专利名称：具有波纹状图案的逆反射制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含一块具有能反射显示波纹状图案的光的微结构表面的片材的制品。本发明还涉及制造包括能形成具有该图案的片材的模具在内的母板及其复制品的方法。优选的方法包括在一块基材(例如，金属板)上形成一些V形凹槽，三个凹槽的相交形成一个直角棱单元。所述直角棱单元以这样一种方式形成，使得在整个阵列中的相邻的平行凹槽具有基本上相同的凹槽间距和凹槽深度。较佳地，母板以及相应的模具和片材具有约0.0005英寸(0.0127mm)至约0.007英寸(0.1778mm)的在整个阵列中的凹槽间距，更好是小于约0.004英寸(0.1016mm)的凹槽间距。
背景技术：
逆反射直角棱片材普遍地应用于各种装饰和安全用途。鉴于它有高的逆反射亮度，直角棱片材经常优选地用作，例如交通标志、路面标线、车辆标志和个人安全制品。由其一开始，也进行了各种改进，如涉及直角棱逆反射片材的专利文献中所描述的那些。
最近的例子是美国专利6,206,525所述的逆反射片材，它包含一阵列的有金属背衬的小直角棱柱，这些直角棱柱能形成0.5°观察角度的自由取向的反射光光锥，其中，所述棱柱的尺寸为0.0005-0.003英寸(中心距离)。所述阵列是在一模具中浇注出许多透明的塑料棱柱形成的，模具内表面上有三组凹槽(它们相交成一角度)。各个凹槽之间间隔0.0005-0.003英寸(中心距离)。在阵列成形之前或之后，用反射材料如金属来涂敷这些棱柱。这种非常小的棱柱的主要缺点据称是难以在模具内表面的一个很大的区域上刻划出0.002″(中心距离)的阵列，因为刻划所用的金刚石切削刀具磨损得厉害。但是，这种非常小的棱柱据称也具有优点，包括灵活性的增加。
发明内容
本发明人发现，当由具有精确定位的相交的V形凹槽的母板形成非常小的直角棱柱时，逆反射母板及其逆反射复制品如逆反射片材能显示波纹状的图案。可以认为，该波纹状图案的产生是由相邻直角棱柱(即直角棱柱组，其中入射光是相干的)之间的光波干涉所导致的。在所述片材中该波纹状图案的存在很容易显现，并且可用于各种交通控制、明显表示用途和文件辨认用途，特别是在该存在的图案以不损害辨认性的方式使用的情况下。
本发明涉及逆反射片材，它包括具有几何单元(例如，直角棱)的阵列的聚合物片，所述片材显示波纹状的图案。在一个优选的实施方式中，所述许多单元通过一个连续的底层互相连接。
还公开了一种制造母板的方法，它是在基材上形成三组V形凹槽，这些凹槽的相交部位形成了直角棱单元的阵列，其中，各组中的凹槽分别具有基本上相同的凹槽间距和凹槽深度，凹槽间距为0.0005英寸(0.0127mm)至0.007英寸(0.1778mm)。
较佳地，所述单元由三组相互交叉的V形凹槽形成。所述凹槽的平均凹槽间距较好是0.0005英寸(0.0127mm)至0.007英寸(0.1778mm)，更好是小于约0.004英寸(0.1016mm)。在整个阵列或次阵列中的直角棱单元基本上大小相同。
所述凹槽具有基本上相同的间距和深度，对于10个连续的凹槽的距离，凹槽的位置精度至少为+/-800nm，通常是至少+/-500nm，更普遍的是至少+/-200nm，较好是至少+/-100nm，更好是至少+/-50nm，再好是至少+/-25nm，最好是至少+/-10nm。所述直角棱单元可以是倾斜的或不倾斜的。
形成的凹槽的凹槽角精度至少为+/-2弧度分，较好是至少+/-1弧度分，更好是至少+/-1/2弧度分。
还公开了一种制造模具的方法，它包括提供有所述波纹状图案的母板，在母板上电镀以形成负模具，从母板中取下模具，任选地在负模具上电镀至少一次，形成至少一个正模具，以及任选地在正模具或负模具电镀以形成许多代的模具。
还公开了一种制造逆反射片材的方法，它包括提供有所述波纹状图案的模具，在模具的微棱柱表面上浇注液体树脂组合物，使该组合物硬化形成片材，然后取下模具。一种替代的方法包括提供有所述波纹状图案的模具，提供可模制的基材，将模具的表面与基材接触使图案产生在基材上，然后取下模具。这些方法还可以包括将一反射涂层施加在树脂或基材上。较佳地，所述树脂组合物是透明的。优选的树脂是聚碳酸酯。
图1是包含三组V形平行凹槽的母板的一部分的放大的平面图。该母板的实际尺寸是6平方英寸(15.24cm2)，凹槽的间距为0.004英寸(0.1016mm)，其宽度上具有1500个直角棱单元，在整个区域上总共超过二百万个。此图还显示了由模具(它是母板的负复制品)形成的逆反射片材的一部分的分解图。
