CN110914731A - 具有环形接合界面的光学元件和用于组装这种元件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了光学组件，其中光学元件通过环形突起和环形凹槽的接合而对准。多个光学元件形成堆叠，每个光学元件具有内部部分以及周围的外部部分。沿着堆叠的成对相邻光学元件在接合界面处彼此接合，所述接合界面包括在一个光学元件的外部部分上的环形突起和在另一光学元件的外部部分上的环形凹槽。环形突起和凹槽绕相应光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性，其中环形突起和环形凹槽彼此接合、具有相同的旋转半径。还提供了光学元件与环形支撑件的类似环形接合。
Description
技术领域
本技术领域通常涉及光学元件的组装和对准，并且更具体地涉及在透镜或其他光学元件之间的接合界面处使用环形突起和凹槽。
背景技术
与使用传统研磨和抛光技术制造的透镜相比，使用注射成型技术制造光学元件(诸如塑料透镜)，为便利安装和对准所得的光学元件的设计提供了进一步的可能性。塑料注射可以提供复杂的几何形状，具有成型到透镜本身中的纯机械功能。例如，包括在用于电话或其他移动设备的微型照相机物镜中的透镜组件通常基于塑料透镜，所述塑料透镜具有固有地成型的机械接口。因此，包括容纳透镜的镜筒和以对准的方式将它们维持在镜筒内部的扣环的布置是不必要的，虽然对于较大尺寸的玻璃透镜来说通常是这种情况。
然而，仍然需要改进光学元件的对准。
发明内容
根据一个方面，提供了一种光学组件，所述光学组件包括多个光学元件，每个光学元件包括具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分。光学元件形成堆叠，光学元件的内部部分的光轴沿着堆叠对准。
沿着堆叠的至少一对相邻光学元件在接合界面处彼此接合，所述接合界面包括沿着所述对的相邻光学元件中的一个的外部部分延伸的环形突起，所述环形突起具有绕相应光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性。接合界面还包括在所述对的相邻光学元件中的另一个的外部部分中延伸的环形凹槽。环形凹槽绕相应光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性。环形突起和环形凹槽具有相同的旋转半径并且彼此接合。
在一些实施方式中，每个光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
在一些实施方式中，对于光学元件中的至少一个，内部部分、外部部分和其上的任何环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。整体元件可以由塑料材料制成。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，外部部分和内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型来组装。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，内部部分具有圆柱形轮廓。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，外部部分为凸缘形。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形突起具有截断的圆形横截面。在其他变型中，环形突起可以具有弯曲的非圆形横截面。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形凹槽具有V形横截面。在其他变型中，环形凹槽可以具有曲面形的横截面。
在一些实施方式中，光学组件以与环形支撑件结合的方式提供，所述环形支撑件具有接合所述堆叠的最底部光学元件的支撑表面。在一些实施方式中，环形支撑件的支撑表面包括环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽与被提供在所述堆叠的最底部光学元件的外部部分的底部表面下面的匹配的环形凹槽或环形突起接合。
根据另一方面，提供了一种光学组件，所述光学组件包括光学元件以及环形支撑件，所述光学元件有具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分，所述环形支撑件具有在接合界面处接合光学元件的支撑表面。接合界面包括彼此接合的环形突起和环形凹槽。环形突起和环形凹槽各自在光学元件的外部部分和环形支撑件的支撑表面中的相应一个上延伸。环形突起和环形凹槽各自绕光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性并且具有相同的旋转半径。
