專利名稱：光學(xué)組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)組件，所述光學(xué)組件包括支架，在顯微光學(xué)和光通信領(lǐng)域中使用的漸變折射率棒形透鏡被固定地安裝在所述支架上。
背景技術(shù)：
漸變折射率棒形透鏡因在其介質(zhì)中存在折射率分布而具有折射光的能力，因此，棒形透鏡基本上為具有平的兩端面的圓柱形透鏡。出于這個(gè)原因，與一般的透鏡相比，棒形透鏡顯示與其它光學(xué)元件如光纖有較好的幾何匹配。這在進(jìn)行光學(xué)對(duì)準(zhǔn)方面非常有利。而且，介質(zhì)本身具有折射能力，因此通過改變透鏡長(zhǎng)度可改變焦距。這樣，棒形透鏡具有許多優(yōu)良的特性。因此，這種結(jié)構(gòu)的棒形透鏡被廣泛地用于顯微光學(xué)領(lǐng)域。再者，在光通信領(lǐng)域中，它們也廣泛地被認(rèn)為是非常重要的光學(xué)裝置。
此外，這種漸變折射率棒形透鏡的折射能力還可通過將透鏡的至少一個(gè)端面加工成球面而進(jìn)一步增加。這樣，可得到較平端面透鏡更亮且具有較大數(shù)值孔徑的透鏡(例如，參照日本專利出版號(hào)JP 2002-182073A)。
其它透鏡和前述棒形透鏡經(jīng)常被安裝到支架(框架)上，以便當(dāng)將它們與其它光學(xué)裝置相結(jié)合時(shí)易于處理和組裝它們。這被稱作安裝到支架，并且下述特性是重要的。
(1)透鏡相對(duì)支架的位置精確度(2)透鏡安裝到支架上的粘結(jié)強(qiáng)度(3)將支架和透鏡粘結(jié)在一起后的氣密性(4)粘結(jié)的耐久性例如，在日本專利出版號(hào)JP H07-281062A中公開了一種將棒形透鏡和半導(dǎo)體激光器安裝到支架以及將它們形成為整體的方法，以便將從激光器發(fā)出的光耦合到光纖。由于棒形透鏡的直徑通常為幾毫米那樣小或更小，因此，將其安裝到支架上特別重要。支架由金屬或樹脂制成。通常使用下述方法將透鏡固定地安裝到支架上；(a)使用金屬焊料進(jìn)行粘結(jié)(b)使用有機(jī)粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)(c)使用低熔點(diǎn)玻璃進(jìn)行粘結(jié)(d)壓裝配圖8示出了如何將棒形透鏡安裝到透鏡支架上的例子。數(shù)字130表示的透鏡支架由金屬制成并具有鐘形形狀。支架具有頂部，該頂部上形成有通孔。數(shù)字10表示的棒形透鏡被插入到該通孔中。在這種情況下，棒形透鏡10通過低熔點(diǎn)玻璃110被固定地安裝到金屬透鏡支架130上。
然而，將棒形透鏡的端面加工成球形表面的生產(chǎn)率較低。具體而言，當(dāng)棒形透鏡的直徑減小時(shí)，拋光透鏡的端面就會(huì)更加困難。
而且，使透鏡安裝到支架上所使用的上述四種裝置(a)-(d)具有下述問題。
為了使用金屬焊料粘結(jié)玻璃透鏡，有必要通過金屬鍍層或真空膜沉積在透鏡的外表面上形成金屬膜。而且，支架需要被鍍以金。結(jié)果，需要大量的加工步驟。這將導(dǎo)致成本增加。
利用有機(jī)粘結(jié)劑安裝透鏡的方法易于實(shí)現(xiàn)，但具有耐久性的問題。此外，若從樹脂中去除氣體，將會(huì)在透鏡的表面上產(chǎn)生沉積或?qū)Π雽?dǎo)體光學(xué)裝置有不利的影響。
通常，利用低熔點(diǎn)玻璃進(jìn)行粘結(jié)被廣泛地用作粘結(jié)發(fā)光或感光元件罩(蓋)部分的窗口材料的方法，并具有較高的耐久性。然而，還沒有熔化的低熔點(diǎn)玻璃為固體，因此有必要進(jìn)行符合支架和透鏡的粘結(jié)部分的剖面的加工操作。在圖8所示的例子中，被加工成圓環(huán)形的低熔點(diǎn)玻璃用于包圍棒形透鏡。此外，必須關(guān)注低熔點(diǎn)玻璃、支架和透鏡之間的熱膨脹系數(shù)的匹配。這樣，有許多限制。