图2是一张本发明的具有波纹状图案的模具的照片。所述模具是母板的负复制品，在其凹槽阵列中，凹槽间距恒定，小于0.003500英寸(0.088900mm)，凹槽的加工精度至少为+/-100nm。此照片是采用Olympus C700数码相机，使用约10英尺(3米)距离的闪光的拍摄的。
具体实施例方式
本发明涉及母板、模具、特别是具有波纹状图案的片材。本发明还涉及制造具有该图案的母板及其复制品的方法。本文中使用的“波纹状图案”是指类似于图2所示图案的所观察到的外观(观察时用一个普通闪光灯的光照耀，所述闪光灯置于靠近观察者的眼睛，大约是鼻子的位置，与逆反射母板或其复制品的距离达到约20英尺，照亮逆反射母板或其复制品时光线大约垂直于其平面)。
较佳地，母板用一台凹槽形成机器来制造，该机器使用直接加工工艺，该工艺形成相互交叉的凹槽图案，获得直角棱单元。形成凹槽的基材称为母板，由它可以形成一系列复制品。直接加工工艺的例子包括快速切削、銑削、研磨和刻划，如美国专利4,588,258(Hoopman)和3,712,706(Stamm)中所述，这两篇专利公开了用具有两个相对切削面的机床切削出凹槽，在基材上形成直角棱光学表面的单道过程或多道过程。
任何适于形成直接加工的凹槽组的基材都可以使用在制造本发明的母板的方法中。适用的基材应当能清洁地加工而不形成毛刺，延展性低，颗粒小，并且在凹槽形成后能保持尺寸的准确。可以使用多种可加工的塑料或金属。适用的塑料包括热塑性或热固性材料，如丙烯酸类或其它材料。可加工的金属包括铝、黄铜、无电镀镍的合金、以及铜。优选的金属包括有色金属。优选的加工材料的选择要使凹槽形成过程中切削刀具的磨损减至最小。
适合用来直接加工所述凹槽组的金刚石刀具应该是高质量的，如可以购自K&Y Diamond公司(Mooers，NY)或Chardon Tool公司(Chardon，OH)的金刚石刀具。具体地说，适用的金刚石刀具应该在距离其尖端10密耳的范围内没有划痕，这一点可以用2000X白光照明显微镜来观察。通常，金刚石的尖端具有尺寸约为0.00003英寸(0.000762mm)至约0.00005英寸(0.001270mm)的平面部分。此外，较佳的是，适用的金刚石刀具的表面光洁度，是具有平均小于约3nm的粗糙度以及小于约10nm的峰-谷粗糙度。所述表面光洁度可以是在可加工的基材中先进行形成试验切削，然后用显微干涉仪对所述试验切削的效果进行测量。
虽然本发明的制造母板的方法用的是直接加工方法，但是模具和逆反射片材也可以由其它方法制造的母板来形成，只要其几何单元的精确成形能导致所述波纹状图案的形成。平面图上所见的直角棱单元可以具有不是三角形的其它形状，包括但是不限于，梯形、矩形、四边形、五边形或六边形。
在制造本发明的母板的一种优选的方法中，在基材(例如，金属板)上形成许多V形凹槽。本文中使用的“切削角”是指所述凹槽组相互之间的相对取向。“凹槽间距”是指一个凹槽的最低点与一个相邻的平行凹槽的最低点之间的距离(例如在x-方向)，最低点是所述凹槽最低的点。“凹槽深度”是指所述基材(例如，板)的顶表面与所述凹槽的最低点之间的距离(例如在y-方向)。“凹槽位置”是指母板上凹槽的二维位置(例如x，y坐标)。第三维(例如z-方向)通常是恒定的，从母板的一个外部边缘延伸到相对的外部边缘。因此，凹槽位置由凹槽间距和凹槽深度来确定。“凹槽半角”是指在V形凹槽的任一面上形成的角度。凹槽半角相对于一个参照面来测定，所述参照面对准切削方向，并与基材的平面垂直。“凹槽角”是共用同一最低点的两个相邻半角之和。
通常，第一组平行凹槽形成在平面上，如图1中的凹槽1，1至1，20所示；第二组平行凹槽形成在平面上，与第一组呈一切削角，如图1中的凹槽2，1至2，31所示；第三组平行凹槽形成在平面中，与第一组呈一切削角，如图1中的凹槽3，1至3，31所示。各组包含许多相邻的平行凹槽。本文中使用的“相邻的平行凹槽”是指位于同一组中任一边的凹槽。例如，凹槽1，2的相邻的平行凹槽是凹槽1，1或1，3。
