CN1098465C - 含气界的逆反射棱镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制作逆反射薄膜的方法和装置，该逆反射薄膜改进了日光下的白度，其中，当棱镜的基体叠合到模具中的棱镜上时，气界被密闭在棱镜结构中。

Description

含气界的逆反射棱镜阵列
本发明的技术背景
本发明涉及以紧密排列的、侧棱尺寸大约为0.635mm(0.025英寸)或者更低的小立方体角结构形式形成逆反射微棱镜结构。业已发现这种棱镜作为逆反射薄膜有许多应用，它可以用作交通工具或衣物上反光的安全设施以及高速公路的标志。参阅美国专利U.S.3,689,356(1972年9月5日授权给W.P.Rowland)，该篇文献通过在此引述全部并入本文。
本发明概述
依据本发明形成有气界的逆反射薄膜，在棱镜附着于薄膜基体的过程中，该气界被合并到棱镜结构中。完成这个结构的一个途径是棱镜材料仅仅部分地填充棱镜模具凹槽，留下空隙。当基体叠合到模塑材料上时以及在模塑材料固化时，凹槽中的空气残留在棱镜体内，以气泡或气界形式随机地分布在固体棱镜中。
正如将要详细解释的那样，气泡以某种方式散射部分入射光线，即改变部分入射光线的方向，以致从各种不同的角度看材料都有更白的外观(高Cap Y值)。一部分光线将以散射方式改变方向，另一部分光线将以狭窄的射束逆反射。
附图的简要说明
图1是局部截面示意图，该局部的位置在模具鼓轴周围，该图说明液体的棱镜模塑材料从安装在上方的涂布头浇铸到模具上。
图2是装置的局部截面放大示意图，该装置用辊50将基材薄膜46施加到模具16中的棱镜材料64上，以使气泡残留在棱镜68中。
图3是依据本发明生产的反射薄膜的后表面的局部视图。
图4是放大的局部截面示意图，该截面是沿着图3中4-4线的截面。
图5是与图4相似的视图，说明本发明的空气背衬实施方案，其中，白色衬层12被加到薄膜上。
图6是与图4相似的视图，说明本发明的金属反射器实施方案，其中，加上了一层金属反射层14。
图7是光路示意图，说明本发明的某些原理。
本发明的详细描述
现在参照图1至图7详细介绍本发明。由于实现本发明实施方案所用的大部分装置和工艺在前面引证的美国专利3,689,356中已经介绍过，所以，除了为正确理解本发明需要重复的部分之外，其它内容不再重复。
本发明的装置包括模塑鼓100，它安装在按箭头指示方向(即逆时针方向)旋转的轴上。鼓100的圆周部分由许多粘接在圆周上的金属板16组成。每块金属板16上有大量的完全一样的邻接排列的立方体角凹槽22，并且围绕着鼓100的圆周布满这样的金属板16，在鼓表面上形成基本连续的立方体角凹槽(22)阵列的模塑表面。
涂布头26安装在鼓100附近并在圆周的一个点位上作横向往复运动。在鼓连续旋转时，液态的可硬化的模塑材料64从涂布头26浇铸到鼓面上。连续地从放卷卷筒(未示出)拽出薄膜46，并且用加压辊50将它施加到鼓100上，加压辊50与鼓100合作形成一个间隙，在该间隙处可硬化的材料64均匀地分布在模具板16的表面上，并且与表面46之间形成紧密接触。
我们已经发现借助简单的方法——即在工艺中省略常规的预润湿模具表面步骤就能将气界10引入逆反射微棱镜70(图3至图6)。棱镜材料64的粘度使它不使用润湿剂就不能完全填满棱镜凹槽。于是，各种尺寸的气界10在材料64与薄膜46接触时残留在棱镜体70中。
刚刚添加的材料64和薄膜46一起行进通过一排辐射单元(未示出)，在那里材料64在固化的同时粘接到薄膜46上。然后，冷却介质使粘接在薄膜46上的材料64凝固定型，以便完成的反射薄膜54能够顺利地在(剥离)辊附近从鼓100上剥离，并且缠绕到收卷卷筒上。
形成气界10的数量取决于工艺中鼓的转速、鼓的温度以及棱镜材料的粘度。我们认为叠合辊的直径和材料硬度也将影响形成的气界10的数量。
气界10在各个棱镜70中与在薄膜上的位置似乎是随机的。
含气界的材料具有高得多的白度(Cap Y值)1，这能够从表I和表II的对比数据看出，该数据表来自图5所示类型的样品，用材料12形成薄膜54的空气背衬。表I没有气界时的Cap Y数值(有丙烯酸化的环氧棱镜(330模具)聚酯薄膜)
    方位角     CapY值
