CN102549604A - 带有基准标记的具有光传输性质的基底以及对准具有光传输性质的基底的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种制品，所述制品包括具有光学传输性的基底，所述基底包括多个功能元件和一体基准标记。所述基底具有全内反射的临界角，以及限定基准面的长度和宽度。所述基底包括设置在所述主表面上的一体基准标记。所述一体基准标记包括至少一个大致椭圆状特征，通过与垂直于所述基准面的基准线一起限定相应的第一半角和第二半角的第一截锥形表面和第二截锥形表面来形成所述至少一个大致椭圆状特征。所述第一半角和所述第二半角小于或等于90度减去单位为度的全内反射的所述临界角。本公开提供了一种方法，所述方法包括：提供根据本公开的具有光学传输性的基底；在机械观察系统的辅助下，精确地检测所述基准标记的位置；并可任选地精确地对准所述基底。

Description

带有基准标记的具有光传输性质的基底以及对准具有光传输性质的基底的方法
技术领域
本公开广义地涉及带有基准标记的具有光传输性质的基底及将其对准的方法。
背景技术
用于在制造过程中帮助精确对准的对位标记通常被称为基准标记。基准标记经常被用于精确测量、安装和装配组装了观察系统的部件。例如，装配有机械观察系统的机器人自动地利用基准标记来精确地放置部件。在这类应用中，机械观察系统捕获基准标记的图像，并使用它标识对准的参照点。根据所需的精度水平，可以使用仅仅一个基准标记，或者可以使用另外的基准标记。
在典型的机械观察系统中，计算机软件根据使用照相机得到的基准标记的图像来尝试“识别”基准标记(例如，圆形基准标记)。这个基准标记可以被填充为类似于点或环面。通常使用不透明油墨将基准标记图像印刷在基底上，尽管划线和冲压也是已知的用于产生基准标记的可供选择的方法。
通常，机械观察系统查看基准标记和周围区域之间的对比。对于许多基底，这可能会有一点问题。然而，就具有光传输性质的基底而言，获得足够可靠的对照度可能是主要的问题。例如，使用透明的丙烯酸类树脂片材，控制来自观察系统及其它光源的光线使得可以形成合适的对照图像可能存在挑战。在这类情况下，必须考虑这些材料的反射、折射、透射、吸收和散射。
在一些情况下，通过印刷、冲压或划线得到的基准标记对具有光传输性质的材料是可接受的，假若它们大得或深得足以提供所需的对比。但更常见的是，由于性能和/或美观的原因，使用太大或太引人注意的基准标记是不可接受的。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种制品，所述制品包括具有主表面的基底，其中所述基底具有光传输性并且具有全内反射的临界角(θc)，其中所述基底具有限定基准面的长度和宽度，其中所述基底包括设置在所述主表面上的一体基准标记，其中所述基准标记包括至少一个大致椭圆状特征，通过与垂直于所述基准面的基准线一起限定相应的第一半角和第二半角的第一截锥形表面和第二截锥形表面来形成所述至少一个大致椭圆状特征，并且其中所述第一半角和所述第二半角小于或等于90度减去全内反射的临界角(单位为度)。
在另一方面，本公开提供了一种方法，其包括：
设置具有第一主表面的基底，其中所述基底具有光学传输性并具有全内反射的临界角，其中所述基底具有限定基准面的长度和宽度，其中所述基底包括设置在第一主表面上的一体基准标记，其中所述基准标记包括至少一个大致椭圆状特征，通过与垂直于所述基准面的基准线一起限定相应的第一半角和第二半角的第一截锥形表面和第二截锥形表面来形成所述至少一个大致椭圆状特征，并且其中所述第一半角和所述第二半角小于或等于90度减去全内反射的临界角(单位为度)；以及
使用机械观察系统精确地检测一体基准标记的位置，其中所述机械观察系统包括被对准以接收垂直于基准面的光的照相机，并且其中所述照相机与上面执行图像分析软件的计算机进行通信。
在一些实施例中，所述方法还包括精确地对准基底。在一些实施例中，机械观察系统还包括光源，所述光源发射的光与照相机大致同轴对准。在一些实施例中，至少一个大致椭圆状特征包括从第一主表面向外延伸的脊。在一些实施例中，至少一个大致椭圆状特征包括从第一主表面向内延伸的槽。在一些实施例中，所述基底还包括与第一主表面相对的第二主表面，并且照相机被设置成面向第二主表面。在一些实施例中，光源和照相机被设置成面向基底的同一侧。
