专利名称：调制回射物体的制作方法
技术领域：
本发明涉及呈现调制回射的回射物体领域。
背景技术：
长久以来，夜间对物体和人的能见度一直是一个问题，这对于诸如卡车和汽车之类车辆的驾驶者更是如此。增加它们夜间能见度的方法可以是有源(active)或者无源的(passive)。有源系统通过提供稳定光源、闪烁光源或者稳定和闪烁光源的组合来提供能见度(conspicuity)。虽然有源系统提供能见度，但是它们必须供有能量，一般是电能，来提供所需的光。能源不是总能获得的，或者可能已经耗尽，从而光源不工作。结果，有源系统对于提供长期能见度的用途十分有限。
无源系统包括漫反射器、镜面反射器和/或回射器。回射器可将大量入射光返回到光源(诸如，汽车或卡车的前灯)，否则将反射到其他地方。回射器一般由小球构成(bead)(例如参见授予McGrath的美国专利号4，025，159；授予Bailey等人的美国专利号4，983，436；和授予Kult等人的美国专利号5，066，098)或者它们可包括立方角构件(cube corner element)(例如参见授予Coderre的美国专利号5，272，562和授予Smith等人的美国专利号5，450，235)。通过多个回射器，返回光量可使回射物体呈现出来，实际上当将从光源射在回射器上的至少一部分光返回到光源时，仿佛它具有自己的光源。虽然回射器返回大量光，但是入射光一般来自稳定光源(诸如前灯)。稳定入射光一般提供从回射器稳定返回的光。
研究者对于提高回射物体的能见度跨出了一大步。例如，Shusta等人在PCT公开号WO 97/41465和97/41464(美国专利申请08/640，326和08/640，383)中描述了一种曝光时闪烁的回射物体。荧光染料还用来提高能见度-例如参见美国专利号5，387，458和专利号3，830，682。最后，在美国专利号4，72，134中，描述了回射标记，它具有回射率(retroeflectivity)变化的区域以提高标记的能见度。
发明概述本发明提供一种提高回射物体的能见度的另一种方法。根据本发明，一种回射物体运用包括具有不同透射特征的至少第一和第二区域的前表面和包括回射区和分离区的后表面，提供调制回射。相对于在后表面上的回射区和分离区，排列在前表面上的第一和第二区域，从而通过前表面的第一区域将以第一角度入射到前表面的第一区域上的大部分光透射到在后表面上的回射区，在那里通过前表面向后回射。此外，通过在前表面上的第一区域将以第二角度入射在前表面的第一区域上的大部分光透射到分离区。
此外，前后表面操作光，从而回射物体提供入射光的调制回射，其中可以例如在回射或不回射、不同颜色的回射、不同亮度级的回射等等之间进行调制或变化。换句话说，当从稳定光源受到入射光时，在回射物体和光源之间的相对移动可导致来自光源的光的回射的变化或调制。当回射物体提供调制回射时，变化或变更将趋于增加回射物体的能见度。
本发明的一个方面是提供一种回射物体，它包括前表面，包括多个第一区域和多个第二区域，其中所述多个第一区域透射与所述多个第二区域不同量的入射光；与所述前表面相对的后表面，所述后表面包括多个回射区和多个分离区，其中由所述分离区将所述多个回射区相互分开；其中相对于在所述后表面上的所述回射区和所述分离区排列在所述前表面上的所述第一区域和第二区域，从而通过所述前表面的所述第一区域，将以第一角度入射到所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射到在所述后表面上的所述回射区，其中光通过所述前表面向后回射，而且通过在所述前表面上的所述第一区域将以第二角度入射在所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射到所述分离区。
在另一个方面，本发明提供一种回射物体，它具有包括多个第一区域和多个第二区域的前表面，其中所述多个第一区域发送与多个第二区域不同量的入射光，而且在前表面上的第一和第二区域排列成一般与第一轴对准的交替的柱，而且对于以第一角度入射在前表面上的光，多个第一区域基本上是透射性的，多个第二区域中的每个区域呈现从下列组中选出的一种或多种光学特征基本吸收、部分吸收、漫透射、部分透射、漫反射、镜面反射和回射；与前表面相对的后表面，所述后表面包括多个回射区和多个分离区，其中在后表面上将所述回射区和分离区排列成交错柱，所述柱一般与第一轴对准，而且具有一般横过第一轴的宽度，另外对于通过前表面透射的光，后表面上多个分离区中的每个区都呈现从吸收、透射和回射组中选出的一种或多种光学特征，其中从分离区回射的光的至少一种光学特征不同于在物体的后表面上的回射区回射的光；其中相对于在所述后表面上的所述回射区和所述分离区排列在所述前表面上的所述第一区域和第二区域，从而通过所述前表面的所述第一区域，将以第一角度入射到所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射到在所述后表面上的所述回射区，其中光通过所述前表面向后回射，而且通过在所述前表面上的所述第一区域，将以第二角度入射在所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射到所述分离区。
在另一个方面中，本发明还提供一种制造回射物体的方法，即提供包括多个第一区域和多个第二区域的前表面，其中多个第一区域透射与多个第二区域不同量的入射光；提供与前表面相对的后表面，由光学透射介质将后表面与前表面分开；在后表面上提供光可处理粘合剂(binder)溶液；提供最靠近后表面的多个回射小球，多个回射小球中的每个小球至少部分浸在粘合剂溶液中；定向通过前表面的光能以固化后表面上粘合剂溶液的所选区域，在后表面上形成回射区，其中在所选区域中将粘合剂溶液固化到足以保持大部分回射小球；并从在后表面上未固化的粘合剂溶液中去除回射小球以在回射区之间形成分离区；其中相对于后表面上的回射区和分离区在前表面上排列第一和第二区域，从而通过前表面的第一区域将以第一角度入射到前表面的第一区域上的大部分光透射到后表面上的回射区，光在那里通过前表面向后回射，而且通过前表面上的第一区域，将以第二角度入射在前表面的第一区域上的大部分光透射到分离区。
