專利名稱：具有至少一個透鏡共軸性標記的透鏡及其制造方法
技術領域：
本發明總的來說涉及透鏡領域，具體地講，涉及具有至少一個透鏡共軸性標記的透鏡及其制造方法。
背景技術：
光學元件經常需要進行測試以確定光學特性和機械特性。例如，通常必須測試透鏡以確定一個或兩個透鏡表面的共軸性。
透鏡設計者目益致力于對非球面的研究以幫助控制在球面透鏡中可能出現的各種類型的光學像差。一般，非球面被理解為是這樣一種形狀的回轉面，即，通過將非圓形曲線圍繞回轉軸旋轉而形成的回轉面。從而該回轉面是關于回轉軸旋轉對稱的。屬于回轉面的每一個非球面都包括頂點，該頂點被定義為該表面與回轉軸相交于該表面上的點。
非球面透鏡與更多球面相比能提供各種優點。例如，非球面透鏡具有的焦距可以比相同直徑的球面透鏡所能具有的焦距短得多。當空間受限時該短焦距可能是有用的特征。單個非球面透鏡也可以用作聚光透鏡。在多透鏡系統中，非球面鏡可有助于校正像差。
透鏡設計方面的各種改進也已經引起透鏡制造方面的進步。例如，光學級別聚合材料的注入模塑使得能夠利用低成本的材料生產大批量高質量的光學器件。
塑料光學器件與玻璃相比具有許多優點。其中最重要的是較低的成本、較高的耐沖強度、較輕的重量以及較多的結構可能性以簡化系統組裝。結構柔性在使用非球面透鏡的系統中尤其有用以便簡化系統設計并降低部件的數量、重量以及成本。此外，透光性可比得上高級冕玻璃的透光性。最后，能夠斷裂的塑料一般不會像玻璃一樣破碎。斷裂的塑料碎片更大，而且往往會更鈍，從而危險性更小。
實際上所有的玻璃光學研磨和拋光設備都采用了這樣的機制即利用機械運動來成形球面。傳統上，一直以相似的工藝完成了用于注射和壓縮模塑的模具的光學銷(optical pin)。由此，所生產的大部分光學器件一直是球面的。
然而，光學設計者正越來越多地使用非球面以降低成本或者獲得使用其他技術無法得到的性能。使用非球面的設計常常包含較少的元件。此外，制造精確的非球面模具空腔面的復雜工藝對每一個空腔僅需要一次。因此，對于開發非球面的優點而言，注入模塑工藝是經濟的技術。
不過，在非球面透鏡表面的注入模塑過程中可能會出現各種誤差，這可能制造出偏軸的表面。例如，該表面的光軸可能與透鏡的機械軸不重合。例如，構成注射模具的兩個模具銷可能不會嚴格地彼此對準從而一個或兩個透鏡表面的光軸與透鏡的機械軸不重合。另外，用于注入模塑工藝的可固化材料在固化過程中可能會不均衡地收縮。
發明內容
本發明提供一種透鏡，該透鏡包括位于透鏡主表面的頂點處的第一透鏡共軸性標記。該第一透鏡共軸性標記能使得更精確地測量主表面相對于透鏡機械軸的共軸性。在本發明的一些實施例中，透鏡還可包括位于透鏡第二主表面上的第二透鏡共軸性標記。
本發明還提供用于測量透鏡表面共軸性的方法。
由本發明一些實施例提供的優點之一在于透鏡共軸性標記可以與任何形狀的光學表面一起使用并提供測量共軸性的精確的且可容易重復的方式。
一方面，本發明提供一種具有第一主表面和第二主表面的透鏡。該第一主表面關于第一軸旋轉對稱。該第一主表面包括位于第一主表面與第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記。在一些實施例中，透鏡還包括關于第二軸旋轉對稱的透鏡第二主表面。該透鏡第二主表面包括位于第二主表面與第二軸的交點處的第二透鏡共軸性標記。
另一方面，本發明提供一種在透鏡的至少一個表面上形成透鏡共軸性標記的方法。該方法包括在透鏡模具的第一表面上形成第一模具共軸性標記，其中該第一表面關于第一透鏡模具軸旋轉對稱。該第一模具共軸性標記形成在第一透鏡模具軸與透鏡模具的第一表面的交點處。該方法還包括用可固化材料填充透鏡模具，并固化該材料從而第一模具共軸性標記在透鏡的第一主表面上形成第一透鏡共軸性標記。在一些實施例中，該方法還包括在透鏡模具的第二表面上形成第二模具共軸性標記，其中第二表面關于第二透鏡模具軸旋轉對稱。第二模具共軸性標記形成在第二透鏡模具軸與透鏡模具的第二表面的交點處。固化該材料的步驟還包括這樣固化該材料以使第二模具共軸性標記在透鏡的第二主表面上形成第二透鏡共軸性標記。
另一方面，本發明提供一種測量透鏡共軸性的方法。該方法包括將透鏡放置在工作臺上，其中透鏡包括第一主表面和第二主表面。該第一主表面關于第一軸旋轉對稱。該第一主表面包括位于第一主表面與第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記。將透鏡放置在工作臺上的步驟包括將透鏡這樣放置在工作臺上以使第一透鏡共軸性標記與工作臺的轉軸對準。該方法還包括使透鏡相對于旋轉面調平，該旋轉面垂直于工作臺的轉軸；使透鏡圍繞工作臺的轉軸旋轉；以及在旋轉過程之中或之后觀察透鏡以評估透鏡第一主表面的共軸性。
在一些實施例中，該方法還包括把透鏡重新定位在工作臺上以使透鏡第二主表面上的第二透鏡共軸性標記與工作臺的轉軸對準。該透鏡第二主表面關于第二軸旋轉對稱。該第二透鏡共軸性標記位于第二主表面與第二軸的交點處。該方法還包括使透鏡圍繞工作臺的轉軸旋轉，以及在旋轉過程之中或之后觀察透鏡以評估透鏡第二主表面的共軸性。
