Светоотражающий материал с информационным полем и с управляемым углом между падающим и возвращенным светом

Светоотражающие материалы (СОМ) имеют важное значение в области визуальной информации, например, при организации дорожного движения, в рекламных целях и т. д.

Важнейшей областью применения светоотражателей, использующих покрытия с поверхностной структурой в виде микропризм, являются знаки дорожного движения, номерные знаки и всевозможные указатели, например габаритные, на автотранспортных средствах или на ограждениях, показывающих направление движения, места стоянки автотранспорта и т. д. При этом геометрическая структура поверхности светоотражателя имеет особое значение. Это вызвано тем, что при приближении автотранспортного средства к такому знаку происходит изменение соотношений между углом излучения фар и углом зрения водителя. Видимость знака зависит также от изменений силы света фар, кривизны проезжей части дороги, наличия на ней подъемов и спусков. Кроме того, следует учитывать габаритные размеры автотранспортных средств.

В настоящее время проблема изготовления дешевых гибких СОМ с информационным полем, обладающих высокими яркостью, видимостью и четкостью восприятия, функционирующих в широком диапазоне углов отражения в любых погодных условиях и используемых при изготовлении автодорожных и автомобильных светоотражающих технических средств для регулирования и обеспечения безопасности дорожного движения, встала достаточно остро.

Это связано с необходимостью обеспечения возможности максимально быстрого восприятия информации и, как следствие, быстрого реагирования на такие регулирующие и предупреждающие знаки при освещении их с углом падения света от 90° до ~0°.

Стандартные СОМ обеспечивают возвращение светового пучка только в направлении падающего света. В таком случае информацию от них принимает ограниченный круг лиц, находящийся непосредственно у источника света. Однако для обеспечения более высокой эффективности информации этого явно недостаточно. Например, при нахождении ребенка или слепого на обочине или дороге желательно, чтобы световой блик мог привлечь внимание не только водителя, но и других наблюдателей, которые могли бы оценить опасность ситуации и осуществить необходимые действия. При проведении поисковых и спасательных работ наблюдение световых бликов возможно большим количеством рассредоточенных на местности спасателей резко повысит шансы на обнаружение попавших в беду людей. Для участков дорог с крутыми, не просматриваемыми полностью поворотами, встреча с другими транспортными средствами и с пешеходами всегда опасна. В таком случае дорожные знаки с информацией о встречном транспорте, находящемся вне поля видимости, значительно снизили бы аварийность ситуаций. Это особенно важно для повышения безопасности движения за счет обеспечения возможности принятия водителем решения с бьльшим люфтом по времени.

Столь же остро стоит и проблема изготовления различных рекламных и демонстрационных средств с несколькими изображениями и надписями, демонстрируемыми на одном рекламном щите и видимыми в зависимости от угла и места наблюдения, что позволяет сделать отражаемую на них информацию более компактной и более емкой.

Необходимость решения вышеназванных задач предопределила создание СОМ с информационным полем, работоспособность которого обеспечивается управлением углами между падающим и возвращенным светом.

В ряде работ [1−13] авторами был исследован метод получения таких СОМ. Принцип действия их основан на способности остроконечных конструкций (пирамид, конусов и т. д.) и конструкций с закругленной вершиной (полуэллипсоидов, эллиптических полупараболоидов, полусфероидов, полуовалов и иных объемных конструкций) особым образом трансформировать отраженный сигнал. При этом тип трансформирования и энергетика отраженного пучка света зависят от геометрии конструкций, их расположения друг относительно друга, наличия и типа покрытий на их лицевой и тыльной стороне.

По мере развития технологии изготовления светоотражающих покрытий все большее значение приобретают тонкопленочные СОМ, использующие в своей поверхностной структуре микропризмы, микроконусы, микросфероиды, микроэллипсоиды, микроовалы и т. д. Такие тонкопленочные СОМ изготавливаются, как правило, с использованием микрорепликативной технологии. Форма и структура поверхности тонкопленочного СОМ может быть сконструирована с использованием оптических расчетных программ и выполнена с помощью компьютерного дизайна, а их работа и светотехнические параметры, описывающие отраженное световое излучение, могут быть смоделированы.

