CN1452542A - 复合模具和包括含复合面的几何结构的结构表面制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

在复合基片(82)上形成结构表面制品(例如模具或逆向反射片)，它包括切削加工形成的基片(126)和复制的基片(116)。在一个实例中，结构表面(100)是在复合基片(82)上的立方角元件(132，134)。在另一个实例中，结构表面(100)是具有许多面的几何结构体体，其中一个面位于加工基片上，另一个面位于复制基片上。在再一个实例中，所述面中的至少有些包括一个复合面，该复合面的一部分形成于加工基片上，一部分形成于复制基片上。制造具有含许多面的几何结构体体的结构表面制品的方法，包括在加工基片(126)的第一表面形成几何结构体体阵列；钝化加工基片第一表面的选定部位；形成加工基片的复制基片(116)，从而形成复合基片(82)；在加工基片与第一表面相反的第二表面上形成第二几何结构体体阵列；从加工基片的第二表面除去一些选定部分。

Description

复合模具和包括含复合面的几何 结构的结构表面制品及其制备方法
背景技术
本发明总体上涉及一种使用微复制技术制得的结构表面。本发明特别适用于一种包括逆向反射立方角元件的结构表面。
读者可阅读本说明书末尾的术语表了解本文使用的某些术语的含义。
已知在各种用途(例如逆向反射片、机械紧固件和研磨制品)中使用微复制的结构表面。尽管下面的描述着眼于逆向反射领域，但是显然所公开的方法和制品能同样很好地用于采用微复制结构表面的其它领域。
立方角逆向反射片通常包括一层透明薄层，它具有基本平的正面和含许多几何结构体的结构背面，部分或全部所述几何结构体有三个反射面，构成一个立方角元件。
立方角逆向反射片通常是如下制得的：先制得具有结构表面的母模，根据最终逆向反射片是具有立方角棱锥还是具有立方角凹陷(或两者兼有)，母模的这种结构表面对应于最终逆向反射片中所需的立方角元件的几何形状，或者对应于其负(颠倒)的拷贝。随后使用任何合适的技术(例如常规的镍电镀)对该母模复制，制得使用例如压花、挤出或流延-固化方法形成逆向反射片的模具。美国专利5,156,863(Pricone等人)说明性地概述了用于制造形成立方角逆向反射片用的模具的方法。用于制造母模的已知方法，包括针形元件成束技术、层压技术和直接切削加工技术。这些技术本身均具有自己的优点和局限性。
在针形元件成束技术中，将其各自的顶端具有一定几何形状(例如立方角元件)的许多针组合在一起形成母模。美国专利1,591,572(Stimson)和3,926,402(Heenan)提供了说明性的例子。针形元件成束技术能够在一个模具中制得各种立方角几何图案，因为每根针是单独加工的。但是，这种技术难以制得小立方角元件(例如立方体高度小于约1mm的立方角元件)，因为大量的针及其缩小的尺寸需要精确加工并随后排列成束以形成模具。
在层压技术中，将许多称为薄片(各层薄片的一端具有一定几何形状)的片状结构体组装在一起形成母模。层压技术的劳动强度一般小于针形元件成束技术，因为对于给定尺寸的模具和立方角元件，其分开加工的元件数量少得多。但是，与针形元件成束技术相比其设计灵活性差。层压技术的说明性例子可参见美国专利4,095,773(Lindner)、国际公布WO 97/04939(Mimura等人)和1997年7月2日提交的题为“立方角反射片模具及其制备方法”的美国专利申请08/886,074。
在直接切削加工技术中，在平面基片的平面中形成一系列凹槽侧面，制得母模。在一个已知的实例中，相互以60°夹角相交的三组平行凹槽构成立方角元件阵列，各个元件具有等边三角形底面(参见美国专利3,712,706(Stamm))。在另一个实例中，两组凹槽以大于60°角相交，第三组凹槽与所述两组凹槽以各自小于60°角相交，形成倾斜的立方角元件匹配对阵列(参见美国专利4,588,258(Hoopman))。直接切削加工技术能够精确加工采用针形元件成束技术或层压技术难以制造的非常小的立方角元件，因为后两种技术依靠无论在模具制造过程中还是在其它时间均可相互移动或滑动并可相互分离的构成部件。另外，直接切削加工技术制得的大面积结构表面通常比针形元件成束技术或层压技术制得的大面积结构表面具有更高的均匀性和准确性，因为在直接切削加工技术中，通常是在刀具连续移动过程中形成大量的一个个面，并且在模具制造过程中所述这此一个个面是保持好其排列的。
但是，直接切削加工技术的明显缺点在于可制造的立方角几何形状种类的设计灵活性低。作为例子，上面引用的Stamm专利所述的立方角元件的最大理论总光反射率约为67％。自从该专利颁布以来，已经公开了许多结构和技术，它们极大地拓展了设计者使用直接切削加工法设计的立方角的种类，例如可参见美国专利4,775,219(Appledorn等人)、4,895,428(Nelson等人)、5,600,484(Benson等人)、5,696,627(Benson等人)和5,734,501(Smith)。公开在这些参考文献中的部分立方角结构在某些观察和入射的几何关系条件下呈现超过67％的有效孔径值。
然而，到目前为止，有一整类立方角元件(本文中称为较好几何形状的即PG立方角元件)尚无法使用直接切削加工技术。带有一种PG立方角元件的基片示于俯视图图1中。该图显示的每个立方角元件均具有三个正方形面以及在平面图中的一个六边形轮廓。一个这种PG立方角元件在图中用粗体线突出表示以便辨认。表示的该立方角元件可视为一个PG立方角元件，因为它含有一个相对于结构表面的平面倾斜的非两面边(粗体突出表示的六个边中任何一个)，并且这条边平行于相邻立方角元件的相邻非两面边(每条这种以粗体突出表示的边不仅与其六个相邻的立方角元件的非两面边平行并且与之邻接)。
本发明公开的是使用直接切削加工技术制造几何结构体(例如PG立方角元件)的方法。还公开了使用这种方法制造制品的模具，所述制品的特征在于至少具有一个特殊成形的复合面。
发明的概述
