专利名称：非对称型立体角制品及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有棱柱形反光单元的反光制品。
背景技术：
已知有很多型式的反光单元，包括结合了一个或多个通常被视为立体角的突起结构的棱柱形设计。使用立体角型反光单元的反光片是众所周知的。立体角反光单元是具有三个在同一个角汇合的大致互相垂直的侧面的三面体结构。由于全内反射或是反射涂层的作用，光线一般在诸立体面上被反射。由诸反光立体角单元组成的直接机加工而成的阵列在制造上存在着效率低和受限制的问题。这些限制对总的光反射和有效孔径率有不利地影响，而且，如与以下所说明的新型的制品和制造方法来比，相对于性能来说，现有的产品总价格经常是较高的。本发明的不对称阵列具有出色的制造灵活性，加工立体角单元也较好，可适应各种特定的需求。
发明概述本发明提供了一种立体角反光单元的制造方法，它包括以下步骤提供一适于形成反射表面的可机加工的基片材料；以及在该基片上形成多个包括诸立体角单元的几何结构。生成诸立体角单元的这一步骤包括在基片上直接机加工出三组平行槽的步骤，以使至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成诸立体角单元光学表面。本发明还包括用所述方法生产的制品的反光复制品。
本发明还包括一种具有多种几何结构的制品的生产方法，所述的几何结构包括诸立体角单元，它们通过在一可机加工的基片上直接机加工出三组平行槽而形成。第一组平行槽是沿基片中的一第一通道直接机加工的。第二组平行槽是沿基片中的一第二通道直接机加工的。包括至少一个附加槽的第三组槽是沿基片中的一第三通道直接机加工的。至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。
本发明还包括这样一种反光的立体角制品，它是一其上直接机加工出多种包括诸立体角单元的几何结构的可机加工的基片的复制品。每个立体角单元都由每三组平行槽中的一个槽所界定。至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。当围绕一基片平面内的轴线旋转时，该制品呈现不对称的入射角性质。
本发明还包括这样一种反光制品，它是一其上直接机加工出包括直接机加工的诸倾斜的立体角单元的几何结构的基片的复制品。所述诸立体角单元设置在基片上的多条交错成除90°以外的角度的槽之间。每个立体角单元具有一对称的轴线，在制品中基本上每个立体角单元的轴线都相互平行。
本发明还包括一反光立体角单元复合片，它包括多个小区，每个小区的反光立体角单元排列成有序的阵列。每个小区的阵列包括一其上机加工出多个立体角单元的直接机加工成的基片的复制品。每个立体角单元都由每三组平行槽中的一个槽所界定。至少一组槽中的至少一条槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。
本发明还包括一反光立体角单元复合片，它包括多个小区，每个小区的反光立体角单元排列成有序的阵列。每个小区的阵列包括一其上加工了多个立体角单元的直接机加工成的基片的复制品，所述诸立体角单元设置在基片上的多条交错成除90°以外角度的槽之间。每个立体角单元具有一对称的轴线，每个小区内的基本上每个立体角单元的轴线都相互平行。
附图简要说明
图1是一可直接机加工的基片的一部分的平面图；图2是沿图1中线“2—2”剖取的基片的剖视图；图3是沿图1中线“3—3”剖取的基片的剖视图；图4是一用于直接机加工的刀具的正面示意图；图5是沿图1中线“5—5”剖取的基片的剖视图，其中阴影线表示出一附加槽；图6是从配对的立体角反射单元得出的一直接机加工而成的阵列的一部分的平面图；图7是沿图6中“7—7”线剖取的阵列的剖视图，其中每个立体角单元的对称轴线垂直于一基面；图8是包含有诸倾斜的立体角单元的直接机加工出的阵列的一部分的平面图；图9是沿图8中线“9—9”剖取的阵列的剖视图，示出了诸条非平行轴线；图10是图6和图7中所示阵列的有效孔径的平面图；图11是极度向后倾削的、两槽组立体角单元阵列的侧视图；图12是图11所示阵列的平面图；图13是一具有至少一个垂直反光面的、两槽组立体角阵列的侧视图；图14是图13中所示阵列的平面图；图15是一直接机加工而成的基片的平面图；图16是为了在基片上形成如图15所示的诸槽而使用的一半角刀具的正面示意图17是沿图15中线“17—17”剖取的基片的剖视图；图18是沿图15中线“18—18”剖取的基片的剖视图；图19是沿图15中线“19—19”剖取的基片的剖视图；图20是具有三组非互相交错的槽的直接机加工成的立体角单元阵列的一部分的平面图；图21是沿图20中线“21—21”剖取的阵列的剖视图；图22是直接机加工成的阵列之一部分的平面图，示出了由每个槽所形成的诸立体面；图23是示出图22中所示的一非对称型反光立体角单元阵列之一部分的有效孔径的平面图；图24是直接机加工成的、具有一非零度后角的非对称型反光立体角单元阵列之一部分的平面图；图25是图24中所示阵列的有效孔径的平面图；图26是直接机加工而成的、包括三种不同立体型式的非对称型阵列的平面图；图27是图26中所示阵列的有效孔径的立体示意图；图28是沿图26中线“28—28”剖取的阵列的剖视图；图29是沿图26中线“29—29”剖取的阵列的剖视图；图30是以82°、82°和16°角度交错的主槽和次级槽所形成的非对称型立体角单元阵列的平面图；图31是沿图30中线“31—31”剖取的阵列的剖视图；图32是图30所示的阵列的有效孔径的示图；图33是示出图26所示的非对称型反光立体角单元阵列中的有效孔径率和入射角的关系的曲线图；图34是示出图6，8和24所示的诸反光立体角单元阵列中的有效面积的百分比和入射角的关系的曲线图；图35是一直接机加工而成的、包括若干个非对称阵列的小区的非对称阵列之一部分的平面图；图36是一个单阵列以及图35中所示的复合阵列中的有效面积百分比/有效孔径率和入射角之间的关系的曲线图；图37是一种具有诸削角平面的诸种几何结构的非对称型阵列的一实施例的剖视图；图38是一具有一分隔表面的非对称型阵列的另一实施例的侧视图；图39是一直接机加工而成的、通过以74°、74°和16°角度交错的首级槽和次级槽所形成的非对称型阵列的平面图；以及图40是图39所示阵列的有效孔径的平面图。
