專利名稱：高效逆反射微棱鏡及其模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆反射結(jié)構(gòu)鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模具制作。
背景技術(shù)：
逆反射結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)在于能夠?qū)⑷肷涞皆摻Y(jié)構(gòu)上的光線再反射回光源區(qū)域，從而 使該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被動發(fā)光，經(jīng)常應(yīng)用于交通警示標(biāo)志等。由于是被動發(fā)光，不僅具有節(jié)省 能源、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，同時還不受日照、天氣等環(huán)境影響。目前，已廣泛應(yīng)用于路面 標(biāo)志和路障、工作者的安全服或其他此類安全服裝、料巻形式的包裝等，還可以應(yīng)用在 一些測量系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)搭建中。
目前，具有逆反射功能的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾類-
1) 微珠陣列(glass bead)，通常在嵌入粘合劑層中含有相關(guān)的鏡面反射或漫反射 材料，以提供逆反射性能。但該類結(jié)構(gòu)的逆反射光線在繞垂直于材料表面軸上均勻，對 于其他方向的反射效率不高，因此對入射光線方向敏感。相關(guān)的專利主要有US5200262， US5283101, US3758192-A，中國專利1126962C。
2) 角錐棱鏡(corner cube retroreflector)，也稱角隅棱鏡、三面直角錐棱鏡等， 由三個表面互相垂直交匯而成，如同桌角或墻角所限定的形狀， 一般為BK7玻璃加工而 成，另一面被制作成圓柱端面。光線通過端面折射進(jìn)入該結(jié)構(gòu)，光線分別在三個表面上 依次發(fā)生全反射，然后通過正面折射，該結(jié)構(gòu)不受入射角度大小的限制，按照平行于入 射光的方向返回。雖然該器件逆反射效率高，但形狀不易微小化，因此不適于直接在警 示標(biāo)志中應(yīng)用。專利200720169461. 7公開了一種依靠拼接，方便實(shí)用的大尺寸角錐棱鏡。
.3)微棱鏡(microprism)，由類似角錐棱鏡結(jié)構(gòu)組成的陣列，是角錐棱鏡微小化和 陣列化應(yīng)用的重要方法。其單元結(jié)構(gòu)仍由三個互相垂直表面組成，頂面通常由平面相截 三個面形成三角形，側(cè)面也為三角形。其光學(xué)性能和角錐棱鏡類似，光線沿光軸(結(jié)構(gòu) 的對稱軸)入射時，得到的光學(xué)效率最高，效率隨著光線與光軸的偏離增大而減小。整 個結(jié)構(gòu)可由光學(xué)塑料注塑制成，隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，該結(jié)構(gòu)的模具制造過程變 得易于控制，并且加工單元尺寸從原來的幾百微米逐漸縮小，因此這種結(jié)構(gòu)已成為逆反 射材料的重要發(fā)展方向。
微棱鏡可由在平面上切削V形凹槽形成的模具靠模制造而成，因此模具的設(shè)計(jì)和制 作是其關(guān)鍵技術(shù)，已知很早就有很多提案，及對其進(jìn)行對各種改進(jìn)措施的探討。
US4478769公開了一個普通微棱鏡的制作過程，模具V形槽具有70. 538夾角，三組 槽的夾角均為60°。 CN02811691.7公開了一種模具，V型槽在加工過程中刀具和工件之間相對振動，模具具有可控的和更寬的發(fā)散。CN01804407.7公開了一種模具，三組V形槽 的深度至少有兩個實(shí)質(zhì)上不等，解決入射角增大后，不能滿足內(nèi)部全反射條件，在側(cè)面 穿透元件的問題，從而增大可用入射角范圍。CN00817106.8提供了一種模具，三面交點(diǎn) 高于或低于標(biāo)準(zhǔn)高度，提高了入射角和旋轉(zhuǎn)角特性。
