DE3789200T2

DE3789200T2 - Würfeleckige retroreflektierende Körper mit vorgegebenem Divergenzprofil.

Info

Publication number: DE3789200T2
Application number: DE3789200T
Authority: DE
Inventors: Roger H C O Minnesot Appeldorn; Mark E C O Minnesota Gardiner; Timothy L C O Minnesot Hoopman; John C C O Minnesota Mi Nelson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2007-11-14
Also published as: JP2647103B2; CA1308589C; EP0269329A3; CN1028388C; EP0269329A2; KR880006555A; US4775219A; ZA877920B; KR960005282B1; CN87107678A; JPS63143502A; BR8706289A; DE3789200D1; AU593147B2; EP0269329B1; AU8018787A; ATE102364T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft würfeleckige rückstrahlende Gegenstände, d. h. Gegenstände, die Licht zu der Lichtquelle zurückreflektieren, und sie betrifft insbesondere solche Gegenstände, bei denen die würfeleckigen rückstrahlenden Elemente durch drei einander kreuzende Sätze paralleler V-förmiger Furchen gebildet werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das reflektierte Licht von einem rückstrahlenden Gegenstand breitet sich beim Verlassen des Gegenstandes im allgemeinen zu einem kegelartigen Muster aus, das mittig auf dem Weg angeordnet ist, auf dem das Licht zum Reflektor gewandert ist. Eine solche Ausbreitung ist notwendig, damit der rückstrahlende Gegenstand von praktischem Nutzen ist. Beispielsweise muß das Licht von den Scheinwerfern eines sich nähernden Fahrzeugs, das von einem rückstrahlenden Verkehrszeichen zum Fahrzeug zurückreflektiert wird, soweit divergieren, daß es die Augen des Fahrers erreicht, der außerhalb der Achse des Scheinwerferstrahls positioniert ist. Bei herkömmlichen würfeleckigen rückstrahlenden Gegenständen wird diese kegelartige Ausbreitung des zurückgestrahlten Lichts durch Fehler in den würfeleckigen rückstrahlenden Elementen (z. B. Unebenheit der Flächen, unbeabsichtigte Abweichung der Flächen aus ihren zueinander senkrechten Positionen, etc.) und durch Beugung erreicht, die dadurch entsteht, daß das zurückgestrahlte Licht durch eine durch die Unterkanten der drei reflektierenden Flächen gebildete Öffnung austritt (siehe Stamm, US-Patent Nr. 3,712,706).
Die Ausbreitung des Lichts von würfeleckigen rückstrahlenden Gegenständen ist jedoch mit beachtlichen Mängeln behaftet. Erstens ist der Kegel des zurückgestrahlten Lichts in vielen Fällen oft zu schmal, wo das reflektierte Licht in einem größeren Abstand von der Achse noch zu sehen sein muß. Zweitens bekommt der zurückgestrahlte Lichtkegel durch die dreiseitige Beschaffenheit der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente eine unerwünschte asymmetrische Form. Diese asymmetrische Form führt dazu, daß würfeleckige rückstrahlende Gegenstände bei Betrachtung aus unterschiedlichen Darstellungswinkeln eine unterschiedliche Rückstrahlungshelligkeit besitzen (ein Glossar der Fachbegriffe befindet sich am Ende der Beschreibung). Diese Mängel können so gravierend sein, daß zwei Personen, die nebeneinander in einem Fahrzeug sitzen, das an einem mit einer würfeleckigen rückstrahlenden Folie überzogenen Verkehrszeichen vorbeifährt, die Helligkeit des Verkehrszeichens ganz verschieden wahrnehmen.
Tanaka, US-Patent Nr. 3,871,596, erhöht die Divergenz oder Ausbreitung der Lichtstrahlen von einem würfeleckigen rückstrahlenden Gegenstand, indem er bewußt die Flächen der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente aus der senkrechten bzw. orthogonalen Lage abweichen läßt. Wie in Veröffentlichungen wie zum Beispiel P.R. Yoder, "Study of Light Deviation Errors in Triple Mirrors and Tetrahedral Prisms" Journal Of The Optical Society of America, Bd. 48, Nr. 7, Juli 1958; N.E. Rityn, "Optics of Corner Cube Reflectors," Theory and Experiment, Seite 198 ff. (UDC 538.318 : 531.719.24); und H.D. Eckhardt, "Simple Model of Corner Reflector Phenomena", Applied Optics, Bd. 10, Nr. 7, Juli 1971, gelehrt wird, führt eine solche Neigung der Flächen dazu, daß das von dem würfeleckigen rückstrahlenden Element reflektierte Licht in bis zu sechs verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die von der Bezugsachse des Elements weg divergieren und dadurch das Licht über einen breiteren Winkelbereich ausbreiten.
Obwohl die im US-Patent Nr. 3,817,596 gelehrte Ausbreitung des Lichts die Beobachtungswinkel, aus denen der Gegenstand durch Rückstrahlung zu sehen ist, erhöht, wird nichts unternommen, um die bestehende Asymmetrie zu vermeiden, die auf die dreiseitige Beschaffenheit eines würfeleckigen rückstrahlenden Elements zurückzuführen ist. Des weiteren reduziert die Ausbreitung die Rückstrahlungshelligkeit bei den üblicherweise festgestellten kleineren Beobachtungswinkeln, d. h. den schmalen Winkeln in der Nähe der Bezugsachse, weil das Licht, das normalerweise auf solche kleineren Beobachtungswinkel gerichtet worden wäre, durch einen größeren Raum ausgebreitet wird. Ein Großteil das ausgebreiteten Lichtes wird vergeudet, da der Gegenstand im allgemeinen nicht von Punkten in dem vergrößerten Raum aus betrachtet werden wird, und durch dieses verlorengegangene Licht ist die brauchbare Rückstrahlungshelligkeit des Gegenstandes deutlich verringert (siehe Fig. 6 des US-Patents Nr. 3,817,596).
Heenan, US-Patent Nr. 3,833,285, ändert die Divergenz oder Ausbreitung des Lichts von einem würfeleckigen rückstrahlenden Gegenstand auf andere Weise, vor allem dadurch, daß er in den Gegenstand einen Satz spezieller würfeleckiger rückstrahlender Elemente einbaut, die in einer Reihe angeordnet sind. In jedem dieser speziellen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente kreuzen sich zwei der Flächen in einer Linie, die entlang der Länge der Reihe von Elementen ausgerichtet ist, und der Flächenwinkel am Kreuzungspunkt der zwei Flächen ist über die herkömmlichen 90 Grad hinaus vergrößert, z. B. auf 90º 30'. Wie in den oben aufgeführten Veröffentlichungen erläutert, führt dies zu dem Ergebnis, daß von jenen Elementen zurückgestrahltes Licht in zwei Strahlen aufgespalten wird, die entlang der Länge der Reihe divergieren. Es wird nun in Erwägung gezogen, den Flächenwinkel in den verschiedenen Elementen in der Reihe unterschiedlich weit zu vergrößeren, um auf diese Weise das Licht zu einem langgestreckten Muster auszubreiten.
Ein bedeutender Nachteil eines rückstrahlenden Gegenstandes, wie er im US-Patent Nr. 3,833,285 beschrieben ist, besteht darin, daß bei vielen rückstrahlenden Gegenständen, beispielsweise bei Verkehrszeichen, eine gewisse Ablenkung verursacht werden könnte, wenn man eine einzelne isolierte Reihe von rückstrahlenden Elementen vorsieht, die Licht in Mustern verteilt, die von den Mustern anderer rückstrahlender Elemente des Gegenstandes deutlich verschieden sind. Anstatt ein gleichmäßig erleuchtetes rückstrahlendes Verkehrszeichen zu sehen, würde ein Betrachter beispielsweise Helligkeitsschwankungen wahrnehmen, die ihn vom Verständnis der auf dem Verkehrszeichen enthaltenen Informationen ablenken könnten. Bei einem Produkt wie es im US-Patent Nr. 3,833,285 beschrieben ist müssen außerdem die einzelnen Stifte, die dann zusammengebündelt werden, um die Reihe von Elementen zu bilden, ganz präzise hergestellt werden, und es ist schwierig, solche Stifte präzise herzustellen und zusammenzugruppieren, um eine Rückstrahlung innerhalb gewünschter Toleranzen zu erreichen.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die bisherigen Bemühungen bezüglich einer Änderung des Divergenzprofils des von würfeleckigen rückstrahlenden Gegenständen zurückgestrahlten Lichtes die grundlegenden Mängel dieser Gegenstände, die deren Brauchbarkeit einschränken, noch nicht beseitigt haben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung gibt würfeleckige rückstrahlende Gegenstände eines neuen Typs an, die individuell ausgelegt werden können, um das von den Gegenständen zurückgestrahlte Licht in einem gewünschten Muster oder Divergenzprofil zu verteilen. Kurz gesagt, die neuen rückstrahlenden Gegenstände tragen auf einer Seite eine Anordnung von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen, wobei die drei reflektierenden Seitenflächen der Elemente durch drei einander kreuz ende Sätze von parallelen V-förmigen Furchen gebildet werden, wobei mindestens einer der Sätze in einem sich wiederholenden Muster einen Furchenseitenwinkel umfaßt, der von einem anderen Furchenseitenwinkel in demselben Satz verschieden ist, wie in Anspruch 1 beschrieben. Infolge der sich wiederholenden unterschiedlichen Furchenseitenwinkel ist die Anordnung würfeleckiger rückstrahlender Elemente in sich wiederholende Unteranordnungen unterteilt, die jeweils eine Vielzahl von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in einer Vielzahl verschiedener Formen aufweisen. Mindestens eine der verschiedenen Formen ist einem nichtorthogonalen, würfeleckigen rückstrahlenden Element zugeordnet, was bedeutet, daß mindestens eine Fläche des Elements in einem Winkel geneigt ist, der sich von dem Winkel unterscheidet, der notwendig wäre, damit alle Flächenwinkel in dem Element orthogonal sind; selbst wenn nicht alle Flächenwinkel orthogonal sind, wird ein solches Element hierin immer noch als würfeleckiges rückstrahlendes Element betrachtet, weil es in Form und Funktion dem idealen würfeleckigen rückstrahlenden Element sehr ähnlich ist.
Die verschieden geformten würfeleckigen rückstrahlenden Elemente werfen das einfallende Licht in verschieden geformten Lichtmustern zurück. Das Gesamtmuster des von einem erfindungsgemäßen Gegenstand zurückgestrahlten Lichts, d. h. das Divergenzprofil für den Gegenstand, besteht aus der Summe der verschiedenen Lichtmuster, in denen die verschieden geformten würfeleckigen rückstrahlenden Elemente in einer Unteranordnung das einfallende Licht zurückstrahlen; und die einzelnen verschieden geformten Lichtmuster können so gewählt werden, daß das Gesamtmuster mit einer gewünschten Form oder Kontur entsteht.
In der Form des durch einen erfindungsgemäßen Gegenstand erzeugten Lichtmusters ist eine überraschende Flexibilität möglich. Die Flexibilität ist deshalb überraschend, weil die einzelnen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente so viel miteinander gemeinsam haben. Beispielsweise haben die entlang einer Furche aneinandergrenzenden Elemente einen gemeinsamen Flächenwinkel, weil jene Flächen alle von demselben Furchenseitenwinkel gebildet werden. Desweiteren haben die Grundebenen aller Elemente dieselbe Dreiecksform (da die einander kreuzenden Sätze paralleler Furchen eine gewisse Dreiecksform bilden), und alle Elemente in einer Unteranordnung sind in derselben Ausrichtung zueinander fixiert. Trotz solch offensichtlicher Einschränkungen besitzen die rückstrahlenden Gegenstände eine große Flexibilität, so daß sie, wie nachfolgend erläutert wird, so ausgelegt werden können, daß bedeutende neue Wirkungen erzielt werden können, wie zum Beispiel folgende:
1) Das von einem erfindungsgemäßen Verkehrszeichen zurückgestrahlte Licht kann so konfiguriert sein, daß ein größerer Teil des Lichts nur von denen gesehen wird, die es sehen müssen, z. B. vom Fahrer eines sich dem Verkehrszeichen nähernden Fahrzeugs, und nicht über einen großen Bereich verteilt wird, in dem keine Rückstrahlung erforderlich ist; mit anderen Worten, das Divergenzprofil eines erfindungsgemäßen Verkehrszeichens kann asymmetrisch sein, doch handelt es sich um eine wünschenswerte Asymmetrie, durch die das Licht in nützlicheren Mustern verteilt wird.
