CN114761441A - 使用带有漫射光的增材技术制作眼镜镜片 - Google Patents

Abstract

公开了镜片制作的系统和方法。该方法包括启动从光源通过漫射器的光传输到容纳树脂和基材的容器中。根据其中树脂中的每个点被至少10％的漫射器照射的辐照模式进行光投射。这导致形成镜片。为了实现这种照射，至少15％的漫射器接收来自光源的光。进一步地，漫射器的直径大于或等于基材的直径。执行该方法的系统包括聚合装置并且可以包括树脂调节和储存装置、计量单元、树脂排出装置和可选的后固化装置。

Description

使用带有漫射光的增材技术制作眼镜镜片

技术领域

本公开涉及眼科镜片的制作，尤其涉及使用增材技术制作眼科镜片。

背景技术

用于生产眼镜镜片的当前技术基于称为“自由形式”的切割和抛光技术。该工艺用到多台机器：阻隔器、发生器和抛光机。这些机器价格昂贵、体积庞大，并且需要大量的专业知识来维护。此外，这项技术会产生大量废物，并且需要多种消耗品，其中一些消耗品是有毒的。此外，这项技术需要大量的半成品镜片库存。因此，建立一个自由形式的制造设施需要大量的经济投资、大量的劳动力和大型设施。这使镜片制造成为大公司的领域。

随着3D打印的出现，已经开始努力使用3D打印技术来制作镜片。然而，目前用于制作镜片的3D打印系统体积庞大且极其昂贵。此外，它们非常慢，生产一个镜片需要15分钟。基于SLA(立体光刻)变化的其他方法成本较低，但仍然体积庞大且同样缓慢。

一种用于制作镜片的3D打印技术被称为“树脂喷射”。它基于平面上的逐层制造。这些层由可UV固化的小液滴组成，使形成的表面光滑，从而形成具有足够光学质量的表面。然而，树脂喷射技术存在很大的缺陷。一个缺陷是制造时间。据报道，采用树脂喷射技术所花费的一个镜片的打印时间约为一小时。这个过程很慢，因为它是逐层堆叠的。此外，实施树脂喷射技术的机器很大，占地面积大。此外，它比“自由形式”减材技术所需的固定阻隔器、发生器和抛光设备贵。

树脂喷射技术的另一个缺点是它仅生产具有平坦表面的镜片。这是有问题的，因为眼镜镜片通常呈弯曲或弯月形。一种解决方案是将两个具有平坦表面的镜片合并，产生一个弯月形镜片。然而，这需要两次打印，很耗时。另外，由此产生的镜片非常厚。

为了将镜片制作转移到眼保健专业人员的办公室并使小型企业也可以进行镜片制作，需要一种简单、快速且廉价且占地面积小的镜片制作系统。

附图说明

图1A是示出定向光束的图。

图1B是示出非定向光束的图。

图2是示出光在树脂内传播的图。

图3是示出模式光在树脂内传播的图。

图4是使用定向光制作的镜片的照片。

图5是示出光漫射器对定向光的影响的图。

图6是示出用于制作镜片的单体聚合系统的示意图。

图7A是示出聚合装置的第一版本的示意图。

图7B是示出聚合装置的第二版本的示意图。

图8是示出输入辐照度模式的图像。

图9是示出条纹模式的偏斜的图像。

图10是示出示例性计量装置的示意图。

图11是示出示例性树脂排水装置的示意图。

图12是示出示例性后固化装置的示意图。

图13是示出使用本文所述的系统和方法形成镜片所采取的动作的流程图。

具体实施方式

本文介绍的方法和系统描述了一种用于根据基于佩戴者的处方和使用要求的制作指令使用增材技术和通过漫射器的光来生产眼镜片的系统。制作指令包括照射模式的指定。根据本文所述的系统和方法，光从光源通过漫射器传输到容纳树脂和基材的容器中。根据照射模式进行光传输。照射模式包括说明树脂中的每个点被至少10％的漫射器照射的说明。在一些实施例中，为了实现这种照明，至少15％的漫射器接收来自光源的光。此外，在一些实施例中，漫射器的直径大于或等于基材的直径。下面提供了有关系统和方法的附加细节。

本文描述的方法和系统描述了一种用于生产眼镜镜片的系统，该系统比当前的“自由形式”技术更简单。本文所述的系统重量轻，可移动部件有限，与“自由形式”生产相比，产生的废品更少，并且与“自由形式”生产相比，用到的消耗品量更少。这会产生更便宜的系统，将使包括眼镜商在内的小型企业能够进入生产眼镜镜片的业务。

为了更好地理解本文描述的系统和方法，对定向和非定向光束的理解是有帮助的。图1A和1B提供了定向和非定向光束之间的比较。定向光束是一种光束，在光束中的任何点，其辐射度都在围绕单个方向的窄立体角内具有不可忽略的值。定向光束的示例是准直光束或来自点源的球面光束。非定向(或漫射)光束是这样一种光束，在光束中的任何点，其辐射度在有限的方向范围内都具有不可忽略的值。根据本文所述的系统和方法，非定向光束由穿过光漫射器的光产生。

