再帰反射板はどのようにして夜間の優れた視力を実現するのでしょうか?

暗くて嵐の夜でした。

(私はいつもこのセリフから始めたいと思っていました。)

仕事から帰宅途中、車を運転していました。雨はようやく止みましたが、道路は濡れて光っていて、路面に描かれた車線マーカーが見えにくくなっています。ヘッドライトを点灯しても状況は悪化するばかりのようでした。しかし、別の道に曲がると、状況は一変しました。まるで電池式のライトが道を照らしているかのように、道路の白線がはっきりと見えました。しかし、その光は実際には、わずかに盛り上がったマーカー「再帰反射器」から発せられていたのです。これは光学装置で、装置の向きに関わらず、常に光を元の方向に反射します。

これらは夜間の移動にどのように役立つのでしょうか？まずは基本から始めましょう。

どのように見えますか?

周りを見渡すと、2種類の物体が目に入ります。1つ目は、白熱電球、ろうそくの炎、テレビ画面のように、自ら光を発する物体です。もう1つは、自ら光を発しない物体です。光は物体に反射します。机の上の鉛筆を想像してみてください。デスクランプが点灯していれば、鉛筆はランプからの光を反射しているので見えます。ランプが消えていれば、鉛筆は見えません。

しかし、物体が光沢があるかどうかは、暗い場所での見やすさにも影響します。光線が鏡のような非常に光沢のある物体に当たると、非常に特殊な反射をします。

ここに、平面の鏡に向けられた2つのレーザー（緑と赤）があります。2つの異なる色を使って、2つの異なる光の軌跡を表現しています。この2つの色には、見た目がかっこいいという以外、特に特別な点はありません。

どちらの場合も、光は鏡に当たる角度と反射する角度が同じですが、向きは逆です。（どちらの角度も鏡に垂直な線から測ったものです。）物理学者は「入射角は反射角に等しい」と言います。これを視覚的に理解しやすい図を以下に示します。

この図では、θ _iは入射角、θ _rは反射角です。これを「反射の法則」と呼びます。

（レーザーについて：ほとんどの場合、レーザービームを単体で見ることはできません。ビームを見る唯一の方法は、ビームの進路上にある何かが光を反射することです。上の画像では、エアロゾルスプレー缶を使って、ビームの進路に微粒子を噴射しています。すると、レーザーがこれらの微粒子に反射して見えるようになります。）

鏡とは異なり、光沢のない物体は「鏡面反射」と呼ばれる現象を起こします。物体が光沢がない場合、光線の異なる部分が表面の異なる部分に当たり、様々な方向に反射します。鏡の前に紙カードを置くと、次のようなことが起こります。

レーザー光が一方向だけでなく、あらゆる方向に反射することに注目してください。確かに紙は滑らかに見え、指で触っても滑らかですが、光がすべて同じように反射するほど滑らかではありません。実際、光は散乱しすぎて赤色のレーザーはほとんど見えません。（カメラは緑色をよりよく捉え、緑色の方が少し明るいのです。）

晴れた夜に乾いた道路を運転している場合、車線はこのように見えます。車線は完全に滑らかでも光沢もないため、光が散乱します。車のヘッドライトの光の一部が塗装された車線に当たり、反射してドライバーに返ってくるのです。

でも、濡れた道路はどうでしょう？路面の水で光っているので、ヘッドライトの光のほとんどは路面に反射して車から遠ざかってしまいます。まるでレーザー光線が平面ミラーに反射して戻ってくるのと同じです。（入射角と反射角は同じです。）つまり、ドライバーに反射する光はほとんどなく、真っ暗で道路の端がどこなのかも分からなくなってしまうのです。

濡れた道路と乾いた道路の違いを示す図です。

いくつか注意点があります。図では、ヘッドライトをつけた車の代わりに、懐中電灯を持った人間を描きました。（基本的に同じことだと皆さんは同意するでしょう？）乾いた道路には、光が反射する様々な方法をすべて描いたのではなく、ランダムにいくつかの光線を描きました。重要なのは、これらの光線の1つが人間に戻り、道路が見えるようになることです。ただし、反射光の総量は、入射光、つまり物体に向かう光の量を超えることはできないことに注意してください。このことを示すために、より明るい色の反射光線を描きました。言い換えれば、視聴者に反射して戻ってくる光は、光源から最初に放射された光の量よりも常に暗いということです。

濡れた路面では、懐中電灯の光はすべて反射してしまいます。もし道路の反対側から車が近づいてきたら、この光はまぶしく感じられます。そのため、雨天時の運転では、他の車の存在によって視界がさらに悪くなることがあります。

