CN1271421A - 双用途反射体 - Google Patents

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Abstract

一种反射体的结构化表面包括第一和第二反射元件阵列。第一阵列包括具有至少第一、第二和第三反射面的元件,它们安排成后向反射后向反射光束中的入射光,第二阵列包括具有至少第四、第五和第六反射面的元件,它们安排成以大于2度的观察角反射第二光束中的入射光。在作标志应用中,第二光束可以是起源于静止光源的光,第二光束具有适合于照明感兴趣观察区的方向和光束宽度。后向反射光束可以是起源于诸如车辆前灯的移动光源的光。包括这种反射体的薄片既能够用在可提供合适静止光源的外部照明的地方,也能够用在不能提供这种光源的地方。

Description

双用途反射体
                            背景
本发明一般涉及诸如高速公路标志等醒目应用中所采用的反射体，尤其应用于采用离轴静止光源照明这种标志的场合。
采用后向反射薄片作标志应用是已知的。这里所使用的“后向反射”是指以反向平行于其入射方向的方向或接近此方向反射入射光线以致于它返回到光源或其附近的属性。已知的薄片结构采用超小型玻珠结合反射涂层，或者另外的立方角阵列来后向反射入射光。将它们设计成在入射角范围内提供规定的亮度值。对于设计，取车辆驾驶员与车辆前灯的典型的方向夹角为小于2度；许多薄片构造规定在0.2度窄观察角上的后向反射亮度。在详细描述部分结束处对术语“观察角”和“入射角”以及其它相关术语作了定义。
图1A示出一种典型情况，这里车辆靠近定位在路边的高速公路标志2。从前灯出射的一部分光4以入射角β落在设置在标志2表面上后向反射薄片6上。薄片6可以是例如3M公司提供的各种“ScotchliteTM”品牌的反射薄片之一，如“工程级”或“高强度级”薄片。薄片6以窄的锥角8(它包括驾驶员的眼睛10)后向反射入射光。锥角8具有角度半宽12，从中央最大测量到最大亮度的10％，对于标准的“工程级”薄片约为1.7度，对于标准的“高强度级”薄片约为0.75度。当车辆沿公路的方向14向前行使时，入射角β增大，锥角维持集中在车辆前灯上。由于后向反射的光被限定在相对较窄的锥角内，标志的感觉亮度可能相对较高，这与观察者的眼睛到光源的角度距离有关。
图1B示出类似于PCT公报WO96/04638中所揭示的另一种安排。标志2受静止光源16照明，静止光源以相对于标志部分约0至30度的入射角而定位。标志面上的后向反射薄片18以宽锥角(由0至约40度范围的观察角限定)反射光。反射光的锥角宽得足包括沿道路方向14行驶的观察者或驾驶员10。
本申请揭示一种反射体，它能够有利地用于象图1B所示的安排中，同时维持图1A所示的所需后向反射特性。正如图1C所示，来自光源16的光4以入射角β入射在反射体20上。反射体20优先地将光重新定向为两个光束22、24。反射体20是这样设计的，光束之一24指向并充满观察区26。传统设计的光源16位于观察区之外。通过降低被浪费的光而提高效率，由此增大可用于照明观察区的光量。利用反射体中的反射元件能够增强观察光束24相对于非观察光束22的亮度，同传统立方角元件相反，反射元件具有高度非正交的反射表面。
                          发明概要
本申请揭示一种具有结构化表面的反射体，它包括第一和第二反射元件阵列。第一阵列包括具有至少第一、第二和第三反射面的元件，它们安排成后向反射后向反射光束内的入射光。第二阵列包括具有至少第四、第五和第六反射面的元件，它们安排成以大于2度的观察角反射第二光束内的入射光。当该反射体用于标志应用的薄片时，第二光束可以是起源于静止光源的光，第二光束照明感兴趣的观察区，而后向反射光束可以是起源于移动光源如汽车前灯的光。
                          附图简述
图1A-B表示已知的后向反射薄片的典型观测和光照景象。
图1C是这里揭示的反射体的观测和光照景象。
图2是所揭示的反射体的结构化表面的放大平面图。
图3是结构化表面中两个反射表面的侧视图的进一步放大表示。
图4A-C表示一个反射器例子的反射特性。
图5示出该反射器例子的照明和观察几何关系。
图6示出安装在与光源和感兴趣观察区有关的位置中的诸如反射薄片的反射体。
图7A是反射器例子的测得的发散分布曲线图。
图7B是图7A的部分放大图，代表叠加在其上的观察区。
图8是反射器例子的预计发散分布曲线图。
图9是另一个反射体的预计发散分布曲线图。
图10A-J是以1度为增量的具有一个二面角小于90度的反射元件的特定反射体的一系列预计发散分布曲线图。
图11A-J是以1度为增量的具有一个二面角大于90度的反射元件的特定反射体的一系列预计发散分布曲线图。
图12A-B是槽间距不同于反射器例子的反射体的预计发散分布曲线图。
