專利名稱：非圓柱形光學(xué)器件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)器件以及這種光學(xué)器件的制造方法，并且更 具體地，涉及具有小直徑或橫截面的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡是利用以下光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)器件的例子，所述光學(xué)系統(tǒng)的 特征在于沿著光軸連續(xù)設(shè)置的多個諸如透鏡的光學(xué)元件的裝配。在內(nèi) 窺鏡中，例如，在遠(yuǎn)端包括多個透鏡元件的透鏡系統(tǒng)構(gòu)成物鏡；在近 端的透鏡系統(tǒng)構(gòu)成目鏡；并且一組或多組中間透鏡元件定義一個或多 個中繼透鏡系統(tǒng)。
利用這種系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡通常具有工作通道和腔。 一些工作通道填 充有光纖以使外部光源照亮視場。其它一些工作通道允許外科醫(yī)生沿 著內(nèi)窺鏡的長度方向來移動儀器，以便于在觀看被治療的區(qū)域的同時 在遠(yuǎn)端執(zhí)行一些功能。還有一些其它的工作通道允許外科醫(yī)生在觀看 被治療的區(qū)域的同時在內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)端分配治療劑、診器或其它物質(zhì)。
內(nèi)窺鏡和這種類型的其它光學(xué)器件通常被形成為具有沿著在中心 的光軸延伸的圓柱形透鏡元件。透鏡元件通常具有橫穿光軸的凹面的、 平坦的或凸面的圖像形成表面。多個透鏡元件可以在透鏡系統(tǒng)中鄰接 以實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)性質(zhì)，這些都是在現(xiàn)有技術(shù)中已知的。這種透鏡元 件和透鏡系統(tǒng)被分別稱為具有中心的、旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡元件和系統(tǒng)。
使用這些光學(xué)器件的醫(yī)學(xué)人員目前偏愛于具有越來越小的直徑或 橫截面的光學(xué)器件。實(shí)際上，目前，利用傳統(tǒng)的透鏡制作方法，生產(chǎn) 一些具有l(wèi)mm到2mm的外直徑的光學(xué)器件。然而，利用傳統(tǒng)透鏡制作方法來制造實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的產(chǎn)品是較困難并且昂貴的。傳統(tǒng)透鏡制作方法包括磨削和拋光操作，以便于在入射和出射面 產(chǎn)生大致球形和其它形狀的圖像形成表面，該圖像形成表面限定了透 鏡元件的光學(xué)特性。然后透鏡元件圍繞通常位于光軸的幾何軸線旋轉(zhuǎn)。 幾何軸線被定義為折射表面的曲率中心的直線軌跡。例如通過磨料磨削(abrasive grinding)，外部透鏡邊界能夠被制作成基本上是圓形的， 使得產(chǎn)生具有圖像形成球形端表面和圓柱地居中軸線(cylindrically centered axis)的直圓柱體，S卩，具有中心的、旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡元件。 然后，各個透鏡元件可以沿著重合的光軸和幾何軸線彼此鄰接，以形 成透鏡系統(tǒng)。制造更小的光學(xué)器件的能力隨著透鏡直徑減小變得更加困難，其 中所述更小的光學(xué)器件包括那些具有持續(xù)顯示出具有圓心的旋轉(zhuǎn)對稱 的特性的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)器件。首先，透鏡的最終直徑由磨削或磨邊 工具相對于光軸的位置而控制，其中所述位置包括由于在制造設(shè)備中 的容許偏差而引起的任何位置變化。在傳統(tǒng)透鏡中，這些容許偏差不 構(gòu)成整個透鏡直徑的重要部分。然而，為了實(shí)現(xiàn)作為非常小的直徑的 恒定百分比的絕對容許偏差，需要非常高的精確度和在非常精密的容 許偏差下操作的工具。隨著容許偏差要求變得更加嚴(yán)格，用于提供這 種精確度的機(jī)器逐漸變得昂貴。第二，在這些光學(xué)器件中，透鏡元件通常具有若干倍于直徑的軸 向長度。在小直徑時，支撐透鏡元件使得其光軸相對于工具的參照保 持在單一位置變得較困難。此外，隨著直徑減小，透鏡元件本質(zhì)上變 得更脆，并且因此非常易碎。這些因素導(dǎo)致在制造期間，增加了破損 的可能。因此，大約l-2mm趨向于成為通過傳統(tǒng)透鏡制作方法而制造的任 何透鏡元件的實(shí)際最小直徑。