较佳实施例的详细说明反光立体角单元阵列的制造是通过用包括那些已知的如模块拼合(pin bundling)机加工和直接机加工等不同工艺制成的模具来完成的。利用模块拼合的模具是由多个小模块组装在一起而成的，每个小模块都有一个成形为立体角反光单元的诸特征的端部。模块拼合加工的例子包括美国专利第3,926,402号(专利权人是Heenan等人)，和美国专利第3,632,695号(Howell)。
直接机加工工艺，即通常熟知的刻槽工艺，包括在一个基片上切去诸部分以形成一个由相交的诸槽组成的图案从而构成诸立体角单元。开槽的基片可作为一个靠模，由其可形成一系列的模制品，即复制品。在一些情况下，靠模可作为一个反光制品，然而更为常见的是将由多代复制品组成的复制品用作反光制品。直接机加工方法是一种制造具有诸小的微立方阵列的靠模模具的极好方法。小的微立方阵列特别有益于灵活地生产薄的复制阵列，例如连续滚动加工制出的片材。微立方阵列还有利于实施连续的制造工艺。采用直接机加工的方法制造大的阵列也比其它技术更为容易。美国专利第4,588,258号(Hoopman)是直接机加工工艺的一个例子。
图1中说明了一种直接机加工传统的立方体阵列的靠模的制造方法。一可直接机加工的基片20上有多条平行的槽23，它们分布为两个不平行的槽组。在可机加工的基片20上贯穿的诸槽是通过一刀具切割而成的，该刀具具有两个相对的切割面来切割出诸立体角光学表面。美国专利第3,712,706号(Stamm)中讨论了适于用来直接机加工出槽的刻槽、成形和磨削工艺。两组槽23构成了如图2和图3所示的局部立方体39的形状。如图4所示的刀具26一般装在一刀架35上，在刀具中轴线32的两侧设有切割面29。
在图1—4中，局部立方体39的形状被展示为形成在基片20上的菱形结构。在两组非平行的槽内至少需要两个槽23来形成如39这样的形状。传统的立体角单元需要用如图5中虚线所示的第三级槽41来形成。传统的阵列42是用如图6和7所示的三组槽所构成的。所有的槽23和41的侧面形成了阵列42中诸立体角单元光学表面。每个立体角反光单元44，45的底部上形成为一等边三角形。两组槽23和41相交于诸交点43。美国专利第3,712,706号(Stamm)揭示了另一个这种开槽的例子。第4,202,600号(Burke等人)和第4,243,618号(Van Arnam)的美国专利中也援引了Stamm的专利中示出的三角形基底的立体角反光单元或棱镜。Burke等人的专利中揭示了这些具有多种不同取向的小区，这样，当眼睛从至少为一最小期望值的视距外以较大的入射角观察时，能感受到一亮度均匀的外观。
传统的反光立体角单元的阵列是由一单一型的配对，也就是旋转180°后所得的几何对称的立体角反光单元构成的。这些相配的对一般相在一共同的参考平面上的高度相同。图6中形状相配的一对立体角反光单元44，45正是这种相配对的一个实例。美国专利第3,712,706号(Stamm)、美国专利第4,588,258号(Hooman)、美国专利第1,591,572号(Stimson)和美国专利第2,310,790号(Jungersen)中所示的正是关于传统的阵列的这种基本的配对概念的其他实例。美国专利第5,122,902号(Benson)中揭示了另一对具有重合的底边的立体角反光单元的例子，但是这些底边也可相互邻近地设置或是沿着一分隔面彼此相对。
德国专利DE42,42,264(Gubela)中揭示了另一种型式的配对的立体角单元，其中具有形成在一菱形体范围内的微—双三个一组(micro-doulle triad)的结构以及两个单独的三个一组(Singletriads)的结构。在工件上通过使用60度的车削角和诸不经过彼此相交于一个点之磨削方向而形成这种结构，并使只在两个方向上具有一共同的交点。
如图7所示，上述诸立体角反光单元阵列包括诸非倾斜的立体单元，它们具有单独的、垂直于一基面48的对称轴线46，47。该对称轴线是一中心轴线或光学轴线，它是由单元的诸侧面所构成的内角或两面角的三等分线。然而，在一些实际应用的场合下，将配对的立体角反光单元的两对称轴线倾斜地设置成不垂直于基面是很有利的。由倾斜的立体角单元结合而成的阵列能在入射角范围很大时反射光线。如图8和图9所示，美国专利第4,588,258号(Hoopman)中揭示了上述情况。Hoopman发明的结构具有三组平行的V形槽49，50，51，它们互相交错以在阵列55中形成配对的倾斜立体角单元53，54。所有槽49，50，51的两侧均形成了阵列55中诸立体角单元光学表面。
图9说明了立体角单元53的对称轴线57，以及立体角单元54的对称轴线58。这两根轴线相对垂直于基面63或单元前表面的那一根线60所倾斜的角度为φ。所述基面通常与一包括诸立体角单元阵列的片材的前表面共面或平行。立体角单元53和54是几何对称的，当围绕在基片平面内的一轴线旋转时，所述单元展现出相对入射角的对称的反光特性，而且具有互不平行的诸对称轴线。入射角通常为射入前表面的光线和线60所成的夹角。
倾斜可以是向前的也可以是向后的。Hoopman的专利所揭示的结构中，折射率为1.5，倾斜度为13°。Hoopman还揭示了一种倾斜角为9.736°的立方体。这种几何形状代表了开槽刀具不破坏诸立体光学面情况下传统阵列中立方体的最大前倾角。当刀具削除相邻两单元的边缘部分时，所述的破坏通常发生在第三槽的形成过程中。例如，如图8所示，为了使前倾角超过9.736°，立体边65先由两个槽49，50形成，然而可能在形成主槽51时被切割掉。而美国专利第2,310,790号(Jungersen)却揭示了一种倾斜方向与Hoopman的专利中相反的结构。