在一组中的各个凹槽以及各组的凹槽通常以相同的深度形成。切削角通常约为60°，具体地是在约45-75°的范围内选择一个精确规定的角度。用于各个凹槽组相交的凹槽角经过选择，使得二面角约为90°，形成直角棱单元。在不倾斜的直角棱的情况下，对所有三个组而言，标称的凹槽角是相同的。所述直角棱单元可以是倾斜的，选择凹槽角和切削角使得所述单元的光轴倾斜。一个向前倾斜的例子描述在美国专利4,588,258(Hoopman)中。此外，倾斜的或不倾斜的直角棱可以形成，使得凹槽角稍有变化(例如，+/-10弧度分)，以便控制逆反射光的散播。如图1所示，三组交叉的凹槽形成以均匀图案排列的直角棱单元的阵列。较佳地，所述阵列，其单位面积直角棱单元区域上的单元数目基本上最大。
V形凹槽用能够形成各个具有高精度的凹槽的金刚石加工机器来形成。Moore Special Tool公司(Bridgeport，CT)、Precitech公司(Keene，NH)和Aerotech公司(Pittsburg，PA)生产为上述目的的适用的机器。这些机器通常有个激光干涉仪-定位装置。一个适用的精密回转工作台购自AA Gage公司(Sterling Heights，MI)；一个适用的显微干涉仪购自Zygo公司(Middlefield，CT)和Wyko公司(Tucson，AZ)(Veeco公司的分公司)。凹槽间距和凹槽深度的精度(即，点到点的定位)通常至少精确到+/-750nm，较好是至少+/-500nm，更好是至少+/-250nm，再好是至少+/-100nm。此外，分辨率(即，形成凹槽的机器检测现有的轴的位置的能力)通常至少约为所述精度的10％。因此，对+/-100nm的精度而言，分辨率至少约为+/-10nm。在较短的距离内(即，10个相邻的平行凹槽)，精度大约等于分辨率。凹槽角的精度通常至少精确到+/-2弧度分(+/-0.033°)，更好是至少+/-1弧度分(+/-0.017°)，最好是+/-1/2弧度分(+/-0.0083°)。
为了在长时间内重复地形成许多具有所述高精度的凹槽，将加工过程的温度保持在+/-0.1℃，较好是+/-0.01℃。此外，为了保持凹槽角的容许偏差，较佳的是先在母板中粗切削出所有凹槽达到比最终深度浅大约10μm的深度，然后按交替的方向进行最终的切削。如图1所示，对第一凹槽1，1(即，第一组第一凹槽)进行最终切削后，跳过第二凹槽，以相同的方式对第三凹槽1，3进行最终切削，此时不同的是进行反向切削。再跳过第四凹槽，以与第一凹槽相同的方向对第五凹槽1，5进行最终切削，直到在板的底部形成最后一个凹槽。然后，以相同的方式但从底部到顶部对交替的(即，跳过偶数编号的凹槽)凹槽进行最终切削。然后，以相同的方式切削第二和第三凹槽组。
申请人发现，当以所述精度在母板上形成了许多小的直角棱时，其逆反射复制品(即模具和片材)显示波纹状图案。在母板由适当的基材(例如，透明的塑料)制造，使得母板本身是逆反射的情况下，母板也将显示该波纹状图案。在模具由母板形成的实施方式中，图案就在模具的制造过程中复制出来。此外，当逆反射片材由所述模具形成时，所述图案再次复制出来。因此，在使用负复制的模具形成正复制的逆反射片材的实施方式中，所述逆反射片材的表面基本上与间接形成它的母板相同。
虽然不想受到理论的限制，但可以认为，所述波纹状图案是入射光照射到相邻的直角棱以及由其反射相干所产生的干涉效应造成的。光相干的区域限定了相邻区域的尺寸，它大于直角棱的孔径尺寸。限定该相邻区域的聚集的直角棱都同样地影响入射光。相邻的直角棱在可见光波长的某个小分数距离范围内具有相同的、重复的几何形状。理论上，所述光的反射电场只应所述直角棱的位置而有差别，一个个直角棱的电场之和产生了观察到的波纹状图案。
由于尚不能完全理解的原因，当直角棱较大时，这种波纹状图案不很明显，例如凹槽间距为0.01英寸(0.254mm)的直角棱。因此，本发明的方法和制品主要用的是凹槽间距(即，间距)为0.0005英寸(0.0127mm)至0.007英寸(0.1778mm)的较小的直角棱。此外，可以认为，这种波纹状图案显示的程度会随着间距的减小而加大。因此，本发明方法非常适用于制造的母板及相关制品，是其中的凹槽间距小于0.004英寸(0.1016mm)，较好是小于0.0035英寸(0.0889mm)。无论形成单元的工艺如何，所述单元的水平尺寸(即，单元相对的面或特征之间测定的尺寸)较好是0.0005英寸(0.0127mm)至0.007英寸(0.1778mm)。所述单元的水平尺寸较好是小于0.004英寸(0.1016mm)，更好是小于0.0035英寸(0.0889mm)。