在最近可商用的內(nèi)窺鏡中的透鏡系統(tǒng)具有大約1.7mm或更大的外直徑。具有這種很容易可用的透鏡元件的內(nèi)窺鏡太大而不能在很多應(yīng)用中使用，包括(1)諸如觀看精細(xì)血管結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，(2)諸如神經(jīng)學(xué)和神經(jīng)外科學(xué)的微創(chuàng)內(nèi)腔鏡應(yīng)用以及 關(guān)節(jié)鏡、耳朵、鼻和喉嚨(ENT)應(yīng)用，(3)心臟外科應(yīng)用，以及(4) 能夠從立體視覺內(nèi)腔鏡的使用中受益的內(nèi)腔鏡應(yīng)用。需要的是能夠?qū)哂锌梢孕〉絣mm或更小的橫截面尺寸的高質(zhì) 量透鏡元件和透鏡系統(tǒng)的進(jìn)行有效制造的方法。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種制造透鏡系統(tǒng)的方法，該透鏡系 統(tǒng)具有小于lmm或2mm的橫截面尺寸。本發(fā)明的另外一個目的是提供以下透鏡元件，該透鏡元件具有高 中心對準(zhǔn)的精確度，并且具有小于大約lmm的橫截面尺寸。本發(fā)明的另外一個目的是提供一種方法，用于根據(jù)傳統(tǒng)的透鏡或 透鏡系統(tǒng)高效地制造高質(zhì)量的透鏡或透鏡系統(tǒng)，以用于具有小于lmm 的減小的外直徑的光學(xué)器件。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光學(xué)器件沿著軸線延伸，并且包括至少 一個在其每端都具有拋光的圖像形成表面的透鏡元件。至少三個平坦的鋸面在圖像形成表面之間延伸。每個平坦的鋸面位于與以下兩個平 面相交的平面上，所述兩個平面與相鄰的平坦的鋸面所在的平面重合。 結(jié)果，透鏡元件具有多邊形橫截面。根據(jù)本發(fā)明的另外一個方面，光學(xué)器件包括多個光學(xué)元件和用于 支撐所述多個光學(xué)元件以形成透鏡系統(tǒng)的裝置。至少一個光學(xué)器件包 括具有一對間隔開的、拋光的圖像形成表面的透鏡元件。至少三個平坦的鋸面在圖像形成表面之間延伸。每個平坦的鋸面位于與以下兩個平面相交的平面上，所述兩個平面與相鄰的平坦的鋸面所在的平面重 合。結(jié)果，透鏡元件具有多邊形橫截面。根據(jù)本發(fā)明的另外一個方面，從在支撐陣列中的多個初始透鏡元 件形成多個最終透鏡元件，其中，每個最終透鏡元件具有多邊形橫截 面。通過鋸穿所述陣列，從而將每個初始透鏡元件的部分去掉，并且 為每個初始透鏡元件形成多個平坦的鋸面，來形成最終透鏡元件。這 生成了由經(jīng)鋸削的透鏡元件構(gòu)成的陣列，每個透鏡元件具有多邊形的 橫截面。通過將經(jīng)鋸削的透鏡元件從支撐陣列中分離而生成最終透鏡 元件。


所附的權(quán)利要求具體地指出本發(fā)明的主題，并且清楚地要求本發(fā) 明的主題的權(quán)利。根據(jù)對下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)說明的閱讀，本發(fā)明 的各種目的、優(yōu)點(diǎn)以及新穎性特征將會更加充分地清楚，在所述附圖 中，同樣的參考數(shù)字指的是同樣的部件，并且其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的光學(xué)器件的立體圖； 圖2是沿著圖1的線2-2截取的光學(xué)器件的橫截面； 圖3是示出在圖1和2中的光學(xué)器件的構(gòu)造的另外一立體圖； 圖4是描述在用于獲得圖1中所示的光學(xué)器件的制造處理中的主 要步驟的圖表；圖5A至5I是在圖4中所示的制造處理中的某些步驟的圖示；以及圖6A至61是在圖4的制造處理期間的各個階段的光學(xué)器件的外 觀的圖示，-圖7A至7C用于理解在圖1至6I中所描述的方法和構(gòu)造的變化； 圖8是描述在用于獲得光學(xué)器件的可選制造處理中的主要步驟的圖表；圖9A和9B是用在圖8的處理中的透鏡元件的平面圖； 圖IO描述了用在圖8的處理中的透鏡元件的陣列；圖11至14描述了根據(jù)圖8的處理而發(fā)生的鋸操作的效果；圖15A和15B是通過圖8的處理而生成的最終透鏡元件的一個實(shí) 施例的平面圖；圖16A和16B是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的最終透鏡元件的可選實(shí)施例 的平面圖；以及圖17是合并了如在圖15A、 15B、 16A和16B中所示的最終透鏡 元件的光學(xué)器件的橫截面。
具體實(shí)施方式