图13是类似于反射器例子的反射体的预计发散分布曲线图，所不同的是结构化表面上具有90％反射率的涂层。
图14是具有至少两个不同的反射元件阵列的反射体的平面图。
图15示出安装在与光源和观察区有关位置中的双用途反射体。
图16示出现有技术的结构化表面的放大平面图，该结构化表面可装入反射和后向反射两种元件。
图17是装有以重复图案间置的各种反射元件的一部分结构化表面的放大平面图。
图18是图17的简化图，以识别不同类型的反射元件。
图19是具有图17所示结构化表面作为背面的反射体的预计发散分布曲线图。
在附图中，采用相同的参考符号以便于表示相同的或者执行相同或相似功能的元件。方框中的数字代表以cd/lx/m2为单位的亮度级别。
                   说明性实施例的详细描述
                         反射器例子
图2是制备并测量其反射特性的反射体例子的结构化背表面28的平面图。该反射体具有正表面30(见图4A-C)，与背表面相对，入射和反射光将穿过该表面。形成在背表面28上的立体四面体棱镜阵列32、34将反射入射光。棱镜32、34各具有三个相互反射的表面，分别以36b、38b、40b和36a、38a和40a表示，绕底面三角形排列。一个给定棱镜至少有两个反射表面以较大的非正交二面角排列，将反射光优先射向入射光特定方向的两束光之一中。较佳地，仅有两个反射表面是如此排列的，其余的反射表面对与正交相差一个相对较小的量。这里，反射体具有一元结构，从而底面三角并不对应于两层之间的物理边界，也可以把四面体棱镜看作是三面体棱镜。
棱镜32、34以多个平行槽组36、38、40为界。槽组最好是共平面，每个槽组以约60度夹角与其它两个槽组相交，限定棱镜32、34的等边底面三角。如果人们希望形成一个截头立方角，每对相邻面之间的二面角等于90度，所有的槽则具有约70.5288度的全槽角(在槽底上相遇的两个相对棱镜面，例如36a、36b之间的二面角)。(槽侧面角因此约为35.2644度)。反射体例子不是采用从径向上偏离这些正交产生角的槽角：槽组36中的所有槽采用比正交产生全槽角大10度的全槽角(即约80.5288度)，槽组38、40中的所有槽采用比正交产生全槽角小10度的全槽角(即约60.5288度)。产生的四面棱镜32、34具有高度正交的反射表面—棱镜32的表面38b和40b和棱镜34的表面38a和40a-从表1中反射器例子与理想立方角后向反射器之间二面角的比较可以看出。
                            表1
                棱镜二面角(度)
    棱镜面   反射器例子   立方体角       差
    38a，40a     83.1662     90     -6.8338
    36a，38a     89.7824     90     -0.2176
    36a，40a     89.7824     90     -0.2176
    38b，40b     83.1662     90     -6.8338
    36b，38b     89.7824     90     -0.2176
    36b，40b     89.7824     90     -0.2176
图3是与正交立方体角表面42’、44’相比，示出了高度非正交反射表面42、44，如表面38a、40a或表面38b、40b(未按比例)。二面角46与90度相差2度以上，较佳地相差至少约4度，最佳地相差约6至8度，以展现这里所揭示的有利的非对称反射特性。
四面棱镜32、34对于每个槽组36、38、40具有180度旋转对称性，因此形成棱镜相对于每个这种槽组的“匹配对”。匹配对包括一个棱镜32和一个棱镜34。因此背表面看起来包括密集封装的匹配棱镜对。棱镜32、34对于槽组36还具有镜象对称性。槽组36被指定成“主”槽组，因为棱镜对其具有旋转和镜象两种对称性。
除了具有高度非正交反射表面外，反射器例子采用非常小的槽间隔，对于每个槽组36、38、40为0.001英寸(25.4μm)。这一尺寸约为555nm可见光的50个波长，约处于可见光光谱的中间，具有人眼的峰值灵敏度。在反射器例子的背表面上未施加反射涂层，正如下文将说明的，让棱镜面暴露于空气，以致于在棱镜面上出现内全反射(TIR)。“空气”既包括标准气压下的大气也包括真空。
