专利名称：不受应力影响的光学装置及其制造方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学装置，尤其是包括光学元件和金属支承座的光学装置及该装置的制造方法。
背景技术：
光学系统中使用各种光学装置。滤光镜和波形板是光学装置的典型例子。光学晶体片，如光学玻璃、氧化铝、氧化钛和金钢砂是光学装置的基本成分，并通常支承在金属支承座上。低温焊料、高温焊料或低熔点的玻璃可应用于光学装置。用一片焊料或一片低熔点的玻璃可将光学晶体片焊接或熔化粘结在金属支承座上。金属支承座最好由热膨胀系数小的合金制成。通常地，金属支承座由铁-镍-钴合金和多种不锈钢制成。铁-镍-钴合金的商品名叫做“Kovar(科瓦铁镍钴合金)”，举例来说，不锈钢为SUS304、SUS316和SUS450。
尽管制造者用热膨胀系数小的合金制造金属支座，在光学晶体片和金属支承座之间仍存在热膨胀系数的差异，温度应力就施加在光学装置上。温度应力导致设计光学特性与与实际光学特性之间存在差异。光学元件在不利的情况下受损。
日本专利申请公开号No.12-106407公开了一种光学晶体片和金属支承座的组合物。现有技术中的光学装置包括基板、固定在基板周边以限定出内部空间的框架以及固定在框架上以封闭所述内部空间的盖板。一个半导体光学元件安装在基板上且对着形成在框架上的一个孔洞。金属管支承座插入孔洞并固定在框架上。光学纤维固定在金属管支承座内且金属管座保持光学纤维与半导体光学元件相对。光学元件固定在金属管支承座内的端部，并在半导体光学元件与光学纤维之间是透光的。
在现有技术的光学装置中，以下列方式选择用于光学元件上的光学晶体和用于金属支承座上的合金以使热膨胀系数的差异尽可能小。光学元件由硼-硅酸盐玻璃制成，金属管支承座由铁-镍合金制成。尽管光学元件硬焊在金属支承座上，温度应力很小从而使光学元件能在半导体光学元件与光学纤维之间准确地传导光线。
本实用新型人制造出由日本公开专利申请所公开的现有技术中光学装置的样品，并对光学元件的光学性能进行了研究。本实用新型人发现在几个样品中仍存在很大的应变。一些光学元件的样品不能显示出设计的光学特性，令一些光学元件的样品有所破裂。因此，由日本公开专利申请所公开的现有技术中的光学装置没有很好地解决问题。
实用新型内容因此本实用新型的一个重要目的是提供一种光学装置，该光学装置不受因部件之间热膨胀系数不同而引起的不可避免的温度应力的影响。
本实用新型的又一个重要目的是提供一种制造光学装置的方法。
实用新型人研究了样品并发现在装配前多个光学元件的端面上就已经出现了微小的裂缝或裂痕。裂缝或裂痕被认为是在将大块料分离成光学晶体片的过程中发生的。本实用新型人进一步注意到在受热的情况下光学晶体各向异性地膨胀。这意味着热膨胀的差异依赖于晶体的轴线方向。热膨胀的差异导致了意想不到的温度应力。本实用新型人推测将光学元件安装在金属支承座时由于意想不到的温度应力造成裂缝或裂痕的增长。本实用新型人推断出意想不到的温度应力没有施加到端面上，在该端面上不可避免地存在有裂痕。
为了达到目的，本实用新型试图在光学元件的周边之间设立缓冲区域，并在光学元件和与该光学元件具有不同热膨胀系数的支承座之间设立接合表面。
按照本实用新型的一个方面，提供了能显示光学特性的光学装置，该装置包括一个光学元件，该光学元件包括一个由光学材料构成的光学主体，并具有主表面和在主表面周边之间延伸的至少一个端面，至少一个主表面具有与其周边相隔开的接合区和位于接合区与周边之间的缓冲区，该光学装置还包括由与光学物质具有不同热膨胀系数的特定材料制成的支承座，还具有固定在光学元件接合区上并且与缓冲区相隔开的接合区。