申请人发现，可以在制造母板的方法中引入一定程度和出现多少的凹槽位置差异来减少或消除该图案的产生，所述差异是有意的和受控的。因此，为了能重复地制造具有这种波纹状图案的制品，所述差异要大大地减少。与例如美国专利6,168,275中描述的形成具有明显不同尺寸的直角棱单元不同，在本发明中，母板、模具和片材在整个阵列或次阵列中的直角棱单元具有基本上相同的尺寸，这意味着最小的直角棱的尺寸至少是最大的直角棱尺寸的85％，较好是至少90％。另一方面，阵列中各个直角棱的有效孔径是基本上相同的。单个直角棱单元的有效区域(即，有效孔径)可以通过位于与折射的入射线垂直的平面上的三个直角棱表面的投影，与在同一平面上的第三反射的图像表面的投影的形貌交叉面积来确定，或者就等于它。一个用来测定有效孔径的程序公开在例如Eckhardt的“Applied Optics”(v.10n.7，1971年7月，第1559-1566页)中。Straubel的美国专利835,648也介绍了有效区域或有效孔径的概念。
通常，用金刚石刀具在基材上形成凹槽，要使得各个凹槽的凹槽间距、凹槽深度和凹槽角是均匀的。凹槽位置差异的程度与形成凹槽的机器的精度相等。因此，凹槽位置的差异小于1μm，较好是小于约250nm，更好是小于约100nm，再好是小于约50nm，最好是小于约10nm至25nm。因此，凹槽位置的差异要足够小，使得由整个凹槽阵列或次阵列折射的光的相位相同，使图案能被人眼观察到。
根据形成有凹槽的基材的情况，母板本身可以用作逆反射制品，例如当凹槽形成在适当的透明塑料基材上时。但是，通常，母板本身不是逆反射的，例如在使用金属板作为基材的情况下。为了形成用来制造逆反射片材的适用尺寸的组合模具，可以在母板的有凹槽的那个表面上电镀形成负复制品，然后在所述负复制品上电镀形成正复制品，再在所述正复制品上电镀形成第二代负复制品，如此等等形成许多个模具(也称为贴片)。电镀工艺是人们普遍知道的，例如描述在Pricone等人的美国专利4,478,769和5,156,863中。然后，可以将这许多模具拼装在一起形成所需尺寸的组合模具。
要知道在所述拼装过程中可能在缝接的贴片之间的界面中引起凹槽位置的差异。因此，较佳的是，具有波纹状图案的次阵列大于约1/4″(0.635mm)，使得拼装之后所述波纹状图案不减少。若是用作较小的保密标记，较佳的是所述贴片的尺寸大约等于所需的标记，确保在整个标记上所述图案没有中断。
较佳地，将逆反射片制造成一块完整的材料，即，直角棱单元在整个模型上以一个连续层的形式互相连接，一个个单元和它们的连接部分都包含相同的材料。与具有微棱柱的表面相背的片材表面通常是光滑平整的，也称为“底层”。所述底层的厚度通常为约0.001英寸(25μm)-0.006英寸(150μm)，较好是至少0.002英寸(50μm)-0.003英寸(75μm)。这种片材的制造通常是将液体树脂组合物浇注在组合模具上，然后使该组合物硬化来形成。
但是，任选地，有凹槽的母板或其正复制品可以用作压花工具来形成逆反射制品，如JP 8-309851和美国专利4,601,861(Pricone)中所述。也可以通过如PCT申请WO 95/11464和美国专利3,684,348中所述在预成形的膜上浇注许多直角棱单元，或者将预成形的膜层压到预成形的直角棱单元上，这样制得的逆反射片材是多层产品。在进行上述步骤的过程中，一个个直角棱单元与预成形的膜互相连接。此外，所述单元和膜通常由不同的材料组成。
较佳地，本发明的逆反射片材的适用的树脂组合物是尺寸上稳定地、耐用的、耐候性的、并且容易形成所需构型的透明材料。适用的材料的例子包括折射指数约为1.5的丙烯酸类树脂，如Rohm & Haas公司制造的Plexiglas牌树脂；折射指数约为1.59的聚碳酸酯；反应活性材料，如热固性丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯；聚乙烯基离聚物，如由E.I.Dupont de Nemours & Co.公司以商品名SURLYN市售的那些产品；(聚)乙烯-共-丙烯酸；聚酯；聚氨酯和乙酸丁酸纤维素。聚碳酸酯是特别适合的，因为其硬度和较高的折射指数，通常有助于改善在较宽的入射角范围内的逆反射性能。只要片材的反射程度能使所述波纹状图案在规定的观察条件下是可观察到的，透明度较小的树脂也适用于非逆反射用途如保密标记。