使用壓裝配進(jìn)行安裝的優(yōu)點(diǎn)在于不需要粘結(jié)劑介質(zhì)。然而，需要透鏡和支架具有較高的尺寸精度，以便進(jìn)行壓裝配。壓裝配的另一個(gè)問題是在玻璃透鏡中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而會(huì)降低偏振性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問題而做出。本發(fā)明的目的是提供一種在不需要加工棒形透鏡的端面的條件下能夠方便和可靠地將棒形透鏡安裝到支架上的方法。
本發(fā)明的光學(xué)組件包括漸變折射率棒形透鏡，其被插入并固定在通過透鏡支架延伸的通孔中。棒形透鏡的至少一個(gè)端面被放置在通孔中。透明件與整個(gè)所述端面和通孔的內(nèi)表面的至少一部分緊裝配。透明件的一部分表面成形為球面或非球面。
由于這種結(jié)構(gòu)，在沒有加工端面的情況下，棒形透鏡的端面具有與當(dāng)端面被加工成球形表面時(shí)所得到特性類似的光學(xué)特性，此外，棒形透鏡可被容易地固定地安裝到透鏡支架上，并具有高可靠性和高氣密性。
優(yōu)選的是，透鏡支架中的通孔具有恒定內(nèi)徑的部分和與該恒定內(nèi)徑的部分連續(xù)的錐形部分。棒形透鏡被安裝到具有恒定內(nèi)徑的該部分上。透明件覆蓋棒形透鏡的所述整個(gè)端面和通孔的錐形部分的至少一部分內(nèi)表面。
通過使透鏡支架中的通孔的一部分形成錐形，透明件可被容易地模制。并且，可提高透明件和透鏡支架之間的緊密性。
而且，優(yōu)選的是，抗反射膜、用于減小透射光強(qiáng)度的過濾器或波長(zhǎng)過濾器在成形為球面或非球面的透明件的表面上形成。
與在單個(gè)透鏡上單獨(dú)形成膜相比，當(dāng)透鏡被安裝到透鏡支架上和透明件被模制后，更容易形成抗反射膜或過濾器。
在棒形透鏡被固定到支架上，并且透明件與支架保持緊裝配接觸的同時(shí)，對(duì)支架進(jìn)行模制。形成與支架通孔相連接的圓柱形部分。半導(dǎo)體光學(xué)裝置被插入和固定到圓柱形部分中。半導(dǎo)體光學(xué)裝置被氣密地密封在圓柱形部分中。確定模制透明件的表面和半導(dǎo)體光學(xué)裝置之間的距離，以便由光學(xué)裝置發(fā)出和接收的光被會(huì)聚或被準(zhǔn)直(使平行)。
由于這種結(jié)構(gòu)，可提供包括各種半導(dǎo)體光學(xué)裝置中的任何一種光學(xué)裝置和透鏡的組合的光學(xué)組件。
本發(fā)明還提供了一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件包括被插入并被固定在透鏡支架中形成的通孔中的漸變折射率棒形透鏡。該方法首先將透鏡插入支架通孔中，并使透鏡的至少一個(gè)端面放置在通孔中。接著，放置透明件使其與通孔內(nèi)的棒形透鏡的所述端面相接觸。接著，加熱透明件。利用模具對(duì)透明件施加壓力以使透明件變形。變形的透明件被壓在通孔的內(nèi)表面上，并與棒形透鏡的端面壓在一起。將透明件的表面成形為球面或非球面。
這種方法能夠在沒有加工透鏡端面的情況下，使棒形透鏡具有與當(dāng)棒形透鏡端面被加工成球形表面時(shí)所得到的特性等價(jià)的光學(xué)特性。同時(shí)，棒形透鏡可被容易地并具有高可靠性和高氣密性地安裝到透鏡支架上。
根據(jù)本發(fā)明，在透鏡的端面上可得到與當(dāng)棒形透鏡端面被加工成球形表面時(shí)所得到的特性等價(jià)的光學(xué)特性。同時(shí)，棒形透鏡可被安裝到透鏡支架上。而且，可在透鏡被安裝到支架上后進(jìn)行抗反射膜或類似物的形成，因此，透鏡可被容易地與半導(dǎo)體光學(xué)裝置結(jié)合在一起。