С учетом возможностей многочисленных конструктивных исполнений тонкопленочных СОМ, могут быть разработаны различные варианты, многократно расширяющие области их применения. Одной из перспективных областей являются СОМ с управляемыми углами между падающим и отраженным потоками светового излучения [1−13].

Так, при наличии только одного отраженного от СОМ пучка света информацию об объекте получают только лица, находящиеся в области прохождения отраженного пучка (как правило, это прямое отражение в направлении источника света). В этом случае решение об опасности, безопасности, внимании и т. д. принимают только этот ограниченный круг лиц (например, только водитель транспортного средства). Материалы со специальной конструкцией его поверхностных структурных элементов позволяют посылать сигналы в широком диапазоне по заданным направлениям за счет возможности управления углами между падающим и отраженным светом, обеспечивая быстрое восприятие и, как следствие, быстрое реагирование на такие сигналы при освещении их с углами падения света ~0° до 90° и надежным возвращением падающих лучей к источнику освещения.

Принципиальная конструкция тонкопленочного СОМ с управляемыми углами между падающим и отраженным потоками светового излучения на основе светоотражающих остроконечных конструкций представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная конструкция тонкопленочного СОМ на основе светоотражающих остроконечных конструкций (1 — защитный слой; 2 — зона сварки; 3 — структурные поверхностные светоотражающие элементы; 4 — основа; 5 — адгезивный слой) На основе конструкций с закругленной вершиной на рис. 2.

Наличие значков безопасности широкого диапазона углов видности у пешеходов, детей, слепых, полиции, дорожных рабочих, туристов, инвалидов и т. д. позволяет контролировать опасную ситуацию на дороге как водителям автотранспорта, так и лицам, находящимся вне проезжей части дороги.

Наличие на разыскиваемом человеке (туристе, альпинисте, ребенке и т. д.) или предмете специальных значков безопасности и элементов одежды для обнаружения объектов в широком диапазоне углов наблюдения, в том числе и в темное время суток, позволит повысить шансы при поисковых работах и заметить сигналы от знаков безопасности при освещении их с любого направления.

Рис. 2. Принципиальная конструкция тонкопленочного СОМ со светоотражающими конструкциями с закругленной вершиной (3 — тыльная поверхность; 4,6 — ответная поверхность соответствующим светоотражающим конструкциям; 7,8 — информационное поле;15 — светоотражающие конструкции; 18 — основа; 19 — поверхность основы) Дорожные знаки с таким СОМ позволяют разбивать световой пучок, падающий на них от транспортного средства, на два и более направлений: один в сторону самого водителя, другой — за поворот с информацией встречному транспорту, пешеходу на тротуар о приближающемся транспорте или о номерном знаке транспортного средства (рис. 3).

Используемые в России и странах СНГ номерные знаки транспортных средств изготавливаются в настоящее время, как правило, из металла; они дорогостоящи, а их светоотражающие свойства невысоки. Кроме того, существующие номерные и иные знаки, порой, невозможно определить, если угол между направлением освещения знака и наблюдателем достаточно велик. Изготовление номерного знака автотранспортного средства на основе тонкопленочного СОМ с управляемыми углами между падающим и отраженным потоками светового излучения [10] позволяет повысить эффективность распознавания и информативность номерного знака не менее чем на 20% за счет выделения индексных знаков как элементов, близких к абсолютно черному телу на остальном светлом и светящемся поле панели, а также за счет возможности визуализации их наблюдателем, находящимся в стороне и под значительным углом к направлению падающего излучения (рис. 4).

Рис. 3. Принципиальная схема наблюдения номерного и дорожного знака на основе тонкопленочного СОМ (1 — дорожный знак; 2 — тротуар; 3 — пешеход; 4 — транспортные средства; 5 — проезжая часть).