可以将镜面反射涂层如金属涂层设置在直角棱单元的背面。可以通过已知的工艺，如汽相沉积或化学沉积金属如铝、银或镍来施加金属涂层。可以将打底层施加在直角棱单元的背面来促进金属涂层的附着。除了金属涂层以外，还可以将一层密封膜施加在直角棱单元的背面，或者作为金属涂层的代替，参见例如，美国专利4,025,159和5,117,304。该密封膜保持了位于直角棱背面的空气界面，该空气界面能够在界面上产生了总内部反射，并且抑制了杂质如污物和/或湿气的进入。
还可以在直角棱单元或密封膜后面施加一层胶粘剂层，用来将直角棱逆反射片材固定在基材上。适用的基材包括木材、铝薄片、镀锌钢、聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚酰胺、聚氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚氨酯、以及由这些及其它材料制得的种类较广的层合物。
如果需要，可以向直角棱片材、密封膜和胶粘剂层中加入着色剂(例如，颜料和/或染料)、紫外光吸收剂、光稳定剂、自由基清除剂、抗氧化剂、以及其它添加剂如加工助剂，例如防粘剂、释放剂、增滑剂和润滑剂。
本发明的制品还可以包括一个附加的“颜色层”，用以增加日间可见性或明显性。所述颜色层包含至少一种溶解或分散在聚合物基质中的染料或颜料。优选的颜色层(特别为了提高明显性时)包含溶解在聚合物基质中的日间荧光染料(即，当暴露在可见光下后能发射可见光的染料)。较佳地，所述聚合物基质对可见光，特别是由染料发射的波长的光以及导致染料发荧光的波长的光，是基本上透明的。所述荧光染料通常根据所需的颜色、在聚合物基质中的溶解度以及在聚合物基质中的稳定性来选择。在某些情况下，较佳的是，颜色层中的染料主要由噻吨、硫靛、异戊蒽酮、萘亚甲基酰胺、苯并噁唑香豆素、苝和/或苝酰亚胺染料构成。但是，在其它情况下，颜色层还可以含有着色剂如颜料或除上述这些以外的其它染料，用以调节制品的颜色和外观。
仅仅由于其明显的波纹状图案，或者还同时由于其较高的并且经常是不规则的逆反射亮度，可将所述微结构的片材用于各种用途。这种独特的有图案微结构片材的用途，包括交通标志、路面标线、个人保密制品、文件辨别标签和覆盖膜，以及商业的图画用途，包括地板图画、车辆广告、标记图画、遮篷图画、旗帜和横幅。
在包装产品(例如，胶带和贴花纸)的情况下，通常将压敏胶粘剂施加到层合物的背面上，以将层合物或制品固定在桶、锥体、柱子、路面、牌照、路障或标记表面上。
本发明的有波纹状图案的片材还可用在较广种类的逆反射安全装置和用品中，包括服装、施工区域用背心、个人漂浮装置(例如，救生衣)、雨衣、标志、补片、宣传物品、皮箱、公文包、书包、背包、筏、手杖、伞、动物项圈、卡车标记、拖车覆盖物和窗帘等。所述有图案的片材可以粘着、缝制或接合(例如，热、无线电频率、超声波接合)在所述安全装置和物品上。
所述逆反射片材的逆反射系数RA，用第54期CIE公报推荐的方法，以-4°入射，0°取向，0.2°观察来测定，通常至少为约100坎/勒/m2，较好是至少约300坎/勒/m2，更好是至少约800坎/勒/m2。但是，由于所述波纹状图案干扰了对逆反射系数的测定，标准偏差会比较大，平均约为3-10％。
如果所述制品上的图案是字母或符号，则较佳的是所述有图案的片材要以增加明显性而不损害可辨认性的方式使用。例如，字母可以是有色的、不透明的，由不同的材料形成，或者仅仅是制品的背景是有纹状图案的片材。此外，该制品可具有由所述有图案的片材制成的边缘或边框。
本发明的有波纹状图案的片材可用来制造各种文件制品，如驾驶证、牌照、护照、雇员身份证、军用徽章等。由于制造该片材所需的精度，所述图案难以伪造，其存在可用来验证所述制品。再一次指出的是，所述片材应该以不损害可辨认性的方式使用。可以认为，使用所述片材作为边缘或边框，在透明的覆盖膜下面或制品的外表面上放置小的标签。在本文中所述的本发明的片材用作透明覆盖物来保护文件不被篡改的实施方式中，所述制品可以按美国专利5,743,981中所述来制造。根据选择的聚合物材料和片材的厚度，所述有图案的片材本身可能是易碎的。另一种引入小部分的所述有图案的片材的方法，是使用具有所需形状或符号的贴片作为压花工具以在一个层(例如，覆盖层)上复制该图案。还可以对所述有波纹状图案的片材进行改造，使它能(逆)反射可见光谱范围之外的波长的光，如美国专利5,200,851中所述。
本发明的目的和优点将通过以下一些实施例作进一步的说明，但是这些实施例中所列举的具体材料及其用量，以及其它条件和细节，不应解释为对本发明的不恰当的限制。