对这些传统的阵列而言，可用实际的反光表面积所占的百分比，也就是所包含的有效面积或有效孔径，来方便地限定其光学性能。有效孔径率(percent active aperture)是倾斜量、折射率以及入射角的函数。例如，图10中的阴影小区68正是表示了阵列42中单个立体角反射单元的有效孔径。图10中所示的有效孔径是一尺寸和形状都均匀的六边形。该等边的基角为60°—60°—60°的几何阵列在0°入射角的条件下，其有效孔径率约为67％，这对于传统的三槽组阵列而言可能是一最大值。
在零度入射角的情况下，传统的阵列至多有两个尺寸差不多但形状不同的孔径。这是因为传统的立体体角单元只有单一型式几何对称的配对的缘故。虽然孔径的形状受倾斜度的影响，但传统倾斜的立体角单元的阵列仍呈现出类似的趋向。
如美国专利第5,171,624号(Walter)中所揭示的，从传统的接近正交的立体角阵列中的有效孔径衍射而来的光线在能量分布图案或称发散轮廓会产生不希望的偏差。这是因为在传统的阵列中所有有效孔径的尺寸几乎相同，因而在反光过程中的衍射程度也大致相一些传统的立体角阵列在制造过程中还另受到一些光学上的限制，这些限制可能源于倾斜设计或其它的一些设计特征，以在一定的情况下需要非常特殊的性能。美国专利第4,349,598号(White)揭示的是这种结构的一个例子。图11和图12分别从侧面和平面示出了White发明中的极度倾削的情况，它和传统立体单元设计的一个几何局限相关。在这种设计中，立方体的结构73来自于一对分别具有对称轴线77，78的立体角单元74，75。立体角单元74，75均向后斜削到在此其基底三角形消失了的点，因而便产生了两个垂直的光学表面79，80。这种情况发生在立体角顶点81，82位于底边83，84正上方而且基底的三角形合成为一矩形。只需用具有相对切割面的刀具切割出两组槽便可在一基片上产生这种立方角结构。其中一个槽组具有V形切口85，而另一槽组具有一如沟槽86的矩形切口。在阵列73中，所有的槽85，86的两侧都形成了立体角单元的光学表面。在White的设计中，成对的立体角反射单元经过特殊的布置，以便能在一较大的入射角时具有一大的有效孔径。
美国专利第4,895,428号(Nelson等人)揭示了一种对传统的立体角阵列以及对White的设计的进一步的改进型式。侧视图13和平面图14所示出的Nelson等人的立体结构87是通过减小White设计中单元73的长度以及通过去除立体单元的垂直光学面79，80之一而获得的。和White的设计一样，Nelson等人结构的制造也只需要两个槽组88，89。所有的槽88的两侧面都用来形成阵列87中的诸立体角单元光学表面。Nelson结构也必须具有至少一个垂直的反光面。通过将用于形成White结构中方形沟槽的刀具换成一偏刀即可完成这一结构。Nelson等人所用的刀具中，用刀具的后面形成了一非反光的表面90，而用刀具的垂直面形成了一反光的垂直面92。
通过使用以下所述的非对称型立体角反光单元结构和制造方法可以克服传统的立体角反光单元存在的结构上和光学上的局限。使用这种新型的非对称型立体角反光单元的结构和制造方法允许有多种形状的立体角单元。例如，在一单个阵列中的立体单元可容易地制成具有不同的高度和非垂直光学表面的隆起的、非连续型几何结构。非垂直型的立体表面更容易金属化、加工以及复制。使用非对称的方法和结构还可以制造出具有适应性很强的非对称光学性能的立体单元。例如，对包括零度在内的很多入射角而言，非对称型结构要优于传统的结构，其或者提高了有效孔径率，或者改进了发散形状，或是两者兼而有之。非对称的制造技术还加强了光学性能，这是因为间隔很近地互相混杂、具有不同有效孔径形状和尺寸的立体单元造成的。无论是在白天还是在夜晚进行观察，都能在一很大的观察距离范围内观察到非对称阵列的更为均匀的外观。非对称型立体角单元的这些优点进一步加强了具有这些单元的制品的使用性。这样的制品包括例如交通控制材料、汽车的反光标记、光电传感器、直接的反射器、以及用于人或动物的反光类服装等。
用成对立体单元形成的传统阵列中的一半单元在一特定入射角下很少能有效地反光。非对称型立体单元并不是从这种简单的立体单元的配对或是该传统的成对立体单元的变型所获得的。所以，非对称的阵列能在传统的阵列无法光学有效的小区内布设光学有效的立体单元。
使用非对称型立体单元的制品无需如传统一些的立体角单元那样在每个立体角单元中至少有一个垂直的光学面。由于这样节省了制造垂直光学面的劳力和成本，因而带来很大的好处。
非对称型的立体角阵列可以是简单的或是复合的构造。制造出非对称型立体角单元靠模阵列及其多代的复制品将带来各种适用性极强的光学性能并且节约成本。这些和其它一些优点将在下文中更为详细地描述。
一适于形成本发明的反光表面的基片可以是任何适于形成直接可机加工的槽或槽组的材料。合适的材料应该是在机加工成形时光整而无毛刺的，其塑性较低，颗粒度较低，而且在槽形成后能保持尺寸的精确性。所述的材料可以用可机加工的塑料或金属。合适塑料包括诸如丙烯酸之类的热塑性或热固性材料。合适的金属包括铝、黄铜、镍和铜。有色金属是较佳的材料。较佳的机加工材料还应该能使槽的形成过程中刀具的磨损减至最小。
图15揭示了一种制造可直接机加工的非对称型立体角单元阵列的靠模的方法。一可直接机加工的基片100上有多条布置在两个非平行的组内的平行槽，所述非平行组的槽之间的间距可变。所述的诸槽是用刀具穿过基片100上的单个或多个通道形成的。每个槽最好是用这样一种刀具来形成，即，该刀具仅有一用来切割出非垂直的光学表面的单侧构造，而且在形成每个槽的过程中，其相对于基片的取向基本保持不变。每个槽形成了可由光学的或非光学的诸立体角单元组成的多种几何结构的诸侧面。
