具有高的测得的白天亮度因数的金属化的立方角回射板

摘要

提供了具有高的测得的白天亮度因数的金属化立方角回射板及其制造方法。板由透明平面板材料形成，平面板材料将高度H的回射立方角密集阵列包括在一个侧面上。立方角以边缘更平行的方式在10n－9度的正负约1.5度范围内倾斜，n是立方角内的折射率，并通过施加反射金属的薄涂层将立方角的面金属化。立方角底部与相对板侧面之间的板材料的厚度优选地在1.75H至4.00H之间。可将得到的金属化回射板材料安装到车辆上，以通过板材料高效地回射大入射和取向角度范围内来自前灯或其它源的光束的能力来增大车辆的夜间可见度。有利地，板还以45°倾斜度的正负5°范围内的角度反射至少约3.5％的法向和接近法向的光，有利地向其提供交通规章要求的高的测得的白天亮度因数。

说明书

技术领域

本发明总地涉及回射板材料，且更具体地涉及一种具有高的测得的白天亮度因数的金属化的回射立方角板材料及其制造方法。

背景技术

在现有技术中，回射板是公知的。这样的板包括独立回射光学元件的阵列。所述元件可以是球透镜或棱镜。可以将相互邻接的锥形棱镜模制或凸印(emboss)在通常由塑料形成的透明板材料的一个侧面上。所述棱镜具有三个彼此以90°角相交的面。在本领域中将这样的锥形棱镜称为立方角。未涂覆以反射金属层的立方角棱镜拥有如下特性：对在特定的临界角度范围内照射立方角表面的入射光线的回射全内反射(TIR)。因而，被导引于这样的立方角阵列的相当大部分的光束将以其源的方向回射回，如果其在该临界角度范围内照射该阵列的话。可替选地，可以将立方角棱镜面涂覆以反射金属层以对更多入射光线有效。

回射板材料用于增强街道和公路标志、以及经常行驶在州际公路上的卡车、巴士和半拖拉机拖车的夜间可见度。在后面的应用中，典型地将回射材料条粘贴在拖车边缘的周围，以便于车辆附近的其它驾驶人员不仅将容易地觉察车辆的存在而且将容易地觉察其范围。通过防止否则会发生的夜间碰撞，在卡车和其它车辆上使用这样的回射条无疑已有助于公路的安全性。

路标也使用回射板材料，但是在两个重要方面要求不同。卡车条不需要如路标那样在白天显著明亮。卡车条必须能够回射非常大的入射角度的光，而很少有路标必须这样做。

在夜间条件下，金属化的立方角板通常性能优于未金属化的立方角板。未金属化的立方角完全依赖于TIR来反射。因而，以大于临界角度的角度照射到棱镜面上的光将仅微弱地被反射。例如，对于由具有n＝1.5折射率的透明材料形成的回射板，临界角度约为41.82°。以41°入射到面上的光损失其强度的62％。对于特定的入射照明，具有未金属化面的立方角棱镜可能使一个或两个面无法实现TIR。相对比，当通过应用镜面材料如铝或银的薄涂层而使回射板的立方角金属化时，不管入射角度如何，相当大百分比的入射光将总是被回射。尽管在入射光照射所有三个回射所必需的立方角表面之后总有效反射率仅为约61％，但鉴于所有的入射和取向角度，金属化的立方角的回射的净评分通常高于未金属化的立方角的回射的净评分。金属化的立方角较未金属化的立方角的另一优点在于金属化的立方角并不要求对其中模制或凸印了立方角的板材料的表面进行密封。这样的密封牺牲了总板面积的约25-30％，使得未金属化板当暴露于汽车前灯的光束时变得更加暗淡。简而言之，在较大入射角度范围内金属化的回射板相对于未金属化的回射板较高的回射率，与不需要密封相结合，使得其通常在夜间条件下更加明亮。

不幸地是，目前已知形式的金属化的立方角板在白天条件下性能不良。这是主要的缺陷，因为美国、欧洲、中国和巴西的交通规章要求这样的板具有由0/45或45/0色度计测得的最小白天亮度因数。与未金属化的立方角板材料相比，金属化板在白天条件下可显现得相对暗。此白天亮度的不足导致：要么使用非金属化的立方角板材料，其在夜间性能方面固有地更受限制；要么使用金属化的立方角板材料，使在表面的某个部分上印有白色标记，或在棱镜之间有空白空间，这增强了白天亮度但是使夜间性能劣化。