2) Es können rückstrahlende Verkehrszeichen vorgesehen werden, die eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Helligkeit über einen weiten Bereich von Beobachtungspositionen besitzen; z. B. die Rotationsasymmetrie des Kegels von zurückgestrahltem Licht, die auf die dreiseitige Beschaffenheit der würfeleckigen Elemente zurückzuführen ist, kann vermindert werden, und darüberhinaus kann ein zusammengesetzter Lichtkegel mit einem Divergenzprofil geschaffen werden, das dem erwarteten Beobachtungsprofil des Verkehrszeichens näherkommt, z. B. den Weg der Augen eines Fahrers besser umfaßt, den diese beschreiben, wenn der Fahrer mit seinem Fahrzeug auf einer Straße dahinfährt.
3) Es können rückstrahlende Verkehrszeichen bereitgestellt werden, die nur bei bestimmten Abständen zwischen Fahrzeug und Verkehrszeichen funktionieren, um beispielsweise spezielle Warnhinweise zu geben.
4) Es können rückstrahlende Gegenstände bereitgestellt werden, die bei großen Verschiebungen wirksam sind, z. B. für Reklameschilder, Verkehrsbegrenzungen, etc . .
5) Es können rückstrahlende Gegenstände bereitgestellt werden, die den Eindruck erwecken, daß graphische Darstellungen im Raum vor einem Beobachter schweben; und
6) es können rückstrahlende Gegenstände bereitgestellt werden, die eine überraschende Toleranz gegenüber möglichen während der Herstellung der Gegenstände entstehenden Maßfehlern und während des Gebrauchs der Gegenstände entstehenden Maßfehlern besitzen.
Alle diese Vorteile erhöhen die Brauchbarkeit der würfelekkigen rückstrahlenden Produkte ganz beachtlich und führen zu Ergebnissen, die bisher auf dem Gebiet der rückstrahlenden Gegenstände noch nicht möglich waren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Rückseite bzw. auf die konfigurierte Seite eines repräsentativen rückstrahlenden Gegenstandes der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht durch den in Fig. 1 gezeigten Gegenstand;
Die Fig. 3 und 4 zeigen schematische Ansichten der Rückseite der repräsentativen rückstrahlenden Gegenstände der Erfindung;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Musters von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in einem Gegenstand der Erfindung;
Fig. 6A ist eine Seitenansicht und Fig. 6B ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs in bezug auf ein typisches Verkehrszeichen, das mit einer rückstrahlenden Folie gemäß der Erfindung überzogen ist;
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Beobachtungswinkel, in denen der Fahrer des in Fig. 6A und 6B gezeigten Fahrzeugs das in diesen Figuren gezeigte Verkehrszeichen betrachtet, während er sich dem Verkehrszeichen nähert; die horizontale Komponente der Beobachtungswinkel ist auf der Abszisse aufgetragen, und die vertikale Komponente der Beobachtungswinkel ist auf der Ordinate aufgetragen;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Teils der Rückseite eines repräsentativen Gegenstandes der Erfindung;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des Lichtmusters, das von dem in Fig. 8 gezeigten Gegenstand zurückgeworfen wird;
Die Fig. 10 und 12 sind graphische Darstellungen der Isointensitätskonturen für eine zu Vergleichszwecken herangezogene Folie und eine erfindungsgemäße Folie;
Die Fig. 11 und 13 sind graphische Darstellungen der Divergenz für eine zu Vergleichszwecken herangezogene Folie und eine erfindungsgemäße Folie;
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der Helligkeit in Candela/Lux/Quadratmeter (auf der Ordinate) im Vergleich zur Dehnung in Tausendstel Zoll (auf der Abszisse) für ein zu Vergleichszwecken herangezogenes Folienmaterial und ein erfindungsgemäßes Folienmaterial;
Fig. 15A ist eine Seitenansicht, Fig. 15B ist eine Draufsicht und Fig. 15C ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung, bestehend aus der Vorrichtung, dem rückstrahlenden Folienmaterial der Erfindung und einem Betrachter, zur Erzeugung eines rückstrahlenden Bildes, das im Raum zu sehen ist; und
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines Teils der Rückseite eines rückstrahlenden Gegenstandes der Erfindung, der nützlich ist, um das in Fig. 15C gezeigte rückstrahlende Bild zu erzeugen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Ein repräsentatives rückstrahlendes Folienmaterial 10 der Erfindung ist von der Rückseite des Folienmaterials aus in Fig. 1 und im Schnitt in Fig. 2 gezeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die konfigurierte Rückseite des Folienmaterials 10 durch drei einander kreuzende Sätze 11, 12 und 13 paralleler V-förmiger Furchen gebildet, die eine dichte oder vollgepackte Anordnung von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen bilden. Die Winkel für die Seiten der Furchen, d. h. die Furchenseitenwinkel, sind so gewählt, daß die an den Kreuzungslinien der Furchen, z. B. an den Linien 14, 15 und 16 für das repräsentative würfeleckige Element 17 in Fig. 1 gebildeten Flächenwinkel mindestens etwa 90º betragen. Mindestens einer der einander kreuzenden Sätze paralleler Furchen umfaßt jedoch in einem sich wiederholenden Muster Furchen, bei denen sich einer oder beide Furchenseitenwinkel von mindestens einem anderen Furchenseitenwinkel in demselben Satz unterscheidet bzw. unterscheiden. Unter dem "sich wiederholenden Muster" versteht man, daß ein bestimmter charakteristischer Furchenseitenwinkel in regelmäßigen Abständen auf der Anordnung aus würfeleckigen rückstrahlenden Elementen auftritt, d. h. dieselbe Anzahl von Furchen von seiner vorherigen Position in der Anordnung entfernt ist.
Fig. 2 zeigt einen Teil eines typischen Satzes von Furchen mit Furchenseitenwinkeln, die sich in übertriebener Weise von anderen Furchenseitenwinkeln in demselben Satz unterscheiden. Insbesondere zeigt Fig. 2 einen Satz Furchen 13 aus dem Folienmaterial von Fig. 1, d. h. 13&sub1;, 13&sub2;, 13&sub3; und 13&sub4;. In diesem Satz Furchen gibt es vier verschiedene Furchenseitenwinkel "a", "b", "c" und "d", die zwischen den Seiten der Furchen und einer Ebene 18 verlaufen, die senkrecht ist zu einer durch die Unterkanten 19 der Furchen begrenzten Ebene. Die Furchenseitenwinkel sind in einem sich wiederholenden Muster a-b-c-d-a-b-c-d angeordnet. Der Furchenseitenwinkel "a" in diesem typischen Satz ist ein Winkel, der zur Bildung von orthogonalen Flächenwinkeln an den Kreuzungen der Furchenseite mit in einem entsprechenden Winkel angeordneten Furchenseiten der anderen beiden Sätze von Furchen führen würde (solche Furchenseitenwinkel werden hierin gelegentlich als "eine Orthogonale bildend" bezeichnet). Die Furchenseitenwinkel "b", "c" und "d" bilden keine orthogonalen Flächenwinkel. Die Position der Furchenseiten, die eine Orthogonale bilden würden, ist in Fig. 2 in gestrichelten Linien dargestellt, und wie zu sehen ist, ist der Winkel "b" kleiner als zum Erreichen der Orthogonalität erforderlich, und die Winkel "c" und "d" sind größer als zum Erreichen der Orthogonalität erforderlich.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer schematischen Draufsicht typische Furchenmuster für einen rückstrahlenden Gegenstand der Erfindung. In diesen Figuren stellt jede Linie eine V-förmige Furche dar, wobei der Buchstabe auf jeder Seite einer Linie den Furchenseitenwinkel auf dieser Seite der Furche angibt. Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, kann jeder der drei Sätze von Furchen ein anderes sich wiederholendes Muster von Furchenseitenwinkeln besitzen. In Fig. 3 hat ein Satz ein Muster a-b-b-a, ein zweiter Satz hat ein Muster a-b-a-b-b-a-b-a, und der dritte Satz hat ein Muster c-d-e-f-d-c-f-e. In Fig. 4 sind die verschiedenen Furchenmuster ein Muster a-b-b-a, ein Muster a-b-a-b-b-a-ba und ein Muster c-d-d-c.
Die sich wiederholenden Muster von Furchen bilden sich in regelmäßigen Abständen wiederholende Gruppierungen von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen oder Unteranordnungen, die auf einer großflächigen Seite des rückstrahlenden Gegenstandes verteilt sind. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Furchenmuster sind Unteranordnungen vorhanden, die aus möglicherweise sechzehn verschiedenen würfeleckigen rückstrahlenden Elementen bestehen; das heißt, vorausgesetzt, daß a, b, c, d, e und f alle voneinander verschieden sind, gibt es in der Unteranordnung sechzehn würfeleckige rückstrahlende Elemente mit einer charakteristischen Form. Jedes dieser sechzehn Elemente kommt in jeder Unteranordnung des Gegenstandes von Fig. 3 zweimal oder paarweise vor, wobei die Elemente von jedem Paar um 180º gegeneinander verdreht sind. Die verschiedenen Elemente eines Paares können der Einfachheit halber als linke Elemente und rechte Elemente bezeichnet werden. Somit gibt es in der dargestellten Unteranordnung insgesamt zweiunddreißig würfeleckige rückstrahlende Elemente. Da die Furchenseitenwinkel unabhängig voneinander eingestellt oder gewählt werden können, müssen die Elemente nicht paarweise vorhanden sein, sondern statt dessen können die Elemente gewünschtenfalls auch alle voneinander verschieden sein. Die Paare von Elementen in der Anordnung von Fig. 3 sind deshalb vorhanden, weil in der Anordnung ein spezielles sich wiederholendes Muster von Furchen verwendet wird, z. B. durch Drehen des Musters a-b zu einem Muster b-a in einer angrenzenden Furche. Egal welche sich wiederholenden Muster verwendet werden, die Unteranordnungen sind alle miteinander identisch, solange es sich um regelmäßig wiederkehrende Muster handelt.
Es ist nicht wesentlich, daß alle Furchenseitenwinkel in einer Unteranordnung voneinander verschieden sind. Beispielsweise könnten c und e miteinander identisch sein, oder andere Furchenseitenwinkel könnten identisch sein. Mindestens einer der drei Sätze von Furchen, und zur besseren Kontrolle mindestens zwei oder alle drei Sätze umfassen jedoch mindestens einen Furchenseitenwinkel, der von mindestens einem anderen Furchenseitenwinkel in demselben Satz verschieden ist. Dies hat zur Folge, daß eine Vielzahl (d. h. mindestens zwei) der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente in einer Unteranordnung charakteristisch geformt sind, d. h. voneinander verschiedene Formen besitzen. Dieser Unterschied in der Form ist mehr als einfach eine Drehung eines Elements um seine Achse, wie zum Beispiel die oben erwähnte 180º-Drehung oder die ähnliche 180º-Drehung der würfeleckigen Elemente des US-Patents Nr. 4,588,258. Statt dessen kommt der Unterschied in der Form beispielsweise dadurch zustande, daß eine bestimmte Fläche eines Elements in einer Form keine Orthogonale bildet und die entsprechende Fläche in einer anderen Form eine Orthogonale bildet. Oder er kommt dadurch zustande, daß eine bestimmte Fläche in einer Form um einen anderen Betrag von der Orthogonalen abweicht als die entsprechende Fläche in einer anderen Form von der Orthogonalen abweicht. Die Vielzahl charakteristischer Formen ist deshalb möglich, weil es in einem Satz eine Vielzahl verschiedener Furchenseitenwinkel gibt, und/oder weil zwei oder alle drei Sätze mindestens einen Furchenseitenwinkel enthalten, der von anderen Furchenseitenwinkeln desselben Satzes verschieden ist. Vorzugsweise bilden mehrere oder im wesentlichen alle der Furchenseitenwinkel in einem sich wiederholenden Muster keine Orthogonale, und mehrere oder im wesentlichen alle der einzelnen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente in einer Unteranordnung unterscheiden sich in ihrer Form von anderen würfelekkigen rückstrahlenden Elementen in der Unteranordnung.
Die verschiedenen Formen sind auf die verschiedenen Furchenseitenwinkel zurückzuführen, und die mögliche Anzahl charakteristisch geformter oder einzigartiger würfeleckiger rückstrahlender Elemente (Nu) in einer Unteranordnung kann mit Hilfe der folgenden Formel ermittelt werden:
Nu = 2(mno)/F
wobei m, n und o die Anzahl von Furchen in dem zugrundeliegenden, sich wiederholenden Muster in den drei verschiedenen Sätzen von Furchen darstellen (siehe Fig. 3), und wobei F der größte einzelne ganzzahlige Faktor (der die Zahl "1" umfassen kann) ist, durch den jede der einzelnen Zahlen "m", "n" und "o" ohne Rest geteilt werden kann (es sei darauf hingewiesen, daß ein sich wiederholendes Muster aus vollständigen Furchen besteht). Der Ausdruck "möglich" wird verwendet, weil die mit Hilfe der Formel ermittelte vollständige Zahl der charakteristisch geformten Elemente nicht realisiert werden muß, wenn einige der Furchenseitenwinkel in einem sich wiederholenden Muster identisch sind.
Die mögliche Anzahl charakteristisch geformter würfeleckiger rückstrahlender Elemente ist vorzugsweise kleiner als die Gesamtzahl an Kombinationen, in denen m, n und o Furchen kombiniert werden könnten (errechnet durch Multiplikation von m, n und o, und dann durch Multiplikation des Multiplikationsprodukts mit 2, weil jede Furche zwei Seiten besitzt). Dieser bevorzugte Fall läßt sich anhand der folgenden zwei Beispiele veranschaulichen. Im ersten Fall ist m = 5, n = 6 und o = 7, und die errechnete Anzahl von Kombinationen, d. h. die Anzahl der verschiedenen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente, in denen die verschiedenen Furchenseitenwinkel kombiniert werden können, ist 420. Des weiteren ist bei dieser Anzahl von Furchen in dem sich wiederholenden Muster jede der Kombinationen verwirklicht. Das heißt, wie durch die obige Formel für die mögliche Anzahl bestätigt ist, gibt es möglicherweise 420 verschiedene würfeleckige rückstrahlende Elemente in der Unteranordnung.
Im zweiten Fall ist m = 6, n = 6 und o = 6, und die errechnete Anzahl von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen, zu der diese Anzahl von verschiedenen Furchen kombiniert werden kann, ist 432. Die mögliche Anzahl von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen ist jedoch 72, wie durch die obige Formel bestätigt wird.
Die Tatsache, daß im zweiten Fall nur 72 verschiedene würfeleckige rückstrahlende Elemente in einer Unteranordnung vorhanden sein können und nicht die 432 verschiedenen möglichen Kombinationen, ist von Vorteil, weil dies bei der Entwicklung des Gegenstandes eine gewisse Flexibilität bietet. Das heißt, der Konstrukteur kann aus den 432 verschiedenen möglichen würfeleckigen rückstrahlenden Elementen einen Satz von 72 Elementen wählen, der zur Erzielung des gewünschten Divergenzprofils verwendet werden soll. Im ersten Fall jedoch müßte er alle 420 verschiedenen möglichen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente in einer Unteranordnung von 420 Elementen verwenden, was dem erreichbaren Divergenzprofil gewisse Einschränkungen auferlegt.
Die Freiheit des Konstrukteurs, aus einer Gruppe verschiedener Kombinationen auszuwählen, läßt sich mit einem Konstruktionseffizienzfaktor angeben, der dadurch errechnet wird, daß man die Gesamtzahl der Flächenwinkel in einer Unteranordnung (gleich der Summe der Furchen entlang jeder der drei Achsen in einer Unteranordnung multipliziert mit zwei) durch die Gesamtzahl der einzigartigen würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in der Anordnung teilt und mit 100 multipliziert. Als Gleichung ausgedrückt, in der die Nomenklatur für die oben genannte Formel verwendet wird, ist die Beziehung folgende:
Konstruktionseffizienzfaktor = (2) (m+n+o) (100)/Nu.
Für den ersten obengenannten Fall ist der Konstruktionseffizienzfaktor = (2)(18)(100)/420 = 8,6%.
Für den zweiten beispielhaften Fall ist der Konstruktionseffizienzfaktor = (2)(18)(100)/72 = 50%.
Eine Vielzahl verschiedener Fälle ist in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt, und es wird gezeigt, wie ein hoher Konstruktionseffizienzfaktor, der wünschenswert ist, erreicht werden kann. Beste Ergebnisse werden mit einem Konstruktionseffizienzfaktor von mindestens 25 Prozent, und noch mehr bevorzugt von 50 oder 100 Prozent erzielt. TABELLE 1 Anzahl von Furchen Anzahl von Flächenwinkeln Insgesamt mögliche Kombinationen Anzahl Nu einzigartiger würfeleckiger rückstrahlender Elemente Konstruktionseffizienzfaktor (%)
Bei einigen Gegenständen der Erfindung ist die Anordnung aus würfeleckigen Elementen nicht voll gepackt; d. h. es besteht ein Abstand zwischen den Elementen. Beispielsweise kann ein Raum mit ebenen Flächen darin eingeschlossen sein, damit eine Lichtleitung durch den Gegenstand möglich ist, beispielsweise um das Licht von einer Fahrzeughecklampe direkt durch den Gegenstand hindurchzulassen. Oder es können Anordnungen hergestellt werden, in denen ein Teil der Anordnung, der vielleicht von einem würfeleckigen Element eingenommen wird, d. h. ein durch drei einander kreuzende Furchen umschlossener Bereich, von einem anderen Gebilde eingenommen wird. Die obigen Gleichungen gelten für Gegenstände, bei denen an allen Stellen zwischen drei einander kreuzenden Furchen Würfelecken vorhanden sind, und sie können modifiziert werden, wenn nur ein Teil der Oberfläche mit würfeleckigen Elementen versehen ist.
Jede Unteranordnung von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in einem erfindungsgemäßen Gegenstand ist vorzugsweise zu klein, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden, wenn sich das Auge in einer typischen Betrachtungsposition befindet, in der ein Betrachter den rückstrahlenden Gegenstand sieht. Im allgemeinen heißt es, daß dann, wenn der Gegenstand nicht wahrnehmbar sein soll, ein charakteristischer Teil einer Oberfläche nicht mehr als einen Bogen von etwa 1 Milliradiant des Gesichtsfeldes eines Betrachters einschließen soll. Da der Beobachtungsabstand für rückstrahlende Gegenstände der Erfindung normalerweise bekannt ist und beispielsweise der Mindestabstand sein kann, aus dem ein Verkehrszeichen zu sehen ist, läßt sich die Wahrnehmungsgröße für eine Unteranordnung eines rückstrahlenden Gegenstandes der Erfindung leicht ermitteln. Die meisten über Kopf angebrachten Verkehrszeichen werden aus einer Entfernung von mindestens 30 Metern (100 Fuß) betrachtet, die meisten am Straßenrand angebrachten Verkehrszeichen aus einer Entfernung von mindestens 15 Metern (50 Fuß), und die meisten Fahrzeugnummernschilder aus einer Entfernung von mindestens 6 Metern (20 Fuß), was bedeutet, daß Unteranordnungen mit Längenabmessungen von nicht mehr als 3,2 cm (1,25 Zoll) bzw. 1,6 cm (0,625 Zoll) bzw. 0,6 cm (0,25 Zoll) auf solchen Verkehrszeichen oder Schildern nicht wahrnehmbar sind. Da die erfindungsgemäßen Gegenstände im allgemeinen Hunderte von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen pro Quadratzentimeter (Tausende pro Quadratzoll) enthalten, und eine Unteranordnung im allgemeinen nur ein paar hundert Elemente umfaßt, können die Unteranordnungen sehr klein und unmöglich wahrnehmbar sein. Sehr oft haben die Unteranordnungen keine Längenabmessung von mehr als etwa 0,5 oder 1 cm.
Die Wahrnehmung einzelner Unteranordnungen wird weiter dadurch verhindert, daß zwischen den Unteranordnungen ein sehr geringer optischer Kontrast besteht, und daß eine Unteranordnung innerhalb desselben Gegenstandes verschiedene Formen annehmen kann. Dies ist in Fig. 5 veranschaulicht, die ein Muster von Furchen in einem Gegenstand der Erfindung zeigt, bei dem in einem Satz Furchen ein sich wiederholendes Muster a-b-c-a-b-c verwendet wird, in einem zweiten Satz Furchen ein Muster d-e-f-d-e-f und in einem dritten Satz Furchen ein Muster g-h-i-g-h-i-g. Die verschiedenen würfeleckigen Elemente der Anordnung, d. h. die Dreieckformen, sind jeweils mit einer Zahl gekennzeichnet; dieselbe Zahl wird für würfeleckige Elemente verwendet, die durch dieselbe Kombination von Furchen gekennzeichnet sind. Die Zahl 1 wird also für würfeleckige Elemente verwendet, die durch die Furchen a, i und e gekennzeichnet sind. Die normale Konfiguration einer Unteranordnung wäre ein Parallelogramm, wie es mit A in Fig. 5 gekennzeichnet ist, es sei aber darauf hingewiesen, daß es andere Konturen für einen vollständigen Satz von würfeleckigen Elementen einer Unteranordnung gibt, das heißt die Polygone B, C, D und E umschließen dieselben Elemente wie das Polygon A. Die Augen eines Betrachters neigen möglicherweise dazu, eine bestimmte Unteranordnung herauszuisolieren, da diese Unteranordnung eine Vielzahl verschiedener Formen in demselben Gegenstand besitzt.
Die einzelnen Furchenseitenwinkel in jedem sich wiederholenden Muster können so gewählt sein, daß Orthogonalität entsteht oder nicht, auch wenn, wie bereits erwähnt, mindestens ein Furchenseitenwinkel in mindestens einem Satz vorhanden sein wird, der sich von einem anderen Furchenseitenwinkel in dem Satz unterscheidet, was bedeutet, daß mindestens ein Furchenseitenwinkel in dem Satz vorhanden sein muß, der keine Orthogonale bildet. Der Grad des Überschreitens oder Unterschreitens eines Winkels, bei dem eine Orthogonale gebildet wird, beträgt im allgemeinen ein paar Bogenminuten, d. h. etwa 15-30 Bogenminuten oder weniger, wenngleich auch größere Abweichungen verwendet werden können. Die zum Erreichen eines orthogonalen würfeleckigen rückstrahlenden Elements erforderlichen Flächenwinkel werden durch die Form des Dreiecks festgelegt, das durch die einander kreuzenden Sätze von Furchen gebildet wird, d. h. durch die Grundebene der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente. Vorzugsweise erhält man die gewählten Furchenseitenwinkel in der Vorrichtung, in der die erfindungsgemäßen Gegenstände geformt werden, auf innerhalb plus/minus etwa eine halbe Bogenminute, und noch mehr bevorzugt auf plus/minus ein Viertel Bogenminute. Während der Formgebung kann es noch zu einer weiteren Abweichung kommen, wenngleich vorzugsweise die Abweichung während des Formvorgangs nicht mehr als zwei oder drei Bogenminuten beträgt, noch mehr bevorzugt nicht mehr als ein oder zwei Bogenminuten.
Die Erfindung kann mit würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in einem weiten Bereich an Größen durchgeführt werden. Größere Größen sind von Vorteil, wenn es gewünscht wird, die Beugungseffekte zu minimieren. Kleinere Größen können wünschenswert sein, um eine dünne flexible Folie herzustellen. Für den letzteren Fall werden die würfeleckigen rückstrahlenden Elemente im allgemeinen durch Furchen begrenzt, die nicht mehr als etwa einen Millimeter und vorzugsweise nicht mehr als etwa einen halben Millimeter voneinander beabstandet sind, wo es Hunderte von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen pro Quadratzentimeter geben wird. Um eine genaue Formung eines Divergenz- oder Beobachtungsprofils des von einem erfindungsgemäßen Gegenstand zurückgestrahlten Lichts zu erreichen, werden würfeleckige Elemente vorzugsweise so gewählt, daß der(die) von diesem Element zurückgestrahlte(n) Lichtstrahl(en) ein schmales Divergenzprofil besitzt(besitzen), wie es beispielsweise dadurch erreicht werden kann, daß man Fehler in den Flächenwinkeln vermeidet und würfeleckige Elemente von ausreichender Größe verwendet.
Wie oben angegeben, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß beim Schneiden einer V-förmigen Furche alle entlang jeder Seite der Furche erzeugten Flächen genau denselben Winkel besitzen. Ebendieser Flächenwinkel kann ganz genau jedesmal dann erzielt werden, wenn das Schneidwerkzeug umgeschaltet wird, um noch einmal dieselbe Furche auszubilden. Diese Präzision bei der Formung identischer würfelekkiger rückstrahlender Elemente ermöglicht eine genaue Überlappung der von jedem würfeleckigen rückstrahlenden Element zurückgestrahlten Lichtmuster, und minimiert daher die Divergenz bzw. Diskrepanz zwischen würfeleckigen Elementen mit demselben optischen Aufbau. Eine solche interaktive Präzision trägt zum kontrollierten Einsatz von Licht bei, so daß Licht nur in beabsichtigten Winkeln ausgesandt wird.