圖1為本發(fā)明的光學(xué)組件的示意剖視圖；圖2為在本發(fā)明光學(xué)組件中使用的透鏡支架的示意剖視圖；圖3為本發(fā)明的另一光學(xué)組件的示意剖視圖；圖4為用來制造本發(fā)明光學(xué)組件的模制單元的示意剖視圖；圖5示出了模制操作后模制單元狀態(tài)的示意剖視圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器模塊的示意剖視圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的另一半導(dǎo)體激光器模塊的示意剖視圖；和圖8示出了將漸變折射率棒形透鏡安裝到透鏡支架的一個(gè)傳統(tǒng)方法的示意剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1和圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)組件的剖視圖。
圖1所示的本發(fā)明光學(xué)組件是通過將漸變折射率棒形透鏡10插入到透鏡支架30的圓柱形通孔、保持該透鏡以及模制與透鏡10的一個(gè)端面緊裝配的透鏡20而制造的。
如圖2所示，透鏡支架30設(shè)置有具有中心部分的通孔，所述中心部分包括圓柱形部分32，其具有大體上與所插入的棒形透鏡的直徑相一致的恒定直徑。圓柱形部分的一側(cè)為錐形孔34。圓柱形部分的另一側(cè)36的直徑大于圓柱形部分的主體的直徑。
優(yōu)選透鏡支架30被設(shè)計(jì)為棒形透鏡10插入具有兩個(gè)端面的圓柱形部分32，所述圓柱形部分32具有恒定的內(nèi)徑。然而，為了實(shí)施本發(fā)明，僅需要至少一個(gè)端面位于透鏡支架30的通孔內(nèi)，并使所述至少一個(gè)端面與模制透鏡緊裝配。
模制透鏡20通過加熱和模制透明材料(本實(shí)施例為玻璃)而制成。在模制期間，透鏡20被推動(dòng)以與棒形透鏡10的整個(gè)端面和錐形孔34的部分內(nèi)表面相接觸以覆蓋它們。與透鏡支架緊裝配的部分不必總是錐形孔，但要滿足該部分為通孔的內(nèi)表面。然而，優(yōu)選存在這種錐形孔，因?yàn)檫@樣便于模制。
模制透鏡20的光線穿過的部分的表面被成形為球面或非球面。結(jié)果，與棒形透鏡10緊裝配的透明件起到透鏡的作用。
在圖3所示的實(shí)施例中，除了圓柱形部分48外，安裝棒形透鏡10和模制透鏡20的部分42的結(jié)構(gòu)與圖1相同，所述圓柱形部分48具有較大直徑，形成在支架40的模制透鏡側(cè)。該圓柱形部分48被形成用于容納半導(dǎo)體光學(xué)裝置如半導(dǎo)體激光器。
特別地，當(dāng)與半導(dǎo)體激光器結(jié)合使用時(shí)，優(yōu)選在模制透鏡20的表面上形成抗反射膜(未示出)。通常，包括一層或多層的介電薄膜通過真空膜沉積在透鏡的表面上形成。當(dāng)支架的通孔為錐形孔時(shí)，可容易地在透鏡的表面上形成均勻的膜。如果需要，可形成用于減小透射光強(qiáng)度的過濾器或波長(zhǎng)過濾器。
所使用的漸變折射率棒形透鏡由玻璃制成。模制透明件也由玻璃制成。透鏡支架由諸如鐵素體不銹鋼SF20T之類的金屬制成。這些組件的熱膨脹系數(shù)為下列值，并且這些組件被選擇以便其熱膨脹系數(shù)幾乎相等(參見表1)
表1

棒形透鏡中心的折射率和模制玻璃材料的折射率如下。在計(jì)算上，在其交界處的折射率可被設(shè)為小于0.1％。(參見表2)表2

下面描述上述光學(xué)組件的制造方法。圖4示出了用于制造本發(fā)明的光學(xué)組件的全部設(shè)備的剖面圖。在所示出的狀態(tài)下，圖3所示的光學(xué)組件被制造。
用于形成模制透鏡光學(xué)表面的上半模52和用于支撐漸變折射率棒形透鏡10的下半模54被插入具有被稱作桶形孔的通孔的圓柱形外套筒64中。上和下半模的同軸性被保持到模制光學(xué)組件顯示所希望的光學(xué)特性的程度。在這種條件下，它們可自由地沿圓柱的軸向移動(dòng)。為了確保透鏡支架40和漸變折射率棒形透鏡10相對(duì)下半模54的軸向位置和同軸性，安裝內(nèi)套筒62。內(nèi)套筒62具有帶有臺(tái)階的內(nèi)孔，以便套筒可放在下半模之上。下半模54和外套筒64兩者被安裝在基座(固定臺(tái))上，并被緊固(未示出)。