结构表面制品，例如模具或反射片，是形成在包括加工基片(指切削加工成的基片)和复制基片(指复制成的基片)的复合基片上的。在一个实例中，所述结构表面是复合基片上的立方角元件。在另一个实例中，所述结构表面包括具有许多面的几何结构体，其中一个面位于加工基片上，另一个面位于复制基片上。所述几何结构体可以是立方角元件或者PG立方角元件。
在另一个实例中，至少有些面包括一个复合面，其一部分形成在加工基片上，一部分形成在基本复制的基片上。可以有一条过渡线将位于加工基片上的复合面部分与位于复制基片上的复合面部分分隔。在加工基片上的复合面部分和在复制基片上的加工面部分的角取向的弧度通常相差小于10°。
另一个实例涉及一种具有许多置于复合基片上的面的几何结构体。所述复合基片包括具有结构表面的加工基片以及沿与所述加工基片的一部分界面结合的基本复制的基片。
在另一个实例中，所述复合基片包括具有结构表面的基本复制的基片和仅覆盖一部分所述结构表面的不连续的加工基片。所述复合基片还包括至少一种几何结构体，该几何结构体至少具有一个置于所述结构表面上的面和至少一个置于加工基片上的面。
另一个实例涉及一种包括基本复制的基片和加工基片的复合基片。所述复制基片具有结构表面，所述加工基片以一些分隔部分的形式位于所述结构表面上。
另一个实例涉及一种具有结构表面的复合模具，所述结构表面包括形成在复制基片上的许多个凹陷和围绕所述多个凹陷的许多个棱锥，所述多个凹陷是至少部分地切削加工在复合基片的加工基片上。
公开了立方角元件和带有这些立方角元件阵列的结构表面，其中所述立方角元件的至少一个面在这种元件的一条非两面边终止，所述面包括位于一条过渡线的相反两侧上的两个组分面，所述过渡线与所述非两面边不平行。所述立方角元件可以是种PG立方角元件，部分或所有的所述立方角元件包括位于一条与相应非两面边不平行的过渡线相反的两侧上的两个组分面，所述过渡线是一个在复合基片相邻两层之间的界面。在相邻立方角元件的阵列中，每个立方角元件可具有至少一个如上所述形式的面。另外，由于使用的是直接的切削加工技术，因此可制得很小的立方角元件(立方体高度可小于1mm)。
还公开了一种包括具有许多面的结构表面制品的制造方法。所述方法包括如下步骤：在加工基片的第一表面上形成几何结构体阵列；钝化该加工基片第一表面选定的部位；形成加工基片的复制基片，得到复合基片；在所述加工基片与第一表面相反的第二表面上形成第二几何结构体阵列；从所述加工基片的第二表面除去选定部分，形成相邻的立方角元件阵列。所述立方角元件可以是PG立方角元件。
在另一个实例中，所述结构表面制品的制造方法包括下列步骤：在加工基片的第一表面中形成几何结构体阵列；钝化该加工基片第一表面选定的部位；形成加工基片的复制基片，得到复合基片；在所述加工基片与第一表面相背的第二表面上形成第二几何结构体阵列；从所述加工基片的第二表面上除去选定部分，形成具有许多面的几何结构体，其中所述面中至少有一个位于所述加工基片上，并且至少有一个位于所述复制基片上。
在另一个实例中，所述在制品中制造几何结构体的方法包括提供具有结构表面的复合基片，该结构表面形成在两片基片之间的内部界面中；在该复合基片的露出表面上形成带凹槽的侧面，得到几何结构体，所述几何结构体包括一部分内部界面和一部分带凹槽的侧面。
附图简述
图1是现有技术的含有一种PG立方角元件阵列的结构表面的平面图；
图2是含有加工基片的组件的透视图；
图3是图2基片的剖面图；
图4是第一次切削加工操作后图2基片的透视图；
图5是图4所示加工基片一部分的特写透视图；
图6是含复合基片的组件的剖面图；
图6a是图6复合基片的放大剖面图；
图7是移去一个加工基座后图6组件的透视图；
图8是一部分围绕加工基片的坯料除去后图7组件的透视图；
图9是图7复合基片切削加工的剖面图；
图10是第二次切削加工操作后图8复合基片的透视图；
图11是图10的俯视图；
图12-14是具有倾斜的PG立方角元件的结构表面的平面俯视图，这种表面可使用图2-11所述方法制得；
图15是本发明另一种加工基片的平面俯视图；
图16是图15基片的剖面图；
图17是带有钝化表面的图15基片的剖面图；
图18是除去部分钝化表面后图17基片的平面俯视图；
图19是图18基片的剖面图；
图20是含有复合基片的组件的剖面图；
图21是图20复合基片切削加工的平面俯视图；
图22是图21基片的剖面图；
图23是第二次切削加工操作后图21复合基片的平面俯视图。
在这些附图中，为方便起见使用相同的标号表示相同的部分或者起相同或相似作用的部分。
说明性实例的详细描述
图2和图3显示用于制造本发明结构表面(见图9-10)的组件20。该组件20包括用第一粘合剂层26粘合在第一加工基座24上的坯料22。在该说明性实例中，坯料22是连续的结构体，它包括台板27和一系列伸出表面32的基准垫30a、30b、30c、30d、30e、30f(统称为基准垫30)。在一个实例中，台板27的高度34大致等于基准垫30的高度36。基准垫30的数目取决于用途。在一个实例中，台板27和基准垫30可以是粘合在第一加工基座24(而非如图2所示连续的坯料22)上隔开的一些部件。
坯料22的材料是可以划线、切割或其它切削加工而不会发生明显的加工后变形以及明显毛刺的材料。这就可确保加工面或者其在其它基片上的复制物能成为有效的光学反射器。坯料22可由各种材料(例如铜、镍、铝、丙烯酸树脂或其它聚合物材料)制成。合适的基片材料将在下面进一步描述。在一个实例中，坯料22是约0.030英寸厚的金属薄片。
坯料22用合适的粘合层26(例如环氧树脂、蜡、热成形或热固性粘合剂等)粘合在第一加工基座24上。在该说明性的实例中，第一加工基座24是约2.54cm(1.0英寸)厚的金属板。第一加工基座24支承较薄的坯料22，并提供基准表面38用于随后的切削加工操作。尽管圆形的组件20可方便地进行随后的电镀操作，但是圆形的形状并非是必需的。