影響微棱鏡逆反射性能的一個非常重要的因素是單元結(jié)構(gòu)的有效通光孔徑。 Eckhardt在Applied Optics, 1971， Vol. 10(7) : 1559-1566中對其通光孔徑進(jìn)行了詳細(xì) 分析，由其推得的公式可以計(jì)算，在入射光和光軸平行時，通光孔徑為頂面內(nèi)的正六邊 形，有效面積為整體的三分之二，因此，得到逆反射效率僅為66.67%。關(guān)于提高通光孔 徑從而增強(qiáng)逆反射效率的提案也有一些。US6120280和CN96195971. 1均采用相互平行的 平板交錯形成三個互相垂直的表面，側(cè)面的形狀為四邊形，并釆用電鍍法組合和裝配。 CN200380105932. 2公開了一種采用復(fù)合斜度的立方角改進(jìn)有效孔徑的方法，三組V形槽 具有不同夾角，最鈍的槽具有最淺的深度，中間的槽具有中等深度，最尖的槽具有最深 深度。
所公開的專利對有效通光孔徑的改進(jìn)均沒有采用直接修改非通光孔徑區(qū)域的方式， 導(dǎo)致加工過程復(fù)雜，加工效率和精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠提高有效通光孔徑的逆反射微 棱鏡結(jié)構(gòu)，從而能夠提高逆反射微棱鏡的逆反射性能。
為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種高效逆反射微棱鏡，該棱鏡的一個單元結(jié)構(gòu)由共底面的第一、第二兩個正三棱 錐和一個對稱六棱體錐組成，所述的兩個正三棱錐各自的三條棱都分別相互垂直，位于 對稱六棱體錐的兩側(cè)，分別與其共一個底邊；所述的對稱六棱體錐，由第三正三棱錐三 個角被削去后形成，所截去的三個角，形狀相同，截?cái)嗟拈L度一致，截?cái)嗪蟮玫綄ΨQ六 棱體錐新的三個側(cè)面；原來的第三正三棱錐的底面被削去三個等邊三角形，所述的第一 正三棱錐的底面即是被削去的三個等邊三角形中的一個，所述的第一正三棱錐與對稱六 棱椎體的相鄰側(cè)面之間的夾角為70.5288° ;所述的第二正三棱錐與對稱六棱椎體的相鄰 側(cè)面之間的夾角為70.5288° 。
本發(fā)明同時提供一種制作上述的逆反射微棱鏡模具的方法
第一步按照下列加工條件切削凸型模具，三個切削方向的夾角為6(A并且滿足
(1) 三個方向的切削線間距Z—致，選擇在20unT250um范圍；
(2) 三個方向切削線均偏離旋轉(zhuǎn)軸心，且距旋轉(zhuǎn)軸心最近線距旋轉(zhuǎn)軸心距離V —
致，"Z， 0 " 〈 1;
(3) 每條切削線的加工深度^一致；(4)當(dāng)切削線間距Z確定時，加工深度^滿足/f ^V^/3(l +附)丄。 第二步通過熱壓成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的凹型實(shí)體微棱鏡。
上述的制作方法，第一步中，可以采用金剛石刀具切削或飛刀加工方式進(jìn)行超精密 加工；m應(yīng)當(dāng)在l/15 l/4范圍內(nèi)選擇，最好選擇1/5。
本發(fā)明提出的逆反射微棱鏡結(jié)構(gòu)，通過在非通光孔徑區(qū)域設(shè)計(jì)可通光形狀，提高其 有效通光孔徑，最終提高其逆反射性能。本發(fā)明提出的微棱鏡，結(jié)構(gòu)形狀簡單、易于實(shí) 現(xiàn)，直接采用普通的金剛石切削方法就能低成本地進(jìn)行模具制作。


圖1高效逆反射微棱鏡模具結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖2 (1)普通微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 (2)高效逆反射微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3標(biāo)識了各個加工參數(shù)的普通微棱鏡模具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4標(biāo)識了各個加工參數(shù)的普通微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5標(biāo)識了有效通光孔徑的普通微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6標(biāo)識了有效孔徑處高度的普通微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7標(biāo)識了各個加工參數(shù)高效逆反射微棱鏡模具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8標(biāo)識了各個加工參數(shù)的高效逆反射微棱鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9 (1)普通微棱鏡有效孔徑示意圖。
圖9 (2)高效逆反射微棱鏡有效孔徑示意圖。
圖10普通微棱鏡逆反射效率仿真結(jié)果。
圖11高效逆反射結(jié)構(gòu)逆反射效率仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的微棱鏡逆反射結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖2 (1)是普通微棱鏡的兩個相鄰的單元 結(jié)構(gòu)，是由兩個正三棱錐組成，底面為正三角形，三個側(cè)面為等腰三角形，相互垂直交 于結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)，兩個四面錐的相鄰側(cè)面夾角=70.5288°。相比之下，本發(fā)明的一個單元結(jié) 構(gòu)如圖2 (2)所示，由兩個正三棱錐和一個對稱六棱體錐組成。兩個正三棱錐仍具備 底面為正三角形，三個側(cè)面為等腰三角形，相互垂直交于結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)。對稱六棱體錐形狀 可以看成正三棱錐的三個角被角度為70.5288°的三角形狀垂直截掉剩下的多面體錐，并 且截?cái)嗟拈L度一致。如圖2 (2)所示，對稱六棱體錐由原來正三棱錐剩余面F1、 F2、 F3 和截?cái)嗪笮庐a(chǎn)生面F4、 F5、 F6組成，且面F1、 F2、 F3形狀尺寸一致，面F4、 F5、 F6形 狀尺寸一致，六個面共底面。兩個正三棱錐在六棱體錐兩側(cè)，小正三棱錐和截?cái)嗪蟮男旅鍲4相鄰，相鄰面F7和F4的夾角為c^70.5288。；大正三棱錐和原來的面F3相鄰，相 鄰面F3和F8的夾角仍為az70.528811。而整個高效微棱鏡由上述的單元陣列而成，最終 得到的微棱鏡逆反射結(jié)構(gòu)如圖1所示(俯視圖)。其中的小正三棱錐有效地利用了非通 光孔徑區(qū)域，因此，可以提高逆反射效率。
對于普通微棱鏡模具加工，可采用角度"=70. 5288°的金剛石刀具進(jìn)行三個方向的切 削實(shí)現(xiàn)，如圖3所示三個切削方向分別為xyz，三個方向夾角為60°。但必須滿足以下條 件才能得到規(guī)則正三棱錐①三個方向的切削線間距Z—致；②三個方向切削線中必 須均有一條線過旋轉(zhuǎn)軸心；③每條切削線的加工深度#一致； 當(dāng)切削線間距Z確定 時，加工深度〃需滿足0.471"。
滿足以上條件后，采用金剛石切削方法進(jìn)行加工得到正三棱錐的底面邊長為 / = 1.1547￡，高度為/2 = 0.4714丄，如圖4所示。當(dāng)入射角為0°時，加工得到正三棱錐的 有效通光孔徑為底邊邊長為//3的正六邊形，如圖5所示的陰影區(qū)域，在該區(qū)域進(jìn)入的 光線入射角為0°時，可以利用三個側(cè)面的全反射而發(fā)生逆反射；其余部分進(jìn)入的光線不 能發(fā)生逆反射。此時的有效孔徑面積為S:0.3849Z2，占整個底面面積的2/3，正是這個 原因，普通微棱鏡的逆反射效率在入射角為0°時僅能達(dá)到約66.67%。在有效孔徑邊界對 正三棱錐進(jìn)行垂直截?cái)?，得到的截?cái)喽嗝胬怏w可以實(shí)現(xiàn)同樣效率的逆反射，截?cái)嗳切?的高度為/ ' = 0.2357丄，如圖6所示。