在一些实施方式中，光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
在一些实施方式中，光学元件的内部部分和外部部分以及其上的环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。整体元件可以由塑料材料制成。
在一些实施方式中，光学元件的外部部分和内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型进行组装。
在一些实施方式中，环形突起具有截断的圆形横截面或弯曲的非圆形横截面。
在一些实施方式中，环形凹槽具有V形横截面或曲面形的横截面。
根据另一方面，提供了一种光学元件，所述光学元件包括被配置用于光相互作用并且限定光轴的内部部分，以及围绕内部部分的外部部分。外部部分具有相对的第一和第二表面。第一和第二表面中的至少一个设有环形突起和环形凹槽中的一个，所述环形突起绕内部部分的光轴具有旋转对称性，所述环形凹槽绕内部部分的光轴具有旋转对称性。
在一些实施方式中，第一表面设有环形突起或环形凹槽，并且第二表面没有任何环形突起或环形凹槽。
在一些实施方式中，第一表面设有环形突起，并且第二表面设有环形凹槽。
在一些实施方式中，第一表面和第二表面两者都设有相应的环形突起或相应的环形凹槽。
在一些实施方式中，内部部分和外部部分被成型为整体元件，例如由塑料材料制成。
在一些实施方式中，外部部分和内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
在一些实施方式中，环形突起具有截断的圆形横截面或弯曲的非圆形横截面，并且环形凹槽具有V形横截面或曲面形的横截面。
根据另一方面，提供了一种制作光学组件的方法，所述方法包括：
a.提供多个光学元件，每个光学元件包括具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分，所述外部部分具有相对的第一和第二表面，所述第一和第二表面中的至少一个设有环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽绕内部部分的光轴具有旋转对称性；以及
b.光学元件以对准它们的光轴的方式堆叠，沿着所述堆叠的相邻光学元件在接合界面处彼此接合，所述接合界面包括彼此接合的所述环形突起中的一个和所述环形凹槽中的一个，每个所述接合界面的环形突起和环形凹槽具有相同的旋转半径。
在一些实施方式中，每个光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，内部部分、外部部分和其上的任何环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。整体元件可以由塑料材料制成。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，外部部分和内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，内部部分具有圆柱形轮廓。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，外部部分为凸缘形。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形突起具有截断的圆形横截面。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形突起具有弯曲的非圆形横截面。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形凹槽具有V形横截面。
在一些实施方式中，对于所述光学元件中的至少一个，环形凹槽具有曲面形的横截面。
在一些实施方式中，堆叠光学元件的步骤包括将所述堆叠安装在环形支撑件上，所述环形支撑件具有接合所述堆叠的最底部光学元件的支撑表面。
在一些实施方式中，环形支撑件的支撑表面包括环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽与被提供在所述堆叠的最底部光学元件的外部部分的底部表面下面的匹配的环形凹槽或环形突起接合。
根据另一方面，提供了一种包括多个光学元件的光学组件，每个光学元件有具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分。
