CN102590911A - 高效逆反射立方角微棱镜的一种制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件制作技术领域，涉及一种高效逆反射立方角微棱镜的一种制造方法，制作时采用的立方角微棱镜模具具有多个相同的单元结构，每个单元结构由长方体和位于其上的V型阵列两部分组成，V型阵列中的每个V型阵列的相邻两个槽面垂直，设V型阵列的深度为a，此种微棱镜的制作包括下列步骤：分别对多个单元结构毛胚的侧面进行车削加工；将其固定于特制的飞刀切削夹具中，利用三角形金刚石刀具对排列好的单元结构毛胚的上表面进行飞刀切削加工，完成立方角微棱镜模具的单元结构的集体制作；将多个单元结构置于特制的拼接夹具，制成立方角微棱镜模具；制作高效逆反射立方角微棱镜。本发明具有精度高、效率高的特点。

Description

高效逆反射立方角微棱镜的一种制造方法

所属技术领域

本发明属于光学器件制作技术领域，涉及一种高效逆反射结构镜的制作方法。

背景技术

反光膜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，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，经常应用于交通警示标志，如路面标志和路障、工作者安全服或其他此类安全服装、料卷形式的包装等。

反光膜的逆反射功能是由特殊光学结构实现的，具有逆反射功能的光学结构主要包括以下几类：(1)在粘合剂层中嵌入含有镜面反射或漫反射材料或结构，如微珠阵列等。但该类结构对入射光线方向敏感，逆反射效率低。美国专利5200262，美国专利5283101，美国专利3758192-A，中国专利1126962C均对该结构进行了描述。(2)由三个正方形表面互相垂直交汇而成的立方角结构，称为立方角棱镜，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，该结构不受入射方向的限制，可达较高的逆反射效率，但形状不易于加工，制作过程和微小化难度极高，专利200720169461.7公开了一种依靠拼接方式实现立方角微棱镜制作过程。(3)为了有效进行阵列结构加工，研究人员还提出了三角微棱镜结构，单元结构由四面体组成，其中三个三角形表面互相垂直。Eckhardt在Applied Optics，1971，Vol.10(7)：1559-1566中对其通光孔径进行了详细分析，得到逆反射效率仅为立方角棱镜的66.67％。但整个结构可由金刚石切削方法高效加工，并通过光学塑料注塑制造，美国专利4478769公开了三角微棱镜的制作过程。

三角微棱镜具有方便制作的特点，因此应用广泛。一般采用金刚石切削法对微棱镜进行加工：采用V型金刚石刀具在平面上切削凹槽形成的加工模板，采用电铸方式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的成品。为了有效提高逆反射器件的逆反射效率，一些方法从三角微棱镜结构的改造考虑，如：专利02811691.7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；专利01804407.7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；专利00817106.8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。但受到有效通光孔径的限制，这些改进并不能明显提高效率，因此，需要考虑立方角微棱镜的高效制造方法。

然而，立方角棱镜由三个互相垂直、尺寸一致的正方形组成，由于立方角微棱镜的结构没有连续的直线边，其制作比三角微棱镜要难很多，不能直接采用金刚石切削方法进行制作。影响立方角棱镜难于制作和微小化的一个非常重要的因素是单元结构的形状。目前，可以加工该结构的方法主要依靠单元拼接的方式，并采用电镀法组合和装配，如前面提到的专利200720169461.7提出了集束销钉方式，将立方角棱镜的每个单元表面都采用磨削方式加工，然后拼接在一起；另外，美国专利6120280和专利96195971.1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。但这些拼接方法中，都是将每个单元的单独加工，受加工方法的加工范围的限制，单元尺寸一般在毫米单位，不能为微结构。另外，文献(Brinksmeier E.，

R.，Flucke C.，2008，Manufacturing of molds for replication of micro cube cornerretroreflectors.Production Engineering，2/1：33-38.)公开了一种Diamond Micro Chiseling(DMC)方法，采用特制的金刚石铣刀进行微小结构切削加工，单元尺寸可达100um，但该加工手段需要逐个单元的铣削加工，效率很低。综上所述，公开的立方角棱镜制作方法具有制作难度大，效率低，微小化程度较低的缺点，使立方角微棱镜的加工难题得不到有效的解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够提高立方角微棱镜模具的制作精度和效率，同时有效提高其微小化程度的立方角微棱镜制造方法。本发明采用如下的技术方案：

