CN100528468C - 微结构薄片的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于复制的微结构薄片的方法及其设备。在一个优选的实施例中，本发明涉及在单个薄片中加工V形凹槽，以形成立体角微结构。

Description

微结构薄片的制造方法和设备
技术领域
本发明涉及制造用于复制的微结构薄片的方法和设备。在一个优选实施例中，本发明涉及在单个薄片上机加工V形凹槽以形成立体角微结构。
背景技术
逆向反射材料的特征在于它能够使入射到材料上的光朝其起始光源返回。这种性质已经导致逆向反射片广泛地应用于各种交通和个人安全方面。逆向反射片通常应用于各种制品中，例如路标、路障、执照牌、路面路标、斑马胶带以及用于车辆和衣服的逆向反射胶带。
两种已知类型的逆向反射片是微球型薄片和立体角薄片。微球型薄片有时称为“珠状的”薄片，其采用大量的微球体，所述的微球体通常至少部分嵌入在粘合剂层中，并且具有相关的镜面反射或漫反射材料(例如颜料颗粒、金属薄片或蒸镀层等)，从而使入射光发生逆向反射。由于珠状逆向反射器的对称几何形状，无论何方向，即当绕与薄片的表面垂直的轴旋转时，微球型薄片表现出较均匀的全光返回。因此，这种微球型薄片对薄片置于表面上所处的方向具有较低的灵敏度。然而，通常，与立体角薄片相比，该薄片具有较低的逆向反射效率。
立体角逆向反射薄片通常包括薄的透明层，所述的透明层具有基本平坦的前表面和包括多个几何结构的后结构面，一些或所有的几何结构包括构成一个立体角件的三个反射面。通常，通过首先制造具有结构面的母模来制造立体角逆向反射片，这样结构面对应于成型的薄片中希望的立体角件几何结构或者其复制阴(反)模，这取决于成型的薄片要具有立体角锥体还是具有立体角腔(或者二者都具有)。接着，利用任何适当的技术，例如传统的镍电铸复制该模具，以便通过例如压花、挤压或浇铸和固化的工艺制造形成立体角逆向反射片的工具。美国专利第5,156,863号(Pricone等人)说明性地概述用于形成在制造立体角逆向反射片时使用的工具的方法。已知的制造母模的方法包括针形元件束技术、直接加工技术以及层压技术。
在针形元件束技术中，将多个销组合在一起，以形成母模，所述多个销中的每一个在其一端上都具有几何形状例如立体角件。美国专利第1,591,572号(Stimson)和第3,926,402号(Heenan)给出了示例性例子。
在直接加工技术中，一系列凹槽形成在平坦的基底(例如金属板)的表面上，以形成母模。在一项众所周知的技术中，三组平行的凹槽以60度的夹角彼此相交形成立体角件阵列，每个立体角件具有等边三角形底面(参见美国专利第3,712,706号(Stamm))。在另一项技术中，两组凹槽以大于60度的角彼此相交，而第三组凹槽以小于60度的角与其它两组中的每一组相交，从而形成斜置的立体角件配对的阵列(参见美国专利第4,588,258号(Hoopman))。
在层压技术中，多个薄片(即：板)指的是具有将形成在一个纵边上具有几何形状的薄片，将所述的多个薄片组合在一起，以形成母模。在下列文献中可找到层压技术的示例性例子：EP 0 844 056 A1(Mimura)；美国专利第6,015,214号(Heenan)；美国专利第5,981,032号(Smith)；美国专利第6,159,407号(Krinke)；以及美国专利第6,257,860号(Luttrell)。
通常，截角的立体角阵列的相邻立体角件的底边是共面的。其它描述为“全立方体”或“优选几何(PG)立体角件”的立体角件结构通常没有共面的底边。与截角的立体角件相比，这样的结构通常表现出较高的全光返回。某些PG立体角件可通过直接加工来制造，如WO00/60385中所述。然而，在该多步骤的制造工艺中，需要十分小心才能保持几何精确度。在得到的PG立体角件和/或这些元件的排列中，还可能存在明显的设计限制。相反，针形元件束和层压技术允许形成各种形状和排列的PG立体角件。然而，与针形元件束不同，层压技术还有这样的优点，能够形成相对较小的PG立体角件。
尽管本领域通常描述了加工适用于制造逆向反射片的薄片的方法，而本行业仍致力于改进其方法和设备。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种加工薄片的方法，该方法包括：提供薄片；将薄片运动学地定位在夹具中，以致薄片的一部分表面暴露；以及加工该表面部分。该表面部分优选地横跨薄片的厚度。另外，本发明在薄片的边缘形成多个凹槽是特别有利的，其中凹槽形成立体角微结构。