光学元件以对准它们的光轴的方式堆叠。光学元件中的相邻光学元件在接合界面处彼此接合。接合界面包括：
环形突起，所述环形突起沿着相邻光学元件中的一个的外部部分延伸，所述环形突起绕相应光学元件的光轴具有旋转对称性；以及
环形凹槽，所述环形凹槽在相邻光学元件中的另一个上的外部部分中延伸，所述环形凹槽绕相应光学元件的光轴具有旋转对称性，环形突起和环形凹槽具有相同的旋转半径并且彼此接合。
根据另一方面，还提供了一种制作包括多个光学元件的光学组件的方法，该方法包括：
a)为每个光学元件设有具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分；
b)为每个光学元件的外部部分设有环形突起和环形凹槽中的至少一个，所述环形突起和环形凹槽绕光轴具有旋转对称性；和
c)光学元件以对准它们的光轴的方式堆叠，并且光学元件中的相邻光学元件的环形突起和环形凹槽彼此接合并且限定接合界面，所述环形突起和环形凹槽在各自的结合界面处具有相同的旋转半径。
通过参考附图阅读本发明的实施例，将更好地理解本发明的其他特征和优点。
附图说明
图1是根据一个实施例安装和对准的透镜的堆叠的横截面示意侧视图；图1A是图1的堆叠的接合界面的放大视图。
图2A是根据一个实施例的光学元件的顶部表面的侧视图；图2B是图2A光学元件的顶部表面的侧视图，图2C是图2A光学元件的侧视的横截面图，以及图2D是图2A光学元件的横截面侧视图。
图3A是根据一个实施例的光学元件的堆叠的分解图；图3B是图3A的堆叠的横截面侧视图。
图4是根据另一实施例的光学元件的堆叠的横截面侧视图。
图5A和5B图示说明根据现有技术(图5A)和根据实施例(图5B)对准的透镜偏心的统计分布。
图6A和6B示意性地图示说明具有环形突起和凹槽的光学元件的对准，如本文中所解释的，当未经限制(图6A)和经限制(图6B)时接合界面的旋转半径上存在制造误差。
图7A和7B是根据一个实施例的设有环形突起和环形凹槽的圆柱形透镜的侧视图和横截面侧视图。
图8是根据一个变型的包括支撑表面和透镜的堆叠的光学组件的横截面示意性侧视图。
图9是根据另一变型的包括支撑表面和单个透镜的光学组件的横截面示意性侧视图。
具体实施方式
本说明书涉及包括堆叠光学元件的光学组件。
将容易理解的是，这种光学组件的光学元件可以以各种方式作用于入射光，例如引导或改变光束的方向、聚焦、扩展、准直、过滤或以其他方式转换或影响光。在一些实施例中，本文中描述的光学组件的光学元件中的至少一些由塑料或任何其他合适的材料制成。有利的是，光学元件可以根据提供光学特性和机械特性两者的预定形状和轮廓通过常规成型技术制造。
可替换地，光学元件中的至少一些可以通过其他技术制造，诸如例如使用“嵌件精密玻璃成型(IPGM)”技术，通过该技术，设有合适机械接口的嵌入件可以在制造过程中与玻璃或塑料透镜组装(例如参见A.Symmons and B.Auz,“Design Considerations andManufacturing Limitations of Insert Precision Glass Molding(IPGM)”,Proc.ofthe SPIE vol.8489,84890H,(2012))。
光学元件可以由成型的透镜来实现。可以实现光学元件中的至少一些的透镜类型的示例包括平凸面透镜、双凸面透镜、平凹面透镜、双凹面透镜以及正或负弯月形透镜。也可以考虑上面列出类型的胶合双透镜或三透镜。一些光学元件也可以由衍射透镜、反射镜、挡板、光阑、衍射光学元件(DOE)、针孔等来实现。光学元件可以具有球面或非球面，并且可以具有偏轴轮廓。将容易理解的是，形成给定光学组件的光学元件可以是不同类型的，而不脱离本发明的范围。
本光学组件的应用示例包括在用于电话或其他移动设备的相机物镜中提供的微型透镜。在其他示例中，这种光学组件可以用于成像、扫描、光检测或一般照明。在一些变型中，诸如本文中呈现的光学组件可以用于医疗诊断和治疗设备、视觉和检查、显示器和视频会议、条形码扫描、识别和安全等。
参考图1，示出了根据一个实施例的光学组件20。光学组件20包括形成堆叠34的多个光学元件22。尽管在图1的变型中示出了四个光学元件22，但是应当理解的是，光学元件22的数量可以根据为目标应用选择的光学设计而变化，并且“多个”的引用应当理解为意味着最少两个光学元件。
