DE69636558T2

DE69636558T2 - Retroreflektierende Folie und Artikel

Info

Publication number: DE69636558T2
Application number: DE69636558T
Authority: DE
Inventors: Kenneth L. St. Paul Smith; Gerald M. St. Paul Benson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: DE69617008D1; DE69617008T2; JP4078450B2; WO1996042025A1; US5822121A; DE69619234D1; US5764413A; WO1996042024A1; EP0830621A1; US5812315A; DE69629685D1; EP0830621B1; EP0830622A1; AU698459B2; KR19990022405A; KR100414267B1; CN1123784C; KR100390277B1; CA2224001A1; EP0830623B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft retroreflektierende Gegenstände mit strukturierten Flächen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine retroreflektierende Folie mit einer strukturierten Fläche, die retroreflektierende Würfeleckenelemente mit ungleichseitigen Basisdreiecken enthält, sowie Formen zu deren Bildung.
HINTERGRUND
Retroreflektierende Gegenstände, die auf retroreflektierenden Würfeleckenelementen beruhen, haben eine verbreitete Akzeptanz in Anwendungen gewonnen, die Markierungen für den Verkehr und zur Personensicherheit betreffen. Eine retroreflektierende Würfelecken-Folie wird verbreitet verwendet, um die Sichtbarkeit oder Auffälligkeit von Verkehrszeichen bei schlechten Lichtverhältnissen und bei Nacht zu verbessern. Eine retroreflektierende Würfelecken-Folie hat auch eine verbreitete Akzeptanz bei Anwendungen gewonnen, die auffällige Fahrzeugmarkierungen betreffen. Zum Beispiel fordern in den Vereinigten Staaten staatliche Vorschriften, dass retroreflektierende Materialien an Anhängern für Sattelschlepper angebracht werden, um die Auffälligkeit dieser Fahrzeuge zu verbessern. Andere Anwendungen für eine retroreflektierende Würfelecken-Folie umfassen eine retroreflektierende Folie zur Verwendung bei Bekleidung mit hoher Sichtbarkeit.
Das retroreflektierende Grund-Würfeleckenelement ist in der Retroreflexionstechnik wohlbekannt. Dieses Element ist im Allgemeinen eine Triederstruktur mit drei gegenseitig im wesentlichen senkrechten Seitenflächen, die sich an einem einzigen Bezugspunkt oder Scheitelpunkt schneiden, und einem Basisdreieck, das dem Scheitelpunkt gegenüberliegt. Die Symmetrieachse oder optische Achse des Elements ist die Achse, die sich durch den Würfelscheitelpunkt erstreckt und den Innenraum des Würfeleckenelements dreiteilt. Im Betrieb wird Licht, das auf die Basis des Würfeleckenelements einfällt, von jeder der drei Seitenflächen reflektiert und zur Lichtquelle umgelenkt. Eine Reflexion von den Würfelecken-Seitenflächen kann durch spiegelnde Reflexion erreicht werden, wobei in diesem Fall die Seitenflächen eines Würfeleckenelements mit einer spiegelnd reflektierenden Substanz, wie zum Beispiel Aluminium oder Silber beschichtet sind. Alternativ kann eine Reflexion gemäß den Prinzipien der inneren Totalreflexion erreicht werden, wobei in diesem Fall die Flächen des Würfeleckenelements nicht mit einem spiegelnd reflektierenden Material beschichtet sind. Eine retroreflektierende Folie umfasst im Allgemeinen eine strukturierte Fläche, die mindestens ein Feld von reflektierenden Würfeleckenelementen aufweist, um die Sichtbarkeit eines Objekts zu erhöhen. Das gesamte Licht, das durch die Folie retroreflektiert wird, ist die Summe des Lichts, das durch die einzelnen Würfeleckenelemente retroreflektiert wird.
Der Ausdruck "Einfallwinkligkeit" wird üblicherweise verwendet, um die Retroreflexionsleistung einer retroreflektierenden Folie als eine Funktion des Einfallswinkels des Lichts, das auf die Folie einfällt, und der Orientierung der Folie zu beschreiben. Der Einfallwinkel des einfallenden Lichts wird typischerweise bezüglich einer Achse gemessen, die sich normal zur Basisfläche der Folie erstreckt. Die Retroreflexionsleistung eines Gegenstands kann als der Prozentsatz des gesamten Lichts, das auf die Fläche des Gegenstands einfällt, das durch den Gegenstand bei einem bestimmten Einfallwinkel zurückgeworfen wird, ausgedrückt werden.
Herkömmliche schräg abgeschnittene retroreflektierende Würfeleckenelemente weisen eine schlechte Einfallwinkligkeit auf. Die durch ein herkömmliches Würfeleckenelement retroreflektierte Lichtmenge fällt stark ab, wenn der Einfallwinkel des einfallenden Lichts von der optischen Achse des Elements abweicht. Entsprechend zeigt eine retroreflektierende Folie, die nicht geneigte, schräg abgeschnittene Würfeleckenelemente einsetzt, eine schlechte Retroreflexionsleistung als Antwort auf Licht auf, das auf die Folie unter hohen Einfallwinkeln einfällt.
Viele Anwendungen können von einer retroreflektierenden Folie profitieren, die eine ausgedehnte Einfallwinkligkeit in mehreren Ebenen aufweist. Eine solche Anwendung betrifft retroreflektierende Auffälligkeitsfolie für das Straßentransportgewerbe. Eine Lastkraftwagen-Auffälligkeitsfolie wird typischerweise am Heck und den Seiten von Lastkraftwagenanhängern sowohl in einer horizontalen Orientierung als auch einer vertikalen Orientierung relativ zum Rahmen des Anhängers angeordnet. Um effektiv zu funktionieren, muss die Folie Licht retroreflektieren, das auf den Anhänger mit hohen Einfallwinkeln einfällt, wenn die Folie in jeder Orientierung angeordnet ist. Folglich wäre es wünschenswert, eine retroreflektierende Lastkraftwagen-Auffälligkeitsfolie bereitzustellen, die in beiden Ebenen eine ausgedehnte Einfallwinkligkeit aufweist. Zeichen-Anwendungen würden ebenfalls von einer retroreflektierenden Folie profitieren, die eine ausgedehnte Einfallwinkligkeit in mehreren Ebenen aufweisen. Insbesondere reduziert eine retroreflektierende Folie, die mehrere Ebenen mit einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit aufweist, die Wichtigkeit, die Folie in einer bestimmten Orientierung auf dem Zeichen anzuordnen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines retroreflektierenden Gegenstands, der eine ausgedehnte Einfallwinkligkeit in mehreren Ebenen aufweist, das allgemein in der Technik als "Fliesen" bekannt ist, umfasst das Anordnen von mehreren diskreten Fliesen von geneigten Würfeleckenfeldern mit unterschiedlichen Orientierungen auf der Folie. Fliesen hat den Vorteil einer effektiven Herstellung eines Gegenstands mit mehreren Ebenen einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit. Jedoch hat Fliesen den innewohnenden Nachteil, dass bei jeder gegebenen Orientierung nur ein Bruchteil der gefliesten Abschnitte so orientiert ist, dass sie die maximale Lichtmenge retroreflektieren, die auf ihre Fläche einfällt. Als Ergebnis leidet eine geflieste Würfelecken-Folie an einem ihr innewohnenden Helligkeitsverlust in jeder gegebenen Orientierung, um mehrere Einfallwinkligkeitsebenen zu gewinnen.
Das US-Patent 4,588,258 offenbart einen retroreflektierenden Gegenstand, der zwei Ebenen mit einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit aufweist: eine erste Ebene, die im Wesentlichen mit der Ebene zusammenfällt, die die optischen Achsen der Würfeleckenelemente einschließt, und eine zweite Ebene, die senkrecht zur ersten Ebene ist. Jedoch zeigt dieser Gegenstand in der ersten Ebene im Wesentlichen eine ausgedehntere Einfallwinkligkeit als in der zweiten Ebene.
Es wäre wünschenswert, eine retroreflektierende Folie bereitzustellen, die zwei ausgedehnte Einfallwinkligkeitsebenen aufweist, die bei von null verschiedenen Einfallwinkeln eine im Wesentlichen ähnliche Retroreflexionsleistung aufweist. Es wäre noch wünschenswerter, eine Folie bereitzustellen, die diese optische Eigenschaft erzielen kann, ohne die Helligkeit zu opfern, wie es durch eine geflieste Würfelecken-Folie erforderlich ist. Die Technik offenbart weder einen solchen Gegenstand oder eine Weise, eine solche optische Eigenschaft zu erzielen, noch schlägt sie diese vor.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 spezifiziert.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine retroreflektierende Würfelecken-Folie, die eine verbesserte Einfallwinkligkeit in einer oder mehreren Ebenen aufweist, und auf Bezugsgegenstände und Formen zu deren Herstellung gerichtet. Kurz gesagt, stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt der Erfindung eine retroreflektierende Würfelecken-Folie bereit, die ein Substrat aufweist, das eine Basisfläche, die in einer Basisebene angeordnet ist, und eine strukturierte Fläche aufweist, die von der Basisfläche versetzt ist. Die strukturierte Fläche enthält ein Feld aus aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaaren, die durch drei sich schneidende Sätze im Wesentlichen paralleler Nuten gebildet werden. Nur zwei Nutensätze schneiden sich unter einem Winkel, der kleiner als 60 Grad ist; und mehrere Würfeleckenelemente im Feld umfassen ein Basisdreieck, das durch eine Nut aus jedem der drei sich schneidenden Nutensätze begrenzt ist, wobei das Basisdreieck ungleichseitig ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine retroreflektierende Folie bereit, die aus einem im Wesentlichen optisch transparenten Material gebildet wird, das ein Substrat aufweist, das eine Basisfläche, die in einer Basisebene angeordnet ist, und eine strukturierte Fläche aufweist, die von der Basisfläche versetzt ist. Die strukturierte Fläche weist ein Feld aufeinander abgestimmter Paare von geneigten Würfeleckenelementen auf, die durch drei sich schneidende Sätze im wesentlichen paralleler Nuten gebildet werden, wobei jedes aufeinander abgestimmte Paar ein erstes Würfeleckenelement und ein optisch gegenüberliegendes zweites Würfeleckelement aufweist. Mehrere Würfeleckenelemente im Feld umfassen ein Basisdreieck, das durch eine Nut aus jedem der drei sich schneidenden Nutensätze begrenzt wird und ungleichseitig ist. Zusätzlich sind die Symmetrieachsen mehrerer Würfeleckenelemente im Feld in einer ersten Ebene geneigt und die Folie weist ihren weitest ausgedehnten Einfallwinkligkeitsbereich in einer zweiten Ebene auf, die von der ersten Ebene winklig versetzt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnitts einer Ausführungsform eines würfeleckengegenstands gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittansicht des in 1 dargestellten Würfeleckengegenstands;
3 ist eine grafische Darstellung von Kurven gleicher Helligkeit, die die vorhergesagte Retroreflexionsleistung eines retroreflektierenden Gegenstands gemäß dem in 1 dargestellten Gegenstand darstellt;
4 ist eine grafische Darstellung von Kurven gleicher Helligkeit, die die gemessene Retroreflexionsleistung eines retroreflektierenden Gegenstands gemäß dem in 1 dargestellten Gegenstand darstellt;
5 ist eine grafische Darstellung der Gesamtlichtrückstrahlung als Funktion des Einfallwinkels des einfallenden Lichts für die in 1–2 dargestellte Würfeleckengeometrie;
6 ist eine grafische Darstellung, die die Gesamtlichtreflexion als Funktion des Einfallwinkels des einfallenden Lichts für die in 1-2 dargestellte Würfeleckengeometrie mit einer anderen Würfeleckengeometrie vergleicht;
7 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer retroreflektierenden Würfelecken-Folie gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeugs, die eine Anwendung der in 7 dargestellten Folie als Lastkraftwagen-Auffälligkeitsfolie veranschaulicht;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer retroreflektierenden Folie, die Würfeleckenelemente mit ungleichseitigem Basisdreieck einsetzt;
10 ist eine grafische Darstellung von Kurven gleicher Helligkeit, die die vorhergesagte Retroreflexionsleistung eines retroreflektierenden Gegenstands gemäß dem in 9 dargestellten Gegenstand darstellt;
11 ist eine perspektivische Ansicht einer retroreflektierenden Folie, die Würfeleckenelemente mit ungleichseitigem Basisdreieck einsetzt;
12 ist eine grafische Darstellung von Kurven gleicher Helligkeit, die die vorhergesagte Retroreflexionsleistung eines retroreflektierenden Gegenstands gemäß dem in 11 dargestellten Gegenstand darstellt;
13 ist eine schematische Draufsicht einer retroreflektierenden Würfelecken-Folie gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine schematische Draufsicht einer kommerziell erhältlichen retroreflektierenden Würfelecken-Folie;
15 ist eine grafische Darstellung, die die optische Leistung der in 13 dargestellten Folie mit der in 14 dargestellten Folie vergleicht;
16a–16j sind grafische Darstellungen gleicher Helligkeit, die Profile gleicher Helligkeit retroreflektierender aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare über zunehmende Neigungswinkel darstellen.