在另一实施例中，本发明涉及一种装配薄片的方法，该方法包括：提供包含微结构边缘的薄片；将单个薄片运动学地定位在夹具中以形成堆；以及在该堆中保持薄片的位置。
在另一实施例中，本发明涉及一种制造薄片的方法，该方法包括：提供至少两个薄片，每个薄片具有两个主表面；加工(例如用金刚石)薄片的主表面，以形成均匀的厚度；将薄片装配成堆，同时优选地通过放电加工从该堆切出两个或更多个薄片。
在另一实施例中，本发明涉及一种复制母模的方法，该方法包括：将一堆薄片设置在夹具中，其中该堆包括暴露的微结构表面；使导电盖板与所述堆连接，以便夹具被覆盖并且这些结构表面被暴露；以及在电镀液中电铸暴露的表面，以形成复制件。优选地，该复制件在电镀液干燥前从所述堆中去除。另外，该方法优选地包括热压配合盖板。
在另一实施例中，本发明涉及一种用于一个薄片(多个薄片)的夹具，它包含两个通过垂直的底支撑连接的相对平行的表面，所述的表面之间具有可调的开口；使至少一个相对的表面回缩和前进以接收薄片的装置；以及用于运动学定位单个薄片的装置。该夹具可任选地包括一种用于确定一个薄片(多个薄片)位置的装置。优选地，该装配夹具还包括用于在堆中保持一个薄片(多个薄片)位置的装置。另外，每一薄片相对于相邻的薄片的位置的精度至少是0.0001英寸(0.00254mm)。
关于这些实施例中的每一个，薄片的厚度的范围优选地为从0.001英寸(0.0254mm)到0.020英寸(0.508mm)，更优选地是从0.003英寸(0.076mm)到0.010英寸(0.254mm)。特别是对于这种薄薄片，优选的是，通过加工夹具和/或装配夹具，例如通过x平移、z平移和绕y旋转的运动学限制，将薄片运动学地限制在三个自由度中。该薄片和/或夹具优选地包括(例如三个)适合运动学定位的非平面突起。优选地，例如借助可移动钳夹提供的反向真空或接触压力，将该薄片在其余三个自由度中受非运动学限制。
该薄片包含可加工的塑料或可加工的金属。特别是对于装配的薄片的组件和复制(例如通过电铸溶液)，优选地，每个薄片的厚度公差(即：薄片中的厚度变化)小于+/-0.002英寸(0.0508mm)，更优选地小于+/-0.0002(0.00508mm)。制造逆向反射片的模具所采用的薄片的厚度公差更优选地是小于+/-0.0001英寸(0.00254mm)。此外，通常，薄片的主表面的表面粗糙度小于0.000005英寸(0.000127mm)。另外，装配的堆的薄片的长度变化优选地小于+/-0.0001英寸(0.00254mm)，更优选地小于0.0002英寸(0.00508mm)。
附图说明
图1是薄片的三维图。
图2是单薄片在夹具中的三维图。
图3是从一堆薄片中切除的多个薄片的三维图。
图4是设置在示例性装配夹具中的装配好的一堆薄片的三维图。
图5是装配好的一堆薄片和盖板的三维图。
具体实施方式
本发明公开加工薄片的方法、装配形成母模的薄片的方法、制造薄片的方法以及复制包括一堆薄片的母模的方法。本发明涉及薄片以及用作适合加工和/或装配薄片的夹具的设备。本发明涉及这些实施例中每个实施例的实际操作以及这些实施例的不同组合的实际操作。
加工薄片的方法、装配薄片的方法、加工和/或装配薄片的夹具以及薄片共享一个共同特征：“运动学定位”。如在精确加工设计(Alexander Slocum，Prentice Hall，Englewood Cliffs，NewJersey，1992)的第352-354页中所述，“运动学的设计原则说明了点接触应以最少量的点进行，以将物体限制在希望的位置和方向(即六减去希望的自由度数)上。理论上，无法实现单点接触。因此，点接触是个小区域范围。
为清楚起见，将通过参考重叠在薄片上的三维笛卡尔坐标系来描述对薄片的运动学定位。然而，应该知道，运动学定位还可以利用其它坐标系来描述，或者可将薄片和/或夹具定位在其它方向(例如垂直)上。
参考图1，“位置”是指沿X轴、Y轴和Z轴的坐标，而方向是指绕各轴的旋转。因此，在将薄片放置在加工或装配夹具之前，薄片能够沿6个自由度运动，即x轴、y轴、z轴、，绕x轴的旋转、绕y轴的旋转以及绕z轴的旋转。