更具体地说，制造一非对称型立体角单元阵列的方法包括在基片100内沿一第一通道切割出平行槽106的第一组槽104。接着，沿基片100的一第二通道直接机加工出平行槽108的第二组槽107。对第一和第二槽组(也被称作次级槽或次级槽组)进行加工可以形成多个菱形的或钻石形的局部副立体单元(partial cube sub-element)109，为了易于辨识，用加深的阴影线示出了这样一个单元。如图15，17和19所示，每个局部副立体单元包括两个正交的光学面110。较佳的是，槽106和108中只有一个侧面形成为局部副立体单元109上的正交面。诸次级槽在点114位置上相交。在这一点上，非对称阵列可以和传统的阵列作比较，这可以参照比较相类似的视图1和15，2和19，3和17，以及5和18。次级槽形成之后，可沿基片100内的一第三通道切割出一第三或称主槽组。图18中的虚线示出了一和次级槽组106和108相交错的代表性的主槽116。下文将结合图20中所示的槽组128和(诸)槽130来详细描述这样的(诸)主槽。
每个次级槽106，108最好是用图16中的一实例所示的一新颖的半角刀具118来成形。半角刀具118通常装在一带杆轴线124的杆119上。半角刀具118包括一用来在基片100上切割出诸反光表面的切割面120、以及一后面122。后面122可以实际上切割基片100，但它最好不用来切割或成形光学反光表面。尽管后角X最好是在0°—30°之间，但它也可以是其它任何角度。在图15和图17—23中，后角X为0°。如图16所示，刀具侧面角Y是非零的，最好用来特定地形成正交的或几乎正交的立体光学表面。这样便提供了一种只具有单侧构造来切割出一立体角单元的光学表面的较佳的刀具。
如图16所示，半角刀具118一般偏离刀杆轴线124而装于刀杆上，并使刀具的侧面角Y和后角X不相等。在这种情况下，刀具轴线在直接机加工的过程中垂直于基片。或者，也可将半角刀具装在以刀杆轴线124的中心处，这时，侧面角Y等于后角X，而在直接机加工的过程中，刀具的轴线124相对基片倾斜。用偏刀和直接机加工过程中相对倾斜的刀杆的这种取中间情况的组合也有利于在基片上产生所希望的槽侧面角和后角。在图15和图17—23中，次级槽106，108的槽侧面角是相同的。然而，也可用不同的槽侧面角，以相对于次级槽作不同的变动以便保持诸正交的或近似正交的局部副立体单元表面。
在次级槽形成之后，最好沿一基片100内的一第三通道切割出一至少含一个槽130的第三或主槽组128。图20和图21中示出了多个附加的平行的主槽130。第三槽组128是在局部副立体单元上贯穿地被切割而成的，因而(诸)主槽和局部副立体单元的正交面相交而形成了具有顶点137，138，139的非倾斜型立体单元134，135和136。诸主槽130和诸次级槽可以单独的相交，也可以在次级槽的交点上相交。制造非对称型立体角单元的方法的另一种实施例是用构造类似于半角刀具118的至少一个刀具，以任何次序直接在基片100内加工出三个非平行的槽组。
本发明还包括这样一种反光立体角单元，它是一直接机加工出的基片的复制品，所述基片上加工了多个包括诸立体角单元的几何结构。在本发明的这一实施例中，每个立体角单元都由来自基片内每三个平行槽组中的至少一条槽所界定。至少一个槽组中的至少一条槽的仅一个侧面形成了立体角单元的光学表面。已经认识到，本发明的形成立体角单元的方法中，诸槽或槽组可以包括不同于在已有技术的制品中界定或形成的立体角单元的范围和意义。例如，在已知的制品中，刀具需要多次通过后才能形成一单个的槽。
该方法的其它实施例包括了一制品或该制品的复制品的形成方法，该方法进一步改进了反射光线图案的形状。这些实施例包括在至少一个槽组中的至少一个槽侧面角，它和由诸槽侧面所定义的单元的其它面正交所必须的角度有所区别。类似地，至少一个槽组可包括至少两个彼此不同的槽侧面角的重复图案。开槽刀具的形状或其它技术可使至少一些立体单元的至少一个立体角单元光学面的至少一个重要的部分是弧形的。该弧形面可以是向里凹的或向外凸的。该最初由一个槽组中的一条槽所形成的弧形面，沿平行于所述槽的方向上是平的。该弧形面可是其轴线平行于所述槽的圆柱体面，或者，它也可是沿垂直于所述槽的方向上具有可变半径的曲面。
图20进一步揭示了非对称型的立方体阵列141，其中的主槽130不在次级槽106，108的交点114上穿过。诸主槽130以次级槽的交点114为中心等距离地间隔。阵列141还显示了非对称型立体角技术的另一新颖的特征。特别是，揭示出了一种用直接机加工出三组非平行、非互相交错的槽来制造一立体角制品的方法。较佳的是，这些槽组交错的角度不超过90°。已经认识到，一定的加工误差会无意中导致槽和相交点分开。然而，本发明涉及了有意识的而且真正的分开。例如，第三槽组中的至少一条槽与另两个槽组中的诸槽的交点之间的间距大于约0.01mm的话，便能体现这一特征的好处。然而，这一精确的最小间距要取决于特殊的刀具、基片、加工控制及所求的需要的光学特性。
非互交的诸组槽能产生具有不同有效孔径尺寸和形状的单个立体角单元。甚至可以用一互交和非互交的诸组槽的组合所产生的诸立体角来形成阵列。控制诸槽组的位置可在一所需的入射角范围内产生最大的总光线反射。还有，至少一个槽组的诸槽之间的距离可不等于至少另一个槽组中诸槽之间的距离。还可能在基片上以重复的方式机加工出至少一组平行槽，该槽组中诸槽之间的间距可在加工该槽组的每条槽时随意改变。再有，任一槽中的一部分的深度可以加工得和至少一个其它槽的深度不同。
图21和图22说明了在基片100上直接机加工出一槽的过程中形成的诸立方体表面。槽108是通过在众多立体角单元上机加工出的诸表面147形成的，槽106由诸加工面150形成，而槽130由诸加工面153形成。图20—22示出了(诸)刀具是如何用本发明的方法同时形成一个以上光学表面的。图21示出了多个光学表面，其中，立方体顶点137，138，139分别位于一共同的参考面154上方为不同的高度之处。非对称立体角单元阵列最好是由至少三组平行槽形成，其中至少一组槽中的至少一条槽的仅一侧面组成为诸立体角单元光学表面。
图23是图22所示非对称型反光立体角单元阵列141的一部分的平面图，其中的阴影小区155，156，157代表三个互相混杂、互相接近、而且分别对应立方体单元134、135和136的不同的有效孔径。传统的、非倾斜型、具有一等边基底三角形(equilateral base triangle)的立体角单元阵列在0°入射角时的最大值的有效孔径率仅约67％。然而，与图22和图23所示相类似的非倾斜型不对称立体角单元阵列在0°入射角时的有效孔径率大于70％，甚至可高至约92％。