反射板

反射材は車線マーカーだけでなく、交通標識や自転車の安全装備にも使用され、ドライバーの視認性を高めます。

再帰反射板は、乾いた道路のように光をあらゆる方向に反射するわけではなく、平面鏡のように光を光源から遠ざけるわけでもありません。その代わりに、再帰反射板は光を光源へと戻します。確かに、入射角0度の鏡に光を当てれば、つまり鏡に向かってまっすぐに光を当てれば、光は光源へとまっすぐ戻ってきます。しかし、再帰反射板があれば、光がどの方向から来たとしても、光源へと戻ってきます。

運転中、あなたの視線はヘッドライトの照射面からそれほど離れていない平面にあります。つまり、ヘッドライトから車線に反射した光があなたの視線の高さに戻ってくるため、これらのリフレクターが明るく見えるのです。これは良いことです。なぜなら、運転中に道路から外れないようにしてくれるからです。

しかし、道路脇にいて車が通り過ぎた場合、車線マーカーはそれほど明るく見えません。車のヘッドライトの光が横に反射して目に入らないからです。

道路の写真を2枚ご紹介します。上の写真には線が描かれており、下の写真は反射板が張られています。違いに気づきましたか？

反射板の作り方

再帰反射板には様々な設計がありますが、ここでは最もシンプルな2つの方法をご紹介します。1つ目の方法は、直角に連結された3枚の平面鏡（大きさは自由に決められます）を使用します。これらの鏡は箱の角を形成します。光線がこの再帰反射板に入ると、複数回の反射を繰り返し、鏡の間を跳ね返って、最終的に入ってきた方向に戻ってきます。

赤と緑のレーザーを使った様子です。2つのレーザーを異なる角度で照射することで、それぞれの光線が入射時と同じ方向に戻ってくるのが分かります。

小さな鏡が3枚あれば、自分で作るのもそれほど難しくありません。暗い部屋に鏡を置き、懐中電灯を頭の近くに持っていきます。すると、部屋のどこにいても光が反射して戻ってきます。これは単なる科学ではなく、芸術なのです。

再帰反射板を作る方法は他にもあります。透明な球体（ガラスなど）の片面に鏡を貼り付ける方法です。しかし、以下のレーザーデモでは、写真を撮りやすいように球体ではなくガラス製の円筒を使用します。この場合、ガラス容器にはコーンシロップが入っています。なぜシロップなのでしょうか？コーンシロップの光学特性（屈折率）はガラスに非常に近いため、円筒にシロップを入れると、中空の管ではなく、固体ガラスのように振る舞います。また、円筒の裏側には光沢のあるアルミホイルを貼りました。レーザーを照射すると、こんな感じになります。

（緑色のレーザーでは多少の散乱がありますが、これはアルミホイルのせいです。基本的な考え方は伝わると思います。）

その他の実在する反射板

球面ベースの再帰反射板の日常的な例として、自転車のペダルの裏側が挙げられます。

再帰反射板に小さな球体が付いているのが見えます。これにより、ペダルが光り輝き、通り過ぎる車にドライバーが自転車にスペースを空けるように促します。

小さな球状のビーズを作って布地に埋め込み、視認性を高めることもできます。ランニングシューズやジャケットのストライプには、この種類の素材がよく使われています。

裏側に光沢のある素材が付いたガラス球によく似たものが他に何かご存知ですか？犬、猫、アライグマ、森の中のモンスターなど、動物の目です。これらの動物にライトを当てると、彼らがあなたをまっすぐ見つめていると光が反射し、暗闇の中で目が光っているように見えます。

(心配しないでください。これらはただの家族の犬 2 匹であり、モンスターではありません。)

懐中電灯を使う必要はありません。キャンプファイヤーのそばで寝ているところを想像してみてください。火から目を離して暗い森の中を覗くと、動物の目が光っているのが見えます。背後の火が懐中電灯のような役割を果たしているのです。動物の目が反射材で反射するという現象は、火が発明されて以来、人類が経験してきたものです。もしかしたら、漫画で真っ暗闇のシーンに不気味に光る目がよく登場するのは、そのためかもしれませんね。

そしてついに、NASAは再帰反射鏡を開発し、月面に設置しました。ぜひご覧ください。NASAの反射鏡には、先ほどの3枚の鏡の例と同じように、小さな立方体の鏡がいくつも内蔵されています。NASAはこれを使って、レーザー光線を月に照射し、地球と地球の衛星間の距離を測定します。そして、光が月まで往復するのにかかる時間を測定し、既知の光速値を使って距離を計算します。

しかし、彼らは再帰反射器を使用する必要があります。通常の鏡だけを使用した場合、地球上の受信機は反射ビームを検出するために非常に特定の位置に設置する必要があります。この検出器の位置は、月の動きや鏡の角度の変化に応じて変化する必要があります。実際、反射ビームを感知するためには、この検出器を宇宙に設置する必要がある可能性もあります。

つまり、技術的には、懐中電灯で月を照らすと、その光の一部は反射板に当たり、約 240,000 マイル離れていても、あなたに跳ね返ってくるのです。

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