1, 2, 7–9, 11, 13 und 14 sind nicht maßstabsgerecht.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt retroreflektierende Würfelecken-Gegenstände bereit, die verbesserte optische Leistungseigenschaften aufweisen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist darauf gerichtet, eine retroreflektierende Folie bereitzustellen, die in mindestens einer Ebene eine verbesserte Einfallwinkligkeit aufweist. Obwohl es nicht notwendig ist, wird es bevorzugt, dass ein erfindungsgemäßer Gegenstand mindestens zwei Ebenen einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit aufweist. Es wird sogar noch mehr bevorzugt, dass ein erfindungsgemäßer Gegenstand bei einem gegebenen Einfallwinkel in jeder Ebene einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit im Wesentlichen dieselbe Lichtmenge reflektiert.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass bestimmte stillschweigende Annahmen in der früheren Würfeleckentechnologie nicht für alle Würfeleckengeometrien gelten. Insbesondere besagt eine wichtige stillschweigende Annahme in der früheren Würfeleckentechnologie, dass Neigen der optischen Achsen der Würfeleckenelemente um einen gegebenen Winkel in einer bestimmten Ebene die Einfallwinkligkeit des Gegenstands in einer Ebene verbessert, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene ist, die die optischen Achsen der Würfeleckenelemente enthält, und senkrecht zur Basisebene der Folie ist. Die vorliegende Offenbarung demonstriert, dass diese Annahme nicht für alle Klassen von Würfeleckengeometrien zutreffend ist. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass die optische Leistung retroreflektierender Gegenstände, die Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit aufweisen, die nicht mit der Ebene zusammenfallen, in der die optischen Achsen von Würfeleckenelementen liegen, verbessert werden kann, indem die Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit bei einem bestimmten Orientierungswinkel relativ zu einer Kante der Folie ausgerichtet sind. Vorzugsweise sollten die ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit annähernd parallel mit einer der Kanten der Folie orientiert sein.
1 ist eine vergrößerte schematische Draufsicht eines Abschnitts einer strukturierten Fläche 10 eines Gegenstands, der mehrere Würfeleckenelemente 12, 14 aufweist, die durch drei sich gegenseitig schneidende Nutensätze gebildet werden, die einen Satz primärer Nutzen 30 und zwei Sätze sekundärer Nuten 36, 37 aufweisen. Die Würfeleckenelemente 12, 14 weisen drei annähernd gegenseitig senkrechte Flächen 16, 18, 20 und ein Basisdreieck auf, das durch eine Nut in jedem der drei Nutensätze im Substrat begrenzt ist. Der Abstand zwischen angrenzenden Nuten in jedem Nutensatz misst vorzugsweise zwischen weniger als etwa 600 Mikrometer und mehr bevorzugt etwa 150–200 Mikrometer, jedoch ist offenkundig, dass die präzisen Messungen der Würfeleckenelemente nicht entscheidend sind. Die eingeschlossenen Winkel der Basisdreiecke der Würfeleckenelemente 12, 14, die in 1 dargestellt sind, messen annähernd 65 Grad, 65 Grad und 50 Grad, jedoch ist die besondere Geometrie des Basisdreiecks der Würfeleckenelemente 12, 14 nicht entscheidend, und es ist offenkundig, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Würfeleckenelemente beschränkt ist, die diese spezifischen Basisdreieckmaße aufweisen.
Die Bezeichnung eines Nutensatzes 30 als einen primären Nutensatz und der Nutensätze 36, 37 als sekundäre Nutensätze ist im Wesentlichen eine beliebige Konven tion. Für Würfeleckenelemente, die gleichschenkelige Basisdreiecke aufweisen, wie die in 1 dargestellten Würfeleckenelemente, weisen die sekundären Nutensätze 36, 37 im Wesentlichen identische Nutenwinkel (z. B. 38,721°) auf. Im Gegensatz dazu unterscheidet sich der Nutenwinkel a₁ der primären Nut 30 (z. B. 27,795°) vom Nutenwinkel der sekundären Nutensätze 36, 37. Indem die Konvention übernommen wird, einen Nutensatz als einen primären Nutensatz zu bezeichnen, kann die Orientierung eines Würfeleckenfelds relativ zur Kante des Substrats, auf dem das Feld angeordnet ist, durch den Winkel definiert sind, mit dem der primäre Nutensatz 30 die Kante des Substrats schneidet.
2 ist eine Querschnittansicht eines Abschnitts eines Gegenstands 2, der eine strukturierte Fläche 10 aufweist, wie in 1 dargestellt. Der Gegenstand 2 weist ein Substrat 4 auf, das wenn es flach ausgelegt ist, eine Basisfläche 6, die in einer Basisebene angeordnet ist, und eine strukturierte Fläche 10 aufweist, die von der Basisfläche 6 versetzt ist. Das Material, aus dem das Substrat 4 besteht, kann abhängig von der bestimmten Anwendung variieren, für die der Gegenstand 2 geeignet ist. Geeignete Materialien für unterschiedliche Anwendungen werden unten erläutert. Zusätzlich befindet sich in der in 2 dargestellten Ausführungsform die strukturierte Fläche 10 gegenüber der Basisfläche 6 und ist im Wesentlichen koplanar mit ihr, jedoch ist offenkundig, dass die strukturierte Fläche 10 sich weder direkt gegenüber der Basisfläche 6 befinden noch koplanar zu ihr sein muss.
Bezugnehmend auf 2, sind die Symmetrieachsen 24, 26 der Würfeleckenelemente 12, 14 um einen Neigungswinkel δ von annähernd 7,47 Grad von einer Achse 28 geneigt, die sich im Wesentlichen normal zur Basisfläche 6 erstreckt und den Scheitelpunkt der jeweiligen Würfeleckenelemente 12, 14 schneidet. Es ist jedoch offenkundig, dass der genaue Neigungswinkel δ nicht entscheidend ist, und die vorliegende Erfindung erwägt einen Neigungswinkelbereich, der sich von etwa 4 Grad bis etwa 15 Grad erstreckt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind Würfeleckenelemente 12, 14 in einer Ebene geneigt, die annähernd senkrecht zur primären Nut 30 liegt. Genauer sind die Würfeleckenelemente 12, 14 so geneigt, dass die Symmetrieachsen 24, 26 in einer Ebene liegen, die annähernd senkrecht zur primären Nut 30 und zur Basisfläche 6 ist. Geneigte Würfeleckenelemente, wie jene, die in 1–2 dargestellt sind, können als "rückwärts" geneigte Würfeleckenelemente bezeichnet werden. Rückwärts geneigte Würfeleckenelemente können ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass nur ein eingeschlossener Winkel des Würfeleckenelement-Basisdreiecks weniger als 60 Grad misst; die anderen beiden eingeschlossenen Winkel mindestens 60 Grad messen und in der dargestellten Ausführungsform etwa 65 Grad messen. Im Gegensatz dazu können vorwärts geneigte Würfel dadurch gekennzeichnet sein, dass zwei der eingeschlossenen Winkel des Basisdreiecks weniger als 60 Grad messen und ein einziger eingeschlossener Winkel des Basisdreiecks mehr als 60 Grad misst.
2 zeigt auch, dass der Nutenseitenwinkel a₁ der primären Nut 30 annähernd 29,795 Grad misst. Obwohl in 2 nicht gezeigt, messen die Nutenseitenwinkel der sekundären Nuten 36, 37 annähernd 38,721 Grad. Eine retroreflektierende Folie, die im Wesentlichen Würfeleckenelemente enthält, wie in 1 und 2 dargestellt, ist im US-Patent Nr. 2,310,790 (Jungersen) offenbart.
3 ist eine grafische Darstellung einer Kontur gleicher Helligkeit, die die vorhergesagte Gesamtlichtreflexion eines retroreflektierenden aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars darstellt, das durch rückwärts geneigte Würfeleckenelemente 12, 14 gebildet wird, die aus einem Material bestehen, das bei variierenden Einfallwinkeln und Orientierungswinkeln einen Brechungsindex von 1,517 aufweist. Die vorhergesagte Gesamtlichtreflexion für ein aufeinander abgestimmtes Würfelecken-Paarfeld kann aus einer Kenntnis der prozentualen aktiven Fläche und der Strahlenintensität berechnet werden. Die Gesamtlichtreflexion ist als das Produkt der prozentualen aktiven Fläche und der Strahlenintensität definiert. Eine ausgezeichnete Erläuterung der Gesamtlichtreflexion für direkt bearbeitete Würfelecken-Felder wird durch das US-Patent Nr. 3,812,706 von Stamm präsentiert.
Für eine anfänglich einheitliche Lichtstrahlenintensität können sich aus dem zweifachen Durchgang durch die Basisfläche der Folie und aus Reflexionsverlusten an jeder der drei Würfeloberflächen Verluste ergeben. Die Basisflächen-Durchlassverluste für nahezu normalen Einfall und einen Folienbrechungsindex von etwa 1,5 betragen ungefähr 0,92. Reflexionsverluste bei Würfeln, die reflektierend beschichtet worden sind, hängen zum Beispiel von der Art der Beschichtung und dem Einfallwinkel relativ zur Würfeloberflächennormalen ab. Typische Reflexionskoeffizienten für mit Aluminium reflektierend beschichtete Würfeloberflächen betragen an jeder der Würfeloberflächen ungefähr 0,85 bis 0,9. Reflexionsverluste bei Würfeln, die auf einer inneren Totalreflexion beruhen, sind im Wesentlichen null. Wenn jedoch der Einfallwinkel eines Lichtstrahls relativ zur Würfeloberflächennormalen kleiner als der kritische Winkel ist, dann kann die innere Totalreflexion zusammenbrechen und eine bedeutende Lichtmenge durch die Würfeloberfläche gehen. Der kritische Winkel ist eine Funktion des Brechungsindex des Würfelmaterials und des Index des Materials hinter dem Würfel (üblicherweise Luft). Standardoptiktexte, wie Hecht, "Optics", 2. Auflage, Addison Wesley, 1987, erläutern Oberflächen-Durchlassverluste und die innere Totalreflexion.