另一方面，本發明提供一種測量透鏡共軸性的方法。該方法包括將透鏡放置在工作臺上的第一透鏡位置，其中該透鏡包括第一主表面和第二主表面。該第一主表面關于第一軸旋轉對稱。該第一主表面包括位于第一主表面與第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記。該方法還包括當透鏡處于第一透鏡位置時確定第一透鏡共軸性標記的第一位置；將透鏡放置在第二透鏡位置上；當透鏡處于第二透鏡位置時確定第一透鏡共軸性標記的第二位置；以及比較第一透鏡共軸性標記的第一位置和第一透鏡共軸性標記的第二位置。
在一些實施例中，該方法還包括當透鏡處于第一透鏡位置時確定透鏡第二主表面上的第二透鏡共軸性標記的第一位置，其中透鏡第二主表面關于第二軸旋轉對稱。第二透鏡共軸性標記位于第二主表面與第二軸的交點處。該方法還包括將透鏡放置在第二透鏡位置上；當透鏡處于第二透鏡位置時確定第二透鏡共軸性標記的第二位置；以及比較第二透鏡共軸性標記的第一位置與第二透鏡共軸性標記的第二位置。
下面針對由權利要求限定的本發明的各種示例性實施例來討論根據本發明的透鏡的這些及其他特征和優點。
圖1A是根據本發明的一個具有透鏡共軸性標記的透鏡的平面示意圖。
圖1B是圖1A所示透鏡的一部分的橫截面示意圖。
圖2A是根據本發明一個實施例的具有第一透鏡共軸性標記和第二透鏡共軸性標記的透鏡的平面示意圖。
圖2B是圖2A所示透鏡的一部分的橫截面示意圖。
圖3A是根據本發明一個實施例的包括透鏡模具的透鏡模具裝置的橫截面示意圖。
圖3B是圖3A所示透鏡模具的橫截面示意圖。
圖4是根據本發明一個實施例的具有模具共軸性標記的模具銷的橫截面示意圖。
圖5是根據本發明一個實施例的用于測量具有至少一個透鏡共軸性標記的透鏡的共軸性的共軸性測量系統的示意圖。
圖6是在若干個旋轉位置上顯示圖5所示的透鏡的俯視平面示意圖。
圖7是圖5所示透鏡的一個實施例的俯視平面示意圖。
圖8是根據本發明一個實施例的用于測量具有至少一個透鏡共軸性標記的透鏡的共軸性的另一共軸性測量系統的示意圖。
圖9是根據本發明一個實施例的具有第一透鏡共軸性標記和第二透鏡共軸性標記的透鏡的橫截面示意圖。
具體實施例方式
在以下示例性實施例的詳細描述中，參考形成其一部分的附圖，并且其中通過圖解方式示出可實施本發明的特定實施例。需理解的是可利用另一些實施例并且在不脫離本發明的范圍的情況下可以進行結構改變。
一般地，本發明的透鏡包括透鏡主表面上的至少一個透鏡共軸性標記。
如本文所用，術語“非球面透鏡”是指一種透鏡，其中該透鏡的至少一個表面被成形為圍繞回轉軸旋轉的非球面。
如本文所用，術語“頂點”是指在回轉面上回轉軸與回轉面相交的點。
如本文所用，術語“光軸”是指穿過透鏡表面的頂點并與該具體表面的回轉軸重合的軸。
如本文所用，術語“透鏡的幾何中心”是指透鏡直徑的中點與透鏡厚度的中點的交點。
如本文所用，術語“透鏡共軸性標記”是指形成在透鏡的表面內或表面上的標記或特征，使得透鏡共軸性標記位于該表面與該表面回轉軸的交點處。換句話說，透鏡共軸性標記定位在回轉面的頂點處。
如本文所用，術語“偏軸”是指光軸與機械軸之間的任何偏離。對于完全共軸的透鏡表面，透鏡的機械軸與光軸重合。對于具有透鏡共軸性標記的表面，如果透鏡共軸性標記與透鏡的機械軸不對準，就會指示出表面的偏軸。
圖1A-1B描繪了根據本發明的透鏡10的一個實施例。透鏡10包括第一主表面12、第二主表面20和外邊緣14。該第一主表面12包括如本文進一步所述的透鏡共軸性標記30。為了示例性的目的，在圖1A-1B中的透鏡共軸性標記30并非按照一定比例繪制。透鏡10可以是本領域中已知的任何適當類型的透鏡，例如平凸的、雙凸的、彎月形的、平凹的、雙凹的或者非球面的。此外，透鏡10可以用在許多類型的設備中并用于各種類型的光學效應中，例如顯微鏡、相機、望遠鏡、投影電視、眼鏡、數據顯示投影儀以及視頻顯示投影儀。
透鏡10可以由任何合適的材料或材料的組合制成，例如玻璃、聚合物或者晶體。此外，透鏡10可在透鏡10中包含各種材料，或者透鏡10可包含各種材料作為涂層以提供各種不同的光學特性，例如抗反射性、抗刮擦性、抗污性等。
透鏡10可以是任何合適的尺寸，該尺寸視其具體用途而定。例如，10mm直徑的透鏡能夠用于某些相機或投影透鏡組件。或者，直徑大約為200mm的透鏡可用于某些電視透鏡組件。
透鏡10的外邊緣14可以采取任何合適的形狀，例如圓形、矩形等。此外，外邊緣14可包括在注入模塑工藝過程中產生的一個或多個澆注口突起(gate protrusion)(參見，例如圖7所示透鏡410的澆注口突起418)。另外，透鏡10可包括靠近外邊緣14的整體安裝和緊固特征以便把透鏡10安裝在光學組件中。例如，這種緊固特征可包括方形凸緣、用于熱度標線(heat staking)的突起、具有安裝墊的孔等。此外，透鏡10可包括安裝平面以便安裝在光學組件中。
如上所述，透鏡10包括第一主表面12，該第一主表面12可根據透鏡10的想要的光學特性而采取任何合適的形狀。例如，第一主表面12可以是凸的、凹的或者平的。此外，凸或凹表面可采取球面或非球面的形狀。優選的是第一主表面12一般是關于第一軸50對稱的。換句話說，第一主表面12可被描繪成使選定的非圓曲線圍繞第一軸50旋轉而形成的回轉面。在該示例性實施例中，第一軸50是用于描述第一主表面12的回轉軸。一般地，非球面能被描繪成關于回轉軸旋轉對稱的回轉面。如圖1B所示，頂點52表示第一軸50(即，用于第一主表面12的回轉軸)與第一主表面12(即，回轉面)相交之處。
