CN101551480A - 高效逆反射微棱镜及其模具的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效逆反射微棱镜，其一个单元结构由共底面的第一、第二两个正三棱锥和一个对称六棱体锥组成，两个正三棱锥各自的三条棱都分别相互垂直，位于对称六棱体锥的两侧；对称六棱体锥由第三正三棱锥三个角被削去后形成，所截去的三个角，形状相同，截断后得到对称六棱体锥新的三个侧面；第三正三棱锥的底面被削去三个等边三角形，第一正三棱锥的底面即是被削去的三个等边三角形中的一个，第一正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°；第二正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°。本发明同时提供了该种微棱镜模具的制作方法。本发明提出的微棱镜，结构简单，能低成本地进行模具制作。

Description

高效逆反射微棱镜及其模具的制作方法

技术领域

本发明涉及一种逆反射结构镜的优化设计和模具制作。

背景技术

逆反射结构的显著特点在于能够将入射到该结构上的光线再反射回光源区域，从而使该结构实现被动发光，经常应用于交通警示标志等。由于是被动发光，不仅具有节省能源、绿色环保的优点，同时还不受日照、天气等环境影响。目前，已广泛应用于路面标志和路障、工作者的安全服或其他此类安全服装、料卷形式的包装等，还可以应用在一些测量系统光学结构搭建中。

目前，具有逆反射功能的结构主要包括以下几类：

1)微珠阵列(glass bead)，通常在嵌入粘合剂层中含有相关的镜面反射或漫反射材料，以提供逆反射性能。但该类结构的逆反射光线在绕垂直于材料表面轴上均匀，对于其他方向的反射效率不高，因此对入射光线方向敏感。相关的专利主要有：US5200262，US5283101，US3758192-A，中国专利1126962C。

2)角锥棱镜(corner cube retroreflector)，也称角隅棱镜、三面直角锥棱镜等，由三个表面互相垂直交汇而成，如同桌角或墙角所限定的形状，一般为BK7玻璃加工而成，另一面被制作成圆柱端面。光线通过端面折射进入该结构，光线分别在三个表面上依次发生全反射，然后通过正面折射，该结构不受入射角度大小的限制，按照平行于入射光的方向返回。虽然该器件逆反射效率高，但形状不易微小化，因此不适于直接在警示标志中应用。专利200720169461.7公开了一种依靠拼接，方便实用的大尺寸角锥棱镜。

3)微棱镜(microprism)，由类似角锥棱镜结构组成的阵列，是角锥棱镜微小化和阵列化应用的重要方法。其单元结构仍由三个互相垂直表面组成，顶面通常由平面相截三个面形成三角形，侧面也为三角形。其光学性能和角锥棱镜类似，光线沿光轴(结构的对称轴)入射时，得到的光学效率最高，效率随着光线与光轴的偏离增大而减小。整个结构可由光学塑料注塑制成，随着超精密加工技术的发展，该结构的模具制造过程变得易于控制，并且加工单元尺寸从原来的几百微米逐渐缩小，因此这种结构已成为逆反射材料的重要发展方向。

微棱镜可由在平面上切削V形凹槽形成的模具靠模制造而成，因此模具的设计和制作是其关键技术，已知很早就有很多提案，及对其进行对各种改进措施的探讨。

US4478769公开了一个普通微棱镜的制作过程，模具V形槽具有70.53°夹角，三组槽的夹角均为60°。CN02811691.7公开了一种模具，V型槽在加工过程中刀具和工件之间相对振动，模具具有可控的和更宽的发散。CN01804407.7公开了一种模具，三组V形槽的深度至少有两个实质上不等，解决入射角增大后，不能满足内部全反射条件，在侧面穿透元件的问题，从而增大可用入射角范围。CN00817106.8提供了一种模具，三面交点高于或低于标准高度，提高了入射角和旋转角特性。