Die wirksame Fläche eines einfachen oder einzelnen Würfeleckenelements kann bestimmt werden durch, und ist gleich, dem topologischen Schnittpunkt der Projektion der drei Würfelecken-Oberflächen auf einer Ebene, die normal zum gebrochenen einfallenden Strahl ist, mit der Projektion der Bildoberflächen der dritten Reflexion auf derselben Ebene. Eine Prozedur zur Bestimmung der wirksamen Öffnung wird zum Beispiel durch Eckhardt, Applied Optics, B. 10 n. 7. Juli 1971, S. 1559–1566 erläutert. Das US-Patent Nr. 835,648 von Straubel erläutert ebenfalls das Konzept der wirksamen Fläche oder Öffnung. Die prozentuale aktive Fläche eines einzelnen Würfeleckenelements ist dann als die wirksame Fläche dividiert durch die Gesamtfläche der Projektion der Würfelecken-Oberflächen definiert. Die prozentuale aktive Fläche kann unter Verwendung von optischen Modellierungstechniken berechnet werden, die Optik-Fachleuten bekannt sind, oder kann numerisch unter Verwendung herkömmlicher Strahlengangverfolgungstechniken bestimmt werden. Die prozentuale aktive Fläche eines aufeinander abgestimmten Würfeleckenpaar-Felds kann durch Durchschnittsbildung der prozentualen aktiven Fläche der beiden einzelnen Würfeleckenelemente im aufeinander abgestimmten Paar berechnet werden. Anders ausgedrückt, ist die prozentuale aktive Öffnung gleich der Fläche eines Würfelecken-Felds, das Licht retroreflektiert, dividiert durch die Gesamtfläche des Felds. Die prozentuale aktive Fläche wird zum Beispiel durch die Würfelgeometrie, den Brechungsindex, den Einfallwinkel und die Folieorientierung beeinflusst.
Bezugnehmend auf 3, repräsentiert der Vektor V₁ die Ebene, die die Symmetrieachsen 24, 26 der Würfeleckenelemente 12, 14 enthält. Zum Beispiel liegt der Vektor V₁ in 1 in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur primären Nut 30 ist. Die konzentrischen Kurven gleicher Helligkeit repräsentieren die vorhergesagte Gesamtlichtreflexion als einen Prozent satz des Lichts, das auf die Basisoberflächen der Würfeleckenelemente 12, 14 mit verschiedenen Kombinationen von Einfallwinkeln und Orientierungswinkeln einfällt. Eine radiale Bewegung vom Mittelpunkt der grafischen Darstellung repräsentiert zunehmende Einfallwinkel, während eine Bewegung in Umfangsrichtung die Änderung der Orientierung des Würfeleckenelements bezüglich der Lichtquelle darstellt. Die innerste Kurve gleicher Helligkeit begrenzt den Satz von Einfallwinkeln, bei dem ein aufeinander abgestimmtes Paar von Würfeleckenelementen 12, 14 annähernd 90 % des Lichts reflektiert, das auf ihre Basisdreiecke einfällt. Die nacheinander weiter außen liegenden Kurven gleicher Helligkeit begrenzen Einfallwinkel, die nacheinander niedrigere Prozentsätze des Lichts reflektieren, das auf die Basisdreiecke der Elemente 12, 14 einfällt.
4 ist eine grafische Darstellung gleicher Helligkeit, die ähnlich der grafischen Darstellung ist, die in 3 präsentiert wird, die die gemessene Gesamtlichtreflexion eines aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars darstellt, das dieselbe Geometrie wie das aufeinander abgestimmte Würfeleckenelementpaar aufweist, das in 1 und 2 dargestellt ist. Die Würfeleckenelemente bestehen aus BK7-Glas, das einen Brechungsindex von 1,517 aufweist. Obwohl infolge von Herstellungsmängeln und Messfehlern leichte Variationen in den grafischen Darstellungen vorhanden sind, stimmen die gemessenen Ergebnisse, die in 4 dargestellt sind, mit der Form der Profile gleicher Helligkeit überein, die in 3 dargestellt sind.
Es sollten zwei Aspekte der grafischen Darstellungen gleicher Helligkeit, die in 3-4 dargestellt sind, beachtet werden. Erstens demonstrieren die grafischen Darstellungen, dass ein aufeinander abgestimmtes Paar von Würfeleckenelementen 12, 14 zwei Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind und die in einer Ebene lie gen, die nicht mit der Ebene zusammenfällt, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind, die durch den Vektor V₁ angezeigt wird. Bei dem aufeinander abgestimmten Würfelecken-Paar, das in 1–2 dargestellt ist, sind die beiden ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit unter annähernd 45 Grad relativ zur Ebene orientiert, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind, und können in den grafischen Darstellungen gleicher Helligkeit als zwei im Wesentlichen senkrechte Ebenen 40, 42 identifiziert werden, die mit den ausgedehnten Keulen der grafischen Darstellung gleicher Helligkeit zusammenfallen.
Ein zweiter Aspekt der Kurven gleicher Helligkeit, die in 3–4 dargestellt sind, rührt von der Tatsache her, dass die Würfel 12, 14 im Wesentlichen symmetrisch zur Ebene V₁ sind. Folglich wird ein aufeinander abgestimmtes Paar Würfeleckenelemente, die die in 1–2 dargestellte Geometrie aufweisen, entweder in der Ebene 40 oder der Ebene 42 annähernd denselben Prozentsatz Licht bei einem gegebenen Einfallwinkel reflektieren. Dieser Aspekt ist detaillierter in 5 dargestellt, die die vorhergesagte Gesamtlichtreflexion der Würfeleckenelemente 12, 14 als eine Funktion des Einfallwinkels des Lichts grafisch darstellt, das auf die Basis der Elemente 12, 14 in den Ebenen 40 und 42 einfällt. Die Kurven 44 und 46 repräsentieren die Gesamtlichtreflexion eines retroreflektierenden aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars, das aus einem Material besteht, das einen Brechungsindex von 1,6 aufweist. Die beiden Kurven liegen praktisch über den gesamten Bereich von Einfallwinkeln übereinander, was anzeigt, dass das gesamte Licht, das durch das aufeinander abgestimmte Paar reflektiert wird, bei jedem gegebenen Einfallwinkel entweder in der Ebene 40 oder der Ebene 42 annähernd gleich ist. Die leichten Unterschiede über 60° rühren von numerischen Fehlern bei der Leistungsvorhersage für die Würfel bei sehr hohen Einfallwinkeln her. Die Kurven 48 und 50 sind analoge Kurven für ein retroreflektierendes aufeinander abgestimmtes Würfeleckenelementpaar, das aus einem Material besteht, das einen Brechungsindex von 1,5 aufweist.
6 vergleicht die Retroreflexionsleistung der Geometrie des aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars, das in 1–2 dargestellt ist, mit der Geometrie des vorwärts geneigten aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars, das im US-Patent 4,588,258 (dem 258er-Patent) dargestellt ist. Die Kurve 52 stellt grafisch die Gesamtlichtreflexion als eine Funktion des Einfallwinkels in der weitesten Ebene der Einfallwinkligkeit in der Geometrie des 258er-Patents dar. Diese Ebene wird im 258er-Patent als die "X"-Ebene identifiziert. Die Kurve 54 stellt grafisch die Gesamtlichtreflexion als eine Funktion des Einfallwinkels in der zweiten weitesten Ebene der Einfallwinkligkeit in der 258er-Geometrie dar. Diese Ebene wird im 258er-Patent als die "Y"-Ebene identifiziert. Die Kurven 56 und 58 stellen die Gesamtlichtreflexion als eine Funktion des Einfallwinkels der beiden ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit für die Geometrie grafisch dar, die in 1 dargestellt ist. 6 demonstriert, dass bei Einfallwinkeln von mehr als etwa 35–40 Grad das aufeinander abgestimmte Würfeleckenelementpaar, wie in 1 dargestellt, einen größeren Prozentsatz von Licht in beiden Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit 40, 42 reflektiert als die Geometrie, die im 258er-Patent dargestellt ist, in der "Y"-Ebene reflektiert.
7 ist eine schematische Draufsicht einer repräsentativen retroreflektierenden Folie 60 gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist. Die Folie 60 weist erste und zweite Längskanten 62 und eine strukturierte Fläche auf, die im Wesentlichen so gestaltet ist, wie in Verbindung mit der strukturierten Fläche beschrieben, die in 1–2 dargestellt ist. Die strukturierte Fläche weist ein Feld aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare auf, die durch drei sich schneidende Sätze im Wesentlichen paralleler Nuten definiert sind, die eine primäre Nut 66 und zwei Sätze sekundärer Nuten 68, 69 aufweisen. Da die Würfeleckenelemente gleichschenkelige Basisdreiecke aufweisen, sind zwei der eingeschlossenen Basiswinkel dieselben. Der primäre Nutensatz kann als der Nutensatz definiert werden, der die beiden gleichen Winkel des Basisdreiecks verbindet. Die restlichen Nutensätze können als sekundäre Nutensätze betrachtet werden. In der in 7 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich das Feld im Wesentlichen vollständig über die Oberfläche der Folie. Jedes aufeinander abgestimmte Paar Würfeleckenelemente weist zwei gegenüberliegende einzelne Würfeleckenelemente 70, 72 auf, die in einer Ebene geneigt sind, die im Wesentlichen senkrecht zur primären Nut 66 ist. Zusätzlich liegt ein Hauptabschnitt von im Wesentlichen jeder primären Nut 66, und vorzugsweise die gesamte primäre Nut 66, in einer Ebene, die eine Längskante 62 des Gegenstands unter einem Winkel α schneidet, der vorzugsweise annähernd 45 Grad misst. Es sollte beachtet werden, dass die strukturierte Fläche in 7 zu Darstellungszwecken beträchtlich vergrößert ist. In der Praxis misst der Abstand zwischen angrenzenden Nuten typischerweise zwischen etwa 60 und 600 Mikrometer.