图4显示在坯料22的台板部分27中形成加工基片28的切削加工操作。刀具40a、40b、40c(统称刀具40)沿台板27(见图2)移动(可以移动刀具、移动基片或者两者均移动)，形成加工基片28的结构表面50。刀具40a在基准垫30c、30f上分别形成基准凹槽44c、44f；刀具40b在基准垫30a、30d上分别形成基准凹槽44a、44d；刀具40c在基准垫30b、30e上分别形成基准凹槽44b、44e。在各个基准垫30上也可以形成对于加工基片28的中央同心的圆形基准凹槽46a、46b、46c、46d、46e、46f。在一种改进的坯料22’的边缘还可以形成一些基准标志43以帮助定位复合基片82，以便进行图7所示的切削操作。
各把刀具40被描述成所谓的“半角”刀具，该刀具在材料中进刀时形成带凹槽的侧面而不是一对对置的带凹槽侧面，尽管这不是必需的。在该说明性的实例中，带凹槽的侧面中有一个是基本垂直的(参见图5)。与直接切削加工方法相一致，刀具40沿着与由基准表面38限定的x-y基准平面基本平行的轴42a、42b和42c移动，确保各个带凹槽的侧面也沿着与基准平面基本平行的轴延伸。在该说明性的实例中，每根轴42a、42b、42c与两个基准垫30相交。较好的是，轴42a、42b、42c要仔细定位，并仔细选择刀具的方向，使凹槽侧面具有大致均匀的深度。
应当注意，尽管图4中表示的是三把刀具，但是也可使用一把刀具。所述刀具可由金刚石或其它合适的硬质材料制成。可采用一系列已知的材料除去技术中的任何一种来形成加工面，例如磨铣，其中沿其轴旋转的旋转刀具是倾斜的，并在基片表面上移动；快速切削，其中刀具(如金刚石)安装在快速旋转的轮子或相似结构的周边上，随后在基片表面上移动；划线，其中不旋转的刀具(如金刚石)在基片表面上移动；研磨，其中带有刀尖或刀刃的旋转磨轮在基片表面上移动。其中，较好的方法是快速切削和划线。在切削加工过程中是刀具、是基片还是这两者相对于周围环境发生移动并不是关键的。如有可能，全角刀具优于半角刀具，因为全角刀具不大会断裂，并具有更高的切削速率。最后，具有一个或多个曲面部分的刀具在所述实例中用来提供一个或多个非平面(曲面)的表面，用以获得所需的光学和机械效果。
图5表示的是图4所示加工基片28上加工形成的结构表面50的一个放大部分。结构表面50上有形成立方角棱锥56的三个一组排列的面54。位于结构表面50上立方角棱锥56之间的是突起58。图中所示的突起58都具有三个相互垂直的侧面60、三个大致垂直的表面61和顶面62。根据结构表面50制造方法的不同，突起58的大致垂直的表面61可以偏离垂直方向或大或小地倾斜。在该说明性的实例中，立方角棱锥56覆盖加工基片面积的大约50％，而突起58覆盖该基片面积的另外50％。
随后清洗并钝化该结构表面50。钝化步骤包括施加剥离层或对表面50进行修正，以便随后复制的基片70(见图6)能分离。在坯料22是由金属(例如铜)制成的一个实例中，可使用重铬酸钾或其它钝化溶液钝化结构表面50。在坯料22是由丙烯酸树脂或其它聚合物材料制成的实例中，可使用蒸气镀覆或化学沉积的银来产生剥离层。可根据加工基片28和复制基片70使用的材料对钝化步骤进行修正。
为了选择性地将复制基片70附着在结构表面50上，对突起58的顶面62进行处理。在一个实例中，顶面62经过研磨。可采用平面化加工、快速切削或各种其它方法研磨顶面62。
图6和图6a显示在加工基片28和基准垫30上形成复制基片70后得到的组件81。复制基片70可采用电镀、填料流延和各种其它技术制得。复制基片70的厚度是设计时要考虑的问题。在该说明性的实例中，复制基片70的厚度约为所需立方角元件高度的两倍。
如图6a最佳显示的那样，由于先前的钝化和研磨步骤，复制基片70附着在结构表面50的突起58的顶面62上，而不是附着在棱锥56的钝化表面和突起58的侧面60、61上。复制基片70的部分突入到加工基片28中，形成复合基片82(并见图9)。第二加工基座74通过合适的粘合剂层78粘合在复制基片70的背面76上。如第一加工基座24那样，第二加工基座74也包括基准表面80，以便于随后的切削加工步骤。对这些加工而言不再需要第一加工基座24和粘合剂层26，因此从组件20上除去之。
图7是一个组件81的透视图，它包括选择性地粘合在复制基片70上的改进的坯料22’(加工基片28和基准垫30)。复制基片70通过粘合剂层78粘合在第二加工基座74上。在该说明性的实例中，改进的坯料22’的背面71基本是平的。仅仅为了说明的目的，图中嵌入组件的复合基片82和基准垫30以虚线表示。
沿复合基片82的周边P1、P2、P3、P4形成一组4条割线，从组件81上除去改进的坯料22’围绕加工基片28的部分。还可以使用基准标记43定位复合基片82。钝化层有助于除去上述废料。在一个坯料22和复制基片70是由金属制成的实例中，坯料22围绕加工基片28的部分是可从复制基片70上剥离的薄层。
图8是一个改进的组件83的透视图，其中已除去了坯料22围绕复合基片82的部分。表面85是复制基片70的表面。在表面85上方延伸的表面90是加工基片28的背面。基准垫30的基准垫复制品84a、84b、84c、84d、84e、84f(统称为基准垫复制品84)形成了表面85中的凹陷。基准垫复制品84a、84d各自具有平行的隆起86a、86d；复制品84b、84e各自具有平行的隆起86b、86e；复制品84c、84f各自具有平行的隆起86c、86f(统称为隆起86)。各个基准垫复制品84各自具有隆起88a、88b、88c、88c、88d、88e、88f(统称隆起88)，形成了一个对于复合基片82的中央同心的圆。在该说明性实例中，隆起86、88的顶部大致与表面85共平面。
图9是在加工基片28的背面90上进行切削加工的步骤的示意图。在该说明性的实例中，复合基片82包括加工基片28和未分离的复制基片70。结构表面50和复制基片70之间的界面92用虚线表示。但是，在界面92上的粘合限于在突起58的研磨顶面62上。钝化层阻止或使界面92剩余部分(例如沿棱锥56部分或突起58的侧面60、61)的粘合最少。
随后利用隆起86、88作为基准点引导刀具101，在加工基片28的背面90上实施图4所示的加工步骤。刀具101可以是也可以不是半角刀具。在加工基片28和/或复制基片70是由透明或半透明材料制成的，或者加工基片28和复制基片70之间的界面可沿复合基片82的周边P1、P2、P3、P4观察的实例中，可以不需要参考垫复制品84。也就是说，无需求助于基准垫复制品84就可确定三根轴42a、42b、42c的取向。在加工基片28是由不透明材料(例如金属)制成的情况下，参考垫复制品84(尤其是隆起86)提供了精确的基准点，从而可实施图9所示的切削加工步骤。