與透鏡10的第一主表面12相背對的是第二主表面20，該第二主表面20可根據透鏡10想要的光學特性而采取任何合適的形狀，例如凸的、凹的、平的。此外，凸或凹表面可采取球面或非球面的形狀。與第一主表面12一樣，第二主表面20也可以被描繪成回轉面。
第一主表面12包括第一透鏡共軸性標記30。如本發明附圖中所示，為了便于舉例說明，透鏡共軸性標記并非按照一定比例繪制。第一透鏡共軸性標記30可位于第一主表面12與第一軸50的交點處，即，第一主表面12的頂點52處。如本文所用，例如在短語“位于第一主表面12與第一軸50的交點處”中所用的術語“位于”意思是第一透鏡共軸性標記30被精確地定位在第一軸50與第一主表面12的交點處或者在所需的公差以內。公差的量將取決于透鏡直徑。例如，200mm透鏡具有25μm公差，公差約為0.01％。
第一透鏡共軸性標記30可采取任何合適的形狀，例如圓形、三角形、矩形等。此外，第一透鏡共軸性標記30可以是標記(例如，十字絲標記、隆起)的任何不連續排列，其中標記一般具有尖銳的邊緣從而可將標記30與各種透鏡缺陷區別開。此外，第一透鏡共軸性標記30可以是任何合適的尺寸，即，高度和直徑。例如，第一透鏡共軸性標記30的高度(或者深度，如果標記30延伸入第一主表面12內)可小于25μm。優選的是第一透鏡共軸性標記30的高度可小于1μm。此外，例如，第一透鏡共軸性標記30的直徑可以不超過100μm。優選的是第一透鏡共軸性標記30的直徑不超過50μm。更優選的是第一透鏡共軸性標記30的直徑不超過25μm。或者，對于具體透鏡的規格，優選的是第一透鏡共軸性標記30小于各種允許的缺陷，比如劃痕或小坑。此外，優選的是第一透鏡共軸性標記30基本上不影響透鏡10的光學性能，而第一透鏡共軸性標記30仍有足夠的大小以便顯微鏡能夠聚焦到標記30上且被對中在顯微鏡的十字準線內，如本文進一步所述。此外，優選的是透鏡共軸性標記30具有尖銳的邊緣從而顯微鏡或其他光學設備會更容易聚焦到透鏡共軸性標記30上。
盡管第一透鏡共軸性標記30在圖1B中被描繪成從第一主表面12延伸的隆起或突起，但第一透鏡共軸性標記30也可以是延伸入第一主表面12中的凹陷或凹坑，或者突起與凹陷的某種組合。
第一透鏡共軸性標記30可以利用本領域中已知的任何合適技術形成。例如，第一透鏡共軸性標記30可通過在用于注入模塑工藝中的模具銷的表面上刻出相應的模具共軸性標記來形成，如本文進一步所述。或者，第一透鏡共軸性標記30可在透鏡10的第一主表面12上雕刻形成。此外，例如，第一透鏡共軸性標記30可以通過把第一透鏡共軸性標記30附著到透鏡10的第一主表面12上來形成，例如，通過把第一透鏡共軸性標記30粘結到第一主表面12上。其他技術可以包括金剛石車削、激光燒蝕、斑點涂覆等。
因為第一透鏡共軸性標記30位于透鏡10的第一主表面12的頂點52處(即，在第一軸50與第一主表面12的交點處)，因此第一透鏡共軸性標記30連同第一軸50一起表示第一主表面12的光軸。如本文進一步所述，一般希望透鏡每一個表面的光軸基本上與透鏡的機械軸重合。通過在透鏡10的第一主表面12上設置第一透鏡共軸性標記30，可以確定第一主表面12與透鏡10的機械軸的共軸性。
盡管圖1A-1B所示的透鏡10包括第一透鏡共軸性標記30，但本發明的透鏡也可以包括透鏡第二主表面上的第二透鏡共軸性標記。例如，圖9表示根據本發明另一實施例的具有第一透鏡共軸性標記630和第二透鏡共軸性標記640的透鏡600。透鏡600顯示出若干個類似于圖1A-1B所示的和本文所述的透鏡10的特征的特征。透鏡600包括第一主表面612、第二主表面620和外邊緣614。透鏡600可以由與用來制造透鏡10的材料相同或相似的材料制成。
第一主表面612和第二主表面620都可包括本領域中已知的任何合適的形狀，例如凸的、凹的或平的。對于凸形和凹形，第一主表面612和第二主表面620可采取任何合適的形狀，例如，球面的或非球面的。如圖9所示，第一主表面612關于軸670旋轉對稱。換句話說，第一主表面612可以被描繪成通過使非圓曲線圍繞軸670(即，回轉軸)旋轉而形成的回轉面。軸670與第一主表面612在頂點652處相交。
在圖9所示的實施例中，第二主表面620也關于軸670旋轉對稱從而第二主表面620是圍繞軸670(即，回轉軸)的回轉面。軸670與第二主表面620在頂點662處相交。
在圖9所示的實施例中，透鏡600具有直徑d，其中點與第一主表面612和第二主表面620之間的距離的中點一起定義了透鏡600的幾何中心672。幾何中心672又定義了機械軸，該機械軸是與透鏡直徑d垂直并與透鏡600的幾何中心672相交的軸。在該實施例中，機械軸與軸670重合。
如圖9所示，第一主表面612和第二主表面620的回轉軸與透鏡600的機械軸重合，從而所有三個軸被描繪成軸670。在理想的透鏡中，優選的是這三個軸是重合的，從而透鏡不會表現出偏軸。換句話說，優選的是第一透鏡共軸性標記630和第二透鏡共軸性標記640都與透鏡的機械軸(即，軸670)對準。
