一种可用于智能路标的逆向反光材料

来自中国和美国的工程师团队近期揭示了微尺度凹面（microscale concave interfaces, MCIs）薄膜反射不同颜色的光的机理，并将此项技术应用到了自动驾驶汽车的路标等各种显示应用中（文章见：Applied Materials Today, doi: 10.1016/j.apmt.2021.101146）。

图1 微尺度凹面停车标志在可见光下（左图）与红外光下（右图）的图像；其中红外图像由激光雷达相机拍摄

这种反射膜由聚丙烯酸酯薄层组成，其中嵌入了直径10µm的聚合物微球。工程师们在实验中使用不同类型的光和软件模拟，确定了MCIs的反射光谱。通过改变光线进入单个MCI“像素”的角度，成功制造出了同时在可见光和红外摄像机下可见的可调的彩色显示，同时可被激光雷达传感器检测到。

美国纽约州立大学布法罗分校Qiagiang Gan领导的工程师们表示，这种薄膜除了可帮助自动驾驶汽车识别交通标志，还可以应用于芯片传感器和防伪验证中。

破解颜色密码

MCIs已经应用在光学显微镜技术和镭射逆向反光胶带中，然而，发明这些应用的人并不了解凹微球产生特定颜色背后的物理机制。为了制造可调谐的MCI薄膜显示器，Gan及其同事首先需要破解MCI颜色显示机制。

实验中，研究小组用白光照射MCI薄膜，在薄膜对面的白板上观察到了反射的同心圆彩虹。研究人员利用光纤光谱仪测量了不同角度下的反射光谱。他们还测量了由蓝光、绿光、红光和红外光产生的反射光谱。

通过对光谱仪数据的数值模拟，工程师们确定：颜色产生的关键机制是由光从薄膜中所嵌微球的相反边缘出射造成的光学干涉。换句话说，光线入射到MCI薄膜的角度决定了光线出射薄膜的颜色。

可调显示

在确定了MCI着色机制后，工程师们制造了一个道路标志模型，以测试如何将此项技术用于智能反光显示。

为创建停车标志阵列的可调像素，该团队将MCI结构与介电弹性体驱动器（dielectric elastomer actuator, DEA）集成在一起。通过改变单个DEA的形状，Gan领导的团队能够控制光线进入像素的角度，从而控制MCI反射光线的颜色。最终 得到的停车标志能在白光和红外光下逆向反光，且各种角度下均可见。使用高分辨率激光雷达相机，该团队还实现了对空间信息的捕捉。

助力自动驾驶技术

Gan在研究的新闻稿中说：“目前，自动驾驶系统在识别交通标志方面仍然存在一些困难，在现实场景中尤甚。由我们的材料制作的智能交通标志，未来将帮助使用激光雷达和可视模式识别交通标志的自动驾驶系统获取更多信息，有望提高自动驾驶汽车的安全性。”

正文工程师们已分别中国和美国申请了MCI材料的专利，这项技术目前已经可供申请许可。