本發(fā)明的高效微棱鏡逆反射結(jié)構(gòu)模具同樣采用金剛石刀具切削實(shí)現(xiàn)，切削方法和普 通微棱鏡模具加工方法類似，只是并不滿足得到規(guī)則正三棱錐的條件②，而是三個方向 切削線均偏離旋轉(zhuǎn)軸心，即三個方向切削線沒有一條過旋轉(zhuǎn)軸心，且距旋轉(zhuǎn)軸心最近線 距旋轉(zhuǎn)軸心距離一致，設(shè)為c/二頂Z， 0<歷<1。如圖7所示，切削線的三個方向?yàn)閤'y'z'。
圖8給出了高效微棱鏡兩個相鄰單元結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以得到d = 0.8660 ， Z = 0.8660(fl + 6)。
圖9列出了普通微棱鏡和高效微棱鏡的有效孔徑對比圖。從圖中可以得到普通微棱
鏡兩相鄰單元的有效孔徑面積為
5 = ^+^=0.7698^ (1)
而高效微棱鏡兩相鄰單元的有效孔徑面積為
s' = +《+ s; = A2 +烏2a + 6)2 + A2 = g (3m2 + 2)l2 (2)
66 6 9
,L^W r w丄+丄乂w丄+丄Hn 一l
此時，w丄十-2-，艮卩m^—。
6 3 5
從式(2)可知，有效孔徑面積是關(guān)于/zz的非線性遞增函數(shù)。當(dāng)y/K)時，S' = S，為普通
微棱鏡結(jié)構(gòu)；當(dāng)//Fl/5時，取得最大值S:0.8160i:2。因此，該結(jié)構(gòu)的有效孔徑是普通
微棱鏡有效孔徑的1.06倍。說明采用偏離旋轉(zhuǎn)軸心得到的微棱鏡逆反射結(jié)構(gòu)能夠提高有
效孔徑，并且根據(jù)有效孔徑的倍數(shù)可知，在入射角為0°時，逆反射效率可達(dá)到約70. 7%。在這種情況下，如想得到所需高效逆反射結(jié)構(gòu)，前面所述條件④需進(jìn)行相應(yīng)修改
當(dāng)切削線間距A確定時，加工深度〃需滿足//》VI/3(1 +附)丄，當(dāng)f1/5時，//20.5657丄。
因此，比普通微棱鏡加工的切削深度要大。
綜上所述，整個模具的加工采用角度"=70. 5288°的金剛石刀具進(jìn)行三個方向的切削 實(shí)現(xiàn)，三個切削方向的夾角為60°。同時滿足以下條件①三個方向的切削線間距Z — 致；②三個方向切削線均偏離旋轉(zhuǎn)軸心，即三個方向切削線沒有一條過旋轉(zhuǎn)軸心，且距 旋轉(zhuǎn)軸心最近線距旋轉(zhuǎn)軸心距離一致，設(shè)為c/二/^;③每條切削線的加工深度^一致； 當(dāng)切削線間距Z確定時，加工深度〃需滿足//》V^/3(l + m)Z。并且每條切削線的加工 參數(shù)均保持一直，不必在加工過程中再對刀具或模具位置等做任何調(diào)整，因此，具有加 工過程簡單易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
采用Trac印ro光線追跡軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的逆反射效率改進(jìn)效果。首 先，對普通微棱鏡進(jìn)行仿真，采用切削線間距〉0. lmm、 0.2mra、 0. 4mm，對應(yīng)的加工深度 為/^0. 05mm、 0. lmm、 0. 2mra，加工后的模具生成采用PMMA塑料材料(折射率為/ =1. 4935) 模擬加工工件，得到入射角為0。時的逆反射效率如圖IO所示。選擇切削線間距^0.2mm 進(jìn)行高效逆反射結(jié)構(gòu)和普通微棱鏡的對比實(shí)驗(yàn)，選擇z/Fl/10、 1/8、 1/5、 1/4，加工深度 為^0. lmm，同樣采用PMMA塑料材料(折射率為^ 1. 4935)模擬加工工件，圖11為得 到的逆反射效率圖和歷的關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出仿真效果和理論值基本一致，同 時證明了本發(fā)明提出的高效逆反射結(jié)構(gòu)可以有效的提高逆反射效率。
