an der Hadley-Rille solche Reflektoren auf. Weitere zwei wurden 1970 durch die unbemannte sowjetische Mission Lunochod 1 und 1973 durch Lunochod 2 aufgestellt.

Für die Prismen wurde hochtemperaturfestes Quarzglas mit besonders niedrigem Brechungsindex verwendet. Die Entwicklung des Glases und die Prismenherstellung erfolgten bei Heraeus in Hanau, unter anderem durch die Ingenieure Heinrich Mohn und Peter Hitzschke.