现在参考图1A，示出了定向光束(100A)。对于定向光束(100A)内的任何点(101A)，沿单个方向(102A)的辐射是不可忽略的。在近距离方向(103A)上，辐射度达到零或非常低的值，并且在任何其他方向上，辐射度都为零。现在参考图1B，如果定向光束(100B)通过光漫射器(104)，定向光束变为非定向或漫射的(如图105所示)，其特征在于，在用于漫射光束(101B)内的任何点的一组重要的方向(102B)、(103B)上具有不可忽略的辐射。本文所述的系统和方法包括一漫射器，用于引导光以在树脂中引起聚合反应，从而生产出眼镜镜片。

光固化树脂的聚合

光聚合是一种聚合类型，其中使用光来引发聚合反应。它有两条路线，自由基和离子。本公开中的大多数示例基于自由基聚合，但也可以使用离子聚合。该反应由一种称为引发剂的光敏成分引发，该引发剂混合在液体单体中。通常，光波长在紫外波段内(例如，UV-A或光化UV)，尽管一些引发剂可以用可见光或其他波长激活。在一些实施例中，引发剂具有覆盖从360nm到390nm的吸收带。

如本文所用，术语“树脂”指包括单体碱、引发剂和在一些实施例中的抑制剂的混合物。也就是说，抑制剂是可选的。该树脂呈液态并且可以包括其他组分，例如稳定剂、光吸收剂等。示例性树脂基包括丙烯酸酯、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、异氰酸酯、聚硫醇、硫代丙烯酸酯、硫代甲基丙烯酸酯。示例性丙烯酸酯树脂包括季戊四醇四丙烯酸酯；1,10-癸二醇二丙烯酸酯等。引发剂可以是自由基或阳离子。当使用自由基聚合时，示例引发剂包括二苯甲酮、BAPO(双酰基膦氧化物)、苯乙酮、1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(来自CIBA的Irgacure 2959(c))、α-氨基酮、HAP(2-羟基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮)和TPO(二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦氧化物)等。当使用阳离子光引发剂时，示例引发剂为芳基二氮盐、三芳基磺盐、二茂铁盐、二芳基碘盐等。一种示例性抑制剂是氢醌。

当引发剂分子吸收UV光子时，分子被分成与单体反应的自由基。该反应的结果是单体连接到自由基上，自由基随后与更多的单体分子反应并产生分子量不断增长的聚合物。当自由基链末端被中和时反应结束，通常可以通过终止或通过链转移到抑制剂来发生中和。

聚合过程中发生的反应是解离、引发、增长、终止和链转移至抑制剂，如以下方程式所示：

解离：

引发：

增长：

终止：

链转移到抑制剂：

这里[A]是引发剂浓度，[R·]是自由基浓度，[M]是单体浓度，[M·]_i是由i个单体组成的活性(附有自由基)聚合物，[M·]_i是由i个单体组成的稳定聚合物，[Z]是可能存在的特定抑制剂的浓度，[M_nZ]是与抑制剂反应的聚合物的浓度。参数k_d，k_i，k_p，k_t，和k_z是每个反应的动力学常数。I_abs是引发剂吸收的紫外线辐射能量。

这些反应通常在稳态假设下解决，其中在这种稳态下，由光引发剂解离产生的自由基被聚合终止(重组和抑制)消耗。单体浓度的变化率由下式给出：

在这个公式中，抑制剂浓度[Z]可能取决于时间。该变量φ表示引发剂量子效率。此外，通过Arrhenius关系k_z，k_t和k_p取决于温度。例如，对于k_p

其中k_po是常数，E_p是增长反应所涉及的能量，R是气体常数。因为聚合物增长反应是放热的，所以预计动力学常数会随时间而变化。

求解微分方程(2)需要数值积分算法，但在一些近似下，解析解说明了本文描述的方法。在应用本文描述的方法时，可以使用方程(2)的数值解，并且根据所需的精度，也可以使用近似解析解。当没有抑制剂且温度恒定时，随时间变化的单体浓度由下式给出：

其中M₀是初始单体浓度。在聚合过程中消耗与单体同时产生的聚合物。转化度c是单体转化为聚合物的比例，如下式所示：

当转化率增加时，介质的粘度增加。当转化率达到称为临界转化率c_cr,的某个点时，粘度呈指数增加，并且由于大聚合物分子的低流动性和/或聚合物链之间的高交联密度，混合物会固化。

当定向光施加到可光固化树脂时，引发剂在通过树脂中的深度z增长后每单位长度吸收的辐照度，辐照度根据下式从朗伯-比尔定律获得：

I_abs＝[A]I₀αe^-[A]0z-γz. (6)

这里α是引发剂的摩尔吸收系数，z是材料内部的深度，γ是没有引发剂的树脂的吸收系数和I₀是输入强度。因此，吸收在材料开始时最大，并在内部呈指数衰减。

当容器中的树脂被定向光照射时，聚合速率在靠近材料界面处更快，并且将在材料内部呈指数衰减。在给定时间，材料的某一部分将达到如图2所示的临界转化率。低于该点的所有材料将是固体，高于该点的所有材料将是液体。我们将此前沿称为“聚合前沿”，示为240。现在参考图2，示出了穿过容纳树脂230的容器210内的透明基材220的光200传播。虚线250代表具有相同辐照度的表面。

