基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其具有新型微立方角錐反光材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由許多基片組裝而成。首先在基片一側(cè)表面上加工出一列均勻等距、沿厚度方向排列、角度為90°的楔形槽，然后在與楔形槽相垂直的方向加工一楔形斜面，將一疊這樣的基片按相同方向順序排列，所有基片均向一個方向側(cè)傾相同的角度，所有基片位于同樣的水平高度，基片頂部的三維立方角錐結(jié)構(gòu)延伸到二維水平面上，構(gòu)成周期性陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)組成了加工制作鉆石級反光材料的母模。
【專利說明】基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型鉆石級反光膜結(jié)構(gòu)，具體涉及一種制備逆反射反光材料用立方角錐陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該改進(jìn)型鉆石級反光膜結(jié)構(gòu)具有反光效率高，加工工藝簡單、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)，屬于反光材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]回歸反射亦稱逆反射，它是一種特殊的反射現(xiàn)象:不管光沿什么方向入射，產(chǎn)生的反射光始終逆著入射光路傳播。這種反射現(xiàn)象明顯不同于普通的漫反射或鏡面反射。回歸反射的特性被廣泛應(yīng)用于通訊、遙感遙測、攝影、舞臺布景等領(lǐng)域，尤其廣泛用于制作各種警示標(biāo)志，如道路上的危險(xiǎn)警告標(biāo)志、交通控制標(biāo)志、導(dǎo)航標(biāo)志、廣告牌、車牌、各種職業(yè)制服上的警示標(biāo)志等等。
[0003]利用回歸反射特性制作的各種反光標(biāo)牌在使用過程中充分利用了車輛本身的光照，無能耗，清潔環(huán)保，是一種值得大力提倡的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。
[0004]衡量回歸反射特性的最重要的指標(biāo)參數(shù)是回歸反射率或回歸反射系數(shù)。前者的定義是:回歸反射光能量與入射光能量的比率；后者的定義是:單位光照條件下在單位反光面積上產(chǎn)生的亮度，其量綱單位為Cd.If1.πΓ2?；貧w反射率或回歸反射系數(shù)越大，則反光標(biāo)牌的可視距離越遠(yuǎn)。與普通光學(xué)材料相比，在同等條件下回歸反射的光能利用率可增大成百上千倍。
[0005]普通光學(xué)材料具備常見的漫反射或鏡面反射特性，任何天然材料本身都不具備回歸反射的特性，需要靠人工設(shè)計(jì)制作才能使材料具備回歸反射特性。
[0006]目前存在的回歸反射材料有兩種不同的結(jié)構(gòu)類型:微球陣列結(jié)構(gòu)和微立方角錐陣列結(jié)構(gòu)。
[0007]微球陣列結(jié)構(gòu)的反光材料中將許多玻璃微珠均勻緊密地排列在粘合層中，微球的一部分嵌入到粘合層內(nèi)，通過光在空氣中和玻璃微珠內(nèi)的多次折射、反射達(dá)到逆反射的效果。微珠型反光材料具有寬的入射角和觀察角，但是受反光機(jī)制的制約，其回歸反射率普遍較低，適合制作中低等級的反光膜。
[0008]微立方角錐陣列結(jié)構(gòu)的反光膜主要由一層薄的透明層和背面帶有微立方角錐結(jié)構(gòu)的反光層構(gòu)成。每個立方角錐結(jié)構(gòu)單元由三個面構(gòu)成，這三個面彼此兩兩相互垂直。當(dāng)光線從透明層一側(cè)入射到角錐結(jié)構(gòu)的一個面上，經(jīng)該面反射后傳向第二面，經(jīng)第二面再次反射后傳向第三面。可以證明，依次經(jīng)過三個面反射后光線的傳播方向一定與當(dāng)初的入射方向互逆，即實(shí)現(xiàn)了逆反射。為了提高逆反射效率，往往選用折射率盡可能大的透明樹脂作為基體材料，如聚碳酸酯(Polycarbonate,PC,折射率η = 1.59),這種材料具有較大的全反射臨界角。在實(shí)現(xiàn)逆反射的過程中，光在立方角錐結(jié)構(gòu)單元三個工作面的反射主要為全反射，光能量損失較小。因此，與微球陣列結(jié)構(gòu)反光材料相比，微立方角錐陣列結(jié)構(gòu)反光膜的逆反射效率具有本質(zhì)優(yōu)勢，行業(yè)上將這種結(jié)構(gòu)的反光材料稱為鉆石級反光膜。
[0009]有兩種基本結(jié)構(gòu)可以用來制作鉆石級反光膜:截角立方角錐(truncated cubecorner)和完整立方角維(full cube corner, preferred geometry (PG) cube corner)。前者的三個面均是等腰直角三角形，而完整立方角錐的三個面均為正方形。
[0010]有兩方面因素會對鉆石級反光膜的回歸反射效率產(chǎn)生影響:(I)入射光必須依次被立方角錐結(jié)構(gòu)單元的三個工作面反射，才會變成逆反射光線。換言之，那些沒有依次被立方角錐結(jié)構(gòu)單元的三個工作面反射而提前出射到其它方向的光線，將造成光能量的損失。