实施例实施例1使用直径为9英寸(22.86cm)、厚度约为1英寸的由可加工的金属组成的金属块来制备母板。将该金属块加工成具有边长4.75英寸(12.06cm)，朝上突起大约0.005英寸(0.127mm)的正方形部分。将该金属块置于凹槽间距和凹槽深度的精度(即，点对点定位)至少为+/-100nm、分辨率(即，激光干涉仪定位装置检测现有的轴的位置的能力)至少为+/-10nm的形成凹槽的机器上。
检查几个购自K&Y Diamond公司(Mooers，NY)或Chardon Tool公司(Chardon，OH)的金刚石刀具，确保各个刀具是适合的。具体是用2000X白光照明显微镜检查各个金刚石刀具，确保在距金刚石尖端10密耳的范围内的表面上没有划痕。各个金刚石刀具的表面光洁度的检查也可以是在可加工的基材上进行试验切削，然后用Wyko公司的商品名为“RST”的显微干涉仪检测所述试验切削的效果，以确保平均粗糙度小于3nm，并且峰-谷粗糙度小于10nm。金刚石的尖端具有尺寸为0.00003英寸(0.00076mm)-0.00005英寸(0.001270mm)的平坦部分。将适用的金刚石刀具固定在形成凹槽的机器上，使得V形凹槽能够形成在金属块突起的中心部分上。当在试验块和母板块中形成各个凹槽时，形成凹槽的机器、试验块和金刚石刀具的温度维持在20℃+/-0.01℃。通过在1英寸的立方试验块中进行切削来调节金刚石刀具。通过反复地调节金刚石刀具来调节凹槽角至+/-30弧度分(0.008°)的容许偏差，并在精密回转工作台和显微干涉仪上测量所得的角度以对凹槽表面的平面进行光学定位，来进行试验块中的切削。适用的精密回转工作台购自AA Gage公司(Sterling Heights，MI)，适用的显微干涉仪购自Zygo公司(Middlefield，CT)和Wyko公司(Tucson，AZ)(Veeco公司的分公司)。
为了保持母板上的凹槽角的容许偏差，使用比最小的目标凹槽角小约1°的金刚石刀具，依序地粗切削出所有三个组中的各个凹槽。将各个凹槽来回地粗切削到比目标深度浅10μm的深度，且峰-谷表面粗糙度为0.000002英寸(0.000051mm)。为了将金刚石刀具的磨损减至最小，以交替的方向在母板中切削出最终的凹槽，直至峰-谷表面粗糙度为0.000001英寸(0.000025mm)。在第一方向上对第一凹槽进行最终切削。跳过第二凹槽，以相同的方式对第三凹槽进行最终切削，但此时是反向切削。跳过第四凹槽，以与第一凹槽相同的方向对第五凹槽进行最终切削，直到在板的底部形成最后一个凹槽。然后，如前述检查金刚石刀具的磨损，以确保平均表面粗糙度一直不超过3nm，并且凹槽角的改变不超过30弧度分(0.008°)。然后，以相同的方式从底部到顶部对交替的(即，跳过偶数编号的凹槽)凹槽进行最终切削。以相同的方式切削出第二和第三凹槽组，在切削交替的凹槽之前要检查金刚石刀具。另外，在各个凹槽组之后更替金刚石刀具，并用试验块进行调节。
在各个比较例中，形成在整个阵列中的各组分别具有恒定凹槽间距的凹槽。对比较例A，在母板中切削的第一凹槽组的间距(即，凹槽间距)为0.003200英寸(0.081280mm)，凹槽角为67.301°，切削角为0°。在母板中切削的第二凹槽组的间距为0.003102英寸(0.078791mm)，凹槽角为72.081°，切削角为+61°(相对于第一方向)。切削的第二凹槽组的间距、凹槽角和切削角分别为0.003102英寸(0.078791mm)、72.081°和-61°(相对于第一方向)。对用于第一、第二和第三方向的凹槽深度进行选择，使得各个直角棱的高度约为0.001476英寸(0.037490mm)。
将母板从形成凹槽的机器上取下。通过在母板上镍电镀来制造模具，如美国专利4,478,769和5,156,863中所述。形成许多代的正和负复制品，使这些复制的模具具有基本上与母板相同的直角棱精度。使用一个电铸的负模具使其上面的图案产生在厚度约为200μm、折射指数约为1.59的聚碳酸酯膜上。观察到此负模具上具有波纹状图案，如图2所示。将此模具用在于约375-385°F的温度、约1600psi(磅/英寸2)的压力和20秒的停留时间下进行压制的模压成形机中。然后，在5分内将模压的聚碳酸酯冷却至约200°F(100℃)。所得的片材具有一结构化的表面，该表面包含许多具有恒定凹槽间距的直角棱单元，所述单元的基底在同一平面上与一个连续的“底层”整体相连，该底层的背面基本上是光滑而平整的，从而使得底层的存在不会损害片材的逆反射性能。
