CN1661408A - 光学组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方便和可靠地将渐变折射率棒形透镜固定地安装到支架上的方法，该方法不需要加工棒形透镜的一个端面，若透镜的直径较小，很难实现所述加工。本发明还提供了一种具有渐变折射率棒形透镜的光学组件，所述渐变折射率棒形透镜被插入和固定在支架中形成的通孔中。棒形透镜的一个端面一侧的一部分通孔形成为锥形孔。透明件被模制以与支架紧装配在一起，以便透镜的整个端面和锥形孔内表面的至少一部分被透明件覆盖。透明件的一部分表面被成形为球形或非球形，以形成模制透镜。

Description

光学组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学组件，所述光学组件包括支架，在显微光学和光通信领域中使用的渐变折射率棒形透镜被固定地安装在所述支架上。

背景技术

渐变折射率棒形透镜因在其介质中存在折射率分布而具有折射光的能力，因此，棒形透镜基本上为具有平的两端面的圆柱形透镜。出于这个原因，与一般的透镜相比，棒形透镜显示与其它光学元件如光纤有较好的几何匹配。这在进行光学对准方面非常有利。而且，介质本身具有折射能力，因此通过改变透镜长度可改变焦距。这样，棒形透镜具有许多优良的特性。因此，这种结构的棒形透镜被广泛地用于显微光学领域。再者，在光通信领域中，它们也广泛地被认为是非常重要的光学装置。

此外，这种渐变折射率棒形透镜的折射能力还可通过将透镜的至少一个端面加工成球面而进一步增加。这样，可得到较平端面透镜更亮且具有较大数值孔径的透镜(例如，参照日本专利出版号JP 2002-182073A)。

其它透镜和前述棒形透镜经常被安装到支架(框架)上，以便当将它们与其它光学装置相结合时易于处理和组装它们。这被称作安装到支架，并且下述特性是重要的。

(1)透镜相对支架的位置精确度

(2)透镜安装到支架上的粘结强度

(3)将支架和透镜粘结在一起后的气密性

(4)粘结的耐久性

例如，在日本专利出版号JP H07-281062A中公开了一种将棒形透镜和半导体激光器安装到支架以及将它们形成为整体的方法，以便将从激光器发出的光耦合到光纤。由于棒形透镜的直径通常为几毫米那样小或更小，因此，将其安装到支架上特别重要。支架由金属或树脂制成。通常使用下述方法将透镜固定地安装到支架上；

(a)使用金属焊料进行粘结

(b)使用有机粘结剂进行粘结

(c)使用低熔点玻璃进行粘结

(d)压装配

图8示出了如何将棒形透镜安装到透镜支架上的例子。数字130表示的透镜支架由金属制成并具有钟形形状。支架具有顶部，该顶部上形成有通孔。数字10表示的棒形透镜被插入到该通孔中。在这种情况下，棒形透镜10通过低熔点玻璃110被固定地安装到金属透镜支架130上。

然而，将棒形透镜的端面加工成球形表面的生产率较低。具体而言，当棒形透镜的直径减小时，抛光透镜的端面就会更加困难。

而且，使透镜安装到支架上所使用的上述四种装置(a)-(d)具有下述问题。

为了使用金属焊料粘结玻璃透镜，有必要通过金属镀层或真空膜沉积在透镜的外表面上形成金属膜。而且，支架需要被镀以金。结果，需要大量的加工步骤。这将导致成本增加。

利用有机粘结剂安装透镜的方法易于实现，但具有耐久性的问题。此外，若从树脂中去除气体，将会在透镜的表面上产生沉积或对半导体光学装置有不利的影响。

通常，利用低熔点玻璃进行粘结被广泛地用作粘结发光或感光元件罩(盖)部分的窗口材料的方法，并具有较高的耐久性。然而，还没有熔化的低熔点玻璃为固体，因此有必要进行符合支架和透镜的粘结部分的剖面的加工操作。在图8所示的例子中，被加工成圆环形的低熔点玻璃用于包围棒形透镜。此外，必须关注低熔点玻璃、支架和透镜之间的热膨胀系数的匹配。这样，有许多限制。

使用压装配进行安装的优点在于不需要粘结剂介质。然而，需要透镜和支架具有较高的尺寸精度，以便进行压装配。压装配的另一个问题是在玻璃透镜中产生内应力，因而会降低偏振性质。

