一种立方角锥型回归反射材料反射光强度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种计算回归反射材料反射光强度的方法，具体涉及一种计算立方角 锥型回归反射材料反射光强度的方法。
【背景技术】
[0002] 回归反射亦称逆反射，它是一种特殊的反射现象，不管光沿什么方向入射，产生的 反射光始终逆着入射光路传播。回归反射的特性被广泛应用于通讯、遥感遥测、摄影、舞台 布景等领域，尤其广泛用于制作各种警示标志，如道路上的危险警告标志、交通控制标志、 导航标志、广告牌、车牌、各种职业制服上的警示标志等等。利用回归反射特性制作的各种 反光标牌在使用过程中充分利用了车辆本身的光照，无能耗，清洁环保，是一种值得大力提 倡的节能环保技术。
[0003] 衡量回归反射特性最重要的指标参数是回归反射率或反射系数，反射系数越大， 则反光标牌的可视距离越远。当前存在的回归反射材料有两种不同的结构类型；微球阵列 结构和微立方角锥阵列结构。其中，微球阵列结构的反光材料中将许多玻璃微珠紧密地排 列在粘合层中，微球的一部分嵌入到粘合层内，通过光在空气中和玻璃微珠内的多次折射、 反射达到逆反射的效果。这种类型的反光材料具有较大的入射角和观察角范围，但是受反 光机制的制约，其回归反射率普遍较低，适合制作中低等级的反光膜。微立方角锥阵列结构 反光膜主要由一层薄的透明层和背面带有微立方角锥结构的反光层构成。每个立方角锥结 构单元由三个反光面构成，这三个面两两彼此相互垂直；当光线从透明层一侧入射到角锥 结构中，在反光面处借助于全反射发生转向并传输到第二反光面，经第二面再次反射后传 向第三面。可以证明，依次经过三个面反射后光线的传播方向一定与当初入射方向互逆，由 此实现了逆反射。在实现逆反射的过程中，光在立方角锥单元的三个反光面的反射主要以 全反射的形式进行，光能量损失小。因此与微球阵列结构反光材料相比，微立方角锥阵列结 构反光膜的逆反射效率具有本质优势，这种结构类型适合于制作高等级回归反射膜，行业 上将这种结构类型的反光材料称为钻石级反光膜。
[0004]目前，有两个因素影响微立方角锥阵列反光膜的反射效率：（1)入射光必须先后 依次被立方角锥单元的三个反光面各反射一次，才会变成最终的逆反射光线。换言之，那些 没有依次被三个反光面反射而提前出射到其它方向的光线，将偏离逆反射光路并造成光能 量损失，这部分光能量损失体现为反光单元的有效反射截面。（2)反射折射损失，一方面是 反射损失，由于光在进出反光膜前表面时一部分光线发生反射并偏离了主光路而造成光能 量损失；另一方面是折射损失，由于入射光方向变化，尤其是入射角变大时，光线在反射过 程中的全反射条件可能不再满足，此时不可避免要产生折射光，这些光线从反光膜背面逃 逸而造成光能量损失。由于反射和折射造成的光能量损失表现为逆反射光相对于入射光的 光强有所减小，表达为逆反射光的相对光强。其中，关于立方角锥体有效反射截面的计算， 已获得了较为可靠的计算结果，但是在反射光强度定量分析的问题上，由于问题本身的复 杂性相关研宄工作非常少见，近年来在逆反射材料设计中常常省掉金属涂层，单纯依靠全 反射作用使光线反转，这样可以大大简化工艺流程，并克服金属涂层所产生的眩光。因此， 由于无镀层型回归反射材料的应用越来越普遍，其回归反射性能尤其是反射光相对强度的 定量分析对于逆反射材料性能评估及新材料设计具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种准确计算和评估不同结构的立方角锥型 逆反射材料反射光相对强度的方法。
[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种计算立方角锥型回归反射材料反 射光强度的方法，其特征在于，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] (1)设计立方角锥型结构：每个立方角锥型结构的反光单元均包含一个前表面和 三个彼此相互正交的反光面；所有反光单元的前表面共面，并自然构成逆反射膜的正表面； 反光面保持自然形态或镀上一层金属反光膜；