在曝光期间，聚合前沿在树脂230内以对数速度传播。当曝光停止时，产生厚度取决于曝光时间的层。固化材料的厚度由下式给出：

当所有参数随时间恒定时，该等式(7)只能应用于定向光。

当投射的光被模式化时，聚合前沿的形状遵循辐射模式，如图3所示。图3示出了光300通过容器310中的树脂330传播。这里，光是定向的但呈现横向分布，横向分布改变了聚合前沿340的形状以及具有相同辐照度的表面350的形状。

当曝光时间和输入UV辐照度模式的组合被正确校准时，聚合前沿的形状可以根据等式(7)并且更精确地通过等式(2)的数值积分来控制。这种技术可以用来制作各种三维物体。然而，由于自聚焦，生成的三维物体通常缺乏透明度和光学质量，如下所述。为此，仅这种使用定向光的技术不足以制造眼镜片。

如本文所用，“眼镜片”是指佩戴在距佩戴者眼睛一小段距离处的任何类型的眼镜。眼镜片可以包括：球面镜片、非球面镜片、渐进多焦点镜片、双焦点、三焦点、双凸镜片、平板等。制成的典型眼镜镜片的直径可以为40至80mm，厚度为2至8mm。本文所述的系统和方法也可用于制造更大和更小的镜片，以及更薄和更厚的镜片。

本文所述的系统和方法用于制造可具有固定表面或自由形状表面的眼镜片。对于固定表面镜片，镜片由粘附在基材上的树脂制成。如图2和3所示，基材220和320的固定表面是平坦的，但是基材可以具有任何形状。眼镜镜片最方便的基材形状是球面。然而，可以使用更复杂的基材表面，例如非球面、复曲面、非圆形、多焦点等。在一些实施例中，电子电路或图像形成系统可以嵌入基材内部。在其他实施例中，基材构造或增强为以允许生产具有大边缘厚度的镜片。在一个这样的实施例中，基材可以是非球面的，朝向边缘镜片化以增加可以保持的树脂量。在另一个这样的实施例中，将圆柱形壁附接到基材边缘以增加可以保持的树脂量。基材可以由聚碳酸酯、烯丙基二甘醇碳酸酯、聚氨酯基塑料、玻璃或类似材料制成，并且可以是可从俄亥俄州克利夫兰的PPG Industries Ohio,Inc.获得的

或

在本文所述的实施例中，固定表面表示离眼睛最远的表面。在其他实施例中，可以颠倒顺序，使得固定表面表示离眼睛最近的表面。自由曲面是由聚合前沿的位置决定的表面。在以下实施例中，自由曲面是最靠近眼睛的表面。

自聚焦

如上所述，具有足够辐照度分布的定向光束可用于在树脂中产生受控的聚合前沿，因此自由曲面的形状提供了所需的眼镜片。然而，由于自聚焦效应，定向光束容易在聚合材料中产生强烈的缺陷。聚合物的折射率通常略大于液体树脂的折射率。照射在液态树脂上的辐照度局部值的任何微小偏差，(偏差可以作为噪声出现在轮廓上，这在定向光中是不可避免的，可能是由于容纳树脂的透明表面上灰尘颗粒或缺陷造成的，并且可能由投影仪的像素结构引起)将导致折射率的局部变化，这又将局部聚焦辐照度。这会产生一个正反馈回路，该正反馈回路会产生明显的缺陷，通常呈针状，沿着辐射的传播方向定向。结果，生成的聚合物失去透明度，并且自由曲面变得尖锐，使得所得物体没有光学质量或光学质量差。这在图4中用定向光创建的镜片的图像中显示，其中410A是俯视图，410B是立体图。为了克服这一点，本文描述的方法和系统使用漫射光而不是定向光。

光漫射器

当光漫射器放置在光投射器和树脂之间时，来自每个辐射像素的光被散射成多个角度，使得光不遵循来自投射器的初始方向。(参见上文对图1A和1B的讨论。)为了实施本文所述的方法，优选具有特性尽可能接近于符合兰伯特余弦定律的漫射器。如下所述，使用双向透射分布函数(BTDF)评估漫射器的特性以测量漫射器与理想/朗伯漫射器的接近程度。对于理想的漫射器，辐射遵循兰伯特余弦定律。使用BTDF进行测量以评估漫射器的特性。漫射器由光扩散材料制成，包括玻璃和用光扩散添加剂制造的聚合物。更具体地，漫射器可以由乳白玻璃、白色玻璃、具有碳酸钙添加剂的丙烯酸酯片材等制成。在一个实施例中，示例性光漫射器是2mm厚并由3.3wt％的CaCO₃添加剂制成的丙烯酸酯片材。

现在参考图5，示出了显示光漫射器501对光502的影响的示意图。光源500向漫射器501发送辐射能(即，光)502。光源500可以例如，紫外数字光处理(UV DLP)投影仪或扫描紫外激光器。例如，投影仪500可以在385nm处发射具有峰值的辐射(即，UV光)。光源发出的光502是高度定向的。漫射器501向各个方向散射光，因此漫射器上的任何点Q都会向所有方向发射光。散射光的辐射度取决于漫射器的双向透射分布函数。因此，到达漫射器后面的任何点P的通量具有来自漫射器上的多个点的贡献503。