不過，一些透鏡可能會表現出至少一個透鏡表面的偏軸。例如，圖2A-2B表示根據本發明的透鏡100的另一實施例。透鏡100在很多方面與圖1A-1B所示的透鏡10和圖9所示的透鏡600相似。透鏡100包括第一主表面112、第二主表面120和外邊緣114。
如圖2B所示，第一主表面112關于第一軸150旋轉對稱。換句話說，第一主表面112可被認為是通過使非圓曲線圍繞第一軸150(即，回轉軸)旋轉而描繪成的回轉面。第一軸150與第一主表面112在頂點152處相交。
類似地，如圖2B所示，第二主表面120關于第二軸160對稱從而第二主表面120是回轉面。第二軸160與第二主表面120在頂點162處相交。
位于第一軸150和第一主表面112的交點處(即，頂點152處)的是第一透鏡共軸性標記130。如本文關于圖1A-1B所示的第一透鏡共軸性標記30所述，第一透鏡共軸性標記130可以是任意合適的形狀和尺寸。優選的是第一透鏡共軸性標記130的尺寸基本上不影響透鏡100的光學特性。第一透鏡共軸性標記130可用來確定透鏡100的第一主表面112的共軸性，如本文進一步所述。
透鏡100還包括位于第二軸160與第二主表面120的交點處(即，頂點162處)的第二透鏡共軸性標記140。如關于圖1A-1B所示的第一透鏡共軸性標記30所述，第二透鏡共軸性標記140可采取任何適當的形狀和尺寸。第二透鏡共軸性標記140能被用來確定透鏡100的第二主表面120的共軸性，如本文進一步所述。
圖2A是俯視第一主表面112的透鏡100的平面示意圖。盡管圖2A示出第一透鏡共軸性標記130沿著垂直于圖2A所在平面的軸與第二透鏡共軸性標記140不對準，但第一透鏡共軸性標記130和第二透鏡共軸性標記140可以對準，從而圖2B所示的第一軸150和第二軸160是重合的(參見，例如，圖9所示的透鏡600)。
透鏡100還包括幾何中心172，該幾何中心172又限定機械軸170，該機械軸為垂直于透鏡直徑并與幾何中心172相交的軸。
在理想的透鏡中，優選的是第一主表面112的第一透鏡共軸性標記130和第二主表面120的第二透鏡共軸性標記140都與透鏡100的機械軸170對準。這樣對準可確保光軸(即，第一軸150和第二軸160)與機械軸170重合。在一個或多個透鏡組成的系統中，每一個透鏡的表面的對準可有助于減少圖像處理誤差，比如本領域中已知的彗形像差、像散、像場傾斜、偏軸像差以及其他像差。
在本發明的一些實施例中，第一主表面112的共軸性可與第二主表面120的共軸性進行比較以確定透鏡100的曲線對曲線的偏軸性(curve to curve decentration)。該曲線對曲線的偏軸性能使用任何合適的技術來確定。
在透鏡的制造過程中可能出現導致透鏡的一個或兩個表面偏離于透鏡的機械軸的誤差。例如，透鏡100的第一主表面112和第二主表面120都偏離于機械軸170。優選的是本發明透鏡具有至少一個沿著透鏡的機械軸對中的透鏡表面。更優選的是本發明透鏡的兩個表面都沿著透鏡的機械軸對中。換句話說，優選的是第一主表面112的第一軸150(即，光軸)基本上與透鏡100的機械軸170重合。類似地，優選的是第二軸160基本上與機械軸170重合。更優選的是第一軸150和第二軸160基本上都與機械軸170重合。換句話說，優選的是第一透鏡共軸性標記130和第二透鏡共軸性標記140都與機械軸170對準。
在圖2B中，第一主表面112是偏軸的，從而第一軸150(即，第一主表面112的回轉軸)不與機械軸170重合。因為第一透鏡共軸性標記130位于第一主表面112的頂點152處，所以第一主表面112偏離機械軸170的總距離180可從第一透鏡共軸性標記130的中心(即，頂點152)到機械軸170測得。該距離180是第二主表面112的偏軸量。類似地，第二主表面120的偏軸量182可從第二透鏡共軸性標記140的中心(即，頂點162)到機械軸170測得。如前所述，優選的是第一主表面112的偏軸量180和第二主表面120的偏軸量182都盡可能小，以減少由于偏軸而導致光學像差的可能性。
本文所述的透鏡可由任何合適的材料制成并使用任何合適的技術制造。優選的是利用了本發明的方法的透鏡由聚合材料制成并使用注入模塑工藝制造。用于注入模塑透鏡的裝置的一個實施例如圖3A-3B所述。一般地，用于注入模塑透鏡的裝置200包括置于兩個壓板250之間的模具210，這兩個壓板借助于夾具單元252壓住模具210。可固化材料272以未加工形式被進給到料斗270中，該料斗將材料送入注射單元260中。包圍注射單元260的加熱帶262加熱可固化材料272直至它形成熔融形式274。該注射單元260把熔融材料274注入模具210中。
模具210包括一個或多個模具銷220。每一個模具銷220包括模具表面222，該模具表面222形成為用來形成想要的類型的透鏡表面。例如，對于非球面透鏡，模具表面222可包括通過使曲線圍繞回轉軸240旋轉而形成的非球面。注射單元260將熔融材料274注入模具210中以后，熔融材料274被固化以形成透鏡230。盡管圖3A-3B描繪了用于注入模塑透鏡的裝置和技術的一個普通實施例，但本領域的技術人員會理解，本文所述的透鏡以及形成和使用這些透鏡的方法能利用本領域中已知的任何合適技術完成。