以本实施例所述相同的方式制备具有小于0.003500英寸(0.088900mm)的恒定凹槽间距的逆反射片材。用置于观察者的鼻子附近的普通闪光灯的光，标称垂直于逆反射片材进行照亮。当同一观察者从约2英尺的距离观察时，片材逆反射的光显示波纹状图案。当用CIE标准光源A规定的光代替闪光灯时，观察者的眼睛也可以看到波纹状图案的逆反射。在约100英尺的距离，所述波纹状图案是清晰可见的。用第54期CIE公报推荐的方法以-4°入射，0°取向，0.2°观察来测量逆反射系数RA。在试样的整个区域中9个点的读数的平均值为764坎/勒/m2，标准偏差为36坎/勒/m2。
实施例2用汽相沉积法将铝涂敷在比较例A的逆反射片材的直角棱表面上，涂层厚度为950埃。
按比较例A所述相同的方式评估所得的逆反射片材。观察到此片材逆反射的光显示波纹状图案。用第54期CIE公报推荐的方法以-4°入射，0°取向，0.2°观察来测量逆反射系数RA。在试样的整个区域中9个点的读数的平均值为1085坎/勒/m2，标准偏差为37坎/勒/m2。
实施例3按比较例A所述相同的方式制造母板。使用其正复制模具形成片材。通过汽相沉积用铝涂敷该负复制片材的有直角棱结构的表面。
按比较例A所述相同的方式评估所得的逆反射片材。观察到此片材逆反射的光显示波纹状图案。用第54期CIE公报推荐的方法以-4°入射，0°取向，0.2°观察来测量逆反射系数RA。在试样的整个区域中9个点的读数的平均值为1085坎/勒/m2，标准偏差为37坎/勒/m2。
权利要求
1.一种逆反射片材，它包含具有直角棱单元的阵列的聚合物片，其特征在于，由该片材反射的光显示波纹状的图案。
2.如权利要求1所述的逆反射片材，其特征在于，所述直角棱单元在平面图上呈三角形、梯形、矩形、四边形、五边形或六边形。
3.如权利要求1所述的逆反射片材，其特征在于，所述直角棱单元的水平尺寸为0.0005英寸(0.0127mm)至0.007英寸(0.1778mm)。
4.如权利要求3所述的逆反射片材，其特征在于，所述直角棱单元的水平尺寸小于0.004英寸(0.1016mm)。
5.如权利要求1所述的逆反射片材，其特征在于，所述单元通过一连续的底层互相连接。
6.如权利要求1所述的逆反射片材，其特征在于，所述在整个阵列中的单元具有基本上相同的尺寸和几何形状。
7.如权利要求1所述的逆反射片材，其特征在于，所述单元由三组相互交叉的V形凹槽形成。
8.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-800nm。
9.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-500nm。
10.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-200nm。
11.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-100nm。
12.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-50nm。
13.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，凹槽位置精度至少为+/-25nm。
14.如权利要求7所述的逆反射片材，其特征在于，所述凹槽具有相同的间距和深度，对于10个连续的凹槽的距离，凹槽位置精度至少为+/-10nm。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直角棱单元是不倾斜的。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分所述直角棱单元是倾斜的。
