逆反射结构及其制造方法 本发明的背景技术
用逆反射反光材料制作的路标使路面标示对于迎面而来的车辆在夜间条件下变得清晰可见，这是由于反光材料将来自车辆大灯的光线反射回去的结果。为了定义交通车道(如中心标志线)，路标铺设在路面上。路标通常按照一定的间隔安装在道路上引导行驶的车辆和行人。逆反射路标是有用的，因为与常规的充填玻璃珠的油漆标志线相比，逆反射路标更亮、更持久。例如，在美国专利第5,393,728号(1995年2月28日授权，1993年7月15日申请，申请号08/092,708，申请人Peter A.Spear等人)中就提出了一种逆反射路标。
使用完全的逆反射材料可以使光线基本上平行于逆反射轴线朝光源方向反射。但是，对于许多应用而言完全的逆反射并不是必要的。而发散锥角的均衡性却是必要的，发散锥角的均衡性描述反射光线发散的程度，它允许足够的散射光线照射到观看者眼睛，而不使抵达观看者的眼睛反射光线强度非常刺眼。在没有照明的路面上只有汽车大灯是唯一光源的场合，反射光线的发散锥角能否到达驾驶员的眼睛对于行车安全是重要的。
一种类型反光材料是立方体角阵列，即棱镜逆反射器，这在美国专利第3,712,706号(1973年1月23日授权于Stamm)中已有介绍。通常这些棱镜是利用在金属板或其他材料的平面上加工的阴模(母模)来制作。为了完成立方体角造型，在平板上刻出三组平行的V型槽，通常是等间距的，这三组V型槽彼此相交成60度。这样得到地几何形状是正的。然后再加工成阴模，通常采用电成形工艺加工，然后利用阴模在塑料平面上加工需要的立方体角阵列。
当槽角是70°31′43.6″时，两个立方体面相交所成的角度(两面角)是90度，于是入射光向光源反射。在用于交通的逆反射器中，往往改变该两面角，以使来自汽车大灯的入射光逆反射到包围驾驶员眼睛的某个锥角之中。
有关立方体角微棱镜的结构和详细描述在专利US3,684,348(1972年8月15日授权给Rowland)中能够找到，在专利US3,689,346(1972年9月5日授权给Rowland)中能够找到制造逆反射片的方法，这两项技术均作为参考文献并入本发明。该方法适合采用协同成形模具制作立方体角微棱镜。微棱镜被粘接到片子上，形成复合结构，在该复合结构中立方体角从片子的一个表面凸起。
逆反射结构的效率是度量在偏离逆反射轴线的发散锥角内返回的入射光数量的标准。棱镜变形对该效率有不良影响。此外，立方体角逆反射单元成角性低，即逆反射单元仅仅在某个近似地以其光轴为中心的小角度范围内将照射在它上面的光线少量地反射回光源。成角性低是由逆反射棱镜单元固有的性质决定的，这些单元是三面角结构，有三个倾斜的相互垂直的面。这些棱镜单元排成阵列，使待反射的光线照射到由那三个倾斜的相互垂直的面定义的空间之中，借助于在单元中逐面反射实现入射光的逆反射。偏离单元光轴(三个面定义的内空间的三分线)的入射光线以某个小于其临界角的角度照射在表面上，所以此光线是通过该表面而不是反射。对路面标线而言这往往是一个问题，因为就光线逆反射而言，要求路面标线纵截面高度高一些；而就避免汽车轮胎损坏而言，却要求纵截面高度低一些。
所以，需要一种逆反射结构，它能有效地将照射光线反射回去，而且纵截面高度低。
附图的简要说明
图1是本发明的逆反射结构的立面图。
图2是本发明逆反射结构第一实施方案的剖面图。
图3是采用本发明逆反射结构的路标的立面图。
图4是图5所示包含逆反射结构的路标剖面图。
图5是一种包含逆反射结构的路标实施方案剖面图。
图6是另一种包含逆反射结构的路标实施方案立面图。本发明的概述