下面，结合本发明的实施例，更加详细描述根据本发明的物体和方法的这些和其它特征和优点。
附图简述
图1是根据本发明的回射物体的透视图。
图2是根据本发明的另一个回射物体的透视图。
图3是沿着线3-3截取的图2的回射物体的剖面图。
图4是根据本发明的另一个回射物体的剖面图。
图5a-5c是根据本发明的另一个回射物体的剖面图。
图5aa-5cc是示出在不同条件下图5a-5c的回射物体的外观的示意图。
图6是根据本发明的另一个回射物体的透视图。
图7是图6的回射物体的侧视图。
图7a是图6的回射物体的顶视图。
图8是沿着图6中的轴412截取的图6和7的回射物体的示图。
图9是根据本发明的另一个回射物体的透视图。
图10是根据本发明的另一个回射物体的透视图。
图11是根据本发明的另一个回射物体的剖面图。
图12是根据本发明的回射物体的光学性能的图解表示。
图13是根据本发明的另一个回射物体的剖面图。
图14是根据本发明的另一个回射物体的剖面图。
图15是在制造期间图14的回射物体的剖面图。
图16是图14的回射物体的前表面的平面图。
图17示出包括根据本发明的回射物体的衣服物体。
本发明的示例实施例的详细描述本发明提供包括两个光学表面的回射物体，它们在光源和物体之间相对移动期间一起提供接近物体的入射光的调制回射。回射的调制或变化特征可采取多种形式。例如，变化可导致回射即没有反射(即，开/关回射)、在两种或多种不同颜色之间变化的回射、回射光的亮度或强度变化、两种或多种不同闪烁回射(例如，开/关和不同颜色回射)、当回射物体的连续部分回射入射光时的明显移动，即回射物体可包括具有不同入射角或观测角度的回射部分。
特别是，不相对于在根据本发明的回射物体中的前后表面之间的距离，按比例绘制用于示出根据本发明的回射物体原理的示图。一般，在根据本发明的回射物体中，前后表面之间的距离将大于前后表面上的结构的尺寸。
虽然在回射期间对由根据本发明的物体回射的几乎所有光稍作移置(displace)或平移，当描述本发明的回射物体和物体对光的效应时，为了简化说明，一般忽略这些移置。
根据本发明的回射物体以两个相对表面提供调制回射，其中前表面至少包括透射不同光量或不同类型光的第一和第二区域，和包括回射区和分离区的后表面。由于后表面包括至少提供两种不同光学效应(例如，回射和吸收)的区域，所以通过前表面的透射差异导致根据入射光的引进角提供调制回射的物体。
此外，虽然将根据本发明的回射物体描述成具有前后表面，但是应理解，可将前表面和/或后表面本身插入一个物体的主体，即，可将前表面和/或后表面不暴露在用于提供本发明的回射物体的一个物体的外表面上。此外，可以单个、整体形式提供前后表面，或者运用两个或多主体提供前后表面。
此外，根据本发明的回射物体趋于对以相对于前表面的法线的相对较小角度接近物体前表面的光起到更好的作用。以离法线较大角度接近的光可能在前表面处大量反射，从而大大减小通过该表面的光透射。此外，即使透射过前表面的高角度光，也可能以在用于回射区中的回射构件或结构的工作范围外的角度，接近物体后表面上的回射区，从而导致有限的回射或者没有回射。
虽然一般将在回射物体前表面上的第一和第二区域和后表面上的回射区和分离区描述为呈规则形状和下述重复图案，应理解，它们还可呈不规则形状和/或不重复图案。其中在前表面上的第一和第二区域和/或在后表面上的回射区和分离区呈不规则形状和/或不重复图案的回射物体最好仍然呈现调制回射。在一些情况下，回射可呈现为闪光回射，其中回射物体的不同区域根据回射光的引进角，在不同时刻和以不同强度回射光。
图1是根据本发明的一个回射物体10的透射图，它包括前表面20和位于前表面20对面的后表面30。将来自光源42的光40入射到回射物体10的前表面20上。
后表面30包括多个回射区32，其中将上述回射区设计成将从前表面20入射到它们上的光向回射物体10的前表面20回射。分离区34位于回射物体l0上的每对邻近回射区32之间。
在较佳实施例中，回射区32和介入分离区34呈柱形，一般与轴12对准，并跨后表面30呈重复图案。然而，应理解，在后表面30上的回射区32和分离区34可以呈不规则形状和/或不重复图案。
分离区34可提供多种光学效应。例如，分离区34可透射(transmit)入射光，它们可吸收入射光，它们可以是镜面反射、漫反射或回射。此外，分离区可呈现两个或多个不同光学特性，例如，它们可包括吸收和透射部分或者其它组合。
如果每个分离区34的至少一部分是回射的，那么较佳的是它们呈现回射，即，在一些方面，与由回射区32呈现的回射不同。回射差异的一个例子是与从回射区32回射的光相比，从分离区34回射的光的亮度或强度有变化。回射差异的另一个例子是与从回射区32回射的光的颜色相比，从分离区34回射的光的颜色有变化。与分离区34相比的另一个差异是在回射区32中的回射结构的入射角或观测角。
回射物体10的前表面20包括多个第一区域22和多个第二区域24。第二区域24最好与第一区域22不同，即它们通过前表面20透射不同光量。通过不同光量，我们意味着第二区域24根据整个光强度、波长、偏振或一些其它特征，透射不同光量。相对于透射通过在前表面20上的第一区域22的光量，确定透射的光量。
例如，第一区域22可以是平滑和透明的，从而基本上透射所有正(或近似正)入射光，同时第二区域24几乎吸收入射到它们上的所有光。在另一种组合中，第一区域22可以是透射性的，同时第二区域24可以是反射性的，即，它们反射大部分入射光。在又一个组合中，第一区域22可以透射所有偏振取向(polarization orientation)光，同时第二区域设有偏振薄膜，它反射或吸收具有一个偏振取向同时以正交偏振取向透射光的大部分光量。在再一个组合中，第二区域24设有滤光器，它吸收具有一个特定范围的波长的光，同时第一区域22透射具有任何可见波长的光。在另一种变化中，第一和第二区域22/24可呈现不同颜色，从而回射物体10根据光的引进角呈现不同颜色回射光。在一些实施例中，第二区域24可呈现从一组吸收、漫透射、部分透射、漫反射、镜面反射和回射中选出的一种或多种光学特征。