Vorzugsweise verlaufen die die konfigurierte Oberfläche eines rückstrahlenden Gegenstandes der Erfindung bildenden Furchen kontinuierlich über eine Vielzahl von Unteranordnungen, wobei die vielen einzelnen Unteranordnungen durch das sich wiederholende Muster der Furchen geschaffen werden. Solche kontinuierlichen Furchen kontrastieren mit der Ausbildung einzelner Stifte, von denen jeder die Form eines einzelnen würfeleckigen rückstrahlenden Elements besitzt, wie es bei großen würfeleckigen rückstrahlenden Elementen verwendet wird (siehe Heenan, US-Patent Nr. 3,833,285), und sie kontrastieren auch mit dem im US-Patent Nr. 4,243,618 (Van Arnam) gelehrten Verfahren, bei dem eine Anordnung aus Zonen unterschiedlich ausgerichteter würfeleckiger rückstrahlender Elemente hergestellt wird, indem eine durch ein Bündel von Stiften gebildete ebene Oberfläche mit Nuten versehen wird, das Bündel dann gelockert wird, die Stifte gedreht werden, und das Bündel wieder zusammengesetzt wird. Die Verwendung kontinuierlicher Furchen wird bevorzugt, weil sie praktischer sind, und das Schneiden der Furchen weniger kostspielig ist, und weil ein Aufbrechen und ein Verlust des Reflexionsvermögens an den Grenzen zwischen den Furchen vermieden werden. Ein sich wiederholendes Muster kontinuierlicher Furchen, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ohne Herstellung eigener Stifte zu Unteranordnungen führen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch mit rückstrahlenden Gegenständen durchgeführt werden, die mit einer Vorrichtung hergestellt sind, die durch Ausbildung von Furchen in einer aus einem Bündel einzelner Stifte gebildeten ebenen Oberfläche hergestellt ist, und indem die Stifte dann gedreht werden, um die den Stiften eingeschriebene Ausrichtung der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente zu variieren. Im allgemeinen ist der durch einen Stift gebildete Teil der ebenen Oberfläche mindestens so groß wie die Fläche einer Unteranordnung.
Wie aus den typischen Mustern der Fig. 3 und 4 zu sehen ist, besteht eine praktische Art der Änderung des Winkels einer Furchenseite darin, ein V-förmiges Werkzeug wie zum Beispiel ein Werkzeug mit einer Diamantenspitze, das verwendet wird, um die Matrize zu schneiden, aus der ein erfindungsgemäßer Gegenstand letztendlich hergestellt wird, um 180º zu drehen. In der Tat haben viele Furchen in den in Fig. 3 und 4 gezeigten Sätzen von Furchen Querschnittsformen, die einfach um 180º gegeneinander gedreht sind. Die Abweichung von der Orthogonalen bei einer Furche kann ebenfalls dadurch erreicht werden, daß man ein V-förmiges Werkzeug wie zum Beispiel ein mit einer Diamantenspitze versehenes Werkzeug, das zur Ausbildung einer Furche verwendet wird, neigt oder versetzt. Das gleiche Werkzeug kann auch verwendet werden, um mehr als einen Satz von Furchen zu schneiden.
Wie oben erläutert, wird von jedem charakteristisch geformten würfeleckigen rückstrahlenden Element das auf dieses Element einfallende Licht in einem charakteristisch geformten Muster oder Feld ausgerichtet, d. h. in einem Muster oder Feld, das anders geformt ist als die von den würfelekkigen rückstrahlenden Elementen einer anderen Form erzeugten Muster oder Felder. Das von einer bestimmten Elementform erzeugte Feld kann empirisch bestimmt werden, oder es kann durch Computerprojektionen mit Hilfe einer Kombination aus geometrischer Optik (d. h. Strahldurchrechnung) und Beugungsoptik bestimmt werden. Die geometrische Optik bzw. Strahldurchrechnung wurde im allgemeinen verwendet, um den Strahlengang von zurückgestrahltem Licht, das aus einem nichtorthogonalen, würfeleckigen rückstrahlenden Element austritt, vorherzusagen, und um dementsprechend die Lage eines Punktes auf einer ebenen Fläche, auf der der Strahl abgefangen wird, vorherzusagen. Eine solche Strahldurchrechnung reicht jedoch nicht aus, um die Größe und Kontur des von nichtorthogonalen, würfeleckigen rückstrahlenden Elementen, bei denen die Flächen um wenige Bogenminuten von der Orthogonalen abweichen, erzeugten Lichtverteilungsfeldes genau anzugeben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Neigung von einer oder mehreren Flächen eines würfelekkigen rückstrahlenden Elementes aus seinem eine Orthogonale erzeugenden Winkel heraus ein Element, bei dem die sechs Unteröffnungen innerhalb der Austrittsöffnung des Elements in der Tat als eine einzige optische Öffnung wirken, in ein Element umwandelt, bei dem die sechs Unteröffnungen unabhängig voneinander wirken und eine spezielle Phasenbeziehung zueinander besitzen. Die Phasenbeziehung zwischen den Unteröffnungen hat einen starken Einfluß auf das Divergenzprofil. Dieser Effekt kann nach einem Verfahren wie der Fourier-Analyse errechnet werden, bei der die Amplituden und die Phasenbeziehungen innerhalb der Austrittsöffnung berücksichtigt werden; siehe CSC/TM-77/6054, Description of the Cube Corner Retroreflector Modeling Programs (Solid and Hollow) For Calculating Far-Field Diffraction Patterns, J.G. Kirk, Februar 1977, erstellt für die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde, Goddard Raumflug-Center, Vertrag NAS 5-11999, Auftrags-Nr. 842.
Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Folienmaterial ist von dem im US-Patent Nr. 4,588,258 (auf das hier Bezug genommen wird) beschriebenen Typ, wo die optischen Achsen der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente aus dem rechten Winkel mit der Vorderseite des Folienmaterials weggeneigt sind. Diese Neigung ist anders als die bei der vorliegenden Erfindung vorgesehene leichte Neigung der einzelnen Furchenseiten weg von den eine Orthogonale bildenden Winkeln: nach der Lehre des US-Patents Nr. 4,588,258 ist ein ganzes würfeleckiges Element geneigt, wobei die einzelnen Seiten des Elements während der Neigung ihre relative Position zueinander beibehalten; die Flächenwinkel in dem Element können auch nach der Neigung gemäß US-Patent Nr. 4,588,258 weiterhin 90º betragen. Bei der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine oder mehrere Furchenseiten in einem oder in mehreren Sätzen von Furchen aus der Position herausgeneigt, bei der alle Flächenwinkel von 90º in dem würfeleckigen Element gebildet werden, um auf diese Weise nichtorthogonale würfeleckige rückstrahlende Elemente zu bilden. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind bei einem Folienmaterial des im US-Patent Nr. 4,588,258 gelehrten Typs die würfeleckigen rückstrahlenden Elemente paarweise angeordnet, wobei jedes Element des Paares um 180º gegenüber dem anderen Element gedreht ist. Wie außerdem in Fig. 1 gezeigt, ist die Bodenebene eines würfeleckigen rückstrahlenden Elements in dem Folienmaterial gemäß dem US-Patent Nr. 4,588,258 (was der Austrittsöffnung des Elements entspricht) ein gleichschenkliges Dreieck; typische Winkel in einem solchen Dreieck sind 70º, 55º und 55º.
Die Erfindung ist auch bei rückstrahlenden Gegenständen von Nutzen, bei denen die würfeleckigen rückstrahlenden Elemente nicht so geneigt sind wie im US-Patent Nr. 4,588,258, sondern bei dem die optischen Achsen weiterhin senkrecht zur Vorderseite des Folienmaterials verlaufen. Bei einem solchen würfeleckigen rückstrahlenden Element ist die Bodenebene ein gleichseitiges Dreieck.
Obwohl der in Fig. 1 und 2 dargestellte rückstrahlende Gegenstand der Erfindung ein Folienmaterial ist, und vorzugsweise ein flexibles Folienmaterial, das zu einer Vorratsrolle aufgewickelt werden kann, ist die Erfindung auch bei anderen rückstrahlenden Gegenständen von Nutzen. Letztere sind beispielsweise starre Platten oder Reflektorkörper, wie sie für die am Heck von Fahrzeugen angebrachten Reflektoren verwendet werden, oder erhabene Fahrbahnmarkierungen, wie sie auf eine Straßenoberfläche aufgeklebt werden, um Fahrspuren zu begrenzen, und wo auf den Seitenflächen der Markierungen würfeleckige rückstrahlende Elemente aufgebracht sind, um das Licht von den Scheinwerfern der auf der Straße fahrenden Fahrzeuge zu reflektieren.
Rückstrahlende Gegenstände gemäß der Erfindung werden im allgemeinen mit Hilfe einer Vorrichtung hergestellt, die man dadurch erhält, daß man zunächst eine Platte einritzt (siehe Stamm, US-Patent 3,712,706, Spalte 17, Zeile 25 bis Spalte 21, Zeile 44), um ein Furchenmuster zu bilden, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Die mit Furchen versehene Platte wird dann als Matrize verwendet, z. B. bei Elektroformverfahren, um eine Form herzustellen, aus der ein erfindungsgemäßer Gegenstand gegossen, geprägt oder sonstwie geformt werden kann. Zur Herstellung des Gegenstandes kann eine Vielzahl transparenter Materialien verwendet werden, im allgemeinen organische polymere Materialien, wie zum Beispiel thermoplastische Polymere auf Acrylatbasis, insbesondere schlagzäh gemachte Versionen davon, Polycarbonate, Vinylpolymere, Celluloseacetatbutyrate und Polyurethane oder reaktionsfähige Polymersysteme wie sie im US-Patent Nr. 4,576,850 (Martens) oder im US-Patent Nr. 4,582,885 gelehrt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel veranschaulicht ein Verfahren, mit dem ein gewünschtes Divergenzprofil für einen rückstrahlenden Gegenstand der Erfindung ermittelt werden kann, und wird anhand der Fig. 6-9 erläutert. In Fig. 6A sind in einer vertikalen Ebene die relativen Positionen eines auf einer Straße fahrenden Fahrzeugs 20, eines über der Fahrbahn in einer möglichen typischen Position montierten Verkehrszeichens 21 und der Augen 22 des Fahrers des Fahrzeugs schematisch dargestellt. Die vertikale Komponente des Eintrittswinkels (d. h. die Projektion des Eintrittswinkels auf eine vertikale Ebene) von Licht, das sich von den Scheinwerfern des Fahrzeugs (VR) kommend auf der Beleuchtungsachse 23 bewegt, und die vertikale Komponente des Beobachtungswinkels für den Fahrer (Vα) sind dargestellt, ebenso wie der Abstand D zwischen den Scheinwerfern des Fahrzeugs und dem Verkehrszeichen, der Abstand d zwischen den Scheinwerfern und den Augen des Fahrers, der Abstand H zwischen den Scheinwerfern und der Mitte des Verkehrszeichens, und der Abstand h zwischen den Scheinwerfern und den Augen des Fahrers. Die vertikale Komponente des Beobachtungswinkels Vα wird durch die folgende Formel angegeben:
Vα = arctan [(D + d)/(H - h)] - (arctan D/H).
Fig. 6B zeigt in einer horizontalen Ebene die relative Lage des Fahrzeugs, des Fahrers und des Verkehrszeichens, und sie zeigt die horizontale Komponente des Beobachtungswinkels für den rechten Scheinwerfer des Fahrzeugs (HαR) und die horizontale Komponente für den linken Scheinwerfer (HαL). Der Abstand zwischen dem Fahrer und dem rechten bzw. linken Scheinwerfer ist durch xR bzw. xL dargestellt. Die Werte für die horizontalen Komponenten des Beobachtungswinkels erhält man aus den folgenden Gleichungen, die vereinfacht sind, indem die Verschiebung des Fahrers von der Bezugsachse des Verkehrszeichens vernachlässigt ist:
HαR = arctan (xR/D)
HαL = arctan (xL/D).
Mit Hilfe der obigen Gleichungen und bei Annahme eines Wertes von 19,4 Fuß für H, 8,5 Fuß für d, 2,5 Fuß für h, 2,75 Fuß für xR und 0,75 Fuß für xL sind die Werte für Vα und HαR und HαL für die verschiedenen Abstände D in der folgenden Tabelle dargestellt:

TABELLE II

H = 19,4' (21,5-2,1)
h = 2,5'
d = 8,5'
XR = 2,75'
XL = 0,75' (Fuß) (Grad)
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der in Tabelle II aufgeführten Werte, wobei die horizontale Komponente des Beobachtungswinkels für den rechten Scheinwerfer auf der Abszisse links vom Ursprung, die horizontale Komponente des Beobachtungswinkels für den linken Scheinwerfer auf der Abszisse rechts vom Ursprung, und die vertikale Komponente des Beobachtungswinkels auf der Ordinate aufgetragen ist. Die durchgehende Linie in dem linken oberen Quadranten zeigt die verschiedenen Beobachtungswinkel des Fahrers für zurückgestrahltes Licht des rechten Scheinwerfers in verschiedenen Abständen D, und sie stellt daher das gewünschte Divergenzprofil für das von dem Verkehrszeichen zurückgestrahlte Licht des rechten Scheinwerfers dar. Dementsprechend stellt die gestrichelte Linie in dem rechten oberen Quadranten das gewünschte Divergenzprofil für das von dem Verkehrszeichen zurückgestrahlte Licht des linken Scheinwerfers dar. Auf beiden Kurven geben die Punkte q, r, s, t und u jeweils den Abstand von 2,000 Fuß, 1.500 Fuß, 1.000 Fuß, 500 Fuß und 250 Fuß an.
Fig. 7 beschreibt also ein ideales Divergenz- oder Beobachtungsprofil für Licht, das in der in Fig. 6 gezeigten Situation von dem Verkehrszeichen 21 zurückgestrahlt wird. Weil in Wirklichkeit keine idealen Bedingungen herrschen (z. B. weil sich ein Fahrzeug in etwas anderen Positionen auf einer Fahrspur befindet, die Fahrer unterschiedlich hoch sitzen, etc.) ist eigentlich ein breiteres Profil, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 dargestellt ist, mehr erwünscht. Das in strichpunktierten Linien angedeutete Profil umfaßt auch einen Bereich zwischen der durchgehenden Linie und der gestrichelten Linie, weil einige Fahrzeuge wie zum Beispiel Motorräder nur einen Scheinwerfer besitzen, und weil in einigen Fahrzeugen wie Bussen oder LkWs der Fahrer höher über den Scheinwerfern sitzt als oben angenommen.
Ein Profil wie es in strichpunktierten Linien in Fig. 7 dargestellt ist, läßt sich bei dem rückstrahlenden Gegenstand der Erfindung erreichen, bei dem die Unteranordnungen aus acht würfeleckigen Elementen bestehende Anordnungen sind; d. h. es gibt acht charakteristisch geformte würfelekkige Elemente in der Anordnung. Eine typische Anordnung dieser Art ist schematisch in Fig. 8 und der nachstehenden Tabelle III beschrieben, wo der Grad der Abweichung der Flächenwinkel der einzelnen würfeleckigen Elemente von dem eine Orthogonale bildenden Winkel aufgeführt ist (in diesem Fall, wo drei Sätze von parallelen Furchen einander im Winkel von 60º kreuzen und die Bodenebene der einzelnen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente daher ein gleichseitiges Dreieck ist, würde eine Orthogonalität erreicht werden, wenn alle Furchenseitenwinkel 35,264º betragen). Flächen, die im gleichen Furchenseitenwinkel oder Flächenwinkel angeordnet sind, sind mit identischen Buchstaben gekennzeichnet.

