CN113093504A - 允许形成光学美学和技术效果的光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学设备，其包括透明支撑件（98），该透明支撑件（98）设有上部面（100）和与该上部面（100）相距一定距离延伸的下部面（102），所述透明支撑件（98）形成在第一侧上由平坦表面（110）定界并且在与第一侧相对的第二侧上由凹表面（112）定界的平凹形状的透镜（108），该光学设备还包括挡板（94），该挡板（94）设置在透明支撑件（98）的凹表面（112）下方，与该凹表面（112）相距一定距离，光学设备最终包括设置在挡板（94）之后的基板（106）。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学设备，其允许产生新的视觉效果并且适合于美学和技术应用两者。
背景技术
万花筒是由苏格兰物理学家Brewster在19世纪初构想的，万花筒是一种光学仪器，其无限地并且彩色地反射通过镜上的反射在该光学仪器内部传播的外部光。这种光学仪器的名称是使用希腊词kalos（意为“美丽”）、eidos（意为“图像”）和skopein（意为“看”）构造的。以光穿透进入其第一端并且进入观察者观看的第二端的管的形式，万花筒包含多个有色玻璃碎片，在摇动时，它们会根据几乎无限制数量的组合进行自重组并产生美丽的变化图像。如阅读以下内容将理解的那样，万花筒是可以应用本发明的设备的示例。
由在时计、特别是腕表中长期使用的月相显示机构给出了可以应用本发明的设备的另一示例。这些月相显示机构的目的是让手表拥有者知道他们处于月运周期中的什么时候。然而，这些月相显示机构相比它们提供允许手表拥有者容易确定其在月球的哪个弦的精确指示更具装饰性。最简单的月相显示机构包括指针，其指向月相（上弦月、满月、下弦月、新月）的各种表示。其他已知月相显示机构包括承载两个月球表示的圆盘，该圆盘的部分通过在表盘中制成的合适形状的开口可见，并依次露出盈月、满月、亏月和新月。从美学的视点来看，各种月相的此表示是非常有利的；然而，表示月球的方式与近月星在天空中出现的方式只有很远的关系。又一月相显示机构包括每个月运周期都完全自转的双色球。此月相显示机构允许真实地表示月球的面。然而，因为此月相显示机构使用球体来表示月球的不同弦，所以它是厚的并且占据巨大空间，使得难以集成到钟表机芯、特别是腕表中。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种允许产生光学美学和技术效果的光学设备来克服上述问题以及其他问题。
为此，本发明涉及一种光学设备，其包括透明支撑件，该透明支撑件设有上部面和与该上部面相距一定距离延伸的下部面，该透明支撑件形成在第一侧上由平坦表面定界并且在与第一侧相对的第二侧上由凹表面定界的平凹形状的透镜，该光学设备还包括挡板，该挡板设置在透明支撑件的凹表面下方，与该凹表面相距一定距离，该光学设备最终包括在挡板之后设置的基板，该光学设备被布置成通过平凹透镜将挡板的边缘的图像投影到设置在所述平凹透镜的平坦表面上方的物体上。
根据本发明的特殊实施例：
-使得制成平凹透镜的材料的光学折射率包括在1.60和1.85之间，并且优选等于或大体上等于1.78；
-平凹透镜由玻璃或聚合物制成；
-透镜的凹表面具有弯曲轮廓，并且优选但非必要地是非球面轮廓；
-挡板具有弯曲轮廓，并且优选但非必要地是双曲线轮廓；
-月球表示被转移到透明支撑件的上部面或下部面中的一个，由钟表机芯移动的驱动装置驱动挡板，挡板和基板具有相对于彼此相反的显示对比度，挡板在月运周期的持续时间内从初始位置移位到最终位置，以便日复一日向观察者揭示从新月变为上弦月，然后从上弦月变为满月，然后变为下弦月，并且最终变为新月的月球的外观，在月运周期结束时，由驱动装置将挡板从其最终位置返回到其初始位置；
-驱动装置包括直线齿条，挡板与直线齿条平移地固定地耦接；
-驱动装置包括下部轮和上部轮，在其旋转轴线上与直线齿条啮合的下部轮自由旋转地安装；
-钟表机芯包括运动传动移动件，其在运动学上驱动凸轮，该凸轮在月运周期的整数倍中对其自身执行整转，该凸轮具有第一齿条永久跟随的轮廓，该第一齿条设有带齿扇形件，第一齿条通过该带齿扇形件与月相显示机构的驱动装置啮合；