圖1至3描述根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的沿著軸線21延伸的諸如內(nèi)窺鏡 的光學(xué)器件20的一部分。在該實(shí)施例中，光學(xué)器件20包括具有鄰接 的透鏡元件23、 24和25的透鏡系統(tǒng)22。在該具體實(shí)施例中，透鏡元 件23、 24和25的每個以及透鏡系統(tǒng)22具有相對于軸線21的具有中 心的旋轉(zhuǎn)對稱性，使得光學(xué)器件的光軸和幾何軸線重合。雖然未示出， 但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，每個透鏡元件的端表面構(gòu)成圖像形 成表面，該圖像形成表面被拋光，并且通常為球形表面，該球形表面 產(chǎn)生任何接近軸線21的對象的圖像。因?yàn)榫哂羞@種表面的透鏡元件的 制造和使用是已知的，所以圖1至3不描述具體的球形表面。示出平 面橫斷表面，以表示圖像形成表面的整個類型。外殼26圍繞透鏡系統(tǒng)22，并且定義了外直徑d。。特別參考圖2， 并且根據(jù)本發(fā)明，與透鏡元件24和25—樣，透鏡元件23具有多邊形 的橫截面，在該具體實(shí)施例中，為正多邊形橫截面，并且特別地為正 方形橫截面。gp，在橫截面中，透鏡元件23和在透鏡系統(tǒng)22中的所 有其它透鏡元件形成由四個以直角相交并且與軸線21等距離的平表面 30、 31、 32和33劃界的正方形。此外，因?yàn)檫@些軸線是重合的，在圖 l至3中，軸線21代表光軸和幾何軸線。因?yàn)橥鈿?6是圓形的并且圍繞正方形透鏡元件23，所以每個面形 成弦，該弦和外殼26限定了軸向延伸的工作通道，該工作通道具有弓在下面的說明中被稱做"弓形工作通道"。在圖1至3，弓形工作通道面30至33分別定義了弓形工作通道34、 35、 36和37的每個的一個邊界。這些弓形工作通道的至少一個，例如 弓形工作通道36，可以被用來包含光纖38，用于將來自光學(xué)器件的近 端的光傳送到遠(yuǎn)端之外以照明視場。其它弓形工作通道可以容納儀器、 或者治療或診斷材料或這兩者、或者諸如水和鹽溶液的其它試劑。如將清楚的，本發(fā)明的一個特征是，將具有多邊形橫截面的透鏡 系統(tǒng)放置在圍繞的圓柱形外殼中自動地生成了弓形工作通道。還將清 楚的是，隨著面的數(shù)量減少，弓形工作通道的橫向橫截面的面積增加。如在圖1至3中所示的光學(xué)器件可以具有寬范圍的直徑。根據(jù)本 發(fā)明的透鏡組件己經(jīng)被構(gòu)造為具有1.2mm的外殼外直徑d(j?？深A(yù)期具 有更小的直徑的光學(xué)器件。用于制造這些透鏡的方法在圖4、5A至51以及6A至61中被描述。 相對于制造最終的一個或多個透鏡系統(tǒng)，描述該具體的方法，在所述 透鏡系統(tǒng)中幾何軸線和光軸重合，并且在所述透鏡系統(tǒng)中正交于軸線 的橫截面是正方形。在圖4中的步驟60代表一個或多個初始的圓柱形 透鏡元件的選擇，所述圓柱形透鏡元件的特征在于在具有重合的光軸 和幾何軸線的情況下，具有中心旋轉(zhuǎn)對稱性。如果目標(biāo)是產(chǎn)生三個初 始透鏡元件的配件，那么處理60代表在圖5A中所示的具有在圖6A中 所示的橫截面的光學(xué)元件61、 62和63的選擇。直徑應(yīng)該至少和將圍 繞最終透鏡系統(tǒng)的圓周的直徑一樣大。這些透鏡元件將會具有不同的 端面，所述端面形成凸面的、凹面的、平坦的或者其它圖像形成表面， 以實(shí)現(xiàn)之前描述的期望的光學(xué)特性。參考圖4，如在該例子中，在圖4的步驟64中決定，最終透鏡系 統(tǒng)是否像在圖5B中所示的透鏡系統(tǒng)一樣，包括多個透鏡元件，其中， 圖5B中所示的透鏡系統(tǒng)的幾何軸線(在下面被稱為"最終的幾何軸線")與光軸67重合。在圖4中的步驟65設(shè)置一個或多個初始的透鏡組件 的形成。圖5B示出通過沿著光軸67結(jié)合，典型地，通過膠合初始透 鏡元件61到63而形成的單個初始的透鏡組件66。圖6B所示的橫截面 描述以下初始透鏡系統(tǒng)66，該初始透鏡系統(tǒng)66具有圓形的橫截面和以 光軸67為中心的一個初始透鏡元件62。一旦初始的透鏡組件被形成，則圖4的步驟70代表為例如初始的 透鏡組件66的每個初始的透鏡組件提供支撐的過程。根據(jù)本發(fā)明的一 個方面，在圖5C中的工具71形成有多個平行的支撐槽72。選擇槽的 寬度，以便于為初始透鏡系統(tǒng)提供穩(wěn)定的支撐。出于清晰的目的，圖 5C示出單個初始透鏡系統(tǒng)66。還將變得清楚的是，多個初始透鏡系統(tǒng) 可以被定位于每個支撐槽中。將會清楚的是，這些多個初始透鏡系統(tǒng) 可以沿著單個槽隔開，并且可以具有不同的初始透鏡元件。 一般地，只需要確保在單個支撐槽中的所有透鏡系統(tǒng)被選擇，使得它們將具有 相同的最終的橫截面。