显然，存在对这样一种金属化的立方角回射板的需求：其保持这样的板的所有夜间性能优点，但也符合由交通规章所要求的白天亮度标准。理想地，制造这样的板材料并将其安装在车辆上应该是相对容易和不昂贵的。

发明内容

概括地说，本发明是一种金属化的回射板，其能够以大约45°角反射相对高百分比的法向的和接近法向的入射光，其还可以在夜间条件下高效地回射光束。相对于现有技术板的以大约45°角反射较高百分比的接近法向的入射光的能力使所述板具有异乎寻常高的测得的白天亮度因数。

所述板包括透明的平面板材料的一个侧面上的具有平均的均一高度H的回射立方角的密集阵列，其中立方角以边缘更平行(edge-more-parallel)的方式在10n-9度的正负约1.5度范围内倾斜，n为形成立方角的透明板材料的折射率。因而，当使用折射率在约1.45至1.65之间的塑料材料时，立方角将在约4.0°至9.0°的范围内倾斜。反射涂层提供在立方角上。最后，立方角底部与相对的板材料侧面之间的板材料的平均厚度在约0.75H至4.50H之间。已发现：根据上述公式的立方角的边缘更平行的倾斜，与0.75H至4.50H板材料厚度相结合，提供了由0/45或45/0色度计所测得的相对于现有技术的金属化立方角板的高亮度因数Y(即＞0.20)。另外，在绝对亮度方面以及在相对大的入射光线范围内高效地回射的能力方面，这种金属化的立方角板在夜间条件下提供优良的回射率。

立方角的轴是以立方角的顶点为起点与立方角的三个面成相等角度的线。如果立方角的轴不与板的前表面正交，则立方角称为是倾斜的。为了说明本专利，根据下面的定义而将每个倾斜的立方角称为边缘更平行地或面更平行(face-more-parallel)地倾斜：对于倾斜的立方角，如果二面边缘与板前表面之间的三个角度的最小值至少比立方面与板前表面之间的三个角度的最小值小19.472°，则倾斜是边缘更平行的；否则倾斜是面更平行的。

板材料优选地在所有点都覆盖有相互邻接的立方角，以使夜间性能最大化。在优选的实施例中，反射涂层是铝，虽然其可由银或能够反射大部分入射光的任何其它镜面材料形成。板材料可由折射率在约1.45至约1.65之间的塑料材料如丙烯酸树脂或聚碳酸酯或聚酯形成。此外，立方角底部与相对的平面板材料侧面之间的厚度优选地在约1.5H至约4.0H之间，其中H是从底部至顶点所测得的立方角棱镜的高度，且当折射率为1.49时(为使用丙烯酸树脂时的情况)，该厚度最优选地在2.00H至2.75H范围内以及3.25H至3.75H范围内之一。立方角阵列可由三组平行V形槽的划线(ruling)形成，所述槽相交成使得当平视时，每个立方角被由V形槽的根形成的三角形或准三角形围绕。围绕三角形可以是等腰的或不等边的。另外，V形槽的深度可以相等或不相等。

除了回射板材料本身以外，本发明还包含用于制造具有相对高的测得的白天亮度的回射板材料的方法。

附图说明

图1是实施本发明的一段立方角板材料的平面视图；

图2是沿着线2-2的图1中所示的板的横截面；

图3是多光线跟踪图，其图示了本发明的金属化的回射板材料如何使相对高百分比的零度入射光反射到色度计的45°定位的传感器中；

图4图示了用来验证使用了由镜盒围绕的两个半立方角的示意图的本发明的效用的模拟技术。

图5、6和7是图示了对于立方角前面的衬底的不同厚度，由三种不同制造的0/45或45/0色度计测得的亮度因数Y的变化的曲线图。这些曲线图中的每个还利用半球(0/d)比色法将本发明的立方角板的性能进行了比较。

图8是图示了金属化的立方角的回射率依赖于立方角的边缘更平行的倾斜而变化的曲线图。

具体实施方式

参考图1和2，本发明的回射板材料1主要包括在具有平面底表面6的衬底4的上表面上整合地形成的立方角3的密集阵列。立方角3由三组V形槽5a、5b和5c来限定。每组V形槽5a、5b和5c的方向和夹角如此选择，使得立方角3中的每个的三个面7a、7b和7c以直角彼此相交。优选地，尖锐地限定V形槽5a、5b和5c的根，以使立方角3阵列的回射能力最大化。立方角还以大约45°角反射一些法向的和接近法向的入射光，这又促进了相对高的测得的白天亮度，如下文中所解释的那样。