-第一齿条设有触角喙，第一齿条通过该触角喙永久跟随凸轮轮廓，该轮廓被成形为蜗形并且设有至少一个大体上直线的台阶，使得在新的月运周期开始之前不久，触角喙在凸轮轮廓的顶部处，然后沿台阶下落，在该移动期间，第一齿条通过其带齿扇形件驱动小齿轮，该小齿轮在运动学上连接到月相显示机构的驱动装置；
-间隙收紧设备，其由上部轮组成，该上部轮一方面与直线齿条接合，并且另一方面与中间移动件的中间轮接合，该中间移动件还包括中间小齿轮，该中间小齿轮与受到第四弹簧的返回力的弹性约束的第二齿条的带齿扇形件啮合。
由于这些特征，本发明提供了一种光学设备，该光学设备通过平凹透镜允许将挡板的边缘的图像投影到布置在平凹透镜的平坦表面上方的物体上。
根据本发明的设备在其与万花筒组合使用中可能是令人感兴趣的。实际上，当经过平凹透镜时经优化的挡板边缘图像叠加在有色玻璃碎片的图像上，这允许改变这些图像的外形并使这些图像的形状组合成倍增加。
本发明在月相显示机构中的其应用也引起了巨大的兴趣。为此，根据本发明的特定实施例，将月球表示转移到透明支撑件的平坦表面，并且挡板被布置成在透明支撑件和基板之间移位，该挡板和基板具有相对于彼此相反的显示对比度，挡板在一个朔望月的持续时间内从初始位置移位到最终位置，以便日复一日向观察者揭示连续地从从上弦月变为满月，然后变为下弦月，并且最终变为新月的月球的外观，在朔望月结束时，由驱动装置将挡板从其最终位置返回到其初始位置。因此，月球的不同外观以原始且易于用户理解的方式表示。特别地，由根据本发明的光学设备提供的月球表示非常接近天空中的月球的真实外观，使得用户简单得多地确定月球位于月运周期的哪个时间段。根据本发明的光学设备还比使用在其自身上旋转的球体的那些光学设备更薄，并因此更容易集成到钟表机芯、特别是腕表中。此外，无关于月球位于其中的弦月，其表示总是对手表拥有者可见。还应注意，根据本发明的光学设备允许获得由不同颜色的两个表面形成并由明暗界限分开的真实月球的各个月相的表示，也就是说，将月球的照明部分与黑暗部分分开的曲线，其轮廓非常真实，并且非常忠实于用户观察天空中的月球时可见的内容。在上弦月和下弦月期间，当光学畸变几乎为零，并且当明暗界限因此看起来完全是直线时，特别如此。
由于平凹的、优选非球面的透镜和具有优选但并非穷举的双曲线型的弯曲轮廓的挡板的组合使用，观察者看到了明暗界限，也就是说将月球的照明部分与黑暗部分分开的曲线，其轮廓非常真实，并且非常忠实于用户在观察天空中的月球时可见的内容。此外，光学设备紧凑，并因此可以容纳在较小的体积中，诸如腕表型时计的壳体。举例来说，考虑到对于具有同一直径的月球表示，根据本发明的光学设备是使用球体的月相显示机构的厚度的一半。同样，应当理解，由于接收月球表示的表面是平坦的，因此根据本发明的光学设备不会妨碍指针在表盘表面上的移位的移动。
附图说明
从根据本发明的光学设备的示例性实施例的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将更清楚地呈现，该示例结合附图仅以纯粹说明性和非限制性的方式给出，在附图上：
-图1是可与根据本发明的光学设备组合的月相显示机构的平面图；
-图2是长圆形孔的较大比例的细节图，由指状件承载的销钉伸入该长圆形孔中；
-图3A是在其中间位置A的第一杆的较大比例的细节图；
-图3B是在其极限位置B的第一杆的较大比例的细节图，其中该第一杆支承抵靠指状件轮廓的顶部；
-图4A是在其位置C的第一齿条的较大比例的细节图，其中该第一齿条的触角喙在凸轮轮廓的顶部处；
-图4B是在其位置D的第一齿条的较大比例的细节图，其中该第一齿条的触角喙沿凸轮的台阶落下；
-图5是透明支撑件和金属薄板的顶视图，从中获得了非球面平凹透镜和挡板；
图6是由非球面平凹透镜、挡板和基板形成的光学组件的正视和截面图；
-图7是示意性顶视图，其示出了当挡板开始穿透将非球面平凹透镜与基板分开的空间中时，由观察者可以感知到的月球表示的外观；
-图8A是月相显示机构在月运周期开始时在其极限位置E时的示意图；
-图8B是类似于图8A的视图，其示出了在月运周期结束时在其极限位置F时的月相显示机构，以及
-图9A至图9L示出了在弯曲的、优选为双曲线轮廓的挡板的若干个位置的明暗界限的外观。
具体实施方式