Obwohl gegenüberliegende Würfeleckenelemente 70, 72 jedes aufeinander abgestimmten Paars, die in 7 dargestellt sind, physikalisch direkt gegenüber einer primären Nut 66 zueinander angeordnet sind, ist offenkundig, dass eine solche relative physikalische Anordnung keine Anforderung der vorliegenden Erfindung ist. Im weitesten Sinne kann der Ausdruck "gegenüberliegend", wie hierin verwendet, so aufgefasst werden, dass er optisch gegenüberliegend bedeutet. Würfeleckenelemente können als optisch gegenüberliegend betrachtet werden, wenn sie "spiegelbildliche" Retroreflexionsmuster erzeugen. Es ist in der Würfelecken-Retroreflexionstechnik wohlbekannt, dass Würfeleckenelemente, die physikalische Spiegelbilder voneinander sind – das heißt, Elemente, die im Wesentlichen identisch sind, jedoch um 180 Grad relativ zueinander gedreht sind, spiegelbildliche Retroreflexionsmuster ergeben. Direkte Bearbeitungstechniken machen es vorteilhaft, die gegenüberliegenden Würfeleckenelemente zueinander direkt gegenüber einer Nut anzuordnen, wie in 7 dargestellt. Jedoch ist offenkundig, dass gegenüberliegende Würfeleckenelemente auf der Folie physikalisch voneinander entfernt sein können. Zusätzlich ist offenkundig, dass gegenüberliegende Würfeleckenelemente keine perfekten physikalischen Spiegelbilder voneinander sein müssen, um optisch gegenüberliegende Würfeleckenelemente zu ergeben. Leichte Variationen der physikalischen Form gegenüberliegender Würfeleckenelemente ergeben nur leichte Variationen des Retroreflexionsmusters, die unter normalen Betrachtungsverhältnissen durch das menschliche Auge nicht feststellbar sind. Solche Würfeleckenelemente sind immer noch gegenüberliegende Elemente innerhalb der Bedeutung des Ausdrucks, wie er hierin verwendet wird.
Eine retroreflektierende Folie, die eine strukturierte Fläche aufweist, wie in 7 dargestellt, zeigt theoretisch ein Profil gleicher Helligkeit, das im Wesentlichen dieselbe Form wie jenes aufweist, das in 3 dargestellt ist. Da jedoch das Feld der Würfeleckenelemente so orientiert ist, dass die primären Nuten 66 in einer Ebene liegen, die die Kante der Folie unter einem Winkel von annähernd 45 Grad schneidet, ist eine ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit, die der Ebene 40 der 3 entspricht, annähernd parallel zu den Längskanten 62 der Folie 60. Die andere ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit, die der Ebene 42 der 3 entspricht, ist annähernd senkrecht zu den Längskanten der Folie 60. Für den Fachmann ist offenkundig, dass die Retroreflexionsleistung der Folie 60 als Ergebnis von Faktoren, wie Herstellungsmängeln und Messfehlern, von der theoretischen Leistung abweichen kann, die in 3 dargestellt ist. Solche kleineren Variationen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung berücksichtigt.
Eine Anwendung, in der die retroreflektierende Folie 60 besonders vorteilhaft ist, liegt im Gebiet einer Fahrzeug-Auffälligkeitsfolie. 8 ist eine schematische Darstellung eines großen Fahrzeugs 82, das einen Streifen einer retroreflektierenden Folie 60, der in einer horizontalen Orientierung angeordnet ist, und einen Streifen einer retroreflektierenden Folie 60 aufweist, der in einer vertikalen Orientierung angeordnet ist. Die retroreflektierende Folie 60 retroreflektiert Licht von den Scheinwerfern vorbeifahrender Automobile, um die Auffälligkeit des Fahrzeugs 82 zu steigern. Um die Lichtmenge, die durch den horizontal orientierten Streifen retroreflektierender Folie 60 bei großen Einfallwinkeln reflektiert wird, zu maximieren, sollte seine am weitesten ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit im Wesentlichen parallel zu seiner Längskante 62 sein. Um im Gegensatz dazu die Lichtmenge, die durch den vertikal orientierten Streifen der retroreflektierenden Folie 60 bei großen Einfallwinkeln reflektiert wird, zu maximieren, sollte seine am weitesten ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit im Wesentlichen senkrecht zu seiner Längskante 62 sein.
Die retroreflektierende Folie 60 ist besonders gut für solche Fahrzeug-Auffälligkeitsanwendungen geeignet. Wenn die Folie 60 am Fahrzeug 82 in der horizontalen Orientierung angeordnet ist, ist eine ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit im Wesentlichen parallel zur Längskante 62 der retroreflektierenden Folie 60 ausgerichtet, wodurch die Lichtmenge maximiert wird, die durch den horizontalen Streifen 84 bei großen Einfallwinkeln reflektiert wird. Entsprechend ist, wenn die Folie 60 am Fahrzeug in vertikaler Orientierung angeordnet ist, eine ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit im Wesentlichen senkrecht zur Längskante 62 der retroreflektierenden Folie 60 ausgerichtet, wodurch die Lichtmenge maximiert wird, die durch den vertikalen Streifen 86 bei großen Einfallwinkeln reflektiert wird. Die Fähigkeit, ein einziges Folienprodukt für diese Anwendung zu liefern, führt zu Einsparungen bei der Gestaltung, der Herstellung und dem Verteilungsprozess einer solchen Auffälligkeitsfolie.
Die Folie 60 ist ähnlich vorteilhaft bei Folienanwendungen für Autobahnschilder. Wie vorstehend erläutert, hängt die Retroreflexionsleistung der meisten geneigten Würfelecken-Folienprodukte von der Orientierung der Folie auf dem Schild ab. Zum Beispiel weist die Folie, die im 258er-Patent dargestellt ist, eine bessere Einfallwinkligkeit in der Ebene auf, die als die X-Ebene identifiziert ist. Um die beste optische Leistung der Folie des 258er-Patents sicherzustellen, muss die Folie so orientiert sein, dass die X-Ebene mit der Einfallebene des einfallenden Lichts zusammenfällt. Im Gegensatz dazu kann die Folie, die in 7 dargestellt ist, so orientiert sein, dass jede Ebene der ausgedehnten Einfallwinkligkeit mit der Einfallebene des einfallenden Lichts zusammenfällt.
Bei den meisten Anwendungen zeigt die Folie 60 ihre beste Retroreflexionsleistung, wenn eine Ebene der weitest ausgedehnten Einfallwinkligkeit im Wesentlichen parallel mit der Längskante 62 der Folie ausgerichtet ist. Bei der in 7 dargestellten Würfeleckengeometrie entspricht dies einer strukturierten Fläche, in der der Hauptabschnitt der primären Nuten 66, und vorzugsweise die gesamte Länge jeder primären Nut 66, in einer Ebene liegt, die eine Längskante 62 der Folie unter einem Winkel schneidet, der 45 Grad misst. Jedoch ist für den Fachmann offenkundig, dass die primären Nuten nicht in Ebenen liegen müssen, die die Kante eines Stücks der Folie mit exakt 45 Grad schneiden. Obwohl die Retroreflexionshelligkeit des Gegenstands abnimmt, wenn der Winkel, mit dem die primäre Nut 66 die Kante 62 des Gegenstands schneidet, von 45 Grad abweicht, ist die Abnahme graduell. Abhängig von den Leistungsanforderungen können die Vorteile der vorliegenden Erfindung mit der Geometrie erhalten werden, die in 7 dargestellt ist, vorausgesetzt, die primäre Nut 66 schneidet die Kante 62 unter einem Winkel, der zwischen etwa 35 und 55 Grad und mehr bevorzugt zwischen etwa 40 und 50 Grad misst. Zusätzlich existieren zahlreiche andere Würfeleckengeometrien, die Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit aufweisen, die von der Ebene winklig versetzt sind, in der die optische Achse des Würfeleckenelements geneigt ist. Für einen Fachmann der Retroreflexionstechnik ist es offenkundig, dass die Leistung einer retroreflektierenden Folie, die solche Würfeleckenelemente enthält, verbessert werden kann, indem die Würfeleckenelemente so orientiert werden, dass die ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit im Wesentlichen parallel mit einer Kante der Folie ausgerichtet sind.
Die optischen Vorteile der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung anderer Würfeleckenelementgeometrien als der in 1 dargestellten Geometrie erzielt werden. Eine ausgedehnte Klasse von Würfeleckenelementen, die ungleichseitige Basisdreiecke aufweisen, weisen Profile gleicher Helligkeit auf, die zur Herstellung einer retroreflektierenden Folie gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
Würfeleckenelemente mit ungleichseitigem Basisdreieck können dadurch gekennzeichnet sein, dass keiner der drei eingeschlossenen Winkel des Basisdreiecks des Würfeleckenelements derselbe ist.
Ein Beispiel einer strukturierten Fläche 100, die eine repräsentative Würfeleckenelementgeometrie mit ungleichseitigem Basisdreieck einsetzt, wird in 9 dargestellt. Die eingeschlossenen Winkel des Basisdreiecks jedes retroreflektierenden Würfeleckenelements messen annähernd 62,09 Grad, 67,91 Grad und 50,00 Grad (β₁, β₂, bzw. β₃). Der Nutenseitenwinkel der Nut 102 (a₂) misst annähernd 42,295 Grad; der Nutenseitenwinkel der Nut 104 (a₁) misst annähernd 26,284 Grad; und der Nutenseitenwinkel der Nut 106 (a₃) misst annähernd 36,334 Grad. Die optische Achse jedes Würfeleckenelements ist um annähernd 8,38 Grad aus einer Achse, die normal zur Basisfläche des Substrats ist, in einer Ebene geneigt, die annähernd parallel zur Nut 104 und senkrecht zur Basisfläche des Materials ist.
10 ist ein vorhergesagtes Profil gleicher Helligkeit einer retroreflektierenden Folie, die aufeinander abgestimmte Würfeleckenelementpaare einsetzt, die aus einem Material bestehen, das einen Brechungsindex von 1,590 aufweist, und die eine Geometrie aufweisen, die in 9 dargestellt ist. Der Vektor V₁ entspricht der Ebene, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind (d. h. der Ebene, die die Symmetrieachsen der Würfeleckenelemente enthält). Die in 9 dargestellte Würfeleckengeometrie weist zwei Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit auf, die durch die Ebenen 110, 112 bezeichnet werden, die von der Ebene, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind, um annähernd 30 Grad bzw. 120 Grad winklig versetzt sind. Zusätzlich sind die Ebenen 110 und 112 annähernd senkrecht zueinander. Wenn die strukturierte Fläche folglich so orientiert ist, dass die Nut 104 eine Längskante einer retroreflektierenden Folie mit entweder 30 Grad oder 120 Grad schneidet, wird eine der ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit parallel mit der Längskante der Folie und eine andere ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit senkrecht zur Längskante der Folie ausgerichtet.
11 stellt eine strukturierte Fläche 120 dar, die eine andere Würfeleckengeometrie mit ungleichseitigem Basisdreieck aufweist, die zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist, die von der Ebene winklig versetzt sind, in der gegenüberliegende Würfeleckenelemente geneigt sind. Die eingeschlossenen Winkel der Basisdreiecke der Würfeleckenelemente, die in 11 dargestellt sind, messen annähernd 68,71 Grad, 63,29 Grad und 48,00 Grad (β₁, β₂, bzw. β₃). Der Nutenseitenwinkel der Nut 122 (a₂) misst annähernd 42,295 Grad; der Nutenseitenwinkel der Nut 124 (a₁) misst annähernd 26,284 Grad; und der Nutenseitenwinkel der Nut 126 (a₃) misst annähernd 36,334 Grad. Die optischen Achsen der Würfeleckenelemente sind von einer Achse, die normal zur Basisfläche des Substrats ist, in einer Ebene um annähernd 9,51 Grad geneigt, die die Nut 122 unter einem Winkel von annähernd 45 Grad schneidet.