在所有三根轴42a、42b、42c方向上进行了切削后，加工基片28的废料部分94脱落或除去，在复制基片70上留下立方角凹陷118。在某些实例中，刀具101可切入复制基片70，使该复制基片上可有个复制的即成形的部分和切削加工部分。在加工基片28上的分隔部分即突起58的远端即顶面62与复制基片70相合。突起58的底部即基部则被切削成立方角棱锥120a。在加工基片28上的突起58保持嵌入在复制基片70上。从复制基片70上除去所有加工基片28的废料部分94以后，立方角棱锥120a和立方角凹陷118形成一个带有PG立方角元件阵列的几何结构体表面100(见图10)。
图10是形成所有凹槽侧面后复合基片82上一个几何结构表面100的图。每个立方角凹陷118具有三个复制面116a、116b、116c，每个立方角棱锥120a具有三个大致相互垂直的加工面126a、126b、126c。在立方角棱锥120a的三个面分别与凹陷118的相邻几个面116大致基本呈同一方向，并且这些凹陷118具有共同取向的情况下，立方角棱锥120a的该三个面(当分开考虑时)形成一个“截顶”立方角棱锥。这种棱锥的特征在于具有三条精确的非两面边，在结构表面的平面中构成一个“底部三角形”。
立方角棱锥120a的三个面126a-c中的每一个均切削加工成分别与相邻立方角凹陷118的最接近面116？中的一个呈同一方向。结果，每个新的立方角凹陷132包括一个复制的立方角凹陷118和来自每个其相邻几何结构体120a中的一个加工面126。标号132a以粗体直线显示一个这种立方角凹陷132。一个立方角凹陷132的一个给定面包括一个形成于复制基片70中的立方角凹陷118的一个面和在加工基片28中切削加工成的面126a、126b或126c中的一个面。如下面将描述的那样，立方角凹陷118的面116是加工在复制基片70中的。因此，每个立方角凹陷132包括一个复合面，该复合面是由一个基本上形成在或复制在复制基片70中的部分和一个加工在加工基片28中并由过渡线130分隔的部分构成的。过渡线130位于加工基片28和复制基片70之间的边界或界面上。
还可看到形成在图10所示结构表面上的新立方角棱锥134。每个立方角棱锥134包括一个几何结构体120a(它是个立方角棱锥)和每个其相邻立方角凹陷118中的一个面。一个所述棱锥134的每个面均是复合面，该复合面包括复制基片70中一个凹陷118的一个面116和一个由加工基片28形成的结构体120a的加工面。标号134a以粗体直线显示一个这种立方角棱锥134。注意基准点122定位着棱锥134的最外端即顶端。立方角棱锥134和立方角凹陷132均是PG立方角元件，因为两者均具有在立方角元件的一个非两面边结束的面，所述非两面边与基准平面x-y不平行。
图11是图10结构表面的俯视图。过渡线130画成比其它线更细，以便看清PG立方角元件，即立方角凹陷132和立方角棱锥134。这种PG立方角元件的复合面朝过渡线130的相反两侧延伸，所述过渡线将加工基片28的一些分隔部分与那些分隔部分粘合于其上的复制基片70隔开。在该说明性实例中，所有过渡线130均位于一个普通平面(称为过渡平面)上，在本实例的情况下该过渡平面与x-y平面共平面。在加工基片28中加工成的结构表面的各个面位于过渡平面的一侧，在复制基片70中加工成的各面则位于另一侧。
图10-11的加工的立方角制品，本身可作为对于由上方入射的光线来说(利用立方角凹陷132)和(在基片至少部分透明的情况下)由下方入射的光线来说(利用立方角棱锥134)呈逆向反射的制品。在这两种情况下，根据基片的组成情况，可在结构表面上施加一层镜面反射薄涂层(如铝、银或金)，用以提高复合面的反射性。在光从下方入射的情况下，可以不用反射涂层，因为这有利于形成产生全内反射的空气界面。
但是，图10-11的复合基片通常用作模具采用常规复制技术来制造(直接制造或通过多次制造模具)最终使用的逆向反射制品。由该复合基片制得的各种模具或者其它制品通常含有至少一个面在立方角元件的一个非两面边终止的立方角元件，所述至少一个面包括位于过渡线两个相反侧面的两个组分面，所述过渡线与这种非两面边不平行。由图10-11可见，过渡线130位于与x-y平面相符的过渡平面上，而以粗体直线表示的PG立方角凹陷132和PG立方角棱锥134的非两面边相对于x-y平面倾斜。还可通过在基片中形成深度不同的凹槽侧面，制得不是所有过渡线均位于相同平面的表面。
过渡线总体上可具有种种形状，取决于使用的刀具情况以及在形成凹槽表面的过程中刀具的运动与其它面精确排列的程度。尽管在许多用途中，过渡线是需要最小化的人为因素，但是在其它用途中可采用过渡线有利地获得所需的光学效果(例如部分透明的制品)。各种过渡线结构的详细描述可参见同一天提交的题为“含带复合面的几何结构体的结构表面制品及其制备方法”的共同转让的美国专利申请09/515,120(代理人案卷号54222USA1A)。
可使用本发明复合基片82和上述切削加工技术制得各种结构表面。图11的PG立方角元件各自具有一根垂直于结构表面的x-y基准平面的对称轴。立方角元件通常对于大致沿该对称轴入射的光线呈现最高的光学效率。随着入射角偏离该对称轴，立方角元件逆向反射的光线量随之下降。图12显示与图11相似的沿x-y平面延伸的结构表面136的俯视平面图，但是图12的PG立方角元件全部是倾斜的，从而其对称轴相对于结构表面的法向倾斜。图12中各个PG立方角凹陷146的对称轴位于一个与y-z平面平行的平面中，具有一个沿+z方向(由纸面向外)的垂直分量和一个沿+y方向的横向分量。图12的PG立方角棱锥148的对称轴指向相反方向，在-z和-y方向具有分量。在制备表面136时，使用的复合基片中，通常具有三角形横截面的突起，其截面形状是等腰三角形，不是如图1那样的等边三角形。