在任一种情况下，通过第二区域24透射到后表面30上的回射区32的光量在一些情况下与通过第一区域22透射的入射在后表面30的回射区32上的光量不同。当与在后表面30上的不同回射区32和分离区34相结合时，这正是由在前表面20上的不同区域透射的光量的差异，其中上述后表面30提供来自根据本发明的回射物体的调制回射。
最好是相对于在后表面30上的回射区32和分离区34，排列回射物体10的前表面20上的第一和第二区域22/24，从而通过前表面20的第一区域22将以第一角度入射到前表面20的第一区域22上的大部分光透射到后表面30上的回射区32，在那里将光通过在前表面20上的第一区域22向后回射。对于以第二角度入射到回射物体10的前表面20上的光，通过在前表面20上的第一区域22，将以第二角度入射到前表面20的第一区域22上的大部分光透射到在后表面30上的分离区34。引进角的范围位于第一和第二角度之间，其中透射过第一表面22的部分光入射到回射区32上，而且将透射过第一表面22的部分光入射到分离区34上。
图2和3示出根据本发明的回射物体的另一个实施例。这里所示的回射物体110包括前表面120和后表面130。前表面120最好包括透射性第一区域122和第二区域124，在该实施例中，它们基本上吸收入射到它们上的所有光。回射物体110的后表面130包括回射区132a-132d(统称为回射区132)，以及分离区134a-134d(统称为分离区134)。最好以一般与轴112对准的柱形排列回射区132和分离区134(参见图2)。
回射区132最好包括多个回射结构136。较佳回射结构136是立方角构件，虽然应理解回射区132可包括其它回射结构，它包含(但不局限于)回射小球或球形、圆锥形回射构件和不同回射结构的组合。
在回射物体110中的分离区134最好是透射性或吸收性的，从而从前表面120入射到分离区134的光退出物体110或被吸收。透射性或吸收性分离区134的结构，是对于入射到前表面120上的透射性第一区域122上的光，只有当光的引进角能够允许光入射到后表面130上的一个回射区132上时，回射物体110才呈现回射。在光的引进角允许基本上所有光都通过第一区域122透射到在后表面130上的一个分离区134的情况下，物体110不呈现任何回射。将吸收入射到前表面的第二区域124上的光，而基本上不透射任何光。
图3包括示出本发明的操作过程的一系列射线140、150、160和170。应理解，为了下面的讨论，忽略通过前表面120的光的折射。
射线140以与轴114平行接近回射物体110的前表面120。射线140透射过第一区域122，并入射到后表面130上的回射区132a上，在那里再次向后回射。
射线150以相对于法线114成角度φ入射到前表面120的第一区域122上，在那里将透射到后表面130上的回射区132b。于是，射线150通过回射物体110的前表面120上的第一区域122向后回射。
射线160以相对于法线114成角度θ入射到第一区域122，并通过第一区域122向后表面130上的回射区132c透射，在那里再次向后回射。
射线170入射到前表面120上的一个第二区域124上，在那里被吸收，从而基本上不沿着它接近回射物体110的路径回射任何光。
为了本发明的目的，射线140示出“零阶”回射，即，沿着法线114从直接位于第一区域122的对面的回射区132a回射。射线150示出“第一阶”回射，即，从偏离直接位于第一区域122的对面的回射区132a一个区(one)的回射区132b的回射。类似地，射线160示出“第二阶”回射，即，从偏离直接位于第一区域122的对面的回射区132a两个区(one)的回射区132c的回射。可见，如果射线的引进角绝对值更大(相对于法线114)，或者如果在前后表面120和130之间的距离更大，那么光最终可透射达到偏离回射区132a三个区的回射区132d。这里，将这种回射称为“第三阶”回射。当然，这种原理可扩展到第四、第五、第六和更大阶回射而经历多种变化，诸如折射率、间距、前后表面之间的距离，等等。
从上面对物体110的描述，可见当光扫过一个引进角范围时，光以某些角度回射而不以其它角度回射，而且在整个角度范围内这些情况都会改变。最后结果是在光源和回射物体110相互相对移动从而光在前表面120上的引进角变化的情况下，物体110将呈现调制或闪光回射。
回射物体110的另一种变化是，偏移前后表面120和130上的区域之间的空间关系将导致回射物体110回射光的角度变化。在如图3所示的实施例中，将回射区132的中心与第一区域122的中心对准。应理解，可以相对于在前表面上的第一和第二区域122/124偏移在后表面130上的回射区132和分离区134的图案，而且这种变化将影响回射物体110回射或不回射入射光的角度。
图4示出根据本发明的回射物体210的另一个实施例。回射物体210包括前表面220和后表面230。回射物体210的前表面220包括第一区域222和第二区域224。在该实施例中，第一区域222镜面透射大部分入射光，同时第二区域224漫透射光。一般，第一区域222和第二区域224最好是柱形，并以重复图案设置。
回射物体210的后表面230包括回射区232和分离区234。回射区232和分离区234最好以一般与轴212对准的柱形排列。
在回射物体210中的分离区234最好是透射性或吸收性，从而从前表面220入射到分离区234上的光退出物体210或被吸收。透射性或吸收性分离区234的结果是，对于入射到前表面220上的透射性第一区域222上的光，只有当光的引进角允许光入射在后表面230上的一个回射区232上时，回射物体210才呈现回射。在光的引进角允许通过第一区域222基本上将所有光都透射到后表面230上的一个分离区234的情况下，物体210不呈现回射。
透射(但只是漫透射)入射在前表面的第二区域224上的光。结果，虽然一部分光入射在回射区232上，但是一般将该部分光回射回到漫透射的第二区域224，在那里再次漫透射。最后结果是物体210将回射透射过第二区域224的少许(如果有的话)光。