在一個具體的實(shí)施例中，工具71由浮動玻璃板(float glass plate) 形成，以及支撐槽72通過劃片機(jī)(dicing saw)形成。劃片機(jī)被有規(guī)律 地用于半導(dǎo)體工業(yè)，并且被構(gòu)造成具有以下的或更小的切割容許偏差， 所述切割容許偏差與橫向每160mm為0.001mm的分度精度累積誤差 (indexing accuracy cumulative error) —致。如在圖5C和6C中所示，在工具71中，熱塑性膠73填充像支撐 槽72 —樣的支撐槽，以便于捕獲(capture)諸如初始透鏡系統(tǒng)66的 每個初始透鏡系統(tǒng)。初始透鏡系統(tǒng)66，具體地為初始透鏡元件62，此 刻位于填充有熱塑性膠73的支撐槽72中，并且被剛性地固定。這個 處理精確地定位初始透鏡系統(tǒng)，以便于接下來的處理。在圖4中的步驟74代表以下的處理，通過該處理，初始透鏡系統(tǒng) 66的部分被去掉以形成圖6D中的平坦的鋸面75，該平坦的面75與期望的最終的幾何軸線等距地間隔，在該具體實(shí)施例中，所述最終的幾
何軸線與光軸67重合。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，垂直于諸如圖6D中 的鋸面75的面而測量的，到最終的幾何軸線的距離為(di/2)sin45。，其 中，di代表在相對的角之間對角地測量的透鏡系統(tǒng)的所期望的最后的大 小。如將清楚的是，這個距離是面的寬度的一半。
如在圖5D和6D中所示，劃片機(jī)76從透鏡組件去掉材料以在距 離軸線67的某個預(yù)定距離處限定鋸面75，定位該劃片機(jī)76以相對于 工具71形成垂直的切割。商用的劃片機(jī)如此進(jìn)行切割，使得面75位 于與光軸67分隔固定距離，并且具有橫向每160mm為O.OOlmm或更 高的精確度。
如果決定生成具有單個鋸面的透鏡，步驟77終止進(jìn)一步的處理步 驟。因此，最終透鏡系統(tǒng)將具有如在圖6D中所示的單個的鋸面。
然而，在本發(fā)明的最多的應(yīng)用中，期望的是具有帶有多個鋸面的 最終透鏡系統(tǒng)，因此，假設(shè)已經(jīng)決定要形成另外的這種面，圖4的步 驟77將控制轉(zhuǎn)移到步驟80，該步驟80代表用于適當(dāng)?shù)刂瓮哥R系統(tǒng) 以便形成另外一個鋸面的過程。為了生成在與最終的幾何軸線67正交 的平面內(nèi)具有正方形橫截面的最終透鏡系統(tǒng)，步驟80需要工具71旋
轉(zhuǎn)180。并且重新對準(zhǔn)。如在圖5E和6E中所示，定位劃片機(jī)76。該劃 片機(jī)76鋸面81，該面81與面75平行，并且與幾何軸線等距地間隔。
如果要形成另外的表面，在圖4中步驟80需要旋轉(zhuǎn)透鏡系統(tǒng)90°， 例如，通過將它們從工具71上移走，并且將它們置于另外一個具有更 寬的支撐槽83的工具82中，如在圖5F和6F中所示。然后，熱塑性 膠84填充支撐槽83以捕獲透鏡系統(tǒng)66。此刻，面75和81是水平的， 并且在圖5F和6F中，面75位于面81上方。透鏡系統(tǒng)66明顯地可以 被倒轉(zhuǎn)，使得面75與工具82接觸。在圖4中的步驟77和80代表通過其透鏡系統(tǒng)連續(xù)被鋸的過程。 在如圖5G和6G中所示的切割中，劃片機(jī)76生成第三個鋸面88，該 面88與鋸面75和81垂直，并且?guī)缀屋S線67等距地間隔。然后工具 82可以被旋轉(zhuǎn)180。以及對準(zhǔn)，如在圖5H和6H中所示，使得劃片機(jī)生 成第四個鋸面90，該面90平行于第三個鋸面88，垂直于鋸面75和81 ， 并且與幾何軸線67等距地間隔。
當(dāng)該處理已經(jīng)被完成時，在圖4中的步驟91代表從工具82移走 每個最終透鏡系統(tǒng)的步驟。如在圖5I和6I中所示，步驟92代表在外 殼93中支撐最終透鏡系統(tǒng)的步驟，以完成光學(xué)器件。
如此刻將清楚的是，圖4中的過程和控制只提供工作流程的結(jié)構(gòu)， 以描述根據(jù)本發(fā)明生成透鏡元件和系統(tǒng)的多個主要處理。還將清楚的 是，在不需要昂貴的磨削或其它操作的情況下，通過連續(xù)地鋸初始透 鏡系統(tǒng)的該制造方法生成具有非常小的直徑或橫截面的最終透鏡系 統(tǒng)。該過程允許制造商使用較大的傳統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)的透鏡元件來作為非 常小的透鏡組件的基礎(chǔ)。通過每次鋸操作，透鏡組件變得更小。然而， 鋸操作允許透鏡組件在所有操作期間被充分地支撐。這補(bǔ)償了由于透 鏡組件隨著制造進(jìn)行而增加的易碎性質(zhì)而引起的破損。概括地，對步 驟60、 65、 70、 74、 80、 91和92以及決定64和77的控制都進(jìn)行操 作以生成以下的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)具有多個軸向延伸的平的鋸面， 其中所述鋸面位于相交的平面內(nèi)。