TABELLE III

a = -0,058º
b = -0,145º
c = -0,058º
d = -0,291º
e = -0,291º
f = -0,058º
g = 0,145º
h = -0,058º
i = +0,145º
j = -0,058º
k = +0,145º
l = +0,058º
Wenn Licht entlang der Bezugsachse auf Folienmaterial der Erfindung mit den oben beschriebenen Winkeln gerichtet wird, hat das zurückgestrahlte Licht ein Profil, wie es allgemein durch die strichpunktierte Linie von Fig. 7 dargestellt ist; d. h. wenn das zurückgestrahlte Licht auf eine zur Bezugsachse senkrechte, ebene Fläche auftrifft, wird es die ebene Fläche in einem durch die strichpunktierte Linie angegebenen Muster erleuchten. Dies ist in Fig. 9 dargestellt, die das Muster von Lichtpunkten oder Lichtstrahlen zeigt, die von den verschiedenen Flächen der würfeleckigen Elemente der in Fig. 8 gezeigten Anordnung ausgeschickt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn Flächen der würfeleckigen Elemente von den eine Orthogonale bildenden Winkeln wegbewegt werden, um einen Lichtstrahl mit dem in strichpunktierten Linien dargestellten Profil von Fig. 7 zu bilden, wird ein gleicher, gegenüber dem gewünschten Strahl um 180º gedrehter Strahl erzeugt, was bedeutet, daß die gesamte Rückstrahlung von dem Gegenstand die in Fig. 9 gezeigte Form bzw. das in Fig. 9 gezeigte Divergenzprofil besitzen wird, was wir als Form eines "Hundeknochens" bezeichnet haben. Die untere Hälfte des Hundeknochens kann effektiv vernachlässigt werden, da im allgemeinen kein Fahrer sich in einer Position befinden wird, in der er diesen Teil des Musters sieht.
Es sei darauf hingewiesen, daß der rückstrahlende Gegenstand das Licht innerhalb des Profils nicht gleichmäßig verteilen muß und dies wünschenswerterweise oft auch nicht tut. Da beispielsweise die Fläche innerhalb des Profils um den Punkt q in Fig. 7 das Licht darstellt, das ein Fahrer sieht, wenn er sich in einem großen Abstand befindet (2.000 Fuß), und da die Stärke des von in diesem Abstand befindlichen Scheinwerfern auf ein Verkehrszeichen auftreffenden Lichts geringer ist als die Stärke von Licht, das aus kürzeren Abständen auf das Verkehrszeichen auftrifft, richtet der Gegenstand dieses Beispiels einen größeren Teil des zurückgestrahlten Lichts in diesen Teil des Profils. Dies ist in Fig. 9 durch eine stärkere Tüpfelung in jenen Kreisen dargestellt, in denen mehrere Flächen von würfeleckigen Elementen Lichtstrahlen reflektieren. Die Flecken sind schematisch dargestellt, da Kreise den von einer Fläche ausgehenden Lichtstrahl darstellen sollen; die Größe des Kreises ist so gewählt, daß sie den Großteil des Lichts innerhalb der glockenförmigen Lichtverteilung in jedem Strahl darstellt.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt die Verbesserung in der Rotationssymmetrie, die die Erfindung in dem Muster des von einem würfeleckigen rückstrahlenden Gegenstand zurückgestrahlten Lichts ermöglicht. Zu Vergleichszwecken wurde eine Polycarbonatfolie wie sie in Hoopman, US-Patent Nr. 4,588,258 beschrieben ist, d. h. wo die optischen Achsen der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente so geneigt sind, wie es in diesem Patent gelehrt wird, um den Eintrittswinkel zu vergrößern, aus einer durch Elektroformverfahren aus einer mit Furchen versehenen Matrize hergestellten Nickelform hergestellt. Alle würfeleckigen Elemente in der Folie waren orthogonal und hatten dieselbe Form. Insbesondere wurden für die Winkel der Furchen Werte von 88,887º, 60,640º und 60,640º angestrebt (wobei die Furchenseitenwinkel halb so groß waren wie die Furchenwinkel). Die Bodenebene für die Folie hatte Winkel von 70º, 55º und 55º, und die angegebenen Winkel sind die Winkel, die mit solchen dreieckigen Bodenebenen eine Orthogonalität erzeugen. Der Abstand zwischen den 88,887º-Furchen betrug 0,013948 Zoll, und der Abstand zwischen den 60,640º-Furchen betrug 0,016 Zoll.
Rückstrahlendes Folienmaterial der Erfindung wurde in genau der gleichen Weise hergestellt wie das zu Vergleichszwecken herangezogene Folienmaterial, außer daß die Furchenseitenwinkel von den eine Orthogonale bildenden Winkeln der Vergleichsfolie bei einem Furchenmuster, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, verändert wurden. Die Winkel a-f wurden so gewählt, daß sie von den eine Orthogonale bildenden Winkeln um den folgenden Betrag in Bogenminuten verschieden waren:
a = +2,3
b = -5
c = +2,3
d = +2,3
e = +2,3
f = -5
In Tabelle IV unten ist die maximale und minimale Rückstrahlungsstärke angegeben, gemessen an der rückstrahlenden Folie aus dem Beispiel und an der Vergleichsfolie für verschiedene Darstellungs- und Beobachtungswinkel. Außerdem ist der Unterschied zwischen der maximalen und minimalen Stärke und der Prozentsatz dieses Unterschieds in bezug auf die maximale Stärke angegeben. TABELLE IV Vergleichsprofile Beobachtungswinkel Rückstrahlungsstärke bei versch. Darstellungswinkeln Verhältnis Delta/Max. ERFINDUNGSGEMÄSSE FOLIE Beobachtungswinkel Rückstrahlungsstärke bei versch. Darstellungswinkeln Verhältnis Delta/Max.
Wie man sieht, sind die Unterschiede der Rückstrahlungsintensität bei den verschiedenen Darstellungswinkeln bei der erfindungsgemäßen Folie stark vermindert.
Die Unterschiede in der Rückstrahlungshelligkeit sind in Fig. 10-13 graphisch dargestellt, wo jeweils die Konturen der Iso-Intensität (Fig. 10 und 12) und ein radiales Divergenzprofil (Fig. 11 und 13) dargestellt sind. Die Fig. 10 und 11 zeigen die Ergebnisse für die Vergleichsfolie, und die Fig. 12 und 13 zeigen die Ergebnisse für die Folie aus dem Beispiel.
Die Vorteile dieser Erfindung lassen sich auch mit kleineren würfeleckigen Elementen erzielen als sie in diesem Beispiel 2 verwendet werden. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen den Furchen von Beispiel 2 um einen Faktor 2 vermindert wird (d. h. der Abstand ist halb so groß wie der vorige Abstand) und der Betrag, um den die einzelnen Winkel in dem sich wiederholenden Muster von der Orthogonalen abweichen, um einen Faktor 2 vergrößert wird, haben wir immer noch dieselben relativen Lichtmuster und dieselbe Symmetrie wie in Beispiel 2; außerdem hat eine solche Folie ein breiteres Divergenzprofil, d. h. sie ist unter größeren Beobachtungswinkeln zu sehen, obwohl die Helligkeit bei kleineren Beobachtungswinkeln etwas reduziert ist. Im allgemeinen werden bei einigen Gegenständen, die von besonderem Interesse sind, Furchen verwendet, wo der Abstand 1/p des Abstands von Beispiel 2 beträgt, und wo die Winkel von den eine Orthogonale bildenden Winkeln um das p-fache des in Beispiel 2 verwendeten Betrags abweichen, wobei p vorzugsweise zwischen 2 und 2,67 liegt.

Einleitung zu Beispiel 3 und 4

Die nächsten beiden Beispiele veranschaulichen die Vorteile, die die Erfindung in bezug auf ein anderes Problem von würfeleckigen rückstrahlenden Gegenständen bietet, nämlich ihre Empfindlichkeit gegenüber einem Verlust der Rückstrahlungshelligkeit bei einer Änderung der Abmessungen des Gegenstandes. Würfeleckige rückstrahlende Elemente sind nur wirksam, wenn sie präzise konfiguriert sind, und geringe Änderungen der Form, zum Beispiel während der täglichen Temperaturschwankungen, die in einem an der Straße montierten Verkehrszeichen auftreten, oder beim Abkühlen eines neu geformten würfeleckigen rückstrahlenden Gegenstandes, können die Intensität der Rückstrahlung von dem Gegenstand stark verändern. In bevorzugten Gegenständen der Erfindung umfaßt mindestens einer der Sätze von Furchen mindestens einen Furchenseitenwinkel, der größer ist als der für die Orthogonalität der würfeleckigen Elemente erforderliche Winkel, und mindestens einen Furchenseitenwinkel, der kleiner ist als der für die Orthogonalität erforderliche Winkel. Gegenstände mit einem solchen Furchenmuster haben sich als weniger empfindlich gegenüber einer Änderung der Rückstrahlungseigenschaften durch Änderungen in den Abmessungen des Gegenstandes erwiesen. Offensichtlich bewirkt eine Änderung in den Abmessungen des rückstrahlenden Gegenstandes, daß sich mindestens ein Furchenseitenwinkel dem zum Erreichen der Orthogonalität erforderlichen Winkel annähert, um auf diese Weise einen Verlust der Orthogonalität von anderen Furchenseitenwinkeln auszugleichen.

Beispiel 3

Nachweis einer verbesserten Fehlertoleranz (oder stabileren Reaktion auf Änderungen in der Herstellungs- bzw. Prägetemperatur)

Zwei durch Elektroformverfahren aus einer mit Furchen versehenen Matrize hergestellte Nickelformen wurden verwendet, um Kunststoffolien bei zwei verschiedenen Prägetemperaturen zu prägen. Es wurde festgestellt, daß verschiedene Prägetemperaturen Folienmaterialien mit unterschiedlicher Rückstrahlungshelligkeit ergeben, offensichtlich weil die Form der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente durch die unterschiedlichen Temperaturen beeinflußt wird.
Form Nr. 1 wurde zu Vergleichszwecken verwendet und enthielt eine Anordnung von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen, die nominell alle dieselbe Geometrie besaßen (wie die im US-Patent Nr. 4,588,258 beschriebene), bei Furchenwinkeln von 88,792º, 60,585º und 60,540º, halb so großen Furchenseitenwinkeln und einem Abstand zwischen den Furchen von 0,016 Zoll für die 88,792º-Furchen und 0,013948 Zoll für die 60,585º-Furchen. Form Nr. 2 war für die Herstellung von erfindungsgemäßem Folienmaterial ausgelegt und enthielt eine Anordnung von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen, die mit denen der Form Nr. 1 in Größe und Geometrie identisch waren, aber durch einander kreuzende Sätze von Furchen mit sich wiederholenden Mustern im allgemeinen wie die von Fig. 3 gekennzeichnet waren; die Muster waren identisch mit denen von Fig. 3, außer daß in dem Furchensatz "m" die Winkel "a" und "b" durch "g" und "h" ersetzt waren; in Tabelle V unten sind die Abweichungen von den eine orthogonale bildenden Winkeln in Bogenminuten für jeden der Furchenseitenwinkel angegeben.

