圆柱形光学装置和制造方法

专利名称：圆柱形光学装置和制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学装置和用于制造这种光学装置的方法，更具体地说，涉及一种具有小直径透镜系统的光学装置。
背景技术：
内窥镜是利用光学系统的光学装置的例子，这种光学系统的特点在于多个光学元件的组件，例如沿着光轴串行地设置的多个透镜。例如，在内窥镜中，在远端包括多个透镜元件的透镜系统构成物镜；在近端的透镜系统构成目镜；并且一组或多组透镜元件中间透镜元件形成一个或多个中继透镜系统。
利用这种系统的内窥镜通常具有工作通道和腔(lumen)。一些工作通道装满光纤，使外部光源能够照明视场，另一些使外科医生能够沿着内窥镜的纵向移动仪器，以在观察治疗区域的同时在远端完成某些功能。还有一些工作通道使医生在观察治疗区的同时能够在内窥镜的远端实施治疗、诊断或其他物质。
这种性质的内窥镜和其他光学装置通常用沿着光轴延伸的圆柱形透镜元件形成。透镜元件通常具有凹面、平面或凸面的端面，横切于光轴的成像表面。多个透镜元件可以以透镜系统的形式连接以便实现具体的光学特性，这一切在本领域都是已知的。这种透镜元件和透镜系统分别称之为对心旋转对称的透镜元件和透镜系统。
使用这些光学装置的医务人员对具有越来越小直径的光学装置表现出一种偏爱。事实上，现在利用传统的透镜制造方法制造的一些光学装置具有1至2mm的外径。但是，达到这些目标的产品用传统的透镜制造方法在制造上很困难。
传统透镜制造方法包括磨削和抛光操作，以在形成透镜元件的光学特性的入射面和出射面制造出大致球形或其他形状的成像表面。然后透镜元件绕其基本上位于光轴上的几何轴线旋转。几何轴线形成为折射表面的曲率中心的直线轨迹。然后外透镜边界可以通过例如研磨制造成基本圆形的，使得结果是具有成像球形端面和圆柱形中心线的基本正确的圆柱形的透镜元件，即对心旋转对称的透镜元件。然后单个的透镜元件可以沿着光轴或几何轴线连接以形成透镜系统。
制造更小的带有持续地显示出对心旋转对称特性的透镜系统的光学装置，随着透镜直径减小而变得更加困难。首先，透镜的最终直径通过相对于光轴定位磨削工具或削边工具来控制，这种定位包括由于制造设备中的任何公差引起的位置变化。但是，为了得到相当于非常小的直径的恒定百分比的绝对容差，需要非常高的精度和以非常精密的容差的进行工作的刀具。
其次，在这些光学系统中，透镜元件通常具有数倍于直径的轴向长度。在小直径时，支撑透镜元件使得其光轴相对于工具参照物保持单一位置就变得十分困难。而且，由于直径减小，透镜元件事实上变得更加易碎，因此特别容易损坏。这些因素导致在制造过程中增加潜在的破裂。
因此，对于用传统的透镜制造方法制造的任何透镜元件，大约1-2mm往往是实际的最小直径。最新在市场上能够买到的内窥镜的透镜系统具有1.7mm或更大的直径。具有这种容易得到的透镜元件的内窥镜太大，在许多应用场合不能使用，包括医疗应用，例如观察微血管结构；微创内窥术，例如神经病学和神经外科应用以及关节内窥术、耳鼻喉(ENT)应用、心外科应用、以及受益于体视内窥镜的使用的许多内窥镜应用。
需要一种制造透镜元件和透镜系统的方法，其能够制造最大横截面尺寸小至1mm或更小的透镜元件和透镜系统。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种制造直径小于1或2mm的透镜系统的方法。
本发明的另一个目的是提供一种具有高对中精度的透镜元件，其能够用直径小于约1mm的透镜制造。
本发明的再一个目的是提供一种用常规的对心旋转对称的透镜系统制造透镜系统的方法，该常规的对心旋转对称的透镜系统在光学装置中非常有用，其减小的外径小于1mm，其中该最终的透镜系统具有点对称性。
根据本发明的一方面，沿着几何轴线延伸的光学装置包括最终透镜元件和围绕的护套。该最终的透镜元件用具有绕光轴对心旋转对称特性的初始透镜元件形成，并具有至少一个平行于几何轴线并与几何轴线间隔开的锯削平面，该锯削平面在横切于所述几何轴线的成像表面之间延伸，该成像表面在所述最终透镜元件的每端。
根据本发明的另一方面，沿着几何轴线延伸的光学装置包括最终透镜系统和沿着该几何轴线支撑该透镜系统的围绕的护套。最终透镜系统由多个连接的具有绕光轴对心旋转对称的初始透镜元件形成，每个所述透镜元件具有一对垂直光轴和几何轴线的间隔的成像表面。最终透镜元件具有至少一个沿其纵向延伸、平行于几何轴线并与几何轴线间隔的锯削平面。
根据本发明的又一方面，透镜系统这样制造，即构造初始透镜系统，然后去掉在该透镜系统中的透镜元件的多个部分。该初始透镜系统用至少一个透镜元件构造。每个透镜元件具有光轴并且具有绕该光轴对心旋转对称并且成像表面横切于光轴的特性。通过锯削去掉透镜系统中的透镜元件的多个部分在透镜系统上形成平行于几何轴线的平面，因而所述透镜系统具有多边形截面。


附图具体地指出并清楚地主张本发明的主题。通过阅读结合附图的详细说明将更加充分地理解本发明的各个目的、优点和新颖的特征，在附图中，同样附图标记表示同样的零部件，其中图1是根据本发明构造的光学装置的透视图；图2是沿着图1中的2-2线截取的光学装置的剖面图；图3是示出图1和图2的光学装置结构的透视图；图4是流程图，示出用于获得图1所示光学装置的制造工艺的主要步骤；图5A至5I示出图4所示的制造过程中的主要步骤；图6A至6I示出在图4所示的制造过程中在不同阶段的光学装置的外观；图7A至7C用于理解图1至图6I示出的方法和结构的变化。
具体实施例方式
图1至图3示出根据本发明构造的沿着轴线21设置的诸如内窥镜的光学装置20的部分。在这个实施例中，光学装置20包括透镜系统22，其具有连接的透镜23、24和25。每个透镜23、24和25和透镜系统22具有关于轴线21的对心旋转对称性。在这个具体的实施例中，轴线21与光学装置的光轴和几何轴线重合。虽然没有示出，但是本领域的普通技术人员将会知道，每个透镜元件的每个端表面构成通常是球形表面的抛光的成像表面，其产生轴线21附近的任何物体的图像。由于制造和使用具有这种表面的透镜元件是已知的，图1至图3没有示出具体的球形表面。平的横向表面示作成像表面整个类别的代表。
护套26外接透镜系统22并形成外径do。具体参考图2，根据本发明，与透镜元件24和25一样，透镜元件23具有多边形截面。在这个具体的实施例中，是规则的多边形截面，具体说是正方形截面。也就是说，在截面中，透镜系统22中的透镜元件23和所有的其他透镜元件由四个以直角相交并且与轴线21是等距离的平表面31、32、33和34形成正方形边界。而且在图1至图3中，轴线21表示光轴和几何轴线，因为这些轴线是重合的。
由于护套26是圆形的并外接该正方形透镜23，每个面形成弦，其与护套26一起形成轴向延伸的其截面为弓形的工作通道。这种工作通道在下面的说明中称之为“弓形工作通道”。在图1至图3中，弓形工作通道面30至33分别形成每个弓形工作通道34、35、36和37的边界。这些工作通道中的至少一个，例如弓形工作通道36能够用来容纳光纤30，用于将光从光学装置的近端传输到远端以外，以照明视场。其他的弓形工作通道可以容纳仪器，或治疗或诊断物质，或者这两者，或者诸如水和含盐溶剂的其他附加剂。
正如将会明白的，本发明的一个特征是将具有多边形截面的透镜系统放置在外接的圆柱形护套中自动产生弓形工作通道。还将会明白，弓形工作通道的横向截面面积随着面的数目减少而增加。
诸如图1至图3所示的光学装置可以具有很宽的直径范围。已经用外径do为1.2mm的护套构造成根据本发明的透镜组件。具有更小直径的光学装置也是可以预期的。
制造这种透镜的方法描述在图4、图5A至5I和图6A至6I中。这种具体的方法相对于制造最终透镜系统，或者其中几何轴线和光轴重合并且其中截面与光轴垂直的系统来描述。在图4中步骤60表示选定一个或多个初始圆柱形透镜元件，该透镜元件具有重合的光轴和几何轴线的对心旋转对称的特性。如果目的是制造三件初始透镜的组件，步骤60表示选定如图5A所示的光学元件61、62和63，其截面示于图6A。直径应当至少与外接该最终透镜系统的圆一样大。这些透镜元件具有形成凸面、凹面、平面或其他成像表面的不同的端面，以便达到预先所希望的光学特性。
参考图4，如果，如在这个例子中，在图4的步骤64确定最终透镜系统是否像图5B中的透镜系统一样将包含多个透镜元件，而该最终透镜系统的几何轴线(以下称作“最终几何轴线”)与光轴67重合。在图4中的步骤65，提出形成一个或多个初始透镜组件。图5B示出通过连接形成单个初始透镜组件66，通常是通过胶接，将初始透镜元件61至63沿着光轴67连接。图6B的截面示出具有其圆形截面的初始透镜系统，并且示出在光轴中心的初始透镜元件62的截面。正如前面所指出的，透镜元件61至63和透镜组件66的特点是绕光轴67对心旋转对称。而且光轴67与通过初始透镜组件66和初始透镜元件61至63的每个的几何轴线重合。
一旦形成初始透镜组件之后，图4的步骤70表示为诸如初始透镜组件66的每个初始透镜组件提供支撑的过程。根据本发明的一方面，图5C的工具71由多个平行的支撑槽72形成。槽的宽度选定成为初始透镜系统提供稳定的支撑。图5C示出用于说明的单个初始透镜系统66。还将会明白，多个初始透镜系统可以定位在每个支撑槽中。将会明白，这些多个初始透镜系统可以沿着单个槽间隔开并具有不同的初始透镜元件。一般来说，只需要保证在单一支撑槽中的所有透镜系统应当选择成以使它们将具有同样的精加工的截面。
在一个具体的实施例中，工具71由浮法玻璃板形成并且支撑槽72用切割锯形成。切割锯在半导体工业中是经常使用的，并且构造成具有与每160mm横向移动有0.001mm或更小积累误差相一致的切割公差。
如图5C和图6C所示，热塑性胶合剂73填充支撑槽，与支撑槽72一样将诸如初始透镜组件66的每个初始透镜组件定位在工具71中。初始透镜组件66，特别是初始透镜元件62现在位于用热塑性胶合剂填充的支撑槽72中并且被刚性地固定。这个步骤为随后的加工精确地定位该初始透镜系统。
图4的步骤74表示去掉初始透镜系统一部分以形成图6D的锯削平面75的步骤，该锯削面75与所希望的最终几何轴线相等地间隔，该几何轴线在这个具体实施例中与光轴67重合。根据本发明的一方面，横切于诸如图6D的锯削面75的该面测量，到最终几何轴线的距离为(d1/2)sin45°，其中d1表示在相对角之间对角地测量的所希望的该透镜系统的精加工尺寸。将会明白，这个距离是面宽度的一半。
如图5D和图6D所示，定位成相对于工具71形成竖直切割的切割锯76从透镜组件上去掉材料，以与轴线67的某个垂直距离处形成锯削面75。市场上可买到的切割锯进行这种切割，以该面75到光轴的固定距离具有每160mm横向移动有0.001mm或更小误差的精度。
如果确定制造具有单锯削面的透镜，步骤77将进一步确定加工步骤。因此最终透镜系统将具有单个锯削表面，如图6D所示。
但是，在本发明的大多数应用中，希望最终透镜系统具有多个锯削表面，所以假定决定形成附加面77，图4的步骤77将控制转移到步骤80，该步骤表示用于适当地支撑该透镜系统以形成另一个锯削面的过程。为了在横切于最终几何轴线67的平面内制造具有正方形截面的最终透镜系统。步骤80需要工具71旋转180°并再对准。如图5E和6E所示，切割锯76被定位。锯削平行于面75并且到光轴是等距离的面81。
如果形成附加面，图4中的步骤80需要将透镜系统旋转90°，例如将它们从工具71上取下并将他们放置在具有较宽支撑槽83的另一个工具82中，如图5F和6F所示。然后将热固性材料84填充在支撑槽83中以固定该透镜系统66。现在面75和81处于水平位置，并且在图5F和6F中，面75在面81之上。很明显，透镜系统66能够颠倒使面75与工具82接触。
图4中的步骤77和80表示透镜系统被连续地锯削。在如图5G和6G所示切割中，切割锯制造横切于锯削面75和81并且到几何轴线67等距离的第三面88。然后工具82可以旋转180°并对齐，如图5H和6H所示，使切割锯制造第四面90，第四面90平行于第三面88，横切于面75和81并到几何轴线67等距离。
当这个过程完成之后，图4中的步骤91表示从工具82取下每个最终透镜系统。步骤92表示将最终透镜系统支撑在护套93中以完成光学装置的过程，如图5I和6I所示。
正如将要明白的，图4的过程和控制仅仅提供工作路径编排以描述根据本发明制造透镜元件和系统的各个主要步骤。还将会明白，连续锯削初始透镜系统的制造方法生成具有非常小直径的最终透镜系统，不需要昂贵的磨削或其他操作。这种工艺使制造商能够使用大量常规的经济的透镜元件作为非常小的透镜组件的基础。利用每个锯削操作透镜组件变成较小。但是，锯削使透镜系统在所有操作期间能够充分地支撑。这消除了由于进行制造时增加透镜组件易碎的性质引起的任何破裂。通常，步骤60、65、70、74、80、91和92的控制以及确定64和77，所有的操作以制造具有多个位于相交平面中的轴向延伸的平锯削面。这种工艺已经成功地用于制造由内径为0.6mm、外径为0.85mm的护套外接同轴对称、点对称的透镜。具有这种减小直径或更小直径的光学装置在大量应用中是非常有用的，到现在为止尚未用于内窥镜诊断和治疗。
本发明已经通过具体实施例进行描述，其中选择成用于透镜组件的每个透镜元件的特点是绕重合的光轴和几何轴线对心旋转对称，并且其中该最终透镜系统具有点对称性。图7A示意地示出这种结构，其中初始透镜系统66和最终透镜组件22的光轴67与几何轴线重合。图7B示出变化，其中透镜组件66的光轴和几何轴线67平行但是间隔开。根据图4的工艺被修改使得透镜系统的支撑将它们定位成在到与光轴67偏离的几何轴线95B的预定位置产生锯削面。在这个具体的实施例中，结果得到最终透镜系统22B的边界包括光轴67，这种方法对于生产具有偏心光瞳特性的透镜系统是非常有用的。
同样，图7C示出几何轴线95C与光轴67偏离的最终透镜系统22C。在这个实施例中，光轴67位于最终透镜系统22C的边界外面。这种方法对于生产具有无障碍小孔(“偏心光瞳”系统)的透镜系统是非常有用的，例如，共焦反射显微镜或Schwarzchild结构的显微镜或望远镜系统。
每个前述实施例的特点是几何轴线与初始透镜组件的光轴重合或平行。为了实现其他光学特性，也应当控制锯削操作以产生平行于与光轴倾斜的几何轴线的锯削面。
根据初始透镜组件和最终透镜组件描述了本发明。也可以制造每个具有不同结构的多个透镜组件。这些不同的透镜组件可以形成透镜子组件，例如用于内窥镜的物镜、目镜和中继透镜组件，每个光学装置被保持在单一护套或单个护套组件中，该单一护套或单个护套组件设置在外护套中。应当明白，可以使用或存在其他锯削或等同技术，该技术甚至比当前能得到的技术具有更好的公差，能够构造更小的透镜和许多的透镜形状和尺寸。而且每个光学装置描述为具有圆柱形护套。还应当明白，护套可以具有其他截面形状，例如多边形，并且可以形成和可以不形成一个或多个工作通道。在不脱离本发明的情况下还可以进行许多其他的修改。因此，权利要求旨在覆盖属于本发明精神实质和范围内的所用这些变化和修改。
权利要求
1.一种沿几何轴线延伸的光学装置，包括A)由以绕光轴对心旋转对称性为特征的初始透镜元件形成的最终透镜元件，所述最终透镜元件具有至少一个锯削平面，该锯削平面在成像表面之间延伸，该成像表面在所述最终透镜元件的每端横切于几何轴线，所述至少一个锯削平面平行于该几何轴线并与该几何轴线间隔开，以及B)围绕所述透镜元件的护套。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述护套具有圆柱形截面。
3.如权利要求1所述的光学装置，其中所述最终透镜元件具有至少两个位于相交平面中的锯削平面。
4.如权利要求3所述的光学装置具有四个平表面，从而所述最终透镜元件具有矩形截面。
5.如权利要求4所述的光学装置，其中每个所述锯削面具有相等的尺寸，从而所述最终透镜元件具有正方形截面。
6.如权利要求1所述的光学装置，其中所述最终透镜元件形成有平行于所述初始透镜元件的光轴的几何轴线。
7.如权利要求1所述的光学装置，其中所述最终透镜元件包括含所述光轴的所述初始透镜元件的多个部分。
8.如权利要求7所述的光学装置，其中所述光轴和几何轴线是平行的。
9.如权利要求7所述的光学装置，其中所述光轴和几何轴线是重合的。
10.一种沿几何轴线延伸的光学装置，包括A)由多个相接的具有绕光轴对心旋转对称性的初始透镜元件形成的最终透镜组件，每个所述初始透镜元件具有一对横切于该光轴和几何轴线的间隔的成像表面，所述最终透镜组件具有至少一个锯削平面，该锯削平面沿着其纵向延伸，平行于该几何轴线并与该几何轴线间隔开，和B)围绕所述透镜组件从而沿着该几何轴线支撑该透镜组件的护套。
11.如权利要求10所述的光学装置，其中所述护套具有圆柱形截面。
12.如权利要求10所述的光学装置，其中所述最终透镜元件具有至少两个位于相交平面中的锯削平面。
13.如权利要求12所述的光学装置具有四个平表面，从而所述透镜组件具有矩形截面。
14.如权利要求13所述的光学装置，其中每个所述表面具有相等的尺寸，从而所述最终透镜系统具有正方形截面。
15.如权利要求10所述的光学装置，其中所述最终透镜系统形成有平行于光轴的几何轴线。
16.如权利要求10所述的光学装置，其中所述最终透镜组件包括含所述光轴的所述透镜元件的多个部分。
17.如权利要求16所述的光学装置，其中所述光轴和几何轴线是平行的。
18.如权利要求16所述的光学装置，其中所述光轴和几何轴线是重合的。
19.一种用于制造沿几何轴线延伸的透镜系统的方法，包括A)用至少一个透镜元件构造初始透镜系统，每个透镜元件具有光轴并且其特征是绕光轴的对心旋转对称性以及横切于光轴的成像表面，以及B)通过锯削去掉该透镜系统中透镜元件的多个部分，从而在该透镜系统上形成平行于该几何轴线的锯削平面，使所述透镜系统具有多边形截面。
20.根据权利要求19所述的方法，包括将该多边形透镜系统设置在护套中的步骤。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述锯削包括相对于锯定位该透镜系统，使被去掉的该透镜元件的多个部分位于包括该几何轴线和光轴的所述透镜元件的所述多个部分的之外，从而该最终透镜组件包括光轴和几何轴线。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述定位使该最终透镜系统能够具有平行的光轴和几何轴线。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述定位使该最终透镜系统能够具有重合的光轴和几何轴线。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述去掉的部分形成四个相交的锯削面，从而形成具有矩形截面的透镜组件。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述去掉的部分形成四个相交的锯削面，从而形成具有正方形截面的透镜组件。
全文摘要
一种透镜系统(22)和制造方法。该透镜组件包括至少一个具有多个锯削平面(30－33)的透镜元件(23)，这些锯削平面平行于光轴(21)并与该光轴等距离间隔，所以该透镜元件具有多边形截面。每个透镜元件具有对心旋转对称特性，所以整个组件具有相应的特性。制造方法包括利用超过一定尺寸的常规圆柱形透镜元件和形成透镜系统的其他光学元件。被锯削的面减小整个尺寸。外接的护套沿着每个面提供弓形的腔。
文档编号G02B23/24GK1849546SQ200480026088
公开日2006年10月18日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年9月10日
发明者理查德·E·福基, 理查德·G·西尔, 罗伯特·N·罗斯 申请人:精密光学公司