本发明从总体发明构思出发，该总体发明构思在于提供一种光学设备，其使得挡板的边缘的图像能够被投影到设置在该光学设备上方的物体的图像上。为了实现该目的，根据本发明的光学设备大体上包括透明支撑件，其形成平凹形状的光学透镜，该光学透镜在第一侧上由平坦表面定界并且在与第一侧相对的第二侧上由凹表面定界。该光学设备还包括挡板，其设置在平凹透镜下方，在凹表面的侧上，以及设置在挡板之后的基板。优选但非必要地，挡板被布置成能够在将平凹透镜与基板分开的空间中从近侧位置移位到远侧位置，并然后返回到其近侧位置。根据本发明的光学设备的优点是通过允许将通过平凹透镜形成的挡板的边缘的图像与放置在该平凹透镜上方的物体的图像在平凹透镜的平坦表面的侧上叠加，从而产生新的光学美学或技术效果。
根据本发明的光学设备在其应用于月相显示机构时非常令人感兴趣，在于在透明支撑件的上下两个面中的任一个上转移月球表示，该透明支撑件设置在基板上方并且距基板一定距离，其中挡板介于透明支撑件和基板之间。月球的面可以以与基板的颜色类似的颜色表示，而挡板和基板具有相反的对比度：如果基板是明亮的，则挡板将是黑暗的，并且反之，如果基板是黑暗的，则挡板将是明亮的。仅作为说明性示例，假设月球表示和基板是黑暗的并且挡板是明亮的，则应理解，当挡板不在透明支撑件和黑暗基板之间的空间中时，则观察者不可感知位于黑暗基板上方的月球表示。然后，当明亮挡板穿透到将透明支撑件和黑暗基板分开的空间中时，月球表示逐渐变得对用户可见。因此，本发明提供了一种紧凑的光学设备，其允许以原始且比大多数现有技术的月相显示设备允许的方式真实得多的方式来显示月相。因此，观察者容易得多地理解他所处的月运周期的哪一时间段。此外，如果根据本发明的特殊实施例，透明支撑件被赋予平凹轮廓，优选但非必要地是非球面轮廓，并且此透明支撑件与在轮廓上优选是双曲线的弯曲挡板组合，则真实感进一步提高。当然，此组合允许获得明暗界限，随着月球变盈、变满、然后变亏和月运周期重新开始，该明暗界限的轮廓非常忠实于现实中观察到的明暗界限。
月相显示机构1例如容纳在时计、诸如腕表中，由钟表机芯驱动，也就是说，其操作取决于时间划分的机构。更具体地讲，钟表机芯包括运动传动移动件，其一个小齿轮（图中不可见）驱动二十四小时轮2，顾名思义，该二十四小时轮2被布置以便执行每天旋转一整圈。
二十四小时轮2在轴线6上承载指状件4，该指状件4绕轴线6自由旋转地安装。为了能够相对于二十四小时轮2枢转，由于接合在该轴线6上的环8，指状件4以略微的轴向游隙安装在轴线6上。此外，指状件4设有销钉10，其伸入在二十四小时轮2的厚度中形成的长圆形孔12中，并且限制指状件4相对于二十四小时轮2的枢转自由度（参见图2）。因此，应当理解，当销钉10邻接抵靠长圆形孔12的内壁14时，其由二十四小时轮2驱动旋转，并又驱动指状件4，该指状件4也执行了二十四小时的整转。
月相显示机构1还包括第一杆16，其绕枢转轴线18可枢转地安装，并且通过上部弹簧22弹性地施加抵靠指状件4的轮廓20的第一部分20a。在图中还指出其位置由跨接器26指示的星轮24的存在，该跨接器26由下部弹簧30弹性地保持抵靠该星轮24的齿28。
二十四小时轮2在顺时针方向上旋转，指状件4随之旋转。第一杆16因此沿指状件4轮廓20的第一部分20a滑动，并在经过中间位置A（图3A）后在极限位置B（图3B），其中它由脚状件32支撑抵靠指状件4轮廓20的顶部34。此外，第一杆16由喙36与星轮24的齿28接合。当例如大约在午夜时，指状件4进一步前进，第一杆16超过极限位置B，其中第一杆16被支撑抵靠指状件4轮廓20的顶部34，并在逆时针方向上驱动星轮24一个节距。该移动是由于以下事实而允许的：当第一杆16超过指状件4轮廓20的顶部34时，在该指状件4上发生杆作用，这引起该指状件4的枢转和销钉10的伴随移位，在与形成于二十四小时轮2的厚度中的长圆形孔12的一端邻接抵靠的情况下，该销钉10将移位以邻接抵靠该长圆形孔12的另一端。然后，第一杆16再次开始沿位于该轮廓20的顶部34之后的指状件4轮廓20的第二部分20b滑动。将注意到，在第一杆16使星轮24前进一个节距的瞬间，跨接器26抵抗下部弹簧30的返回力从星轮24的齿28的两个连续齿之间的凹槽切换到该齿28的跟随凹槽。通过落入跟随凹槽中，跨接器26允许星轮24完成它的一个节距前进，并再次确保该星轮24的精确定位。