为了调节运动学定位，薄片和/或夹具(即通过加工和/或装配)优选地包括突起。这些突起优选地是圆形的，以便使薄片和夹具之间的接触面积最小化的同时使接触应力和薄片的变形最小化。在此将参考具体实施例来更详细地描述本发明，其中单个的薄片包括突起，加工夹具和/或装配夹具设计成借助薄片的突起来定位薄片。然而，在可选的实施例中，仅夹具可包括突起。在其它的实施例中，薄片和夹具都包括突起。另外，尽管圆形的突起是优选的，但是如果实现了薄片的运动学定位，则其它形状的突起以及突起的可选择的布置也是适合的。
在一个实施例中，薄片优选地包括至少三个突起；例如一个突起在长度方向延伸(即在薄片平面中的最长尺寸)，两个突起在高度方向延伸(即在薄片平面中的最短尺寸)。该薄片也还包括附加突起，以便在反向方向将引导力精确地施加给接触夹具的每一突起。
一种用于薄片的示例性的加工夹具及具有突起的薄片设计示于图1-2中。半径1和2与加工夹具100的平表面113的接触结合作用在半径5和6上的力，将薄片运动学地限制在z轴方向(即z平移)和绕y轴的旋转中。而且，半径3与加工夹具的平表面114的接触结合作用在半径4上的力，将薄片运动学地限制在x轴方向上(即x平移)。薄片的表面14与加工夹具100的钳夹111的表面(未显示)接触，以便将薄片限制在其余的三个自由度即y平移、绕x的旋转以及绕z的旋转中。因此，在优选的实施例中，薄片被运动学地限制在三个自由度即x平移、z平移和绕y的旋转中，并结合薄片的非运动学表面接触，以便将薄片限制在其余三个自由度中。该薄片也可任选地被运动学地限制在y平移、绕z的旋转以及绕x的旋转中，特别是在薄片足够厚的情况下，从而阻止由于这些限制而导致的不可接受的弯曲变形。
本发明人已经发现，为了以重复的方式在微结构薄片上定位小立体角结构，在薄片的加工期间进行运动学定位是有利的。运动学定位有利于微结构薄片彼此相对布置在装配夹具内，以便定位误差达到起槽机的精度。尽管这里描述的方法和设备特别适合在薄片边缘上加工立体角微结构，但是人们认为，该方法和设备适用于利用具有微结构表面(例如边缘)的薄片的其它类型的微结构(例如钩和环紧固件)的加工中。
通常，薄片可以包括适合在边缘上直接形成加工凹槽的基底。适合的基底整齐地加工，无毛刺形成，呈现低的延展性和低的颗粒性，并在凹槽形成后保持尺寸的精确性。可利用各种可加工的塑料或金属。适合的塑料包括热塑或热固材料，例如丙烯酸树脂或其它材料。可加工的金属包括铝、黄铜、无电镀镍的铜及其合金。优选的金属包括非铁金属。可通过例如滚压铸造化学淀积、电极沉积或锻造来将适合的薄片材料制成薄片。通常，选择优选的加工材料，，以便在形成凹槽期间切削工具磨损最小。其它的材料也可适合于包括其它类型的微结构的薄片。
薄片是长度和高度至少为厚度的大约10倍(优选地，至少为厚度的100、200、300、400、500倍)的片材。本发明不限于任何特定尺寸的薄片。本领域的普通技术人员知道，薄片的最佳尺寸涉及到薄片的弯曲刚度、抗弯刚度和加工的容易度。另外，关于旨在用于制造逆向反射片的薄片，最佳的尺寸也可能会受最终设计(例如立体角结构)的光学要求的限制。本发明通常有利于厚度低于0.25英寸(6.35mm)的薄片，优选地厚度低于0.125英寸(3.175mm)。关于适用于形成逆向反射片的模具中的薄片，每薄片的厚度优选地低于约0.020英寸(0.508mm)，更优选地低于0.010英寸(0.254mm)。通常，该薄片的厚度至少是约0.001英寸(0.254mm)，更优选地至少是约0.003英寸(0.0762mm)。该薄片的长度范围是从约1英寸(25.4mm)到约20英寸(5.08cm)，通常低于6英寸(15.24cm)。该薄片的高度(即在边缘18和工作表面16之间的距离)通常的范围是从约0.5英寸(12.7mm)到约3英寸(7.62cm)，更通常是低于约2英寸(5.08cm)。