Wie in 12 dargestellt, weist eine retroreflektierende Folie, die ein Feld von Würfeleckenelementen aufweist, wie in 11 dargestellt, die einen Brechungsindex von 1,590 aufweisen, zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit 130, 132 auf, die von der Ebene, in der die Elemente geneigt sind, um etwa 26 Grad bzw. 116 Grad winklig versetzt sind. Wenn die strukturierte Fläche folglich so orientiert ist, dass die Nut 124 eine Längskante einer retroreflektierenden Folie mit entweder 49 Grad oder 139 Grad schneidet, wird eine der ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit parallel mit der Längskante der Folie und eine andere ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit senkrecht zur Längskante der Folie ausgerichtet.
Würfeleckenelement-Gestaltungen, die ungleichseitige Basisdreiecke einsetzen, weisen einige zusätzliche Vorteile gegenüber Würfeleckenelementen auf, die gleichschenkelige Basisdreiecke aufweisen. Ein Vorteil ist es, dass eine strukturierte Fläche, die Würfeleckenelemente mit ungleichseitigem Basisdreieck aufweist, einen größeren Grad des Neigens gegenüberliegender Würfeleckenelemente im Herstellungsprozess zulassen wird, ohne eine physikalische Beschädigung angrenzender Würfeleckenelemente zu verursachen.
Bei direkt bearbeiteten Würfeln, die drei Sätze sich gegenseitig schneidender Nuten verwenden, tritt ein Abschneiden der Würfel auf, wenn ein beliebiger der Nutenseitenwinkel 45° überschreitet, was bewirkt, dass das Schneidwerkzeug die Kante eines angrenzenden Würfels abschneidet. Ein beschädigtes Würfeleckenelement führt zu Verlusten des Retroreflexionsvermögens. Zum Beispiel kann die Würfeleckenelementgeometrie, die im US-Patent Nr. 4,588,258 dargestellt ist, in einem herkömmlichen Feld nicht über einen Neigungswinkel von 9,736 Grad hinaus geneigt werden. In Tabelle I unten werden repräsentative ungleichseitige Geometriewerte für eingeschlossene Basisdreieck-Winkel (β) und Nutenseitenwinkel (a) für das Neigen gegenüberliegender Würfeleckenelemente in einer Ebene gezeigt, die ungefähr parallel zu einer Nut und senkrecht zur Basisebene ist.
Schiefwinkelige Geometrien können größere Neigungsbeträge zulassen, bevor ein beliebiger Nutenseitenwinkel 45 Grad überschreitet, wodurch ein Neigen der Würfeleckenelemente über die bekannten Beschränkungen infolge mechanischen Abschneidens, das durch ein Schneidwerkzeug verursacht wird, zugelassen wird. Zum Beispiel demonstriert Tabelle I, dass ein Neigen oder ein Neigungswinkel von bis zu ungefähr 13,376 Grad ohne Kantenabschneiden genutzt werden kann.
Tabelle I
In Kombination mit den Lehren dieser Erfindung, die eine verbesserte bevorzugte Einfallwinkligkeit nicht in der Ebene des Neigens betrifft, ermöglichen Würfeleckenelementfelder mit einer Geometrie einer ungleichseitigen Basis auch ein Neigen über die früher bekannten Grenzen hinaus, bei der die Gesamtlichtreflexion für Licht zusammenbricht, das senkrecht oder normal zur Basis der Würfel einfällt.
Die Gesamtlichtreflexion (TLR) einer retroreflektierende Folie wird vom Produkt der prozentualen aktiven Öffnung und der retroreflektierten Lichtstrahlenintensität abgeleitet. Bei einigen Kombinationen aus Würfelgeometrien, Einfallwinkeln und Brechungsindex können beträchtliche Verminderungen der Strahlenintensität zu einer verhältnismäßig schlechten Gesamtlichtreflexion führen, obwohl die prozentuale aktive Öffnung verhältnismäßig hoch ist. Ein Beispiel sind retroreflektierende Würfeleckenelementfelder, die auf einer inneren Totalreflexion der retroreflektierten Lichtstrahlen beruhen. Die Strahlenintensität wird im Wesentlichen dann reduziert, wenn der kritische Winkel für die innere Totalreflexion an einer der Würfelflächen überschritten wird. Obwohl metallisierte oder andere reflektierende Beschichtungen vorteilhaft in solchen Situationen verwendet werden können, sind diese Beschichtungen infolge der Kosten, der Verarbeitung, der Erscheinung oder anderen Faktoren nicht immer wünschenswert. In solchen Situationen wird die Verwendung von Würfeleckenelementen mit ungleichseitigem Basisdreieck bevorzugt.
Tabelle II zeigt begrenzende Gesamtlichtreflexionsgeometrien für normal einfallendes Licht und Würfel mit einem Brechungsindex von 1,586. Für ein Würfeleckenelement mit den Basiswinkeln 52,2°-52,2°–74,6° beträgt der begrenzende Neigungswinkel 15,60°, wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,588,258 (Hoopman) gezeigt. Jedoch kann diese Begrenzung unter Verwendung von Geometrien mit ungleichseitiger Basis, zum Beispiel 16,41° (45,40°–58,57°–76,03° oder sogar 18,830° (77,358°–65,642°–37,00°) ohne einen Zusammenbruch der Gesamtlichtreflexion überschritten werden. Die Daten in Tabelle II repräsentieren eher numerische als analytische Lösungen.
Tabelle II
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können auch auf eine geflieste retroreflektierende Folie angewendet werden. Wie hierin verwendet, weist eine geflieste strukturierte Fläche mehrere diskrete Felder aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare auf, die unter unterschiedlichen Orientierungen relativ zur Kante der Folie angeordnet sind. Fliesen ist eine Strategie, die eingesetzt wird, um eine retroreflektierende Folie herzustellen, die mehrere Ebenen einer ausgedehnten Einfallwinkligkeit aufweist. Eine geflieste retroreflektierende Folie leidet unter einem gewissen ihr innewohnenden Helligkeitsverlust bei großen Einfallwinkeln, da definitionsgemäß nur ein Abschnitt der Felder so orientiert ist, dass er die maximale Lichtmenge bei einem gegebenen Einfallwinkel und einer gegebenen Folienorientierung retroreflektiert. Jedoch ist es möglich, den der gefliesten Folie innewohnenden Helligkeitsverlust zu minimieren oder mindestens zu reduzieren, indem die Felder der Würfeleckenelemente auf der strukturierten Fläche gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung orientiert werden.
Die Brauchbarkeit des Fliesens kann unter Bezugnahme auf die retroreflektierende Folie erläutert werden, die in 7 dargestellt ist. Wie vorstehend erläutert, weist die strukturierte Fläche der in 7 dargestellten retroreflektierenden Folie ein einzelnes Feld aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare auf, was zu zwei ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit führt: einer ersten Ebene, die im Wesentlichen parallel mit einer Längskante 62 der Folie 60 ist, und einer zweiten Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur Längskante 62 der Folie 60 ist. Eine geflieste retroreflektierende Folie, die eine strukturierte Fläche aufweist, die zwei unterschiedliche Felder aufweist, die unter zwei unterschiedlichen Orientierungen relativ zur Kante der Folie angeordnet sind, kann so viel wie vier ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweisen. Entsprechend kann eine retroreflektierende Folie, die eine geflieste strukturierte Fläche aufweist, die drei unterschiedliche geflieste Felder aufweist, die unter drei unterschiedlichen Orientierungen relativ zur Kante der Folie angeordnet sind, so viele wie sechs ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweisen. Im Allgemeinen kann für die in 7 dargestellte Würfeleckengeometrie eine retroreflektierende Folie, die eine Anzahl von X ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist, durch eine strukturierte Fläche hergestellt sind, die mehrere geflieste Felder aufweist, die unter X/2 unterschiedlichen Orientierungen relativ zur Kante der Folie angeordnet sind.
Erfindungsgemäß sollte mindestens eines der Felder aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare so orientiert sein, dass eine ausgedehnte Ebene der Einfallwinkligkeit annähernd parallel zur Kante der Folie angeordnet ist. Folglich sollte für die in 7 dargestellte Würfeleckenelementgeometrie ein Feld aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare so orientiert sein, dass die primäre Nut die Kante des Gegenstands unter einem Winkel von annähernd 45 Grad schneidet.
Die Orientierung der restlichen Felder hängt von der Anzahl diskreter Felder aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare in der strukturierten Fläche ab. Für die Würfeleckengeometrie der 7 kann unter der Voraussetzung, dass es das Ziel des Fliesens ist, ein rotationssymmetrischeres Retroreflexionsmuster zu erzeugen, die Winkeldifferenz ε zwischen Feldern aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare ausgedrückt werden durch die Formel: ε = 90/Nworin N die Anzahl diskreter Felder von Würfeleckenelementen repräsentiert. Folglich sollte in einer retroreflektierenden Folie, die vier ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist (z. B. unter Verwendung von N-2 Feldern von Würfeleckenelementen) der Winkeldifferenz ε der Orientierung der Würfeleckenfelder annähernd 45 Grad messen. Folglich sollte das zweite Feld Würfeleckenelemente so orientiert sein, dass die primäre Nut die Kante des Gegenstands unter einem Winkel von annähernd 90 Grad schneidet. Entsprechend sollte in einer retroreflektierenden Folie, die sechs ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist, die Differenz ε der Orientierung der Würfeleckenfelder annähernd 30 Grad messen. Folglich sollte ein zweites Feld von Würfeleckenelementen so orientiert sein, dass die primäre Nut die Kante des Gegenstands unter einem Winkel von annähernd 15 Grad relativ zu einer Längskante der Folie schneidet, und ein drittes Feld von Würfeleckenelementen sollte so orientiert sein, dass die primäre Nut die Kante des Gegenstands unter einem Winkel von annähernd 75 Grad relativ zu einer Längskante der Folie schneidet. Diese Reihe kann über so viele eindeutige Orientierungen wie gewünscht fortgesetzt werden.
13 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen gefliesten retroreflektierenden Folie 150, die sechs Felder von Würfeleckenelementen aufweist, was zu sechs Ebenen ausgedehnter Einfallwinkligkeit führt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die retroreflektierende Folie 150 als eine kontinuierliche Bahn einer dünnen, flexiblen retroreflektierenden Folie hergestellt, die auf eine Rolle gewickelt werden kann. Die strukturierte Fläche der retroreflektierenden Folie 150 weist sechs Gruppen von Feldern aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare auf, die mit sechs verschiedenen Orientierungen relativ zu einer Längskante 152 der Folie 150 angeordnet sind: eine erste Gruppe von Feldern 154, die so angeordnet sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 15 Grad schneidet, eine zweite Gruppe von Feldern 158, die so angeordnet sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 75 Grad schneidet, und eine dritte Gruppe von Feldern 162, die so angeordnet sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 45 Grad schneidet, eine vierte Gruppe von Feldern 155, die so angeordnet sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 45 Grad schneidet, eine fünfte Gruppe von Feldern 159, die so angeordnet sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 75 Grad schneidet, und eine sechste Gruppe von Feldern 163, die so orientiert sind, dass die primäre Nut die Kante 152 unter einem spitzen Winkel von 15 Grad schneidet. Jedes der Felder wird durch aufeinander abgestimmte Würfeleckenelementpaare gebildet, die im Wesentlichen identisch zu jenen sind, die in Verbindung mit 1 und 2 vorstehend beschrieben sind. Die Vektoren 156, 160, und 164 repräsentieren jeweils die Richtung der primären Nuten jedes Felds 154, 158, 162 von Würfeleckenelementen. Entsprechend repräsentieren die Vektoren 157, 161 und 165 jeweils die Richtung der primären Nut der Felder 155, 159 und 163. Obwohl es nicht notwendig ist, ist es bevorzugt, dass jede der sechs verschiedenen Gruppen von Feldern 154, 155, 158, 159, 162 und 163 annähernd ein Sechstel der Flächengröße der strukturierten Fläche der Folie 150 bedecken.