高效逆反射立方角微棱镜的一种制造方法，制作时采用的立方角微棱镜模具具有多个相同的单元结构，每个单元结构由长方体和位于其上的V型阵列两部分组成，V型阵列中的每个V型阵列的相邻两个槽面垂直，设V型阵列的深度为a，此种微棱镜的制作包括下列步骤：

(1)准备多个长方体单元结构毛胚；

(2)分别对多个单元结构毛胚的侧面进行车削加工；

(3)制作一个用于固定多个单元结构毛胚的飞刀切削夹具，该夹具包括两个固定夹板和两个错位顶板，固定夹板用于使所有毛坯并列排放，在错位顶板上设置有错位齿，用于将两个相邻的单元错位

放置；

(4)将加工了两个侧面的长方体单元结构毛皮排列整齐，固定于飞刀切削夹具中，受到飞刀切削夹具错位顶板的作用，相邻单元结构错位

排列，利用角度为90°的三角形金刚石刀具对V型阵列的各个槽面进行飞刀切削加工，制成一批构成立方角微棱镜模具的单元结构；

(5)制作一个拼接夹具，该夹具包括两个倾斜夹板和两个平面顶板，两个倾斜夹板的底角为θ＝54.44°用于使所有单元结构整体倾斜θ角并列排放放置；

(6)将多个单元结构置于拼接夹具内固定，制成立方角微棱镜模具。

(7)利用制成的模具，制作高效逆反射立方角微棱镜。

本发明采用简单化的单元结构，并借助金刚石车削加工方法进行单元结构的制作。由于金刚石车削加工精度、表面质量的提高以及拼接角度的可控，使单元成型方式改变，可提高立方角微棱镜结构制作精度和效率。使单元厚度降低，可加快棱镜的成型周期和提高逆反射效果，并使单元反射结构微小化。

(1)对传统立方角微棱镜制作方法而言，采用传统的工艺进行棱镜单元制作的过程中，侧壁需要粗磨、精磨，镜面的成型方式是粗磨、精磨、抛光，有的甚至需要精密抛光才能达到很好的镜面反射效果，其中每个立方镜单元有6个侧面和3个镜面需要加工使每个单元的微小化难度升高。而本发明所采用的镜面成型方式为金刚石车削，可一次性完成镜面的成型，而一个立方镜单元只有4个平面需要加工，这种从加工本质上的改变可提高制作效率70％～90％。

(2)在传统制作方法中各个单元的拼接精度完全取决于每个单元的加工精度和一致性上，拼接有U、V、W三个方向上带来的误差(如图4所示)，一旦成型逆反射效结构角度固定，而发明所提出的方法因为立方体单元连体存在，固单元一致性非常好，单元的加工精度也只影响一个方向的拼接精度，即图8中所示的S向，所以拼接精度大大提高。而且拼接过程中拼接角θ可控，可根据后天测量进行修正，也可根据逆反射需求倾斜非标准角度，提高了拼接的灵活性；

(3)应用中一般可见光的波长在100～500纳米之间，从加工方式的表面质量来看，金刚石车削技术一次性切削可达到的表面粗糙度最高可小于5nm，远远优于所需求的表面质量，而想要达到这一量级的磨削必须采用多次变粒度(砂轮的粗糙程度)的磨削才有可能，甚至需要通过镜面抛光来实现，制作过程非常繁琐；

总之，本发明中引入金刚石车削和飞刀(fly cutting)切削技术使得单元的制作精度、难度降低，角锥棱镜单元的微小化难度降低。从加工机理和工艺分析结果，可以看出发明方法远优于传统方法，同时证明了本专利提出的的制作方法可以有效的提高角锥棱镜的制作效率、质量，从而提高这类棱镜的加工精度、加工效率并降低制作成本，解决角锥棱镜微小化。

