[发明专利]具有低折射率背衬的后向反射器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年8月27日提交的美国申请号13/595,065的优先权。

领域

本发明一般涉及后向反射器，并具体涉及以由具有非常低折射率的多孔材料形成的背衬层做衬底从而在宽范围入射角达到高效率全内反射的后向反射器。

背景

片形式的后向反射器常常被用于公路信号和公路建设工作者的安全服以增加夜间可见性。后向反射塑料板被用作路面标志和车辆反射器。这样的后向反射片和板通常包括透明塑料材料层，该材料层具有基本上光滑的前表面，和设置有多个后向反射的立方隅角元件的后表面。

这样的产品中的立方隅角常凭借全内反射(TIR)实现后向反射性。进入制品的前表面的入射光束在立方隅角的三个表面之间被以棱柱样的方式在内部反射并从它们进入的方向上退出立方隅角。理想地，这样的后向反射器应当能够不仅以接近零的低入射角度(如在近似垂直于片的方向上)而且还以高入射角度后向反射进入片的前表面的光束。由于在内部以高入射角反射光的能力取决于形成立方隅角的材料和与立方隅角的背面交接的材料的折射率之间的差，许多后向反射片和板在立方隅角后面提供空隙，从而使该差最大。然而，即使当使用这样的空气背衬时，超出某个临界角度进入立方隅角的光将开始通过穿过立方隅角的三面中的一个或多个从立方隅角泄漏出去。

为解决该问题和增加片以甚至更大的入射角后向反射入射光的能力，常见的是施加反射性金属层诸如真空沉积的铝至立方隅角元件的后表面。在这样的结构中，当光进入立方隅角时，当光到达立方隅角的面时它被镜面反射离开金属层，并被朝向其光源后向反射，即使当在空气背衬结构中以超出TIR临界角的角度进入时。

除了增加后向反射性的入射角，敷金属法在立方隅角的背表面之上提供密封以提供TIR，所述密封防止破坏TIR的污垢和湿气停留在立方隅角的背表面，污垢和湿气又将会退化或破坏立方隅角的能力。敷金属法还使得背表面被完全支撑(诸如通过熟知的“封装(potting)”技术)以赋予总体反射器结构额外的强度。

遗憾地，敷金属法具有降低制品整体后向反射比的缺点。与反射比为100％的TIR不同，铝具有仅仅大约85％的反射比。因此，被反射离开三个镀铝面的光的后向反射射线的强度被降低至其相应的TIR强度的大约(85％)³或者大约61％。

而且，在立方隅角后面提供空隙以使TIR的入射角最大可损害得到的结构的强度，使它比固体结构在机械上更弱以及热稳定差。对于一些应用，可以通过使透明材料相对厚和自支撑，形成这样的空隙，诸如在车辆尾灯反射器中。然而，这样的结构需要(相对于片)大量的塑料材料并因此在按面积基础上相对昂贵。在透明材料必须比尾灯反射器更薄并且还比片更坚硬的应用中，诸如路面标志反射器，可以通过朝立方隅角元件后面延伸以限定“格子(cell)”的肋状物(rib)可以形成这些空隙，每一个格子包含一个或多个立方隅角元件。虽然这样的肋状物赋予后向反射器结构强度并有助于将污垢或湿气引入的损害限制在仅损坏的格子中的那些立方隅角，但是被肋状物或格子壁占据的区域通常是非后向反射的，并且因此减少了制品的整体后向反射率。

为了克服这些缺点，已经开发了后向反射片，其采用具有比用于形成立方隅角的透明材料的折射率更低的折射率的固体背衬层代替空隙。虽然这样的片比在立方隅角之后采用空隙的可比的片在结构上更可靠和更坚固，但是因为形成立方隅角的材料和形成固定衬底的材料之间折射率的差较小，这样的片提供宽范围入射角的TIR的能力显著小于空气背衬制品。例如，如果由具有折射率n＝1.59的聚碳酸酯形成立方隅角并且固体背衬材料为具有折射率n＝1.32的冰晶石，折射率之间的差为1.59-1.32＝0.27。相比之下，当由具有折射率n＝1.00的空气形成背衬层时，折射率之间的差为1.59-1.00＝0.59，其大于0.27两倍。虽然该问题可以通过在固体背衬层的背表面之上施加反射性金属层部分解决，但是因为TIR的临界角更小，这样的后向反射器将更多的依赖由反射层提供的镜面反射，如前面所指出，其将后向反射光的强度降低大约39％。

为了增加TIR的临界角，具有低于冰晶石的折射率的材料已经被用于这样的后向反射器。例如，由与粘合剂混合的粒状金属氧化物诸如二氧化硅或氧化铝形成的薄光学膜已经被作为背衬层施加至后向反射片。得到的层的特征在于纳米孔隙率并可具有低至1.10的折射率n。

概述