Рис. 4. Принципиальная схема номерного знака автотранспортного средства на основе тонкопленочного СОМ (1 — основание; 2 — панель из прозрачного полимерного материала; 3 — лицевая поверхность; 4 — выпуклые индексы; 5 — нанесенный на индексы непрозрачный темный слой; 6 — тыльная поверхность; 9 — остроконечные конструкции с вершинами, направленными от тыльной поверхности; 14 — осветительное устройство) Материалы с управляемыми углами между падающим и отраженным светом обладают высокой яркостью в широком диапазоне углов отражения в любых погодных условиях. Разбивка падающего пучка света на несколько отраженных лучей, конечно, приводит к снижению их яркости. Степень снижения яркости отраженных лучей в соответствии с ГОСТ Р50 577−93 «Знаки государственные регистрационные транспортных средств» определяется с помощью коэффициента световозвращения. Учитывая, что коэффициент световозвращения СОМ составляет 300−400кд/мІ· лк, при наличии трех-четырех отраженных пучков света их коэффициент световозвращения будет не менее 80−100 кд/мІ· лк, что удовлетворяет требованиям ГОСТ Р50 577−93.

Формирование отраженного пучка заданным образом в определенных участках позво-ляет создавать на одном информационном поле различные изображения, светящиеся отра-женным светом при различных углах наблюдения (рис. 5) [11].

Рис. 5. CОМ с изображением заданного вида (9) в зависимости от угла наблюдения

Такое информационном поле может найти применение в рекламе, когда на одном щите может быть размещена различная информация. Такие щиты могут выполняться с богатой цветовой гаммой и эффективно работать как при искусственном освещении, так и от Солнца (при его определенном расположении относительно щита и наблюдателя). Возможно и просто создание яркого светящегося поля, а установка сменной информации производится за счет прозрачных цветовых панно на поверхности СОМ. Все это позволит не только повысить эстетичность и красочность рекламных щитов, но и их информативность.

Эти же свойства позволяют использовать данный метод и для создания идентификационных меток на различных документах. Применение специальных материалов для СОМ и люминофоров позволяет этим меткам работать либо при определенной длине волны излучения регистрирующей аппаратуры, либо в поляризованном свете. Сочетание данного способа с голографией повысит их степень защиты идентификационных меток.

Актуальна также и задача по производству проекционных прозрачных и отражательных гибких экранов для небольших помещений, обеспечивающих высокое качество изображения. Целенаправленное формирование индикатрисы рассеяния от проекционного экрана позволяет изготавливать плоские гибкие экраны.

В настоящее время отработана технология и получены экспериментальные образцы СОМ с информационным полем и с управляемым углом между падающим и отраженным светом. Промышленный выпуск предлагаемых материалов может быть освоен на производствах для выпуска пленочных полимерных материалов. Стоимость их колеблется от 2 до 30 долларов США за 1 м² в зависимости от назначения, способа размещения на объекте и сложности текстуры тиснения, а также применяемых материалов.

Трансформирование отраженного излучения за счет разбивки падающего пучка на несколько лучей, отражаемых в различных направлениях позволяет.

• 1. Повысить безопасность дорожного движения, особенно в ночное время, за счет
• ? знаков безопасности и иных технических средств широким диапазоном углов наблюдения;
• ? возможности наблюдения дорожной разметки водителями и пешеходами в ночное время на значительном расстоянии;
• ? возможности наблюдения номерных знаков транспортных средств как водителями транспорта, так и прохожими и службой дорожного движения, находящимися вне проезжей части дороги;
• ? возможности обеспечения информацией о приближении встречного транспорта, который в данный момент находится вне пределов прямого наблюдения водителя, на участках дорог с крутыми поворотами.
• 2. Повысить шансы на спасение пострадавших в лесу, на сильно пересеченной местности, в горах, на море и т. д., особенно в темное время суток, за счет
• ? увеличения количества отражаемых от поисковых значков бликов и, соответственно, возможности наблюдения бьльшим количеством спасателей.
• 3. Значительно повысить информативность значков безопасности на одежде детей, слепых, туристов, дорожных рабочих, милиции, поисковых значков на спасательных средствах, дорожных, номерных знаков, дорожной разметки, рекламного щита и т. д. за счет возможности создания на одном предмете различных цветных светящихся изображений и информации.
• 4. Значительно повысить эстетическую привлекательность световых эффектов в кино, на эстраде, дискотеках и т. д. за счет возможности варьирования цветовой гаммы изображений объектов на СОМ при использовании в нем разноцветных, в том числе люминесцирующих материалов и отражающих покрытий.