附图说明

图1a立方角微棱镜反射膜结构示意图；

图1b立方角微棱镜模具的结构示意图；

图2a传统拼接方法；

图2b传统方法的单元结构；

图3a传统方法单元侧面成型；

图3b传统方法镜面成型；

图4立方角微棱镜传统方法拼接流程；

图5a本发明单元结构的正视图；

图5b本发明单元结构的侧视图；

图5c本发明单元结构的俯视图。

图5d本发明拼接方式从一个角度看的示意图；

图5e本发明的拼接方式从另一个角度看的示意图；

图5f本发明的最终拼接结构；

图6本发明单元侧面成型示意图；

图7a本发明单元V型槽加工方式示意图；

图7b飞刀切削夹具爆炸图；

图7c本发明单元镜面成型示意图；

图8本发明拼接流程；

图9拼接夹具爆炸图；

图10立方角微棱镜制作流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。

图1a是本发明的制造方法制成的立方角微棱镜反光膜，它是一种微阵列结构，每个单元由三个互相垂直的正方形组成。整个反光膜一般分为三层结构，包括两个具有保护作用的表面层11，13和内部结构12。内部结构是立方角微棱镜的核心，一般为光学工程材料(如PMMA、PC等)制作而成，其余两个表面层为保护层，前表面为透明材料层，一般为薄薄的一层PET膜，后表面为不透明材料，负责将凸起的内部结构填平达到有效保护的作用。光线在投射至前表面后，折射进入内部结构，通过结构上三个互相垂直的表面的完全反射后，再从前表面按照入射光完全相反的方向反射回来，具有非常好的逆反射性能。立方角微棱镜反光膜通常通过金属模具进行成熟的热压成型或UV固化成型技术进行复制制造，其中金属模具的制作是立方角微棱镜制造中最关键的技术。图1b显示了立方角微棱镜金属模具的结构图，它是立方角微棱镜反射膜的内部结构的反结构，每个单元为凹型结构，并边缘衔接错落排列，每个单元具有三个正方形反射面(图中面①、②、③)，三个正方形需具有镜面表面质量，且大小一致(边长设为a，一般为几十微米到几百微米)。

图2a是传统的立方角微棱镜模具的单元拼接方法，由若干个十面体单元结构按一定规则组合而成。单元的形状及尺寸说明如图2b所示，单元的高度保持一致(设为h)，单元结构的底面为正六边形，边长为

单元结构的六个侧面为直角梯形，六个直角梯形为相等形状；单元结构的顶端为三个正方形，彼此成90°(即图2b中δ＝90°)角交于结构顶点，三个正方形与十面体轴线的夹角均为ε＝35.2644°。可以看出，十面体单元结构的顶端三个面(图2b中面①、②、③)分别是立方角微棱镜模具中相邻单元的三个反射面，因此，需具有很好的光学表面质量；十面体单元的其余七个表面均为拼接定位面，为了保证拼接精度需要保证良好的表面质量和面型精度。传统的立方角微棱镜的单元结构需要采用平面磨削对每个表面进行加工。图3a显示了对单元结构中六个侧面进行加工的流程，需要分别用平面磨削加工方法对六个侧面直角梯形依次进行加工；图3b显示了对单元结构的三个反射面①、②、③进行加工的流程，需要经过精密磨削和抛光工序，以达到光学表面质量，对三个反射面进行磨削和抛光时，十面体轴线与水平面夹角为ε。对所有单元的所有面形全部加工成型后，可以按照图4所示的拼接方式进行组合。可以看出，此种方法工艺步骤较多，各个面的面型精度较高，而面型精度偏差较大时，拼接的位置关系很难控制，实现过程中困难很多。

本发明的立方角微棱镜模具的单元结构如图5a，图5b和图5c所示，由一个长方体5上若干V型阵列56组成；V型阵列中的每个V型结构两个槽面53、54夹角Q＝90°，它们的侧面与长方体两个侧面51、52夹角位于同一个平面上。单元结构的长方体厚度为

宽度W由V型结构的数量决定，高度H依设计而定，综合考虑方便加工和成本问题。单元中的V型结构深度为h＝a，宽度为两个相邻V型结构共用一条边。单元结构按照图5d和图5e的方式进行拼接，每个单元以第一个单元分别错落排列，在进行排列时，在单元结构的高度H方向上的偏移量为h_i＝ia，在单元结构的宽度方向上偏移量为d_i＝ia，其中i为相对于第一个单元结构的单元结构的序号。在每个单元高度方向上最下面边连成线做为基准线进行调平，即可得到最终的拼接结构，如图5f所示。从最终拼接的结构可以看出，本发明的单元结构中的3、4面和相邻单元结构的1面或2面组合为立方角微棱镜的一个单元。相比传统结构，本发明单元结构更简单，并且每个单元结构的加工面只有四个，远比传统结构加工面简化很多。