    04590135180225270315平均值     30.9331.1734.3832.0830.7831.1735.8131.4132.22
表II有气界时的Cap Y数值(带丙烯酸化的环氧棱镜(330模具)聚酯薄膜)
    方位角     CapY值
    04590     46.0245.5847.77
1注：CapY值是根据Minolta Colorimeter White Projects标准测量的，将标准的光线以45°角照射到样品上，然后用探测器探测反射光线，探测器取向与光源相反并且与样品表面成45°角。薄膜平卧在固体表面上，样品旋转360°，每隔45°角读一次数。
    135180225270315平均值     45.7745.9446.5148.2545.6846.44
注：表II中的数据表明CapY值增加接近14.0点，即与表I中数值相比增加44％。CapY值越高，材料就越白。CapY值低，材料外观呈灰色。
对于两种金属化的样品也进行了CapY实验，该样品在棱镜面15上有铝镀层14，结果如下：表III没有气界时的Cap Y数值(带丙烯酸化的氨酯棱镜(330模具)的乙烯树脂薄膜)
    方位角     CapY值
    04590135180225270315平均值     7.898.669.887.517.818.939.537.518.47
表IV有气界时的CapY数值(带丙烯酸化的氨酯棱镜(330模具)的乙烯树脂薄膜)
    方位角04590135180225270315平均值     CapY值25.3526.0727.4825.8425.6325.8627.6226.0726.24
在这个实例中，表IV中的CapY值增加了接近17.50点，它表示CapY值增益与表III相比接近300％。我们认为CapY值增加的原因能够用简化的一维示意图(图7)予以解释，图7表明入射到微棱镜逆反射器70上的光线是怎样依据光线通过棱镜的路径反射和折射的。
光线a垂直射入棱镜窗面并沿着虚线表示的路径通过路径70。如果棱镜的反射面F1，F2没有金属化，光线a将作为a’从棱镜中出去，然后以漫反射方式在白色衬层12(如图5所示)反射，通常，该衬层用于空气背衬的逆反射结构。如果棱镜的反射面如图6所示是金属化的金属层，如银或铝，光线将沿着更长的路径(图中用带x的虚线表示)通过棱镜和气泡10，并且作为光线a”离开棱镜的窗面。在从模具表面取下复合结构后进行将反射涂层沉积到立方体角结构的各个面上的步骤。
光线b(用带圆点的实线表示)以某个角度进入棱镜窗面，它将沿着完全不同的路径通过棱镜。当光线b抵达气界10时，在气界表面它的入射角大于41.8°的临界角(假定立方体角棱镜的棱镜材料的折射指数是1.5，并且假定气界内空气的折射指数是1.0)，因此光线全部向内反射。当光线抵达棱镜反射面时，如果反射面是空气背衬，光线将作为b’穿越棱镜。如果反射面是金属化表面，光线b将沿着比较长的路径作为b”离开棱镜。
光线c(用实线表示)全被棱镜面向内部反射，并且沿着不偏离的路径穿过气界作为光线c’或c”射出。光线c将有相同的通过棱镜和气界的路径，该路径与棱镜反射面上的涂层无关。
从上述的光线行程图能够看出累积效应将是部分光线将被含气界的棱镜逆反射，而另一部分光线将改变方向：
(A)加宽逆反射光线图案——在射入的光线平行于光线c或基本平行于光线c的情况下是这样。当这些光线从棱镜射出时，它们将偏离光线c’和c”的方向的一侧；或者
(B)增加材料的CapY即白度值——光线a和b以a’和b’的方向离开棱镜时将增加空气背衬棱镜的Cap Y值；以a”和b”的方向离开棱镜时将增加金属化棱镜的Cap Y值。光线a’和b’是从白色背衬材料漫反射的光线，所以增加Cap Y值。光线a”和b”仅仅经过金属化棱镜面一两次反射就从棱镜中反射出来，于是形成更高的CapY值，即材料有更白的外观。
根据上述实例，可以看出在棱镜内有无数种光线路径通过含气界的立方体角微棱镜。实际上，我们发现气界的大小和位置都是随机的，并且大多数气界在立方体角的体积中心附近。但是我们还看到了在同一个立方体角中包含两个气界的情况和气界远离立方体角中心偏置的情况。