影响微棱镜逆反射性能的一个非常重要的因素是单元结构的有效通光孔径。Eckhardt在Applied Optics，1971，Vol.10(7)：1559-1566中对其通光孔径进行了详细分析，由其推得的公式可以计算，在入射光和光轴平行时，通光孔径为顶面内的正六边形，有效面积为整体的三分之二，因此，得到逆反射效率仅为66.67％。关于提高通光孔径从而增强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错形成三个互相垂直的表面，侧面的形状为四边形，并采用电镀法组合和装配。CN200380105932.2公开了一种采用复合斜度的立方角改进有效孔径的方法，三组V形槽具有不同夹角，最钝的槽具有最浅的深度，中间的槽具有中等深度，最尖的槽具有最深深度。

所公开的专利对有效通光孔径的改进均没有采用直接修改非通光孔径区域的方式，导致加工过程复杂，加工效率和精度较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够提高有效通光孔径的逆反射微棱镜结构，从而能够提高逆反射微棱镜的逆反射性能。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种高效逆反射微棱镜，该棱镜的一个单元结构由共底面的第一、第二两个正三棱锥和一个对称六棱体锥组成，所述的两个正三棱锥各自的三条棱都分别相互垂直，位于对称六棱体锥的两侧，分别与其共一个底边；所述的对称六棱体锥，由第三正三棱锥三个角被削去后形成，所截去的三个角，形状相同，截断的长度一致，截断后得到对称六棱体锥新的三个侧面；原来的第三正三棱锥的底面被削去三个等边三角形，所述的第一正三棱锥的底面即是被削去的三个等边三角形中的一个，所述的第一正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°；所述的第二正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°。

本发明同时提供一种制作上述的逆反射微棱镜模具的方法：

第一步：按照下列加工条件切削凸型模具，三个切削方向的夹角为60°，并且满足：

(1)三个方向的切削线间距L一致，选择在20um~250um范围；

(2)三个方向切削线均偏离旋转轴心，且距旋转轴心最近线距旋转轴心距离d一致，d＝mL，0＜m＜1；

(3)每条切削线的加工深度H一致；

(4)当切削线间距L确定时，加工深度H满足： $H\≥\sqrt{2}/3(1+m)L.$

第二步：通过热压成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的凹型实体微棱镜。

上述的制作方法，第一步中，可以采用金刚石刀具切削或飞刀加工方式进行超精密加工；m应当在1/15~1/4范围内选择，最好选择1/5。

本发明提出的逆反射微棱镜结构，通过在非通光孔径区域设计可通光形状，提高其有效通光孔径，最终提高其逆反射性能。本发明提出的微棱镜，结构形状简单、易于实现，直接采用普通的金刚石切削方法就能低成本地进行模具制作。

附图说明

图1高效逆反射微棱镜模具结构的俯视图。

图2(1)普通微棱镜单元结构示意图。

图2(2)高效逆反射微棱镜单元结构示意图。

图3标识了各个加工参数的普通微棱镜模具结构示意图。

图4标识了各个加工参数的普通微棱镜单元结构示意图。

图5标识了有效通光孔径的普通微棱镜单元结构示意图。

图6标识了有效孔径处高度的普通微棱镜单元结构示意图。

图7标识了各个加工参数高效逆反射微棱镜模具结构示意图。

图8标识了各个加工参数的高效逆反射微棱镜单元结构示意图。

图9(1)普通微棱镜有效孔径示意图。

图9(2)高效逆反射微棱镜有效孔径示意图。

图10普通微棱镜逆反射效率仿真结果。

图11高效逆反射结构逆反射效率仿真结果。

具体实施方式

本发明的微棱镜逆反射结构如图1所示。图2(1)是普通微棱镜的两个相邻的单元结构，是由两个正三棱锥组成，底面为正三角形，三个侧面为等腰三角形，相互垂直交于结构顶点，两个四面锥的相邻侧面夹角＝70.5288°。相比之下，本发明的一个单元结构如图2(2)所示，由两个正三棱锥和一个对称六棱体锥组成。两个正三棱锥仍具备：底面为正三角形，三个侧面为等腰三角形，相互垂直交于结构顶点。对称六棱体锥形状可以看成正三棱锥的三个角被角度为70.5288°的三角形状垂直截掉剩下的多面体锥，并且截断的长度一致。如图2(2)所示，对称六棱体锥由原来正三棱锥剩余面F1、F2、F3和截断后新产生面F4、F5、F6组成，且面F1、F2、F3形状尺寸一致，面F4、F5、F6形状尺寸一致，六个面共底面。两个正三棱锥在六棱体锥两侧，小正三棱锥和截断后的新面F4相邻，相邻面F7和F4的夹角为α＝70.5288°；大正三棱锥和原来的面F3相邻，相邻面F3和F8的夹角仍为α＝70.5288°。而整个高效微棱镜由上述的单元阵列而成，最终得到的微棱镜逆反射结构如图1所示(俯视图)。其中的小正三棱锥有效地利用了非通光孔径区域，因此，可以提高逆反射效率。