利用內(nèi)套筒內(nèi)孔的臺(tái)階，透鏡支架40被放置在由內(nèi)套筒62和下半模54包圍的空間中。漸變折射率棒形透鏡10被預(yù)先插入在透鏡支架40的通孔中。使球形玻璃材料70與形成于透鏡支架40通孔的圓柱形部分外側(cè)的錐形孔和棒形透鏡的端面其中至少之一相接觸。上半模52被插在外套筒64之上，以便漸變折射率棒形透鏡10和球形玻璃材料70被夾在上半模52和下半模54之間。其被用作模制單元。
圖5的示意圖示出了通過將球形玻璃材料加熱到軟化點(diǎn)附近并將上半模52推向下半模54而將模具的剖面?zhèn)鬟f到玻璃材料上的方式。當(dāng)玻璃材料在軟化點(diǎn)附近時(shí)，玻璃材料在被模具推壓時(shí)易于變形。上半模52的模制表面被傳遞，并形成模制透鏡20。與此同時(shí)，其壓向透鏡支架40的錐形孔的內(nèi)表面的一部分和漸變折射率棒形透鏡10的端面。棒形透鏡被固定在那里。這時(shí)，過多的玻璃沿錐形孔內(nèi)表面被推向上半模52的外面。結(jié)果，不會(huì)影響透鏡的透過光線的區(qū)域。
通過給定的模制步驟完成模制過程。當(dāng)模制單元慢慢冷卻后，取出其上固定有透鏡的透鏡支架，即光學(xué)組件。
在透鏡表面上形成具有波長(zhǎng)依賴性的過濾器或抗折射模。這樣，光學(xué)組件具有所述功能。由于過濾器上的膜在固定到支架上的透鏡上形成，較在單獨(dú)棒形透鏡上進(jìn)行操作可更容易地進(jìn)行操作。
圖6和7為使用以上述方法制造的光學(xué)組件的半導(dǎo)體模塊的剖視圖。
圖6示出了一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，使用安裝到容器上的半導(dǎo)體激光器裝置，所述容器為通常被稱作TO形的容器。半導(dǎo)體激光器裝置是通過以下過程制成，即將半導(dǎo)體激光芯片80安裝到容器的基座82上，通過引線接合將芯片上的裝置電極和容器的導(dǎo)線84連接在一起，將蓋86蓋在其上，將惰性氣體通入容器中以及密封容器。
半導(dǎo)體激光器裝置蓋86的一部分被套插在前述圖6所示光學(xué)組件的圓柱形部分48(參見圖5)上。光學(xué)組件的透鏡支架40的端部和TO形容器的外周部分83通過焊料焊接固定，制得半導(dǎo)體激光器模塊。模制透鏡20的透鏡表面通過TO形容器蓋部分86的玻璃窗88與半導(dǎo)體激光器芯片80相對(duì)。
圖7示出了實(shí)施例，其中，在安裝完半導(dǎo)體激光器芯片80后沒有蓋套放在光學(xué)組件上。透鏡支架40和其上安裝有芯片的基座82被直接焊在一起。在這種情況下，透鏡支架40內(nèi)充有惰性氣體并被密封起來。由于模制透鏡20的透鏡表面直接與半導(dǎo)體激光器芯片80相對(duì)，激光器的發(fā)光點(diǎn)和透鏡可互相靠近地放置。
圖6和圖7所示的半導(dǎo)體激光器模塊通過模制透鏡20和具有低象差的漸變折射率棒形透鏡10，具有有效地會(huì)聚從半導(dǎo)體激光器芯片80發(fā)出的散射光并將光耦合到光纖100中的功能。
透鏡支架40中的通孔通過加工制成，但具有公差。由于這種公差與棒形透鏡外徑的公差的關(guān)系，存在著粘結(jié)在一起的棒形透鏡和透鏡支架的部分的氣密性不足的危險(xiǎn)。然而，在本發(fā)明的情況中，即使棒形透鏡和透鏡支架的氣密性不足，模制透鏡的存在保持模塊內(nèi)部的氣密性。
在上述實(shí)施例中，對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了描述。當(dāng)使用其它半導(dǎo)體光學(xué)裝置時(shí)，可制造類似的模塊。發(fā)光元件的例子包括發(fā)光二極管和超級(jí)發(fā)光(superluminescent)二極管。感光元件的例子包括光敏二極管。