图4包括的射线240、250和260用来示出回射物体210的操作过程。应理解，为了下列讨论目的，忽略通过前表面220的光的折射。
射线240以相对于法线214成角度α接近回射物体210的前表面220。射线240透射通过第一区域222，并入射到后表面230上的回射区232之一，在那里再次向后回射。
射线250以相对于法线214成角度β入射到前表面220的第一区域222，在那里将它透射到后表面230上的一个分离区234。射线250透射过分离区234，如图所示，并不返回到前表面220。
射线260入射到前表面220上的第二区域224之一上，在那里漫透射该射线，从而基本上不沿着它接近回射物体210时的路径回射任何光。
从上面对物体210和代表性光线的讨论可见，当光扫过一引进角范围时，光以一些角度回射而不以其它角度回射，而且那些条件将在角度范围内交替出现。最后结果是，在光源和回射物体210相互相对移动从而光在前表面220上的引进角变化的情况下，物体210呈现调制或闪光回射。
图4的回射物体210还示出在前表面220的第一和第二区域222/224和在后表面230上的回射区232和分离区234之间的另一种关系，即，回射物体210在两个表面上的不同区域之间呈现相等间距。用在两个表面220和230中的每个表面上的不同区域的宽度表示该间距。每对邻近的第一和第二表面222/224表示在前表面220上具有宽度w1的一组，以定义了前表面220的间距。用w2定义后表面230的间距，它包括回射区232之一的宽度与邻近分离区234的宽度的组合。
应理解，特别是相对于前表面220，由第一和第二区域222/224的宽度定义的间距应足够大，从而这种结构的衍射效果在回射物体210的光学特征中不居主导地位。
图5a-5c示出，对于回射物体310，在前表面320和后表面330之间的间距差的作用，其中w1’不等于w2’(参见图5a)。图5a示出正入射光的效果，同时图5b和5c示出分别离法线成角度ε和φ入射的光的效果。在物体310的所示部分中，前表面320包括六对第一和第二区域322/324。将每对第一和第二区域322/324称为前单元(cell)326。结果，前表面320包括六个前单元326a-326f(统称为前单元326)。后表面330只包括五对回射区332和分离区334(为了讨论的目的，假设它们基本吸收入射到它们上的所有光)。将每对回射区332和分离区334称为后单元336。结果，后表面330包括五个后单元336a-336e(统称为后单元336)。
将在所示物体310的顶部和底部上的回射区332沿法线314与所示回射物体310的顶部和底部上的第一区域322对准，介入回射区域332不与在前表面320上的第一区域322对准。对于呈现间距误匹配比w1’∶w2’比如图5a-5c所示的更接近1的物体，可存在更大量的前后单元326/336，在它们之间，在前表面320上的第一区域322与在后表面330上的回射区332沿着法线314对准。为了简化说明起见，在图5a-5c中只描述6∶5间距误匹配以说明原理，该原理还可用于间距间更小的误匹配，即，比例接近1(例如，前后单元的比例为1001∶1000)，以及在前表面上的单元数量小于后表面上的单元数量。然而，无论怎样，应理解下面所述的效果还应用于根据本发明的原理构成的微结构回射物体的大区域内。
对于如图5a所示的正入射光，把入射到最上面前单元326a的第一区域322上的几乎所有光透射到回射区332a，而且把入射到最下面前单元326f的第一区域322上的几乎所有光透射到底回射区332a。结果，将回射入射到第一区域322a和322f上的基本上所有正入射光。
只把入射到第一区域322b和322e上的一部分正入射光透射到回射区332b和332d(分别)，而且只把一部分这种光回射回到各第一区域。结果，只回射入射到第一区域322b和322e上的一部分正入射光。基本上不把入射到两个中间第一区域322c和322d上的任何正入射光透射到一个回射区332。结果，基本上不回射入射到第一区域322c和322d的任何正入射光。
在图5aa中，最能看出，对于沿着它的法线观测回射物体310的前表面320的观测者的视觉效果是在与前单元326a和326f的位置相对应的物体310的顶部和底部出现两个亮回射带。在图5aa中将这些亮回射带描绘成白色(即，无阴影)。移向物体310的中心，较低亮度的两个带将紧接着回射亮带出现，其中较低亮度区域与前单元326a和326e相对应。在图5aa中用交叉阴影线表示这些中间或较低亮度带。在回射物体310的中央(与前单元326c和326d相对应)中，观测者没有观测到返回光，即，该物体310区域将显示暗。在图5aa中用纯黑色表示没有回射的单元。
图5b示出回射物体310对以相对于回射物体310的法线314成角度ε入射到前表面320上的光的影响。只将以角度ε入射到第一区域322a、322d和322f上的一部分光透射到回射区332a、332c和332e(分别地)。结果，将回射以角度ε入射到第一区域322a、322d和322f的一部分光。基本上不把以角度ε入射到第一区域322b和322c上的所有光透射到回射区332。结果，基本上回射以角度ε入射到第一区域332b和322c上的所有光。将以角度ε入射到第一区域322e上的基本上所有光透射回射区332d。结果，将回射以角度ε入射到第一区域322e上的基本上所有光。
在图5bb中可见，对于以相对法线314的角度ε观测回射物体310的前表面320的观测者的视觉效果将是出现一般与前单元326e的位置相对应的单个回射亮带。图5bb中将该回射亮带描绘成白色(即，无阴影)。一般与前单元326a、326d和326f相对应的区域将呈现相对于前单元326e全回射光较低亮度的带。在图5bb中用交叉阴影线表示这些中间或较低亮度带。前单元326b和326c基本上不返回以角度ε入射到物体310上的光，结果物体310的该区域对于以该角度观测物体310的观测者而言呈现暗。在图5bb中用纯黑色表示没有回射的单元。