气界10具有改善逆反射光线图案的作用，以正常的会聚衍射图(即只有发生在棱镜的小出口光瞳处的衍射产生的发散)逆反射的光线向更宽的观察角和方位角方向偏转，通常在这个角度亮度是低的。这种改进的效果对于金属化的棱镜是真实的，但是，不是所有的空气背衬棱镜都是这样明显，有代表性的数据在表V至表VII中给出。表V铝金属化的RP1.1棱镜，聚酯顶膜，330模具(转动0°至165°，SIA变化％)
  观察角   入射角   有气界   无气界     Δ％
    0.10°     5°10°20°30°40°45°50°60°     461011346385866     51130554284104650     -1-5-20-44-8-21-19+216
只有在入射角为60°时SIA的变化才有增加。表VI铝金属化的RP1.1棱镜，聚酯顶膜，330模具(转动0°至165°，SIA变化％)
    观察角   入射角   有气界   无气界     Δ％
    0.33°     5°10°20°30°40°45°50°60°     69729365556393583     11315911762515057535     -44-87-24+3+4+13+36+48
    1.50°     5°10°20°30°40°45°50°60°     288312300183183125167600     500500475350400166250450     -212-188-175-167-217-41-83+150
表VI中的数据表明在0.33°观察角大多数改进发生在入射角低于30°的条件下，在1.50°观察角改进发生在所有除了60°入射角的条件下。
对于大多数几何关系，特别是在观察角狭小的时候，SIA(cd/lux/m2)水平下降。表VII空气背衬，乙烯树脂1，SRV35.11棱镜
  观察角   入射角   有气界   无气界     Δ％
    0.1 °     5°10°20°30°40°45°50°60°     56253376316504906200     55112896024915006700     0+1+14+48+29+159-19-500
    0.33°     5°10°20°30°40°45°50°60°     11210278560101210278005450     4240373729729905255600     +70+62+41+188+40+37+275-150
    1.50°     5°10°20°30°40°45°50°60°     215186505335501500270019900     73764427563355021006800     +142+110+6+258-83+950+600+13100
表VII中的数据表明，对于大多数几何关系，方位从0°至165°亮度变化是增加。这就是说，在引入气界后材料变得对方向更敏感。引入气界后，与金属化的产品相比，空气背衬产品的结构产生相反的效果。
一般说来，有气界的空气背衬产品的SIA值比没有气界同类产品的SIA值低。
在介绍过本发明的几个实施方案之后，本领域的技术人员将很容易得到各种替代方案、修改方案和改进方案。这些明显地按照本发明制作的替代方案、修改方案和改进方案有可能是在这里没有明确地阐述的部分，但仍然在本发明的精髓和范围之内。因此，上述的内容仅仅是用实例叙述本发明，本发明并非仅限于此。本发明只受权利要求书的约束。

Claims (16)

1.一种逆反射薄膜，其特征在于，包括在基体上形成的逆反射棱镜阵列，并且有气界密闭在棱镜中。
2.根据权利要求1的薄膜，其特征在于，包括在所述结构上形成的金属层。
3.根据权利要求1的薄膜，其特征在于，包括所述结构上的白色背衬材料，在所述背衬和所述结构之间形成气隙。
4.根据权利要求1的薄膜，其特征在于，在将基体叠合到棱镜上时随机地在棱镜中形成气界。
5.一种织物制品，其特征在于，该制品包括暴露的逆反射棱镜阵列，并且有气界被密闭在棱镜中。
6.一种逆反射薄膜形成的标志，其特征在于，其中逆反射薄膜包括含密闭在棱镜中的气界的逆反射棱镜阵列。