堆内的装配薄片通常具有基本相同的尺寸。每一薄片的厚度、长度和高度随着习惯的加工公差而变化。尽管较高尺寸的变化适合其它使用，但是关于旨在经受水溶液电铸的装配薄片，薄片到薄片的高度变化优选地小于约+/-0.005英寸(0.127mm)，更优选地小于+/-0.0005英寸(0.0127mm)，甚至更优选地小于+/-0.00005英寸(0.00127mm)。此外，薄片到薄片的长度变化优选地小于约+/-0.0005英寸(0.0127mm)，更优选地小于+/-0.0001英寸(0.00254mm)，甚至更优选地小于+/-0.00005英寸(0.00127mm)。薄片内的厚度公差优选地小于+/-0.002英寸(0.0508mm)，更优选地小于+/-0.0002英寸(0.00508mm)，甚至更优选地小于0.0001英寸(0.00254mm)，特别是针对制造逆向反射片的模具的薄片。为了确保在薄片的加工和装配期间可重复的定位，每个薄片的正面(即正面12和14)被优选地加工成其平均表面粗糙度小于约0.00008英寸(0.0002mm)，优选地小于0.000004英寸(0.0001mm)。
在加工和/或装配期间，接触突起(例如1、2和3)的外部边缘通常具有至多等于最大预期定位误差的峰至谷(Pv)表面粗糙度。优选地，接触突起的Pv表面粗糙度小于最大预期定位误差的三分之一，更优选地小于最大预期定位误差的约六分之一。因此，对于+/-0.0001英寸(0.0025mm)的最大定位误差，突起的Pv表面粗糙度优选地为约0.000016英寸(0.0004mm)或更小。
关于圆形的突起，相对于薄片突起的组成和薄片的尺寸，根据作用在接触半径上的力的大小，优选地选择接触半径1、2和3的尺寸；选择接触半径的尺寸以降低其应力，防止其变形以及如前所述的最小化其与夹具的接触。适用于制造逆向反射片的薄片的合适的接触半径1、2和3为约10英寸，所含的黄铜的厚度为0.010英寸(0.254mm)，长度为6英寸(15cm)，高度为2英寸(5cm)，其中施加的力为2磅(0.9公斤)。
参考图3，制造薄片的优选方法包括：用例如金刚石车床对两个或多个薄片的主表面12和14(未显示)端面车削，并达到刚刚描述的期望的表面粗糙度和厚度公差；将薄片装配成堆300；然后通过堆切割薄片的周边形状。主表面的端部车削可以通过例如磨削、研磨、磨碎以及优选地通过金刚石加工来实现。薄片的端部车削比单个薄片的端部车削更有效，并且通常导致较好的厚度均匀性，特别在边缘附近。另外，同时切削一个以上的薄片比单个地切削薄片更有效，并且通常产生更均匀的薄片尺寸。同时从堆中可切削的薄片的数量取决于单个薄片的厚度以及在切削期间保持堆的能力。对于厚度约0.010英寸(0.254mm)的薄片，至少80个薄片(例如100)可以被装配成一堆，以便同时对薄片进行切削。如果薄片的长度和高度仅稍大于薄片的期望的长度和高度，则从每一片材中可切削一个薄片。然而，通常，薄片的尺寸足够大，以致从每一薄片中切削5个或更多个薄片。外围形状可用适合提供具有先前描述的尺寸变化的薄片的任意装置从堆中切出。然而，优选的是，从堆中切削薄片是通过导线放电加工(“wire EDM”)来实现的。在这样操作过程中，边缘的Pv表面粗糙度以及高度和长度的公差在目标范围内，而无需随后对薄片的外围边缘进行端部车削。然而，或者，可用较低精度的切削装置从堆中同时切得两个或更多个薄片。然后，薄片，具体地是图1的工作表面16，可以被加工成希望的公差，同时在形成凹槽之前立即被定位在加工夹具中。
在图2中，薄片10安装在具有钳夹111和112的加工夹具100中，在钳夹之间具有可调的开口。该开口以两个平行的平表面和基底109的垂直的平表面113为界。该加工夹具还包括止挡110，该止挡具有与薄片的半径3接触的平表面114，而平表面113与薄片的半径1和2接触。加工夹具优选地向薄片半径4、5和6施加恒定不变的正交力，以便保持半径1、2和3与各自相应的平表面接触。该力可以通过任意适当的装置例如机械螺纹、弹簧、杠杆以及流体压力活塞来施加。，尽管该力优选地是恒定的并且直接施加给突起4、5和6，但是更通常的情况下它既不必是恒定的，也不必直接施加给突起4、5和6。
薄片的表面14保持与钳夹111的第一平行表面接触(例如非运动学)。可任选择地，也是优选地，薄片的表面12与钳夹112的第二平行表面同时保持接触。该钳夹可以用任何适当的装置来保持定位，所述装置包括机械螺纹、弹簧、流体压力活塞、杠杆，并优选地借助经过钳夹111和112的孔或通道而作用的真空来保持定位。以该方式施加反向真空增加了薄片的弯曲刚度，从而防止它从主真空表面剥离。加工夹具可以由任何材料制成。前述的运动学接触的平表面114和113优选地由耐磨的、可金刚石加工的材料构成，随后金刚石加工成镜面光洁度。优选地，与薄片接触的夹具的平表面由与薄片材料类似的材料或比薄片材料更硬的材料制成。然而，或者，夹具的平接触面可包含较软材料，以便通过吸收能量来降低薄片接触点上的应力。然而，该材料通常具有较差的耐磨性。优选的是，与薄片突起接触的加工夹具(114和113)的每个平表面的表面粗糙度至多等于先前描述的薄片的边缘的表面粗糙度。