在图1图示说明的示例中，光学组件20的光学元件从顶部到底部分别示出为弯月形第一透镜22a、弯月形第二透镜22b、双凹面第三透镜22c和弯月形第四透镜22d。容易理解的是，这种布置仅作为示例示出。还应当理解的是，图示说明的光学元件以垂直方式堆叠并不意味着赋予所得光学组件优先的使用取向，并且在本说明书中使用表述“顶部”和“底部”只是为了便于参考附图。每个光学元件22有具有光轴A的内部部分24和围绕内部部分24的外部部分26。内部部分24的两个表面根据光学元件22的期望光学特性来设计和成形。内部部分24被配置用于光相互作用，即旨在与入射在光学元件22上的光相互作用，并且提供该光学元件22的目标功能。外部部分26提供用于接合特征的结构，允许光学元件22的精确对准，这将在下面更详细地描述。外部部分26可以是凸缘形，并且例如围绕内部部分24形成边缘。在其他变型中，外部部分26可以是管形。优选地，诸如在成型塑料透镜的上下文中，内部部分24和外部部分26彼此一体成型，即它们被成型为由塑料或其他合适材料制成的整体元件。在其他实施方式中，内部部分24和外部部分26可以分开制造并且然后使用合适的技术(诸如嵌件精密成型技术)组装。例如，在一个变型中，如果形成内部部分的材料是玻璃，然而也可以使用诸如塑料的其他材料，则可以使用上述IPGM方法。内部部分和外部部分分开制造的一个优点是，外部部分可以然后由仅根据其机械特性选择的材料制成，而不管光学元件的由内部部分提供的光学功能。该部分的外部部分可以例如由金属制成，例如铝、不锈钢、不变钢、科伐合金、钛、黄铜、铬镍铁合金等。
如图1所示，光学组件20的光学元件22以其各自的光轴A沿着堆叠34互相对准的方式堆叠。各种光学元件22a、22b、22c和22d是相邻的，并且在接合界面28处彼此接合。因此，在图1的示例中，接合界面28i、28ii和28iii分别设置在第一透镜22a和第二透镜22b之间、第二透镜22b和第三透镜22c之间以及第三透镜22c和第四透镜22d之间。如下解释的，相邻光学元件沿着相应接合界面28直接接触，并且将容易理解的是，在典型实施例中，如图1所示，邻近或相邻光学元件22的相应内部部分24彼此隔开。
仍然参考图1，并且附加地参考图2A至2D，现在将描述提供在相邻光学元件22a和22b之间的接合界面28i。提供在其他光学元件之间的接合界面28ii和28iii被理解为具有相似的特征。
接合界面28i包括沿着两个相邻光学元件22a和22b中的一个的外部部分26延伸的环形突起30。作为示例，对于本接合界面28i，环形突起在第二透镜22b的外部部分26的顶部表面上延伸。环形突起30绕相应光学元件22b的光轴A具有旋转对称性，附带地，所述光轴与其他光学元件22a、22c和22d的光轴重合并且限定堆叠34的对称中心轴。
数学上，环面被理解为绕中心轴(这里是光轴A)的旋转表面，其中所述表面不与中心轴相交。如本领域技术人员所理解的，表述“旋转表面”通常在数学中用来指定在欧几里得空间中的表面，所述表面对应于被称为母线的曲线绕旋转轴的旋转。尽管它的涵义是运动，但这个表述指的是静止的表面，与物体的物理旋转无关联。“圆环”形状是环面的示例，其中母线曲线是一个完整的圆，所得的立体在数学术语中称为圆环。将容易理解的是，在本说明书的上下文中，对环形元件的引用并不意味着限制于圆环形状，而是可以指定由除了圆形之外的母线曲线生成的结构。
接合界面28i还包括环形凹槽32，所述环形凹槽32在两个光学元件中的另一个的外部部分26中延伸，在这种情况下是第一光学元件22a的底部表面。环形凹槽32绕光轴A也具有旋转对称性。
环形突起30和环形凹槽32具有相同的旋转半径。旋转半径可以理解为光轴A和限定环形突起30和环形凹槽32的旋转表面的形状的中心之间的距离。环形突起30和环形凹槽32彼此接合，即环形突起30插入环形凹槽32中，并且它们各自的壁彼此接触。
如果接合的环形突起和环形凹槽的旋转半径具有相同的标称值，则它们可以被认为是相同的。旋转半径的标称值指的是其理论值，或者相应光学元件的制造图上规定的目标制造值。如本领域已知的，标称尺寸可用于描述特征的理论上准确尺寸、轮廓、朝向或位置，并且可在与光学元件相关联的数据表或其他文档上提供。
如果接合的环形突起和环形凹槽的旋转半径的准确测量值落在相同标称值的容差范围内，则它们可以附加地或可替换地被认为是相同的。作为示例，具有3毫米的标称直径值和+/-0.05毫米的精度容差的接合的环形突起和凹槽可以具有稍微不同的测量旋转半径，两个测量旋转半径都落在2.95至3.05毫米的范围内，然而仍然被本领域技术人员认为是“相同的”。在一些实施方式中，在+/-0.02毫米的容差范围内，每对接合的环形突起和凹槽的旋转半径是相同的。在一些实施方式中，在+/-0.1毫米的容差范围内，每对接合的环形突起和凹槽的旋转半径是相同的。