在结构表面136上存在四种不同形状的立方角元件：在复制基片70中形成的，在平面视图12中形状为三角形的截平立方角凹陷、在加工基片28的一些分隔部分中加工形成的具有多个面，在平面视图12中形状为三角形的截平立方角棱锥、具有复合面，在平面视图12中为六边形形状的PG立方角凹陷、以及也具有复合面，在平面视图12中为六边形形状的PG立方角棱锥。形成于复制基片70中的一个代表性的立方角凹陷在图12中用粗体直线140表示，加工在加工基片28中的一个代表性立方角棱锥用粗体直线142表示。过渡线144将加工面与形成的或复制的面分隔，所有这些过渡线144均位于一个与x-y平面平行的过渡平面中。在另一个实例中，过渡线可与一个过渡平面平行但并不共平面。凹陷140和棱锥142的选择面形成倾斜的PG立方角元件，具体是倾斜的PG立方角凹陷146和倾斜的PG立方角棱锥148。如同前面那样，基准点122是x-y平面上方的局部顶点或峰。
图13显示一个与图12相似的结构表面136a，同样的特征采用与图12相同的数字，但是加后缀a。图13的PG立方角元件相对于结构表面136a的法向倾斜，但是与图12的PG立方角元件不同方向。各个PG立方角凹陷146a的对称轴位于一个与y-z平面平行的平面内，在+z方向具有垂直分量，在-y方向具有横向分量。
图14显示一种与图12和图13相似的结构表面，同样的特征使用与图12相同的数字，但是加后缀b。图14中的PG立方角元件也是倾斜的，但是与图12和图13的PG立方角元件不同，其倾斜的程度使得各个PG立方角元件在平面视图中的轮廓没有镜面对称面。图14的立方角凹陷各自具有一个对称轴，它在+z、+y和-x方向都有分量。应注意过渡线144形成的三角形(图12)是等腰三角形，各自仅具有一个小于60°的内角；线144a形成的三角形(图13)是等腰三角形，仅有一个内角大于60°；线144b形成的三角形(图14)是不等边三角形。由过渡线144a限定的三角形三个内角的代表性角度值分别为(70，70，40)、(80，50，50)、(70，60，50)。
上面描述的实例是与不对称入射角度相联系的(即当围绕片材平面中的一根轴旋转时)。也可以是对称的入射角度，例如就图15-23讨论的匹配对立方角结构。
图15和图16给出本发明的另一种加工基片200。该加工基片200藉第一粘合剂层204粘合在第一加工基座202上。使用刀具201a、201b形成分别平行于轴207a和207b的两组凹槽206、208，构成一个加工表面212。在该说明性的实例中，加工表面212包括四个一组排列的面213，形成具有顶点或基准点215的四棱锥210。该四棱锥排列成排217、222、223。凹槽206、208还形成其它几何结构体211。
如图17的剖面图所示，随后对加工表面212进行清洗和钝化。所述钝化步骤包括在加工表面212上施加剥离层或制成表面改性层216(统称为钝化表面)，以便随后分离复制基片214(见图20)。在一个实例中，钝化表面仅形成在一部分加工表面212上。
如图18和19所示，使用刀具201c在加工表面212上形成平行于轴207c的几个附加凹槽220a、220b、220c(统称为凹槽220)，以便除去一些几何结构体211的部分。凹槽220还除去了一些表面改性层216，以便将复制基片214(见图20)选择性地粘合在加工表面212上。如图19最佳所示的那样，在平坦区228或侧壁230上不存在钝化表面216，而在面213上的钝化表面基本上是完整无缺的。
图20显示在加工基片200’上形成复制基片214后的组件232。可采用电镀、流延填料和各种其它技术形成复制基片214。由于前面的钝化步骤，复制基片214附着在平坦区228和侧壁230上，而非钝化表面216上。复制基片214的部分234沿表面228、230突入加工基片200’，并与其粘合，形成复合基片236。使用合适的粘合剂层254将第二加工基座250粘合在复制基片214的背面252上。如第一加工基座202那样，第二加工基座250包括基准表面(见图3)以便帮助随后的切削加工步骤。在这些步骤过程中不再需要第一加工基座202和粘合剂层204，所以将其从组件232上除去。如下面所述，在背面260的切削加工过程中，第二加工基座250支承复合基片236。
图21和图22说明在复合基片236的背面260上进行的切削加工步骤。使用刀具272a、272b、272c沿轴270a、270b、270c形成凹槽268a、268b、268c。凹槽268a、268b、268c可伸入复制基片214中。废料部分274因为钝化层216的缘故不与复制基片214相粘合。因此，在沿所有三根轴270形成凹槽268后，废料部分274脱落或被除去，在复制基片214上留下四面的凹陷276。
但是，复合基片236的一些分隔的片段或部分278、280沿表面230粘合在复制基片214上。部分278、280的底部即基部切削加工成三棱锥282。加工基片200’的部分278、280保持嵌入在复合基片236的复制基片部分214。一旦复合基片236的所有废料部分274均从复制基片214上除去，露出所有的四面凹陷276后，三棱锥282和四面凹陷276就构成含PG立方角元件阵列的几何结构体表面290(见图23)。
在加工基片200’和/或复制基片214由透明或半透明材料制成，或者加工基片200’与复制基片214之间的界面可在复合基片236的周边上看到的一个实例中，可以不需要基准垫(如图2-8所示的基准垫)。也就是说，无需基准垫就可完成刀具的排列。在加工基片200’由不透明材料(例如金属)形成的情况下，基准垫(如图2所示的基准垫)可为实施图21所示的加工步骤提供精确的基准点。
图23显示所有凹槽侧面形成后的几何结构体表面290。这种几何结构体在结构表面上形成两种不同类型的PG立方角元件。立方角棱锥296具有面g以及分别由过渡线a和b隔开的复合面h、h’；i、i’。立方角棱锥298具有面j和分别被过渡线c、d隔开的复合面k、k’；l、l’。面g和面j是具有多于三个侧面的多面体。结果，在俯视图23中，立方角棱锥296、298各自具有一个由轮廓虚线表示的矩形，而非如图10-14所示的六边形轮廓。在一个凹槽272c均具有相同深度的实例中，立方角元件296和298是对置的或者匹配的立方角元件对，提供对称的入射角度。根据长宽比的情况，立方角元件的平面视图的矩形轮廓还可以是正方形。