棱镜32、34是利用金刚石工具或其它合适的工艺方法，通过在基板上直接加工多个相交的槽组36、38、40，最初在原模上形成的。原模基板最好是由铜或抗毛边的其它合适材料制成的一元基板。然后用传统方式产生反射体：首先制作原模的负复制，这种负复制称为“压模”，然后在透明薄片的一个表面(定义为背面或结构化表面)上制造该压模的负复制。因此反射体具有背表面，它是原模的正复制。反射体例子是在0.41mm厚的聚碳酸酯基板中原模的正复制。对于反射薄片，建议基板厚度小于约1mm，这里它需要将薄片卷绕在卷筒上以便于储存和运输。这种薄片具有一个与一个槽组最好是主槽组以垂直或是平行方式对准的边缘，以便于安装。聚碳酸酯在约400至700nm的可见光光谱区内的折射率约为1.6。聚碳酸酯具有相对较低的色散，阿贝值为34。可以采用在感兴趣的波长范围内具有不同折射率和色散值的其它透明材料。对于绝大多数应用，在可见光区中具有相对较低色散的柔性、耐久材料是较佳的。对于低成本和便于制造，聚合物通常是较佳的。在另一个实施例中，立体棱镜可以由诸如聚碳酸酯的一种材料制成，棱镜的底面三角可以接触由较柔软透明材料制成的薄底层，两层结构提供增强柔性的薄片。这种反射体可以用铸造和固化技术，如5,175,030号美国专利(Lu等人)和5,183,597号美国专利(Lu)中所揭示的技术制造。
这里使用的“负复制”是指对给定表面的复制，其中复制已经颠倒了与该给定表面上特征互补的特性，以致于负复制和给定表面能够彼此匹配接触；给定表面的“正复制”是指对给定表面作偶数次连续负复制产生的一个反射体。正复制和负复制二者还包括仅通过各向同性比例因子不同于以上描述的放大或缩小反射体。
                    反射器例子的光学特性
图4A-C以简化方式示出测量反射器例子的反射特性的测试结果。在图中，参考轴48垂直于反射器例子50的平坦的前表面30。背表面28中的主槽组36沿线段52取向。箭头4代表来自幻灯放映机的入射可见白光。角度β是入射光的入射角，α是给定反射光束的观察角。在图4A中，光以β≈11.5度从垂直于图面且包含参考轴48的平面中从下方入射。以约18度的观察角α在入射光束的相对两侧观察两个反射光束54、56。光束54、56的测得亮度在10％内是相同的；光束54为2.07E+4cd/m2，光束56为1.87E+4cd/m2。在图4B中，光是以入射角β≈25.5度通常从参考轴48的右侧入射的，如图所示。再次观察到两个反射光束58、60，但是令人惊奇的是，一个光束比另一个光束亮得多。光束58在α≈18度下的测量亮度是光束60的7倍多，光束60设置在α≈21度下。测得的亮度分别是1.17E+4cd/m2和1.49E+3cd/m2。在图4C中，光是从参考轴48的另一侧再次以入射角β≈25.5度入射的。再次观察到两个反射光束，再次是一束光束比另一束光束亮7倍多。图4C中的光束62在α≈18度下测得的亮度是1.15E+4cd/m2，光束64设置在α≈21度下测得的亮度是1.46E+3cd/m2。注意，反射光束54、56、58、60、62、64不是返回到光源的后向反射光束，它们也不是从反射体的前表面的简单镜面反射而产生的“眩光”。还要注意，在图4B和4C两图中，较亮的反射光比每个入射光束和另一个反射光束离参考轴更近(即具有较小的偏差角度)。
总之，观察到反射器例子将入射光分成两个偏离光源的主反射光束。此外，对于一定的斜入射角度，正如安装在路旁的光源照明位于道路上方的标志会碰到的情况，反射器在光源一侧产生的光束比另一侧的光束更亮。有利地将高亮度的光束射向参考轴，道路和预计的观察者通常会位于这里。
在不同的照明几何关系下测量了同一反射体例子的发散分布图，如图5所示。光源16设置在入射角β≈18度以及相对于平行于主槽组36的基准标志65的方向角ω≈18度下。可见光检测器66对区域扫描，绘出反射亮度与观察角α和表示角γ的函数关系。
采用图5所示的照明几何关系来模拟图6所示的标志放置布局。在图6中，标志68位于参考平面70上方高度H1处，参考平面70对应于路面或者对应于路面上方观察者眼睛的平均水平面。位于参考平面70中的三个固定观察区Z1、Z2、Z3可以对应于路面上的交通路道，观察者沿其长度行进。这些观察区具有相等的宽度W，在距投射的标志位置纵向距离D1、D2处具有前和背边界。标志68与中间区Z2的纵向对分线对准。距离D3、D4和参考平面70上方的高度H2规定光源16的位置，它位于观察区道路外侧的一侧。表2给出图6中所标示距离的设计值(米)。
                                    表2
    H1     H2     W     D1     D2     D3     D4
    5.9     3.8     3.6     50     200     20     0.75
绘出图5的检测器所获得的数据，得到图7A所示的反射器例子的发散分布图。等亮度轮廓以亮度值等值地划分空间。用以cd/lx/m2为单位的亮度值标示出很多个轮廓，足以使读者能够确定其它任何轮廓的亮度值。亮度值标记放在方框中，使它们区别于一般参考编号。曲线图的中心点72对应于直接返回到光源的后向反射。另一个点74对应于参考轴48。穿过中心72和点74的线段76起参考作用，以此测量表示角γ。中心点72的同心圆用作参考，表明观察角α。