Die Folie 150 weist sechs ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit auf. Zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit, die der Gruppe von Feldern 162 und 155 entsprechen, sind unter annähernd 0 Grad und 90 Grad relativ zur Längskante 152 der Folie 150 ausgerichtet. Zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit, die dem Satz der Felder 154 und 159 entsprechen, sind unter annähernd 60 Grad und 150 Grad relativ zu einer Kante der Folie 150 ausgerichtet. Zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit, die dem Satz der Felder 158 und 163 entsprechen, sind unter annähernd 30 und 120 Grad relativ zu einer Kante der Folie 150 ausgerichtet.
Die in 13 dargestellte Folie 150 setzt sechs Felder ein, die mit sechs verschiedenen Orientierungen orientiert sind, um eine retroreflektierende Folie mit sechs ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit zu erzeugen, von denen eine im Wesentlichen parallel mit einer Längskante 152 der Folie 150 ausgerichtet ist. Jedoch ist offenkundig, dass die Folie 150 eine größere oder kleinere Anzahl von Feldern enthalten kann, um eine retroreflektierende Folie mit einer entsprechend größeren oder kleineren Anzahl ausgedehnter Ebenen der Einfallwinkligkeit zu erzeugen.
Wie vorstehend in Verbindung mit Einzelfeld-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert, müssen die Felder nicht präzise ausgerichtet sein, um die Vorteile der Erfindung zu erzielen. Bei vielen Anwendungen reicht eine Anordnung der Würfeleckenfelder innerhalb von etwa fünf Grad von der bevorzugten Orientierung aus, um die erforderliche Helligkeit bei einem gegebenen Einfallwinkel zu erzeugen.
14 ist eine schematische Darstellung einer retroreflektierenden Folie 170, die mehrere geflieste Felder rückwärts geneigter aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare einsetzt, die ähnlich zu den in 1–2 Dargestellten sind. Die in 14 dargestellte Folie ist kommerziell von Stimsonite Corporation, Niles, Illinois, erhältlich und wird unter der Handelsbezeichnung STIMSONITE High Performance Grade Reflective Sheeting (Posten 1203W, Produktnummer 8432170) hergestellt und vertrieben. Die strukturierte Fläche der retroreflektierenden Folie 170 weist mehrere Gruppen Felder aufeinander abgestimmter Würfeleckenelementpaare auf, die mit mehreren verschiedenen Orientierungen relativ zu einer Längskante 172 der Folie 170 angeordnet sind. Die Würfeleckenfelder sind so orientiert, dass die primären Nuten der Felder in Ebenen liegen, die mit Orientierungen von 0 Grad, 30 Grad, 60 Grad und 90 Grad relativ zur Längskante 172 der Folie 170 angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung der gefliesten Abschnitte der retroreflektierenden Folie, um die ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit unter Winkeln von annähernd 0 Grad und 90 Grad relativ zu einer Längskante 152 der Folie 150 auszurichten, erzielt bedeutende Leistungssteigerungen gegenüber der gefliesten Folie, die in 14 dargestellt ist. Diese Leistungssteigerung sind in 15 dargestellt, die die Leuchtdichte (in Candela pro Quadratmeter) der retroreflektierenden Folie als eine Funktion des Abstands (in Metern) für variierende Orientierungen der Fliesenabschnitte auf der retroreflektierenden Folie (wobei z. B. die Nutenausrichtungswinkel variiert werden) darstellt. Die Leuchtdichtedaten in 15 sind repräsentativ für eine Standardlimousine, die sich einem Anhänger für Sattelschlepper nähert, der mit einem Winkel von 45 Grad über die Straße geparkt ist. Die retroreflektierende Folie ist horizontal über der Unterkante des Aufliegers angeordnet. Eine detaillierte Beschreibung der Prüfumgebung und der eingesetzten Methodik, um 15 zu erzeugen, kann in Sign Luminance as a Methodology for Matching Driver Needs, Roadway Variables, and Signing Materials, Woltman und Szczech, Transportation Research Record, 1213, Human Performance and Highway Visibility--Design Safety and Methods, Transportation Research Board, National Research Council, 5.21–26, (1989) gefunden werden.
In 15 entspricht Kurve 180 einer Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 0, 30, 60 und 90 Grad angeordnet sind, wie in der retroreflektierenden Folie der 14 dargestellt. Kurve 182 entspricht einer Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 5, 35 und 65 Grad angeordnet sind, Kurve 184 entspricht einer Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 10, 40 und 70 Grad angeordnet sind, Kurve 186 entspricht einer Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 15, 45 und 75 Grad angeordnet sind, und Kurve 188 entspricht einer Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 20, 50 und 80 Grad angeordnet sind. 15 demonstriert, dass eine Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von annähernd 15, 45 und 75 Grad angeordnet sind, bei fast allen Entfernungen von der Folie die beste Retroreflexionsleistung zeigt. Entsprechend zeigt eine Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 10, 40 und 70 Grad angeordnet sind, und eine Folie, die Würfeleckenfelder aufweist, die mit Orientierungen von 20, 50 und 80 Grad angeordnet sind, eine gute Retroreflexionsleistung über den modellierten Bereich von Entfernungen. Eine Orientierung von 0 Grad, die der Folie 170 entspricht, zeigte die schlechteste Retroreflexionsleistung. Eine geflieste retroreflektierende Folie, die erfindungsgemäß orientiert ist, übertrifft die Leistung der in 14 dargestellten Folie bei allen auf der Kurve dargestellten Abständen. Zusätzlich ist die erfindungsgemäße Folie im kritischen Bereich von Entfernungen, der sich von etwa 50 Meter bis etwa 150 Meter erstreckt, nahezu doppelt so hell.
Die erfindungsgemäße reflektierende Folie kann als ein integrales Material hergestellt werden, z. B. indem eine vorgeformte Folie mit einem beschriebenen Feld von Würfeleckenelementen geprägt wird, oder indem ein flüssiges Material in eine Form gegossen wird. Alternativ kann eine solche retroreflektierende Folie als ein Lagenprodukt hergestellt werden, z. B. indem die Elemente auf einen vorgeformten Film gegossen werden, wie in US-Patent Nr. 3,684,348 gelehrt, oder indem ein vorgeformter Film über die Vorderseite einzeln geformter Elemente laminiert wird.
Nützliche Werkzeuge zur Herstellung einer erfindungsgemäßen retroreflektierenden Folie weisen Prägeformen auf, die in der Form von kontinuierlichen Bändern oder Formkernen vorliegen können. Solche kontinuierlichen Formen können unter Verwendung eines Kopierverfahrens gebildet werden, das mit der direkten Bearbeitung einer strukturierten Fläche in einem bearbeitbaren Substrat unter Verwendung eines Präzisionsbearbeitungswerkzeugs beginnt, zum Beispiel, einer Diamant-Linier- oder Drehmaschine, um ein Bezugsformstück-Werkzeug herzustellen. Die strukturierte Fläche kann durch elektrolytische Abscheidung von Nickel auf einen Bezugsformstückgegenstand kopiert werden. Mehrere solche kopierten Werkzeuge können in einer Präge- oder Gießform verbunden sein. In dem Ausmaß, in dem die vorliegende Erfindung Gegenstände beschreibt, die neuartige strukturierte Flächengeometrien aufweisen, sind die Ansprüche der vorliegenden Erfindung dazu bestimmt, Kopien, Werkzeugbestückung und Formen abzudecken, die beim Herstellungsverfahren der retroreflektierenden Folie verwendet werden.
Geeignete Materialien für retroreflektierende Gegenstände oder die Folie dieser Erfindung sind vorzugsweise transparente Materialien, die formstabil, haltbar, wetterfest und leicht in die gewünschte Konfiguration kopiert werden können. Veranschaulichende Beispiele geeigneter Materialien umfassen Glas; Acryle, die einen Brechungsindex von etwa 1,5 aufweisen, wie z. B. PLEXIGLAS-Markenharz, das von Rohm and Haas Company hergestellt wird; Polycarbonate, die einen Brechungsindex von etwa 1,59 aufweisen; reaktive Materialien, wie im GB-Patent Nr. 2,027,441 und in den US-Patenten Nr. 4,576,850, 4,582,885 und 4,668,558 gelehrt; Materialien, die für die Wellenlängen chemisch wirksamer Strahlung transparent sind, die bei der Härtung von Würfeleckenelementen verwendet wird, die aus dem Material bzw. den Materialien bestehen; ein Polymermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Poly(carbonat), Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylenterephthalat) und vernetzten Polymeren von multifunktionellen Acrylatmonomeren; auf Polyethylen basierenden Ionomeren, wie jenen, die unter dem Markennamen SURLYN durch E.I. Dupont de Nemours and Co., Inc., vermarktet werden; Polyester, Polyurethane; und Celluloseacetatbutyraten. Polycarbonate sind aufgrund ihrer Zähigkeit und ihres verhältnismäßig hohen Brechungsindex besonders geeignet, der im Allgemeinen zu einer verbesserten Retroreflexionsleistung über einen breiteren Bereich von Einfallwinkeln beiträgt. Diese Materialien können auch Farbstoffe, Färbemittel, Pigmente, UV-Stabilisatoren oder andere Zusatzstoffe enthalten. Färbemittel können fluoreszierend Farbstoffe oder Pigmente enthalten, um die Tageslichtsichtbarkeit und Auffälligkeit der Folie zu verbessern. Die Durchlässigkeit der Materialien stellt sicher, dass die Trennflächen oder schräg abgeschnittenen Flächen Licht durch diese Abschnitte des Gegenstands oder der Folie durchlassen werden.
Die Einarbeitung von schräg abgeschnittenen oder Trennflächen beseitigt das Retroreflexionsvermögen des Gegenstands nicht, sondern macht vielmehr den gesamten Gegenstand teilweise transparent. In einigen Anwendungen, die teilweise transparente Materialien benötigen, verbessern niedrige Brechungsindices des Gegenstands den Bereich des Lichts, das durch den Gegenstand durchgelassen wird. In diesen Anwendungen ist der vergrößerte Durchlassbereich von Acryl (Brechungsindex von etwa 1,5) wünschenswert.
Bei vollständig retroreflektierenden Gegenständen sind Materialien bevorzugt, die hohe Brechungsindices aufweisen. Bei diesen Anwendungen werden Materialien, wie Polycarbonate mit Brechungsindices von etwa 1,59 verwendet, um die Differenz zwischen den Indices des Materials und Luft zu erhöhen, wodurch folglich die Retroreflexion erhöht wird. Polycarbonate sind im Allgemeinen auch wegen ihrer Temperaturstabilität und Schlagzähigkeit bevorzugt.