图15和图17—23揭示了一种用后角X为零度的半角刀具118制造的阵列。该刀具的轴线124在直接机加工的过程中垂直于基片。非零度的后角X被用来加工图24中的阵列158以及产生非垂直的不反光的后面160。非对称阵列的制造方法赋予了后角选择的灵活性，可控制地选择使后角增大而造成的有效孔径率的损失。再者，非垂直的后面160对制造过程很有帮助，而且也无需因垂直面的互锁而将复制品机械地分离。
图25中示出了有效孔径形成时后角的作用，图中的阴影小区155，161，162表明在0°入射角时的不同的有效孔径。这一非倾斜型的几何结构具有3°的后角，在使用非对称型立方体设计的情况下，有效孔径率可能达到84％。另外，多种不同尺寸的孔径在阵列158中是互相混杂的而且靠得非常近。该非对称型阵列的例子的突出点在于它至少具有一重要的、与传统阵列不同的特征。本发明的非对称型阵列允许制造出不反光的近似垂直的光学面。这便使得立体角单元的生产更具灵活性，能生产出非常适合于特殊需求的立体角单元设计产品。
图26和图27说明了一具有向前倾斜21.78°的对称轴线的非对称型阵列165。这个前倾数量超过了传统的立方体阵列的9.736°的限值。每个主槽167均具有一4°的后角，而每个次级槽169，170均具有一20°的后角。诸次级槽交点171之间有一间距D1。诸主槽167等距离的间隔开，其间距也是D1，而且离每个相邻的交点171有0.155D1的间距。该种图案设计重复出现在其它局部副立体单元的设计中。在图26的阵列中有分别表示为172，173，174的三种不同类型的立体单元。三面体177是一个用非对称型立体单元的技术制造的结构的实例，由于其三个面不是正交的，因而无反光的作用。
图27示出了具有多种不同尺寸和形状的有效孔径184，185，186，它们互相混杂而且彼此靠得非常近，并且分别对应于立体单元172，173，174，此时入射角为60°，折射率为1.59。在这些条件下，阵列165的总有效孔径率约为59％。这种设计对那些需要大入射角和高亮度的使用场合，例如人行道标记、公路分隔标记、隔离栏之类是很有益的。
图28和29是倾斜型非对称阵列165的侧面剖视图。图28示出了一具有对称轴线188的立体单元172。图29示出了分别具有对称轴线189和190的立体单元173，174。尽管每个反光立体单元172，173，174的形状不同，但它们的对称轴线188，189，190却基本平行。图29说明了一光线187以60°的入射角进入阵列165的光路。
倾斜型非对称立方体设计中的这种新颖的入射角特性(entrance angularity performance)部分地源于每个非对称阵列中的不同类型的诸立体角单元具有共同的对称轴线的取向。这和传统的倾斜型立方体设计的非平行对称轴线的情况正相反。所以，本发明的另一实施例包括了这样一种制品，它由一可机加工的基片构造而成，所述基片上具有多个包括在基片上的多条槽之间的诸反光立体角单元的直接机加工出的几何结构。每条槽都和其它槽相交成除90°以外的角度，每个立体角单元的对称轴线均和其它单元的对称轴线基本平行。每个立体角单元的斜削角最好是在向后35°和向前54°之间。本发明可制得该制品的包括多代复制品的反光复制品，这些复制品具有和由基片机加工而成的靠模制品(master article)相同的发明特征，因而所有复制品和靠模制品都在本发明的范围之内。
本发明可将多种先前未知的新颖结构组合起来，在有关反光立体角单元的设计和制造的已有技术中是不可能的。图30和图31分别是非对称型立体单元阵列191的平面图和侧视图。阵列191包括多个由以82°，82°和16°的夹角相交的主槽和次级槽形成的立体角单元。诸主槽在阵列191内是等距离间隔的，其中一些主槽和次级槽相交于交点194处。在该实施例中，主槽195的后角为30°，而次级槽196，197的后角为3°。该实施例中形成了多个不同的反光立体角单元198，199，200，201，202，203和204，这些单元的相对高度都是不同的，并且各具有三或四个侧面。用已有的制造技术绝对是不可能有这些特征的。
当光线208以60°的入射角进入材料折射率为1.59的阵列191时，阵列显示出如图32所示的一例外的63％的有效孔径率。这一有效孔径率代表了多个具不同尺寸和形状的孔径212，213，214，215，216，217和218的组合光学特性，所述的孔径互相混杂而且靠得非常近，并且对应于反光立体角单元198，199，200，201，202，203和204。阵列191也对那些在大入射角条件下需要有高亮度的场合，例如人行道标记、公路分隔标记、隔离栏之类是很有益的。
如上所述，用非对称的制造方法可以克服很多传统的立体角单元的设计中的缺陷。在一些非对称的设计中，在一单一阵列的多种立体单元的一部分中可出现具有一些传统几何结构的立体面。然而，用非对称的方法和结构不会受到传统的立体单元之形状和性能上的通常的局限性所限制。
非对称的立方体设计的另一优点是在阵列的一个方向上获得了改善的入射角特性。这种设计特别适于在一希望的入射角时提供峰值光反射(peak light return)。图33是示出了图26中所示材料折射率为1.59的非对称型反光立体角单元阵列的百分有效面积/有效孔径率与入射角的关系的曲线图228。非对称单元的基于入射角的光学性能能达到以前立体角单元设计和使用领域不可能达到的效益和优点。所以，本发明的另一实施例包括了这样一个反光制品或复制品，当该制品在绕着被机加工的基片所在的平面内的一轴线旋转时能显示出不对称的入射角性质。较佳的是，该制品是通过直接机加工一基片以在三个不平行的槽组之间形成诸立体角单元。