7.一种形成逆反射薄膜的方法，其特征在于，包括：
(a)用制作棱镜的材料部分地填充模具上的凹穴，并在所述凹穴中留下气隙，其中，模具上的凹穴按待形成的立方体角棱镜阵列形式紧密排列；并且
(b)将基体加到所述模具上，在该材料固化时，形成逆反射薄膜，其中，棱镜内有被夹带的气界。
8.一种制作逆反射复合薄膜的方法，其特征在于，所述方法中包括下述步骤：
(a)将可硬化的模塑材料浇铸到模具表面上的微小的、邻接的立方体角凹槽中，并且不完全填满所述凹槽；
(b)在足以影响表面之间紧密接触的压力下，将柔韧的薄膜状片材加到在所述模具表面上的所述模塑材料上，借此在所述模塑材料中形成气囊；
(c)让所述模塑材料承受足以影响其基本固化条件和足以影响其与所述片材邻接表面粘接的条件，以便形成复合结构，并有气囊残留其间；
(d)从所述模具表面剥离所述复合结构，以提供逆反射薄膜，其中包括由所述片材提供的有基本平滑的前表面的基体部分，和众多的微小的立方体角结构，该立方体角结构与所述凹槽对应并且在其中形成气囊，以致通过所述基体部分前表面进入所述逆反射片的光线主要通过并进入所述立方体角结构，借此它们沿着各式各样的路径透过基体部分反射出来，反射路径取决于它们是否遇到气囊。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，其中包括补充步骤：将可硬化的模塑材料均匀地分布在所述模具表面上，所述分布步骤与所述施加片材步骤同时受到按适当的重叠关系将所述模塑材料和片材导入固定间隙的影响，该间隙是由所述模具表面和毗邻合作零件形成的。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于，其中所述模塑材料是熔融的合成树脂，并且其固化至少部分地借助冷却完成。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于，其中还包括在将所述复合结构从所述模具表面剥下后，将反射涂层沉积到所述立方体角结构上的步骤。
12.根据权利要求8的方法，其特征在于，其中还包括在所述结构上形成白色反射层并在两者之间有气隙的步骤。
13.一种逆反射薄膜，其特征在于，包括：
柔韧的薄膜状材料，大量的有气囊的微小固体立方体角结构粘接在该薄膜上，以致通过所述薄膜前表面进入所述薄膜的光线主要经过并进入所述立方体角结构，借此它们沿着各种各样的路径通过薄膜反射出来，反射路径取决于它们是否遇到所述气囊；借此同样的光线反射数量可能少于没有所述气囊时的反射数量。
14.一种制作复合逆反射片薄膜的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(a)在模具表面上有微小的、邻接的立方体角凹槽的阵列，每个凹槽最大侧棱尺寸大约小于0.635mm，将可硬化的模塑材料浇铸到该模具表面上，并且不完全填满所述凹槽，所述模塑材料是透明的液体配方；
(b)在足以影响表面之间紧密接触的压力下，将柔韧的薄膜状的片材加到在所述模具表面上的所述模塑材料上，借此在所述模塑材料中形成气囊；
(c)让所述模塑材料承受足以影响其基本固化条件和足以影响其与所述片材毗邻表面粘接的条件，以便形成有气囊残留其间的复合结构；以及
(d)从所述模具表面剥下所述复合结构，以提供逆反射薄膜，该薄膜包括由所述片材提供的有基本平滑的前表面的基体部分，和众多的与所述凹槽对应的有所述气囊的微小的立方体角结构，以致通过所述基体部分的前表面进入所述薄膜的光线主要通过并进入所述立方体角结构，借此它们沿着各式各样的路径通过基体部分反射出来，反射路径取决于它们是否遇到所述气囊。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，其中进一步包括在从所述模具表面取下所述复合结构之后将反射涂层沉积到所述立方体角结构的各个面上的步骤。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于，其中进一步包括在所述结构上形成留有气隙的白色反射层的步骤。
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