圖4是根據本發明一個實施例的一個模具銷300的橫截面圖。模具銷300可與本領域中已知的任何合適的注入模塑裝置(例如，圖3A所示的裝置200)一起使用。模具銷300包括第一模具銷表面310，該第一模具銷表面310關于第一模具銷軸350旋轉對稱。該模具銷300可使用任何合適的材料制造，例如鋼、鋁、鎳、不銹鋼、銅合金等。第一模具銷表面310可以是任何合適的形狀以形成想要的透鏡類型，例如凸的、凹的或平的。此外，凸表面和凹表面都可以采取球面或非球面的形狀。
第一模具銷表面310包括頂點352，在該頂點處第一模具銷軸350與第一模具銷表面310的外輪廓相交。第一模具銷表面310還包括形成在頂點352處的第一模具共軸性標記330。該第一模具共軸性標記330可包括任何合適的形狀，例如圓形、三角形、矩形。此外，第一模具共軸性標記330可以是從第一模具銷表面310延伸的隆起或突起。或者，第一模具共軸性標記330可以是延伸入第一模具銷表面310中的凹坑或凹陷。第一模具共軸性標記330一般是將要形成在將要利用模具銷300制造的透鏡的表面上的透鏡共軸性標記(例如圖1A-1B所示的透鏡10的第一透鏡共軸性標記30)的倒像。
第一模具共軸性標記330可以利用本領域中已知的任何合適的技術形成，例如雕刻、壓印、蝕刻、激光燒蝕、真空鍍膜等。優選的是第一模具共軸性標記330通過雕刻形成。例如，模具銷300可被放置在旋轉式卡盤上并當第一表面310與雕刻工具例如鑲金剛石探針(diamond tipped probe)、工具鋼、立方氮化硼等相接觸時被驅動旋轉。
在注入模塑工藝中，一個或兩個模具銷可具有模具共軸性標記，所述模具共軸性標記在銷表面的頂點處形成。
能夠使用幾種方法測量透鏡的一個或多個表面的共軸性。圖5是根據本發明的共軸性測量系統400的一個實施例的示意圖。該系統400包括圍繞轉軸442旋轉的工作臺440。該工作臺440可順時針或逆時針旋轉。透鏡410(例如，圖2A所示的透鏡100)被放置在工作臺440上以便工作臺440和透鏡410都圍繞轉軸442旋轉。
透鏡410可類似于本文所述的其他透鏡。透鏡410包括第一主表面412、第二主表面420、外邊緣414以及幾何中心416。此外，第一主表面412包括位于透鏡410的第一主表面頂點(未示出)處的第一透鏡共軸性標記430。盡管透鏡410被描繪成僅具有第一透鏡共軸性標記430，但透鏡410還可包括如本文進一步所述的第二主表面420上的第二透鏡共軸性標記(例如，圖2A-2B所示的透鏡100的第二透鏡共軸性標記140)。
鄰近工作臺440的是力矩指示器450。該力矩指示器450可以是任何合適的指示器，例如，由Mahr Federal公司(位于美國羅得島州的普羅維登斯市)制造的Formscan 3100。當透鏡410和工作臺440旋轉時力矩指示器450可操作來測量透鏡410的偏移量(runout)。例如，力矩指示器450可包括彈簧支承探針，該探針接觸透鏡410并在透鏡410旋轉時檢測透鏡410在旋轉面444內的運動。
系統400還包括顯微鏡460，該顯微鏡包括光源470。顯微鏡460可以是任何合適的顯微鏡，例如，放大100倍的顯微鏡，該顯微鏡具有帶十字準線的目鏡。此外，光源470可以是任何合適的用來照明透鏡410以便在顯微鏡460中進行觀察的光源，例如，具有光纖照明器的1/4英寸光纖束。顯微鏡460與光源470可一起操作來聚焦在透鏡410的第一主表面412的第一共軸性標記430上。此外，如果透鏡410包括第二主表面420上的第二透鏡共軸性標記，那么顯微鏡460可操作來透過透鏡410聚焦到第二透鏡共軸性標記上。顯微鏡460可這樣設置，使得它沿著工作臺440的轉軸442對準。顯微鏡460還可包括指示器(未示出)，該指示器可操作來測量顯微鏡在平行于旋轉面444的平面內移動的距離，如本文進一步所述。
現在參考圖5-7說明用來測量包括至少一個透鏡共軸性標記的透鏡的共軸性的方法。包括第一主表面412上的第一透鏡共軸性標記430的透鏡410被放置在工作臺440上。該透鏡410相對于旋轉面444調平。旋轉面444垂直于轉軸442。透鏡410可使用本領域中已知的任何合適的技術來調平。此外，工作臺440可包括用于輔助調平工作臺440上的透鏡410的機構。此外，裝置400可包括輔助調平和對中工作臺440上的透鏡410的控制器和軟件。
透鏡410被這樣放置，使得第一透鏡共軸性標記430與工作臺440的轉軸442對準。可以采用任何合適的技術來使第一透鏡共軸性標記430位于轉軸442上。例如，透鏡410可被放置在工作臺440上，并且在通過顯微鏡460觀察透鏡410時使工作臺440旋轉。如果第一透鏡共軸性標記430與轉軸442對準，那么當透鏡410和工作臺440旋轉時標記430將在旋轉面444內基本上保持靜止。但是，如果第一透鏡共軸性標記430不保持靜止，那么在工作臺440上重新定位透鏡410并當通過顯微鏡460觀察透鏡410時再次使透鏡410和工作臺440旋轉。該過程可重復任何次數直到透鏡410和工作臺440旋轉時第一透鏡共軸性標記430在旋轉面444內保持靜止。