該處理已經(jīng)被成功地用于制造具有中心的、點(diǎn)對稱的透鏡，該透 鏡被具有0.6mm的內(nèi)直徑和0.85mm的外直徑的外殼所圍繞。具有該 減小的直徑或更小的直徑的光學(xué)器件將能用于迄今還不可用于內(nèi)窺鏡 診斷和治療的大量應(yīng)用。
己經(jīng)根據(jù)一個具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，在該實(shí)施例中，為透鏡 組件選擇的每個透鏡元件的特征在于關(guān)于重合的光軸和幾何軸線中心旋轉(zhuǎn)對稱，并且在該實(shí)施例中，最終透鏡系統(tǒng)表現(xiàn)出關(guān)于重合的幾何 軸線和光軸的點(diǎn)對稱。圖7A示意性地描述了以下的布局，在該布局中，
光軸67與初始的透鏡組件66和最終的透鏡組件22的幾何軸線重合。 圖7B描述了以下變化，在該變化中，透鏡組件66的光軸和幾何軸線 67是平行但間隔開的。根據(jù)圖4的處理被修改，使得透鏡系統(tǒng)的支撐 將透鏡系統(tǒng)定位，以便于在距離與光軸67偏移的幾何軸線95A的預(yù)定 位置生成平坦的鋸面。在該具體實(shí)施例中，作為結(jié)果的最終透鏡系統(tǒng) 22B的邊界包括光軸67。這種方式將會用于生成特征在于具有偏心光 瞳(eccentric pupil)的透鏡系統(tǒng)。
相似地，圖7C描述具有從光軸67偏移的幾何軸線95B的最終透 鏡系統(tǒng)22C。在該實(shí)施例中，光軸67位于最終透鏡系統(tǒng)22C的邊界外。 這種方式可以用于生成具有不干擾的光圈的透鏡系統(tǒng)("偏心光瞳"系 統(tǒng))，諸如共焦反射顯微鏡系統(tǒng)、史瓦西布置(schwarzchild arrangement) 顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
前述實(shí)施例的每個的特征在于幾何軸線與初始的透鏡組件的光軸 重合或平行。為實(shí)現(xiàn)其它的光學(xué)屬性，還可以控制鋸操作以生成與傾 斜于光軸的幾何軸線平行的鋸面。
還可能形成以下的透鏡元件，該透鏡元件在其每端具有拋光的圖 象形成表面，并且具有至少三個在圖象形成表面之間延伸的平坦的鋸 面，在圖像形成表面中，透鏡元件以更高效的制造操作而被形成。圖8 示意性地描述處理IOO，包括步驟101到107，以用于形成該種多個最 終透鏡元件。
步驟101代表形成初始透鏡元件的支撐陣列。有若干用于形成這 種支撐陣列的處理。在一種方式中，傳統(tǒng)的磨削和拋光操作形成透鏡 元件，諸如在圖9A和圖9B中所示的具有平坦的圖像形成表面111和 凸面的圖像形成表面112的平凹透鏡110。在該具體例子中，并且如在圖10中所示，利用合適的粘合劑115將支撐113和孔板(aperture plate) 114粘結(jié)在一起，如在現(xiàn)有技術(shù)中一樣。該孔板具有多個等距間隔的孔 116，用于為陣列中的每個透鏡元件110確定位置。即，每個透鏡元件 IIO將如此定位，使得其幾何軸線與孔116對準(zhǔn)。透明的光學(xué)粘合劑7 將每個透鏡元件UO粘結(jié)到支撐陣列中的孔板114，其中，該粘合劑117 與每個初始透鏡元件H0的平坦的圖像形成表面111擴(kuò)及相同的空間。
其它過程可以被用來完成步驟101的功能。例如，在圖9A、 9B 和10中的單個透鏡元件110可以用整體透鏡陣列來代替。這種陣列可 以被粘結(jié)到具有適當(dāng)定位的孔的孔板，像在圖10中的孔板114一樣。 可選擇地，該陣列可以被直接粘結(jié)到支撐上，如在圖10中的支撐113 上，或者可以被形成為自支撐陣列。通過任何處理，步驟101生成在 其兩端具有拋光的圖像形成表面的初始透鏡元件的陣列。
再次參考圖8，步驟102為最終透鏡元件確定間隔和鋸面的總數(shù) "N"。 "Y"表示在單組設(shè)置(singleset)中將會出現(xiàn)的鋸切口的總數(shù)。 例如，如果最終透鏡元件將具有偶數(shù)個鋸面，其中，所述鋸面生成正 多邊形橫截面，則Y-2。具體地，如果在圖10中所示的透鏡元件將被 形成為具有正八邊形橫截面的最終透鏡元件，則N-8并且Y:2。如果 最終透鏡元件將具有三角形橫截面，則N-3并且Y4。如果最終透鏡 元件將具有非正六邊形橫截面，則N-6并且Y-1。