在一些实施例中，所述一体基准标记相对于主表面(或第一主表面)居中设置。在一些实施例中，所述基底还包括多个功能元件。在一些实施例中，至少一个大致椭圆状特征包括从主表面(或第一主表面)向外延伸的脊。在一些实施例中，至少一个大致椭圆状特征包括从主表面(或第一主表面)向内延伸的槽。在一些实施例中，多个功能元件包括光学或电子元件中的至少一种。在一些实施例中，多个功能元件包括菲涅耳透镜。在这些实施例的一些中，所述制品还包括光伏电池，其中所述菲涅耳透镜相对于光伏电池光学对准。
在一些实施例中，一体基准标记的面积小于或等于2平方毫米。在一些实施例中，至少一个大致椭圆状特征为圆形。在一些实施例中，一体基准标记形成在多个功能元件中的至少一个上。在一些实施例中，所述基底包含有机聚合物。
所有之前的各种实施例可以按任何组合形式来组合，这不明显违背本公开。
有利的是，本公开提供了在使基准标记的尺寸最小时通过增强基准标记相对于其背景的对比，使用机械观察系统来对准透明或半透明制品的制品和方法。另外，可以在生产各种制品(例如，菲涅尔透镜)的初始工具切割处理过程中加工基准标记，并且因此可靠并精确地将基准标记相对于制品的中心设置。
如本文所使用的：
术语“锥形”是指具有椭圆状底和向上且向内逐缩成点(例如，顶端)的表面的几何形状。
材料的短语“全内反射的临界角”是指在与空气界面处，材料发生全内反射的临界角(单位为度)。
术语“椭圆状”表示成型为椭圆或圆形。
用于指物体形状的术语“截锥形”表示所述物体大致被成型为截头的锥形表面。
术语“截头”是指切割掉顶部之后保留的具有大致与固体底平行的平面的直椎的一部分。
术语“具有光传输性”表示至少部分透射波长范围从400纳米至700纳米的电磁辐射。当应用到材料时，它包括透明和/或半透明材料，所述材料可任选地被着色(例如，滤光器)。
术语“精确地”表示在100微米的公差内。
术语“直椎”指其中底与锥体的尖端和底的几何中心所限定的轴线形成直角的椎体，所述底可以是椭圆形或圆形。
附图说明
图1是根据本公开的示例性制品的示意性透视图；
图2A-2B是切掉一部分的示例性基准标记的示意性侧视图；
图3是切掉一部分的示例性基准标记的示意性侧视图；
图4是设置在功能元件上的切掉一部分的示例性基准标记的侧视图；
图5是示例性机械观察检测/操纵系统的示意图；
图6是根据本公开的示例性制品的示意性侧视图；
图7是具有交叉划痕形基准标记的比较例A中描述的菲涅耳透镜的数字相片；
图8是具有圆形基准标记的实例1中描述的菲涅耳透镜的数字相片，其中所述基准标记背对照相机；以及
图9是具有圆形基准标记的实例1中描述的菲涅耳透镜的数字相片，其中所述基准标记面向照相机。
具体实施方式
在本公开的一个示例性实施例中，制品包括菲涅耳透镜。现在参照图1，制品100包括具有主表面120的基底110。基底110具有光传输性，并且具有全内反射的临界角(θc，未示出)。基底110具有长度130和宽度135，它们一起限定基准平面140。基底110具有设置在主表面120上的一体基准标记150，所述基准标记150包括至少一个大致椭圆状特征160。布置可任选的功能元件180以形成菲涅尔透镜。基准标记150可以具有各种构造。
例如，基准标记150可以具有如图2A所示的上升轮廓。现在参照图2A，通过各个第一和第二截锥形表面(164a、166a)与垂直于基准平面140的基准线170a一起限定各个第一和第二半角(α1、β1)和椭圆状特征160a(图示为脊)的方式来形成基准标记150a。第一和第二半角(α1、β1)均小于或等于θc(未示出)。
同样，基准标记150可以具有如图2B所示的凹陷外形。现在参照图2B，通过各个第一和第二截锥形表面(164b、166b)与垂直于基准平面140的基准线170b一起限定各个第一和第二半角(α2、β2)和椭圆状特征160(图示为槽)的方式来形成凹陷的基准标记150b。第一和第二半角(α2、β2)均小于或等于θc。
虽然图2A和2B分别示出了大致对称的脊和槽，但只要两个夹角均小得足以使在垂直于基准面方向上基底内传播的光产生全内反射时，就不必如此。