根据本文所述的系统和方法，漫射器位于树脂容器、大桶或腔室的内部并且优选地位于树脂容器、大桶或腔室的底部。当漫射器位于装满树脂的容器底部时，树脂内的每个点都会从漫射器上的多个点和多个方向接收光。在一个实施例中，树脂中的每个点接收来自至少10％的漫射器区域的光。因此，从漫射器传输到树脂并穿过树脂的光不是定向的，从而消除了上述自聚焦问题。为了实现这一点——也就是说，树脂中的每个点都可以在至少10％的漫射器上接收来自多个光源位置的光——漫射器的大部分被照亮。具体而言，在一些实施例中，至少15％的漫射器区域被光源照亮。如果不发生这种情况，则自聚焦将保持或不完全消除。使用至少15％的漫射器照明的方法，用来自漫射器的至少10％的光照射树脂中的每个点，从而得到具有自由曲面的聚合镜片，该自由曲面光滑、透明且具有低雾度。所得镜片具有良好的光学质量。这种技术的一个优点是系统可以耐受灰尘、污垢或投影仪中的任何缺陷或投影仪和树脂容器之间的介质。

控制聚合前沿的形状

为了制造所需的眼镜镜片，必须控制聚合前沿的形状。树脂容器内聚合的精确模型考虑了以下各项：

辐照度从漫射器传播到基材并进入镜片。

聚合物、引发剂和抑制剂浓度的时间演化。

热扩散和温度的时间演化。

单体、引发剂和抑制剂扩散。

光漫射器的双向透射分布函数(BTDF)。

当使用漫射光时，等式(7)不再适用。此外，当反应速率、引发剂或抑制剂浓度等参数随时间变化时，不能应用等式(3)。因此，当使用漫射光时，需要对反应(1)进行仔细建模。

自由形式镜片表面的期望形状可以称为z_L(x，y)。针对给定的输入辐照度I模式，对对应于等式(1)的微分方程进行数值求解，以获得聚合前沿z_P(x，y，I).。对于一组固定的控制点(x_i，y_i)，计算以下评价函数：

M(I)＝∑_iw_i[z_P(x_i，y_i，I)-z_L(x_i，y_i)]² (8)

关于定义输入辐照度模式或简称“输入模式”的参数，评价函数被最小化。当光源是DLP时，照射在漫射器上的辐照度模式是按像素定义的，并表示为矩阵I_nm，其中指数n和m·在数字图像的行和列上运行。可以使用其他评价函数，例如目标(自由曲面)曲率与聚合前沿之间的差异之和。

在单体聚合过程中，输入模式I_nm可以通过一个或多个传感器或传感器系统提供的信息进行修改，这些传感器或传感器系统用于测量容器中的树脂和生长过程中的聚合前沿。这种实时闭环过程允许严格控制聚合前沿，并避免或消除可能影响其形状的不稳定性。在聚合过程中使用的传感器和传感器系统包括一个或多个视觉检查系统(VIS)相机、红外(IR)相机、超声形貌系统、断层扫描系统、莫尔形貌系统、干涉形形貌系统、温度传感器和其他类似的设备和系统。这些技术用于参见以下图7A和图7B示出和描述的聚合设备以及图10中描述和示出的计量系统。

系统和组成设备的描述

本文所述的镜片生产系统包括但不限于以下组件：

树脂调节和储存设备，

聚合设备，

计量仪器，

树脂排水装置，以及

后固化设备。

树脂调节和储存设备

聚合前沿的产生和演变取决于多个参数，如上所述。因此，保持对树脂配方的严格控制。该树脂包括抑制剂和光引发剂的组合。抑制剂和光引发剂必须在特定温度下进行储存和使用。

链式光聚合反应的一种抑制剂是氧气。氧气可能会从周围的空气中扩散到树脂内部，这一过程会在树脂内部产生浓度梯度。这种梯度可能导致不均匀的树脂，这可能会破坏聚合前沿的形状。因此，树脂内任何抑制剂(包括氧气)的浓度必须保持在已知的适当和恒定水平。在投射输入模式之前，树脂的成分必须是均匀的。

为了获得具有适当氧浓度的均质树脂，一些可能的选择是：

将树脂存放在无氧环境(例如氮气)的容器中。

使用与树脂相容的除氧剂。

用氧气使树脂饱和。

用含有一定百分比氧气的气体(例如空气)使树脂饱和，以确保低于饱和的氧气浓度恒定。

对树脂进行脱气。

树脂调节和储存装置用于保持液态树脂并将其化学成分保持在适当且恒定的状态。图6中示出了树脂调节和储存装置600的一个实施例。液态树脂601保持在封闭的罐602内。一组传感器、致动器和管道通过相应的阀门和泵进出罐，且由包括电子和软件的控制器613控制。混合机构603设置在罐602中以致动、搅拌和/或混合树脂成分，从而使树脂成分保持充分混合和均匀分布。氧气、清洁和干燥的空气或任何优选的气体混合物可以通过导管607泵入或鼓泡到树脂中以增加溶解度并帮助混合。此外，可以将优选的气体引入罐602中，以通过管道608控制腔室内大气中每种气体的分压。设置排气机构以允许罐内大气成分的组成发生变化，并控制内部压力。排气机构可以包括包括管道、阀门和泵在内的部件。在图6所示的实施例中，可以通过与控制器613连接并由控制器613控制的管道606A和606C以及阀门606B来实现排气。传感器604包括在罐602中。在一个实施例中，典型的传感器阵列允许测量温度、氧气浓度、氮气浓度等物理化学参数。管道608和/或606A中的一个或两个可用于在罐内产生真空以使树脂脱气。可以任选地在罐中包括除氧机构(未示出)以对树脂进行脱气。可以在罐602中包括加热器605以控制树脂601的温度。管道609用于提取树脂并将其输送到如图7A和7B所示的聚合装置。