图5c示出回射物体310对以相对于回射物体310的法线314以角度φ入射到前表面320上的光的影响，其中φ的绝对值大于如图5b中所示的角度ε的绝对值。基本上把以角度φ入射到第一区域322d上的所有光透射到回射区332c。结果，将基本上回射以该角度入射到第一区域322d上的所有光。只将以角度φ入射到第一区域322c和322e上的一部分光透射到回射区332b和332d(分别地)。结果，只回射以角度φ入射在第一区域322c和322e上的一部分光。基本上不将以角度φ入射到第一区域322a、322b和322f上的任何光透射到回射区332。结果，基本上不回射以角度φ入射到第一区域322a、322b和322f上的任何光。
如图5cc最佳示出，对于以相对于法线成角度φ观测回射物体310的前表面320的观测者的视觉效果是出现一般与前单元326d的位置相对应的单个回射亮带。在图5cc中将该回射亮带描绘成白色(即，无阴影)。与前单元326c和326e相对应的区域将呈现相对于从前单元326d全回射光较低的亮度带。在图5cc中用交叉阴影线表示这些中间或较低亮度带。前单元326a、326b和326f基本上不返回以角度φ入射到物体310上的光，结果物体310的该区域对于以该角度观测物体310的观测者而言呈现暗。在图5cc中用纯黑色表示没有回射的单元。
对以如图5a-5c和5aa-5cc中所示的各种角度入射的光的影响分析示出，将入射角(以绝对值)从法线增加到角度ε然后到角度φ的影响导致一般与在图5a和5aa中的前单元326f相对应的较低亮度带向上移到图5b和5bb中的前单元326e。该回射带进一步上移到图5c和5cc中的前单元326d。该相对移动对于一些应用十分有用，在这些应用中，亮度区域似乎相对于例如在移过回射物体310的车辆中的司机移动，因为这种移动导致对于来自车辆的灯的光以及观测者(即，司机)的入射角相对于回射物体310的法线移动。
提供对以宽角度范围接近回射物体310的光(包括正入射光以及以角度ε和φ接近的光)是回射性的区域340(见图5aa-5cc)是十分有用的。该回射区340可对从前单元326回射的光提供参照帧。运用该参照帧将帮助观测者辨清来自回射物体310的前单元326的移位回射。
应理解，如这里所述，测量基本上横过轴的在回射物体210和310上的各特征的宽度，其中较佳柱形的第一和第二区域、回射区和分离区一般沿上述轴对准。
虽然上面将在回射物体310中的分离区334描述成吸收性，但是应理解，分离区还可以具有其它光学特征。例如，在分离区334是透射性的情况下，把入射到它们上的所有光或部分光透射到分离区334的第一区域322呈现为暗或相对于基本上透射入射到回射区332之一的所有入射光的第一区域322是减小的亮度。另一方面，透射区域还允许观测最接近回射物体310的后表面330的表面或图象。
在另一种变化中，可用不同颜色回射带分开从回射区332通过第一区域322返回的回射带，其中分离区334包括回射结构，它回射的光具有来自从回射区332回射的光的一种或多种不同光学特征，如上所述。
图6-8示出根据本发明的回射物体的另一个实施例。回射物体410包括前表面420和后表面430。如上所述的本发明各实施例包括在它们的前表面上的第一和第二区域，其中在前表面上的区域的不同透射特性对于回射物体的操作都是很重要的。然而，回射物体410依赖于在前表面420和包括回射区432和分离区434的后表面430上的区域的不同反射性来提供调制回射。
光通过光学窗口414进入回射物体410，其中光学窗口414最好基本上是透射性的。较佳的是，前后表面420和430一般中平面。而且较佳的是，前后表面420和430通常相互平行。此外，较佳的是，端面415基本上在前后表面420和430之间延伸。
前表面420包括最好大部分光入射到其上的第一区域422和基本上反射入射到它们上的光比第一区域422反射的光更少的光的第二区域424。第一和第二区域422/424的光学特征可在下面一个方面或多个方面不同吸收、反射、部分反射、回射、反射角、透射、颜色、偏振，等等。
回射区432最好包括多个回射结构，典型的是立方角构件，虽然应理解回射区432可包括其它回射结构，诸如回射小球或球、圆锥形回射结构和其它回射结构。分离区434可提供如下面详细描述的多种光学效果。然而，较佳回射物体410包括反射分离区434。
较佳的是(但不要求)，将第一和第二区域422/424排列成一般与轴412对准的柱。最好将在后表面430上的回射区432和分离区434排列成一般与轴412对准的柱。
图7和7a示出两条光线440和460的路径，它们通过光线窗口414进入回射物体410。在该实施例中，较佳的是分离区434是镜面反射性的。
射线440通过光学窗口414进入回射物体410，在那里向反射第一区域422之一透射射线。从第一区域422，向分离区434之一镜面反射射线440。在分离区434处，向回射物体410的端面415反射射线440(通过全内部反射或通过反射材料)。
在回射物体410中，端面415最好是回射性，即，它回射入射到它上面的光。结果，从端面415向后朝分离区434回射射线440，在那里将它反射回到前表面420上的第一区域422。在第一表面422上，向光学窗口414反射回射线440，在那里从回射物体410回射射线。
射线460在光学窗口414上的点470处进入回射物体410，在那里将它透射到在前表面420上的反射第一区域422之一。从第一区域422，将射线460镜面反射到在后表面430上的回射区432之一。结果，向后朝前表面420上的第一区域422回射射线460。在前表面420，向后朝光学窗口414反射射线460，在那里它退出回射物体410并被回射。由于将射线460反射到在后表面430上的回射区432之一，所以它不能如射线440那样继续到端面415。而是，从它在回射区432上的入射点返回射线460，如图7和7a所示。
在该实施例中，较佳的是从后表面430上的回射区432回射的光与从回射物体410的端面415回射的光不同(对观测者而言)。回射差异的一个例子是与从回射区432回射的光相比，从端面415回射的光的亮度或强度有变化。回射差异的另一个例子是与从回射区432回射的光的颜色相比，从端面415回射的光的颜色有变化。上面相对于在其它示例回射物体上的回射区和分离区，描述回射光的其它变化。