很少或没有多少光，即没有高于所选背景或参考强度级别，如0.5cd/lx/m2，从理想表面漫反射量的光被后向反射回光源，。而是，反射器例子学入射光的相对两侧产生两个不同的光束78、80。图7A中看到的“下部”光束78与参考轴74重叠并环绕参考轴。下部光束78在区域Z1-Z3的总方向上传播到光源16的右侧(见图6)，而“上部”光束80传播到光源16的左侧，远离区域Z1-Z3中的观察者。与图4B-C中所示的结果相一致，光束78具有显著地高于光束80的峰值亮度。然而，采用本照明几何关系，观察比率约为2，小于以前的观察比率(大于7)。测得的峰值亮度为21.6cd/lx/m2和10cd/lx/m2。相比之下，当前提供的玻珠薄片(3M公司出售的HV-8100)(它将入射光反射到宽的观察锥角中，正如图1B所示)规定在20度观察角下的亮度约0.5cd/lx/m2。
除了光束78、80之间的亮度非对称性之外，存在光束的形状非对称性，因为光束78具有完全不同于光束80的形状。光束80具有两个相对极大值，二者都位于大致相等的观察角上，但是在表示角上有一定位移，以致于能够辨别被亮度小于任一极大值一半的区域所分开的两个分开的光瓣。光束78也具有两个位于大致相等的观察角上但是在表示角上有位移的相对极大值。可是，光束78中相对极大值之间的区域在亮度上与任一个极大值的区域相差不到20％，导致与光束80相比更均匀的光束分布。
图7B示出重叠在图7A放大部分上的观察区轮廓Z。轮廓Z以位于区域Z1、Z2或Z3内任何地方的汽车驾驶员的位置的α、γ坐标表示。正如从图中看到的，反射器例子以4cd/lx/m2最小亮度占据区域轮廓Z，但有些地方的亮度却高达20cd/lx/m2甚至更高。在4cd/lx/m2亮度下测量的光束78在观察角中的范围或“宽度”是区域轮廓Z的观察角中的范围的两倍以内。光束78在表示角中的“宽度”(同样地测量)大致是区域轮廓Z的两倍至三倍。通过这一测量，光束78的尺寸与观察区很好地匹配。通过光束78尺寸与观察区的这种匹配，通过入射斜角的非对称亮度特性，以及通过反射器低的或可忽略不计的后向反射率，可增强反射器例子的效能。
通过制造稍许改进了结构化表面的另一个反射器，或者如果可行的话通过简单地将光源16至具有不同入射角β和/或定向角ω的新位置，使区域Z和光束78的相对位置移动是可能的。用这种方法，通过对光源的放置作较少调节，能够针对最大平均亮度或者针对最佳均匀性使区域Z的照明最佳化。这还允许同一薄片被用在观察区相对标志的尺寸或位置不同的(例如标志安装在头顶上与路边上)两种不同应用中。在一定程度上，来自光源的光在β、ω值的范围内入射在反射器的表面上，对于任何给定的β、ω值，都希望在比区域Z略大一些的范围内有一反射光束78。
                    另一实施例的计算机模型
如果需要测试不同于以上讨论的反射器例子的另一反射元件几何关系，可以用所需几何尺寸制造新的高精度模型，从该模型制备反射薄片，以及从该薄片进行直接测量。比较方便的低成本的替代方法是采用计算机程序或模型来预测光学特性，如给定的所需几何尺寸的发散分布。采用后一种方法来测试另一种反射器设计。
计算机模型要考虑到反射、折射和衍射效应。来自反射元件表面的反射要考虑到s偏振光与p偏振光之间的差别。模拟建立一个各种光线的阵列，所有光线在各种棱镜元件的底面三角上均匀地具有所需的入射角和定向角。对计算出的输出光线进行处理，得到发散分布。除非注明以外，采用在可见光光谱中间约555nm的光波长以及1.6的折射率。
图8示出对如上所述反射体例子的几何关系和照明几何关系β＝18°、ω＝18°所计算出的发散分布。正如图7A所示，中心点72代表完全后向反射，点74代表垂直于反射器的参考轴48，线段76对应于γ＝0°。
将图8所示的计算出的发散分布与图7A所示的观察的分布进行比较，证明要得出关于给定结构化表面几何关系的发散分布的一般结论，可能依赖于计算机模型。首先，光束位于入射光方向的相对两侧上的整个双光束图案非常接近于观察到的图案。其次，每个光束的主最大值的观察角坐标在α≈18°下接近于观察值。第三，光束的表示角坐标通常与观察到的光束相一致，不同的是在α≈7°和r≈90°下观察到的上部光束中的变长特性。第四，两幅图都显示在下部与上部光束之间在光束形状上相对于点72的非对称性。尽管在计算出的与观察到的光束形状之间存在细微差别，但是，在两种情况中，下部光束跨过在2cd/lx/m2亮度级别上测量的10与15度之间的角度Δα和约40与50度之间的表示角Δγ。这一光照级别等于图7A中光束78的最大亮度的约10％。
观察的与计算的光束之间的一些差别包括光束内相对极大值的数目或精确位置的详细情况。更重要的是，图8的计算出的发散分布表明两个反射光束的大致相等的最大亮度，与图7A中观察到的2倍因子相反。