根据月相显示机构的优选但非限制性实施例，该月相显示机构还包括用于校正月相显示的手动设备。总体上由总参考标号38表示的该手动校正设备包括第二杆40，其绕轴线42枢转，并且在与枢转轴线42相对的一端处包括致动装置44、诸如销钉。该第二杆40包括例如折叠区域46，当有腕表的拥有者从表壳的体积外部抵抗弹簧的弹性返回力而将校正器（在附图中不可见）致动时，使校正器驻留抵靠该折叠区域46。在校正器的致动作用下，第二杆40绕其轴线42枢转，并又控制第一杆16的枢转，以使星轮24前进一个节距。当第一杆超过指状件4轮廓20的顶部34时，在与上述条件相同的条件下，发生星轮24的该前进。
根据仅出于说明性和非限制性目的给出的优选实施例，星轮24的整转对应于两个连续的月运周期，月运周期对应于在两个新的连续月之间经过并且也被称为朔望月的时间。为此，月相显示机构由同轴安装并旋转固定在星轮24上的第一小齿轮50、校针轮56并且由凸轮52完成，第二小齿轮54固定安装在凸轮52的旋转轴线上。第一小齿轮50经由校针轮56驱动第二小齿轮54，计算该运动链的齿数比，使得凸轮52在每个月运周期执行一次整转。
凸轮52具有蜗形轮廓58，其设有大体上直线的台阶60。设有带齿扇形件64的第一齿条62还设有触角喙66，其通过触角喙66永久地跟随凸轮52轮廓58。新的月运周期的开始前不久，例如大约在午夜，第一齿条62的触角喙66在凸轮52轮廓58的顶部（位置C-图4A），然后沿凸轮52的台阶60落下（位置D-图4B）。在该移动期间，第一齿条62通过其带齿扇形件64与第三小齿轮68永久接合，使该第三小齿轮68在顺时针方向上旋转与触头喙66沿台阶60的下落对应的量。
通过旋转，第三小齿轮68使与其一起形成移动件69的轮70旋转。换句话说，第三小齿轮68以同轴方式安装在轮70上，并且相对于该轮70旋转固定。因此，轮70将其旋转移动传递到月相显示机构1的驱动装置72，该驱动装置72包括在旋转轴线76上自由旋转地安装的下部轮74和上部轮78。下部轮74与直线齿条80啮合，该直线齿条80又与上部轮78啮合。
下部轮74负责控制月相显示机构1。为此，下部轮74通过枢转来驱动直线齿条80平移并将其推回到图8A中所示的第一极限位置E，其对应于新的月运周期的开始。随后，当在月运周期的开始沿凸轮52的台阶60落下之后，触角喙66再次开始跟随凸轮52轮廓58，触角喙66在顺时针方向上逐渐推回到第二极限位置F（参见图8B），使得第三小齿轮68并因此轮70沿逆时针方向旋转。因此，下部轮74在顺时针方向上旋转并驱动直线齿条80从对应于新的月运周期的开始的其第一极限位置E从图的右侧向左侧平移到图8B中所示的对应于月运周期的结束的其第二极限位置F。一旦触角喙66已经在凸轮52轮廓58的整个长度上行进，它将再次发现其位于凸轮52的台阶60的顶部，并且在新的月运周期开始时，触角喙66将沿台阶60落下，这将引起直线齿条80返回其初始位置。
月相显示机构由一设备补充，该设备允许在月运周期结束时收紧间隙并使该月相显示机构返回其极限位置E。该设备由上部轮78组成，该上部轮78一方面与直线齿条80的齿接合，并且另一方面与中间移动件84的中间轮82接合，该中间移动件84还包括中间小齿轮86。该中间小齿轮86与被第四弹簧92的返回力弹性地约束的第二齿条90的带齿扇形件88啮合。由于这种布置，在第一齿条62和第二齿条90之间延伸的运动链的所有游隙被收紧，使得直线齿条80的定位总是精确的。
月相显示机构1包括直线齿条80，挡板94与直线齿条80平移地固定地耦接。月相显示机构1还在观察者96的侧上包括透明支撑件98，其设有上部面100，该上部面100平行于下部面102并且与下部面102相距一定距离延伸。例如，呈贴花形式的月球表示104被转移到透明支撑件98的上部面100。月球的该表示104也可以转移到透明支撑件98的下部面102。相对于观察者96而言，基板106设置在透明支撑件98下方，与透明支撑件98相距一定距离。挡板94安装在直线齿条80上，以便当直线齿条80由下部轮74驱动时能够逐渐穿透进入将透明支撑件98与基板106分开的空间中。挡板94和基板106具有相反的对比度：挡板94是明亮的，并且基板104以及月球表示104是黑暗的，或者挡板94是黑暗的，并且基板106以及月球表示104是明亮的。