随着薄片运动学定位在加工夹具中，以致边缘部分(窄的、基本平坦的部分，例如工作表面16)被暴露，本发明的方法包括加工薄片的边缘部分。因此，加工的表面部分横跨薄片的厚度。本文所用的“加工”是指通过加工工具而进行的切削、成型、磨碎、研磨或修整。尽管也可以采用运动学定位来加工薄片的其它表面，例如主表面12和/或14，但是本发明的方法和设备特别适合通过形成多个V形凹槽来在薄片的暴露边缘部分即工作表面16上加工立体角微结构。
参考图1，薄片10包括第一主表面12和相对的第二主表面14。薄片10还包括工作表面16和在第一主表面12与第二主表面14之间延伸的相对的底表面18。薄片10还包括第一端面20和相对的第二端面22。
为了描述运动学定位，薄片10可用具有同一重叠的笛卡尔坐标系的三维空间来描述。。第一参考面24居中于主表面12和14之间。被称为x-z平面的第一参考面24以y轴作为其法向矢量。被称为x-y平面的第二参考面26与薄片10的工作表面16基本上共面伸展，并且以x轴作为其法向矢量。被称为y-z平面的第三参考面28居中于第一端面20和第二端面22之间，并且以x轴作为其法向矢量。
在加工包括立体角微结构的薄片的方法中，用起槽机形成第一凹槽组、可任选的第二凹槽组以及优选的第三主凹槽。本文所用的术语“凹槽组”是指在薄片10的工作表面16内形成的凹槽，其在从与随后将进行描述的具体参考面名义上平行到与具体参考面不平行的1°角的范围内，和/或在从与凹槽组中的相邻凹槽名义上平行到与凹槽组中的相邻凹槽不平行的1°角的范围内。名义上平行的凹槽是在起槽机的精确度中尚未引入有意变化的凹槽。在切口的整个长度(例如薄片的厚度)上凹槽角的精确度通常至少为+/-2弧分(+/-0.033度)，优选地至少为+/-1弧分(+/-0.017度)，更优选地至少为+/-1/2弧分(+/-0.0083度)，最优选地至少为+/-1/4弧分(+/-0.0042度)。为了改善逆向反射的发散外形例如夹角误差和/或歪斜和/或倾斜，侧凹槽可包括小的有意变化，随后将会对此进行更加详细的描述。
一般而言，第一凹槽组包括多个凹槽，所述的多个凹槽具有与薄片的第一主面12和工作面16相交的相应凹槽顶点。虽然工作面16可包括保持未变(即未结构化)的部分，但是优选的是，工作面16基本上没有未结构化的表面部分。
第二凹槽组(即存在的时候)包括多个凹槽，所述的凹槽具有与薄片的第一主面和工作面16相交的相应凹槽顶点。第一凹槽组和第二凹槽组大约沿第一参考面24相交，以形成包括多个交替的峰和V形谷的结构面。
第一和第二凹槽组这里也被称为“侧凹槽”。本文所用的侧凹槽是指在从与参考面28名义上平行到与参考面28不平行的1°角的范围内的的凹槽。作为对此的一种选择或者补充，在侧凹槽组内的单个凹槽也可在相互名义上平行到相互不平行的1°角的范围内。可任选地，所述侧凹槽可能会以该相同的偏差度与参考面24垂直。
尽管这些元件的第三正面可能包括工作表面12或14，例如在EP 0 844 056 A1和美国专利第6,010,609号(Mimura)中所述，但是优选地，薄片包括基本上在该薄片的整个长度上延伸的主凹槽面。主凹槽面的形成就产生包括多个立体角件的结构面，所述立体角件在该薄片上具有三个垂直或近似垂直的光学面。通常，这样的主凹槽面与工作面12或14的相交线处名义上平行于参考面26。单个薄片可包括单一一个主凹槽面、在相对侧上的一对凹槽面和/或沿工作面16和参考面24的相交处的主凹槽，所述主凹槽同时提供一对主凹槽面。
通常将一对具有相反取向的单薄片优选地具有相反取向的多个薄片装配在一起，使得它们的相应主凹槽面形成主凹槽。本发明适合本领域已知的诸多光学设计。在例如EP 0 844 056 A1和美国专利第6,010,609号(Mimura)；美国专利第6,015,214号(Heenan)；美国专利第5,981,032号(Smith)；美国专利第6,159,407号(Krinke)和美国专利第6,257,860号(Luttrell)中描述了示例性光学设计。