想到计算机模型的能力和局限性，现在讨论不同于反射器例子的反射元件的附加计算的发散分布，以便演示证明反射器结构化表面变化的效果。除非注明之外，照明几何关系与图8的相同。
参见图9，图中示出类似于反射器例子的反射体的发散分布，所不同的是采用约{81.47、60.28、60.28}度的全部槽角度，导致约{83、90、90}度的四面棱镜面之间的二面角。这些值可以与例子的约{83.2、89.8、89.8}度二面角相当。图9与图8比较，看到二面角的0.2度变化，产生一个反射体，它再次将光改向到入射光方向相对两侧上彼此为非对称形状的两个反射光束中。图9的光束具有类似于图8的α、γ坐标。可是，图9的下部光束的空间均匀性比图8的差。图9的下部光束具有一个更明显的2瓣光束形状，一个瓣集中在参考轴74附近。
现在参考图10A-10J，以1度为增量演示证明从90度起降低二面角偏移的效果。槽角是这样引入的，即图10A代表结构化表面，每个四面棱镜具有单次的1度偏移，即{89、90、90}的二面角，图10B代表2度偏移，即{88、90、90}的二面角，依此类推。图10G与图9相同。如图所示，在两个反射光束之间观察到任何明显非对称性前，需要大于约2至3度的偏移。因此，至少图10D-J的反射体这里被称为具有“高度非正交”反射表面的反射元件。注意，对于约7度或者更大的偏移，下部光束(在2cd/lx/m2级别下)变异为两个截然不同的瓣或子光束，尽管从理论上它们并不适合于单个大观察区的均匀照明，但是可以用于其它的应用。
图11A-J分别类似于图10A-J，不同的是从90度起的二面角偏移以1度为增量具有相反极性。图11A因此涉及具有{91、90、90}二面角的棱镜，图11J涉及{100、90、90}二面角的棱镜。在观察到明显的非对称性前，再次需要大于约2至3度的偏移。注意，下部的反射光束具有比上部光束大的计算亮度值是有利的。类似于图10A-J中看到的特性，超过约8度的偏移在2cd/lx/m2光照级别下使下部光束的瓣产生分离。
反射光束的角度范围或“宽度”Δα、Δγ是衍射效应的函数，它又是各个反射元件与所用光的波长的相对尺寸的函数。图12A-B示出具有不同于0.001英寸的槽间隔的结构化表面预计的可见光发散分布。发现，槽间隔的变化也影响反射光束方向。因此，选择新的全槽角度和相应的二面角，至少部分地补偿这一效应。在图12A中，使所有三个槽组的槽间隔增大到0.0015英寸(38μm)。这一间隔等于约75个可见光波长。对于三个槽组分别地将全槽角调节到{81.3621、59.6955、59.6955}，产生{82.62、89.745、89.745}度的二面角。在图12B中，将槽间隔减小到0.0007英寸(18μm)，即约35个可见光波长。二面角与图12A中一样。看到较窄的间隔，得到通常较宽的下部光束，光束上具有不明显的亮度偏差，在有些应用中这将是有利的。较宽的间隔产生更集中和非均匀的下部光束，它可能不适合于照明观察区Z，但是在其它应用中可能工作得很好。对于类似于图6的道路几何关系，槽间隔在0.0004至0.002英寸(10至50μm，即20至100个可见光波长)的范围内通常是较佳的。
已知可用薄的金属反射层镀在棱镜薄片的结构化表面上。在采用具有高度非正交反射表面的元件的薄片的情况中，与反射表面接触的这种反射涂层的效果是降低反射光束的整个亮度并减小至少下部光束的宽度减小。图13示出图8的反射器的预计发散分布，不同的是给3个相互反射的棱镜表面的每一个增加90％反射率涂层。图的比较表明，如果需要高亮度和空间均匀性，保持不镀膜的反射表面以及依赖于反射表面的TIR是有利的。
可以设想，也可以采用以60度以外的角度彼此相交的槽组，以形成被倾斜的反射元件。可以将槽安排成限定底面三角，它们严格地具有一个大于60度的内角，或者严格地具有一个小于60度的内角。反射元件的底面三角可以是二等边或不等边三角形。选择槽侧面角，形成具有至少两个高度非正交反射表面的四面棱镜，如上所述。另一方面，也可以采用不是由平行槽组限定的反射元件，在现有技术中称为完全立方角元件，不论是被倾斜的还是未被倾斜的。
除了采用粘合层和防粘片以外，按照这里所揭示的原理制造的反射体(如薄片)还可以采用一般的衬里材料在空气职密封棱镜元件。参见例如美国专利4,938,563(Nelson等人)，这里用作参考。也可以采用一般的顶部薄膜(覆盖反射层平滑的前表面30)吸收会损伤反射层的紫外光。可以增加染料或者与反射层材料相混合，给予反射体有色的外观。
                      拼接；双用途薄片
通过在反射体的结构化表面中装入一种类型以上的反射元件匹配对，能够增强或者改进从静止光源向观察区反射的光束的空间均匀性。利用已知的制造技术，通过在同一反射体上拼接或者装入不同的反射元件阵列，能够产生具有所用的各个反射元件设计的发散分布的平均(或者根据所用的相对表面区，其它加权组合)的发散分布的薄片。