为了其预期的应用，基底可以是任何具有足够尺寸稳定性的具有光传输性质的材料。例如，基底可以包括玻璃或有机聚合物。有机聚合物可以是热塑性或热固性的。也可以使用有机聚合物的混合物。合适的有机聚合物的例子包括聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯2，6-聚萘二甲酸丁二醇酯)，纤维素制品(例如，醋酸纤维素和丁酸盐纤维素)，丙烯酸类树脂(例如，聚甲基丙烯酸甲酯)，含氟聚合物，聚烯烃(例如，聚乙烯和聚丙烯)，聚酰胺，硅树脂，聚氨酯，聚碳酸酯及其具有光传输性质的共混物。
全内反射是当光线相对于垂直于介质边界以大于临界角(θc)的角度照射到介质边界，从折射率较高的地方到折射率较低的地方时出现的光学现象。如果介质边界另一侧的折射率较低，则基本没有光穿过并且所有的光线被反射。
临界角是在大于此角后发生反全内反射的入射角。对于给定的基底材料，根据公式1(如下)，空气中的全内反射角θc是大气的折射率(η2，等于1.00)和选择用于基底的材料的折射率(η1)的函数：
θc＝arcsin(η2/η1)        公式1
现在，通过参照图3将会使上述内容更加清楚。基底310具有上面设置有基准标记350的主表面320，在基底310和空气315之间形成介质边界328。基底310具有全内反射的临界角θc，如相对于法线(例如，表面法线)325所限定的。以小于或等于90度减去θc的角度入射在介质边界328上的光352将基本被全内反射。因此，应该选择与基准线370(垂直于基准平面，未示出)形成的第一和第二半角(α3、β3)，使其小于90度减去θc的量(单位为度)。
可以容易地从许多材料的文献中得到折射率η1进而得到θc，并且/或者可以容易地使用熟知的技术通过实验方法来确定它。
在一些实施例中，在上面设置有基准标记的主表面具有功能元件。在一些实施例中，基准标记可以位于第一主表面上，而功能元件设置在与第一主表面相对的第二主表面上。基准标记(一个或多个)可以设置在主表面的中心和/或周边。
如果需要，例如，如图4所示，基准标记450可以设置在功能元件480上。
基准标记可以具有一个或多个椭圆状特征，如(例如)，脊或槽(均可以通过两个截锥形表面的交叉形成)。例如，基准标记可以包括至少一个、两个、三个、四个、五个或者甚至至少十个椭圆状特征。
通常，基准标记应该具有足够的光学区域，以易于通过机械观察系统检测到，但是，这是不必须的。如果大致椭圆状特征的数量少，则每个椭圆状特征的宽度(进而深度或高度)将通常大于椭圆状特征的数量多的那些情况。通常，使用面积小于5平方毫米(mm2)，小于2mm2或者甚至更小的基准标记，根据本公开可以实现与基底周围区域的足够对比。
大致椭圆状特征可以通过基体区域紧靠堆积和/或分开。
大致椭圆状特征通常是椭圆(包括圆)状的，并且没有表面缺陷，但是应该认识到，在不过度降低与基底相邻部分的对比的情况下，可以接受设计上微小的偏差或制造缺陷。
基底可以还任选地包括一个或多个功能元件。功能元件的例子包括棱镜、透镜、沟槽、电子元件、像素阵列及其初期形式。在一些实施例中(例如，参见图1)，功能元件包括菲涅耳透镜的透镜元件。
可以通过例如使用常规工艺制成根据本公开的基准，例如，使用精密复制工艺的压缩模制、注模或连续浇铸。在这类工艺通常将被用于制造缺少基准标记的基底的情形(例如，菲涅尔透镜)下，本发明的基准是特别有利的。
根据本公开的基准与机械观察系统可结合用于精确定位，并且通常具有合适的精确对准设备，尽管后者不是必须的。图5示出了机械观察检测/操纵系统500的实例。在所示的构造中，来自光源517的光533部分被反射镜523反射并以基本垂直于基准面540的角度反射到基底510上。入射到基底510上的光533的至少部分穿过基底510并被相对的基底表面525向着照相机532反射。在所示的构造中，基本防止了入射到基准标记550上的光533以垂直于基准面540的角度返回到照相机。
如所示的，照相机532大致与光533同轴地对准，尽管也可以使用其它构造。例如，可供选择地，光源可以为内嵌地安装在照相机中的环形光。在一些实施例中，光源和照相机可以被设置成面对基底的同一侧(反射模式)，如图5所示。在其它实施例中，光源和照相机可以被设置成面对基底的相对侧(透射模式)。
根据所使用的精确构造，基准标记可以呈现(例如)暗的椭圆状特征(例如，黑的椭圆状环)或亮的椭圆状特征(例如，具有反射性的椭圆状环)。例如，面对光和照相机的基底上的凸起基准通常产生暗的椭圆状特征，而背向光和照相机设置基底上的凸起基准通常产生亮的具有反射性的椭圆状特征。