在图示说明的实施例中，环形突起30对应于沿着径向平面切割的圆环的部分，使得旋转曲线是圆的一部分，例如半圆。也可以说环形突起具有截断的圆形横截面，这意味着该横截面对应于完整圆的一部分。该实施例的环形凹槽具有V形横截面，即旋转表面的母线曲线是V形。V形环形凹槽也可以称为“V形凹槽”。在一些实施方式中，环形凹槽可以具有平坦或圆弧形底部截面，而不是尖的沟槽(pointed through)，最好如图2D图示说明的。
将容易理解的是，在其他实施例中，环形突起30和环形凹槽32可以具有不同于上面讨论的或附图中图示说明的横截面形状，而不脱离本说明书的范围。作为示例，环形突起30可以是基于卵形或其他弯曲的非圆形母线的旋转表面。优选地，环形突起30具有圆弧形边缘，在该圆弧形边缘处环形突起30接合环形凹槽32，然而在一些变型中，环形突起30仍然可以限定尖锐的边缘。同样作为示例，环形凹槽32的壁可以如本文中描述的V形凹槽实施例中那样是直的，或者在其他变型中可以限定弯曲的表面，从而具有曲面形的横截面。
参考图7A和7B，在一些实施例中，光学元件22的内部部分24可以缺乏旋转对称性。在图示说明的示例中，内部部分具有如在圆柱形透镜中常见的圆柱形轮廓。有利的是，圆柱形或其它非圆形几何形状可以与外部部分26一体地成型，所述外部部分26设有诸如上面解释的环形突起和凹槽。
图2A至2D图示说明示例性光学元件22，所述光学元件具有从外部部分26的顶部表面突起的环形突起30和延伸到外部部分26的底部表面中的环形凹槽32。因此，这种光学元件可以堆叠在底部具有环形凹槽的另一光学元件之下，在顶部具有环形突起的另一光学元件之上，或者在底部具有环形凹槽顶部具有环形突起的另一光学元件之下和之上。然而，将容易理解的是，突起和凹槽的其他组合可以提供在光学元件上。参考图3A、3B和4，示出了堆叠中的突起和凹槽的各种组合。可以看出，给定的光学元件可以在第一表面(顶部或底部)上设有环形突起，而在第二表面上没有接合结构，或者相反地，在第一和第二表面中的一个上仅设有环形凹槽。其他光学元件可以包括在两个表面上的凹槽、在两个表面上的突起或者两者的混合。
在一些实施方式中，诸如上面解释的，具有合适组合的突起和凹槽的光学元件可以被提供为未组装以用于以后的组装，例如作为单个部件或者共同地作为集成到光学组件中的套件提供。每个光学元件可以被配置为具有：
设有环形突起的第一表面和没有任何环形突起或环形凹槽的第二表面；
设有环形凹槽的第一表面和没有任何环形突起或环形凹槽的第二表面；
设有环形突起的第一表面和设有环形凹槽的第二表面；
两者均设有相应的环形突起的第一和第二表面；或者
两者均设有相应的环形凹槽的第一和第二表面。
将容易理解的是，在上下文中对第一和第二表面的引用仅仅是用于区别的目的，并不意味着暗示这些表面在光学组件内的优选朝向。
参考图8，在一些实施方式中，光学组件20可以包括具有支撑表面38的环形支撑件36或者与环形支撑件36结合。在涉及诸如上面描述的多个光学元件22a至22d的变型中，支撑表面38接合堆叠34的最底部的光学元件22d。支撑表面38可以包括环形突起30或环形凹槽32中的一个，所述环形突起或环形凹槽与被提供在堆叠34的最底部光学元件22d的外部部分的底部表面下面的匹配的环形凹槽32或环形突起30接合。在图8图示说明的变型中，环形凹槽32位于支撑表面38内，而环形突起30位于最底部的光学元件22d上。将容易理解的是，在其他变型中，可以使用相反的配置，即环形突起在支撑表面上和环形凹槽在最底部光学元件中。
环形支撑件36可以由任何适于接合最底部光学元件22d的外部部分26的结构来实现，同时为由光学元件22d的内部部分24透射和/或引导的光提供光路。在一些实施例中，环形支撑件可以由壁架、凸缘、凸起、肩部或提供期望支撑的其他类型的结构来实现。环形支撑件可以集成到镜筒或通常以对准关系容纳透镜的堆叠的其他结构。在一些变型中，环形支撑件围绕最底部光学元件是连续的，而在其他变型中，它可以包括沿着其周边的间隙。
图8的示例示出了接合环形支撑件36的光学元件22的堆叠34。参考图9，示出了光学组件20，所述光学组件具有与环形支撑件36结合的单个光学元件22。光学元件22有具有光轴A的内部部分24和围绕内部部分24的外部部分26，并且可以例如是任何类型的透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔。环形支撑件36具有在接合界面28处接合光学元件22的支撑表面38。类似于上面描述的实施例，接合界面28包括彼此接合的环形突起30和环形凹槽32，环形突起30和环形凹槽32各自沿着光学元件22的外部部分26和环形支撑件36的支撑表面38中的相应一个延伸。换句话说，如图9所示，环形突起30可以提供在环形支撑件36上，而环形凹槽32提供在光学元件22中，反之亦然。环形突起30和环形凹槽32各自绕光学元件22的内部部分24的光轴A具有旋转对称性，并且具有相同的(标称)旋转半径。上面关于光学元件的堆叠描述的所有其他特征也可以应用于图9的实施例。