图14代表包括相邻条带区82a的薄片82。每个区82a被充满一种类型元件阵列，不论是反射的还是后向反射的。区82a较佳地具有小于约50mm的宽度，以致于各个区从约30m或更长的观测距离感觉不到，给薄片一个均匀的外观。也可以采用条带以外的图案，如矩形、方形和其它几何形状。
通过包括薄片82中后向反射元件的区以及诸如以上揭示的这些元件的区〔是反射的而不是后向反射的)，可实现一个独特的优点。这种薄片82，如图15所示，具有双重用途。首先，薄片82将来自静止光源16的光84射向充满观察区Z的宽光束86中。其次，薄片82将来自行进车辆上光源的光88后向反射到集中在移动光源上的窄光束90中。因此，薄片82既能安装在固定光源以适当角度照明标志的地方又能安装在不能提供这种光源的位置上。即使是在提供这种光源的这种位置上，如果静止光源未能工作，后向反射区保证标志仍能被车辆驾驶员看到。
由于后向反射光束90保持集中在车辆的移动光源上，车辆驾驶员即使在区域Z之外，这里驾驶员眼睛相对于车辆前灯的观察角度十分小，这种光束90仍具有高的可见性。后向反射光束90是由一般立方角后向反射元件，如美国专利4,588,258(Hoopman)、4,775,219(Appledorn等人)或5,138,488(Szczech)中所揭示的这些元件产生的，通常相对于入射光88的方向被限定到约2度的观察角。光束86与之相反，通常以超过2度的观察角投射。光束86较佳地是由具有高度非正交反射表面的反射元件产生的，如上所述，尽管在有些情况中也可以采用产生对称反射光束的元件。
表3给出图14的反射体82的一种可能的设计。该设计每7隔个条带重复一次。区域82a的结构化表面是从正交产生35.2644度的槽侧面角起以每一对槽侧面角的偏移限定的(槽组在60度内角下相交)。区的七分之一被后向反射元件占据，其余的被三种不同的反射元件设计占据，以便产生改善了均匀性和更大宽度的反射光束86。这种拼接增加了反射光束86的宽度，而每个反射元件阵列单独不能用适当的反射光量充满观察区。
                       表3
            槽侧面角偏移(弧分
    条的数目     槽组36     槽组38     槽组40
    1     0     0     0
    2     +200     -200     -200
    2     +350     -350     -350
    2     +400     -400     -400
表4给出每隔2个条带重复一次的另一种更简单的设计。设计包括与图11G相关的反射元件的交替区，具有{97、90、90}度的二面角，以及传统的立方角后向反射元件。
                       表4
           槽侧面角偏移(弧分)
    条的数目     槽组36     槽组38     槽组40
    1     0     0     0
    1     -273     +289     +289
反射体84的结构化表面可以具有不同尺寸的各个反射和/或后向反射元件。例如，第一区82a中的反射元件可以具有第一槽间隔，而与第一区相邻的第二区82a中的反射元件可以具有不同的槽间隔，以致于元件具有不同的尺寸。同样，后向反射元件可以比反射元件更大或者更小。
通过改进图16所示的现有技术的构造(见美国专利5,600,484)，也能够使各种反射和/或后向反射元件的阵列相互间置。图中所示的放大平面图示出三个不同元件的阵列92、94、96。元件94、96具有同一组二面角，因为它们的反射表面相互共面。然而，元件92的反射表面是独立于元件94、96形成的。于是，能够这样选择槽角，即元件94、96是后向反射元件，具有正交二面角，而元件92是反射元件，具有至少一个非正交二面角，反之亦然。可是，同图14的实施例相比，这种安排在选取被各个阵列所覆盖的面积比方面缺少灵活性。在选取各个元件的相对尺寸方面也缺少灵活性。
                        另一实施例
为了产生具有较宽角度范围和改善了空间均匀性的反射光束，无需将大量不同的反射元件结构化表面拼接起来，设计了一种结构化表面，它以重复图案将多种不同反射元件类型相互间置在该结构化表面上。各种反射元件类型各具有至少一个二面角，它与直角相差约2度以上。元件是由一系列重复的在槽侧面角上相对于会产生90度二面角的槽侧面角的不同(大)偏移所限定的。对于具有等边底面三角的元件，槽侧面角偏移是相对于约35.2644度的额定槽侧面角测量的。对于倾斜的元件，槽侧面角偏移是相对于会产生90度二面角的槽侧面角测量的。