一旦透鏡410被調平，透鏡410和工作臺440圍繞轉軸442旋轉。當透鏡410和工作臺440旋轉時，觀察透鏡410以評估透鏡410的第一主表面412的共軸性。例如，力矩指示器450可測量透鏡410旋轉時透鏡410在旋轉面444內移動的距離。該距離可稱為總指示偏移量(TIR)。如果頂點(由第一透鏡共軸性標記430表示)與透鏡410的機械軸(例如，圖2B所示的機械軸170)對準，那么在透鏡410旋轉時透鏡410不會在旋轉面444內往復移動。換句話說，如果第一主表面412的回轉軸(即，光軸)和機械軸基本上重合，那么第一主表面412的回轉軸和機械軸都與轉軸442基本上重合，并且透鏡410會圍繞轉軸442旋轉而沒有任何偏移。
另一方面，如果透鏡410的第一主表面412的轉軸與機械軸基本不重合，那么當透鏡410旋轉時機械軸會圍繞轉軸442旋轉，并且透鏡410的外邊緣414會在旋轉面444內往復移動，即，透鏡410將會表現出偏移。例如，在圖6中，透鏡410被繪制其在圍繞轉軸442的運動中的各種不同的位置處。透鏡410a表示在T1時刻時的透鏡410。在T1時刻，透鏡410a包括第一透鏡共軸性標記430和幾何中心416a。在T2時刻，透鏡410b已經移動到使外邊緣414b離參考點452的距離為距離480。參考點452可以是固定在力矩指示器450上的點。在T2時刻，幾何中心已從中心416a移動到中心416b，與此同時第一透鏡共軸性標記430保持不動，因為第一透鏡共軸性標記430與轉軸442對準。在T3時刻，透鏡410c已經從它在T2時的位置順時針旋轉到使透鏡410c的外邊緣414c離參考點452的距離為距離482。透鏡410的幾何中心已從中心416b移到中心416c。當透鏡410旋轉時幾何中心的這種移動表示機械軸圍繞轉軸442旋轉。幾何中心416以及透鏡410的外邊緣414的這種移動表示透鏡410的第一主表面412偏離于透鏡的機械軸。
如圖6所示，距離480是從透鏡410的邊緣414到參考點452的最小距離，而距離482是從邊緣414到參考點452的最大距離。可通過使用本領域中已知的任何合適的技術來比較最大距離482和最小距離480來確定透鏡410的總指示偏移量(TIR)。例如，可將最大距離482減去最小距離480以給出TIR 484。為了確定偏軸的量，將TIR分成兩份。這給出了透鏡410的第一主表面412的偏移量。
上述方法也可用來確定偏軸的方向以便可對模具進行調整。例如，圖7表示圖5-6所示的透鏡410的另一個實施例，其中透鏡410還包括澆注口突起418。所述澆注口突起418是在制造透鏡410時由于注射模具裝置的澆注口而形成的。該澆注口突起418可用作參考標記以確定透鏡410偏軸的方向。盡管澆注口突起418可用作參考，但也可以使用其他技術來定義參考。
當透鏡410和工作臺440旋轉時，操作員確定澆注口突起418的位置并將其設定為參考。然后力矩指示器450確定當透鏡離參考點452的距離為最大距離482或最小距離480時偏離澆注口突起418的位置的偏移方向。
確定透鏡410的偏移以及偏移位置后，可利用位于第二主表面420上的第二透鏡共軸性標記(例如，圖2A-2B所示透鏡100的第二透鏡共軸性標記140)來確定第二主表面420的共軸性。顯微鏡460透過透鏡400的第一主表面410聚焦到第二主表面420上的第二透鏡共軸性標記上，并且第二透鏡共軸性標記被這樣定位，使得它在轉軸442上。然后重復上述方法來確定透鏡410的第二主表面420的偏移。此外，也可利用本文所述的技術來確定第二主表面420偏移的方向。
現在參考圖5說明用來確定具有至少一個透鏡共軸性標記的透鏡的一個或多個表面的共軸性的另一種方法。透鏡410在工作臺440上這樣對中使得透鏡的幾何中心416與轉軸442對準。可使用任何合適的技術在工作臺440上機械地對中透鏡。例如，美國專利No.5,835,208說明了一種用于機械地對中透鏡的方法。顯微鏡460聚焦在第一透鏡共軸性標記430上，使得顯微鏡460的十字準線對中在標記430上。使工作臺440和透鏡410旋轉直到透鏡410處在第一透鏡位置上。如果第一主表面412偏軸，那么當透鏡410和工作臺440旋轉時第一透鏡共軸性標記430將偏離圍繞轉軸442的圓形軌道。與顯微鏡460通信的指示器(未示出)置零。透鏡410和工作臺440旋轉至第二透鏡位置處以使透鏡410從第一透鏡位置旋轉大約180度。顯微鏡460從先前的位置移動到它的十字準線再次對中到第一透鏡共軸性標記430上。利用指示器確定顯微鏡在第一透鏡位置與第二透鏡位置之間移動的距離。該距離是對應于透鏡410的第一主表面412的TIR。然后可使該顯微鏡460透過第一主表面412聚焦到第二主表面420上的第二透鏡共軸性標記上以便使用上述方法或本領域中已知的任何其他合適技術來確定第二主表面420的共軸性。
圖8是根據本發明的透鏡共軸性系統500的另一實施例的示意圖。透鏡共軸性系統500類似于圖5所示的透鏡共軸性系統400。例如，透鏡共軸性系統500包括工作臺590。具有至少一個透鏡共軸性標記530的透鏡510可被放置在工作臺590的表面596上。系統500還包括顯微鏡560和光源570。
與顯微鏡560通信的是光學坐標測量機(CMM)580。CMM 580可以是本領域中已知的任何合適的CMM，例如，由奧智品光學儀器公司(位于美國紐約州羅徹斯特市)制造的Avant Apex視頻測量系統(Avant Apex video measuring system)。CMM 580可操作來與顯微鏡560通信以使CMM 580能確定表面上一個或多個位置的坐標。可使用任何合適的坐標系，例如笛卡爾坐標系、極坐標系等。CMM 580可包括用于控制顯微鏡560并確定一個或多個位置的這些坐標的控制器和軟件。