将容易理解的是，光学组件可以安装或以其他方式提供在外壳、镜筒或其他结构中，这取决于组件的意图使用环境和需要满足的要求。在一些实施例中，图8或图9的实施例的环形支撑件可以集成到这种结构。还应当理解的是，所述组件的光学元件可以使用本领域已知的技术(诸如粘合剂、扣环或其他机械紧固件等)固定在一起和/或固定到周围结构。
根据另一方面，提供了一种制作包括多个光学元件的光学组件的方法。
所述方法包括提供多个光学元件，每个光学元件有具有光轴的内部部分和围绕内部部分的外部部分，外部部分具有相对的第一和第二表面，第一和第二表面中的至少一个设有环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽绕内部部分的光轴具有旋转对称性。这可以在如上面解释的单个成型步骤中完成，根据提供机械和光学功能两者的期望结构和光学特性，使用成型技术的灵活性来成形光学元件。光学元件的制造还可以涉及嵌件精密成型技术，诸如前面提及的IPGM技术等。
该方法还涉及以对准它们的光轴的方式堆叠光学元件，并且光学元件中的相邻光学元件的环形突起和环形凹槽彼此接合，并且限定接合界面。如上面解释的，在每个接合界面处的环形突起和环形凹槽具有相同的旋转半径。将容易理解的是，每个光学元件的外部部分的相对表面可以根据堆叠的期望配置设有环形突起和凹槽的各种组合，以使得相邻光学元件之间的每个接合界面具有匹配的突起和凹槽。位于不同界面的环形突起和凹槽的旋转半径可以不同。然而，为了便于制造，在一个实施方式中，光学组件的所有突起和凹槽可以具有相同的旋转半径。
有利地，上面描述的接合界面的实施例可以提供比现有技术更好的安装精度，因为标称配置(即排除制造误差)导致理论上的完美对准。事实上，在现有技术的方法中，诸如例如使用扣环将透镜固定在镜筒中，透镜和其他部件之间需要最小的空隙或游隙，以使得透镜可以在没有机械干涉的情况下组装。典型地，对于相同的制造容差范围，本方法将统计定心误差减少2倍，因为如图5B图示说明的，制造容差可以分配在标称值的任一侧。这与安装具有径向游隙量的透镜所考虑的制造容差形成对比，诸如图5A(现有技术)所示，其中制造容差必须沿单一方向分配，以避免可能妨碍组装透镜的机械干涉。
使用本文描述的方法，详细研究了制造容差对透镜定心的影响。诸如上面描述的接合界面的特殊性在于，除了定心误差之外，环形突起和环形凹槽的半径不匹配还引起组装透镜的相对位置的倾斜误差。然而，倾斜误差与定心误差的数量级相同，不像传统定心方法(其中小的倾斜通常与较大的偏心相关联)。这可以在图6A和图6B中直观看到。在图6A中，两个环形结构的直径稍微不匹配导致其中环形突起没有被完全限制在环形凹槽内的居中位置。为了处于稳定的平衡状态，环形突起将倾向于在一侧上的凹槽内滑动(诸如图6B所示)，以使得在倾斜的极限位置处，突起和凹槽之间有三个接触点。环形突起在环形凹槽中的摇摆运动引起两个光学元件之间的定心和倾斜误差。将注意的是，为了进行这种运动，环形突起30和凹槽32之间的接触角α(如图6A所示)应该足够大以使得当轴向力F施加在组件上时，这两个部件之间的摩擦力被克服。当满足该条件时，当轴向力(诸如重力加速度或夹紧力)施加在堆叠上时，允许光学元件达到稳定的平衡位置(其中光学元件完全被限制在环形突起和环形凹槽之间的三个接触点处)。如果环形突起由于接触角不足而不能在环形凹槽中滑动，则透镜可能被不恰当地设置，并且可能无法实现本发明的定心功能。对于典型的斜面自由体图，可以发现的是，如果摩擦系数小于角α的正切值(即μ＜tan(α))，则满足该条件。
总之，当与涉及部件之间的径向游隙的更传统组件相比时，本文中描述的光学组件可以以改进的性能组装。已经发现的是，与现有技术方法相比，本方法可以将光学元件的统计偏心减少2倍，这打开了以较低成本获得等同光学性能的大门。有利的是，光学元件的互相对准不需要专用工具。
当然，在不脱离本发明范围的情况下，可以对上面实施例进行许多修改。
Claims (47)
1.一种光学组件，包括：
多个光学元件，每个光学元件包括具有光轴的内部部分和围绕所述内部部分的外部部分，所述光学元件形成堆叠，所述光学元件的内部部分的光轴沿着所述堆叠对准，沿着所述堆叠的至少一对相邻光学元件在接合界面处彼此接合，所述接合界面包括：
环形突起，所述环形突起沿着所述对的相邻光学元件中的一个的外部部分延伸，所述环形突起绕相应光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性；以及