照相机532与计算机534通信，在计算机534上执行图像识别软件。可以商购各种图像识别软件产品。一种可用的图像识别软件包是得自AccuSentry有限公司(Marietta，Georgia)的SENTRY 9000，第8版，Build 15。
通过图像识别软件，计算机确定基准标记(进而基底)的精确位置(通常在约10微米或更小的范围内)。通常，计算机534与能够精确地将基底平移至所需的位置/方位的定位装置543(例如，可平移台面或卷材处理设备)的控制器541通信。
根据本公开的基准标记有利地与例如(如)电子显示屏(例如，等离子体或LCD电视屏)和太阳能装置的制品中的透明基底结合使用，其中，通过机架630将菲涅尔透镜600精确定位在包含光伏电池620的模块组件610上方，如图6所示。
如果使用太阳热收集器替换模块组件610，则可以实现类似的优点。通过以下非限制性实例进一步说明本公开的目的和优点，但这些实例中所述的具体材料及其用量，以及其他条件和细节不应视为对本公开进行不当限定。
实例
比较例A
直径为12.75英寸(32.4cm)并且厚度为3.5mm的模制聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)菲涅尔透镜被制造为具有交叉划痕形基准标记，所述基准标记是在加工菲涅尔成形母板期间形成的。在垂直入射角照明条件下看，如图7所示的基准标记约为2mm×2mm×10微米(深度)。
使用AccuSentry有限公司(Marietta，GA)的商品名为SENTRY9000的机械观察系统进行观察，以垂直于菲涅尔透镜平面的角度并基本沿着用于照射透镜的光的路径来观察菲涅尔透镜。布置菲涅尔透镜，使得基准面向照相机。机械观察系统没有成功地确定基准标记的中心。还可以尝试使用另外市售的机械观察系统，结果大致相同。
实例1
直径接近50mm并且厚度为3.5mm的模制PMMA菲涅尔透镜被制造为具有圆形基准标记，所述基准标记是在加工菲涅尔成形母板期间形成的。通过在加工菲涅尔透镜的同时精确地将基准加工到透镜模具中，确保基准精确地定位于每个菲涅尔透镜的中心。通过切削透镜后尝试添加圆形基准，通常提供了更低水平的精确度。
圆形基准标记的外径约为2毫米，并且由5个具有45度半角(即，总夹角为90度)和50微米间距的连续圆形槽组成。
图8是以垂直于菲涅尔透镜平面的角度并基本沿着用于照射透镜的光线的路径观察，使用AccuSentry有限公司(Marietta，GA)的商品名为SENTRY 9000的机械观察系统的照相机拍摄的菲涅尔透镜的数字相片。布置菲涅尔透镜，使得圆形基准正面向照相机(即，在透镜相对于照相机和入射光最近的面上)。
图9是以与图8中相同的角度观察，但是使圆形基准背向照相机(即，菲涅尔透镜相对于其在图8中的方向翻转)，使用用于产生图8的机械观察系统的照相机拍摄的数字相片。
在图8和图9示出的两种构造中，机械观察系统能够检测基准标记并在50微米的公差内检测其中心的位置。
本申请所提及的所有专利和出版物据此全文以引证方式并入本申请。除非另外指明，否则本文给出的所有实例均被认为是非限制性的。在不脱离本公开的范围和精神实质的条件下，本领域技术人员可对本公开进行各种修改和变更，并且应当理解，本公开不应当不当地受限于本文中所述的示例性实施例。

Claims (28)

1.一种制品，所述制品包括具有主表面的基底，其中所述基底具有光学传输性，并且具有全内反射的临界角，其中所述基底具有限定基准面的长度和宽度，其中所述基底包括设置在所述主表面上的一体基准标记，其中所述基准标记包括至少一个大致椭圆状特征，通过与垂直于所述基准面的基准线一起限定相应的第一半角和第二半角的第一截锥形表面和第二截锥形表面来形成所述至少一个椭圆状特征，并且其中所述第一半角和所述第二半角小于或等于90度减去单位为度的所述全内反射的临界角。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底还包括多个功能元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征包括从所述主表面向外延伸的脊。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征包括从所述主表面向内延伸的槽。