現在參考圖8說明用于測量透鏡的共軸性的方法。透鏡510被這樣放置在工作臺590的表面596上的第一透鏡位置處，使得第一透鏡共軸性標記530面對顯微鏡560。透鏡510可以這樣放置，使得它的幾何中心在工作臺590上對中。優選的是透鏡510在工作臺590上這樣對中，使得透鏡510的幾何中心能夠用作參考以確定如本文所述的第一透鏡共軸性標記530的位置。可使用透鏡安裝面來使透鏡510在工作臺590上對中，這些透鏡安裝面可以是透鏡的橫斷面和透鏡510的第二主表面520或透鏡510的扁平邊(edge flat)518。透鏡510的橫斷面可以通過使透鏡頂靠著柱子592放置來定位。盡管在圖8中僅示出一個柱子592，但可以用兩個或多個柱子592使透鏡510在工作臺590上對中。此外，可使用任何合適的柱子或其他設備來定位透鏡510的橫斷面。或者，如果透鏡510的第二主表面520是安裝面，那么透鏡510可放置在柱子594上以使透鏡510相對于工作臺590調平。盡管系統500利用了柱子592或者594來使透鏡510在工作臺590上對中，但可以使用任何合適的技術或設備來使透鏡510對中。
CMM 580確定第一透鏡共軸性標記530在該第一透鏡位置處的第一位置。換句話說，CMM 580確定第一透鏡共軸性標記530在第一透鏡位置處的坐標并存儲這些坐標以便隨后參考。顯微鏡560可用來通過使顯微鏡560聚焦到標記530上而輔助CMM 580確定第一透鏡共軸性標記530的第一位置。
然后透鏡510被放置在第二透鏡位置上。優選的是第二透鏡位置是透鏡510圍繞透鏡510的幾何中心旋轉大約180度以使透鏡510在工作臺590上對中。
透鏡510被放置在第二透鏡位置后，CMM 580通過找到第一透鏡共軸性標記530的坐標來確定第一透鏡共軸性標記530的第二位置。使用本領域中已知的任何合適的技術比較該第二位置和第一位置以確定透鏡510的第一主表面512的TIR。如果第一透鏡共軸性標記530與透鏡510的機械軸對準，那么第一透鏡共軸性標記530的第一位置和第二位置應該基本上相等。換句話說，第一透鏡共軸性標記530在第一透鏡位置處的坐標與第一透鏡共軸性標記530在第二透鏡位置處的坐標應該基本上相同。不過，如果這兩組坐標不相同，那么CMM 580使用本領域中已知的技術確定第一主表面512的TIR。此外，CMM 580可操作來使用本文進一步所述的任何適當技術來確定第一主表面的任何TIR的方向。
也可使用上述技術來確定第二主表面520的共軸性。在一些實施例中，在透鏡510處于第一透鏡位置時第一透鏡共軸性標記530與第二透鏡共軸性標記540的坐標都能被確定，然后，當透鏡510處在第二透鏡位置時可確定標記530和標記540的坐標。
盡管上述方法應用于單個透鏡，但這些方法也可用來確定光學組件中的兩個或多個透鏡相對于組件機械軸的共軸性。例如，具有長工作距離的物鏡的顯微鏡可用來透過組件的兩個或多個透鏡而聚焦。該組件被這樣安裝在可調載物臺上，使得每一個透鏡的機械軸或光軸與顯微鏡的軸重合。如果透鏡偏軸了，那么具體的透鏡共軸性標記會偏離顯微鏡的十字準線。
本文所引用的所有參考文獻和出版物在此以引用的方式全部清楚地并入本申請所公開的內容中。已討論了本發明的示例性實施例并提及了在本發明范圍內的可能的變更。本發明中的這些及其他變更和修改對本領域的技術人員是顯而易見的，并且未脫離本發明的范圍，應該理解的是本發明不限于本文所闡述的示例性實施例。因此，本發明僅通過以下提供的權利要求來限定。
權利要求
1.一種透鏡，該透鏡包括第一主表面和第二主表面，其中，所述第一主表面關于第一軸旋轉對稱，此外，所述第一主表面包括位于所述第一主表面與所述第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記。
2.權利要求1所述的透鏡，其中，所述第一透鏡共軸性標記的直徑不超過50μm。
3.權利要求1所述的透鏡，其中，所述透鏡還包含聚合材料。
4.權利要求1所述的透鏡，其中，所述透鏡的第一主表面包括球面形狀。
5.權利要求1所述的透鏡，其中，所述透鏡的第一主表面包括非球面形狀。
6.權利要求5所述的透鏡，其中，所述透鏡的第二主表面包括非球面形狀。
7.權利要求1所述的透鏡，其中，所述透鏡的第二主表面包括平面形狀。
8.權利要求1所述的透鏡，其中，所述透鏡的第二主表面關于第二軸旋轉對稱，此外，所述透鏡的第二主表面包括位于所述第二主表面與所述第二軸的交點處的第二透鏡共軸性標記。
9.權利要求8所述的透鏡，其中，所述透鏡還包括機械軸，此外，所述第一透鏡共軸性標記與所述機械軸對準。
10.權利要求9所述的透鏡，其中，所述第二透鏡共軸性標記與所述機械軸對準。
11.一種在透鏡的至少一個表面上形成透鏡共軸性標記的方法，該方法包括在透鏡模具的第一表面上形成第一模具共軸性標記，其中，所述第一表面關于第一透鏡模具軸旋轉對稱，所述第一模具共軸性標記被形成在所述第一透鏡模具軸與所述透鏡模具的第一表面的交點處；用可固化材料填充所述透鏡模具；以及固化該材料以使所述第一模具共軸性標記在所述透鏡的第一主表面上形成第一透鏡共軸性標記。