仅作为示例，假设月球表示104和基板106是黑暗的，并且挡板94是明亮且反射性的，应当理解，当挡板94不在位于透明支撑件98和黑暗基板106之间的空间中时，月球表示104位于黑暗基板106上方，并因此不可由观察者96感知。然后，当明亮且反射性的挡板94穿透到将透明支撑件98与黑暗基板106分开的空间中时，月球表示104逐渐变得可由用户感知。更具体地，随着挡板94开始穿透到透明支撑件98和黑暗基板106之间的空间中，观察者96逐渐看到上弦月出现。然后，当反射性挡板94完全在透明支撑件98和黑暗基板106之间时，观察者96看到月球的完整表示104：它是满月。然后，挡板94在同一方向上继续其直线移动，并开始离开透明支撑件98和黑暗基板106之间的空间，使得观察者96逐渐看到下弦月出现，这种状况对应于当挡板94离开与隐藏表面相同的自由表面的时刻。最终，当挡板94完全离开透明支撑件98和黑暗基板106之间的空间时，观察者96不再再次看到月球表示104（假设基板106具有与月球表示104相同的颜色），并因此知道月运周期已经结束，并且新的月运周期将开始。因此，观察者96具有月球各个阶段的容易理解的表示：新月、上弦月、满月、下弦月并然后再次是新月。
根据本发明，透明支撑件98为平凹形状的透镜108的形式，其在观察者96的侧上由接收月球表示104的平坦表面110向上定界，并由被赋予优选非球面的轮廓的凹表面112向下定界。该非球面平凹透镜108与挡板94组合，该挡板94在其中心折叠以赋予其弯曲轮廓，优选但非必要地是双曲线轮廓。因此获得月球的图像，该月球的明暗界限，也就是说将月球的黑暗部分与照明部分分开的曲线，最佳地接近天空中月球的真实外观。
为了确定非球面平凹透镜108和双曲线轮廓挡板94的几何尺寸，使用了计算机辅助光学系统设计软件，诸如以品牌LightTools销售的软件，已于2019年发布的其版本8为了本发明的目的而使用。
一旦已经定义了期望能够通过根据本发明的光学设备显示的月球表示104的尺寸，可以对其进行作用以便获得月相的真实表示的主要参数是：
-非球面平凹透镜108的制作材料，并因此非球面平凹透镜108的折射率；
-非球面平凹透镜108的非球面凹表面112的轮廓，并因此其圆锥常数；
-挡板94的尺寸；
-将由非球面凹表面112形成的拱形的顶部和挡板94分开的距离；
-挡板94的弯曲的、优选双曲线的轮廓，并且因此其圆锥常数。
仅作为优选示例，非球面平凹透镜108由透明材料制成，其折射率优选地包括在1.60和1.85之间，其中最佳值在1.78附近。该值是在众多测试之后选择的，其允许观察到，制成透镜的材料的折射率值越高，必须使透镜越靠近挡板94才能使得后者对通过该透镜观察的观察者不可见。容易理解的是，在期望将根据本发明的光学设备集成到腕表型的时计中的情况下，从空间需求的观点来看这是有利的。另一方面，折射率越高，对应材料的机加工越昂贵和困难。此外，已经认识到，当透镜离挡板94过近时，最终看到透镜的外围边缘的图像，该图像围绕月球表示104形成了乳白色的不透明冠，这是不可接受的。同样，发现通过选择过低的折射率值，具有弯曲的并且优选双曲线的轮廓的挡板94的图像逐渐覆盖了月球表示，该图像也不是非常美观，与月球的真正表示相比实际上也不真实。这就是为什么制成非球面平凹透镜108的材料的光学折射率的值大约为1.60至1.85，并且优选等于或大体上等于1.78似乎是最佳的，从而允许提供制成非球面平凹透镜108的材料的光学折射率与将非球面平凹透镜108的非球面凹表面112与挡板94分开的距离之间的最佳折衷，并因此获得其空间需求与时计的尺寸兼容的月相显示机构，其中该机构旨在被容纳，同时提供其轮廓合适的明暗界限。良好适合本发明的目的的材料的示例是由Schott以参考编号N-SF 11生产和销售的玻璃。
然后将从其获得非球面平凹透镜108的透明或至少半透明材料的块（诸如玻璃圆柱体或聚合物圆柱体，诸如聚碳酸酯）的尺寸引入计算机辅助设计软件中。在当前情况下，非球面平凹透镜108通过机加工圆柱形玻璃块获得，该圆柱形玻璃块的直径D包括在6 mm和7 mm之间并且其高度H包括在0.9 mm和1.1 mm之间（参见图5和图6）。