現(xiàn)在參考在圖8中的步驟103，并且假設(shè)(l)每個最終透鏡元件 從初始透鏡元件IIO的一個中獲得，以及(2)每個最終透鏡元件具有 正八邊形的橫截面，圖8的方法和相關(guān)的裝置順次地生成四組平行的 穿過初始透鏡元件IIO的鋸切口，并且切割的深度設(shè)置成穿透孔板114 的一部分或全部。如在劃片機(jī)技術(shù)中已知的，通常以經(jīng)驗(yàn)為主地，根 據(jù)需要的切割深度和切割刀片穩(wěn)定特性來確定鋸切口的深度。
更具體地，圖11描述布置成陣列的四個初始透鏡元件110A到110D的第一組鋸切口 121到126。在圖8中的步驟103到106定義以 下循環(huán)，通過該循環(huán)，所有初始透鏡元件都被鋸。在該循環(huán)的第一次 重復(fù)期間，在圖8中的步驟103將在圖11中的透鏡元件110A到110D 中的每個分離成具有最終的鋸面131和132的矩圓中心結(jié)構(gòu)(oblong center structure) 130。在該實(shí)施例中，最終的鋸面131和132是平行的， 并且到中間透鏡結(jié)構(gòu)130的中心的距離是相等的。在諸如鋸切口 121 和122的鋸切口的兩側(cè)的部分構(gòu)成了殘留部分133。
再次參考圖8，在步驟103的處理完成之后，根據(jù)N-N-Y確定是 否需要另外的鋸切口。如之前所描述的，對于將具有正八邊形橫截面 的透鏡元件，初始地，N-8并且Y-2。這樣，步驟104計算關(guān)于N的 新的值，即，N=N-Y=6。因此，步驟105將控制轉(zhuǎn)移到步驟106，以允 許陣列和鋸軸線之間的相對角度關(guān)系的改變。在該具體實(shí)施例中，通 過旋轉(zhuǎn)陣列90。而產(chǎn)生這個改變。
然后，步驟103生成另外一組平行的鋸切口。更具體地，如在圖 12中所示，在如圖11中所示的鋸切口之后，如所存在的一樣，90°的 偏移生成橫過陣列的鋸切口 134到137、 140和141。在圖12的鋸切口 已經(jīng)完成之后，中心部分或修改的中間透鏡元件130具有正方形橫截 面。先前的殘留部分133被切斷，并且圖11中的部分130在圖12的 鋸切口之外的端部被示為新的殘留部分142。
再次參考圖8,步驟104計算]SKN-Y，因此，N=4，并且步驟105 再次保持循環(huán)。步驟106改變陣列的相對角度關(guān)系。圖13具體地描述 旋轉(zhuǎn)陣列45。的處理，在該處理之后，根據(jù)在圖8中的步驟103的處理， 產(chǎn)生一系列的四個鋸切口 143到146。此刻，中心部分130具有六條邊， 并且部分133和142已經(jīng)被進(jìn)一步地分割成更小的殘留部分。
當(dāng)在圖13中的操作完成時，步驟104計算N-N-Y，因此，N=2， 并且步驟105再次將控制轉(zhuǎn)移到步驟106。此刻，通過旋轉(zhuǎn)陣列90°而改變相對的角度關(guān)系，使得步驟103生成鋸切口 150到153，如在圖14中所示。在這次重復(fù)中，步驟104和105生成值N-0，因此，完成鋸操作，并且已經(jīng)生成了用于透鏡元件130的橫截面，該橫截面為正八邊形。在鋸切口外部的玻璃的部分形成殘留部分。
步驟107將最終透鏡元件130從支撐陣列分離。g卩，在該實(shí)施例中，步驟107將最終透鏡元件130從圖10中的支撐113和/或者孔板114分離。這個特定的分離處理將取決于陣列的具體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和最終透鏡元件設(shè)計。假設(shè)，例如，最終的設(shè)計只需要透鏡元件130,而不需要任何另外的元件。如果如在圖10中所示，安裝透鏡元件被，則選擇粘合劑使得溶劑溶解該粘合劑115。如果透鏡元件最初被粘結(jié)到支撐上，如支撐113，則溶劑溶解粘結(jié)的粘合劑。通過這些方式中的任何方式，該處理生成多個透鏡元件，每個透鏡元件具有在圖15A和15B中所示的透鏡元件160的結(jié)構(gòu)。
如在圖15A和15B中所示，透鏡元件160是正多邊形，即正八邊形。更具體地，透鏡元件160具有多個平坦的鋸面。圖15A描述了線161，該線161位于鋸面162的平面內(nèi)；線163，該線163位于鋸面164的平面內(nèi)；線165，該線165位于鋸面166的平面內(nèi)。與它們各自的鋸面同延的線161、 163、 165的每個的部分只和與相鄰的鋸面相關(guān)聯(lián)的線部分相交。例如，線161的部分只和線163以及165的部分相交。因此，如在圖15A中所示，透鏡元件160滿足多邊形的數(shù)學(xué)定義。另外，沿著每個鋸面，每個面在圖15A的橫截面中具有寬度尺寸"W"。對于正多邊形，所有的鋸面將會具有相同的寬度尺寸。
在制造諸如透鏡元件160這樣的透鏡元件期間，可能在一個或多個頂點(diǎn)發(fā)生斜切，或生成其它不規(guī)則形狀，或者產(chǎn)生以下特征，該特征通過由于制造處理的異?；蛲哥R的所期望的最終設(shè)計而引起的其它結(jié)構(gòu)的、光學(xué)上可忽略的變化而產(chǎn)生。透鏡保持為"多邊形的"，直到其不滿足多邊形的數(shù)學(xué)定義。在本公開中，"多邊形"旨在覆蓋所有這種透鏡元件橫截面。相似地，"八邊形"用來描述是八邊形或具有八邊形的大致形狀的任何透鏡元件的橫截面。