(2)隨光線相對于反光膜的入射方向不同，尤其是入射角變大時，光線被角錐單元三個工作面反射過程中全反射條件可能不再滿足，此時不可避免的要產(chǎn)生折射光，光線從反光膜背面逃逸而造成折射損失。
[0011]上述兩方面的損耗機(jī)制同時存在，且隨光線相對于反光膜的入射角變大而逐漸增強(qiáng)，結(jié)果使得逆反射率隨入射角增大而逐漸單調(diào)減小。當(dāng)入射角增大到一定值后回歸反射率減小到低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，使反光膜失去應(yīng)用性。將反射率受入射角影響的特性稱為廣角性(Entrance angularity)。在入射角一定的前提下，以反光膜法線方向?yàn)檩S線讓其繞軸旋轉(zhuǎn)，將改變?nèi)肷涔獾姆轿唤?入射光在反光膜膜面內(nèi)的投影矢量與膜面內(nèi)某一固定參考方向之間的夾角)。隨著方位角的不同，上述兩方面的損耗機(jī)制也會發(fā)生定量變化，結(jié)果使得鉆石級反光膜的回歸反射特性不僅要受入射角影響，還要受入射方位角的影響，將這種特性稱之為各向異性(Rotat1n angle characteristic) ?
[0012]從行業(yè)應(yīng)用的需求來看，總是希望反光膜具有最大的廣角性及最小的各向異性。反光膜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來最大限度提高反光膜的廣角性，減小或改善其各向異性。
[0013]在回歸反射特性上，完整立方角錐與截角立方角錐是有差異的，尤其是在小角度入射范圍，完整立方角錐的回歸反射效率明顯高于截角角錐。在近垂直入射的方向上，前者的回歸反射率接近90%，而后者只有60%。因此，從提高反光膜回歸反射系數(shù)考慮，在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時優(yōu)先考慮采用完整立方角錐結(jié)構(gòu)。但是，采用完整立方角錐結(jié)構(gòu)會帶來加工工藝的困難。制作鉆石級反光膜的第一道工序是制作表面帶有微立方角錐幾何結(jié)構(gòu)的母模(陽模)，母模的表面結(jié)構(gòu)就是最終產(chǎn)品反光元素的幾何形狀。之后采用適當(dāng)技術(shù)(如鎳電鑄)將母模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)模具(陰膜)，再利用陰膜壓制最終產(chǎn)品。完整立方角錐結(jié)構(gòu)包含規(guī)則排列的凸起和凹陷，那些凹陷部分難于精密雕刻成形，因此通常不采用整體機(jī)械加工的方法來制作完整立方角錐陣列結(jié)構(gòu)母模，而采用針束捆綁技術(shù)或基片組合技術(shù)來加工制作母模。
[0014]針束捆綁技術(shù)就是由末端帶有微立方角錐結(jié)構(gòu)的棒束捆綁在一起形成所需的陣列反射結(jié)構(gòu)。每根棒端部結(jié)構(gòu)需要分別單獨(dú)加工，因此當(dāng)母模尺寸需要較大而每個反光單元又很小時，加工工作量往往非常淡以至于難以承受。針束捆綁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是每個反光單元的結(jié)構(gòu)形狀可分別獨(dú)立加工，不受相鄰單元的影響，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時具有最大的靈活性，可以最大限度改變和控制反光膜的回歸反射特性。
[0015]基片組合技術(shù)是制作母模的另一種技術(shù)手段，它的基本流程是:一組長、寬、高完全相同的長方體金屬薄片(基片)，在每個基片的一側(cè)端面上加工一列立方角錐結(jié)構(gòu)單元，然后將這組長方體基片疊在一起，立方角錐結(jié)構(gòu)單元共同組成一個二維陣列，構(gòu)成母模。為了提高設(shè)計(jì)的靈活性，往往人為控制使得同一個基片上的立方角錐結(jié)構(gòu)單元互有差異，或者在一個排列周期內(nèi)互有差異，而各個基片之間在結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)區(qū)別。與針束捆綁技術(shù)相比，基片組合技術(shù)既保留了結(jié)構(gòu)變化的靈活性，又大大減小了母模加工的工作量，是技術(shù)發(fā)展的主流方向和最新趨勢。
[0016]反光材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了它的逆反射性能，在該方面作了許多努力和嘗試，但是仍然存在許多障礙和困難。業(yè)內(nèi)希望尋找更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和制作方法來制造反光材料，讓反光材料具有更好的反光性能和更高的生產(chǎn)效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明提出一種新的微立方角錐反光材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由基片加工組合而成的。所謂“基片”是指具有長方體形狀的金屬薄片，其長度、寬度與厚度之比至少在十倍以上。