关于双曲线轮廓挡板94，这从矩形金属板获得，其厚度e优选但不排他地包括在0.08 mm和0.2 mm之间，并且其平行于挡板94的移位方向延伸的侧的长度l被选择为包括在7mm和8mm之间，而垂直于该挡板94的移位方向延伸的侧的宽度L被选择为包括在9 mm和10mm之间。该金属板在其中心处设有折叠部114，该折叠部114在平行于挡板94的移位方向的方向上延伸，并且优选地具有平行于该折叠部114的平边缘116。当然确实注意到挡板94不必保持其双曲线轮廓到其端部，因为在这些区域中，光学畸变效果大体上由非球面平凹透镜108产生。因此，这些平边缘116仅具有完全遮挡由非球面平凹透镜108提供的视野的功能，并且由于其平坦度，这些边缘116允许减少月相显示机构的空间需求。
非球面平凹透镜108的非球面凹表面112的轮廓由距离r和z(r)的值确定。如果将非球面平凹透镜108的中心对称轴称为S，则距离r对应于将中心对称轴S的每个点与非球面凹表面112的与其相对定位的点分开的距离（参见图6）。同样，挡板94的双曲线轮廓由距离r’确定，该距离r’将该挡板94的对称平面S’的每个点与挡板94的表面分开。这些距离r、r’通过以下相同关系确定：
其中k = -e2。
如图6中可见，函数z(r)的原点对应于点O，其位于由非球面凹表面112形成的拱形的顶部。在由非球面凹表面112形成的拱形的每个点中，函数z(r)的值对应于从非球面平凹透镜108的底部考虑的该点的高度。
表征非球面平凹透镜108的常数R和k的值，以及表征挡板94的常数R’和k’的值，将按以下所述的方式通过连续迭代来确定。至于系数An ，它们是多项式和的系数，其值也将由迭代确定。
至于非球面平凹透镜108，常数R对应于非球面凹表面112在点O处的曲率半径，该点O位于由该非球面凹表面112形成的拱形的顶部。使得明暗界限T（其是月球的黑暗部分与照明部分之间的分界线）在月运周期的中间呈直线，在点O附近，非球面凹表面112必需实际上是平面的。为此，初始将非常大的曲率半径R值（大约几千毫米）引入计算机辅助设计软件中。至于被称为“圆锥常数”的常数“k”，它是描述圆锥截面的量。圆锥截面是指由旋转圆锥与平面的交叉定义的平面曲线。当截面不经过圆锥的顶部时，其与该圆锥的交叉对应于以下平面曲线中的一个：椭圆、抛物线或双曲线。
注意，k = -e2，其中e对应于圆锥截面的偏心率。圆锥截面的偏心率是正实数，其仅表征该圆锥截面的形状；圆锥截面的偏心率可以解释为圆锥截面偏离圆的量的测量。因此，圆的偏心率为零。不是圆形的椭圆的偏心率严格地包括在零和一之间。抛物线的偏心率等于1，并且双曲线的偏心率大于1。
圆锥常数k包含在以下方程中
y2 – 2Rx + (k + 1)x2 = 0
该方程描述了圆锥截面，其顶点在原点，并且其切线沿“y”轴延伸，并且其中R是针对x= 0的曲率半径。该公式在几何光学中用于描述透镜的光学表面。在这种情况下，向计算机辅助设计软件初始指示圆锥常数为零（k = 0），换句话说，正在处理圆形。
因此，关于非球面平凹透镜108，以圆锥常数k的零值和曲率半径R的非常大的值开始模拟。
关于挡板94来说也是如此，对于该挡板94，以圆锥常数k’的零值和曲率半径R’的非常大的值开始模拟。重要的是应注意，挡板94可以被认为是其图像通过非球面平凹透镜108感知的物体，并且同样，其几何特征可以由计算机辅助光学系统设计软件、诸如LightTools确定。
最终，认为非球面平凹透镜108是偶数阶的，使得通过任意选择系数A4、A6和A8的值来开始。在系数A4、A6和A8的值的初始选择中，本领域技术人员受到以下事实的指导：他知道这些系数的值非常低，并且随着指数n的增加它们不断减小。然而，因为较高阶系数对由明暗界限T产生的外观改善的贡献可忽略不计，所以决定在系数A8 处停止。关于系数A2 ，这被忽略，因为表达式z(r)的第一项已经包含变量r的平方。