图23的立方角元件可以根据需要是倾斜的(向前或向后)或者是不倾斜的。制造或大或小程度上倾斜的立方角元件是调节金刚石形突起的形状，随后将凹槽侧面(g、h、i、j、k、l)的方向调节成与所需的倾斜度相符而实现的。如果采用倾斜的立方角元件，则根据美国专利4,588,258(Hoopman)、5,812,315(Smith等人)和5,822,121(Smith等人)所述的原理，这种倾斜的立方角元件对，可产生宽的逆向反射角度，从而在宽入射角范围内可观察到带有该结构表面的制品。
在本发明切削加工过程中，刀具可除去较大量的材料，因为陡峭倾斜的侧壁与随后加工成的面之间的夹角通常超过10°，一般约10-45°。通过在任何一步或这两步切削步骤中在凹陷或突起上留下多一些材料可在这种改进的加工基片上形成某一些凹槽侧壁，这就可降低工具作用力，否则会产生有害的形变。。另一优点是刀具磨损小。还可使用本发明这种改进的加工基片作为母模，由该母模制得下几代正/负模具。改进的加工基片的各种几何构造可参见同一天提交的题为“含带有复合面的几何结构体的结构表面制品及其制备方法”的共同转让的美国专利申请09/515,120(代理人案卷号：54222USA1A)。
如美国专利4,775,219(Appledorn等)所述，本文公开的立方角元件使制品逆向反射的光线分布成所需的图案或发散图形。例如，构成PG立方角元件的复合面可以按重复的方向格式排列，该方向与能与立方角元件其它面相互垂直的方向有稍许差异(例如几分的弧度)。这可以以一个角度加工凹槽侧面(在最终模具中形成过渡平面以下的面的那些侧面以及在最终模具中形成在过渡平面以上的面的那些侧面)来完成，所述角度与形成相互垂直的面的角度相差称为“凹槽半角误差”的量。通常，引入的凹槽半角误差小于+20分弧度，较好小于±5分弧度。一系列连续的平行凹槽侧面可具有一个凹槽半角误差的重复格式，例如abbaabba……或abcdabcd……，其中a、b、c和d是唯一(unique)的正值或负值。在一个实例中，用来在最终模具中在过渡平面上方形成面的凹槽半角误差格式可以与在最终模具中用来形成平面下方形成面的凹槽半角误差相匹配。在这种情况下，在加工基片和复制基片上各个复合面的部分相互之间在角度上基本呈同一方向。在另一个实例中，用于形成一组面的格式可以与用于形成另一组面的格式不同，例如，过渡平面下方的面有给定的非零角度误差格式，在过渡平面上方的面基本没有角度误差或者有不同的非零误差格式。在后一种情况下，在加工基片和复制基片上的各个复合面部分在角度上相互间不呈同一方向。
较好的是，这些基片可作为母模基片，用于制造下几代正/负模具，在平面视图中它们均具有相同的立方角元件总体形状，但是面的构造关系稍有不同。一种这种下一代模具所含的每个立方角元件中，复合面的组分面是同方向的，所有的复合面均相互垂直于立方角元件剩余的面。另一种这种下一代模具的立方角元件中，复合面的组分面也是准直的，但是这些复合面与立方角元件的剩余面可以不垂直。再一种这种下一代模具的立方角元件中，复合面的组分面不是同方向的。所有这些下一代模具均可由同一母模制成，并在加工时除去很少的材料。
模具基片的工作表面可具有任何合适的物理尺寸，选用标准包括最终模具表面所需的尺寸和用于切割凹槽表面的机械角度上和平移上的精度。工作表面的最小横向尺寸应大于两个立方角元件的尺寸，每个立方角元件的横向尺寸和/或立方体高度宜为约25微米至1毫米，较好约25微米至0.25毫米。工作表面通常是正方形，边长数英寸，标准的边长为4英寸(10cm)。也可使用更小的尺寸以便更容易切割与在整个结构表面上形成的表面适应尺寸的凹槽。基片厚度可约为0.5-2.5mm(本文提供的尺寸仅用于说明的目的，而非限制)。可将薄基片固定在较厚的基底上增加刚性。可将多个制得的模具以已知的平铺方式相互组合(例如通过焊接)在一起，形成更大的平铺模具，用于制造平铺的逆向反射制品。
在制造逆向反射制品(例如逆向反射片)时，将加工基片的结构表面用作可采用电镀技术或其它常规复制技术复制的母模。该结构表面可包括基本相同的立方角元件或者可包括不同尺寸、几何形状或取向的立方角元件。复制品(在本领域中有时也称为“压模”)的结构表面含有立方角元件的负像。该复制品可作为模具用于形成逆向反射制品。但是，通常是将大量合适的复制品边对边地组合在一起，形成的平铺模具大得适合形成平铺的逆向反射片。随后可例如用上述立方角元件阵列压花形成一预制片材，或将流体材料浇注在模具中，制成整体的逆向反射片材(参见JP 8-309851和Pricone的美国专利4,601,861)。或者，可如PCTWO 95/11464(Benson等人)和美国专利3,684,348(Rowland)所述，将立方角元件浇注在一预制薄膜上或者将预制的薄膜层压在预制的立方角元件上，制得层压的逆向反射片产品。作为例子，这种逆向反射片可使用由母模上电沉积镍形成的镍模具制得。该电铸模具可用作压模，在约500微米厚的聚碳酸酯膜(折射率约1.59)上压印出模具的图案。该模具可用在压机中，在约为175-200℃的温度进行压制。
上述各种模具基片大致可分为两类：复制基片(从前面的基片上通过复制接受至少一部分其结构表面)和本体基片(其结构表面不是复制形成的)。作为本体模具基片的合适的材料是本领域普通技术人员众所周知的，一般包括能洁净切削加工不形成毛刺并且形成凹槽后能保持尺寸精确度的任何材料。可使用许多种材料，例如可加工的塑料或金属。丙烯酸树脂是塑料材料的一个例子；铝、黄铜、化学镀的镍和铜是适合的金属例子。
适合用于随后不再切削加工的复制模具基片的材料是本领域普通技术人员众所周知的，例如对先前结构表面能保持高保真度的塑料或金属。可使用热压花的或流延的塑料(如丙烯酸树脂或聚碳酸酯)。也可使用电解的镍或镍合金。