如从图2中看到的，每个立方角3的顶点9优选地全部具有相同的高度H，而在这个特定实例中衬底4的高度是2.25H。应该注意到，相对于立方角的高度，衬底4的高度可以在0.75H至4.5H之间。另外，板1优选地由折射率在大约1.45至大约1.65之间的材料如丙烯酸树脂或聚碳酸酯或聚酯形成。所述板还可以由数层不同折射率的材料形成。虽然对于图中所示的每个槽根5a，高度H是相等的，但是本发明包含如此板，其中由于V形槽5a、5b和5c的根形成在衬底4中的不同深度处的缘故，立方角的高度H是不规则的。在如此情况下，高度H应该被解释成三个槽根5a、5b和5c相对于顶点9的深度的平均值，并且衬底厚度应该被解释成从三个槽根5a、5b和5c到底表面6的距离平均值。在这种不相等的槽深度的情况下，有必要测量从槽根开始的立方角高度和衬底厚度，因为不存在限制立方角3的三角形底部，而只是准三角形底部(即，从板材料的平面视图看，由V形槽根5a、5b和5c的视在相交所构建的三角形)。具有由相等深度槽及由不相等深度槽形成的立方角3的板都应适用相同的H与衬底厚度的比值。

如图2中所示，立方角3的外表面优选地涂覆以反射金属，如银或铝，虽然也可以使用其它金属来实现本发明的效果(例如，银合金、铂、金等)。优选地，立方角3和衬底4整合地形成，如在透明塑料材料的平板上用具有互补形状的金属模板进行热凸印所表现的那样。用于形成立方角的模制或浇铸方法也是可以的。应该注意到尽管透明塑料材料板可全部是相同种类的塑料，但它也可由数层不同种类塑料形成。

再参考图2，轴13是与立方角的三个面成相等角度的线。延伸通过每个立方角3的顶点9的立方轴13优选地相对于轴15而歪斜，轴15与板1的衬底4的平面表面6正交。在优选的实施例中，轴歪斜的角度A在约4.5°至8.5°之间。当立方角的轴与板的法向成角度时，立方角倾斜。立方倾斜角度是轴歪斜角度。根据上面给出的定义，将立方倾斜进一步地描述为边缘更平行的或面更平行的。本发明的立方角具有边缘更平行的倾斜。理想的倾斜角度范围可随着形成板的材料的折射率而变化。例如，如果使用丙烯酸树脂，则折射率将约为1.49，并且倾斜角度将在约4.5°至约7.5°之间。相对比，如果使用具有更高折射率的材料如聚碳酸酯，则倾斜角度将在约5.5°至约8.5°之间。根据经验，理想的倾斜范围是10n-9度的正负约1.5度或更小范围内，其中n是立方角中的板的折射率。

倾斜的金属化的三角形立方角影响回射效率。图8示出在四个入射角度5°、30°、40°和60°下，几何效率如何随着倾斜而变化。在图8中，将在0°和90°取向角度下的效率取平均，这将是由那两个取向组成的“钉扎式(pinned)”或“平铺式(tiled)”阵列的情况。这对于以两种方式施加到卡车上的卡车标记材料是合理的。如从曲线图的比较中显而易见，尽管边缘更平行的倾斜增大了较大入射角度(即60°)下的回射效率，但是其减小了较小角度(5°、30°和40°)下的回射效率。发明者发现4.5°至8.5°之间的倾斜针对夜间性能和测得的白天亮度因数两者优化了所有取向和入射角度的总体性能。

在图1中所示的优选实施例中，三组V形槽5a、5b和5c限定了等腰三角形的阵列，所述三角形限制了每个立方角3的底部17。然而，本发明还包含：具有由不等边三角形所限定的底部的立方角；以及由不相等深度的槽所形成的立方角，所述不相等深度的槽从而不限制三角形底部。这些后面的立方角称为准三角形的，如前面所定义的那样。