Die Erfindung erwägt auch die Verwendung eines Gieß- und Härtungsherstellungsverfahrens, wobei die offenbarten optischen Würfeleckenelementgestaltungen verwendet werden, um eine Folie zu schaffen, die eine überlegene optische Leistung und ausgezeichnete Flexibilität aufweist. Eine Ausführungsform eines Gegenstands, die dieses Verfahren verwendet, weist eine erste Polymerzusammensetzung für die Würfeleckenelemente und ein zweites Polymerüberzugmaterial auf, das ein thermoplastisches Material ist. Vorzugsweise ist das Überzugmaterial gegenüber Wellenlängen chemisch wirksamer Strahlung transparent, die bei der Härtung des Harzes verwendet wird, das die Würfeleckenelemente bildet. Eine andere bevorzugte Eigenschaft der Materialien dieser Ausführungsform ist der relative Elastizitätsmodul für jede Komponente. Materialien mit hohem Elastizitätsmodul sind für die Würfeleckenelemente infolge ihrer mechanischen Eigenschaften zu bevorzugen, die eine Verwindungsfestigkeit verleihen. Das Überzugmaterial ist vorzugsweise ein Polymermaterial mit einem etwas niedrigeren relativen Elastizitätsmodul. Während der Härtung der Würfeleckenkomponente können die einzelnen Würfeleckenelemente abhängig von der Zusammensetzung des Würfeleckenmaterials ein bestimmtes Maß an Schrumpfung erfahren. Wenn der Elastizitätsmodul des Überzugmaterials zu hoch ist, können Verdrehspannungen auf die Würfeleckenelemente ausgeübt werden, wenn sie während der Härtung schrumpfen. Wenn die Spannungen ausreichend hoch sind, dann können die Würfeleckenelemente deformiert werden, was zu einer Verschlechterung der optischen Leistung führt. Wenn der Elastizitätsmodul des Überzugfilms ausreichend niedriger als der Modul der Würfeleckenmaterialien ist, kann sich der Überzug zusammen mit der Schrumpfung des Würfeleckenelements deformieren, ohne die Art Deformationsspannungen auf das Würfeleckenelement auszuüben, an das es angeheftet ist, die zu einer Verschlechterung optischer Eigenschaften führen würde.
Alternativ braucht die Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul des Würfeleckenelements und dem Überzugmaterial abhängig von den Abmessungen der Würfeleckenelemente nicht so groß sein. Wenn die Würfeleckenelemente eine niedrigere Höhe aufweisen, braucht die Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul des Würfeleckenelements und dem Überzugfilm nicht so groß sein, vermutlich weil die kleineren Würfeleckenelemente während der Härtung, in absoluten Abmessungseinheiten gemessen, keiner so großen Schrumpfung unterliegen und der Überzugfilm nicht in einem so großen Ausmaß mit den Würfeleckenelementen wie mit den größeren Würfeleckenelementen auf die Erzeugung von Dreh- und Formspannungen hin wechselweiser. Im Allgemeinen ist es möglich festzustellen, dass die Moduldifferenz zwischen dem Überzugmaterial und dem Würfeleckenelementmaterial in der Größenordnung von 1,0 bis 1,5 × 10⁷ Pascal oder mehr liegen sollte. Wenn die Höhe der Würfeleckenelemente abnimmt, ist es bei dieser Moduldifferenz möglich, das untere Ende des Bereichs zu erreichen, der unmittelbar zuvor angegeben wurde. Jedoch sollte man bedenken, dass es eine praktische untere Grenze für den Modul des Würfeleckenelementmaterials gibt. Unter einem bestimmten Niveau, das im Allgemeinen in der Größenordnung von etwa 2,0 bis 2,5 × 10⁸ Pascal liegt, werden die Würfeleckenelemente zu flexibel und besitzen keine ausreichende mechanische Steifigkeit, um bei der Anwendung einer Spannung geeignet zu brechen. Brechen ist ein Merkmal, das in einigen Ausführungsformen wünschenswert ist, um diskrete Würfeleckenelemente zu erhalten. Ohne ein solches Brechen kann keine Entkopplung der einzelnen Würfeleckenelemente unter Spannung erhalten werden, die für die Flexibilität und die überragenden optischen Eigenschaften der Folie wesentlich ist.
Neben den Überlegungen, die den relativen Elastizitätsmodul zwischen den Würfeleckenelementen und dem Überzugfilm betreffen, auf den die Würfeleckenelemente gegossen werden, gibt es ein Erfordernis eines verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmoduls für den Überzugfilm. Dies ist wichtig, wenn es ein Ziel der Herstellung ist, ein hohes Maß an Flexibilität im sich ergebenden retroreflektierenden Folienmaterial zu erzielen. Vorzugsweise werden die Würfeleckenelemente auf den Überzugfilm mit einem minimalen Abquetschflächenbetrag gegossen. Vorausgesetzt, dass die Abquetschfläche ausreichend minimiert werden kann, führt eine Dehnung oder eine andere geeignete elastische Deformation des Überzugfilms zu einem Bruch des Würfeleckenmaterials zwischen den einzelnen Würfeleckenelementen. Dies kann durch das Anlegen einer elastischen Spannung auf die Überzug/Würfelecken-Materialien nach der Verarbeitung erreicht werden oder kann sich aus dem Verfahren ergeben, die Materialien einfach aus der Verarbeitungsvorrichtung zu entfernen. Dies stellt eine erhebliche Effizienz bei der Verarbeitung dar, da erheblich Arbeitsgänge nach dem Gießen zum Brechen größerer Abquetschflächen, um denselben Effekt zu erzielen, überflüssig sind, was zu Einsparungen bei den Verarbeitungskosten führt.
Als Folge des Brechens der minimalen Abquetschfläche des Würfeleckenfilms sind die einzelnen optischen Würfeleckenelemente im Wesentlichen vollständig voneinander und vom Überzugsmaterial entkoppelt. Es ergeben sich wesentliche Vorteile aus dieser Entkopplung. Der Erste davon ist die sehr hohe Flexibilität, die für die Materialien angestrebt wird. Die entkoppelten optischen Elemente sind unabhängig von der Dicke der Abquetschfläche nicht länger durch die Wirkung der Abquetschfläche mechanisch beschränkt. Dies lässt eine erhebliche Deformation des elastischen Überzug-/Würfelecken-Verbundmaterials zu, während gleichzeitig eine im Wesentlichen vollständige mechanische Erholung des Verbundmaterials nach der Deformation zugelassen wird. Auch ermöglicht es die Entkopplung der einzelnen Würfeleckenelemente, jede beliebige Deformationsspannung zu isolieren, die auf das Verbundmaterial einwirkt. Der direkte Vorteil davon ist es, dass Spannungen, die auf das retroreflektierende Material ausgeübt werden, im Allgemeinen eine minimale verschlechternde Wirkung auf die optischen Eigenschaften der Materialien haben. Mit weniger flexiblen Erzeugnissen des Stands der Technik kann eine lokalisierte Spannung, die auf eine Fläche der Würfeleckenzusammensetzung ausgeübt wird, auf die angrenzenden Flächen übertragen werden, mit dem Ergebnis, dass ein wesentlicher Verlust der optischen Eigenschaften auf eine sehr viel größere Fläche des retroreflektierenden Materials ausgebreitet wird.
In einem anderen unähnlichen Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Ausmaßes an Flexibilität in einem retroreflektierenden Gegenstand besteht der erste Schritt darin, vorübergehend ein Feld von Würfeleckenelementen an einer Folie eines Basismaterials zu befestigen. Die Würfeleckenelemente können gebildet werden, indem ein geeignetes Material auf eine Ablösebeschichtung auf das Basismaterial gegossen wird. Dann wird durch Metallisieren oder andere Mittel eine reflektierende Schicht auf den Würfeleckenelementen gebildet. Anschließend wird dann ein Substrat auf der reflektierenden Schichtseite der Würfeleckenelemente befestigt. Die Folie aus Basismaterial wird entfernt, wobei ein freigelegtes Feld mit verhältnismäßig frei stehenden Würfeleckenelementen hinterlassen wird, die auf dem Substrat gebildet wurden.
Eine geeignete Trägerschicht kann aus einem beliebigen transparenten oder lichtundurchlässigen Material bestehen, einschließlich farbigen oder nicht farbigen Materials, das abdichtend mit den retroreflektierenden Elementen verbunden werden kann. Geeignete Trägermaterialien umfassen Aluminiumfolie, verzinkten Stahl, Polymermaterialien, wie Polymethylmethacrylate, Polyester, Polyamide, Polyvinylfluoride, Polycarbonate, Polyvinylchloride und eine große Vielfalt von Laminaten, die aus diesen und anderen Materialien bestehen.
Die Trägerschicht oder Folie kann mit den reflektierenden Würfeleckenelementen in einem Gittermuster oder in einer beliebigen anderen geeigneten Konfiguration abgedichtet werden. Die Abdichtung kann unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren bewirkt werden, einschließlich Ultraschallschweißen, Klebemitteln oder durch Heißsiegeln an diskreten Stellen des Felds reflektierender Elemente (siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 3,924,928). Eine Abdichtung ist wünschenswert, um den Eintritt von Schmutzstoffen, wie Schmutz oder Feuchtigkeit zu verhindern, und um die Lufträume um die reflektierenden Würfeleckenoberflächen zu schützen. Eine Kantenabdichtung kann in Anwendungen, wie der Auffälligkeit von Lastkraftwagen, die verhältnismäßig lange schmale Streifen retroreflektierender Folie benötigen, vorteilhaft sein.
Wenn zusätzliche Festigkeit oder Zähigkeit im Verbundstoff erforderlich ist, können Trägerfolien aus Polycarbonat, Polybutyrat oder faserverstärktem Kunststoff verwendet werden. Abhängig vom Ausmaß der Flexibilität des resultierenden retroreflektierenden Materials kann das Material gewickelt oder in Streifen oder andere geeignete Gestaltungen geschnitten werden. Das retroreflektierende Material kann auch mit einem Klebemittel und einer Ablösefolie hinterlegt werden, um es zum Auftragen auf ein beliebiges Substrat nützlich zu machen, ohne den zusätzlichen Schritt, ein Klebemittel aufzubringen oder andere Befestigungseinrichtungen zu verwenden.