该侧凹槽包括歪斜和/或倾斜，以便改进逆向反射片的发散外形。本文所用的“歪斜”指从平行于参考面28偏离。“倾斜”指特定侧凹槽的参考面28中斜度偏离名义上正交斜度(即与主凹槽面垂直的矢量的斜度)。有关歪斜和/或倾斜的侧凹槽的其它细节在代理人证号为FN58179US002，题目“Lamina Comprising Cube CornerElements and Retroreflective Sheeting”，与本申请在同一天申请的美国专利申请中描述。
尽管由于歪斜和/或倾斜使得单一立体角件的形状变化相对单一元件是微小的(例如主要是两面角的改变受到限制)，但是显然在薄片的堆中形成歪斜的和/或倾斜的凹槽是有疑问的。因为侧凹槽从平行偏离至多1°，在整个堆上可产生立方体几何形状明显的改变。这些变化随着堆尺寸增加而增加。计算的可同时加工(即在堆中)且不会显著改变立方体几何形状的最大薄片量是两个薄片(例如对于1°歪斜，0.020英寸(0.508mm)厚的薄片，具有0.002英寸(0.0508mm)的侧凹槽间距)。因此，这里描述的方法和设备特别应用在加工单个薄片，其中侧凹槽包括“歪斜”和/或“倾斜”。
当凹槽被运动学限制时，优选地被限制在至少3个自由度中，用起槽机将凹槽形成在薄片的暴露的边缘上。直接加工技术的实例包括快速切削、磨碎、研磨和刻划，例如在美国专利第4,588,258号(Hoopman)和第3,712,706号(Stamm)中描述，其公开具有用于切削凹槽的两个相对切削表面的单程或多程加工工具，以便在基底上形成立体角光学面。优选地，利用金刚石刀具形成凹槽。
优选地，用金刚石刀具机床形成V形凹槽，所述的金刚石刀具机床能够高精细度地形成每个凹槽。为此，美国康涅狄格州布里奇波特的Moore Special Tool公司、美国新罕布什尔州基涅的Precitech和美国宾夕法尼亚州匹兹堡的Aerotech Inc.制造了适合的机床器。这些机床器通常包括激光干涉定位装置。适合的精密旋转工作台轮盘可从AA Gage(位于美国密歇根州斯特林高地城)购买到；然而适合的微干涉仪可从Zygo Corporation(位于美国康涅狄格州三维Middlefield)和Veeco的分部Wyko(位于美国亚利桑那州的Tucson)购买到。微结构(例如凹槽顶点间距和凹槽深度)的精确度(即点到点的定位)优选地至少为+/-500nm，更优选地至少为+/-250nm，最优选地至少为+/-100nm。在切口的整个长度(例如薄片的厚度)上凹槽角的精确度至少为+/-2弧分(+/-0.033度)，更优选地至少为+/-1弧分(+/-0.017度)，更加优选地至少为+/-1/2弧分(+/-0.0083度)，最优选地至少为+/-1/4弧分(+/-0.0042度)。此外，分辨率(即起槽机分辨当前轴位置的能力)通常至少大约为精确度的10％。因此，对于+/-100nm的精确度，分辨率至少为+/-10nm。在短距离(即10个相邻的平行凹槽)内，精确度大约等于分辨率。为了在持续时间内连续地形成多个这样细高精度的凹槽，工艺的温度保持在+/-0.1℃内，优选地在+/-0.01℃内。
适合使用的金刚石刀具机床具有高质量，例如可从K&Y Diamond(位于美国纽约的Mooers)或Chardon Tool(位于美国俄亥俄州的Chardon)购买到的金刚石刀具机床。具体而言，适合的金刚石刀具刀具是在顶端的0.010英寸(0.254mm)的顶端内没有划痕，这可用2000X白光显微镜来评定。通常，金刚石的顶端具有平坦的部分，所述部分的尺寸范围为大约0.00003英寸(0.000762mm)至大约0.00005英寸(0.001270mm)。此外，优选地，适合的金刚石刀具刀具的表面抛光的粗糙度平均值小于至少为大约3nm，峰至谷的粗糙度小于至少为大约10nm。通过在可加工的基底上形成试验切口并用微干涉仪对试验切口进行评定，可对表面光洁度抛光进行评定，例如从Veeco的分部Wyko(位于美国亚利桑那州的Tucson)可购买到的微干涉仪。
薄片的工作表面16是微结构，其含义为结构(例如立体角件)的侧向尺寸优选的范围从0.0005英寸(0.0127mm)到0.25英寸(6.35mm)。本文所用的“侧向尺寸”指在相对侧或特征(例如相邻侧凹槽的凹槽顶点或薄片厚度之间的距离)之间测量的结构尺寸。该元件的侧向尺寸优选地小于0.015英寸(0.381mm)，更优选地小于0.010英寸(0.254mm)，最优选地小于0.006英寸(0.1524mm)。