虽然没有示出，但是应理解，如果回射物体410的分离区434以与回射区432的回射本质区分开来的方法呈回射性，那么可以获得相同的效果。
在另一种变化中，在回射物体410中的分离区434可以是透射性或吸收性的，从而从前表面420入射到分离区的光通过后表面430退出物体410，或者被吸收。透射性或吸收性分离区434的结果是，对于通过窗口414进入物体410的光，只有当反射前表面420将入射光反射到回射区432时，回射物体410才向沿着入射光的路径或者在该路径附近观测回射物体410的窗口414的观测者呈现回射(未示出)。
回射物体410特别适于用作公路路标，即，适于设置在路面上来标记车道、人行道等等的物体。然而，应理解，与如图6-8所示的相类似的回射物体还可找到其它应用。
图9示出根据本发明的回射物体的另一种变化。在回射物体510中，在前表面520上的第一区域522和第二区域524位于一般与第一轴512对准的柱中。后表面530最好包括回射区532和分离区534，它们位于一般与第二轴514对准的交替柱中。第一和第二轴512/514不相互平行。
通过在相对于后表面530的回射区和分离区“离轴”的前表面520上定向第一和第二区域522/524所提供的光学效应是，回射物体510呈现对给定角度的光呈回射的区域和不回射(或者以上述可区分方法回射)的区域。差异归因于根据在前表面520上的第一和第二区域522/524和在后表面530上的回射区和分离区之间的关系，将光透射到回射区或分离区。
图10示出根据本发明的回射物体的另一种变化，其中回射物体610包括不相互平行的前后表面620和630。以不平行排列定向前后表面620和630的光学效应，是从回射物体610的前表面620回射的图案呈现为莫尔效应。如果在前后表面620和630上的各种区域的间距是相等的，那么当将前后表面620和630定向为相互平行(假定入射到分离区的光不返回到位于入射光的路径上或附近的观测者)时，观测到的光将回复到开/关回射闪光。
运用一个或两个分开体可完成在第一和后表面之间的不平行定向。如果表面620和630位于一个单一体(unitary body)，例如，一张纸(sheet)，则从平面状态偏转(deflection)纸可能引起回射图案的变化。该变化在例如对准结构、温度感测、压力感测方面和偏转可以指示一些物理特性变化的其它场合是十分有用的。
图11示出根据本发明的另一个回射物体710，其中回射区732和分离区734的相对宽度可对回射物体710的光学性能产生影响。上述回射物体的回射区和分离区的宽度基本相等。在回射物体710中，回射区732的宽度wrr大于分离区734的宽度ws，即，回射区732占有比分离区734更多的背表面表面积。为了该讨论的目的，在前表面720上邻近的第一和第二区域722/724对的宽度wf基本上等于一个回射区732和分离区734的邻近对的宽度wb。
图11包括第一组射线740a、740b、740c和740d(统称为“射线740”)，所有这些射线都平行于法线780接近回射物体710的前表面720。射线740a和740b通过透射性第一区域722之一透射到在回射物体710的后表面730上的回射区732之一。结果，射线740a和740b回射到基本上相同的路径上，其中它们沿着该路径进入物体710。沿着该引进角，回射物体710的光学性能与上述多个回射物体的相类似。射线740c和740d入射到第二区域724之一上，在该实施例中，在那里它们被吸收。
图11中还示出第二组射线750a、750b、750c和750d(统称为“射线750”)，并以相对于回射物体710的法线780成角度9接近回射物体710的前表面720。射线750a和750b以相同角度通过透射性第一区域722之一进入回射物体710，但是不都将它们透射到回射区732。取而代之的是，把射线750a透射到回射区732，如图11所示，而将射线750b透射到分离区734，并透射出回射物体710之外。射线750c和750d入射到第二区域724之一，在那里它们被吸收。结果，将回射以角度θ入射到回射物体710的前表面720上的减小光量。
图12示出与分离区相比，改变回射区占有后表面的百分比的所产生的影响。出于比较的目的，假设吸收、透射或者影响透射到一个分离区的光，从而它不返回到位于路径上或附近的观测者，其中光沿着上述路径入射到回射物体上。在图12中的水平轴代表入射光的各引进角，垂直轴表示返回光的强度。
图12中的线760表示回射物体的光学性能，其中回射区的宽度基本上等于分离区，而且回射物体前表面上区域图案的间距基本上等于后表面上回射区和分离区的间距。用线760表示沿着入射光的路径返回的(即回射的)光的强度，并当入射光的引进角变化时从最大值变化到零。
图12的虚线770表示回射物体710的光学性能，其中回射区的宽是分离区的三倍。从回射物体710回射的入射光的强度结果在某一引进角范围内变化。结果，随着入射光和有关观测者以某个变化的角度接近回射物体710(例如不是沿其法线接近回射物体710的驾驶者)，回射物体710将不出现闪烁的开和关，而是随着引进角在图12所示的角度范围内的变化，回射物体710将出现调制、脉动或者强度或亮度的变化。
图11和12还可用来讨论根据本发明的回射物体的另一个特征，即，改变回射物体的闪烁率的能力。在根据本发明的两个回射物体之间所有其它变量都相等的情况下，在前后表面之间具有较大空间的回射物体呈现较高闪烁率。通过较高闪烁率，我们意味着从“较厚”回射物体返回的光的强度将在给定的引进角范围内更频繁地达到最大值。参照图12，对于更厚回射物体，在线760或770中的峰值将离得更近。为此，将回射物体的厚度定义为在前表面和后表面之间的距离，并用于由单个主体围绕的回射物体以及将前后表面设置在分开主体上的回射物体。