对于普通微棱镜模具加工，可采用角度α＝70.5288°的金刚石刀具进行三个方向的切削实现，如图3所示三个切削方向分别为xyz，三个方向夹角为60°。但必须满足以下条件才能得到规则正三棱锥：①三个方向的切削线间距L一致；②三个方向切削线中必须均有一条线过旋转轴心；③每条切削线的加工深度H一致；④当切削线间距L确定时，加工深度H需满足：H≥0.4714L。

满足以上条件后，采用金刚石切削方法进行加工得到正三棱锥的底面边长为l＝1.1547L，高度为h＝0.4714L，如图4所示。当入射角为0°时，加工得到正三棱锥的有效通光孔径为：底边边长为l/3的正六边形，如图5所示的阴影区域，在该区域进入的光线入射角为0°时，可以利用三个侧面的全反射而发生逆反射；其余部分进入的光线不能发生逆反射。此时的有效孔径面积为S＝0.3849L²，占整个底面面积的2/3，正是这个原因，普通微棱镜的逆反射效率在入射角为0°时仅能达到约66.67％。在有效孔径边界对正三棱锥进行垂直截断，得到的截断多面棱体可以实现同样效率的逆反射，截断三角形的高度为h′＝0.2357L，如图6所示。

本发明的高效微棱镜逆反射结构模具同样采用金刚石刀具切削实现，切削方法和普通微棱镜模具加工方法类似，只是并不满足得到规则正三棱锥的条件②，而是三个方向切削线均偏离旋转轴心，即三个方向切削线没有一条过旋转轴心，且距旋转轴心最近线距旋转轴心距离一致，设为d＝mL，0＜m＜1。如图7所示，切削线的三个方向为x’y’z’。

图8给出了高效微棱镜两个相邻单元结构图，从图中可以得到：d＝0.8660a，L＝0.8660(a+b)。

图9列出了普通微棱镜和高效微棱镜的有效孔径对比图。从图中可以得到普通微棱镜两相邻单元的有效孔径面积为：

S＝S₁+S₂＝0.7698L²                            (1)

而高效微棱镜两相邻单元的有效孔径面积为

$S^{\′}=S_1^{\′}+S_2^{\′}+S_3^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{6}{a}^2+\frac{\sqrt{3}}{6}{(2a+b)}^2+\frac{\sqrt{3}}{6}{b}^2=\frac{2\sqrt{3}}{9}({3m}^2+2)L^2---\left(2\right)$

此时， $\mathrm{mL}+\frac{\mathrm{mL}+L}{6}\≤\frac{\mathrm{mL}+L}{3},$ 即 $m\≤\frac{1}{5}.$

从式(2)可知，有效孔径面积是关于m的非线性递增函数。当m＝0时，S′＝S，为普通微棱镜结构；当m＝1/5时，取得最大值S′＝0.8160L²。因此，该结构的有效孔径是普通微棱镜有效孔径的1.06倍。说明采用偏离旋转轴心得到的微棱镜逆反射结构能够提高有效孔径，并且根据有效孔径的倍数可知，在入射角为0°时，逆反射效率可达到约70.7％。

在这种情况下，如想得到所需高效逆反射结构，前面所述条件④需进行相应修改：当切削线间距L确定时，加工深度H需满足： $H\≥\sqrt{2}/3(1+m)L,$ 当m＝1/5时，H≥0.5657L。因此，比普通微棱镜加工的切削深度要大。