图34进一步说明了这种新型制品的非对称的光学性能。在图34中，用百分有效面积/有效孔径率与入射角之间的关系曲线表示了该制品的光学性能，其中示出了折射率均为1.59的传统的设计以及非对称的设计。线232表示图8所示的一传统的55°—55°—70°的几何阵列的特性；线235表示图6所示的一传统的60°—60°—60°的非倾斜型几何阵列。与之相对比的是，线244表示的是图24所示的非倾斜型不对称阵列。通过将传统的数据线232和235与本发明的非对称型数据线244作对比可以看出，用一非对称的结构可以达到较高的有效孔径率(active aperture percent)。非对称阵列在大约25°入射角时超过了传统阵列的有效孔径率。
这一非对称的几何结构特别有益于用在那些需求相当总反射光的反光片的场合，例如交通控制材料、汽车的反光标记、光电传感器、内照明信号以及反光类服装等。非对称的技术的加强了的光学性能和设计的灵活性直接改善了产品的性能和销售前景。
反光片的总反射光是有效孔径率及反射光强度的乘积。尽管立体几何结构的一些组合情况中的有效孔径率较高，但入射角、折射率、以及光强度的减弱都会导致总反射光相对变弱。取决于反射光的全内反射的反光立体角单元的阵列就是一个实例。如果在一个立体面上超过了全内反射的临界角，那么光强便会大大削弱。这种情况下，在阵列的一部分上使用金属的或其它反光涂层将会是很有利的。这里所谈到的一部分可以是阵列的一部分或全部。
取决于全内反射的非对称型立体角单元阵列的结构是这样的，即，对所有立体单元同时发生全内反射被破坏。这与传统的阵列不同，传统的阵列是基于配对的立体单元，其中只有一半具有已给定的几何形状、入射角和折射率的立体单元的全内反射被破坏。所以，取决于全内反射的非对称立体角单元阵列在用于例如航海通道标记以及被迫降用的机场跑道标记场合中采用的方向反光器是有利的。
复合倾斜这种技术就是组合几个具有不同取向的立体角单元的小区。该技术和传统的阵列相结合，使得片材无论何种取向都能在大入射角的条件下获得均匀的视感。然而，利用复合倾斜可对非对称阵列以及包含非三角形基底的棱柱形立体角阵列(anays comprisingnon-triangear based cube corner prisms)进行进一步的变型。
参见图35，其中的复合阵列252包括几个如图26所示的非对称阵列165小区。每个小区165的尺寸和形状都类似，但每一小区的取向相对于邻接的小区差180°。图36示出了这种特殊的复合倾斜布置对有效孔径率的作用。数据线228代表阵列165的有效孔径率对入射角的情况。作比较用的数据线260表示了复合阵列252在最宽的入射角范围内相对于不同的入射角能保持基本恒定的有效孔径率。在一复合阵列内的多个小区165的组合光学效应对于那些在很大入射角范围内需要一大致恒定的亮度的场合是很有用的。数据线260还说明了当围绕一在复合阵列的平面内的轴线旋转时，非对称型立体角单元的诸复合倾斜小区能提供一对称的入射角性质。
诸非对称阵列的小区可以具有不同的尺寸，相对于邻近的小区其取向可以是相差180°以外的任何角度。各小区的尺寸可根据特定的需要来选择。例如，在应用于交通控制时，需要足够小的小区，以致在最小的所需观察距离上无法用肉眼加以分辨。这便为复合阵列提供了一致的视感。或者，对于航道标记或方向反射器，则需要足够大的小区，大到它们在最大的所需观察距离上也能很容易地用肉眼加以分辨。
图37是本发明一实施例的侧视图。该视图示出了一个和图21中所示阵列141相类似的一非对称阵列264的一部分，但本发明的该实施例也可以用于其它的阵列设置方案。图37进一步说明了在一共同的参照平面上设置诸高度不同的几何结构的这种非对称制造方法的好处。这些结构包括单独的反光立体角单元268，269、非反光锥体、截头锥体、柱体282、或位于共同参照平面274之上的其它结构。
从原始基片上加工出来的立方体顶点271，272或其它特征可以受到切削以用于特殊的用途。可以用各种不同的技术来进行切削，例如，对切割槽的深度加以控制，或者在主槽和次级槽形成之后再进一步切削基片材料。
直接机加工的反光立体角制品经常设计成具有一复盖在反光制品上的密封膜，以将一低折射率材料(例如空气)保持在靠近诸反光单元处，从而改善其光学性能。在传统的阵列中这种介质经常与立体角单元直接接触以减弱总的光反射。然而，用本发明的这种新颖构造，一密封介质280可放在阵列的最高表面283上而不接触因而也不减弱较低处的反光立体角单元的光学性能。最高表面可包括立体角单元、非反光的棱锥体、截头锥体、柱体或其它结构。在图37中，最高表面283已被削平。虽然由于加工误差或非正交性的故意诱导会导致槽的位置或立体角单元的夹角的稍微的不均匀性会使高度略有变化，但是这些变化并非类似于揭示和讲授在本发明中的变化。对于一使用密封介质的阵列来说，诸切削平面可用来将介质保持在立体角单元的上方并增加片材的透光性。可以通过用一种透明的或局部透明的密封介质来增加片材的透光性。
图38是本发明另一实施例的侧视图。该视图示出了和图37中所示阵列264的一部分相类似的一非对称阵列285，而图中有一分隔面288。几何结构295，296的侧面292，293形成了分隔面的界边299，300。所述侧面可以是立体角单元的光学表面或者是后面。当横剖分隔面288时，它具有平的或弯曲的部分。
分隔面可以被有利地用于增强光在包括柔性片材的、利用非对称反光立体角单元的片材之透光性或透明度。例如，这对于通常用注塑的方法模制出来的汽车信号灯反射器之类的制品特别有用。在图38所示的实施例中，分隔面是和最高面283的削平面相结合，但也可以将这两个特征单独地加以利用。分隔面288可以用一个具有平或弯形刀头的刀具来成形，或者也可以在立体角单元阵列的靠模之复制品上进一步地去除材料而形成。
用于本发明的反光制品或片材的适当材料最好是透明材料，它们的尺寸稳定、耐用性好、经得起气候变化，并且易于复制成所需的形状。适合的材料例如包括玻璃；折射率大约为1.5的丙烯酸树脂，诸如由Rohm and Haas公司制造的PLEXIGLAS牌树脂；折射率大约为1.59的聚碳酸酯；如美国专利第4,576,850号和4,668,558号中所揭示的活性材料；诸如市售的E.I.Dupont de Nemours andCo.，Inc.制造的SURLYN牌的离子键聚乙烯；聚酯，聚氨酯；和醋酸—丁酸纤维素。聚碳酸酯是尤其适合的，这是由于它具有刚度和较高的折射率，因而通常可在一个较宽的入射角范围中改善反光性能。这些材料也可包括染料、着色剂、颜料、UV稳定剂，或其它添加剂。材料的透明度可保证分离或削平表面使光线通过制品或片材的那些部分。