由泵/阀机构和过滤器组成的过滤系统610连接到罐602以去除会干扰镜片生产、阻碍镜片形成和/或降低镜片质量的颗粒。在一个实施例中，尺寸大于0.5微米的颗粒被过滤系统610去除。另外，过滤系统610可以去除通过自发聚合或在打印过程中形成的凝胶型聚合物。取决于树脂的特定特性和聚合过程，过滤系统610可以在闭环中或以指定的时间间隔持续工作。过滤系统可以耦合到控制器613并由控制器613控制。

树脂回收系统612可以包括在树脂调节和储存装置600中。来自先前聚合过程的液态树脂的残余物可以倒入罐612中，通过过滤器611过滤并结合到调节和储存装置中。可以在将残余物装入罐612之前或当树脂位于罐上时(例如，通过公知的光谱技术)测量树脂残余物中引发剂和抑制剂的浓度。可以通过在将树脂引入调节/储罐602之前添加适量的抑制剂、引发剂和/或单体/低聚物来调节树脂成分的浓度。

聚合装置

现在参考图7A和7B，显示了聚合装置的两个示例性实施方案。聚合装置由腔室700A/700B构成，在腔室700A/700B中，树脂702的位置放置成使得UV光通过底部玻璃板705、光扩散器704A/704B和基材701并照射树脂702。在聚合装置内部形成镜片。腔室700A/700B保持并封闭除了UV源708之外实现聚合所需的成分。顶部711和底部705是玻璃板或其他合适的透明材料。在腔室700A/700B内，基材701位于床、台面、凹槽区域或其他支撑结构(未示出)中和/或可以通过夹子、突片或其他紧固装置(未示出)保持适当固定在腔室700A/700B的壁或壁的延伸部。树脂702被倒入基材701的凹入部分中。固化辐射(即，UV光)709从光源708发射。光源708可以是扫描激光或DLP。固化辐射穿过底部透明板705并被光学漫射器704A/704B漫射。然后漫射光传播通过基板701并进入树脂702，在树脂702中形成镜片703。

在图7A和7B中所示的聚合装置的两个实施方案中，腔室700A/700B内的气态气氛和压力通过包括输入/输出管道706和707在内的排气部件来控制。这些管道将氮气、氧气、空气、这些气体的混合物和/或其他气体引导到腔室700A/700B内部中。这些管道还可用于在腔室内产生真空以使树脂702脱气。排气部件包括阀门和泵以及用于气体输入和输出的管道706和707。排气部件的阀门和泵和光源由控制器710控制。根据树脂配方来合适地选择气体。例如，可以使用丙烯酸树脂，该丙烯酸树脂具有50％的单官能和双官能单体混合物以及0.5％的引发剂和1％的抑制剂的混合物。在该示例中，由于存在抑制剂，去除调节和储存装置600中的氧气，并且还将通过将氮气排放到腔室中来去除聚合室700A/700B中的氧气。可在低压氮气氛中进行聚合以避免在聚合镜片703内产生气泡。

在操作中，当固化辐射通过玻璃板705进入树脂702时，产生聚合前沿，该聚合前沿将液态树脂702与成为镜片703的聚合部分分离。随着聚合的进行，聚合前沿远离基材表面，生长的镜片变厚。

使用等式(1)(如上所述)和漫射器704的BTDF计算由光源708发射的用于产生所形成的镜片703的辐照度模式，该漫射器704提供树脂内固化光子的体积密度。当成型的镜片703的厚度达到目标值时，聚合前沿将具有目标面的形状，根据优化算法(8)(如上所述)，镜片完成，光源708关闭。

在图7A所示的实施例中，漫射器704A是平坦的，并且位于底部705上方并与底部705相邻。在图7B所示的实施例中，漫射器704B是弯曲的，具有与基材701的凸面相似的曲率。此外，在图7B所示的实施例中，漫射器704B位于基材701下方并与基材701相邻。在一个实施例中，弯曲漫射器704B可以由具有光分散添加剂的透明树脂构成，光分散添加剂例如为碳酸钙、玻璃、钛。在一些实施例中，光分散添加剂具有尺寸在1和3微米之间的颗粒。优选漫射器704A/704B的直径大于或等于基材701的直径。即，漫射器704A/704B的直径优选不小于基材701的直径.

