PT99621B

PT99621B - Processo e aparelho de posicionamento e alinhamento de lentes

Info

Publication number: PT99621B
Application number: PT9962191A
Authority: PT
Inventors: Patrick H Benz; Andrew J Eckles Iv; Peter B Bumpus; Richard W Adams; Stephen R Grant
Original assignee: Benz Res & Dev
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1999-05-31
Also published as: PT99621A

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA J

ANTECEDENTES DO INVENTO

1. Campo do invento

Este invento refere-se a um processo e aparelho de posicionamento e alinhamento de uma peça de obra, tal como uma lente, de tal modo que um eixo da peça de obra fique alinhado com precisão com um acessório e uma superfície da peça de obra fique posicionada com precisão a uma distância constante de um ponto de referência do acessório. 0 invento tem particular aplicação no campo do fabrico de lentes de contacto.

2. Descrição da arte anterior

No fabrico de lentes, o grau de precisão de alinhamento de uma lente parcialmente acabada, relativamente ao seu acessório, por exemplo, um mandril, determina o limite de possível concentricidade através das operações subsequentes de maquinagem. Um grau elevado de concentricidade é vantajoso no fabrico de lentes, uma vez que uma maior concentricidade resulta num menor prisma. A precisão no posicionamento do vértice da lente relativamente a um ponto de referência ou ressalto do acessório determina a precisão da espessura da lente fabricada. Um elevado grau de consistência da espessura da lente é vantajoso para o fabrico de lentes.

Um exemplo da utilização deste invento é no fabrico de lentes de contacto. No entanto, o invento não é tão limitado, e os princípios do invento podem ser aplicados no fabrico de outros tipos de lentes, ou outros objectos diferentes das lentes. Para efeitos apenas de exemplo, será descrito o processo de fabrico de lentes de contacto.

As lentes de contacto são, normalmente, fabricadas por meio de uma operação complexa de passos múltiplos, em que a lente fabricada passa através de muitas operações de precisão. Como é

-373 375 BENZ mostrado na figura 1, no primeiro estágio de fabrico fòrmiâ-se, normalmente, uma superfície de lente polida numa peça em bruto de plástico. No segundo estágio de fabrico transfere-se esta superfície óptica de lente para um bloco onde a superfície polida é fixa com precisão a um bloco com um material adequado tal como cera ou cola, de tal modo que uma segunda superfície da lente possa ser maquinada. Este estágio é normalmente referido como o bloqueamento de uma lente. No terceiro estágio forma-se uma superfície óptica polida de um diâmetro fixo na segunda superfície da lente formando, deste modo, uma lente de contacto. 0 quarto estágio envolve a remoção da lente acabada e o polimento dos bordos da lente através de um processo conhecido.

De modo a minimizar o prisma e maximizar a concentricidade da lente fabricada, e para controlar de modo preciso a espessura da lente fabricada, é importante que se alinhe, de um modo preciso, um eixo da lente, como seja o eixo óptico, e garantir que uma porção da lente, por exemplo o vértice, fique posicionada, de modo preciso, a uma distância constante de um ponto de referência. Este posicionamento preciso pode ser, no entanto, demorado, e difícil de se obter se feito manualmente.

Apesar de terem sido feitas algumas tentativas para automatizar, algo este processo, a arte anterior tem dificuldade em obter os resultados do presente invento.

SUMÁRIO DO INVENTO

Tendo em vista o anteriormente referido, é um objectivo do presente invento ultrapassar as desvantagens da arte anterior.

Mais especificamente, é um objectivo do presente invento proporcionar um processo de fabrico automático.

É um outro objectivo do presente invento proporcionar o alinhamento e o posicionamento automáticos de uma peça de obra.

É um outro objectivo do presente invento maximizar o prisma

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-4<7 no fabrico de uma lente.

É um outro objectivo do presente invento maximizar a concentricidade no fabrico de uma lente.

É um outro objectivo do presente invento maximizar o controlo da espessura de uma lente produzida.

É ainda um objectivo proporcionar uma maior precisão no processo de fabrico do que é actualmente vulgar na arte.

presente invento oferece várias vantagens diferentes relativamente aos processos correntes utilizados para o bloqueio de lentes de contacto. Proporciona maior precisão da que é normalmente obtida pelos processos presentes. Especificamente, proporciona maior precisão da concentricidade e da posição do vértice da lente. Maior precisão da concentricidade significa menor prisma na lente produzida. Maior precisão de posicionamento do vértice significa melhor controlo da espessura da lente produzida.

Além do mais, o presente invento utiliza igualmente tecnologia e equipamento que podem ser empregues, com vantagem, num processo de fabrico totalmente automatizado. A superfície da lente pode ser alinhada, posicionada e bloqueada por controlo de computador; não são requeridas operações manuais. Isto reduz grandemente o custo de fabrico.

Mais especificamente, o processo do presente invento, quando aplicado no fabrico de lentes de contacto, envolve os passos de colocar uma superfície acabada de curva base num acessório ligada à porção X-Y de uma plataforma micrométrica X-Y-Z, obter uma imagem video de um retículo de focagem, digitalizar a imagem video, mover a plataforma micrométrica X-Y-Z, sob controlo de computador, analisar matematicamente a qualidade do foco para alinhar o eixo óptico da lente e da imagem, armazenar a correspondente posição X-Y, determinar a posição do eixo Z que produz a imagem de retículo mais nítida (o. ponto focal da lente)

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-5e armazenar a informação, num dispositivo de armazenagem, representando a posição determinada do eixo Z. Estes passos alinham, de modo preciso, um eixo da lente com o eixo óptico do dispositivo gerador de imagem video e o foco da imagem de retículo digitalizada do ponto focal da lente.

Pode ser então inserido um bloco num suporte, que está fixo a uma objectiva de microscópio (em alternativa, uma distância fixa ao lado, como mostrado pelas linhas a ponteado na Fig. 2) e um material de fixação (por exemplo cera quente) é depositado na superfície de curva base. O computador controla o eixo Z para baixo para um ponto acima da lente, e que permite ao vértice da lente ser fixo à distância desejada do ressalto de referência do bloco, tendo as distâncias críticas sido previamente armazenadas no computador. 0 suporte, neste exemplo, poderia ser uma bucha de vácuo.

Logo que a cera arrefece, o computador move o eixo z para fora, de modo que a curva base, que está agora fixa ao seu bloco, possa ser removida e o processo repetido para a lente seguinte.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A fig. 1 é uma representação esquemática de uma operação de bloqueio de uma lente.

A fig. 2 é uma representação esquemática de um aparelho capaz de realizar o presente invento.

A fig. 3 é um diagrama de fluxo representando os passos para executar uma concretização preferida do presente invento.

DESCRIÇÃO DA CONCRETIZAÇÃO PREFERIDA

Com referência à fig. 2, é mostrado um aparelho para implementar os passos do presente invento. Especificamente, é descrito um aparelho de posicionamento e alinhamento para posicionar e

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ΒΕΝΖ alinhar uma peça de obra, de modo a permitir que seja executado automaticamente um alinhamento preciso sob controlo de computador, sem necessidade de um alinhamento manual.

Na fig. 2, é mostrado um controlador 1, tal como um computador ou microprocessador que tenha capacidades de análise digital e que pode funcionar para controlar o movimento de uma plataforma micrométrica X-Y-Z. O controlador está calibrado para determinar as distâncias de X e Y correspondentes à largura de um pixel. O movimento do eixo Z é feito em unidades pequenas, arbitrárias, mas conhecidas, a partir de um ponto de referência designado por Z=0. Proporciona-se igualmente uma câmara de TV CCD 2 ou outro aparelho do tipo câmara para gerar uma imagem visual, como será explicado de seguida. Um elemento do eixo Z de uma plataforma micrométrica X-Y-Z é indicado com o elemento 3. O eixo Z inclui adicionalmente uma objectiva de microscópio (de preferência 2-20X) ou outra estrutura de lentes adequada 4, uma bucha ou outra estrutura de suporte adequada 5 para suportar um bloco 6, e uma peça de obra, tal como uma lente 7, fixa num conjunto de fixação 8. O conjunto de fixação 8 é ligado, de modo operativo, a um eixo X-Y de uma plataforma micrométrica X-Y-Z 9.

mandril pode ser montado no eixo óptico ou linha de visão (LOS) da peça de obra, pelo que a câmara 2 visiona a peça de obra através do mandril oco, ou o mandril pode ser montado no lado a uma distância predeterminada do eixo óptico. Esta última alternativa é mostrada a linha ponteada na figura 2.

De acordo com uma concretização preferida do presente invento, a câmara 2 gera uma imagem de um retículo de focagem (não mostrada) localizada no trajecto óptico entre a objectiva 4 e câmara 2. Esta imagem é digitalizada, e é realizada uma análise digital para determinar a posição da melhor focagem. De acordo com o valor da velocidade e da precisão desejadas, que irão variar de aplicação para aplicação, podem ser utilizadas várias técnicas de análise digital. Como é bem conhecido, uma imagem digital é composta por uma pluralidade de pixels, onde cada pixel tem coordenadas únicas, X e Y. Para todos os pixels

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-7colocados num plano X-Y, as coordenadas Z serão as mesmas para cada pixel. Cada pixel tem um nível de intensidade entre 0 (preto) e algum valor N (branco), que pode ser, por exemplo 256. Estes valores podem igualmente ser referidos por níveis de cinzento. Muitas vezes, pode ser predeterminado um valor de limiar para o nível de cinzento ou intensidade, de tal modo que, a qualquer pixel, tendo uma intensidade abaixo do valor predeterminado, lhe será dado um valor binário de 0 (preto), e qualquer pixel tendo um nível de intensidade acima do valor predeterminado tem um valor acordado de 1 (branco), ou vice- -versa.

Em operação, pode ser gerada pela câmara 2 e digitalizada de acordo com o acima referido, uma imagem video de um retículo de focagem localizado no trajecto óptico entre a objectiva de microscópio e a câmara video. Então, sob o controlo do computador 1, os componentes da plataforma micrométrica X-Y-Z são movidos para alinharem a imagem com o eixo óptico da câmara video e focarem a imagem de retículo digitalizada do ponto focal da lente.

Isto pode ser executado utilizando uma subrotina de centragem de um tipo conhecido habitualmente. De modo breve, a informação correspondente à configuração do retículo (por exemplo, dimensão, formato, padrão, etc..) é pré-armazenada, no computador. Quando uma imagem de retículo é gerada por reflexão a partir da lente, de volta para o dispositivo gerador de imagem, a imagem de retículo cai dentro do campo de visão do dispositivo gerador de imagem. (Se assim não for, pode ser trazido para o campo de visão sob controlo de computador). Sob controlo de computador, a plataforma X-Y é movida para localizar a imagem de retículo no centro do campo de visão baseada na informação de retículo previamente armazenada. Durante a instalação inicial, o centro do eixo óptico é feito de modo a corresponder ao centro do campo de visão do dispositivo gerador de imagem. Assim, a centragem da imagem de retículo obriga o eixo óptico da lente a alinhar com o eixo óptico do dispositivo gerador de imagem. A posição (X, Y) correspondente a esta condição é armazenada no computador.

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ΒΕΝΖ ' * -------^θ“ c ^γ

De preferência, durante a instalação inicial, o eixo óptico do suporte 5 está alinhado, de modo que o alinhamento do eixo da lente com o dispositivo qerador de imaqem alinha igualmente o mesmo com o eixo do suporte 5.

Logo que a imagem de retículo (ponto focal da lente) esteja posicionado no centro do eixo óptico, a posição do eixo Z é ajustada sob controlo de computador para focar o retículo no vértice da superfície da lente.

De acordo com uma concretização preferida, para determinar o grau de focagem, utiliza-se um algoritmo de focagem, que procura transições da luz para o escuro, quer acima quer abaixo do valor limiar predeterminado. Em alternativa, é desejável a utilização de um algoritmo de focagem que procure uma alteração da intensidade numa dada gama de pixels. Duas técnicas utilizadas normalmente para diminuírem o tempo de análise são calcular os valores médios de grupos de pixels com valor de posição consistente com a sua localização, ou analisar cada pixel de ordem n (em que n é tua número maior ou igual a 1). o melhor foco para uma transição de claro para escuro é a posição no eixo Z que dá o declive mais acentuado na diferença de nível de cinzento movendo-se numa direcção predeterminada no plano X-Y. A melhor focagem global na posição do eixo Z com o declive médio mais elevado para uma ou mais transições de claro para escuro visionadas. Utilizando um ou mais dos processos acima referidos, o computador determina a posição no eixo Z que produz a imagem de retículo mais nítida (o ponto focal da lente). A posição do eixo Z correspondente à mesma é então armazenada na memória associada ao computador 1.

De acordo com o acima referido, a centragem determina exactamente a linha de centro óptico da lente. A focagem de superfície determina a posição exacta do vértice da lente. Após estas posições estarem determinadas e a posição correspondente às respectivas posições armazenadas na memória do computador, o bloco pode ser inserido no mandril 5, que está ligado à objectiva do microscópio 4 e é depositada cera quente na superfície da

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-9curva base. 0 computador desloca então o eixo Z para baixo, para um ponto acima da lente o que permite ao vértice ser fixado à distância desejada do ponto de referência, com base na informação armazenada no computador. Logo que quaisquer operações desejadas tenham sido executadas, o comutador desloca o eixo Z, de modo que a curva base, que está agora fixa ao bloco possa ser removida e o processo repetido para a lente seguinte.

Com referência à fig. 3, é mostrado um fluxograma representando a operação do presente invento. Após a lente ter sido inserida num suporte ligado a porção X-Y da plataforma micrómétrica, é encontrada a imagem reflectida a partir da lente (301) . Isto é feito através de movimento do eixo Z para trazer a imagem reflectida de um retículo ou fonte de luz para um foco algures no campo de visão. São então feitos movimentos dos eixos dos X e Y, se necessário, para trazer a imagem reflectida para o campo de visão. De seguida, a imagem reflectida (ou porção dela) é centrada no campo de visão corrente por manipulação controlada por computador das plataformas de X-Y da plataforma micrómétrica (302) . Quando a imagem reflectida é centrada, a posição (X, Y) correspondente a esta posição é armazenada numa memória associada com um computador (303). Em seguida, a imagem centrada é focada através de manipulação controlada por computador da plataforma do eixo Z dos plataforma micrómétrica X-Y-Z (304). Uma vez determinada a posição de melhor focagem da imagem reflectida, a informação correspondente a esta posição é armazenada numa memória associada com o computador (305). Ê então feita uma determinação para se repetir a operação de centragem ou não (306). Esta determinação pode ser feita baseada num grau de qualidade e precisão desejados e considerando a velocidade com a qual se deseja executar o processo de fabrico. Se a imagem reflectida total não está no campo de visão, ou se se deseja uma precisão aumentada, podem ser desejáveis múltiplas operações de centragem e focagem. Se se desejar repetir o processo de focagem central, é gerado um sinal de controlo pelo computador, que obriga o passo (302) a ser repetido. Se não se deseja repetir a focagem central, o controlo passa para o passo (307) onde é encontrada a imagem da superfície da lente. É então executada

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S<W uma operação de focagem na superfície da lente (308). A informação correspondente à posição da melhor focagem da superfície da lente é registada numa memória associada com o computador (309). É então carregado um bloco num suporte de precisão (310), é colocada cera na superfície traseira da lente, de modo a que a lente possa ser montada no bloco (311) e, com base na informação armazenada, o movimento controlado por computador provoca um alinhamento do centro do bloco com o eixo óptico da lente (312). 0 bloco é então deslocado no eixo Z baseado na informação Z armazenada para obter o deslocamento exacto (espaçamento ou distância) em relação a um ponto de referência (313). Neste ponto, a lente está em posição adequada para executar operações adicionais de maquinagem ou outras operações desejadas (314). Depois de quaisquer operações desejadas terem sido executadas, o bloco (acessório) e lentes podem ser removidas (315). Este processo pode então ser repetido para as lentes seguintes.

A utilização do presente invento não está limitada ao fabrico de lentes. Deverá ser rapidamente evidente que o presente invento pode ser igualmente utilizado para o alinhamento preciso ou outros dispositivos incluindo dispositivos de pontaria, miras, telescópios, etc., utilizando diferentes algoritmos e técnicas de análise para analisar imagens transmitidas através de lentes reflectidas ou por espelhos e lentes convexas. O invento só está limitado pelas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Processo de posicionamento de uma lente, tendo pelo menos um eixo e um vértice, caracterizado por compreender os passos de:

alinhar automaticamente um eixo óptico da dita lente com um eixo de um dispositivo gerador de imagem; e posicionar automaticamente o vértice da dita lente a uma distância predeterminada de um ponto de referência de um acessório capaz de suportar a dita lente.
2 - Processo de posicionamento de uma lente, caracterizado por compreender os passos de:

determinar uma posição axial da dita lente;

armazenar a primeira informação correspondente à dita posição axial determinada;

determinar a posição do vértice da dita lente;

armazenar a segunda informação correspondente à posição do vértice; e utilizar as primeira e segunda informações armazenadas para posicionar automática e operativamente a dita lente em relação a um suporte, de tal modo que o eixo da dita lente fique em alinhamento óptico com o dito suporte, e o dito vértice fique localizado a uma distância predeterminada de um ponto de referência.
3 - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o passo de determinar uma posição axial da dita lente compreender os passos de:

localizar a lente num acessório fixado a uma porção de um / '

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BENZ •λ. ,j —12— suporte móvel?

gerar uma imagem video de um retículo de focagem;

digitalizar a dita imagem de video;

controlar o dito suporte móvel, para mover a dita lente dentro de um campo de visão de um dispositivo gerador de imagem? e determinar a posição do dito suporte móvel, que obriga a imagem de video a estar localizada no centro do campo de visão do dito dispositivo gerador de imagem para, desse modo, alinhar o eixo óptico da dita lente com um eixo óptico do dito dispositivo gerador de imagem.
4 - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o passo de determinar a posição do vértice da dita lente compreender os passos de:

gerar uma imagem video de um retículo de focagem;

mover o retículo de focagem através de uma pluralidade de posições dentro de um campo de visão de um dispositivo gerador de imagem;

analisar a imagem de video do dito retículo de focagem na dita pluralidade de posições; e determinar a posição correspondente ao ponto onde o retículo de focagem é focada no vértice da lente.
5 - Aparelho de posicionamento para posicionar uma lente, caracterizado por compreender:

meios de suporte capazes de suportarem a dita lente?

meios de alinhamento automático de um eixo da dita lente

-1373 375 ΒΕΝΖ com um eixo dos ditos meios de suporte; e meios de posicionamento automático do vértice da dita lente a uma distância predeterminada de um ponto de referência.
6 - Aparelho de posicionamento para posicionar uma lente, caracterizado por compreender;

primeiros meios de determinação, para determinarem uma posição axial da dita lente;

primeiros meios de armazenagem, para armazenarem a informação correspondente à dita posição axial determinada;

segundos meios de determinação, para determinarem a posição do vértice da dita lente;

segundos meios de armazenagem, para armazenarem informação correspondente à posição do vértice; e meios de controlo, que respondem à dita informação armazenada, para controlarem automaticamente a posição relativa da dita lente em relação a um suporte, de tal modo que o eixo da dita lente fique em alinhamento óptico com o dito suporte e o vértice da dita lente fique localizado a uma distância predeterminada de um ponto de referência.
7 - Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por os ditos primeiros meios de determinação compreenderem:

meios geradores de imagem, tendo um campo de visão, para gerarem uma imagem video, representando a posição do eixo da dita lente;

meios de controlo, para provocarem movimento da dita lente por dentro do campo de visão dos ditos meios geradores de imagem, para centrarem a imagem video por dentro do campo de visão dos ditos meios geradores de imagem.

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-148 - Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por os segundos meios de determinação compreenderem:

meios para gerarem uma imagem video, representando a qualidade da focagem de um meio de focagem, em relação ao vértice da dita lente;

meios de controlo para movimentarem relativamente a posição dos ditos meios de focagem em relação à dita lente;

meios para analisarem a qualidade de focagem da dita imagem video, durante o movimento relativo para uma pluralidade de posições; e meios para determinarem a posição relativa dos ditos meios de focagem e lente correspondente à melhor focagem da dita imagem video.