TABELLE V

a = -4,6
b = +2,6
c = +2,0
d = +2,0
e = -5,3
f = +2,0
g = -3,8
h = +3,4
Die Form Nr. 1 hatte eine Musterfläche von 11,25 Zoll · 11 Zoll und eine Dicke von 0,0249 Zoll; die Form Nr. 2 hatte eine Musterfläche von 11,5 Zoll mal 11,5 Zoll und eine Dicke von 0,0237 Zoll.
Die verwendete Kunststoffolie war eine Acrylfolie mit den Maßen 10,5 Zoll · 10,5 Zoll · 0,030 Zoll (Kunstharz Plexiglas DR von der Rohm and Haas Corporation). Vor dem Formen wurde die Kunststoffolie auf das Formmuster gelegt und nacheinander mit einer 11 Zoll · 11 Zoll · 0,004 Zoll messenden Polyesterfolie, einer 12,5 Zoll · 13 Zoll · 0,051 Zoll messenden Chromplatte und einem 16 Zoll · 16 Zoll · 0,034 Zoll messenden Karton unterlegt. Die Form wurde mit einer zweiten 12,5 Zoll · 13 Zoll · 0,051 Zoll messenden Chromplatte unterlegt. Das entstehende Sandwich wurde dann in eine ölbeheizte Druckpresse gelegt, wobei der Karton an der oberen Platte anlag. Die Presse wurde mit einer Kraft von 10.000 lb. geschlossen und auf die gewünschte Prägetemperatur aufgeheizt. Sobald diese Temperatur erreicht war, wurde die Kraft auf 100.000 lb. erhöht, und die Temperatur wurde 20 Sekunden gehalten. Danach wurde das Sandwich unter der hohen Kraft abgekühlt, bis die Druckplattentemperatur 160ºF erreichte. An dieser Stelle wurde die Presse geöffnet, und das Sandwich wurde herausgenommen. Als die Oberflächentemperatur der unteren Chromplatte 110ºF erreichte, wurde das Sandwich geöffnet, und das geprägte würfeleckige rückstrahlende Folienmaterial wurde aus der Form genommen. Jede Form wurde zum Prägen von Folienmaterial bei Temperaturen von 300ºF und 380ºF verwendet, so daß man vier Folienmaterialien erhielt.
Die Rückstrahlungshelligkeit von jedem Folienmaterial in einer Fläche von 1 Zoll Durchmesser wurde mit einem ähnlichen Retroluminometer wie es in der amerikanischen Vorbeugungs-Veröffentlichung Nr. T987,003 beschrieben ist bei einem Eintrittswinkel von -4º und einem konstanten Drehwinkel über einen Bereich von Darstellungswinkeln von 15º-360º und bei Beobachtungswinkeln von 0,2º und 0,5º gemessen. Die gemessenen Helligkeiten in Candela/Lux/Quadratmeter im Vergleich zum Darstellungswinkel (in Grad) sind in Tabelle VI angegeben. TABELLE VI Rückstrahlungshelligkeiten bei Beobachtungswinkeln von 0,2º und 0,5º für verschiedenen Folien, die auf Form Nr. 1 bei verschiedenen Prägetemperaturen geprägt wurden 380º Prägetemperatur Darstellungswinkel Beobachtungswinkel 0,2º TABELLE VI (Forts.) Rückstrahlungshelligkeiten bei Beobachtungswinkeln von 0,2º und 0,5º für verschiedenen Folien, die auf Form Nr. 2 bei verschiedenen Prägetemperaturen geprägt wurden 380º Prägetemperatur Darstellungswinkel Beobachtungswinkel 0,2º
Der absolute, prozentuale Helligkeitsunterschied zwischen den bei den zwei verschiedenen Prägetemperaturen von 300ºF und 380ºF hergestellten Folienmaterialien wurde dann für jeden gemessenen Darstellungswinkel für jede Form bei jedem Beobachtungswinkel errechnet und ist in Tabelle VII angegeben. TABELLE VII Prozentualer Unterschied in der Rückstrahlungshelligkeit zwischen den bei verschiedenen Temperaturen geprägten Folien für Form Nr. 1 und Nr. 2 Form Nr. 1 Darstellungswinkel (Grad) Beobachtungswinkel 0,2º (Prozent)
Aus den obigen Werten wurden die durchschnittliche Änderung, die herkömmliche Änderungsabweichung und die 95% -Vertrauensgrenze für den Durchschnitt (bei einem 5%igen Risiko, daß der wirkliche Bevölkerungsdurchschnitt außerhalb dieser Grenzen liegt) errechnet, und die Ergebnisse sind in Tabelle VIII dargestellt. In Tabelle VIII sind auch die Ergebnisse von zwei zusätzlichen Prägungen angegeben, die bei jeder der vier Kombinationen aus Form- und Prägetemperatur mit dem oben angegebenen Verfahren durchgeführt wurden. Diese Prägungen wurden wie oben angegeben gemessen, und es wurde der Durchschnitt aus den absoluten prozentualen Helligkeitsänderungen zwischen den Pressungen bei 300º und bei 380º für die drei Prägungen errechnet, und die Ergebnisse sind in Tabelle VIII unter der Überschrift Testwiederholungen zusammengefaßt. TABELLE VIII Helligkeitsänderung bei einer Prägetemperatur von 300º und 380º Beobachtungswinkel Form Nr. Durchschn. Änderung der Helligkeit in % Standardabweichung 95%-Vertrauensgrenzen Testwiederholungen
Die in Tabelle VIII angegebenen Ergebnisse zeigen, daß die durchschnittliche prozentuale Änderung zwischen den zwei Prägetemperaturen für Form Nr. 2 (dem Folienmaterial der Erfindung) bei beiden Beobachtungswinkeln statistisch gesehen niedriger ist als die durchschnittliche Änderung zwischen den beiden Prägetemperaturen für die Vergleichsform Nr. 1, wodurch gezeigt wird, daß ein Folienmaterial der Erfindung eine größere Stabilität besitzt als das Vergleichsfolienmaterial gegenüber Fehlern, die während des Prägeverfahrens auftreten können.

BEISPIEL 4

Nachweis einer verbesserten Fehlertoleranz (oder stabileren Reaktion auf Änderungen in den Abmessungen des Produkts während des Gebrauchs)

In diesem Beispiel wurden zwei geprägte würfeleckige Kunststoffolien, eine Vergleichsfolie und eine erfindungsgemäße Folie, gestreckt, um den Einfluß einer Änderung in den Maßen auf die Helligkeit des Produkts festzustellen. Würfeleckige Kunststoffolien oder -filme erfahren im allgemeinen während des Gebrauchs eine Maßänderung. Diese Änderung kann normalerweise durch eine Ausdehnung oder Kontraktion des Produkts infolge von Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen oder durch eine Verformung hervorgerufen werden, wenn das Produkt um eine Vorrichtung mit kleinem Radius gebogen wird, wie zum Beispiel um einen Begrenzungspfosten. Wünschenswerterweise sollte sich die Produkthelligkeit nicht signifikant ändern, wenn solche Maßänderungen auftreten.
Beide Folienmaterialien bestanden aus Polycarbonatfolie (Lexan-Harz von General Electric Corporation). Das Vergleichsfolienmaterial war eine 0,0125 Zoll dicke Folie mit einem Muster aus würfeleckigen Elementen, die alle nominell dieselbe Form hatten und Furchenwinkel von 88,832º, 60,569º und 60,530º besaßen (wobei die Furchenseitenwinkel halb so groß waren wie die Furchenwinkel) bei Furchenabständen wie in Beispiel 2 angegeben. Das Folienmaterial der Erfindung war eine 0,015 Zoll dicke Folie mit einem Muster aus würfeleckigen Elementen wie in Beispiel 2 beschrieben.
Ein 4,8 Zoll · 1,25 Zoll großer Streifen wurde aus jedem Folienmaterial ausgeschnitten, wobei die Längsrichtung parallel zur Richtung der im Winkel von 88º angeordneten Furchen verlief. Dann wurde immer ein Streifen schrittweise gedehnt, und bei jeder schrittweisen Verformung wurde die Helligkeit des Streifens gemessen. Der Streifen wurde unter ein Retroluminometer gelegt, wie es in der amerikanischen Vorbeugungs-Veröffentlichung Nr. T987,003 beschrieben ist, wobei die Längsachse des Streifens senkrecht zu der Achse verlief, über die der Eintrittswinkel verändert werden konnte. Mit einem Mikrometer wurden die Inkrementallängen gemessen, und bei jeder schrittweisen Dehnung wurde die Helligkeit des Streifens bei einem Eintrittswinkel von -4º und einem Beobachtungswinkel von 0,2º gemessen. Die gemessenen Werte für beide Folienmaterialien sind in Tabelle IX angegeben. TABELLE IX Nach der Dehnung verbliebene Helligkeit in % Vergleichsfolienmaterial Anfängliche Helligkeit 1560 Candela/Lux/Quadratmeter Dehnung (Milli-Zoll) Helligkeit Prozent von der ursprünglichen Helligkeit (%) Folienmaterial der Erfindung Anfängliche Helligkeit 1600 Candela/Lux/Quadratmeter Dehnung (Milli-Zoll) Helligkeit Prozent von der ursprünglichen Helligkeit (%)
Die daraus resultierenden Kurven für die Helligkeit in Candela/Lux/Quadratmeter (normiert auf 100% für die anfängliche Helligkeit) im Vergleich zur Dehnung in Milli-Zoll (Tausendstel Zoll) sind für jedes Folienmaterial in Fig. 14 dargestellt, wobei Kurve 1 das Vergleichsfolienmaterial darstellt und Kurve 2 das erfindungsgemäße Folienmaterial. Es sei darauf hingewiesen, daß die Helligkeitsänderung für das erfindungsgemäße Folienmaterial geringer ist als die für das Vergleichsfolienmaterial bei gleicher Dehnung über den getesteten Bereich. Die Ergebnisse zeigen an, daß die Helligkeitsantwort des erfindungsgemäßen Folienmaterials weniger stark variierte als die für ein herkömmliches Folienmaterial über den getesteten Verformungsbereich.

Beispiel 5

(Rückstrahlender Gegenstand, der ein im Raum wahrnehmbares Bild erzeugt)

Wie bereits angegeben, wird dann, wenn eine ebene Fläche wie zum Beispiel ein durchscheinender Schirm in einem von einem rückstrahlenden Gegenstand der Erfindung zurückgestrahlten Lichtkegel angeordnet ist, das Divergenzprofil des Kegels auf dem Schirm erscheinen. In einigen Fällen muß das Profil nicht erst auf eine Fläche projiziert werden, um das in dem Profil enthaltene Licht sehen zu können. Wenn der rückstrahlende Gegenstand größer ist als das Gesichtsfeld des Betrachters, kann das zurückgestrahlte Licht ein Bild erzeugen, das ohne Hilfe eines durchscheinenden Schirmmaterials zu sehen ist, und das Bild scheint dann im Raum zu schweben.
Dieser Aspekt der Erfindung ist in Fig. 15 dargestellt, wo ein rückstrahlendes Folienmaterial 25 auf einer Wand am Ende eines Ganges 26 plaziert ist. Eine Lampe 27 ist an der Wand 28 des Ganges in der Nähe der Ausgangstür 29 montiert und bestrahlt das rückstrahlende Folienmaterial 25 mit Licht. Das Folienmaterial 25 soll ein Bild eines Pfeiles 30 erzeugen, der zu der Ausgangstür 29 zeigt, und ein Beobachter 31 hätte den Eindruck, daß der Pfeil 30 in dem Raum direkt vor der Tür schwebt. Das Muster, das eine solche pfeilförmige Konstruktion erzeugt, ist in Fig. 16 und der nachstehenden Tabelle X beschrieben, in der der Betrag, um den jeder Flächenwinkel von dem eine Orthogonale bildenden Winkel von 35,264º abweicht, in Bogenminuten angegeben ist. Ein solches Muster erzeugt zwei Pfeile, die um 180º gegeneinander gedreht sind, aber aufgrund der Anordnung von Folie und Lichtquelle wird der zweite Pfeil auf einem von der Wand eingenommenen Punkt zu liegen kommen, so daß er für den Betrachter nicht wahrnehmbar ist.