17.一种制造母板的方法，它通过在一基材上形成三组V形凹槽，使它们相交形成直角棱单元的阵列来制造，其特征在于，各个组中的凹槽分别具有基本上相同的凹槽间距和凹槽深度，所述凹槽间距为0.0005英寸(0.0127mm)至0.0070英寸(0.1778mm)。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述凹槽的平均凹槽间距小于0.004英寸(0.1016mm)。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-800nm。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-500nm。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-200nm。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-100nm。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-50nm。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成的凹槽的凹槽位置精度至少为+/-25nm。
25.如权利要求17所述的方法，其特征在于，对于10个连续的凹槽的距离，凹槽形成的凹槽位置精度至少为+/-10nm。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述直角棱单元是不倾斜的。
27.如权利要求17所述的方法，其特征在于，至少一部分所述直角棱单元是倾斜的。
28.如权利要求17所述的方法，其特征在于，凹槽形成的凹槽角精度至少为+/-2弧度分。
29.如权利要求17所述的方法，其特征在于，凹槽形成的凹槽角精度至少为+/-1弧度分。
30.如权利要求17所述的方法，其特征在于，凹槽形成的凹槽角精度至少为+/-1/2弧度分。
31.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述母板是逆反射的。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，由所述母板反射的光显示波纹状的图案。
33.一种制造模具的方法，它包括提供能在逆反射复制品上形成波纹状图案的母板；在所述母板上电镀，形成负模具；从所述母板中取下所述模具；任选地在所述负模具上电镀至少一次，形成至少一个正模具；任选地自爱所述正模具或负模具上电镀，形成许多代的模具。
34.一种制造逆反射片材的方法，它包括提供能在逆反射复制品上形成波纹状图案的模具；在所述模具的微棱柱表面上浇注液体树脂组合物；使所述组合物硬化，形成逆反射片材；取下所述模具。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述树脂组合物是透明的。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述树脂组合物是聚碳酸酯。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，它还包括向基材施加一层反射涂层。
38.一种制造逆反射片材的方法，它包括提供能在逆反射复制品上形成波纹状图案的模具；提供可模制的基材；将所述模具的微棱柱表面与所述基材接触，使所述微棱柱表面的复制品图案产生在所述基材上；取下所述模具。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述可模制的基材是透明的。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述可模制的基材是聚碳酸酯。
41.如权利要求38所述的方法，其特征在于，它还包括向所述基材施加一层反射涂层。
全文摘要
本发明涉及包含一块具有能反射显示波纹状图案的光的微结构表面的片材的制品。本发明还涉及制造包括能形成具有该图案的片材的模具在内的母板及其复制品的方法。优选的方法包括在一块基材(例如，金属板)上形成一些V形凹槽，三个凹槽的相交形成一个直角棱单元。所述直角棱单元以这样一种方式形成，使得在整个阵列中的相邻的平行凹槽具有基本上相同的凹槽间距和凹槽深度。较佳地，母板以及相应的模具和片材具有约0.0005英寸(0.0127mm)至约0.007英寸(0.1778mm)的在整个阵列中的凹槽间距，更好是小于约0.004英寸(0.1016mm)的凹槽间距。
文档编号G02B5/124GK1659454SQ03812908
公开日2005年8月24日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年6月11日
发明者N·D·休厄尔, K·L·史密斯, D·W·梅茨, M·B·弗莱明, J·C·纳尔逊 申请人:3M创新有限公司