图17所示的一部分结构化表面104是说明性的。完整的结构化表面则由部分104的复制品组成，部分104是在各个系列的槽106a-h、108a-d和110a-d在表面上延伸和重复时产生的。槽组106、108、110以60度相互相交。对于图17中每个标出的槽，示出了槽侧面角偏移，以弧分给出。与一个槽组中一系列槽相关的槽侧面角对是不同的。例如，槽108a的对{-350、-200}不同于槽108b和108c的对{-200-350}。再有，槽106a的对{300、150}不同于槽106b的对{300、300}，它又不同于槽106c的对{150、300}。采用如此限定的图案，形成6种不同类型的反射元件，每一种类型具有一组不同于其它类型的二面角。表5列出了槽侧面角表面的不同组合以及相关的二面角。6种反射元件类型表示为A至F。
                                          表5
         槽侧面角偏移(弧分)           自90度的二面角偏移(弧度)   类型
  槽组106   槽组108   槽组110    槽组108/110    槽组106/110    槽组106/108
  +300   -200   -350   6.2975   -0.483   +1.033     A
  +300   -350   -350   -7.922   -0.483   -0.483     B
  +300   -350   -200   6.2975   +1.033   -0.483     A
  +300   -200   -200   4.6115   +1.033   +1.033     C
  +150   -350   -350   -7.922   -2.4835   -2.4835     D
  +150   -200   -200   4.6115   -0.6618   -0.6618     E
  +150   -200   -350   6.2975   -2.4835   -0.6618     F
  +150   -350   -200   -6.2975   -0.6618   -2.4835     F
不同类型的反射元件A-F按照图18的简化图所示安排在结构化表面部分104上，这里未示出槽侧表面。应当注意，如果考虑到各个反射元件的形状和取向，则有6种以上不同类型的反射元件。例如，尽管图18中标为“A”的所有元件具有表5所示的相同的三个二面角，但是这些元件中有一些相对于另一些旋转，而有一些是另一些的镜面图象(但是彼此不全等)。
结构化表面部分104具有发散分布，它是许多不同反射元件(包括它在内)的发散分布的组合。发散分布是利用以上描述的计算机模型计算的，对于具有图17结构化表面作背表面的薄片，假设：对于所有的槽组，槽间隔0.001英寸(25.4μm)；光波长～555nm；折射率1.6；照明几何关系β＝ω＝18度。结果如图19所示，这里参考标号72、74和76具有如上的相同含义。在后向反射点72的相对两侧再次看到两个反射光束，表示为112和114。同以上描述的一些实施例所示的预计结果相比，这两个光束的峰值亮度相对较低(略高于4cd/lx/m2)。然而，光束112、114通常比以上这些实施例更均匀并具有更圆(不是细长形)的形状，至少在1至2cd/lx/m2的亮度级别时如此。更圆的光束形状意味着：具有结构化表面104的薄片比具有较细长的反射光束的薄片能够照明更大的观测区。它还意味着：大薄片的宽分开部分在给定观察点上将具有相同的表观亮度，即使分开的部分相对于光源处在完全不同的入射角和/或定向角上。从图19还应当注意：即使光束112、114显现彼此之间有一定的形状非对称性，光束形状的整个相似性是令人惊奇的。
通过以上讨论的拼接技术，能够将图17的结构化表面和类似的表面装入双用途薄片或其它反射体中。
                          术语表
光束：光量或反射率区，特征在于具有峰值亮度以及超出边界区(以光束轮廓表征)降低到给定阈值之下例如峰值亮度的1％至10％。
亮度：当参考光束时，以每平面米烛光(cd/m2)表示的光量。当参考反射体时，为反射体的反射比，即反射体的反射发光强度除以法向光照度和反射体的表面面积，以每平方米每勒克司烛光表示，缩写为cd/(lx·m2)或cd/lx/m2。对于可见光光谱之外的光，以辐射度术语而不是光度术语表示相应的量。
基准标志：被用作参考的反射体的标志(无论是真实的还是假设的)，表示关于参考轴的取向。
发散分布：表示对于给定的照明几何关系，反射光的亮度与观察角和表示角的函数关系。通常，该表示采取以(r、θ)极坐标绘出的等亮度轮廓的形式，r坐标代表观察角α，θ坐标代表表示角γ。
入射角(β)：照明轴与参考轴之间的夹角。
入射半平面：始于参考轴且包含照明轴的半平面。
槽侧面角：槽侧面与平行于槽长度且垂直于反射体底面延伸的平面之间的二面角。
照明轴：在参考中心与照明源之间延伸的线段。