综上所述，整个模具的加工采用角度α＝70.5288°的金刚石刀具进行三个方向的切削实现，三个切削方向的夹角为60°。同时满足以下条件：①三个方向的切削线间距L一致；②三个方向切削线均偏离旋转轴心，即三个方向切削线没有一条过旋转轴心，且距旋转轴心最近线距旋转轴心距离一致，设为d＝mL；③每条切削线的加工深度H一致；④当切削线间距L确定时，加工深度H需满足： $H\≥\sqrt{2}/3(1+m)L.$ 并且每条切削线的加工参数均保持一直，不必在加工过程中再对刀具或模具位置等做任何调整，因此，具有加工过程简单易于实现的特点。

采用Tracepro光线追迹软件进行仿真实验，验证该结构的逆反射效率改进效果。首先，对普通微棱镜进行仿真，采用切削线间距L＝0.1mm、0.2mm、0.4mm，对应的加工深度为H＝0.05mm、0.1mm、0.2mm，加工后的模具生成采用PMMA塑料材料(折射率为n＝1.4935)模拟加工工件，得到入射角为0°时的逆反射效率如图10所示。选择切削线间距L＝0.2mm进行高效逆反射结构和普通微棱镜的对比实验，选择m＝1/10、1/8、1/5、1/4，加工深度为H＝0.1mm，同样采用PMMA塑料材料(折射率为n＝1.4935)模拟加工工件，图11为得到的逆反射效率图和m的关系。从实验结果，可以看出仿真效果和理论值基本一致，同时证明了本发明提出的高效逆反射结构可以有效的提高逆反射效率。

本发明易于采用金刚石切削或“飞刀(fly-cutting)”加工方式进行超精密加工，得到的“凸型”模具通过热压成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的“凹型”实体微棱镜产品，切削线间距一般选择在20um~250um，偏离旋转轴心的量不局限于1/5倍切削线间距，对于不同性能要求的微棱镜产品，偏离旋转轴心的量可以选择1/15~1/4倍的切削线间距，同时根据本发明所述的方式选择恰当的切削深度，就能得到实施例中所得到的高效逆反射效果。根据本发明的结构和模具制作方法制作的微棱镜产品，可以广泛应用于路面标志和路障、安全服装、料卷包装等交通警示标志。

Claims (5)

1.一种高效逆反射微棱镜，该棱镜的一个单元结构由共底面的第一、第二两个正三棱锥和一个对称六棱体锥组成，所述的两个正三棱锥各自的三条棱都分别相互垂直，位于对称六棱体锥的两侧，分别与其共一个底边；所述的对称六棱体锥，由第三正三棱锥三个角被削去后形成，所截去的三个角，形状相同，截断的长度一致，截断后得到对称六棱体锥新的三个侧面；原来的第三正三棱锥的底面被削去三个等边三角形，所述的第一正三棱锥的底面即是被削去的三个等边三角形中的一个，所述的第一正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°；所述的第二正三棱锥与对称六棱椎体的相邻侧面之间的夹角为70.5288°。

2.一种制作权利要求1所述的逆反射微棱镜模具的方法，其特征在于，按照下来方法加工模具：

第一步：按照下列加工条件切削凸型模具，三个切削方向的夹角为60°，并且满足：(1)三个方向的切削线间距L一致，选择在20um~250um范围；

(2)三个方向切削线均偏离旋转轴心，且距旋转轴心最近线距旋转轴心距离d一致，d＝mL，0＜m＜1；

(3)每条切削线的加工深度H一致；

(4)当切削线间距L确定时，加工深度H满足： $H\≥\sqrt{2}/3(1+m)L.$

第二步：通过热压成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的凹型实体微棱镜。

3.根据权利要求2所述的制作权利要求1所述的逆反射微棱镜模具的方法，其特征在于，第一步中，采用金刚石刀具切削或飞刀加工方式进行超精密加工。

4.根据权利要求2所述的制作权利要求1所述的逆反射微棱镜模具的方法，其特征在于，第一步中，m选择在1/15~1/4范围。

5.根据权利要求2所述的制作权利要求1所述的逆反射微棱镜模具的方法，其特征在于，m＝1/5。

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