使用计算机辅助设计软件，针对若干个挡板位置94（参见图7和图9A至图9L）模拟月球及其明暗界限T的表示118。在图9A中，它是月运周期的开始。在图9C中，月球处于其上弦月。在图9F中，它是月运周期的中间并且月球是满月。图9I对应于下弦月，并且在图9L中，它是新月。为了执行模拟，例如开始改变表征非球面平凹透镜108的参数An 以及圆锥常数k和曲率半径R的值，同时保持表征挡板94的参数A’n 以及圆锥常数k’和曲率半径R’的值不变，并且在计算机屏幕上观察由明暗界限T产生的外观。重复实验，这次保持表征非球面平凹透镜108的参数A’n 、k和R的值恒定，并改变表征挡板94的参数A’n 以及k’和R’的值，以及通过LighTools软件的“真实感渲染”功能，在计算机屏幕上观察到由明暗界限T产生的外观。该功能允许观察由非球面平凹透镜、双曲线挡板和基板形成的整个设备，就好像该设备是以所期望的角度和距离拍摄的一样。由于“真实感渲染”功能，因此可以验证所期望的光学效果是合适的。因此，逐步进行直到获得明暗界限T的轮廓，其被认为忠实于其真实外观并且是令人满意的。当然，这是由每个人自行决定的纯粹主观的标准。
应当注意，对于上述非球面平凹透镜108和挡板94的尺寸特征，关于明暗界限T的视觉外观，针对以下值获得最满意结果：值k = -1和R = 20840 mm以及A4 = 3.769.10-3，A6= 2.9534.10-5和A8 = -1.407.10-7（关于非球面平凹透镜108），以及值k’= -4.922和R’=2.556 mm以及A4 ＝ 1.654.10-5，A6 ＝ -1.511.10-6和A8 ＝ 4.686.10-8（关于挡板94）。将观察到，关于圆锥常数k的值，为非球面平凹透镜108保持的值等于-1，其对应于抛物线轮廓。至于表征挡板98轮廓的圆锥常数k’的值，它小于-1，其对应于双曲线轮廓。
因此，位于由非球面凹表面112形成的拱形的顶部处的点O相对于圆柱形玻璃块的基部位于等于0.78 mm的距离P处。因此，推论出在该点O处，非球面平凹透镜108的厚度为0.22 mm。这是非球面平凹透镜108的最小厚度。
不言而喻，本发明不限于刚刚描述的实施例，并且本领域技术人员可以考虑各种简单的修改和变型而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。应当特别注意的是，在其中挡板明亮的情况下，它可以覆盖有一层磷光材料，例如以注册商标Super-LumiNova®销售的磷光材料。还应注意，为了避免光反射现象，挡板的表面可以有利地具有粗糙度。始终出于尽可能限制光反射的相同考虑，平凹透镜可以为抗反射处理的对象，并且其边缘可以金属化。尽管未在附图中示出，但应该注意，可以给凸轮52提供两个台阶60。假定星轮24在两个月运周期中进行整转，则可以直接接合星轮24与凸轮52，并因此节省了小齿轮50和54以及校针轮56。
术语
1.月相显示机构
2.二十四小时轮
4.指状件
6.轴线
8.环
10.销钉
12.长圆形孔
14.内壁
16.第一杆
18.枢转轴线
20.轮廓
22.上部弹簧
24.星轮
26.跨接器
28.齿
30.下部弹簧
32.脚状件
34.顶部
36.喙
38.手动校正设备
40.第二杆
42.枢转轴线
44.致动装置
46.折叠区域
50.第一小齿轮
52.凸轮
54.第二小齿轮
56.校针轮
58.轮廓
60.台阶
62.第一齿条
64.带齿扇形件
66.触角喙
68.第三小齿轮
69.移动件
70.轮
72.驱动装置
74.下部轮
76.旋转轴线
78.上部轮
80.直线齿条
82.中间轮
84.中间移动件
86.中间小齿轮
88.带齿扇形件
90.第二齿条
92.第四弹簧
94.挡板
96.观察者
98.透明支撑件
100.上部面
102.下部面
104.月球表示
106.基板
108.非球面平凹透镜
110.平坦表面
112.非球面凹表面
114.折叠部
116.平边缘
118.月球表示
Claims (14)
1.一种光学设备，其包括：透明支撑件（98），所述透明支撑件（98）设有上部面（100）和与所述上部面（100）相距一定距离延伸的下部面（102），该透明支撑件（98）形成平凹形状的透镜（108），其在第一侧上由平坦表面（110）定界并且在与第一侧相对的第二侧上由凹表面（112）定界，所述光学设备还包括挡板（94），所述挡板（94）设置在所述透明支撑件（98）的所述凹表面（112）下方，与所述凹表面（112）相距一定距离，所述光学设备最终包括设置在所述挡板（94）之后的基板（106），所述光学设备被布置成通过所述平凹透镜（108）将所述挡板（94）的边缘的图像与设置在所述平凹透镜（108）的所述平坦表面上方的物体的图像一起形成。