在这些实施例的变型中，图7A所示实施例中的基材701和漫射器704A之间的空间，或者图7B所示实施例中的漫射器701和底板705之间的空间，可以填充有一种物质，优选是液体，以确保不同表面之间的折射率匹配，从而消除或减少这些表面中的反射。该折射率匹配液具有透明且折射率接近或匹配基材和漫射器的特性。在一个实施例中，当基材是CR-39并且丙烯酸酯是漫射体时，可以使用折射率匹配流体甘油(具有1.47的折射率)。

在一些实施例中，移除上窗玻璃711。

现在参考图8，显示了通过图7A所示的聚合装置施加的可能输入光模式800的示例。该模式可以投射60秒或其他适当时间，以产生具有不同曲率的聚合前沿，从而产生作为渐进多焦点镜片的镜片703。现在参考图9，示出了使用图7A中所示的聚合装置和图8中所示的输入模式应用本文所述的方法得到的镜片900。

计量仪器

可以将附加模块附接到图7A和7B中所示的聚合装置，进行实时测量并提供反馈以在聚合过程期间校正或改进光输入模式。现在参考图10，示出了计量仪器1000的实施例。计量仪器1000中包括图7A所示的聚合装置。在该实施例中，使用来自图7A的没有上玻璃711的聚合装置。计量仪器1000包括热成像摄像机1005，以通过感测树脂702中的热辐射1006来实时监测树脂702的温度分布。由于聚合是一种放热反应，因此空间相关的光输入模式会产生更高的聚合速率，从而提供更高的光子密度。因此，光输入模式、聚合前沿随时间变化的形状和树脂中的温度分布是相关的。树脂中温度分布的意外变化将类似地与树脂缺乏均匀性、凝胶型沉淀物或其他杂质的存在相关。为了使用热成像摄像机1005，聚合室的顶部玻璃板被移除，因为它对热辐射1006是不透明的。

在一些实施例中，计量仪器1000包括附加的次级系统，用于在聚合过程期间随着聚合前沿的发展而监测聚合前沿的形状。该辅助系统使用超声波评估地形。

再次参考图10中的计量仪器1000，使用摄像机1004描绘了光学系统。摄像机1004使用不能聚合树脂的低波长光来评估镜片和/或聚合前沿的形成。例如，摄像机1004可以使用波长为635nm的红光或波长为780nm的近红外光。摄像机1004可以使用具有不干扰树脂聚合的其他波长的光。在计量仪器的一个实施例中，结构化光的投影仪投射条纹模式以将结构化的低波长光从上方照射到树脂702，并且摄像机1004对从聚合前沿反射的光进行成像。聚合前沿由于液态树脂和聚合物之间的折射率变化而反射。

计量仪器1000可以附加地或替代地包括光源1002以从下方发送结构化的低波长光束1003。可以通过镜片703传输测量光束103来实现这一点，其中通过摄像机1004来检测传输。在该实施例中，测量光束1003和固化光709由分束器1001混合，例如分色分束器，其不会影响投射的固化光的量。

计量仪器1000的其他实施例可以包括其他或附加传感器，例如IR照相机、超声传感器等。

树脂排出装置

在已经通过聚合装置形成镜片之后，剩余的树脂可以被排出并重新使用。更具体而言，在聚合装置完成目标形状并形成具有目标厚度的镜片之后，关闭投影仪并且停止输入模式的投影。然后从聚合装置中取出含有镜片和剩余的未聚合树脂的基材。这可以手动或使用自动化系统来实现。在镜片完成后，剩余的液态树脂被从聚合装置中除去或以其他方式排出以避免不希望的树脂聚合。

现在参考图11，显示了示例性树脂排出装置1100。将具有形成的镜片1114和剩余液态树脂1112的基材1116放置并牢固地附接至基体1110并放置在旋转机1101上。基体1110、基材1116、镜片1114和剩余树脂1112通过旋转机1101旋转。离心力将剩余的液态树脂移离镜片1114和基材1116，并进入由锥形架1102形成的容器中。旋转机1101的速度，以及很大部分上根据温度变化的树脂1112的粘度，决定了残留在镜片上的树脂量。盖体1103阻止树脂从树脂排出装置1100飞出。由旋转机收集在锥形架1102顶部的树脂通过排放管1120回收，以根据图6所(上)所述进行回收和再利用。剩余树脂的回收和再利用可以自动完成，树脂从图11的树脂排出装置1100的排放管1120泵送至图6的系统。

当剩余树脂的体积大时，可以早旋转之前通过倾斜基材来倾倒多余的树脂。对于那些凝胶化树脂的量太大的树脂配方，可以丢弃剩余的树脂，并且可以使用适当的溶剂从基材-镜片对中去除未固化的树脂。

在另一个实施例中，在树脂已经通过管道1120排出之后，可以通过漫射紫外光源1104来预固化残留在镜片表面顶部上的薄层液体树脂，其中漫射紫外光源1104包括在盖体1103的下侧。根据该实施例，当该层被预固化时，可以通过可以集成到盖体1103中的涂抹器1105将少量液体硬涂层漆倒在镜片上。漆可以通过旋转机1101的附加旋转周期旋转掉，留下均匀的层，然后可以通过可以包括在树脂排出装置1100中的加热器(未示出)进一步光固化或热固化该均匀的层。

后固化装置

根据树脂的配方和性质以及特定镜片的相关工艺参数，可以执行后固化动作。现在参考图12，示出了后固化装置1200的实施例。后固化装置1200可以在剩余的液态树脂已经在图11的旋转型树脂排出装置1100中排放之后使用。在一些实施例中，树脂排出装置1100不包含紫外线源和/或热源，因此，使用树脂排出装置1100执行动作后留在成型镜片顶部的液态树脂膜必须使用另一装置来固化。特别地，树脂排出装置1100可能缺少将提供无氧气氛的通风系统。在这种情况下，留在镜片顶部的薄层无法固化，因为它只有几微米厚，并且氧气不断从大气中扩散。在这种情况下，可能需要额外的设备，即后固化装置。

参考图12，后固化装置1200包括腔室1212，基材1217和镜片1215放置在腔室1212中，密封盖1201对UV辐射透明。输入和输出管1202A和1203A通过腔室1212的壁包括在内，其中腔室带有控制阀1202B和1203B以允许维持和控制腔室1212内的适当气氛(即，气体混合物)。取决于树脂，可以在高压下使用中性氮气氛以避免在镜片1215上形成气泡。如果树脂被适当地脱气，则可以使用低压氮或真空来从树脂中排出氧。在腔室1212和镜片1215内的气氛不含氧气之后，激活固化辐射1205的源1204(例如，UV光源)以固化镜片1215上的剩余层。可以可选地包括加热器1216并且加热器1216与腔室1212的底部集成在一起。加热器1216可用于提高聚合物基质内未反应单体的流动性并增加转化度c(参见上面的等式5)。

漫射器1206可结合在盖1201中以使从光源1204到达镜片1215上的液态树脂薄层的辐照度1205均匀化。

输出产品-镜片

本文所述的系统和方法的输出产品是镜片，即基材/成型镜片复合物。在某些情况下，成型镜片会从基材上脱落，而成型镜片将是最终的镜片。在其他情况下，成型镜片将不会与基材分离，从而两个部件一起形成眼镜片。在第二种情况下，眼镜镜片可能具有从基材继承的一些光学特性。例如，基材可以是偏振的、着色的或光致变色的，只要足够量的固化辐射可以穿过基材以聚合成型镜片。基材还可以在其凸面上结合抗反射涂层或硬涂层。此外，基材可以提供电力。将基材与成型镜片结合提供了极大的优势，因为它允许生产眼镜镜片，而不受聚合树脂的光学特性的限制。

在另一个实施例中，成型镜片与基材分离。所得产品是完全由聚合树脂组成的成型镜片。本实施例的优点是基材可以重复使用。

方法

现在参考图13，示出了用于使用上述设备和方法生产眼镜镜片的方法1300。参考块1301，接收输入作业。输入作业包括制造镜片所需的信息，包括：自由曲面几何形状、预期或优选厚度、固定表面几何形状、预期或所需折射率、镜片直径或轮廓形状、用户参数、用户生活方式参数等。输入作业规范可能包括列出的部分或全部信息。在输入作业中使用的用户参数包括鼻瞳距；框架属性，如框架广角、包角、框架顶点距离；视野；阅读距离；工作距离；年龄；健康；和其他参数。如在输入作业中使用的，用户生活方式可以是用户的一项或多项主要活动的规范，包括运动——户外、室内、特定运动(例如游泳和跑步)——驾驶、阅读、办公桌工作和/或职业，例如厨师、老师、律师、公交车司机等。

在接收到输入作业时，确定镜片制作指令。镜片制作指令(或要求)包括紫外光的输入模式和树脂成分。计算辐照模式或输入模式(如框1302所示)，使得给定曝光时间的聚合前沿与自由曲面镜片表面的所需几何形状一致。输入模式的计算包括树脂内部每个点的优化过程，这些点将被来自漫射器的多个点所照射。

具体而言，计算从输入作业中指定的镜片表面开始。计算光的输入模式，使得时间“t”之后的聚合前沿与目标表面重合，包括以下评价。

a.漫射器接收来自光源的定向光，漫射器的每个点根据其BTDF功能向各个方向发射。

b.树脂中的每个点都接收来自漫射器中多个光源位置的光。

c.树脂接收到的光引发等式1中描述的光化学反应。

d.光化学反应根据等式5在树脂中的每个点改变转化程度。

e.聚合前沿定义为树脂内部达到转化度c等于临界转化值的点。

在计算(1302)期间，树脂成分也被确定为使得创建指令包括辐照模式和树脂成分。树脂组合物定义了树脂的组成。计算(1302)还确定了产生具有所需直径的成型镜片所需的液体树脂的量。树脂的成分包括特定量的光引发剂和抑制剂(可选)，具体取决于输入作业中的信息。例如，具有较大厚度的镜片可能需要较少的光吸收，这可以通过较少的光引发剂或较大量的抑制剂获得。这就是为什么创建指令包括确定辐照模式和树脂成分的原因。然后，根据上面关于图6描述的程序调节和储存树脂(如框1303所示)。可以通过改变光引发剂和/或抑制剂的浓度来调整树脂的成分以满足创建指令的要求。

接下来，进行聚合(如框1305所示)。聚合开始于在聚合室中放置新的清洁基材，然后将树脂(根据框1304)倒入聚合室中。接着继续聚合，用输入模式照射漫射器，该输入模式在树脂内提供正确的光子密度分布，以根据创建指令中的照射模式实现输入作业中指定的镜片表面。在聚合(1305)期间，来自计量仪器的信息可用于调整和/或校正输入模式(如框1309所示)。

一旦在聚合室中形成了成型镜片，就将树脂从聚合室中排出(如框1306所示)，得到由基材和由凝胶层覆盖的成型镜片组成的物体。

在后固化期间(如框1307所示)，凝胶层聚合。然后可以将成型镜片与基材分离。结果是获得眼镜镜片(如框1308所示)。在一些实施例中，当成型镜片未从基材分离时，输出产品是基材和成型镜片的复合物。

在移除之后，在将镜片放置在用于佩戴的框架中之前对成型镜片继续切割。可以对成型镜片采取其他措施，例如施加抗反射涂层或硬涂层。

结束语

在整个说明书中，所示的实施方式和实施例应被认为是示例，而不是对所公开或要求的设备和过程的限制。尽管本文提供的许多示例涉及方法动作或系统元素的特定组合，但应当理解，可以以其他方式组合那些动作和那些元素以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的步骤和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在其他实施例中的相似作用。

如本文所用，“多个”是指两个或更多个。如本文所用，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面具体实施方式中还是在权利要求中，术语“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”等应被理解为开放式的，即，指的是包括但不限于。相对于权利要求，仅过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”是封闭式或半封闭式的过渡短语。权利要求中用到的序数词，例如“第一”、“第二”、“第三”等是用来修饰权利要求元素，这本身不表示一个权利要求元素相较于另一个权利要求元素的优先权，或顺序，或执行方法动作的先后顺序，而只是用于区分具有相同名称的一个权利要求元素与另一个具有相同名称的元素(但是有用到序数词)，从而区分权利要求元素。如本文所用，“和/或”是指所列项目是替代方案，但是替代方案也包括所列项目的任何组合。

Claims (30)

1.一种镜片制作系统，包括：

一树脂调节和储存装置，用于保持和维持树脂；

一聚合装置，与所述树脂调节和储存装置耦合，所述聚合装置根据辐照模式通过将来自光源的光传输到漫射器上并穿过漫射器进入所述聚合装置中的腔室来制作一成型镜片，该腔室包含树脂和基材，使得所述树脂中的每个点都被来自所述漫射器上至少10％位置的光照亮。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，至少15％的漫射器接收来自所述光源的光。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述漫射器的直径大于或等于所述基材的直径。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：一排出装置，其包括用于从所述成型镜片中去除剩余树脂的旋转机。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：一后固化装置，其包括选自包括加热器和光发射器中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述后固化装置还包括内室并且被配置为在所述内室中产生真空。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述树脂调节和储存装置包括用于搅拌和/或混合所述树脂的混合装置。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述树脂调节和储存装置包括控制器和排放部件，以控制包括在所述树脂调节和储存装置中的腔室内的气态气氛。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述树脂调节和储存装置包括加热器和除氧机构中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述树脂调节和储存装置包括至少一个传感器以测量物理和化学参数，包括温度、氧气浓度和/或氮气浓度。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述树脂调节和储存装置包括过滤装置以去除所述树脂中可能干扰镜片形成和/或镜片质量的颗粒。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚合装置配置有排气部件，以在所述腔室中产生真空并在所述腔室中维持所需的气态气氛。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与所述聚合装置耦合的计量仪器，所述计量仪器包括至少一个摄像机和/或热传感器以在镜片形成期间对光和/或热进行实时测量，所述聚合装置中的控制器所用的测量用于在所述聚合过程中校正或改善光输入模式。

14.一种制造眼镜片的方法，该方法包括

接收输入信息，包括镜片处方和佩戴者信息；

根据输入的信息计算制作指令，该制作指令包括辐照模式和树脂成分；

启动从光源通过漫射器进入容纳树脂和基材的容器中的光透射，根据其中树脂中的每个点被至少10％的所述漫射器照射的照射模式进行光透射；

当成型镜片符合所述制作指令时停止光传输。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，至少15％的所述漫射器接收来自所述光源的光。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述漫射器的直径大于或等于所述基材的直径。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括排空树脂的容器。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括旋转所述成型镜片以去除剩余的树脂。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括向所述成型镜片施加热和/或施加光以完成所述成型镜片的固化。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括从所述基材去除所述成型镜片。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述树脂组合物包括抑制剂、光引发剂和单体或低聚物的量、份数或浓度的说明。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述单体选自包括丙烯酸酯、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、异氰酸酯、聚硫醇、硫代丙烯酸酯、硫代甲基丙烯酸酯。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述抑制剂选自：氧和氢醌。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光引发剂选自：二苯甲酮、BAPO(双酰基膦氧化物)、苯乙酮、1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(来自CIBA的Irgacure 2959(c))、α-氨基酮、HAP(2-羟基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮)和TPO(二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦氧化物)、芳基重氮盐、三芳基锍盐、二茂铁盐、二芳基碘盐。

25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述漫射体是乳白玻璃、白玻璃或具有光漫射添加剂的丙烯酸酯。

26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基材选自以下组，组中包括

聚碳酸酯、聚氨酯基塑料或玻璃。

27.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基材包括嵌入式电子电路或嵌入式成像系统。

28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基材是偏振的或光致变色的。

29.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基材在其凸表面上结合有抗反射涂层或硬涂层处理。

30.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括旋转所述成型镜片以施加硬涂层。

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