环形凹槽，所述环形凹槽在所述对的相邻光学元件中的另一个的外部部分中延伸，所述环形凹槽绕相应光学元件的内部部分的光轴具有旋转对称性；
其中所述环形突起和所述环形凹槽具有相同的旋转半径并且彼此接合。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其中每个光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述内部部分、所述外部部分和其上的任何环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。
4.根据权利要求3所述的光学组件，其中所述整体元件由塑料材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述外部部分和所述内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述内部部分具有圆柱形轮廓。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述外部部分为凸缘形。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形突起具有截断的圆形横截面。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形突起具有弯曲的非圆形横截面。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形凹槽具有V形横截面。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的光学组件，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形凹槽具有曲面形的横截面。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学组件，所述光学组件与环形支撑件结合，所述环形支撑件具有接合所述堆叠的最底部光学元件的支撑表面。
13.根据权利要求12所述的结合，其中所述环形支撑件的所述支撑表面包括环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽与被提供在所述堆叠的所述最底部光学元件的外部部分的底部表面下面的匹配的环形凹槽或环形突起接合。
14.一种光学组件，包括：
光学元件，所述光学元件包括具有光轴的内部部分和围绕所述内部部分的外部部分；
环形支撑件，所述环形支撑件具有在接合界面处接合所述光学元件的支撑表面，所述接合界面包括彼此接合的环形突起和环形凹槽，所述环形突起和所述环形凹槽各自在所述光学元件的所述外部部分和所述环形支撑件的所述支撑表面中的相应一个上延伸，所述环形突起和所述环形凹槽各自绕所述光学元件的所述内部部分的所述光轴具有旋转对称性，并且具有相同的旋转半径。
15.根据权利要求14所述的光学组件，其中所述光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
16.根据权利要求14所述的光学组件，其中所述光学元件的所述内部部分和所述外部部分以及其上的环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。
17.根据权利要求16所述的光学组件，其中所述整体元件由塑料材料制成。
18.根据权利要求14或15所述的光学组件，其中所述光学元件的所述外部部分和所述内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的光学组件，其中所述环形突起具有截断的圆形横截面。
20.根据权利要求14至18中任一项所述的光学组件，其中所述环形突起具有弯曲的非圆形横截面。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的光学组件，其中所述环形凹槽具有V形横截面。
22.根据权利要求14至20中任一项所述的光学组件，其中所述环形凹槽具有曲面形的横截面。
23.一种光学元件，包括：
内部部分，所述内部部分被配置用于光相互作用并且限定光轴；以及
围绕所述内部部分的外部部分，所述外部部分具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面中的至少一个设有以下中的一个：
环形突起，所述环形突起绕所述内部部分的所述光轴具有旋转对称性；以及
环形凹槽，所述环形凹槽绕所述内部部分的所述光轴具有旋转对称性。