在上述提供的實(shí)施例的描述中，以由玻璃制造的棒形透鏡、模制透鏡和金屬透鏡支架作為例子。然而，應(yīng)該注意，本發(fā)明可應(yīng)用于其它情況。例如，棒形透鏡、模制透鏡和透鏡支架均可由樹指制成。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)組件，所述光學(xué)組件包括漸變折射率棒形透鏡；支架，其具有通孔，所述棒形透鏡被固定到所述通孔，和透明件，其與支架緊裝配，并至少覆蓋設(shè)置在通孔中的棒形透鏡的一個(gè)端面的整個(gè)表面和通孔的一部分內(nèi)表面；其中，透明件的表面的一部分被成形為球面或非球形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其特征在于，支架的通孔具有恒定內(nèi)徑并具有用于安裝棒形透鏡的保持部分，以及與保持部分連續(xù)的錐形部分，其中，透明件覆蓋棒形透鏡的整個(gè)端面和通孔的錐形部分的至少一部分內(nèi)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其特征在于，在成形為球面或非球面的透明件的表面上形成抗反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其特征在于，在成形為球面或非球面的透明件的表面上形成用于減小透射光強(qiáng)度的過濾器或波長(zhǎng)過濾器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其特征在于，(a)棒形透鏡被固定地安裝；(b)形成圓柱形部分，在該圓柱形部分中，半導(dǎo)體光學(xué)裝置被插入和固定，所述圓柱形部分與支架通孔相連，所述支架已被模制，以便透明件與支架緊裝配；(c)半導(dǎo)體光學(xué)裝置被氣密地密封在所述圓柱形部分內(nèi)，和(d)確定透明件的成形表面和半導(dǎo)體光學(xué)裝置之間的距離，使得由半導(dǎo)體光學(xué)裝置發(fā)出或接收的光被會(huì)聚或被準(zhǔn)直。
6.一種制造光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件包括支架和被插入并固定在支架中形成的通孔內(nèi)的漸變折射率棒形透鏡，所述方法包括步驟將漸變折射率棒形透鏡插入支架通孔中，以便透鏡的至少一個(gè)端面在通孔中；將透明件放置在與通孔內(nèi)的棒形透鏡的所述端面相接觸的位置處；利用模具對(duì)透明件施加壓力以使透明件變形，以便透明件被壓在通孔的內(nèi)表面上，并與棒形透鏡的端面壓在一起；和將透明件的表面成形為球面或非球面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方便和可靠地將漸變折射率棒形透鏡固定地安裝到支架上的方法，該方法不需要加工棒形透鏡的一個(gè)端面，若透鏡的直徑較小，很難實(shí)現(xiàn)所述加工。本發(fā)明還提供了一種具有漸變折射率棒形透鏡的光學(xué)組件，所述漸變折射率棒形透鏡被插入和固定在支架中形成的通孔中。棒形透鏡的一個(gè)端面一側(cè)的一部分通孔形成為錐形孔。透明件被模制以與支架緊裝配在一起，以便透鏡的整個(gè)端面和錐形孔內(nèi)表面的至少一部分被透明件覆蓋。透明件的一部分表面被成形為球形或非球形，以形成模制透鏡。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1661408SQ200510004799
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者田中裕之 申請(qǐng)人:日本板硝子株式會(huì)社