发明内容

本发明为解决上述问题而做出。本发明的目的是提供一种在不需要加工棒形透镜的端面的条件下能够方便和可靠地将棒形透镜安装到支架上的方法。

本发明的光学组件包括渐变折射率棒形透镜，其被插入并固定在通过透镜支架延伸的通孔中。棒形透镜的至少一个端面被放置在通孔中。透明件与整个所述端面和通孔的内表面的至少一部分紧装配。透明件的一部分表面成形为球面或非球面。

由于这种结构，在没有加工端面的情况下，棒形透镜的端面具有与当端面被加工成球形表面时所得到特性类似的光学特性，此外，棒形透镜可被容易地固定地安装到透镜支架上，并具有高可靠性和高气密性。

优选的是，透镜支架中的通孔具有恒定内径的部分和与该恒定内径的部分连续的锥形部分。棒形透镜被安装到具有恒定内径的该部分上。透明件覆盖棒形透镜的所述整个端面和通孔的锥形部分的至少一部分内表面。

通过使透镜支架中的通孔的一部分形成锥形，透明件可被容易地模制。并且，可提高透明件和透镜支架之间的紧密性。

而且，优选的是，抗反射膜、用于减小透射光强度的过滤器或波长过滤器在成形为球面或非球面的透明件的表面上形成。

与在单个透镜上单独形成膜相比，当透镜被安装到透镜支架上和透明件被模制后，更容易形成抗反射膜或过滤器。

在棒形透镜被固定到支架上，并且透明件与支架保持紧装配接触的同时，对支架进行模制。形成与支架通孔相连接的圆柱形部分。半导体光学装置被插入和固定到圆柱形部分中。半导体光学装置被气密地密封在圆柱形部分中。确定模制透明件的表面和半导体光学装置之间的距离，以便由光学装置发出和接收的光被会聚或被准直(使平行)。

由于这种结构，可提供包括各种半导体光学装置中的任何一种光学装置和透镜的组合的光学组件。

本发明还提供了一种制造光学组件的方法，所述光学组件包括被插入并被固定在透镜支架中形成的通孔中的渐变折射率棒形透镜。该方法首先将透镜插入支架通孔中，并使透镜的至少一个端面放置在通孔中。接着，放置透明件使其与通孔内的棒形透镜的所述端面相接触。接着，加热透明件。利用模具对透明件施加压力以使透明件变形。变形的透明件被压在通孔的内表面上，并与棒形透镜的端面压在一起。将透明件的表面成形为球面或非球面。

这种方法能够在没有加工透镜端面的情况下，使棒形透镜具有与当棒形透镜端面被加工成球形表面时所得到的特性等价的光学特性。同时，棒形透镜可被容易地并具有高可靠性和高气密性地安装到透镜支架上。

根据本发明，在透镜的端面上可得到与当棒形透镜端面被加工成球形表面时所得到的特性等价的光学特性。同时，棒形透镜可被安装到透镜支架上。而且，可在透镜被安装到支架上后进行抗反射膜或类似物的形成，因此，透镜可被容易地与半导体光学装置结合在一起。

附图说明

图1为本发明的光学组件的示意剖视图；

图2为在本发明光学组件中使用的透镜支架的示意剖视图；

图3为本发明的另一光学组件的示意剖视图；

图4为用来制造本发明光学组件的模制单元的示意剖视图；

图5示出了模制操作后模制单元状态的示意剖视图；

图6为根据本发明一个实施例的半导体激光器模块的示意剖视图；

图7为根据本发明一个实施例的另一半导体激光器模块的示意剖视图；和

图8示出了将渐变折射率棒形透镜安装到透镜支架的一个传统方法的示意剖视图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。

图1和图3为根据本发明实施例的光学组件的剖视图。

图1所示的本发明光学组件是通过将渐变折射率棒形透镜10插入到透镜支架30的圆柱形通孔、保持该透镜以及模制与透镜10的一个端面紧装配的透镜20而制造的。

如图2所示，透镜支架30设置有具有中心部分的通孔，所述中心部分包括圆柱形部分32，其具有大体上与所插入的棒形透镜的直径相一致的恒定直径。圆柱形部分的一侧为锥形孔34。圆柱形部分的另一侧36的直径大于圆柱形部分的主体的直径。