图3是在亮度测试期间理想化的色度计将如何“看到”本发明的板的光线跟踪模拟。在这个模拟中，立方角3具有5°的倾斜角度，并且衬底4的高度是2H，为立方角3的高度H的两倍，并且折射率是1.50。在此模拟中，以大约0°的入射角度β入射到板1上的光19的一大部分不回射，表现出被板1以0°角或大约45°角反射。这只是单个视图，但45°角在示出的平面上。色度计的传感器23位于45°角处的环中。图3的确提供了指示：大量百分比的0°入射光将直接反射到传感器23中。甚至更重要地，进一步的这样的模拟指示：以接近法向角度照射在板1上的入射光19还将最终以接近这样的45°角反射为出射光21。发明者认为45°反射可能是由于入射光19未被第一立方角3回射而是以大倾斜度反射到衬底4的前表面，在这里，TIR将其返回到另一立方角3。这个立方角跳动的过程可继续到另外的其它立方角3。最后的立方角将光较小倾斜地发送到衬底4的前表面，在这里，其最后以45°角从板1中再次出现。最终的结果是：不相称的高百分比的法向的和接近法向的入射光19最终被板1直接反射到存在于0/45色度计中的45°和接近45°定位的传感器23中。光学可逆性确保45/0色度计也具有类似的结果。这样的反射模式导致非常大的测得的白天亮度因数，其常常接近0.40，如在此后更加详细讨论的那样。

尽管本说明书将大约45°反射光的百分比描述为“高的”或“大量的”或类似效果的词语，但是应该认识到45°反射光的百分比仅相对于由现有技术回射板产生的45°反射光的量而言是高的。计算指出，为了使具有法向的和接近法向的照明并且使光传感器填充该环的0/45色度计获得相对高Y值0.2，仅大约3.5％的这样的法向的和接近法向的光需要以接近45°角(即，在正或负5°范围内)反射。更一般而言，对于在45°的正或负D度范围内感测的0/45色度计，为了使Y值测得为0.2，约0.7D百分比的色度计的照明需要被反射到该传感器角度范围中。

图4图示了用于产生图5、6和7中所示曲线图的模拟技术。具体地，图4图示了两个半立方角3A和3B，其被以虚线示出的模拟镜盒25所围绕。为了进行在图5、6和7的曲线图中示出的模拟，假设镜盒25具有100％的反射侧面。

图5、6和7图示了采用图4中两个半立方角和镜盒的光线跟踪模拟的结果。图5、6和7的模拟假设5.25°的立方角倾斜角度和具有1.49折射率的材料，如丙烯酸树脂。竖直轴是所得到的0/45亮度因数(Y)，而水平轴指示相对于立方角高度的板1的衬底4的厚度。为了将图5-7中所示的每个模拟进行比较，还将用半球形几何形状(0/d)(其曲线图标记为圆点)测得的亮度因数包括在内。用半球形几何形状测得的亮度因数接近于本发明的板可能呈现给实际观察者的白天亮度。如这些图中显而易见的，所测得的0/45白天亮度因数在现实的白天亮度因数的两倍至四倍之间。

图5是使用ASTM E2301“裁判”0/45色度计的模拟结果。仪表细节在此ASTM标准测试方法的第六部分中给出。在此特定的设备中，入射光19填充相对于法向照射的5°半角的锥体。传感器23安装在围绕板1的前表面的环中。传感器定位成覆盖45°±5°倾斜度。如从该曲线图中可以看出，在所有情况下，在0.75H至4.50H的整个衬底厚度范围内，本发明的金属化板1具有高的测得的反射率Y(超过0.3)。特别而言，在2.00H至2.50H的衬底厚度，并且还在3.25H至3.75H的衬底厚度，出现接近0.40的测得的反射率。

图6图示了商业Gretag MacBeth型CE2145仪表的模拟结果。出于模拟的目的，将此45/0仪表视为0/45仪表。这样的色度计将用填充相对于法向照射的2°半角的窄锥体的入射光19来测试板1，并且又将用具有覆盖45°±6°倾斜度的传感器23的环来测量出射光21的强度。如从图6的曲线图中显而易见的，在2.00H至2.75H之间以及3.25H至3.75H之间的衬底高度，出现接近0.40的测得的亮度因数。

最后，图7图示了利用较旧的商业Hunter Lab Scan型6000仪表对本发明的板1的模拟测试。这样的色度计提供了法向照射的7.5°范围内的入射光19的锥体，并且具有覆盖45°±1°倾斜度的传感器的环。尽管在Hunter Lab Scan色度计上的模拟指示了在整个衬底高度范围内较低的测得的亮度值，其仅突破0.30，但是最大值还是位于1.75H至2.25H以及3.25H至3.75H的高度范围内。

在所有上面提到的模拟中，假设样本面积同其它色度计尺度相比无穷小。这等价于假设色度计中的远心光学(telecentric optics)，这并不完全是现实的。因而，实际值可能稍小于在图5-7中所示的模拟期间所获得的值。尽管如此，不管是通过模拟还是在实际上，测得的亮度因数在所有情况下基本上高于与现有技术回射板材料相关联的测得的亮度因数。