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，使得制成所述平凹透镜（108）的材料的光学折射率包括在1.60和1.85之间。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述光学折射率等于1.78。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述平凹透镜（108）由玻璃或聚合物制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述凹表面（112）是弯曲的。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述凹表面（112）具有非球面轮廓。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述挡板（94）具有弯曲轮廓。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其特征在于，所述挡板（94）具有双曲线轮廓。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述月球表示（104）被转移到所述透明支撑件（98）的所述上部面（100）或下部面（102）中的一个，所述光学设备还包括驱动装置（72），所述驱动装置（72）旨在由钟表机芯移动，驱动所述挡板（94），所述挡板（94）和所述基板（106）具有相对于彼此相反的显示对比度，所述挡板（94）在月运周期的持续时间内从初始位置移位到最终位置，以便日复一日向观察者（96）揭示从新月变为上弦月，然后从上弦月变为满月，然后变为下弦月，并且最终变为新月的月球的外观，在所述月运周期结束时，由所述驱动装置将所述挡板（94）从其最终位置返回到其初始位置。
10.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述驱动装置（72）包括直线齿条（80），所述挡板（94）与所述直线齿条（80）平移地固定地耦接。
11.根据权利要求10所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备包括间隙收紧设备，其上部轮（78）包括旋转轴线（76），所述驱动装置（72）的下部轮（74）在所述旋转轴线（76）上自由旋转地安装，该下部轮（74）与所述直线齿条（80）啮合。
12.根据权利要求10和11中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述钟表机芯包括运动传动移动件，所述运动传动移动件在运动学上驱动凸轮（52），所述凸轮（52）在月运周期的整数倍中对其自身执行整转，该凸轮（52）具有由第一齿条（62）永久跟随的轮廓（58），该第一齿条（62）设有带齿扇形件（64），所述第一齿条（62）通过所述带齿扇形件（64）与所述驱动装置（72）啮合。
13.根据权利要求12所述的光学设备，其特征在于，所述第一齿条（62）设有触角喙（66），所述第一齿条（62）通过所述触角喙（66）永久跟随所述凸轮（52）轮廓（58），该轮廓（58）被成形为蜗形，并设有至少一个大体上直线的台阶（60），使得在新的月运周期开始之前不久，所述触角喙（66）在所述凸轮（52）轮廓（58）的顶部，然后沿所述台阶（60）下落，在该移动期间，所述第一齿条（62）通过其带齿扇形件（64）驱动小齿轮（68），所述小齿轮（68）在运动学上连接到所述驱动装置（72）。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的光学设备，其特征在于，所述上部轮（78）一方面与所述直线齿条（80）接合，并且另一方面与中间移动件（84）的中间轮（82）接合，所述中间移动件（84）还包括中间小齿轮（86），该中间小齿轮（86）与第二齿条（90）的带齿扇形件（88）啮合，所述第二齿条（90）被第四弹簧（92）的返回力弹性约束。
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