一旦每个单独薄片的边缘加工成希望的微结构，那么以希望的结构堆叠多个薄片。通常，对于立体角微结构，将薄片堆叠，使得在第一薄片上的立方体相对于相邻的薄片具有相反的立方体取向。
加工夹具和装配夹具具有包括使垂直的底支撑与两个相对的平行表面连接的共同特征。该相对的平行表面之间具有可调的开口。该两个夹具还包括用于使相对表面中的至少一个回缩和前进的装置，以便接收薄片，以及用于使单个薄片运动学定位的装置。另外，该两个夹具优选地装有用于确定薄片正确位置的适当装置，例如接触(例如探针)和非接触(例如显微镜)仪器。然而加工夹具针对单一薄片的运动学定位来设计，该定位被临时固定，同时希望的微结构形成在薄片的暴露边缘，该装配夹具设计成将每一薄片运动学定位在堆中。
参考图4，包括微结构表面部分的薄片460的堆被限制在装配夹具400中的第一(例如固定的)钳夹420和第二(例如可移动的)钳夹420之间。钳夹的平行表面形成精确加工袋，该钳夹的平行表面(即非运动学的)使薄片的主表面12和14与基底430的垂直表面接触，袋的长度略大于最终堆的最长薄片，(例如大0.0001英寸(0.00254mm))。固定的钳夹410用螺钉415刚性地固定在基底430，以致它垂直于袋边缘，优选地在0.0005英寸(0.0127mm)内，更优选地0.0001英寸(0.00254mm)内。移动钳夹420前进或回缩并用螺钉25刚性地固定在一个位置，该位置略宽于最终装配堆的宽度。袋接触薄片的突起(即接触半径1、2和3)的表面是平面，例如在0.0001英寸(0.00254mm)内。尽管描述的基底和钳夹均包括单一部分，但是或者它们可由精确布置以获得相同公差的多个部分构成。
在薄片装配期间，应注意确保装配夹具和薄片充分清洁，以避免脏物或其它有机或无机污染带来的定位误差。在这样操作的过程中，在将薄片插入装配夹具前，装配夹具和每个薄片的接触面用合适的溶剂、肥皂溶液和/或现有的脱离子水清洗。另外，优选地，在干净的空间进行装配。
薄片被插进袋，优选但不必一次一个，以致它们从固定钳夹朝着移动钳夹堆积。通过装配夹具作用在薄片上的运动学限制非常接近由加工夹具的限制。移动钳夹420包括两级装置，该两级装置在堆上保持不变的Y轴力，并且在Y轴方向间歇地形成缝隙，用于随后插入的薄片。两级装置的恒定力可由任意合适的机械或手工装置提供，但最好借助气动活塞。该装置的第一级允许薄片朝着袋的底部插入一段距离，该距离几乎等于薄片高度的1/2。该装置的第二级允许该薄片朝着袋的底部插入剩余距离。在每个薄片插入堆后，通过任意适当的机械或手工装置沿X方向对薄片施力，以致半径3接触袋的对应边缘，并且在z方向施力，以致半径1和2接触袋的底部。当装配工艺开始时，测量薄片位置，以确定其适当位置，如有必要可单独调节。假定与定位突起相对的突起(即包括接触半径5和6)具有如先前描述的一致的高度，例如通过沿着暴露突起的顶部使探针运动，以确定薄片的位置。在确定薄片适当的定位后，调节螺钉470被拧紧，以致它们接触移动钳夹。然后，紧固螺钉425略微拧松，因此，借助施加到调节螺钉上的适中的扭距，允许移动钳夹在Y方向平移。然后，调节螺钉独立地紧固，直到适当的压力施加在堆上。选择用于构造夹具特别是与薄片接触的那些部件的材料，从而具有类似薄片材料的热膨胀系数。堆超过固定和移动钳夹的外表面突出接近0.05英寸(1.27mm)，以提供用于复制的微结构表面。
优选地，薄片在与加工相同的方向(例如所有薄片定向使得接触半径3接触装配夹具的相同侧表面)装配。可选择的，薄片可布置成使得相邻薄片在相对的朝向上，例如，所有其它薄片定位成使得半径4运动学接触装配夹具的对应侧表面。以这种方式替换薄片有利于切入工作表面16的不同类型的光学设计最小化。然而猜想该装配更困难和精度更低，因为薄片交替定位比用起槽机形成相对结构带来更大误差。
运动学定位和装配的薄片可用作工具，例如在4,486,363(Pricone等人)中描述的压花工具。然而，通常，该装配薄片具有很小的表面积，这样获得制造效率，该工具接着通过用复制机一起缝合或盖瓦来复制，以便制造实质较大的工具。