优选透镜支架30被设计为：棒形透镜10插入具有两个端面的圆柱形部分32，所述圆柱形部分32具有恒定的内径。然而，为了实施本发明，仅需要至少一个端面位于透镜支架30的通孔内，并使所述至少一个端面与模制透镜紧装配。

模制透镜20通过加热和模制透明材料(本实施例为玻璃)而制成。在模制期间，透镜20被推动以与棒形透镜10的整个端面和锥形孔34的部分内表面相接触以覆盖它们。与透镜支架紧装配的部分不必总是锥形孔，但要满足该部分为通孔的内表面。然而，优选存在这种锥形孔，因为这样便于模制。

模制透镜20的光线穿过的部分的表面被成形为球面或非球面。结果，与棒形透镜10紧装配的透明件起到透镜的作用。

在图3所示的实施例中，除了圆柱形部分48外，安装棒形透镜10和模制透镜20的部分42的结构与图1相同，所述圆柱形部分48具有较大直径，形成在支架40的模制透镜侧。该圆柱形部分48被形成用于容纳半导体光学装置如半导体激光器。

特别地，当与半导体激光器结合使用时，优选在模制透镜20的表面上形成抗反射膜(未示出)。通常，包括一层或多层的介电薄膜通过真空膜沉积在透镜的表面上形成。当支架的通孔为锥形孔时，可容易地在透镜的表面上形成均匀的膜。如果需要，可形成用于减小透射光强度的过滤器或波长过滤器。

所使用的渐变折射率棒形透镜由玻璃制成。模制透明件也由玻璃制成。透镜支架由诸如铁素体不锈钢SF20T之类的金属制成。这些组件的热膨胀系数为下列值，并且这些组件被选择以便其热膨胀系数几乎相等(参见表1)

表1

材料	热膨胀系数
		渐变折射率棒形透镜	119×10-7/℃
模制玻璃材料	112×10-7/℃
		铁素体不锈钢	122×10-7/℃

棒形透镜中心的折射率和模制玻璃材料的折射率如下。在计算上，在其交界处的折射率可被设为小于0.1％。(参见表2)

表2

材料	折射率
		渐变折射率棒形透镜	1.634
模制玻璃材料	1.577

下面描述上述光学组件的制造方法。图4示出了用于制造本发明的光学组件的全部设备的剖面图。在所示出的状态下，图3所示的光学组件被制造。

用于形成模制透镜光学表面的上半模52和用于支撑渐变折射率棒形透镜10的下半模54被插入具有被称作桶形孔的通孔的圆柱形外套筒64中。上和下半模的同轴性被保持到模制光学组件显示所希望的光学特性的程度。在这种条件下，它们可自由地沿圆柱的轴向移动。为了确保透镜支架40和渐变折射率棒形透镜10相对下半模54的轴向位置和同轴性，安装内套筒62。内套筒62具有带有台阶的内孔，以便套筒可放在下半模之上。下半模54和外套筒64两者被安装在基座(固定台)上，并被紧固(未示出)。

利用内套筒内孔的台阶，透镜支架40被放置在由内套筒62和下半模54包围的空间中。渐变折射率棒形透镜10被预先插入在透镜支架40的通孔中。使球形玻璃材料70与形成于透镜支架40通孔的圆柱形部分外侧的锥形孔和棒形透镜的端面其中至少之一相接触。上半模52被插在外套筒64之上，以便渐变折射率棒形透镜10和球形玻璃材料70被夹在上半模52和下半模54之间。其被用作模制单元。

图5的示意图示出了通过将球形玻璃材料加热到软化点附近并将上半模52推向下半模54而将模具的剖面传递到玻璃材料上的方式。当玻璃材料在软化点附近时，玻璃材料在被模具推压时易于变形。上半模52的模制表面被传递，并形成模制透镜20。与此同时，其压向透镜支架40的锥形孔的内表面的一部分和渐变折射率棒形透镜10的端面。棒形透镜被固定在那里。这时，过多的玻璃沿锥形孔内表面被推向上半模52的外面。结果，不会影响透镜的透过光线的区域。