适合用于其结构表面随后进行切削加工的复制模具基片的材料也是本领域普通技术人员众所周知的。这种材料应具有能确保对先前结构表面的高保真度，并且能够用金刚石刀具切削加工的物理性能，例如低收缩性或低膨胀性、低应力等。塑料(例如丙烯酸树脂(PMMA)或聚碳酸酯)可通过热压花复制，随后用金刚石刀具切削加工。合适的硬或软的材料包括电沉积的铜、化学镀的镍、铝或它们复合材料。
对于用这些模具直接或间接制得的逆向反射片，其合适的材料较好是尺寸稳定的、经久的、耐天候老化的并容易形成所需结构的材料。合适的材料的例子包括丙烯酸树脂(其折射率一般约1.5，例如购自Rohm and Haas的Plexiglas树脂)；热固性丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯，较好是可辐照固化的折射率约为1.6的聚碳酸酯；聚乙烯基离聚物(以SURLYN的名称出售)；聚酯；乙酸丁酸纤维素。一般可使用在热和压力作用下可成形的任何透光材料。用于形成逆向反射片的其它合适的材料可参见美国专利5,450,235(Smith等)。如有必要，该逆向反射片还可包含着色剂、染料、紫外光吸收剂或其它添加剂。
在某些情况下，需要提供具有背衬层的逆向反射片。对于根据全内反射原理反射光线的逆向反射片，背衬层特别适用。合适的背衬层可以用能有效地与所述逆向反射片结合任何透明或不透明材料，包括着色的材料。合适的背衬材料包括铝片、镀锌钢板、聚合物材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚酰胺、聚氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚氨酯)和由这些和其它材料制成的各种层压物。
背衬层或背衬片可以以格栅图案或适合的任何其它形貌封接于逆向反射元件上。可以在反射元件阵列上一个个分隔开来的位置使用各种方法(包括超声波焊接、粘合或热封结)进行封结(参见美国专利3,924,928)。需要进行封结以防止污物(例如泥土和/或水汽)进入并保存在立方角元件的反射表面附近的空气间隙。
如果需要提高该复合物的强度或粗糙度，可使用聚碳酸酯、聚丁酸酯(polybutryate)或纤维增强的塑料。根据形成的逆向反射材料的柔性程度情况，该材料可以卷绕或切割成条状或其它合适的形状。逆向反射材料还可以用胶粘剂和剥离片作为背衬，使之适用于任何基板，而无需另外的施加胶粘剂或使用其它紧固装置的步骤。
选用术语的术语表
“相邻立方角元件阵列”是指一个给定的立方角元件以及与该立方角元件接壤的所有相邻立方角元件。
“复合面”是指由至少两个相互贴近而又可区别的面(称为“组分面”)组成的一个面。所述组分面相互之间基本呈同一方向，但是它们可以相互间稍许平移和/或旋转(弧度小于10°，较好小于约1°)而偏置，以获得本文所述的所需光学效果。
“复合基片”是指由带结构表面的加工基片和复制基片(统称为“层”)形成的一种基片，所述复制基片在其至少一部分界面上与所述加工基片附着。复合基片的一层或多层可以是不连续的。
“立方角凹陷”是指一个凹陷，其至少部分被构成立方角元件的三个面所围绕。
“立方角元件”是指一组三个面，它们协同逆向反射光线或者另行将光线导向所需的位置。这三个面可部分或全部是复合面。“立方角元件”还包括本身不逆向反射光线或者另行将光线导向所需位置的一组三个面，但是复制(正复制或负复制)在合适的基片上，就形成能逆向反射光线或者另行将光线导向所需的位置的一组三个面。
“立方角棱锥”是指至少具有三个排列成立方角元件的侧面的物体。
“立方体高度”是指对于已形成在或者可形成在基片上的立方角元件，垂直于立方角元件部分之间的基片的轴的最大间距。
立方角元件的“两面边”是立方角元件三个面中的一个面的边，该边连接同一立方角元件另两个面中的一个面。注意在结构表面上的任何边可以是或可以不是两面边，取决于考虑的是哪一个立方角元件。
“直接切削加工”是指通常沿与基片平面基本平行的轴移动刀具，在基片平面上形成一个或多个凹槽侧面的操作。
“面”是指基本光滑的表面。
“几何结构体”是指具有多个面的突起或凹陷。
“凹槽”是指沿凹槽轴伸长的凹陷，并且至少被两个对置的凹槽侧面所围绕。
“凹槽侧面”是指由一把或多把刀具在基片上进行基本连续的直线运动形成的一个或一系列表面。这种运动包括快速切削技术，此时刀具以基本直线的路径前进时它还作旋转运动。
立方角元件的“非两面边”是立方角元件三个面中的一个面的边，它不是该立方角元件的两面边。注意结构表面上任何具体的边均可以是或者可以不是非两面边，取决于考虑的是哪一个立方角元件。
“PG立方角元件”表示“较好几何形状”的立方角元件，是就平行于基准平面延伸的立方角元件结构表面而定义的。在本发明申请中，PG立方角元件是指至少具有一条非两面边的立方角元件，该两面边(1)不平行于基准平面；(2)与相邻立方角元件的一个相邻非两面边基本平行。三个反射面均为矩形(包括正方形)的立方角元件是PG立方角元件的一个例子。
“突起”具有其广泛的普通含义，包括棱锥。
“棱锥”是指具有相交于一个顶点的三个或多个侧面的突起，可以包括棱台。
“基准平面”是指在一组相邻的立方角元件或其它几何结构体附近的平面或近似平面的其它表面，立方角元件或几何结构体在该平面上放置。
“逆向反射”是指这样的反射特征，即倾斜入射的光线沿入射方向或接近入射方向而反射，所以位于光源或光源附近的观察者能观察到反射光。
当将“结构”与表面一起使用时，它是指具有许多按各种取向排列的清晰不同面的表面。
当将“对称轴”与立方角元件一起使用时，它是指以立方角顶点为起点与立方角元件的三个面构成相等锐角的矢量。有时也称之为立方角元件的光轴。
“过渡线”是指分隔一个复合面的各个组分面的线或细长形状的几何特征。
“废料片”是指使用本发明制造方法时弃去的复合基片部分。
所有引用的专利或专利申请均参考结合于此。

Claims (37)

1.一种几何结构体体，它具有许多置于一个复合基片上的面，所述复合基片包括一个加工的基片和一个基本上复制的基片，所述面中的至少有一个面位于加工基片上，并且至少有一个面位于复制基片上。
2.如权利要求1所述的几何结构体体，其特征在于它包括立方角元件。
3.如权利要求1所述的几何结构体体，其特征在于所述面中至少有一个面包括复合面，该复合面的一部分位于加工基片上，该复合面的一部分位于复制基片上。