12.權利要求11所述的方法，其中，所述第一透鏡共軸性標記的直徑不超過50μm。
13.權利要求11所述的方法，其中，所述可固化材料包括聚合材料。
14.權利要求11所述的方法，還包括在所述透鏡模具的第二表面上形成第二模具共軸性標記，其中，所述第二表面關于第二透鏡模具軸旋轉對稱，此外，所述第二模具共軸性標記被形成在所述第二透鏡模具軸與所述透鏡模具的第二表面的交點處，固化所述材料的步驟還包括固化所述材料以使第二模具共軸性標記在所述透鏡的第二主表面上形成第二透鏡共軸性標記。
15.權利要求11所述的方法，其中，形成所述第一模具共軸性標記的步驟包括將所述第一模具共軸性標記壓印在所述透鏡模具的第一表面上。
16.權利要求11所述的方法，其中，形成所述第一模具共軸性標記的步驟包括把所述第一模具共軸性標記雕刻在所述透鏡模具的第一表面上。
17.權利要求16所述的方法，其中，雕刻所述第一模具共軸性標記的步驟包括將所述透鏡模具放置在旋轉面上；以及使所述透鏡模具的第一表面與雕刻工具相接觸以便在所述透鏡模具的第一表面上形成所述第一模具共軸性標記。
18.一種測量透鏡的共軸性的方法，該方法包括將所述透鏡放置在工作臺上，其中，所述透鏡包括第一主表面和第二主表面，所述第一主表面關于第一軸旋轉對稱，此外，所述第一主表面包括位于所述第一主表面與所述第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記，將所述透鏡放置在所述工作臺上的步驟包括將所述透鏡這樣放置在所述工作臺上以使所述第一透鏡共軸性標記與所述工作臺的轉軸對準；使所述透鏡相對于旋轉面調平，所述旋轉面與所述工作臺的轉軸垂直；使所述透鏡圍繞所述工作臺的轉軸旋轉；以及在旋轉過程之中或之后觀察所述透鏡以評估所述透鏡的第一主表面的共軸性。
19.權利要求18所述的方法，其中，評估所述透鏡的第一主表面的共軸性的步驟包括當所述透鏡旋轉時測量從參考點到所述透鏡的外邊緣的最大距離；當所述工作臺和所述透鏡旋轉時測量從所述參考點到所述透鏡的外邊緣的最小距離；以及比較該最小距離與該最大距離。
20.權利要求18所述的方法，其中，該方法還包括將所述透鏡重新定位在所述工作臺上以使所述透鏡的第二主表面上的第二透鏡共軸性標記與所述工作臺的轉軸對準，其中，所述透鏡的第二主表面關于第二軸旋轉對稱，所述第二透鏡共軸性標記位于所述第二主表面與所述第二軸的交點處；使所述透鏡圍繞所述工作臺的轉軸旋轉；以及在旋轉過程之中或之后觀察所述透鏡以評估所述透鏡的第二主表面的共軸性。
21.權利要求20所述的方法，其中，評估所述透鏡的第二主表面的共軸性的步驟包括當所述透鏡旋轉時測量從所述參考點到所述透鏡的外邊緣的第二最大距離；當所述透鏡旋轉時測量從所述參考點到所述透鏡的外邊緣的第二最小距離；以及比較該第二最小距離與該第二最大距離。
22.一種測量透鏡的共軸性的方法，該方法包括將所述透鏡放置在工作臺上的第一透鏡位置處，其中，所述透鏡包括第一主表面和第二主表面，其中，所述第一主表面關于第一軸旋轉對稱，此外，所述第一主表面包括位于所述第一主表面與所述第一軸的交點處的第一透鏡共軸性標記；當所述透鏡處在所述第一透鏡位置時確定所述第一透鏡共軸性標記的第一位置；將所述透鏡放置在第二透鏡位置；當所述透鏡處在所述第二透鏡位置時確定所述第一透鏡共軸性標記的第二位置；以及比較所述第一透鏡共軸性標記的第一位置和所述第一透鏡共軸性標記的第二位置。
23.權利要求22所述的方法，其中，比較所述第一透鏡共軸性標記的第一位置和所述第一透鏡共軸性標記的第二位置的步驟包括測量所述第一透鏡共軸性標記的第一位置與所述第一透鏡共軸性標記的第二位置之間的距離。
24.權利要求22所述的方法，其中，該方法還包括當所述透鏡處在所述第一透鏡位置時確定所述透鏡的第二主表面上的第二透鏡共軸性標記的第一位置，其中，所述透鏡的第二主表面關于第二軸旋轉對稱，此外，所述第二透鏡共軸性標記位于所述第二主表面與所述第二軸的交點處；將所述透鏡放置在所述第二透鏡位置處；當所述透鏡處在所述第二透鏡位置處時確定所述第二透鏡共軸性標記的第二位置；以及比較所述第二透鏡共軸性標記的第一位置和所述第二透鏡共軸性標記的第二位置。
25.權利要求24所述的方法，其中，比較所述第二透鏡共軸性標記的第一位置和所述第二透鏡共軸性標記的第二位置的步驟包括測量所述第二透鏡共軸性標記的第一位置和所述第二透鏡共軸性標記的第二位置之間的距離。
全文摘要
本發明公開了一種透鏡(10)，該透鏡具有至少一個形成在透鏡主表面(12)上的透鏡共軸性標記(30)。該透鏡共軸性標記可位于第一軸(50)與主表面的交點(52)處，其中，該主表面關于第一軸對稱，從而第一軸是該表面的回轉軸。本發明還公開了一種制造具有這種透鏡共軸性標記的透鏡的方法，以及利用該透鏡共軸性標記測量透鏡表面的共軸性的方法。
文檔編號G02C7/02GK1819894SQ200480019670
公開日2006年8月16日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年7月9日
發明者愛德華·L·瓊斯 申請人:3M創新有限公司