本发明涉及一种逆反射结构。该结构分为窗侧和棱侧。棱侧为阶梯结构，阶梯结构的竖面上排列着逆反射单元阵列。这些逆反射单元最好是立方体角棱镜并镀上金属表面。
本发明还涉及一种逆反射结构的成形方法。借助于让材料在模具中聚合或借助模压完成结构成形，模具有一棱侧，它呈阶梯结构，每个台阶有梯面和竖面，在竖面上排列着逆反射单元阵列，这些逆反射单元最好是立方体角棱镜。阵列可以镀上金属镀层。
本发明还涉及一种逆反射结构附着其上的路标。该路标有一从结构底部向上凸起的拱起部分。拱起部分至少有一个适于附着逆反射结构的凹曲表面。逆反射结构分为窗侧和棱侧。棱侧呈阶梯结构，每个台阶有竖面和梯面。竖面上有逆反射单元阵列，这些单元可以是立方体角棱镜。
本发明有许多优点，包括将足够数量的以小角度照射在结构表面的入射光线反射回去。该结构可用于纵截面高度低的路标表面，既允许汽车从上面开过又能将来自远处汽车的入射光线反射回去。
本发明的最佳实施例
现在结合附图具体地介绍本发明的装置和方法的特点和其他的细节。在不同的图中出现的相同的数字代表同样的结构。应当理解的是每一具体实施方案都是以表述本发明的方式给以描述的，而不是对本发明的限制。本发明的主要特征能够在不脱离本发明范围的各种实施方案中使用。
图1以立面图所示的本发明的实施方案是逆反射结构10的一部分。逆反射结构10分为窗侧12和棱侧14。窗侧12可以是平面。棱侧14呈阶梯结构16，阶梯结构由梯面18和竖面20组成，竖面20以某个角度向梯面18延伸。竖面20被加工成逆反射单元阵列22。该阵列22可以由立方体角棱镜单元组成，也可以由条形棱镜单元组成，还可以由frensel透镜单元组成，等等。在优先选择的实施方案中，每个竖面20上都有四排立方体角棱镜单元24，该立方体角棱边长度26介于0.004-0.02英寸之间。
从表面反射出的光线强度以光轴方向最大，光轴位于光源的入射方向与表面成90度的位置上。因此，单元阵列接受的光线具有最大的逆反射率，其中单元以某种方式排列，允许待反射的光线与阵列垂直。
图2表示沿图1中的I-I线剖视的逆反射结构10的局部剖面图。梯面18有一深度d，它是从一层上的单元阵列背面到下一层上的单元阵列背面之间的距离。竖面的高度h是从一个梯面18面到下一个梯面18的距离。竖面的高度h与梯面深度d的比值取决于阵列22选用的材料的折射指数和要被逆反射的光线进入窗侧12的角度α。逆反射结构可以按路面和窗侧面为α的角度固定于路面标志以将来自大灯的光线反射回去。通常α角的大小相对于路面大约是30度。来自光源(如远处汽车大灯)的光线28在通过空气/表面界面时发生折射，折射光线偏离窗侧表面12的法线30的角度θ取决于材料的折射指数。逆反射单元阵列22与经折射进入逆反射结构10的光线的光轴32垂直。例如，如果α角是30度，逆反射结构10由折射指数大约为1.49的聚合物构成，光线28偏离法线的角度大约是35.4度。梯面18的深度能够用下式(式1)计算：
tanθ＝d/h (1)
其中：d是梯面的深度，h是竖面的高度。
如果已知折射光线的角度θ和竖面的高度h，梯面深度d可以用式1计算。
竖面20可以彼此平行。逆反射结构10也可以稍微弯曲，借此不平行的竖面20允许光线角度α变化(就象汽车正在驶近的情况)，以致折射光平行于大部分的逆反射单元光轴。在优先选择的实施方案中，梯面18的深度介于0.002-0.03英寸之间，竖面20的高度也同样介于0.002-0.03英寸之间。