首先在基片一側(cè)表面上車削加工出一列沿厚度方向的楔形槽(21、22、23、24、…)，控制槽角大小為90°，且均勻等距排列。為了提高工效，可針對一疊基片一次性完成楔形槽的加工。接下來在與楔形槽的排列相垂直的方向加工一楔形斜面(18)，這樣即完成單個基片的加工。將一疊這樣的基片按相同方向順序排列，所有基片均向一個方向側(cè)傾相同的角度Q1，所有基片位于同樣的水平高度，基片頂部的三維立方角錐結(jié)構(gòu)延伸到二維水平面內(nèi)，構(gòu)成周期性陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)組成了加工制作鉆石級反光材料的母模。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)克服了標(biāo)準(zhǔn)立方角錐陣列結(jié)構(gòu)整體加工的困難。本發(fā)明采用基片組合組裝技術(shù)來制造反光材料所需的立方角錐陣列結(jié)構(gòu)，具有工序流程短，生產(chǎn)效率高，精度易于控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于開發(fā)高性能反光材料。
[0020](2)本發(fā)明通過嚴(yán)格控制加工過程的關(guān)鍵參數(shù)，保證了反光材料具有良好的逆反射特性，具體表現(xiàn)在兩方面:一、本發(fā)明制造的反光材料具有很高的反射效率。該產(chǎn)品用作為警示標(biāo)志時，在同等光照條件下更加醒目，可以在更遠(yuǎn)的距離開始發(fā)揮警示作用。二、本發(fā)明制造的反光材料較好地解決了當(dāng)前普遍存在的各向異性問題，減少了使用過程中的限制。
[0021]上述特點(diǎn)使得本發(fā)明的反光材料具有優(yōu)良性能及良好的實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0023]圖1:原始基片，其中(10)為待加工面；
[0024]圖2:沿虛線(11)車削出一列平行等距的槽楔；
[0025]圖3:將一組基片疊放，一次性完成槽楔的加工；
[0026]圖4:詳細(xì)說明槽楔的排布情況；
[0027]圖5:在基片上側(cè)表面加工形成一共有楔形斜面(18)；
[0028]圖6:元件組(12)的拼接方法；
[0029]圖7:元件(12)拼接后在頂面形成的立方角錐陣列結(jié)構(gòu)；
[0030]圖8:回歸反射率。

【具體實(shí)施方式】
[0031]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0032]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0033]本發(fā)明中提到的“基片”是指長方體形狀的金屬塊，其長度和寬度至少十倍于厚度，如圖1所示，其長、寬、厚分別為L、W、H，通常L取值范圍為幾毫米至數(shù)十厘米，W取值范圍為幾毫米至數(shù)厘米，H取值范圍為幾十至幾百微米。元素(10)指基片的一個側(cè)表面，該面為加工面，通過車削或雕刻加工，在該面制作出所需的微立方角錐結(jié)構(gòu)。
[0034]在基片的加工面(10)附近，沿圖2所示的白色標(biāo)線(11)進(jìn)行車削加工，得到元件
(12)。為了提高機(jī)加工工效，實(shí)際上可以針對一疊基片一次性同時完成元件(12)的車削加工，如圖3所示。
[0035]圖2中的元件(12)具有以下特征:
[0036](I)上表面形成了一列楔形溝槽(21、22、23、24、…)，如圖4所示，每個溝槽包含有兩個面，如溝槽(21)包含有(31、32)兩個面，溝槽(22)包含有(33、34)兩個面，溝槽(23)包含有(35,36)兩個面，……。
[0037](2)所有溝槽(21、22、23、24、…)的槽角皆為90°，且方向、寬度完全一致。
[0038](3)相鄰兩個溝槽之間構(gòu)成了一個三棱錐，如溝槽(21)的(32)面與溝槽(22)的
(33)面形成一個三棱錐(41)，溝槽(22)的(34)面與溝槽(23)的(35)面形成一個三棱錐(42)，……。
[0039](4)所有三棱錐(40、41、42、……)皆為直角棱錐。
[0040](5)三棱錐的面皆與側(cè)表面(16)垂直，因此所有三棱錐皆為立方角錐。
[0041](6)相鄰兩個立方角錐之間的橫向距離用Ltl表示，稱為立方角錐單元的寬度。本設(shè)計(jì)中要求精確控制Ltl的大小，使得Ltl與基片厚度H的比值(稱為寬厚比)為特定大小的值，最佳取值范圍為0.94±0.01。
[0042]元件(12)接下來進(jìn)行下一步加工，在其上側(cè)表面加工出楔形斜面(18)，且具有以下特征:
[0043](I)如圖5所示，楔形斜面(18)與側(cè)表面(16)有著嚴(yán)格的角度關(guān)系，它們之間的夾角必須嚴(yán)格控制在145° ±1°的范圍之內(nèi)。
[0044](2)加工產(chǎn)生楔形斜面(18)以后，原來的立方角錐體(40、41、42、……)的寬度變小了，由H變小為H。。本設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格控制H。與H的比值，最佳取值范圍為0.50±0.01。
[0045]將一組具有同樣形狀、尺寸的元件(12)按圖6的方法順序擺放，并保持以下特占-
^ \\\.