削平的和/或分离表面的共用不会削弱制品的反光性能，反而会局部地提高整个制品的透明度。在一些需要局部透明材料的应用中，制品的低折射率将改善透过制品的光的范围。在这些应用中，增加透光性的丙烯酸树酯(折射率大约为1.5)是较佳的。
在完全反光的制品中，具有高折射率的材料是最可取的。在这些应用中，诸如用折射率大约为1.59的聚碳酸酯材料来增大材料和空气折射率之间的差别，从而提高反光性能。聚碳酸酯是因其温度稳定性和冲击强度一般也为人们所优取。
图39和图40示出了一包括多个立体角单元的非对称阵列305，其中的每个立体角单元都是通过主槽和次级槽以74°，74°和32°的夹角互相交错而成的。每条主槽308的后角为30°，而每条次级槽309，310的后角为3°。次级槽的诸交点313之间的间距为D2。三个主槽在局部副立体单元上位于和次级槽交点313相隔为0.20D1，0.55D1，0.83D1距离的位置。该图案在其它一些局部副立体单元中有重复。
在图39中有六个不同的立体单元型式，分别由数字316，317，318，319，320和321表示。由于三面体325，326的三个面不是正交的，故它们是不反光的结构。图40示出了在60°入射角和1.59的折射率条件下的六个有效孔径329，330，331，332，333和334，它们互相混杂而且彼此靠得非常近，并且分别和立体单元316到321相对应阵列305的有效孔径率大约为63％。不管是平行还是垂直于主槽，甚至于在60°的入射角情况下，该设计中的有效孔径形状都大致相等。这些大致环形的孔径形状所产生的光反射图案也是相对环形的，不会由于衍射而有很大的扭曲。与此相反，用于高入射角、高亮度场合的传统的阵列中所显示的加长的孔径形状将会大大扭曲光反射的图案。非对称阵列305特别适用于需要在大入射角下有高亮度的场合，例如人行道或航道标记、公路分离标记、隔离栏以及类似物。
对于本技术领域的熟练人员来说，不脱离本发明的范围和精神的多种变化和改变将是显而易见的。
权利要求
1.一种制造立体角制品的方法包括如下步骤a)提供一种由适于形成诸反光表面的材料制成的可机加工的基片；b)在基片内直接机加工出至少三组平行槽，从而在基片内生成多个包括诸立体角单元的几何结构；以及c)在至少一个槽组的至少一个槽的仅一侧形成诸立体角单元光学表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刀具同时切割一个以上的光学表面，在一共同的参考平面上方具有不同的高度的立体角单元上生成了多个光学表面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刀具包括一个后面，用来在每次通过时在至少一个立体单元上切割出一非光学的表面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，两个槽组内的诸槽的交点和第三槽组内的至少一个槽不重合。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，两个槽组内的槽的交点和第三槽组内的至少一个槽分开的距离大于约0.01mm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个槽组内的诸槽的交点和第三槽组内的诸槽可重合也可不重合。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在基片内一个槽的至少一部分的加工深度和至少另一个槽的深度不同。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个槽组的诸槽之间的间距不等于至少另一个槽组的诸槽的槽间距。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，任一槽组的槽间间距是可变的。
10.一种用权利要求1所述的方法制成的制品。
11.一种立体角制品，其特征在于，它是如权利要求10的制品的复制品。
12.如权利要求11所述的制品，其特征在于，所述制品是反光的。
13.一种反光立体角制品，它是一其上直接机加工有多种包括诸立体角单元的几何结构的直接机加工的基片的复制品，每个立体角单元都由每三组平行槽中的一组槽中的至少一条槽所界定，至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。
14.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少一个组槽内诸槽的间距不等于至少另一组槽内诸槽的间距。
15.如权利要求13所述的制品，其特征在于，任一组槽内诸槽的间距是可变的。
16.如权利要求13所述的制品，其特征在于，它在接近零度入射角的时的有效孔径率大于70％。
17.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少一个槽组内的至少一个槽构成了成为一分隔面的界边的几何结构的诸侧面。
18.如权利要求17所述的制品，其特征在于，所述制品是局部透光的。
19.如权利要求17所述的制品，其特征在于，如从某点并沿该点所在的任何表面剖开时，分隔面截面是弯曲的。
20.如权利要求17所述的制品，其特征在于，如从某点并沿该点所在的任何表面剖开时，分隔面截面是平的。
21.如权利要求13所述的制品，其特征在于，该制品包括一种可从以下的结构中选择出的结构，即包括交通控制材料、汽车反光标记、光电传感器、方向性反光器、反光类服装、以及反光标记。
22.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述制品包括在至少一个槽组中的至少一个槽的侧面角，它不同于那些会和由槽的诸侧面所定义的诸单元的其它面产生正交的角度。