本發(fā)明易于采用金剛石切削或"飛刀(fly-cutting)"加工方式進(jìn)行超精密加工， 得到的"凸型"模具通過熱壓成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的"凹型" 實(shí)體微棱鏡產(chǎn)品，切削線間距一般選擇在20unT250咖，偏離旋轉(zhuǎn)軸心的量不局限于1/5 倍切削線間距，對于不同性能要求的微棱鏡產(chǎn)品，偏離旋轉(zhuǎn)軸心的量可以選擇1/15~1/4 倍的切削線間距，同時根據(jù)本發(fā)明所述的方式選擇恰當(dāng)?shù)那邢魃疃?，就能得到?shí)施例中 所得到的高效逆反射效果。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和模具制作方法制作的微棱鏡產(chǎn)品，可以 廣泛應(yīng)用于路面標(biāo)志和路障、安全服裝、料巻包裝等交通警示標(biāo)志。
權(quán)利要求
1.一種高效逆反射微棱鏡，該棱鏡的一個單元結(jié)構(gòu)由共底面的第一、第二兩個正三棱錐和一個對稱六棱體錐組成，所述的兩個正三棱錐各自的三條棱都分別相互垂直，位于對稱六棱體錐的兩側(cè)，分別與其共一個底邊；所述的對稱六棱體錐，由第三正三棱錐三個角被削去后形成，所截去的三個角，形狀相同，截?cái)嗟拈L度一致，截?cái)嗪蟮玫綄ΨQ六棱體錐新的三個側(cè)面；原來的第三正三棱錐的底面被削去三個等邊三角形，所述的第一正三棱錐的底面即是被削去的三個等邊三角形中的一個，所述的第一正三棱錐與對稱六棱椎體的相鄰側(cè)面之間的夾角為70.5288°；所述的第二正三棱錐與對稱六棱椎體的相鄰側(cè)面之間的夾角為70.5288°。
2. —種制作權(quán)利要求1所述的逆反射微棱鏡模具的方法，其特征在于，按照下來方法加 工模具-第一步按照下列加工條件切削凸型模具，三個切削方向的夾角為60°，并且滿足(1) 三個方向的切削線間距Z—致，選擇在20um 250um范圍；(2) 三個方向切削線均偏離旋轉(zhuǎn)軸心，且距旋轉(zhuǎn)軸心最近線距旋轉(zhuǎn)軸心距離J一致，CZ-邁Z， 0 〈歷< 1;(3) 每條切削線的加工深度^一致；(4) 當(dāng)切削線間距Z確定時，加工深度〃滿足//^V^/3(l + m)Z。第二步通過熱壓成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的凹型實(shí)體微棱鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作權(quán)利要求1所述的逆反射微棱鏡模具的方法，其特征在于，第一步中，采用金剛石刀具切削或飛刀加工方式進(jìn)行超精密加工。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作權(quán)利要求1所述的逆反射微棱鏡模具的方法，其特征在于， 第一步中，m選擇在1/15~1/4范圍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作權(quán)利要求1所述的逆反射微棱鏡模具的方法，其特征在于， /zf1/5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效逆反射微棱鏡，其一個單元結(jié)構(gòu)由共底面的第一、第二兩個正三棱錐和一個對稱六棱體錐組成，兩個正三棱錐各自的三條棱都分別相互垂直，位于對稱六棱體錐的兩側(cè)；對稱六棱體錐由第三正三棱錐三個角被削去后形成，所截去的三個角，形狀相同，截?cái)嗪蟮玫綄ΨQ六棱體錐新的三個側(cè)面；第三正三棱錐的底面被削去三個等邊三角形，第一正三棱錐的底面即是被削去的三個等邊三角形中的一個，第一正三棱錐與對稱六棱椎體的相鄰側(cè)面之間的夾角為70.5288°；第二正三棱錐與對稱六棱椎體的相鄰側(cè)面之間的夾角為70.5288°。本發(fā)明同時提供了該種微棱鏡模具的制作方法。本發(fā)明提出的微棱鏡，結(jié)構(gòu)簡單，能低成本地進(jìn)行模具制作。
文檔編號B29C33/42GK101551480SQ20091006868
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲, 穎 程 申請人:天津大學(xué)