本发明的单元结构可以采用金刚石车削和飞刀(fly cutting)加工技术进行高效、高精度制作。根据本发明的单元结构的特点，每个单元需要分别进行侧面和V型槽的加工，且均要求光学质量表面。单元结构的侧面可采用金刚石车削的方法进行加工，加工工具可以采用任意圆弧半径的金刚石圆弧刀具，分别进行长方体单元结构两侧面的切削加工。在加工一个侧面时，将另一个面直接固定于超精密车床主轴的真空吸盘上，然后按照图6所示的车削路径进行平面车削，单元结构匀速转动，同时金刚石刀具匀速从单元边缘向中心进给，在整个加工过程中金刚石刀具在平面上呈阿基米德螺旋线运动。由于发明所用单元结构中的V型结构的形状一致，在进行侧面加工后可将所有单元排列在一起同时进行V型结构的制作。制作方法如图7a所示，将所有单元排列整齐，对高度的一端采用角度Q的三角形金刚石刀具进行单方向的飞刀切削，为了保证切削过程的稳定性，在加工前采用设计好的飞刀切削夹具，对所有单元进行排列和固定。如图7a所示，飞刀切削夹具通过两端的夹板对所有单元结构71进行加工，通过选择不同厚度的固定夹板72，适应不同数量的单元结构数量，另外，在切削时夹具两侧有错位顶板73，通过相邻的错位齿，负责将相邻的两个单元结构错位放置。图7c显示了进行飞刀切削的示意图，三角形金刚石刀具固定于超精密车床的主轴上，刀刃方向垂直于主轴旋转方向，刀具随主轴高速旋转，并同时沿着单元结构的厚度方向进行V型结构切削，切削完所有单元结构的厚度，即完成一个V型结构的切削，这时在每个单元结构上都能得到一个V型结构；然后，刀具在单元结构的宽度方向进行

的移动，进行下一个V型结构的切削，只到单元结构上所有的V型结构都加工完为止。这样就能得到一批加工好的单元结构。

图8显示了对加工好的单元结构进行拼接的流程，在拼接过程中，除了每个单元相互交错a之外，单元结构均整体倾斜放置，单元结构的倾斜角度为θ＝54.44°。为了方便拼接过程的单元结构的对正，同样设计了拼接夹具，如图9所示。拼接夹具和飞刀切削夹具结构类似，但两侧的顶板为平面顶板91不具有错位功能，在固定时负责将两侧对齐固定，而两端的夹板改为倾斜夹板92，夹板的底角为θ＝54.44°，来保证在固定时，所有单元结构71整体倾斜θ角放置。

对于本发明方法来说，单元结构变得简单，每个单元的厚度可以制作的很薄，从而使结构微小化提升了一个量级。同时，还设计了采用金刚石切削加工的定位夹具使拼接过程更加简单和高精度。但是必须满足以下条件才能得到规则正立方角结构：(1)切削V型结构的金刚石刀具的V型角度为90°；(2)圆弧金刚石刀具切削的侧面1、2必须垂直V型槽侧壁3、4；(3)保证每个单元的一致性，V型结构的宽度和单元结构厚度尺寸均为

(4)保证拼接角度θ＝54.44°，拼接错位尺寸

满足以上条件后，就能制作出边长为a的立方角微棱镜模具。由于引入金刚石车削技术使加工的难度降低，但同时尺寸精度和表面质量得以提升，因此，具有精度高、制作过程简单易于实现的特点。所加工的立方角微棱镜的单元尺寸一般在几十微米到几个毫米的范围，各个反射面夹角不局限于90°，对于不同性能要求的微结构棱镜产品，角Q可以选择不同的角度参数，同时根据确定的角度参数计算出切削深度，然后以固定的切削深度进行单元加工，再以计算的拼接角度进行拼接，就能得到角锥棱镜射结构。