[0046](I)各個元件(12)相互之間精密相貼，不留縫隙。
[0047](2)各個元件(12)從豎直方向偏轉(zhuǎn)同一個角度θ1() Q1的最佳取值范圍為35?！?。。
[0048](3)各個元件(12)處在同一個水平面內(nèi)，它們的最高點(diǎn)(51、52、53、…)亦在同一個水平面內(nèi)。將(51、52、53、…)所在平面稱為膜面。
[0049]圖7是圖6所示膜面的俯視效果，在膜面上形成了具有周期性陣列結(jié)構(gòu)的微立方角錐體序列，它構(gòu)成了用于模壓制作逆反射材料的母模。將母模結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到用于生產(chǎn)的副模，再經(jīng)副模壓制最終產(chǎn)品，因此反光膜產(chǎn)品具有與母模相同的結(jié)構(gòu)。
[0050]光線從正面進(jìn)入逆反射材料內(nèi)部，經(jīng)過立方角錐體的三個反光面依次反射后沿入射光的反方向回射而成為逆反射光線。圖8是由圖7所表征的反射層結(jié)構(gòu)并使用聚碳酸酯為基材的反光材料的回歸反射率分布情況，有下列幾方面的特點(diǎn):
[0051](I)近垂直入射時，回歸反射率為90%，接近于理論上限。
[0052](2)30°入射角的情況下，不同的方位角下回歸反射率略有差異，但各向異性并不特別顯著。常用均一性系數(shù)來定量衡量各向異性的大小，它是這樣定義的:用某個入射角(例如入射角=30° )而不同方位角下回歸反射率的平均值去除以它的均方差。業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為，均一性系數(shù)在2以上時反光材料的各向同性性能就是比較好的。經(jīng)過分析，本設(shè)計(jì)所能達(dá)到的均一性系數(shù)為2.6。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 其具有微立方角錐反光材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由若干基片組裝而成； 首先在基片一側(cè)表面上加工出一列均勻等距、沿厚度方向排列、角度為90°的楔形溝槽，然后在與楔形槽相垂直的方向加工一楔形斜面，將一疊這樣的基片按相同方向順序排列，所有基片均向一個方向側(cè)傾相同的角度，所有基片位于同樣的水平高度，基片頂部的三維立方角錐結(jié)構(gòu)延伸到二維水平面上，構(gòu)成周期性陣列結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 相鄰兩個所述楔形溝槽之間構(gòu)成了一個立方角錐。
3.如權(quán)利要求2所述的基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 相鄰兩個所述立方角錐之間的橫向距離用Ltl表示，稱為立方角錐單元的寬度；1^與基片厚度H的比值(稱為寬厚比)的取值范圍為0.94±0.01。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 所述楔形斜面與側(cè)表面之間的夾角控制在145° ±1°的范圍之內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 加工產(chǎn)生楔形斜面以后，原來的立方角錐體的寬度變小為Htl，控制Htl與H的比值的取值范圍為0.50±0.01。
6.如權(quán)利要求5所述的基于基片組裝技術(shù)的逆反射膜，其特征在于: 所述基片相互之間精密相貼，不留縫隙；所述基片從豎直方向偏轉(zhuǎn)同一個角度GpQ1的最佳取值范圍為35° ±1。。
【文檔編號】G02B5/124GK104133259SQ201410320355
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】袁長迎, 竹文坤, 張修路, 羅雰 申請人:西南科技大學(xué)