4.如权利要求3所述的几何结构体体，其特征在于在加工基片上的所述复合面部分与在复制基片上的所述复合面部分基本呈同一方向。
5.如权利要求3所述的几何结构体体，其特征在于在加工基片上的所述复合面部分与在复制基片上的所述复合面部分在它们的取向之间有个角度，此角度小于10°弧度。
6.如权利要求3所述的几何结构体体，其特征在于所述该复合面具有一条过渡线，它将在加工基片上的面部分与复制基片上的面部分相分隔。
7.如权利要求6所述的几何结构体体，其特征在于所述复合面在立方角元件的一条非两面边上终止，并且所述过渡线与该非两面边不平行。
8.如权利要求1所述的几何结构体体，其特征在于它包括立方角元件，该立方角元件在平面视图中的轮廓选自六边形和矩形。
9.一种模具，它包括许多如权利要求1所述的几何结构体体。
10.如权利要求9所述的模具，其特征在于所述许多几何结构体体包括许多立方角元件。
11.如权利要求10所述的模具，其特征在于所述许多立方角元件中有一些是PG立方角元件。
12.如权利要求10所述的模具，其特征在于所述许多立方角元件是一个结构表面的一部分，该结构表面包括形成于复制基片上的一些凹陷和至少部分地形成在加工基片上的棱锥。
13.如权利要求10所述的模具，其特征在于所述立方角元件中至少有一些以相反的取向排列。
14.如权利要求10所述的模具，其特征在于所述立方角元件中至少有一些是倾斜的，并构成立方角元件匹配对。
15.一种逆向反射制品，它是由权利要求11所述的模具经至少一次复制形成的。
16.一种复合基片，它包括具有结构表面的基本上复制的基片以及仅覆盖部分所述结构表面的不连续加工基片，所述复合基片还包括至少一个几何结构体体，它具有至少一个位于所述结构表面上的面和至少另一个位于所述加工基片上的面。
17.如权利要求16所述的基片，其特征在于所述几何结构体体包括立方体高度不超过约1mm的立方角元件，所述至少一个面和至少另一个面位于过渡线相反的两侧上，该过渡线与立方角元件的两面边不平行。
18.如权利要求16所述的基片，其特征在于所述至少一个面和所述至少另一个面位于过渡线的相反两侧，基本上所有的过渡线均平行于一个基准平面。
19.如权利要求16所述的基片，其特征在于所述几何结构体包括立方角元件，该立方角元件在平面视图上的轮廓选自六边形和矩形。
20.一种复合基片，它包括基本上复制的基片和加工基片，所述复制基片具有结构表面，所述加工基片位于所述结构表面上的一些分隔的部分中。
21.如权利要求20所述的复合基片，其特征在于所述结构表面上有一些凹陷，所述一些分隔的部分包括许多与所述凹陷相邻的棱锥。
22.如权利要求21所述的复合基片，其特征在于所述棱锥和凹陷形成一些伴随有对称入射角的立方角元件。
23.一种立方角制品，它是由权利要求20所述基片经至少一次复制形成的。
24.一种在制品中形成几何结构体体的方法，它包括如下步骤：
提供复合基片，它具有沿两层基片内部界面形成的结构表面；
在该复合基片的露出表面上形成凹槽侧面，得到几何结构体体，所述几何结构体体包括一部分内部界面和一部分凹槽侧面。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述几何结构体体包括立方角元件或PG立方角元件中的一种。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述提供步骤包括：
钝化两层基片中至少一层的一个表面；
然后选择性地除去钝化的表面的某些部分。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述形成步骤包括形成立方角元件阵列，该阵列包括所述几何结构体体。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述立方角元件的至少有些是倾斜的，并以相反的方向排列。
29.如权利要求24所述的方法，它还包括在两层基片的至少一层上形成至少一个基准标记。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述凹槽侧面沿与一个共同平面平行的轴延伸。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述提供步骤包括：
提供第一基片；
在所述第一基片的第一表面上形成许多面；
在所述许多面上形成第二基片作为复制品。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于所述在第一表面上形成许多面的步骤包括形成至少两组相交的平行V型凹槽。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述形成侧面凹槽的步骤在两层基片的一层上形成另一层的一些分隔的部分，该方法还包括下列步骤：
除去至少一些所述的分隔部分，露出内部界面的一些部分。
34.如权利要求24所述的方法，它还包括下列步骤：
复制几何结构体体，形成逆向反射片。
35.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述形成凹槽侧面的步骤包括形成许多几何结构体体的步骤，这些几何结构体体选自三侧面几何结构体体和四侧面几何结构体体。
36.一种制造结构表面制品的方法，该制品包括具有许多面的几何结构体体，所述方法包括下列步骤：
在加工基片的第一表面中形成许多个面；
形成加工基片的复制基片，得到复合基片；
在加工基片与第一表面相背的第二表面中形成许多个面；
除去加工基片的选定部分形成几何结构体体，该结构体至少具有一个位于加工基片上的第一面和至少一个位于复制基片上的第二面。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于所述几何结构体体是许多各自包括一个立方角元件的几何结构体体中的一个，所述立方角元件的至少有些是以相反方向排列的。
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