图13示出根据本发明的回射物体910的另一个实施例，其中前表面920包括透射性第一区域922和第二区域924，它们透射不同的光量，例如，第二区域924是吸收性、反射性，等等。回射物体910的另一个特征是后表面930包括多于两个不同区域，它们呈现多于两个不同的光学特征。如图所示，回射物体910包括三个不同回射区934a、934b和934c(统称为回射区934)。不同回射区934最好呈现不同光学特征，诸如不同颜色、不同强度，等等。较佳的是(但不是必须)，以跨过后表面930的重复阵列设置回射区934。应注意，可以提供多于三个不同回射区934，而且后表面930还可包括与一个或多个不同回射区结合的透射性、吸收性或反射性(镜面或漫反射)区域。
当经透射性第一区域922透射的光响应于引进角的变化而改变方向时，光将入射(strike)在后表面930上的不同回射区934，从而根据回射区或其上入射光的区域934的光学特征提供不同光学效果。
应理解，根据本发明的回射物体可以采取薄片、薄膜和具有硬度(除非与薄片或薄膜相关)的主体的形式。
通过运用由多种不同方法形成的模具复制，可以制造根据本发明的回射物体，上述方法包括一般被称为销钉捆扎(pin bundling)和直接机制方法。通过将各销钉组装在一起，造成运用销钉制造的模具，每个销钉具有以回射物体所需的特征成型的端部。例如，在美国专利号3，926，402中(授予Heenan等人)和英国专利号423，464和441，319(授予Leray)中，描述销钉捆扎的例子。直接机制技术(有时被称为刻线(ruling))包括切下基片部分以产生相交以形成回射结构的凹槽图案。在美国专利号3，712，706(Stamm)、4，349，598(white)、4，588，258(Hoopman)、4，895，428(Nelson等人)和4，938，563(Helson等人)中描述了这种刻线、成型和研磨(milling)技术的例子。虽然一般根据直接机制形成的模具制造这里所述的本发明的回射物体，但是应理解，可使用任何其它适当的方法。
由于回射物体对前后表面之间的间距变化的敏感度，所以描述制造根据本发明的回射物体1010(见图14)的一种方法。回射物体1010包括前表面1020，它包含诸如上述第一和第二区域1022和1024的不同区域。回射物体1010的后表面1030包括多个回射区1032和分离区1034。
回射物体1010的每个回射区1032包括位于粘合剂(binder)1042中的多个回射小球1040，粘合剂1042被粘合在回射物体1010的适当位置上。还可由衬垫涂料(spacer coat)1046和反射材料1048部分封装小球1040，如熟悉本技术领域的人员已知的那样。较佳的是，通过利用光能(例如，紫外线)可以固化(cure)粘合剂1042，如已知的那样。结果，在下述处理过程中，运用光能以适当间距形成回射区。现在描述制造回射物体1010的一种方法。
可在适当的主体1012(诸如薄片或薄膜)中形成前表面1020，其中相对表面1014最好是平滑的，即平面的。然后可以在它的全表面上将相对表面1014涂覆回射小球1040和粘合剂溶液1044(见图15)的混合物。再将固化粘合剂溶液所需的适当波长的光能射向前表面1020，从而通过主体1012将光能透射到已完成的回射物体1010上的回射区1032(参见图14)。
在光能入射到粘合剂溶液1044上的那些区域中，将回射小球1040保留在已固化的粘合剂1042中。在光不入射到粘合剂溶液1044上的那些区域中，在回射区1032固化之后，可以去除小球1040和粘合剂溶液。通过任何适当的方法，都可以施加任何衬垫涂料和反射材料。
本方法的一个显著优点在于，可以控制用于固化粘合剂1042的光能的角度，从而对于上述光入射角，相对于第一和第二区域1022/1024在回射物体1010的前表面1020上的位置，精确地形成回射区1032和分离区1034。结果是可采用以不同角度的曝光在回射物体1010中产生所需的回射特性。
除了以不同角度曝光之外，在曝光之前屏蔽前表面1020以不同角度在回射光中产生可视图象是很有利的。例如，泡可能呈现从回射物体1010的底部移向它的顶部，如图16所示。以相对于物体1010的法线成第一角度呈现入射光，所述第一角度对应于制造期间曝光回射物体1010的第一角度。泡1050a将在从回射物体1010回射的光中显现。当入射光沿着法线进入物体1010时，可从泡1050b的图象回射光(光不从第一泡1050a回射)。当光的引进角继续改变时，光从接近物体1010顶部的泡1050c的第三图象回射(泡1050a和1050b不可见)。换句话说，将在以不同角度进入物体1010的光中显现每个泡1050，其中不同角度一般与在制造期间曝光物体1010的角度相对应。根据上述描述，本原理的多种变化是显而易见的。
可以宏结构或微结构形式(或者两者结合)提供根据本发明的回射物体，而且一般以任何形式显示上述回射特性。根据有意向的应用或物体的用途，可通过多种不同材料并以任何适当的尺寸提供宏结构物体。微结构物体一般包括小型光学构件，诸如第一区域、第二区域、立方角、小表面等等，其大小做成在回射物体前表面上的特征的间距和在回射物体后表面上的特征的间距大约是0.03英寸(0.75毫米)或更小，虽然在一些情况下，较佳的是提供前后表面上特征的间距大约是0.01英寸(0.25毫米)或更小的回射物体，而且更佳的是，大约为0.005英寸(0.13毫米)或更小的回射物体。在一些情况下，运用薄微结构薄片插入上述结构中更加有利。例如，如美国专利号4，906，070(Cobb，Jr.)中所述，薄的微型结构薄片最好是柔软的。
根据本发明的回射物体的适当材料可以变化，虽然一般用透明材料(它的尺寸稳定、耐用、抗寒耐热并易于以所需结构复制)制造物体。适当材料的例子包括其折射率大约为1.49的玻璃、丙烯酸(例如，由Rohm&Hass Company制造的PLEXIGLASS牌树脂)、折射率大约为1.59的聚碳酸脂、基于聚乙烯的离聚物(例如，E.I.DuPont de Nemours and Co.，Inc.的SURLYN牌)、聚酯、聚氨基甲酸脂和醋酸丁酸纤维素。其它例子包括活性材料，诸如在美国专利号4，576，850、4，582，885和4，668，558中所述。
可根据美国专利5，450，235的原理构成本发明的回射物体，其中立方角构件由高分子聚合物构成，而重叠主体层由更软更低分子聚合物构成。这种结构还允许本发明的物体可用于如下所述的衣服物体上。