如果最終設(shè)計需要每個透鏡元件30和孔板114的相應(yīng)部分，那
么選擇粘合劑使得溶劑溶解粘合劑115,但不溶解光學(xué)粘合劑117。圖16A和16B描述了作為結(jié)果的透鏡元件170。具體地，像在圖15A和15B中的透鏡160—樣，透鏡元件170包括八邊形的平凸透鏡171，通過圖10中所示的光學(xué)粘合劑117的中間部分173，該平凸透鏡171被粘結(jié)到諸如在圖10中的孔板114的孔板部分172?？装宀糠?72合并了與透鏡元件171的光軸對準(zhǔn)的孔174。
因此，將會看到，可以使用多個分離和恢復(fù)(recovery)處理。按照任何方式，步驟107提供多個最終透鏡元件，該最終透鏡元件具有鋸面和正多邊形或非正多邊形橫截面。
圖10到14的處理特別地適合于"短"或"短粗的"透鏡元件。較長的透鏡元件可能會承受彎曲或其它力，所述力在制造期間使透鏡元件偏斜。這種偏斜可以生成非平坦的鋸面，或者甚至導(dǎo)致透鏡元件破碎。然而，對于這種較長的透鏡元件，用可溶解的粘合劑或可以容易的從最終透鏡元件中去除的其他材料來填充各個鋸切口可以克服這個問題。例如，在圖11中產(chǎn)生鋸切口 121到126之后，這些鋸切口被填滿此類物質(zhì)，使得整個結(jié)構(gòu)保持剛硬，并且透鏡元件130被充分地支撐。相似地，在圖12中產(chǎn)生鋸切口 134到141之后，這些鋸切口也被填充。在圖13中產(chǎn)生鋸切口之后重復(fù)填充。結(jié)果，可以抵抗任何對偏斜或破碎的敏感性。對于短粗的透鏡元件的制造，可以通過自支撐陣列而使用相似的處理。因此，將會明顯的是，圖8的處理適于包括以下變化，所述變化能夠?qū)崿F(xiàn)生成具有本發(fā)明的所有特征的透鏡元件的處理。
圖17描述了用于將來自未示出的對象的圖像傳送到光纖的公知的光學(xué)構(gòu)造。這個具體的構(gòu)造利用圖15A和15B的布置為凸平透鏡的八邊形透鏡元件160以及圖16A和16B的布置為平凸透鏡的八邊形透鏡元件170，其中，該透鏡元件170具有孔板部分172、孔174以及中間光學(xué)粘合劑173。外殼175支承透鏡元件，并且透鏡元件160的平坦的圖像形成表面朝向多條光纖176。根據(jù)關(guān)于光學(xué)器件的光學(xué)特性，如在本領(lǐng)域中已知的，透鏡元件170被定位于外殼175內(nèi)在透鏡元件160的遠(yuǎn)側(cè)，并且從那里被隔開。在可選的構(gòu)造中，透鏡元件160和170的凸表面相互接觸。在該構(gòu)造中，例如，在柔軟的內(nèi)窺鏡中，在孔板部分172中的孔174和透鏡元件160以及170將在光纖176的末端的圖像進(jìn)行聚焦，以用于傳送到觀看位置。
如在圖8到14中所描述的，該處理能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量透鏡元件和光學(xué)器件的高效制造。如在圖15A到16B中所示的透鏡元件已經(jīng)被高效地生成，該透鏡元件具有大約0.75mm的對角尺寸和大約0.60mm或更小的整體長度。
已經(jīng)根據(jù)初始和最終的透鏡組件描述了本發(fā)明。還可以生成每個都具有不同的結(jié)構(gòu)的多個透鏡組件。那些不同的透鏡組件可以形成透鏡子組件，例如用于內(nèi)窺鏡中的物鏡、目鏡和中繼透鏡組件，并且每個光學(xué)器件被保持在單個外殼或單獨(dú)的外殼組件中，所述外殼組件定位于外部外殼中。還將變得清楚的是，可以使用其它鋸技術(shù)或等效技術(shù)，或者，其它鋸技術(shù)或等效技術(shù)的存在可以比目前可用的技術(shù)提供更好的容許偏差，以實(shí)現(xiàn)甚至更小的透鏡的構(gòu)造和各種透鏡的幾何形狀以及大小。在不脫離本發(fā)明的情況下，還可以對公開的裝置做出其它許多修改。因此，所附權(quán)利要求的目的在于覆蓋所有這些在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，所述光學(xué)器件沿著軸線延伸，包括至少一個透鏡元件，所述透鏡元件在其每一端具有拋光的圖像形成表面以及至少三個在所述圖像形成表面之間延伸的平坦的鋸面，每個平坦的鋸面位于與重合于相鄰的平坦的鋸面的所在平面的兩個平面相交的平面內(nèi)，由此，所述透鏡元件具有多邊形的橫截面。
2. 如權(quán)利要求l所述的光學(xué)器件，還包括用于支撐所述透鏡元件的裝置。
3. 如權(quán)利要求l所述的光學(xué)器件，具有八個平坦的表面，由此， 所述透鏡元件具有八邊形橫截面。