为复制暴露的微结构表面，如图5所示，0.050英寸(1.27mm)厚的盖板500连接夹具，以致薄片的微结构表面暴露，并且夹具的其余部分被覆盖。通常，导电薄片例如不锈钢被加工(例如线EDM)，以便其具有开口，该开口略小于堆的突起的微结构表面的尺寸。盖板优选的在背面(未显示)具有镜面光洁度，以便容易去除电镀闪光(例如非常薄层的电镀层材料，典型的厚度小于约0.0002英寸(0.00508mm))，并且在前部直线砂磨，以允许电铸工具的在一个方向剥离。优选地，砂磨线基本平行薄片的主凹槽。优选地，盖板在堆的突起部分的周围热压配合(例如热)，以便在电镀复制件内的该边界上的闪光最小，且例如利用焊接在盖板背面的双头螺栓由装配夹具紧固。然而，紧固件不延伸穿过盖板，从而避免紧固件的电镀。由盖板环绕的薄片微结构表面布置在非导电电镀夹具中。
或者，装配堆可包括外围平表面部分。这可通过在堆的两端插入未组织的薄片，以及使两端上的工作表面16的一部分保持未组织来实现。假定外围平面部分是围绕堆的外围至少0.125英寸(3.175mm)宽，可不需要盖板。然而，在缺少盖板情况下，薄片堆的几何图形以及装配夹具使得电铸复制件可释放(即复制件不与夹具互锁)。
接着，暴露的微结构表面，也被称为“母模”利用任何适当的技术复制，该技术例如是传统的镍电铸，以便制造希望尺寸的工具，以形成微结构薄片。优选地，在初始电铸前，该装配薄片的堆保持湿润，在电镀液干燥前，每个复制件从装配薄片的堆去除，该电镀液在薄片堆的主表面之间漏出。在每个复制件去除后直到电镀再一次开始，该堆持久保持湿润。这样形成几代阴阳模复制工具，该工具具有与母模基本相同的立方体成形精度。例如在美国专利第4,478,769号和第5,156,863号(Pricone)和美国专利第6,159,407号(Krinke)中描述的电铸技术是已知的。多个复制件通过焊接连接在一起，这例如在美国专利第6,322,652号(Paulson)中描述。然后可采用生成的工具，例如通过压花、挤压或铸造和固化等本领域已知的工艺，以形成立体角逆向反射片。
应该知道，以上的说明部分是用来解释，而不是用来限制。对于本领域的技术人员来说，根据上述的说明部分，显然易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变形，应该知道，本发明不会仅仅过分地局限于在此所阐述的示例性实施例。

Claims (11)

1.一种加工薄片的方法，包括：
提供薄片；
将薄片运动学上地定位在夹具中以便使所述薄片通过夹具在最少的离散的接触点受限制，从而使得薄片的边缘部分暴露；和
在薄片的边缘部分上形成多个凹槽。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄片的厚度公差为+/-0.002英寸。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄片的厚度公差为+/-0.0002英寸。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄片在x-z平面内伸展，并通过夹具在三个自由度内运动学上地受限制。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述自由度包括x平移、z平移、和绕y的旋转。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄片包括至少三个非平面突起。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄片借助反向真空受到非运动学上地限制。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽的至少一部分是侧凹槽，所述侧凹槽包括歪斜、倾斜或其组合。
9.一种装配薄片的方法，包括：
提供包括微结构边缘的根据权利要求1的方法加工的薄片；
将单个薄片运动学定位在夹具中，以形成堆；和
保持薄片在堆中的位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述薄片的厚度公差为+/-0.0002英寸。
11.一种复制母模的方法，包括：
根据权利要求9所述的方法将一堆薄片设置在夹具中，其中，所述堆包括暴露的微结构表面；
将导电盖板与所述堆连接，使得所述微结构表面暴露；和
用电镀液电铸所述暴露的微结构表面，以形成复制件。
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