23.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少一个槽组以一重复的图案，包括至少两个彼此不同的槽侧面角。
24.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少一个立体面上的重要部分是弧形的以改进反光图案的形状。
25.如权利要求24所述的制品，其特征在于，所述弧形面是凹形的。
26.如权利要求24所述的制品，其特征在于，所述弧形面是凸形的。
27.如权利要求24所述的制品，其特征在于，所述弧形面是大致圆柱形的，该圆柱面的轴线大致平行于界定所述弧形面的槽。
28.一种制品的制造方法，所述制品具有多种包括诸立体角单元的几何结构，这些单元是通过在一可机加工的基片上以任何次序加工出三组平行槽而形成，所述方法包括如下步骤a)沿基片上的第一通道直接机加工出第一组平行槽；b)沿基片上的第二通道直接机加工出第二组平行槽；c)沿基片上的第三通道直接机加工出包括至少一个附加槽的第三组槽，使至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述两个槽组内的诸槽的诸交点和第三槽组内的至少一个槽不重合。
30.一种用如权利要求28的方法所制成的透明制品。
31.一种用如权利要求28的方法所制成的反光制品。
32.一种反光立体角制品，它是一其上直接机加工出多种包括诸立体角单元的几何结构的可直接机加工的基片的复制品，每个立体角单元都由每三组平行槽中的至少一条槽所界定，至少一组槽中的至少一条槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面，这样，当围绕一在基片平面内的轴线旋转时，该制品呈现不对称的入射角特性。
33.如权利要求32所述的制品，其特征在于，所述两个槽组内的槽的交点和第三槽组内的至少一个槽的之间的间距大于约0.01mm。
34.一种反光制品，它是一其上直接机加工出多种包括诸倾斜的立体角单元的几何结构的可直接机加工的基片的复制品，所述诸立体角单元设置在基片内多个交错成除90°以外任何角度的槽之间，每个立体角单元具有一对称的轴线，在制品中基本上每个立体角单元的对称轴线都基本相互平行。
35.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述两个槽组内的诸槽的诸交点和第三槽组内的至少一条槽不重合。
36.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述制品是透明的。
37.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述制品的一部分上有反光涂层。
38.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述制品在零度入射角时显示不同的有效孔径尺寸。
39.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少两个所述几何结构在一共同的参考平面上高度不同。
40.如权利要求13所述的制品，其特征在于，至少一种所述几何结构是削平的。
41.如权利要求13所述的制品，其特征在于，多个几何结构为隔开设置在较低的几何结构的上方的密封介质提供支承。
42.如权利要求13所述的制品，其特征在于，它包括至少两个几何形状，从平面图上看，至少一个形状具有至少四条边。
43.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述几何结构是多种不同的几何结构。
44.一反光立体角单元的复合片，它包括多个反光立体角单元的小区，每个小区组成一其内加工出多个立体角单元的直接可机加工的基片的复制品，每个立体角单元都由基片上的三组平行槽中的每一组中的至少一个槽所界定，至少一组槽中的至少一个槽的仅一侧形成了诸立体角单元光学表面。
45.如权利要求44所述的复合片，其特征在于，所述复合片包括至少这样一个小区，当围绕一在该阵列平面内的轴线旋转时，能显示非对称的入射角性质。
46.一种反光立体角单元的复合片，它包括多个反光立体角单元小区。每个小区包括一其上加工出多个立体角单元的直接可机加工的基片的复制品，所述诸立体角单元设置在基片上多条交错成除90°以外任何角度的槽之间，每个立体角单元具有一对称的轴线，至少在一个小区内的基本上每个立体角单元的对称轴线都基本上相互平行。
47.如权利要求44所述的复合片，其特征在于，在零度入射角时，至少一个小区显示出至少两个不同的有效孔径尺寸。
48.如权利要求44所述的片材，其特征在于，至少一个小区包括多个几何结构，其中至少两个几何结构的在一共同的参考平面上的高度不同。
49.如权利要求44所述的复合片，其特征在于，当围绕一在所述阵列平面内的轴线旋转时，所述复合片显示对称的入射角性质。
50.如权利要求32所述的制品，其特征在于，所述两个槽组内的诸槽的诸交点和第三槽组内的至少一个槽不重合。
51.如权利要求34所述的制品，其特征在于，所述两个槽组内的诸槽的诸交点和第三槽组内的至少一个槽不重合。
52.如权利要求32所述的制品，其特征在于，所述几何结构包括多个不同的几何结构。
53.如权利要求34所述的制品，其特征在于，所述几何结构包括多个不同的几何结构。
全文摘要
一种制造一立体角制品(191)的方法包括如下步骤提供一种适于形成反光表面的可机加工的基片；在基片内形成多个包括诸立体角单元(198-203)的几何结构。形成诸立体角单元(198-203)的步骤包括在基片上直接加工出至少三组平行槽(197，196，195)，使至少一个槽组中的至少一个槽的仅一侧形成诸立体角单元光学表面。
文档编号G02B5/124GK1133091SQ94193784
公开日1996年10月9日 申请日期1994年10月20日 优先权日1993年10月20日
发明者G·M·本森, K·L·史密斯 申请人:美国3M公司