4. 如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中，每個所述平坦的鋸面具 有相等的寬度，由此，所述透鏡元件具有正八邊形的橫截面。
5. —種光學(xué)器件，包括A) 多個光學(xué)元件，其中，至少一個光學(xué)元件包括透鏡元件，所述 透鏡元件具有一對間隔開的拋光的圖像形成表面以及至少三個在所述 圖像形成表面之間延伸的平坦的鋸面，每個平坦的鋸面位于與重合于 相鄰的平坦的鋸面所在的平面的兩個平面相交的平面內(nèi)，由此，所述 透鏡元件具有多邊形的橫截面，以及B) 用于支撐所述多個光學(xué)元件以形成所述透鏡系統(tǒng)的裝置。
6. 如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述多個光學(xué)元件包括 多個具有多邊形橫截面的透鏡元件。
7. 如權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其中，每個所述透鏡元件具有 帶有八個平坦的鋸面的八邊形橫截面。
8. 如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其中，每個鋸面具有相等的寬 度，由此，每個所述透鏡元件具有正八邊形橫截面。
9. 一種用于從支撐陣列中的多個初始透鏡元件來制造多個最終透 鏡元件的方法，其中每個所述最終透鏡元件具有多邊形橫截面，所述 方法包括.-A) 穿過所述陣列進(jìn)行鋸削，以去除每個所述初始透鏡元件的部分，并且在每個所述初始透鏡元件上形成多個平坦的鋸面，從而生成由多 個經(jīng)鋸削的透鏡元件構(gòu)成的陣列，每個經(jīng)鋸削的透鏡元件具有多邊形 橫截面，以及B) 將經(jīng)鋸削的元件從所述陣列中分離，以生成最終的多邊形透鏡元件。
10. 如在權(quán)利要求9中所述的方法，其中，所述鋸包括利用劃片 機(jī)進(jìn)行鋸削。
11. 如在權(quán)利要求9中所述的方法，其中，所述鋸削包括產(chǎn)生多 組穿過在所述陣列中的所有所述初始透鏡元件的鋸切口，在一組中的 所述鋸切口平行，并且每一組沿著不同的鋸軸線定向。
12. 如在權(quán)利要求11中所述的方法，其中，所述每一組的鋸切口 被間隔開，使得到所述初始透鏡元件的中心的距離相等，由此，每個 所述最終透鏡元件具有正多邊形的橫截面。
13. 如在權(quán)利要求12中所述的方法，其中，每一組鋸切口的軸線 被移位45°，由此，所述每個最終透鏡元件具有八邊形橫截面。
14. 如在權(quán)利要求13中所述的方法，其中，每一組鋸切口被間隔 開，使得到所述初始透鏡元件的中心的距離是相等的，由此，每個所述最終透鏡元件具有正八邊形的橫截面。
15. 如在權(quán)利要求14中所述的方法，其中，所述鋸削包括利用劃 片機(jī)進(jìn)行鋸削。
16. 如在權(quán)利要求9中所述的方法，其中，所述初始透鏡元件的支撐陣列包括孔板，所述孔板具有以陣列布置的多個孔并具有支撐件，因此，所述方法通過包括以下步驟形成所述初始透鏡元件的陣列i) 將所述孔板安裝在所述支撐件上，以及ii) 將初始透鏡元件固定于所述孔板，并且所述初始透鏡元件與所述孔中的一個對準(zhǔn)。
17. 如在權(quán)利要求16中所述的方法，其中，所述鋸削包括利用劃 片機(jī)，穿透所述初始透鏡元件以及所述孔板的至少一部分來進(jìn)行鋸削。
18. 如在權(quán)利要求17中所述的方法，其中，所述透鏡元件的固定 包括將粘合劑施加在所述孔板和所述每個初始透鏡元件之間，并且所 述去除包括溶解所述粘合劑。
19. 如在權(quán)利要求16中所述的方法，其中，所述鋸包括利用劃片 機(jī)，穿透所述初始透鏡元件和所述孔板來進(jìn)行鋸削。
20. 如在權(quán)利要求19中所述的方法，其中，所述透鏡元件的固定 包括將第一粘合劑施加在所述孔板和所述每個透鏡元件之間，并且將 第二粘合劑施加在所述孔板和所述支撐件之間；并且所述去除包括溶 解所述第二粘合劑，由此，所述每個最終透鏡元件包括經(jīng)鋸削的初始 透鏡元件和孔板的相應(yīng)部分。
全文摘要
一種透鏡結(jié)構(gòu)和用于這種透鏡的制造方法。透鏡元件具有多個在圖像形成表面之間的鋸面，因此，透鏡元件具有多邊形橫截面。該制造包括利用過大的傳統(tǒng)圓柱形透鏡元件和形成在透鏡系統(tǒng)中的其它光學(xué)元件的步驟。面被鋸以減小整體大小。可以對完整的透鏡元件或組件或透鏡陣列應(yīng)用該鋸操作。
文檔編號G02B7/02GK101517449SQ200780035153
公開日2009年8月26日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月2日
發(fā)明者理查德·E·?；? 理查德·G·西爾, 羅伯特·N·羅斯 申請人:精密光學(xué)有限公司