光：电磁辐射，无论是光谱的可见光、紫外光还是红外部分。
观察角(α)：照明轴与观察轴之间的夹角。
观察轴：在参考中心与所选观察点之间延伸的线段。
观察半平面：始于照明轴且包含观察轴的半平面。
定向角(ω)：入射半平面与始于参考轴且包含基准标志的半平面之间的二面角。
表示角(γ)：入射半平面与观察半平面之间的二面角。
参考轴：从远离反射体的参考中心延伸的线段，它通常在参考中心垂直于反射体。
参考中心：反射体上或附近的点，将其指定为反射体的中心，用于规定其性能。
可见光：可被人的肉眼检测的光，通常在约400至700nm的波长范围。
尽管已经参考较佳实施例描述了本发明，但是，本领域的专业技术人员将会看到，能够在形式和细节上作出变化，而不超出本发明的精神和范围。

Claims (21)

1.一种双用途反射体，其特征在于包括一个具有结构化表面的层，该结构化表面包括第一和第二反射元件阵列，第一阵列包括具有至少第一、第二和第三反射面的元件，它们安排成在约2度的观察角内后向反射后向反射光束中的入射光，第二阵列包括具有至少第四、第五和第六反射面的元件，它们安排成以大于2度的观察角反射第二光束中的入射光。
2.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：结构化表面上具有多个拼接区，第一阵列设置在第一组拼接区中，而第二阵列设置在第二组拼接区中。
3.如权利要求2所述的反射体，其特征在于：多个拼接区具有不大于约50mm的宽度。
4.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：第四、第五和第六反射面之间具有可限定的二面角，至少有一个二面角与直角相差2度以上。
5.如权利要求4所述的反射体，其特征在于：至少有一个二面角与直角相差约10度以下。
6.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：结构化表面进一步包括不同于第二阵列元件的第三阵列反射元件，第三阵列包括具有第七、第八和第九反射面的反射元件，它们安排成以大于2度的观察角反射第三光束中的入射光。
7.如权利要求6所述的反射体，其特征在于：结构化表面上具有多个拼接区，第一、第二和第三阵列分别设置在第一、第二和第三组拼接区中。
8.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：第四、第五和第六反射面是这样安排的，第二光束的光束宽度大于后向反射光束的光束宽度，这里光束宽度是以各光束峰值亮度的10％的级别测量的。
9.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：后向反射光束和第二光束在2cd/lx/m2的亮度级别上是非重叠的。
10.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：第四、第五和第六反射面被安排成从18与26度之间的入射角将入射光反射到第二光束中，从而使第二光束具有大于5度和小于20度的观察角光束宽度Δα。
11.如权利要求10所述的反射体，其特征在于：光束宽度是在2cd/lx/m2的亮度级别上测量的。
12.如权利要求10所述的反射体，其特征在于：Δα在10与15度之间。
13.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：至少第二阵列的元件由多个槽组限定边界。
14.如权利要求13所述的反射体，其特征在于：至少一个槽组具有约10与50μm之间的槽间距。
15.如权利要求13所述的反射体，其特征在于：至少一个槽组具有一系列具有不同槽侧面角对的槽。
16.如权利要求15所述的反射体，其特征在于：多个槽组中的每一组具有一系列具有不同槽侧面角对的槽。
17.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：至少第二阵列的元件包括形成在层中的立体棱镜，第四、第五和第六反射面暴露于空气，从而在这些反射面上产生内全反射。
18.如权利要求1所述的反射体，其特征在于：具有相同二面角的反射元件称为一类反射元件，这里，第二阵列的反射元件包括至少三种不同类别的反射元件。
19.如权利要求18所述的反射体，其特征在于：不同类别的反射元件各自彼此间置。
20.将信息显示在扩展观察区中的一种安排，包括：
可定位在扩展观察区附近的标志；以及以斜角照射该标志的静止光源；
其特征在于：所述标志包括权利要求1所述的反射体。
21.如权利要求20所述的安排，其特征在于：第二阵列将来自静止光源的光反射到环绕扩展观察区并省略静止光源的反射光束中。
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