CN102200599A - 一种具有逆反射性能的微棱镜及其模具制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于逆反射材料设计及制造、光学器件制造及超精密加工技术领域，提出一种具有逆反射性能的微棱镜，其微棱镜单元由正三棱锥组成，两个微棱镜单元的相邻侧面夹角在70.6175°与70.4418°之间。本发明在观察角为0.2°时可接收到最大光强，并在传统切削工艺中添加必要的塑料固化过程，而实现微棱镜结构的无毛刺高效切削。

Description

一种具有逆反射性能的微棱镜及其模具制作方法

技术领域

本发明属于逆反射材料设计及制造、光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种微棱镜的设计及加工方法。

背景技术

反光材料，也称为回归反射材料或逆反射材料，包括反光膜、反光油墨、反光标线、反光布、反光革、反光织带和反光安全性丝织物等。逆反射材料具有节省能源、绿色环保的优点，同时不受日照、天气等环境影响，是国家交通标志和安全保证的重要体现。

美籍华裔董祺芳博士于1950年首先研发出玻璃微珠定向反光膜，开启了反光材料的研发之路。微棱镜(microprism)结构已成为逆反射材料的重要发展方向，与传统微珠阵列结构相比，具有反光面积大、逆反射效率高、安全耐磨等优良特性。微棱镜由角锥棱镜结构组成的阵列，其单元结构仍由三个互相垂直表面组成。整个结构可由光学塑料注塑制成全密封式器件，光线在结构中发生折射和全反射现象后，实现逆反射功能。

微棱镜的最常见加工方法是金刚石切削法。采用三角形金刚石刀具在平面上沿不同方向切削V型槽形成的加工模板，采用电铸方法复制其表面结构变为凹型工作模板，直接用于进行热压成型加工微棱镜成品。从1968年美国Reflexite公司发明微棱镜，其结构一直是采用70.53°角的刀具加工而成，因此，得到的结构是三个互相垂直面镜面，这种结构可将光线严格地原路返回。但通过各国有关微棱镜的标准发现，实际标准所要求的指标在观察角为0.2°时接收到最大光强，这个也正符合了汽车驾驶员及车灯和逆反射材料的位置关系，如图2所示。因此，如何依据逆反射标准设计出符合实际需求的微棱镜结构具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种符合逆反射标准设计和实际需求的微棱镜结构，并给出此种模具的制作方法。本发明提出的微棱镜结构，其逆反射性能更加接近实际的反射标准的要求，最佳实施例在观察角为0.2°时可接收到最大光强。同时，实现该模具的制作，并在传统切削工艺中添加必要的塑料固化过程，而实现微棱镜结构的无毛刺高效切削。本发明的技术方案如下：

一种具有逆反射性能的微棱镜，其微棱镜单元由正三棱锥组成，两个微棱镜单元的相邻侧面夹角在70.6175°与70.4418°之间。两个微棱镜单元的相邻侧面夹角最好为70.6175°或70.4418°。

本发明同时提供一种制作上述微棱镜模具的方法，该方法在微棱镜基片上切削凹槽形成电铸制模所需模具，该方法采用切削角度在70.6175°与70.4418°之间的三角形金刚石刀具进行三个方向的切削，刀具的三个切削方向夹角均为60°，并同时满足以下条件：①三个切削方向的切削线间距L一致；②每条切削线的加工深度H一致；③加工深度H满足：H≥ctan(α/2)L/3，并且每条切削线的加工参数均保持一致。

作为优选实施方式，在每个切削方向切削后，在加工表面涂一层易固化塑料，并进行相应的固化工艺，填补前一个切削过程中的切削部分，当再一次形成完整的加工表面后再进行下一切削方向的切削加工。

与采用传统刀具角度(70.5288°)得到的微棱镜相对比，本发明的两种刀具角度在各入射角时得到的光强都有所提高。另外，本发明中的加工方法具有以下优点：仅改变了传统加工刀具角度，因此加工过程简单，同时，加工工艺简单且可以避免微棱镜的毛刺现象的发生；加工效率高，首先塑料固化的时间短，且切削次数少，可避免对毛刺部分的重复切削，也有利于避免过度的刀具磨损；固化胶可以采用化学液体浸泡去除，因此，加工后易于对其去除。

附图说明

图1本发明微棱镜结构及加工参数。

图2本发明的微棱镜结构的逆反射应用示意图。

图3普通微棱镜结构示意图。

图4微棱镜法向量示意图，(a)微棱镜法向量三维图；(b)Z方向视图及法向量的分解向量；(c)X方向视图及及法向量的分解向量。

图5观察角和刀具角度α之间的关系图。

图6固化过程示意图。

图7采用角度为70.6175°的刀具加工得到微棱镜在不同入射角光线照射时，在0.2°观察角得到的光强分布曲线。

具体实施方式

为了达到本发明设计的目的，首要解决两个问题：1)设计可以实现观察角为0.2°时接收到最大光强的微棱镜结构；2)根据设计的微棱镜结构进行加工刀具的选择，并优化制作流程和工艺。

1.微棱镜设计

图3是普通微棱镜的模具结构，为凸型结构，其两个相邻的单元结构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α＝70.5288°，因此，可采用一把角度α＝70.5288°的三角形金刚石刀具进行三个方向的切削实现，三个方向夹角为60°。

本发明新设计的微棱镜的制作方法和传统方法类似，同样希望借助一把刀具实现加工，但为了让观察角为0.2°时接收到最大光强，需借助几何光学原理，先确定入射光线和逆反射光线的方向夹角的关系。首先，假设单个微棱镜的三个侧面的法向量分别为n₁、n₂、n₃，如图4所示，由图中几何关系很容易得到三个法向量的数值，