24.根据权利要求23所述的光学元件，其中所述第一表面设有所述环形突起或所述环形凹槽，并且所述第二表面没有任何环形突起或环形凹槽。
25.根据权利要求23所述的光学元件，其中所述第一表面设有所述环形突起，并且所述第二表面设有所述环形凹槽。
26.根据权利要求23所述的光学元件，其中所述第一表面和所述第二表面两者都设有相应的环形突起。
27.根据权利要求23所述的光学元件，其中所述第一表面和所述第二表面两者都设有相应的环形凹槽。
28.根据权利要求23至28中任一项所述的光学元件，其中所述内部部分和所述外部部分被成型为整体元件。
29.根据权利要求28所述的光学元件，其中所述整体元件由塑料材料制成。
30.根据权利要求23或28中任一项所述的光学元件，其中所述外部部分和所述内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
31.根据权利要求23至30中任一项所述的光学元件，其中所述环形突起具有截断的圆形横截面。
32.根据权利要求23至30中任一项所述的光学元件，其中所述环形突起具有弯曲的非圆形横截面。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的光学元件，其中所述环形凹槽具有V形横截面。
34.根据权利要求23至32中任一项所述的光学元件，其中所述环形凹槽具有曲面形的横截面。
35.一种制作光学组件的方法，包括：
a.提供多个光学元件，每个光学元件包括具有光轴的内部部分和围绕所述内部部分的外部部分，所述外部部分具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面中的至少一个设有环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽绕所述内部部分的所述光轴具有旋转对称性；以及
b.光学元件以对准它们的光轴的方式堆叠，沿着所述堆叠的相邻光学元件在接合界面处彼此接合，所述接合界面包括彼此接合的所述环形突起中的一个和所述环形凹槽中的一个，每个所述接合界面的环形突起和环形凹槽具有相同的旋转半径。
36.根据权利要求35所述的方法，其中每个光学元件是透镜、挡板、光阑、衍射光学元件或针孔中的一个。
37.根据权利要求35或36所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述内部部分、所述外部部分和其上的任何环形突起或其中的环形凹槽被成型为整体元件。
38.根据权利要求37的方法，其中所述整体元件由塑料材料制成。
39.根据权利要求35或36所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述外部部分和所述内部部分已经分开制造并且通过嵌件精密成型组装。
40.根据权利要求35至40中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述内部部分具有圆柱形轮廓。
41.根据权利要求35至41中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述外部部分为凸缘形。
42.根据权利要求35至41中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形突起具有截断的圆形横截面。
43.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形突起具有弯曲的非圆形横截面。
44.根据权利要求35至43中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形凹槽具有V形横截面。
45.根据权利要求35至43中任一项所述的方法，其中，对于所述光学元件中的至少一个，所述环形凹槽具有曲面形的横截面。
46.根据权利要求35至45中任一项所述的方法，其中堆叠所述光学元件的步骤包括将所述堆叠安装在环形支撑件上，所述环形支撑件具有接合所述堆叠的最底部光学元件的支撑表面。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述环形支撑件的所述支撑表面包括环形突起或环形凹槽中的一个，所述环形突起或环形凹槽与被提供在所述堆叠的所述最底部光学元件的外部部分的底部表面下面的匹配的环形凹槽或环形突起接合。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200324 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |