CN1639591A - 棱镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种棱镜及其制造方法，该棱镜可由以下的方式制造，把成型后成为光接触面的表面的表面光洁度Ra值未满#170相当的值并且具有预定范围的尺寸比的玻璃母材，把持在传送构件的把持部，并传送到加热炉，藉以加热到玻璃母材的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的温度；以牵引构件由下方延伸成型、切断，藉以得到具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体，再将长形体切断成预定长度。

Description

棱镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种棱镜及其制造方法，特别是涉及一种玻璃制的棱镜及其制造方法。

背景技术

近年，由于光记录与光通信技术的发达，在光盘装置用的光读取头与光通信用的光开关等之中，为了处理光信号，具有透明性、低膨胀、量产性与适当研磨性等优点的多数种类的小型棱镜被使用。

作为棱镜，包括使由第一面入射的光在第二面上全反射后，从第三面出射者，以及使由第一面入射的光在第二面上全反射后，在第三面也全反射，再从第一面出射者等等。为了正确地发挥这种操作光信号的功能，第一面至第三面等的光信号接触的光接触面的彼此间角度，被很精确地形成，并且光接触面必须为具有高表面精度的镜面。

一般而言，玻璃制的棱镜为了满足上述的要求，设置加工容许度，准备被粗略成型的大略棱镜形状的玻璃制加工材料，将光接触面一面一面精密地切削后，再研磨做最终修整，最终修整成具有所要的高角度精度(光接触面彼此间所构成的角度的精度)与高表面精度的镜面而被制作出。

近年，由于光记录的大容量化与光通信的高速大容量化，对于此种用途的光盘装置用光读取头与光通信用的光开关的需求变得很大。因此，便宜的树脂制棱镜也被用得很多。但是对于树脂制的棱镜，从在光学特性的温度相依性、耐湿性等的可靠性的观点，会有无法使用的情况。

通过上述的传统制造方法，其目的为制造玻璃制棱镜的情形时，因为有需要把光接触面一面一面被精密地研削后，进行研磨、最终修整，将彼此的光接触面修整到所要的高角度精度、表面光洁度与平面度，所以加工的步骤多且繁复，会有良品率无法提升，成本变高的问题。

而且，当与各光接触面直交的断面面积在1000mm²以下的小型棱镜，及与各光接触面直交的断面的外接圆直径为D且平行于光接触面方向的长度为L的时候，在制作具有L≥1.5D/2^0.5的关系的细长形状的棱镜时，玻璃制加工材料的处理是困难的，不只是在研磨等的作业中破损、无法将彼此光接触面修整成所要的高角度精度、光接触面无法修整到具有均匀表面精度的镜面等的难题，在加工中与之后的清洗工程中也会有伤到好不容易花劳力修整出的光接触面的问题。而且，在研磨工程等之中，若在连接于光接触面的边角部上产生破裂，抗折强度变小。特别是，在处理细长形状的棱镜的情形，也会有经常把加工材料毁损，使产率降低，生产效率变低而不适合大量生产的问题。

为了解决上述问题，例如在特开平10-1321号中，提出把玻璃圆棒延伸而得到棒状玻璃材料，将此玻璃材料再加热，通过加压成型，做成多面体的长成型体后，取得多数个预定长度的棱镜。但是，决定光接触面的品质的成型模具的管理是困难的，有成型模具的寿命短与成本无法降低的问题。

由此可见，上述现有的棱镜及其制造方法在方法上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决棱镜及其制造方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的棱镜及其制造方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的棱镜及其制造方法，能够改进一般现有的棱镜及其制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的棱镜存在的缺陷，而提供一种新的棱镜，所要解决的技术问题是使其可应用于大容量光记录与大容量光通信用的具有高精度与高强度的玻璃制小型棱镜，从而更加适于实用。

本发明的另一目的在于，提供一种棱镜制造方法，所要解决的技术问题是使其适合于生产效率高且大量生产的棱镜，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种棱镜，其是由透明玻璃构成，具有与光接触的光接触面相连接的边角部的表面为锻烧面，并且该边角部的表面上形成应力值为0.1-10MPa的压缩应力层。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的棱镜，与其中所述的光接触面成正交的断面的面积在100mm²以下。

前述的棱镜，当与其中所述的光接触面直交的断面的外接圆直径为D，与上述的光接触面平行的方向的长度为L时，满足L≥1.5D/2^0.5的关系。

前述的棱镜，在其中所述的光接触面上形成设有光学膜。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种棱镜制造方法，其包括以下步骤：棱镜由透明玻璃构成，成型后成为光接触面的表面的表面光洁度Ra值低于相当#170的数值，并且对成型后所得的棱镜，制作出具有预定范围尺寸比的玻璃母材；把玻璃母材把持在传送构件的把持部，并把玻璃母材传送到加热炉，藉以加热到玻璃母材的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度；以牵引构件把玻璃母材的下方延伸成型，切断成预定长度，藉此得到与玻璃母材大略相似且具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体；以及将长形体切断成预定长度。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现，前述的棱镜制造方法，其还包括以下步骤：对上述长形体的光接触面进行研磨。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

为了达到上述目的，本发明的棱镜由透明玻璃构成，具备连接于光接触的光接触面的边角部的表面为锻烧面，并且该边角部的表面上形成应力值为0.1-10MPa的压缩应力层的结构。

在此，连接于光信号等的光所接触的光接触面的边角部，为连接入射光穿透的表面与反射的表面的线状角部。本发明的棱镜被加热、延伸成型，使边角部的断面成为略R字形状。其表面为被称为由通过热处理而形成的火焰研磨(fire polishing)面的锻烧面所构成。在这种锻烧面上，表面破裂等的缺陷是实质上不存在的，变成接近玻璃原本的强度的高强度。

当边角部的表面上所形成的压缩应力层的应力值不到0.1MPa时，边角部未被足够地强化，为低强度的状态。另一方面，若压缩应力层的应力值超过10MPa时，不只会对折射率等的光学特性有不良影响，在处理中有破损时，玻璃片会飞散，对周围环境有不好影响。作为边角部的表面上所形成的压缩应力层，应力值在0.1-10MPa是非常重要的。

在上述构造中，与各光接触面直交的断面的面积较好是在100mm²以下。

所谓与各光接触面直交的断面的面积在100mm²以下，对于直角棱镜的情形，意味者直角三角形、等腰直角三角形等的面积为100mm²以下的小型棱镜。

此外，在上述结构中，当与各光接触面直交的断面的外接圆直径为D，与光接触面平行的方向的长度为L时，较佳是满足L≥1.5D/2^0.5的关系。

例如在直角棱镜的情形，外接圆直径D意味着与直角三角形、等腰直角三角形外接的外接圆的直径。所谓的满足L≥1.5D/2^0.5的关系，意味着长度尺寸L为外接圆直径D的1.06倍以上的长棱镜。

此外，在上述结构中，较佳是光学膜被形成在光接触面上。

作为形成在光接触面上的光学膜，可以使用滤片膜、光分离器等的偏膜，抗反射膜，浓度滤片膜、金属镜膜以及这些组合而成的复合膜等。

此外，为了达成上述目的，本发明提供一种棱镜的制造方法，棱镜由透明玻璃构成，成型后成为光接触面的表面的表面光洁度Ra值未满相当#170的值，并且对成型后所得的棱镜，制作出具有预定范围的尺寸比的玻璃母材，把玻璃母材把持在传送构件的把持部，把玻璃母材传送到加热炉，藉以加热到玻璃母材的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度，以牵引构件把玻璃母材的下方延伸成型成型，切断成预定长度，藉此得到与玻璃母材大略相似且具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体，再将长形体切断成预定长度。

成型后成为光接触面的玻璃母材表面的表面光洁度的Ra值若变成比相当#170值还粗，无法得到光接触面的的表面光洁度的Ra值在入射光波长的1/4以下的长形体。本发明使用的玻璃母材成型后，成为光接触面的表面光洁度比相当#170的值还细是非常重要的。例如，以硼硅酸系的光学玻璃为例，#相当170值的表面光洁度的Ra值为1μm-3μm，2μm的情形较多。

另外，加热炉内的玻璃母材的最低黏度不满10⁴Pa·s，延伸成型中的玻璃母材为弯折，并且无法牵引出直的预定尺寸的长形体，可能被弯曲。另外，延伸成型得到的长形体的形状会因为表面张力而有很大的变形，无法得到与玻璃母材略为相似的长形体。另一方面，最低黏度在10⁶Pa·s以上，从延伸成型中的玻璃管的流变学(rheology)行为来看，若要提高牵引速度，需要非常大的力量来延伸，不只对应的成型设备的制作变得困难，因延伸成型中的牵引应力使玻璃母材破损的情形也很多。即，最低黏度在10⁶Pa·s以上，牵引速度不可以高于一固定值，成型速度变成非常缓慢。依据本发明，加热炉内的玻璃母材的最低黏度在10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的范围是非常重要。

再者，若是光接触面的表面光洁度的Ra值超过入射光波长的1/4的长形体，因为光会乱反射，会变成无法成为对应于大容量光记录与大容量光通信等的用途。作为本发明延伸成型所得到的长形体，具有表面光洁度的Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面是重要的。

延伸成型所得到的长形体的光接触面也可以利用研磨来完成修整。

利用将延伸成型所得到的长形体的光接触面进行研磨，彼此的光接触面只要稍微研磨，便可以完成修整成更高精度的角度精度、表面光洁度与平面度。

本发明的棱镜由透明玻璃构成，因为连接到光接触的光接触面的边角部的表面为锻烧面，并且该边角部的表面上形成应力值为0.1-10MPa的压缩应力层的结构，所以容易产生破损的边角部被物理性地强化，玻璃制棱镜难以产生破损，玻璃碎片也很难产生，故鲜少伤及光接触面，处理上也变得较容易。

此外，本发明的棱镜中，因为与各光接触面直交的断面的面积是在100mm²以下，故可以提供边角部被强化的小型棱镜。

本发明的棱镜中，当与各光接触面直交的断面的外接圆直径为D，与光接触面平行的方向的长度为L时，因为满足L≥1.5D/2^0.5的关系，故可以提供边角部被强化且难以弯折的细长棱镜。

本发明的棱镜因为在光接触面上形成光学膜，利用形成光学膜，可以使用滤片膜、光分离器等的偏膜，抗反射膜，浓度滤片膜、金属镜膜以及这些组合而成的复合膜等，故能提供可以对应大容量光记录与高速大容量光通信用途之边角部被强化的各种棱镜。

此外，本发明的棱镜制造方法中，棱镜由透明玻璃构成，成型后成为光接触面的表面的表面光洁度Ra值未满#170相当的值，并且对成型后所得的棱镜，制作出具有预定范围的尺寸比的玻璃母材，把玻璃母材把持在传送构件的把持部，把玻璃母材传送到加热炉，藉以加热到玻璃母材的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度，以牵引构件把玻璃母材的下方延伸成型，切断成预定长度，藉此得到与玻璃母材大略相似且具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体，再将长形体切断成预定长度。因此，能有效率地制作出可以对应大容量光记录与高速大容量光通信用途之边角部被强化的棱镜。

另外，本发明的棱镜制造方法因为将延伸成型所得到的长形体的光接触面进行研磨，所以只要对延伸成型所得到的、具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体的光接触面进行稍微研磨，便可以完成修整成更高精度的角度精度、表面光洁度与平面度。此外，因为只要对长形体的光接触面进行稍微研磨，研磨作业是短时间的，并且因为研磨长形体，故换算成每一个棱镜的话，可以高效率地进行研磨。

借由上述技术方案，本发明棱镜及其制造方法至少具有下列优点：依据本发明棱镜及其制造方法，因为由一条玻璃母材得到具有高精度尺寸精度的多数个棱镜，且所得到的棱镜也兼具高强度，故可以在短时间内且以低成本制作出多数个具有高可靠度的棱镜。藉此，可以高效率且便宜地制作出使用棱镜的光组件，在实用上可得优异的效果。

综上所述，本发明特殊结构的棱镜及其制造方法，其能够应用于大容量光记录与大容量光通信用的具有高精度与高强度的玻璃制小型棱镜，适合于生产效率高且大量生产的棱镜。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及制造方法中未见有类似的设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的棱镜及其制造方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举出多个较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1(A)是等腰直角三角形的直角棱镜的立体图与部分放大图。

图1(B)是形成滤片膜的直角棱镜的立体图。

图1(C)是夹着具有光分离器功能的偏光膜的相对配置的直角棱镜的立体图。

图2(A)是玻璃母材的立体图。

图2(B)是将玻璃母材延伸成型而得到长形体的工程示意图。

图2(C)是从长形体得到多数个棱镜的工程示意图。

1：棱镜                1a、1b、1c：光接触面

1d、1e、1f：边角部     2：压缩应力层

3：棱镜                4：滤片膜

5、6：棱镜             5a、6a：光接触面

7：偏光膜              11：玻璃母材

11a、11b、11c：光接触面的表面

12：传送构件           12a：把持部

14：加热炉             14a：加热器

14b：热电对            14c：温度调节器

14d：电力调节器        15：牵引构件

15a、15b：滚轮对       16：切断构件

17：长形体

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的棱镜及其制造方法其具体实施方式、结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

首先，说明本发明的棱镜。

请如图1(A)所示，是等腰直角三角形的直角棱镜的立体图与部分放大图。本发明的棱镜1由透明光学玻璃，例如BK-7所构成，且形状是等腰直角三角形，并且包括光信号的光所接触的光接触面1a、1b、1c，以及连接透光面1a、1b、1c的断面略成R形的边角部1d、1e、1f。边角部1d、1e、1f的表面为锻烧面，其表面光洁度Ra值为30nm。此外，如同图1(A)被放大部分所示，在边角部1d、1e、1f的表面上，形成设有应力值为约3MPa的压缩应力层2。通过这样的结构，边角部1d、1e、1f被物理性地强化。另外，光接触面1a、1b、1c的表面光洁度Ra值为30nm，平面度为入射光的波长λ的1/4为更好，可以使光穿透或反射而不散射。光接触面1b与光接触面1c构成的角度θ1为90°±15”，光接触面1a与光接触面1b构成的角度θ2为45°±15”，被形成非常高精度。

此外，棱镜1是一边长为0.5mm，外接圆直径D为0.7mm的小型棱镜，与光接触面1a、1b、1c平行的方向的长度尺寸L为2mm，并且具有满足L≥1.5D/2^0.5的关系的细长形状。

在进行棱镜1的三点弯曲试验评估时，弯曲强度为120MPa，与藉由研磨所制作出的同尺寸的旧有棱镜相比，为约2.5倍的值。

请参阅图1(B)所示，是形成滤片膜的直角棱镜的立体图。其它实施例的棱镜3，此棱镜3在光接触面3a上，形成设有滤片膜4，使得波长1310nm的光有95％以上会通过，1550nm的光实质上不会穿透而全反射，例如被使用在光开关等。

请参阅图1(C)所示，是夹着具有光分离器功能的偏光膜的相对配置的直角棱镜的立体图。显示其它实施例的棱镜5、6。此棱镜5、6在相对光接触面5a、6a间，形成设有偏光膜7，其具有处理P偏光与S偏光的光分离器功能，例如作为光盘装置的光读取头用光学系统中被使用。

接着，说明本发明的棱镜制造方法。

请参阅图2(A)所示，是玻璃母材的立体图。玻璃母材11例如是由最低黏度成为10⁴Pa·s的温度约850℃的硼硅酸系光学玻璃BK-7所构成，具有成型后成为光接触面的表面11a、11b、11c。

玻璃母材11的横断面做成以表面11a为底边的等腰直角三角形，表面11b与11c的边长分别为10-70mm左右，表面11b与11c构成的角度为90°±15”。在玻璃母材11成型后，成为棱镜光接触面的表面11a、11b、11c的表面光洁度为Ra值在2μm前后的#170相当值以下的#600相当值，其Ra值为0.3μm至0.52μm，例如在0.4μm左右。

请参阅图2(B)所示，是将玻璃母材延伸成型而得到长形体的工程示意图。显示把玻璃母材11延伸成型的装置。通过此延伸成型装置，具有与玻璃母材11约略相似形状的所要范围的尺寸的长形体17被成型。此延伸成型装置包括：具有将玻璃母材11把持住的把持部12a的传送构件12、把玻璃母材11加热到其最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度的加热炉14、具有滚轮对15a、15b且将玻璃母材的下方延伸成型的牵引构件15、以及把被延伸的玻璃切断的切断构件16，以此作为基本构造部。

加热炉14包括加热器14a，将玻璃母材11加热到它的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度；热电对14b，测量炉内温度；电力调节器14d，将热电对14b的电气信号输入到温度调节器14c，针对目标温度调整加热器14a的输出。通过电力调节器14d，使稳定在玻璃母材11的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度。

使用上述延伸成型装置，在从玻璃母材11制造棱镜1的情形时，来说明本发明棱镜成型方法的一个例子。

首先，如图2(B)所示，将玻璃母材11把持在传送构件12的把持部12a，以一定的速度传送入加热炉14内。此时，测量延伸成型时的玻璃母材11的传送速度，把传送速度的信号输入未显示的控制器中，操作传送构件。藉此，可以高精度且固定地控制玻璃母材11的传送速度。

接着，在加热炉14内，把玻璃母材11加热到其最低黏度为10⁵Pa·s的温度，即约800℃。把测量炉内温度的热电对14b的电气信号输入到温度调节器14c，当热电对14b所测量的炉内温度比目标的约800℃低时，通过电力调节器14d的动作，提高加热器14a的输出，使加热炉内的温度稳定成玻璃母材11的最低黏度正确地变成10⁵Pa·s。另一方面，当热电对14b所测量的炉内温度比目标的约800℃高时，通过电力调节器14d的动作，降低加热器14a的输出，使加热炉内的温度稳定成玻璃母材11的最低黏度正确地变成10⁵Pa·s。

接着，将从加热炉4内的玻璃母材11往下方延伸、大约成为预定尺寸的形状且实质为固化的玻璃部分夹在滚轮对15a、15b之间，成为摩擦力充分地作用的押压状态，相对于玻璃母材11的传送速度数百至数千倍的固定牵引速度来牵引而延伸。之后，被延伸的玻璃以切断构件16切断，藉此获得与玻璃母材11约略相似形状的长形体17。

接着，请参阅图2(C)所示，是从长形体得到多数个棱镜的工程示意图。

藉由精密切断装置把高精度的长形体17切断成例如全长L约2mm的状态，制作出棱镜1。此时，把多数条长形体17排列或立体地并排，并同时切断的话，可提高作业效率。

如以上所述，把光学玻璃构成的玻璃母材11加热，藉由以低黏性延伸成型的方式，可以高精度且稳定地把长形体17成型，可以以非常少的步骤来制作出棱镜1。

另外，在上述实施例中，虽然显示光学玻璃制的棱镜，但是也可以使用一般工业用玻璃作为棱镜的材料。另外，在需要耐热性的情形时，也可以使用透明的结晶化玻璃等。

另外，在上述实施例中，虽然显示直角棱镜，但这并不局限本发明，锐角、钝角的三角形棱镜，包含梯形、菱形的四角形棱镜，其它多角形棱镜，部分具有曲线形状的特殊形状棱镜等，各种不同的棱镜均可以适用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1、一种棱镜，其特征在于：其由透明玻璃构成，具有与光接触的光接触面相连接的边角部的表面上为锻烧面，并且该边角部的表面上形成应力值为0.1-10MPa的压缩应力层。

2、根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于与其中所述的光接触面成正交的断面的面积在100mm²以下。

3、根据权利要求1或2所述的棱镜，其特征在于当与其中所述的光接触面直交的断面的外接圆直径为D，与上述的光接触面平行的方向的长度为L时，满足L≥1.5D/2^0.5的关系。

4、根据权利要求1至3中任一权利要求所述的棱镜，其特征在于在其中所述的光接触面上形成设有光学膜。

5、一种棱镜制造方法，其特征在于其包括以下步骤：

棱镜由透明玻璃构成，成型后成为光接触面的表面的表面光洁度Ra值低于相当#170的数值，并且对成型后所得的棱镜，制作出具有预定范围尺寸比的玻璃母材；

把玻璃母材把持在传送构件的把持部，并把玻璃母材传送到加热炉，藉以加热到玻璃母材的最低黏度成为10⁴Pa·s以上且未满10⁶Pa·s的预定温度；

以牵引构件把玻璃母材的下方延伸成型，切断成预定长度，藉此得到与玻璃母材大略相似且具有期望范围的尺寸及表面光洁度Ra值为入射光波长的1/4以下的光接触面的长形体；以及

将长形体切断成预定长度。

6、根据权利要求5所述的棱镜制造方法，其特征在于其还包括以下步骤：对上述长形体的光接触面进行研磨。

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