TABELLE X

A = -22
B = -43
C = +25
D = +24
E = -36
F = -21

Glossar der Fachausdrücke

Furchenseitenwinkel - Der Winkel zwischen der Furchenseite und einer Ebene, die parallel zur Länge der Furche und senkrecht zu der durch die Unterkanten der drei einander kreuz enden Sätze von V-förmigen Furchen gebildeten Ebene verläuft.
Bezugsmittelpunkt - Ein Punkt auf oder nahe bei einem Rückstrahler, der als Mittelpunkt der Vorrichtung angenommen wird, um deren Leistung zu spezifizieren.
Beleuchtungsachse - Ein Liniensegment vom Bezugsmittelpunkt bis zum Mittelpunkt der Beleuchtungsquelle.
Beobachtungsachse - Ein Liniensegment vom Bezugsmittelpunkt bis zum Mittelpunkt des Lichtempfängers oder Betrachters.
Beobachtungswinkel - Der Winkel zwischen der Beleuchtungsachse und der Beobachtungsachse.
Bezugsachse - Ein festgelegtes Liniensegment ausgehend vom Bezugsmittelpunkt, mit dem die Winkelposition des Rückstrahlers beschrieben wird, und das bei den meisten Gegenständen einschließlich dem Folienmaterial der Erfindung eine zur Vorderseite des Gegenstandes senkrechte Linie ist.
Eintrittswinkel - Der Winkel zwischen der Beleuchtungsachse und der Bezugsachse.
Darstellungswinkel - Der Flächenwinkel zwischen der Eintrittsebene (gebildet durch die Beleuchtungsachse und die Bezugsachse) und der Beobachtungsebene (gebildet durch die Beleuchtungsachse und die Beobachtungsachse).
Bezugsmarke - Eine Marke auf dem Rückstrahler, die dazu dient, die Ausrichtung des Rückstrahlers in bezug auf die Drehung um die Bezugsachse anzugeben.
Beobachtungshalbebene - Die Halbebene, die ihren Ursprung auf der Beleuchtungsachse hat und die Beobachtungsachse enthält.
Erste Achse - Eine Achse durch den Bezugsmittelpunkt und senkrecht zur Beobachtungshalbebene.
Zweite Achse - Eine Achse durch den Bezugsmittelpunkt und senkrecht zur ersten Achse und zur Bezugsachse.
Drehwinkel - Der Flächenwinkel von der Halbebene, die ihren Ursprung auf der Bezugsachse hat und den positiven Teil der zweiten Achse enthält (d. h. den Teil der zweiten Achse, der in der Beobachtungshalbebene liegt) bis zu der Halbebene, die ihren Ursprung auf der Bezugsachse hat und die Bezugsmarke enthält. Es sei darauf hingewiesen, daß der Drehwinkel und der Darstellungswinkel dieselbe Bewegung darstellen, wenn die Bezugsmarke vertikal zum Bezugsmittelpunkt des Gegenstandes ausgerichtet ist, der Empfänger oder Betrachter vertikal zur Beleuchtungsachse ausgerichtet ist, und die Beleuchtungsachse senkrecht zur Vorderseite des Gegenstandes verläuft. Das erfindungsgemäße Folienmaterial mit einer verbesserten Rotationssymmetrie ist von Vorteil, da es die Unterschiede im Divergenzprofil minimiert, die entstehen, wenn das Folienmaterial in verschiedenen Winkelausrichtungen angebracht wird.
Betrachtungswinkel - Der Winkel zwischen der Beobachtungsachse und der Bezugsachse.
Divergenzprofil - Eine polare Darstellung der Rückstrahlungsintensität als Funktion des Beobachtungswinkels auf der r-Koordinate und des Darstellungswinkels auf der theta- Koordinate.
Beobachtungsprofil oder Betrachtungsprofil - Eine polare Darstellung ähnlich der für das Divergenzprofil, in der aber der Bereich der Betrachtungspositionen dargestellt ist, die für einen Betrachter in bezug auf einen rückstrahlenden Gegenstand der Erfindung in Frage kommen. Idealerweise würde das Divergenzprofil für einen rückstrahlenden Gegenstand dem in Frage kommenden Beobachtungs- oder Betrachtungsprofil entsprechen.
Der Begriff Divergenzprofil wird hierin im allgemeinen dann verwendet, wenn die Betonung auf dem Lichtmuster liegt, das den Reflektor verläßt, während der Begriff Beobachtungs- oder Betrachtungsprofil im allgemeinen dann verwendet wird, wenn die Betonung auf der Wahrnehmung von Licht durch einen Betrachter liegt.

Claims

1. Rückstrahlender Gegenstand (10), der auf einer Seite eine Anordnung aus würfeleckigen rückstrahlenden Elementen (17) trägt, wobei die drei reflektierenden Seitenflächen der Elemente durch drei einander kreuzende Sätze paralleler V-förmiger Furchen (11, 12, 13) gebildet werden und die Furchen Furchenseitenwinkel besitzen, wobei jeder Furchenseitenwinkel der Winkel zwischen der Seite der Furche und einer Ebene ist, die parallel zur Länge des Furchenwinkels und senkrecht zu der durch die unteren Kanten der drei einander kreuz enden Sätze von V-förmigen Furchen gebildeten Ebene verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Sätze von Furchen in einem sich wiederholenden Muster mindestens zwei Furchenseitenwinkel umfaßt, die voneinander verschieden sind, so daß die Anordnung aus würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in sich wiederholende Unteranordnungen unterteilt ist, die jeweils eine Vielzahl von würfeleckigen rückstrahlenden Elementen in einer Vielzahl von charakteristischen Formen umfassen, die durch die unterschiedlichen Furchenseitenwinkel gebildet werden, wobei mindestens eine der charakteristischen Formen die Form eines nichtorthogonalen würfeleckigen Elementes ist, das einfallendes Licht in charakteristisch geformten Lichtmustern zurückstrahlt.

2. Rückstrahlender Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei der Sätze von V-förmigen Furchen in einem sich wiederholenden Muster mindestens zwei Furchenseitenwinkel umfassen, die voneinander verschieden sind.

3. Rückstrahlender Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem alle drei Sätze von V-förmigen Furchen in einem sich wiederholenden Muster mindestens zwei Furchenseitenwinkel umfassen, die voneinander verschieden sind.

4. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem mindestens ein Satz von Furchen in einem sich wiederholenden Muster mindestens zwei verschiedene Furchenseitenwinkel umfaßt, die von dem Winkel verschieden sind, der für alle Flächenwinkel der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente benötigt wird, die durch jene Furchenseitenwinkel als orthogonal definiert sind.

5. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem im wesentlichen alle Furchenseitenwinkel in dem sich wiederholenden Muster des mindestens einen Satzes von dem Winkel verschieden sind, der für alle Flächenwinkel der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente benötigt wird, die durch jene Furchenseitenwinkel als orthogonal definiert sind.

6. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die würfeleckigen rückstrahlenden Elemente der Anordnung von Elementen paarweise angeordnet sind, so daß zu jedem charakteristisch geformten Element ein ähnlich geformtes Element paßt, das gegenüber dem ersten Element um 180 Grad gedreht ist.

7. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Muster von mindestens einem Satz ein Muster a-b-b-a umfaßt, wobei "a" und "b" jeweils unterschiedliche Furchenseitenwinkel darstellen.

8. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem Nu < C, wobei Nu die Potentialziffer verschiedener würfeleckiger rückstrahlender Elemente in einer Unteranordnung ist, wie sie durch die Gleichung Nu = 2(mno/F) bestimmt ist,

wobei m, n und o die Anzahl von Furchen in einem sich wiederholenden Muster in den drei Sätzen von Furchen ist, F die größte einzelne ganze Zahl ist, durch die jede der einzelnen Zahlen m, n und o ohne Rest geteilt werden kann, und C die mögliche Anzahl von Kombinationen ist, die aus C = 2(mno) errechnet wurde.

9. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-7, der einen Konstruktionseffizienzfaktor von mindestens 25% besitzt, wobei der Konstruktionseffizienzfaktor = (2) (m+n+o)(100)/Nu ist, m, n, o die Anzahl von Furchen in einem sich wiederholenden Muster in den drei Sätzen von Furchen, nämlich Nu = 2(mno/F) darstellen, und F der größte ganzzahlige Faktor ist, durch den jede der einzelnen Zahlen m, n und o ohne Rest geteilt werden kann.

10. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem die Furchenseitenwinkel so gewählt sind, daß würfeleckige rückstrahlende Elemente entstehen, die mehr reflektiertes Licht in einen ersten Bereich des Divergenzprofils des rückstrahlenden Gegenstandes konzentrieren als in einen zweiten Bereich.

11. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 10, von dem unter einem Eintrittswinkel von 0º einfallendes Licht in einem Muster zurückgestrahlt wird, das im Verhältnis dieselben Proportionen hat wie das Muster, in dem unter einem Eintrittswinkel von 0º einfallendes Licht von einem Gegenstand zurückgestrahlt wird, bei dem die Furchenseitenwinkel in einem ersten Satz Furchen das Muster bc-d-a darstellen, und die Furchenseitenwinkel in einem zweiten Satz Furchen das Muster f-g-h-e darstellen, und die Furchenseitenwinkel in einem dritten Satz Furchen das Muster j-k-l-i darstellen, wobei die Furchenseitenwinkel wie folgt von 35,264º differieren, einem Furchenseitenwinkel, der orthogonale Flächenwinkel ergibt:

a = -0,058º

b = -0,145º

c = -0,058º

d = -0,291º

e = -0,291º

f = -0,058º

g = -0,145º

h = -0,058º

i = +0,145º

j = -0,058º

k = +0,145º

l = +0,058º.

12. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-11 in Form eines Verkehrszeichens (21), bei dem die Summe der verschiedenen Lichtmuster, in denen die verschiedenen würfeleckigen rückstrahlenden Elemente in einer Unteranordnung einfallendes Licht zurückstrahlen, ein Rückstrahlungs- Divergenzprofil erzeugt, das genauer zu dem erwarteten Beobachtungsprofil für das Verkehrszeichen paßt als es bei dem Rückstrahlungs-Divergenzprofil eines Gegenstandes der Fall wäre, bei dem alle würfeleckigen rückstrahlenden Elemente der Anordnung identisch sind.

13. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-12, der mit einem aus einem Bündel einzelner Stifte bestehenden Werkzeug hergestellt wurde, indem eine ebene Fläche mit Furchen versehen wurde, wobei der Teil der ebenen Fläche, der durch die jeweiligen Stifte geformt wurde, flächenmäßig mindestens so groß war wie die Fläche einer einzelnen Unteranordnung, wobei mindestens einige der Stifte nach der Ausbildung der Furchen gedreht und dann neu gruppiert wurden.

14. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-13, bei dem die optischen Achsen von mindestens einigen der würfeleckigen rückstrahlenden Elemente zu einer Kante dieses Elementes hin geneigt sind, um den Eintrittswinkel bei diesem Gegenstand zu vergrößern.

15. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-14, bei dem die Furchenseitenwinkel so gewählt sind, daß die Summe der von den würfeleckigen rückstrahlenden Elementen erzeugten charakteristisch geformten Lichtmuster ein Rückstrahlungslichtmuster erzeugt, das eine größere Rotationssymmetrie besitzt als das Rückstrahlungslichtmuster von einem Gegenstand, bei dem alle würfeleckigen rückstrahlenden Elemente der Anordnung identisch sind.

16. Rückstrahlender Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-15, bei dem mindestens ein Furchenseitenwinkel in mindestens einem Satz Furchen größer ist, und mindestens ein anderer Furchenseitenwinkel aus demselben Satz Furchen kleiner ist als der Winkel, der zu einer orthogonalen Überschneidung mit anderen, durch die Seiten der Furchen gebildeten Flächen führen würde.