由于其硬度、温度稳定性和相对较高的折射率(大约1.59)，可使用聚碳酸脂，当运用后表面反射器时，较高的折射率一般在较大入射角范围内有利于提高回射性能。较高折射率提供更大折射率差以在与具有较低折射率的材料(例如，空气)的界面处提高全内反射。在运用例如分离区或截面结构将光透射过回射物体的一些情况下，理想的是运用具有更低折射率的材料来提高光透射过物体的范围。例如，在注重透射的情况下，丙烯酸(其折射率大约为1.49)可提供较佳的特性组合。用于形成回射物体的材料还可包括UV稳定剂或其它添加剂，以提高它们抗寒耐热的能力、耐用性、硬度或任何其它所需特性。
需要时，根据本发明的回射物体可包括必要的反射涂层以增强它们的反射特性。这种涂层可包括金属或介电堆。
在把颜色用于根据本发明的回射物体的情况下，可使用任何一种或多种适当的染色剂。这里用术语“染色剂”指任何染料、着色剂、色素等等，用于在从根据本发明的回射物体退出的光中造成可见的颜色变化。
运用机械方法(诸如缝纫)，根据本发明的回射物体可用于多种基片。然而，在一些应用中，理想的是运用黏合剂(诸如，压敏黏合剂、热敏黏合剂或紫外线辐射活化黏合剂)将物体固定在基片上。支撑回射物体的基片可位于衣服物体的外表面上，当将衣服正常地穿在身上时，允许显示回射物体。例如，基片可以是织物、编织或非针织织物，包括棉花、羊毛、尼龙、烯烃、聚酯、纤维素、人造丝、尿烷、乙烯基、丙烯酸、橡胶、弹性纤维等等，或者它可由皮革或纸做成。
图17示出以细长薄片或条的形式显示回射物体92的安全背心(safetyvest)90。造路工人和警察经常穿安全背心，来提高他们对来临的驾车人的可见度。虽然为了本说明选择安全背心，但是可以多种形式提供包括根据本发明的回射物体的衣服物体。如这里所用到的，“衣服物体(article of clothing)”是指其大小和形状适于人穿着或携带的衣服。可显示本发明的回射物体的衣服物体的其它例子包括衬衣、运动衫、短上衣(例如消防员的短上衣)、大衣、裤子、鞋子、袜子、手套、腰带、帽子、西装、整体服装、提包、背包，等等。
包括这里所引述的专利、专利文件和公开文本作为参考资料，如同分别包括以作参考。对于熟悉本技术领域的人员而言，对本发明的各种变更和变化都是显而易见的，且不偏离本发明的范围，而且应理解，不能将本发明不适当地限制在这里所述的实施例中。
权利要求
1．一种回射物体，其特征在于，包括前表面，包括多个第一区域和多个第二区域，其中所述多个第一区域透射与所述多个第二区域不同量的入射光；与所述前表面相对的后表面，所述后表面包括多个回射区和多个分离区，其中由所述分离区将所述多个回射区相互分开；其中相对于在所述后表面上的所述回射区和所述分离区排列在所述前表面上的所述第一区域和第二区域，从而通过所述前表面的所述第一区域，将以第一角度入射到所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射到在所述后表面上的所述回射区，在那里通过所述前表面向后回射，而且通过在所述前表面上的所述第一区域，将以第二角度入射在所述前表面的所述第一区域上的大部分光透射在所述分离区上。
2．如权利要求1所述的物体，其特征在于，对于以所述第一角度入射在所述前表面上的光，所述多个第一区域基本上是透射性的，而且所述多个第二区域中的每个区域都呈现从下列组中选出的一种或多种光学特征基本上吸收、部分吸收、漫透射、部分透射、漫反射、镜面反射或回射。
3．如权利要求1-2所述的物体，其特征在于，在所述前表面上的所述第一和第二区域呈现不同颜色。
4．如权利要求1-3中任一权利要求所述的物体，其特征在于，对于通过所述前表面透射的光，在所述后表面上的所述多个分离区中的每个区域都呈现从吸收和透射组中选出的一种或多种特征。
5．如权利要求1-4中任一权利要求所述的物体，其特征在于，所述多个分离区中的每个区域是回射性的，而且从分离区回射的光的至少一种光学特征与从在所述物体的所述后表面上的回射区回射的光不同。
6．如权利要求1-5中任一权利要求所述的物体，其特征在于，在所述后表面上，将所述回射区和所述分离区排列成交错柱，所述柱一般与第一轴对准并具有一般横过所述第一轴的宽度，而且以重复图案设置在所述后表面上的所述回射区和所述分离区。
7．如权利要求6所述的物体，其特征在于，将在所述前表面上的所述第一和第二区域排列成一般与所述第一轴对准的交错柱，所述第一和第二区域中的每个区域具有一般横过所述第一轴的宽度。
8．如权利要求7所述的物体，其特征在于，将在所述前表面上的所述第一和第二区域以重复图案设置。
9．如权利要求8所述的物体，其特征在于，所述多个第一区域中的每个区域的宽度基本上等于所述多个第二区域中的每个区域的宽度。
10．如权利要求1-9中任一权利要求所述的物体，其特征在于，在所述后表面上的所述回射区和所述分离区的间距基本上等于在所述前表面上的所述第一和第二区域的间距，其中所述前后表面一般是平坦的，而且所述前后表面一般相互平行。
全文摘要
回射物体运用至少包括具有不同透射特征的第一和第二区域(122,124)的前表面(120)和包括回射区(132)和分离区的后表面(130)提供调制回射。相对于在后表面上的回射区和分离区排列在前表面上的第一和第二区域(134),从而通过前表面的第一区域,将以第一角度入射在前表面的第一区域上的大部分光透射到在后表面上的回射区,在那里通过前表面向后回射。此外,通过在前表面上的第一区域,将以第二角度入射在前表面的第一区域上的大部分光透射在分离区上。此外,前后表面操作光,从而回射物体提供入射光的调制回射,其中可在回射或不回射、不同颜色的回射、不同亮度的回射等等之间进行调制或变化。换句话说,当受到从稳定光源的入射光时,在回射物体和光源之间的相对移动可导致从光源的光的回射的变化或调制。当回射物体提供调制回射时,变化或变更将趋于增加其上设置回射物体的物体或人的能见度。
文档编号G02B5/18GK1284172SQ98813471
公开日2001年2月14日 申请日期1998年6月3日 优先权日1998年2月5日
发明者J·F·德雷尔, M·B·弗莱明 申请人:美国3M公司