逆反射结构10最好由聚合物制作，这些聚合物在变形力消失之后能恢复原来的形状。这些聚合物可以是弹性的也可以是刚性的。例如，有充分回弹性的聚合物，在受压之后能够恢复其原来的形状。聚合物对可见光最好是透明的，聚合物可在诸如聚胺酯，聚异丁烯，聚丁二烯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯之类的聚合物中选择。聚合物也可以是共聚物或三元共聚物，例如乙烯-丙烯共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，醋酸乙烯酯-氯乙烯共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。聚合物还可以从各式各样的刚性的聚合物中选择。这类聚合物包括聚脲，聚丙烯酸酯，聚纤维素酯，不饱和烯腈的聚合物，硬质环氧丙烯酸酯的聚合物等。其他的聚合物包括聚碳酸酯，聚酯，聚链烯烃，聚丙烯酸硅烷，硬质聚酯。聚合物的单体或低聚物最好能在棱镜模具中浇铸，然后用紫外辐射引发聚合反应。再有就是形成逆反射结构10的成分的折射指数应介于1.49和1.56之间。
图2所示的逆反射结构10有-定的厚度(t)，其范围介于0.5至30密耳(0.0005至0.03英寸之间)。在优先选择的实施方案中，该厚度大约介于1-10密耳(0.001至0.01英寸之间)。厚度选择取决于制造方法、聚合物品种以及要求逆反射结构具备的特性。
逆反射结构10成形模具可以由金属板或其他适当的材料平面上的阴模(母模)制作。在一个实施方案中，模具是用聚碳酸酯制作的。为了形成立方体角造型，在平板上刻上三组等间距的平行V型槽，它们以60度相交，这样建立起的是一个正(阳)的构型。负构型平板通常采用电成形方法制作，然后切划出一些平行缝隙，借此形成一系列错位的平行条，为的是形成多排台阶，其中每个台阶的竖面有逆反射单元阵列。逆反射结构可以用这个模具浇铸成形。另一种办法是制作一些金属片，金属片厚度大约是竖面的高度h。适合逆反射单元成形的结构被刻在每片金属片的一个侧棱边上。然后将这些金属片平行排放并按照对梯面的深度要求形成错位。
逆反射结构10可以用粘接剂粘接到某一表面上，或者仅仅粘在该表面的某些点上，比如按照某种栅格图案粘贴，借此保留空气界面。另一种方法是借助于高频焊接将逆反射结构10附着上去。在优先选择的实施方案中，栅格线间隔大约是半英寸或一英寸，宽度大约介于十六分之一英寸至八分之一英寸之间。
如果在棱镜单元上使用粘接剂，粘接剂可能浸润棱镜单元表面，由此破坏了空气界面，使棱镜的逆反射能力消失。所以最好将反射涂层34镀在逆反射单元的表面上。通常借助真空喷镀铝、银或金或其他的真空金属化技术形成反射涂层34。金属漆，介电涂料和其他的镜面涂料也都可以使用。
图3和图4说明采用本发明的路标40的一般形状。美国专利申请(申请号08/092,708；申请日期1993年7月15日；申请人PeterA.Spear等)揭示了一种路标实体，这项技术以参考文献形式并入本发明。路标40沿着纵轴中心线A-A有不变的横截面。固定的横截面允许路标40采用常规的非金属材料(如塑料)挤出技术挤出成形，然后截成需要的长度。图3所示的路标40包括一底部42和一拱起部分46。底部42基本上是平的并且是矩形。大底部允许路标用粘接剂牢固地粘接在路面上，适当的粘接剂包括环氧粘接剂、丁基粘接剂、或热融沥青粘接剂等。
底部42可以有一系列的平行槽44。槽44被加工成彼此比邻且平行于纵轴中心线A-A。槽44贯穿整个路标40的长度并且具有弧形截面。将这种底与平底进行比较，弧形截面增大了粘接表面的尺寸，因此能更好地附着在道路上。弧形槽比V形槽的表面积大，所以能提供更好地路面粘接。