[0008] (2)实现逆反射：首先，入射光从外部空间穿过反光单元前表面进入到单元内部； 其次，先后依次分别被立方角锥体的三个反光面反射；最后，从反光单元内部穿过前表面回 到外部空间，凡是未能经历上述步骤的光线将逸出反光单元并造成光能量损失；
[0009] (3)计算反射光相对强度：根据已知的参数入射光振幅，传播方向，光矢量方向及 介质分界面，跟踪计算各点未知参数反射光、折射光的振幅，传播方向，光矢量方向，并舍去 每个阶段光能量损失的部分，最终得到逆反射的光矢量振幅，然后依据公式
_，计 算反射光相对强度，其中，R逆反射光的相对光强，EKe;为逆反射的光矢量振幅，E。为入射光 的光矢量振幅。
[0010] 进一步，步骤（1)中，所述立方角锥型结构为完整立方角锥结构、截角立方角锥体 结构或不规则形状的立方角锥结构；所述反光面为三角形、四边形或五边形。
[0011] 进一步，步骤（3)中，根据已知参数入射光振幅、传播方向、偏振状态，将光矢量分 解为〇分量和e分量，依据菲涅尔公另
，计算〇光的反射振幅和折射振 幅；依据菲涅尔公3
，计算e光的反射振幅和折射振幅，其中，i为 入射角，Y为折射角，E' ±、E" ±分别为〇光的反射振幅和折射振幅，E' n、E" n分别为e 光的反射振幅和折射振幅。
[0012] 进一步，步骤（3)中，根据已知参数入射光传播方向，依据公式r2= r J2 ?cosi ?]! 或等同形式r2= ri_2 ? ?n?n计算反射光传播方向；依据公￥
或等同形另
计算折射光传播方向，其中，i为入射角，y 为折射角，n为介质分界面的法线方向，ni、n2分别为介质两侧的折射率，r :为入射光传播方 向，1~2为反射光的传播方向，r 3为折射光的传播方向。
[0013] 5、根据权利要求1或2所述的计算立方角锥型回归反射材料反射光强度的方法， 其特征在于：步骤（3)中，根据已知参数反射光和折射光传播方向，依据公式
'或等同 形5
?算〇分量反射光的偏振化方向，依据公式
|或等同形式
十算〇分 量折射光的偏振化方向；依据公式
或等同形式
4十算e分量反射 光的偏振化方向，依据公式
或等同形式
?算e分量折射光 的偏振化方向，其中，i为入射角，y为折射角，^为入射光传播方向，1~2反射光的传播方 向，r3折射光的传播方向，n为介质分界面的法线方向。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0015] (1)应用于包括完整角锥立方体、截角角锥立方体、不规则形状的角锥立方体（基 片组合技术、针束捆绑技术所产生的角锥立方结构）在内的所有角锥立方结构的性能计 算，适用于各种结构材料，适用于可见光以任何角度入射到反光单元的情形，适用于入射光 的任何偏振状态（自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光等）。
[0016] (2)按本发明计算出反射光相对强度后，将它乘以反光单元的有效反射截面即为 回归反射率，由此预估的材料回归反射率，既考虑了入射光未经三次有效反射而提前出射 到其他方向而造成的光能量损失，也考虑了入射角未达临界角全反射条件不满足时的折射 损失，还考虑了光线先后进出反光膜正面时的反射损失，获得逆反射系数沿不同入射光方 向的分布信息，这些信息构成了评价逆反射材料回归反射特性（广角性、各向异性、发散性 等）的基础。因此与现有技术相比，本发明更加贴近光在反光单元内传输过程的实际情况， 所得结果具有更高的准确性和可靠性。
[0017] (3)可计算任意入射方向的反射光相对强度，迅速得出反射光强度随入射光方向 变化的趋势，在给定膜结构的前提下对其反光性能做出准确评估。
[0018] (4)在已知膜结构的前提下可快速准确获得其反光性能，还可预测膜结构参数的 变化对其反光性能的影响。因此，本发明可用于辅助逆反射反光膜材料结构设计与优化，用 于辅助新产品设计和开发。通过准确预估新产品的逆反射性能，可以有效提高新产品设计 的针对性与目的性，缩短新产品设计开发周期，减少新产品实物模型设计、制作、测试的次 数，节省设计开发费用。通过建立结构参数与反光性能之间的联系，可大大提高新型逆反射 材料设计开发的针对性与可靠性，简化设计开发流程，缩