通过给定的模制步骤完成模制过程。当模制单元慢慢冷却后，取出其上固定有透镜的透镜支架，即光学组件。

在透镜表面上形成具有波长依赖性的过滤器或抗折射模。这样，光学组件具有所述功能。由于过滤器上的膜在固定到支架上的透镜上形成，较在单独棒形透镜上进行操作可更容易地进行操作。

图6和7为使用以上述方法制造的光学组件的半导体模块的剖视图。

图6示出了一个实施例，在该实施例中，使用安装到容器上的半导体激光器装置，所述容器为通常被称作TO形的容器。半导体激光器装置是通过以下过程制成，即：将半导体激光芯片80安装到容器的基座82上，通过引线接合将芯片上的装置电极和容器的导线84连接在一起，将盖86盖在其上，将惰性气体通入容器中以及密封容器。

半导体激光器装置盖86的一部分被套插在前述图6所示光学组件的圆柱形部分48(参见图5)上。光学组件的透镜支架40的端部和TO形容器的外周部分83通过焊料焊接固定，制得半导体激光器模块。模制透镜20的透镜表面通过TO形容器盖部分86的玻璃窗88与半导体激光器芯片80相对。

图7示出了实施例，其中，在安装完半导体激光器芯片80后没有盖套放在光学组件上。透镜支架40和其上安装有芯片的基座82被直接焊在一起。在这种情况下，透镜支架40内充有惰性气体并被密封起来。由于模制透镜20的透镜表面直接与半导体激光器芯片80相对，激光器的发光点和透镜可互相靠近地放置。

图6和图7所示的半导体激光器模块通过模制透镜20和具有低象差的渐变折射率棒形透镜10，具有有效地会聚从半导体激光器芯片80发出的散射光并将光耦合到光纤100中的功能。

透镜支架40中的通孔通过加工制成，但具有公差。由于这种公差与棒形透镜外径的公差的关系，存在着粘结在一起的棒形透镜和透镜支架的部分的气密性不足的危险。然而，在本发明的情况中，即使棒形透镜和透镜支架的气密性不足，模制透镜的存在保持模块内部的气密性。

在上述实施例中，对半导体激光器进行了描述。当使用其它半导体光学装置时，可制造类似的模块。发光元件的例子包括发光二极管和超级发光(superluminescent)二极管。感光元件的例子包括光敏二极管。

在上述提供的实施例的描述中，以由玻璃制造的棒形透镜、模制透镜和金属透镜支架作为例子。然而，应该注意，本发明可应用于其它情况。例如，棒形透镜、模制透镜和透镜支架均可由树指制成。

Claims (6)

1.一种光学组件，所述光学组件包括：

渐变折射率棒形透镜；

支架，其具有通孔，所述棒形透镜被固定到所述通孔，和

透明件，其与支架紧装配，并至少覆盖设置在通孔中的棒形透镜的一个端面的整个表面和通孔的一部分内表面；

其中，透明件的表面的一部分被成形为球面或非球形。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，支架的通孔具有恒定内径并具有用于安装棒形透镜的保持部分，以及与保持部分连续的锥形部分，其中，透明件覆盖棒形透镜的整个端面和通孔的锥形部分的至少一部分内表面。

3.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，在成形为球面或非球面的透明件的表面上形成抗反射膜。

4.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，在成形为球面或非球面的透明件的表面上形成用于减小透射光强度的过滤器或波长过滤器。

5.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，

(a)棒形透镜被固定地安装；

(b)形成圆柱形部分，在该圆柱形部分中，半导体光学装置被插入和固定，所述圆柱形部分与支架通孔相连，所述支架已被模制，以便透明件与支架紧装配；

(c)半导体光学装置被气密地密封在所述圆柱形部分内，和

(d)确定透明件的成形表面和半导体光学装置之间的距离，使得由半导体光学装置发出或接收的光被会聚或被准直。

6.一种制造光学组件的方法，所述光学组件包括支架和被插入并固定在支架中形成的通孔内的渐变折射率棒形透镜，所述方法包括步骤：

将渐变折射率棒形透镜插入支架通孔中，以便透镜的至少一个端面在通孔中；

将透明件放置在与通孔内的棒形透镜的所述端面相接触的位置处；

利用模具对透明件施加压力以使透明件变形，以便透明件被压在通孔的内表面上，并与棒形透镜的端面压在一起；和

将透明件的表面成形为球面或非球面。

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