拱起部分46由两段组成，中间是扇形凹口48，两边是凹曲棱50，52。由于两边的凹曲棱是一致的，所以当路标在道路上使用时，如果车辆在道路上仅按一个方向行驶，一个凹曲棱面对车辆，如果车辆在道路上双向行驶，则路标的两个凹曲棱都面对车辆。
中间的扇形凹口48和两边凹曲棱使拱起部分46产生一对隆起的驼峰54，56。驼峰位于中间扇形凹口48和两边凹曲棱50，52之间。驼峰截面形状沿着路标纵轴中心线A-A是固定不变的。由于扇形凹口48的主要功能是减少路标的重量，所以这个扇形凹口的精确形状并不重要，它可以作成其他的凹曲形状。但是扇形凹口48的平均弯曲半径是重要的。在这方面，尽管精确的弯曲半径并不关键，但是扇形凹口平均弯曲半径应当比小汽车轮胎的弯曲半径小的多。因为小汽车轮胎的弯曲半径大约是13英寸，所以扇形凹口48平均弯曲半径应当小于13英寸。扇形凹口平均弯曲半径小于小汽车轮胎的弯曲半径为的是防止小汽车或其他车辆在路标40上通过时轮胎坐进路标扇形凹口48。
逆反射结构10附着在路标凹曲棱50，52的表面上。更具体地说，图3和图4所示的本发明的实施方案包括逆反射结构10，它被固定在凹曲棱50，52的表面上。逆反射结构10的棱侧14用适当的粘接剂粘接在凹曲棱50，52的表面上。逆反射结构10的窗侧12与路面所成的α角足以使来自汽车的光线充分弯曲，以使折射光线平行于逆反射单元阵列的光轴。
图5说明凹曲棱50，52上可以有一下陷槽60，逆反射结构10镶嵌其中。把逆反射结构10放在下陷槽58之中可对轮胎造成的磨损提供额外的防护。
路标40的凹曲棱50的弯曲半径是这样规定的，当轮胎冲击驼峰54时(该冲击发生在凹曲棱50和扇形凹口48交界处)，轮胎不会冲击凹曲棱50。因此轮胎也不会压在凹曲棱50的表面上，于是也不会冲击位于该表面的逆反射结构10。逆反射结构10实际上处在凹曲的棱50表面和冲击路标40的轮胎表面之间的空隙之中。因此，冲击路标40的轮胎不会与逆反射结构10发生摩擦，所以也不会破坏或移动定位于凹曲棱50表面上的逆反射结构10，定位方式无论是如图3和图4所示还是如图5所示都不会被破坏或移动。
图6说明另一种含逆反射结构10的路标实施方案。不同的是位于凹曲棱60，62之间的扇形凹口被驼峰64取代。与其他的实施方案一样，路标形状沿纵轴线B-B是不变的并且凹曲棱60和62弯曲半径可以相同也可以不同，该弯曲半径使冲击凹曲棱60和62的轮胎不会与凹曲棱上的逆反射结构10发生摩擦，使其剥离。驼峰64在凹曲棱60，62之间隆起。驼峰64的弯曲半径大约介于2-10英寸之间，3.5英寸是较好的选择。图6所示路标的底部类似于上述路标。例如，底部有许多平行槽66。
所述路标最好具有不变的截面形状。这将允许这些实施方案采用挤出工艺制造。文中介绍的实施方案都能采用挤出法生产，让适当的塑料通过与要求的截面形状对应的模具挤出成形。然后挤出物固化变硬。路标的这种制造方法大大地降低了路标的成本。此外，挤出工艺可以按照本发明制造出不同长度的路标。这使本发明的实施方案能够用作隔离线(“rumple”strip)以及分段的路标。底部连续不断的性质允许用少量粘接剂使路标底部和路面牢固粘接。本发明的实施方案最好采用挤出加工，但是，如果需要也可以采用铸塑工艺。只要按照本发明成形的路标实体保持完好无损，损坏的和(或)腐蚀的逆反射结构就可以更换，这样使本发明的实施方案能够重复使用，从而更经济。等同物
本领域的技术人员都会承认或利用不多的例行试验就能够判断出在此具体介绍的本发明的具体的实施方案有许多等价方案。这些等价方案被纳入权利要求范围之中。