$n_1=(-\frac{\sqrt{3}}{2}\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),-\frac{1}{2}\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),-\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right))---\left(1\right)$

$n_2=(\frac{\sqrt{3}}{2}\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),-\frac{1}{2}\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),-\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right))---\left(2\right)$

$n_3=(0,\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),-\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right))---\left(3\right)$

当入射光线I，经过表面反射的出射光线方向0和入射光线I和表面法向矢量n的关系为，

O＝I-2(I·n)n    (4)

依据反射定律可以推出入射光线经过三个面反射后的出射光线方向，这个方向计算和三个面的计算先后顺序无关。最后出射光线和入射光线的夹角即为所需观察角。通过计算得到观察角和刀具角度α之间的关系图，如图5所示。从图中可以看出，两个加工刀具角度70.6175°和70.4418°都能满足主观察角度0.2°使用需求。

为了兼顾不同的观察角需求，本发明的刀具选择不局限于70.6175°或70.4418°，可为70.4418°～70.6175°之间。综上所述，本发明的微棱镜由底面为正三角形，三个侧面均为等腰三角形，相互垂直交于结构顶点的正三棱锥单元组成。两个四面锥的相邻侧面夹角在α＝70.6175°和70.4418°之间。

2.微棱镜制作工艺优化

依据棱镜设计方法，整个模具如图1所示，其加工采用角度α＝70.6175°或70.4418°的三角形金刚石刀具进行三个方向的切削实现，即图中xyz三个方向，三个切削方向的夹角均为60°。同时满足以下条件：①三个方向的切削线间距L一致；②每条切削线的加工深度H一致；③当切削线间距L确定时，加工深度H满足：H≥ctan(α/2)/L3。并且每条切削线的加工参数均保持一致，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。

对于传统的微棱镜结构来说，可采用特定角度的金刚石刀具按照顺序进行三个方向的切削得到所需的金字塔结构。在每一个方向的切削后，会形成相应的V型沟槽，在下一个方向的切削时就会出现负剪切角，从加工工艺角度，这种负剪切角易产生毛刺。为了避免此时毛刺的产生，本发明在以上制作方法的基础上，提出在每个方向切削后，在加工表面涂一层易固化塑料，如UV胶等，并进行相应的固化工艺，如对于UV胶可采用UV照射进行短时间的固化，填补前一个切削过程中的切削部分，再一次形成完整的加工表面，如图6所示。由于固化塑料填充了切削区域的V型沟槽，因此，在下一步切削时不会存在负剪切角，从而避免毛刺的产生。

对本发明设计的微结构采用Tracepro光线追迹软件进行仿真实验，随机分布的平行入射光线20000条，光线采用光强均匀分布。图7显示了采用角度为70.6175°的刀具加工得到微棱镜在不同入射角光线照射时，在0.2°观察角得到的光强分布曲线，其中横轴为入射角度，纵轴为接收光强和入射光强的比值。图中也同样标出了传统刀具角度(70.5288°)得到的微棱镜，从对比看，本发明在各入射角时得到的光强都有所提高。70.4418°刀具得到的微棱镜也得到同样的逆反射性能提到。

另外，本发明中的加工方法具有以下优点：仅改变了传统加工刀具角度，因此加工过程简单，同时，加工工艺简单且可以避免微棱镜的毛刺现象的发生；加工效率高，首先塑料固化的时间短，且切削次数少，可避免对毛刺部分的重复切削，也有利于避免过度的刀具磨损；固化胶可以采用化学液体浸泡去除，因此，加工后易于对其去除。

本发明采用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，切削三角形金刚石刀具角度70.6175°或70.4418°，切削线间距一般选择在20um～250um。为了兼顾不同的观察角需求，刀具选择不局限于70.6175°或70.4418°，可为70.4418°～70.6175°之间，同时选择恰当的切削深度，就能得到实施过程中所得到的高效逆反射效果。通过实施得到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。

具体制作的流程为：

1)对具有完整表面的微棱镜模具工件进行位置调整，按照一定方向对其进行第一次切削；

2)对加工后表面，进行固化塑料涂抹和适当时间的固化，再进行第二个方向的切削；

3)采用适当的液体，对加工表面进行固化胶的去除，然后，再次涂抹固化塑料，并进行适当时间的固化，进行第三个方向的切削；

4)对加工后的微棱镜模具用液体浸泡，去除其上的固化塑料，最后得到无毛刺的模具。

Claims (5)

1.一种具有逆反射性能的微棱镜，其微棱镜单元由正三棱锥组成，两个微棱镜单元的相邻侧面夹角在70.6175°与70.4418°之间。

2.根据权利要求1所述的微棱镜，其特征在于，两个微棱镜单元的相邻侧面夹角为70.6175°或70.4418°。

3.一种制作权利要求1所述的逆反射性能的微棱镜模具的方法，该方法在微棱镜基片上切削凹槽形成电铸制模所需模具，该方法采用切削角度在70.6175°与70.4418°之间的三角形金刚石刀具进行三个方向的切削，刀具的三个切削方向夹角均为60°，并同时满足以下条件：①三个切削方向的切削线间距L一致；②每条切削线的加工深度H一致；③加工深度H满足：H≥ctan(α/2)L/3，并且每条切削线的加工参数均保持一致。

4.根据权利要求2所述的模具制作方法，其特征在于，在每个切削方向切削后，在加工表面涂一层易固化塑料，并进行相应的固化工艺，填补前一个切削过程中的切削部分，当再一次形成完整的加工表面后再进行下一切削方向的切削加工。

5.根据权利要求3所述的模具制作方法，其特征在于，三角形金刚石刀具的切削角度为70.6175°或70.4418°。

Images