图10是本发明提出的立方角微棱镜反光膜的整体加工流程图。首先，准备足够量的同样规格的金属薄板(材料为高质量的铜合金或铝合金)，对每个薄板的两个侧面进行金刚石车削；然后，借助设计好的夹具将这些薄板组合在一起，采用金刚石飞刀的方法进行V型结构阵列的切削，切削刀具角度为Q，切削方向薄板侧面的夹角为Q；加工后再将每个薄板以第一个薄板为基准，其余薄板进行高度和长边方向上的相应量偏移，组成所需的立方角微棱镜结构；对重新组装后的薄片组合采用超声波金属焊接技术拼接形成所需模板结构；对该结构进行电镀处理，得到所需工作模板，并对其进行反复电镀复制，生成所需要的众多加工模板。最后将制作的工作模板用于热压成型、注塑成型、UV固化成型或其它成型方式，实现所需立方角微棱镜反光膜的制造。

针对边长为a的立方角微棱镜反光膜的制作，本实施例的具体实施过程如下：

1)准备N个高质量铜合金或铝合金的长方体单元结构毛胚，毛胚的数量N根据每块的长和宽决定，尽量使拼接的平面接近正方形，从而提高加工效率；

2)借助金刚石车削方法分别对N个单元结构毛胚的侧壁进行车削加工，采用传统的切削平面的方法，即将单元结构固定于切削主轴上，采用金刚石刀具进行平面切削；

3)将N个加工好的单元结构毛胚排列整齐，固定于飞刀切削夹具中，受到飞刀切削夹具错位顶板的作用，相邻单元结构会错位

排列，采用角度为Q的三角形金刚石刀具进行飞刀(fly-cutting)加工，生成一系列单元结构；

4)将加工好的单元结构排列整齐固定于拼接夹具中，受到夹具中斜面夹板的作用，保证单元结构均以θ的角度倾斜，然后对拼接好的单元阵列进行结构超声振动拼接，最后得到立方角微棱镜模具；

5)得到的立方角微棱镜模具可通过电铸翻印各种模板，然后采用模板进行热压成型、注塑成型或其它成型方式，生成塑料材料的实体立方角微棱镜产品。

本发明可加工的立方角微棱镜结构单元尺寸一般在几十微米到几个毫米。同时，该方法各个反射面夹角Q一般选择为90°，但不局限于90°，对于不同性能要求的微结构棱镜产品，角Q可以选择不同的角度参数，同时根据确定的角度参数计算出切削深度，然后以固定的切削深度进行单元加工，再以计算的拼接角度进行拼接，就能得到角锥棱镜射结构。本发明中的拼接角度θ一般选择54.44°，但不局限于该角度，在不同拼接角度时，会得到不同逆反射性能的微棱镜结构制品。通过实施得到的微棱镜结构制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 (1)

1.高效逆反射立方角微棱镜的一种制造方法，制作时采用的立方角微棱镜模具具有多个相同的单元结构，每个单元结构由长方体和位于其上的V型阵列两部分组成，V型阵列中的每个V型阵列的相邻两个槽面垂直，设V型阵列的深度为a，此种微棱镜的制作包括下列步骤：

(1)准备多个长方体单元结构毛胚；

(2)分别对多个单元结构毛胚的侧面进行车削加工；

(3)制作一个用于固定多个单元结构毛胚的飞刀切削夹具，该夹具包括两个固定夹板和两个错位顶板，固定夹板用于使所有毛坯并列排放，在错位顶板上设置有错位齿，用于将两个相邻的单元错位

放置；

(4)将加工了两个侧面的长方体单元结构毛皮排列整齐，固定于飞刀切削夹具中，受到飞刀切削夹具错位顶板的作用，相邻单元结构错位

排列，利用角度为90°的三角形金刚石刀具对V型阵列的各个槽面进行飞刀切削加工，制成一批构成立方角微棱镜模具的单元结构；

(5)制作一个拼接夹具，该夹具包括两个倾斜夹板和两个平面顶板，两个倾斜夹板的底角为θ＝54.44°用于使所有单元结构整体倾斜θ角并列排放放置；

(6)将多个单元结构置于拼接夹具内固定，制成立方角微棱镜模具。

(7)利用制成的模具，制作高效逆反射立方角微棱镜。

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