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个功能元件包括光学或电子元件中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个功能元件包括菲涅尔透镜。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括光伏电池，其中所述菲涅尔透镜相对于所述光伏电池光学对准。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一体基准标记相对于所述主表面居中设置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述一体基准标记的面积小于或等于2平方毫米。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征为圆形。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述一体基准标记形成在所述多个功能元件的至少一个上。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含有机聚合物。
13.一种方法，所述方法包括：
提供具有第一主表面的基底，其中所述基底具有光学传输性，并且具有全内反射的临界角，其中所述基底具有限定基准面的长度和宽度，其中所述基底包括设置在所述第一主表面上的一体基准标记，其中所述基准标记包括至少一个大致椭圆状特征，通过与垂直于所述基准面的基准线一起限定相应的第一半角和第二半角的第一截锥形表面和第二截锥形表面来形成所述至少一个大致椭圆状特征，并且其中所述第一半角和所述第二半角小于或等于90度减去单位为度的所述全内反射的临界角；以及
使用机械观察系统精确地检测所述一体基准标记的位置，其中所述机械观察系统包括被对准以接收垂直于所述基准面的光的照相机，并且其中所述照相机与执行图像分析软件的计算机进行通信。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括精确地对准所述基底。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述基底还包括多个功能元件。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征包括从所述第一主表面向外延伸的脊。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征包括从所述第一主表面向内延伸的槽。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述机械观察系统还包括光源，所述光源发射的光大致与所述照相机同轴对准。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述基底还包括第二主表面，所述第二主表面与所述第一主表面相对，并且其中所述照相机面向所述第二主表面设置。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述光源和所述照相机被设置成面向基底的同一侧。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个功能元件包括光学或电子元件中的至少一种。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个功能元件包括菲涅尔透镜。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括光伏电池，其中所述菲涅尔透镜相对于所述光伏电池光学对准。
24.根据权利要求13所述的方法，其中所述一体基准标记相对于所述第一主表面居中设置。
25.根据权利要求13所述的方法，其中所述一体基准标记的面积小于或等于2平方毫米。
26.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个大致椭圆状特征为圆形。
27.根据权利要求13所述的方法，其中所述一体基准标记形成在所述多个功能元件中的至少一个上。
28.根据权利要求13所述的方法，其中所述基底包含有机聚合物。
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