Mit der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Modifikationen oder Kombinationen, die vorhandene Merkmale der retroreflektierenden Würfeleckentechnik enthalten, denkbar, obwohl diese in Verbindung mit allen vorstehend erläuterten Ausführungsformen nicht spezifisch offenbart sind. Zum Beispiel wäre es für einen Fachmann offensichtlich, eine Trennfläche in den Nuten vorzusehen, die Würfeleckenelemente trennen. Zusätzlich wäre es offensichtlich, einen Abschnitt der strukturierten Fläche mit einer spiegelnd reflektierenden Substanz zu beschichten, wie zum Beispiel durch Dampfbeschichtung einer Schicht aus Aluminium oder Silber auf der Oberfläche. Ferner erkennt ein Fachmann, dass die Raumwinkel zwischen angrenzenden Würfeleckenelementen variiert werden können, wie im US-Patent Nr. 4,775,219 von Appeldorn offenbart. Produkte, die solche offensichtlichen Modifikationen oder Kombinationen enthalten, werden so betrachtet, dass sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
BEISPIEL I
Dieses Beispiel veranschaulicht den Winkelbereich des Würfeleckenelementneigens, der zu einem gewünschten Winkelabweichungsbetrag zwischen einer Ebene, in der die optischen Achsen der Würfeleckenelemente geneigt werden, und einer Ebene der weitest ausgedehnten Einfallwinkligkeit führen. 16A bis 16J sind Kurven gleicher Helligkeit, die die vorhergesagte Retroreflexionsleistung eines aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars darstellen, wie in 1–2 dargestellt. Im Allgemeinen demonstrieren 16A bis 16E die zunehmende Winkelverschiebung der weitest ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit von der Ebene, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind, wenn die Elemente um einen zunehmenden Neigungswinkel bis zu einem Neigungswinkel geneigt werden, der zu einem 65-65-50-Basisdreieck führt. Danach führt eine Zunahme des Neigungswinkels gegenüberliegender Würfeleckenelemente zu einer abnehmenden Winkelverschiebung zwischen den ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit und der Ebene, in der die Würfeleckenelemente geneigt sind.
16A ist ein Profil gleicher Helligkeit für ein einzelnes Würfeleckenelement, das ein gleichseitiges Basisdreieck und einen Brechungsindex von 1,59 aufweist. Es zeigt das wohlbekannte Muster gleicher Helligkeit mit sechs Keulen, das sich aus den drei Symmetrieachsen des Würfeleckenelements mit gleichseitigem Basisdreieck ergibt. 16B bis 16J veranschaulichen die Verzerrung des Musters gleicher Helligkeit eines aufeinander abgestimmten Würfeleckenelementpaars, wenn die gegenüberliegenden Würfeleckenelemente im einen zunehmenden Neigungswinkel geneigt werden. Die gegenüberliegenden Würfeleckenelemente werden in einer Ebene geneigt, die sich horizontal durch die grafische Darstellung gleicher Helligkeit erstreckt. 16B stellt eine Neigung um 1,60 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt., das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 61 Grad, 61 Grad und 58 Grad messen. 16C stellt eine Neigung um 3,14 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 62 Grad, 62 Grad und 56 Grad messen. 16D stellt eine Neigung um 4,63 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 63 Grad, 63 Grad und 54 Grad messen. 16E stellt eine Neigung um 7,47 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 65 Grad, 65 Grad und 50 Grad messen. 16F stellt eine Neigung um 10,15 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 67 Grad, 67 Grad und 46 Grad messen.
Eine Untersuchung dieser Abfolge grafischer Darstellungen gleicher Helligkeit veranschaulicht die zunehmende Winkelverschiebung der weitest ausgedehnten Ebenen der Einfallwinkligkeit von der Ebene, in die die gegenüberliegenden Würfeleckenelemente geneigt sind.
Die restlichen grafischen Darstellungen gleicher Helligkeit veranschaulichen die abnehmende Winkelabweichung zwischen der weitest ausgedehnten Ebene der Einfallwinkligkeit und der Ebene, in der die gegenüberliegenden Würfeleckenelemente geneigt sind. 16G stellt eine Neigung um 12,69 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 69 Grad, 69 Grad und 42 Grad messen. 16H stellt eine Neigung um 15,12 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 71 Grad, 71 Grad und 38 Grad messen. 16I stellt eine Neigung um 17,46 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 73 Grad, 73 Grad und 34 Grad messen. 16J stellt eine Neigung um 19,72 Grad dar, die ein gleichschenkeliges Basisdreieck ergibt, das eingeschlossene Winkel aufweist, die annähernd 75 Grad, 75 Grad und 30 Grad messen.
Diese Reihe grafischer Darstellungen gleicher Helligkeit demonstriert, dass wenn gegenüberliegende Würfeleckenelemente um zunehmende Neigungswinkel bis zu etwa 12 Grad geneigt werden, sich die Einfallwinkligkeit des Gegenstands in zwei im Wesentlichen senkrechte Ebenen weiter verbreitert, die unter annähernd 45 Grad relativ zu der Ebene orientiert sind, in die die Würfeleckenelemente geneigt sind. Weiteres Neigen erhöht die Einfallwinkligkeit in diesen Ebenen und vermindert die Einfallwinkligkeit in einer Ebene, die im Wesentlichen mit der Neigungsebene zusammenfällt. Während der optimale Betrag des Neigens annähernd 7,47 Grad zu sein scheint, der einem 65-65-50-Basisdreieck entspricht, ist offenkundig, dass ein Neigungswinkelbereich, der sich von annähernd 5 Grad bis annähernd 12 Grad erstreckt, machbar zu sein scheint, um einen retroreflektierenden Gegenstand zu erzeugen, der zwei ausgedehnte Ebenen der Einfallwinkligkeit aufweist, die annähernd senkrecht zueinander orientiert sind.
Figurenbeschreibung:

Entrance angle – Einfallwinkel
Prior Art – Stand der Technik
CD/SQM – Cd/m²
Distance (m) – Abstand (m)

Claims

Dünne, flexible, retroreflektierende Folie, die aus einem im Wesentlichen optisch transparenten Material gebildet ist, aufweisend: ein Substrat (4) mit einer Basisfläche (6), die in einer Basisebene angeordnet ist; eine strukturierte Fläche gegenüber der Basisfläche, die mindestens ein Feld aus aufeinander abgestimmten Paaren geneigter Würfeleckenelemente enthält, welche durch drei sich schneidende Sätze im Wesentlichen paralleler Nuten gebildet werden, einschließlich eines Satzes primärer Nuten (30) und zweier Sätze sekundärer Nuten (36, 37), wobei jedes aufeinander abgestimmte Paar ein erstes geneigtes Würfeleckenelement (12) und ein zweites geneigtes Würfeleckenelement (14), das gegenüber einer primären Nut des ersten Elements angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass (a) einander zugewandte Würfeleckenelemente in einem bestimmten Feld Symmetrieachsen (24, 26) aufweisen, die in einer ersten Ebene (V₁) um einen vorbestimmten Neigungswinkel (6) geneigt sind, der bezogen auf eine Achse (28), die als Normale zur Basis verläuft, zwischen 4° und 15° misst; (b) die Folie dieses bestimmten Felds ihren weitest ausgedehnten Einfallwinkligkeitsbereich in einer zweiten Ebene (40), die schräg zur ersten Ebene (V₁) versetzt ist, und in einer dritten Ebene (42), die schräg zur ersten Ebene (V₁) versetzt ist, zeigt; (c) im Wesentlichen jedes der Würfeleckenelementfelder derart ausgerichtet ist, dass entweder die zweite oder die dritte Ebene ungefähr parallel zu einer Kante der Folie ist.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei sich ein Hauptanteil im Wesentlichen jeder Nut des Satzes primärer Nuten (30) in einer Ebene befindet, die im rechten Winkel zu der Basisfläche (6) liegt und die eine Kante des Gegenstands in einem Winkel schneidet, der zwischen 35° und 55° misst.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Feld eine Gruppe von zwei Feldern aufweist.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei die ersten Ebenen einen Winkel mit der Kante der Folie bilden, der zwischen 35° und 55° misst.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei mehrere Würfeleckenelemente in dem Feld ihre Symmetrieachse in einer ersten Ebene um einen Neigungswinkel, der zwischen 5° und 12° misst, geneigt haben.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei die Würfeleckenelementfelder derart ausgerichtet sind, dass entweder die zweite oder die dritte Ebene eine Kante der Folie in einem Winkel von weniger als 10° schneidet.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 6, wobei die Würfeleckenelementfelder derart ausgerichtet sind, dass entweder die zweite oder die dritte Ebene eine Kante der Folie in einem Winkel von weniger als 5° schneidet.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei die Folie ein Material mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 aufweist und eine Gesamtlichtrückstrahlung von mindestens 5 % des Lichts zeigt, das auf die mikrostrukturierte Fläche des Gegenstands in der dritten Ebene in einem Eintrittswinkel von etwa 60° einfällt.
Retroreflektierender Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Folie einen Brechungsindex von mindestens etwa 1,6 aufweist und eine Gesamtlichtrückstrahlung von mindestens 10 % des Lichts zeigt, das auf die mikrostrukturierte Fläche des Gegenstands in der dritten Ebene in einem Eintrittswinkel von etwa 60° einfällt.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei die würfeleckenelemente im Feld ein Basisdreieck aufweisen, das durch eine Nut aus jedem der drei sich schneidenden Sätze Nuten bestimmt wird, wobei das Basisdreieck ein ungleichseitiges Dreieck ist.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei ein Teil der strukturierten Fläche mit einem Spiegelreflexmaterial beschichtet ist.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, wobei eine Trägerschicht dicht mit einem Teil der strukturierten Fläche verbunden ist.
Retroreflektierende Folie nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein erstes Substratwürfeleckenelementmaterial mit einem Modul von mehr als 2,5 × 10⁸ Pascal und einem zweiten Überzugmaterial, wobei das zweite Material einen niedrigeren Modul aufweist als das erste Material und wobei der Modulunterschied zwischen den beiden Materialien mindestens 1 × 10⁷ Pascal beträgt.
Gegenstand, aufweisend: ein Substrat (4) mit einer Basisfläche (6), die in einer Basisebene angeordnet ist; eine strukturierte von der Basisfläche versetzt angeordnete Fläche (10), die mindestens ein Feld aus aufeinander abgestimmten Paaren (12, 14) von Würfeleckenelementen enthält, welche durch drei sich schneidende Sätze im Wesentlichen paralleler Nuten gebildet werden, einschließlich eines Satzes primärer Nuten (30) und zweier Sätze sekundärer Nuten (36, 37), dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen jedes aufeinander abgestimmte Paar des Felds ein erstes Würfeleckenelement (12) mit einer zwischen 4° und 15° geneigten Symmetrieachse (24) in einer Ebene (V₁), die ungefähr im rechten Winkel zu einer primären Nut und im rechten Winkel zur Basisfläche ist, und ein optisch gegenüberliegendes zweites Würfeleckenelement (14) mit einer zwischen 4° und 15° geneigten Symmetrieachse (26) in einer Ebene (40), die ungefähr im rechten Winkel zu einer primären Nut (30) und im rechten Winkel zur Basisfläche (6) ist, aufweist, wobei: (a) sich die sekundären Sätze Nuten (36, 37) in einem Winkel von weniger als 60 Grad schneiden und (b) sich im Wesentlichen jede Nut des Satzes primärer Nuten (30) jedes der Felder in einer Ebene befindet, die im rechten Winkel zu der Basisfläche (6) liegt und die eine Kante des Gegenstands in einem Winkel schneidet, der zwischen 35° und 55° misst.
Gegenstand nach Anspruch 14, wobei sich alle Nuten der Nuten im Satz primärer Nuten in einer Ebene befinden, die eine Kante des Gegenstands in einem Winkel schneidet, der zwischen 40° und 50° misst.
Gegenstand nach Anspruch 14, wobei sich alle Nuten der Nuten im Satz primärer Nuten in einer Ebene befinden, die eine Kante des Gegenstands in einem Winkel schneidet, der 45° misst.