按照本实用新型的另一方面，提供了制造光学装置的方法，该方法包括下述步骤a)准备光学元件，该光学元件具有主表面及在主表面周边之间延伸的至少一个端面，还准备支承座，该支承座具有表面和一片可熔性材料；b)确定接合区，该接合区与至少一个主表面的周边相隔开且另一个接合区在支承座的表面上；c)将该接合区对准另一个接合区；d)使用所述可熔性材料将该接合区与另一个接合区相粘结。
根据下述说明书同时结合附图可以更清楚地理解该光学装置及其制造方法的特征和优点，其中图1表示将光学装置分解成零件的示意透视图；图2表示由光学元件和支承座所组装成的光学装置的横断面视图；图3表示图2中椭圆形所围成的位于光学元件和支承座之间的接合部的横断面视图；图4表示将另一个光学装置分解成零件的示意透视图；图5表示由光学元件和支承座所组装成的光学装置的横断面视图；图6表示图5中椭圆形所围成的位于光学元件和支承座之间的接合部的横断面视图；图7表示将又一个光学装置分解成零件的示意透视图；图8表示由光学元件和支承座所组装成的光学装置的横断面视图；及图9表示图8中椭圆形所围成的位于光学元件和支承座之间的接合部的横断面视图。
具体实施方式
光学装置本实用新型的光学装置包括一个光学元件和一个支承座。光学元件由光学材料制成的光学主体构成。举例来说，光学主体用作光学透镜或光学滤光镜。在光学主体是光学透镜或光学滤光镜的情况下，光学主体由光学晶体制成以便获得规定的入射光。光学晶体可以是光学玻璃、氧化铝(Al2O3)或金红石(TiO2)。
光学元件可具有一组合体。组合体包括光学主体和金属镀层。金属镀层应牢固地结合在光学晶体上，并且应当与支承座紧密结合。换句话说，支承座应当与金属镀层牢固地结合。在金属镀层由与光学晶体和支承座均不紧密结合的物质所构成的情况下，可在光学元件上使用多层的金属镀层。在设计金属镀层的厚度和镀层的成型工艺时，要考虑到金属镀层材料的光学特性的余量。
另一方面，支承座由接近于光学材料的热膨胀系数的合金制成。合金的主要成份最好是铁-镍(Fe-Ni)合金或铁-镍-钴(Fe-Ni-Co)合金。支承座使用不锈钢。铁-镍-钴合金的实例是Kovar(商品名)，它由54％的Fe、29％的Ni和17％的Co组成。在铁-镍合金系列中，商品名为“42合金”的合金由58％的Fe和42％的Ni组成。不锈钢的实例为SUS304、SUS316和SUS450。
这类合金能抵抗腐蚀。然而，在光学装置暴露在腐蚀性的环境中时，可在合金表面镀上抗腐蚀材料如镍。支承座的整个表面最好镀有抗腐蚀材料，或仅在接合区镀有抗腐蚀材料。可将多层抗腐蚀材料的结构镀在支承座上。在这种情况下，最外层最好由抗腐蚀材料制成，同时该抗腐蚀材料还具有高的结合强度。如果支承座由不与焊料紧密结合的物质制成，接合区上可镀有一层与焊料紧密结合的物质制成的金属或合金层。
使用焊料或玻璃将光学元件与支承座相粘结。所述玻璃具有低熔点。低熔点的玻璃能与光学晶体和由铁-镍合金、铁-镍-钴合金或不锈钢制的支承座紧密结合。由于这个原因，光学元件和支承座上均不需要金属镀层或电镀层。
在利用一片焊料将光学元件粘结在支承座上的情况下，焊料应当将光学元件牢固地粘结到支承座上。最好在下列合金组中选择焊料，即金-锡合金、金-银-铜合金、锡-银-铜合金和锡-银合金。
光学元件具有特定的与光学系统相适应的外形。光学元件可以是盘状。无论是何种外形，光学元件都具有一对主表面，该主表面具有各自的边缘。主表面可以是正方形、矩形或圆形。当光学元件用作透镜或滤光镜的条件下，光线在一个主表面上入射，并从另一个主表面上射出。端面在主表面的周边之间延伸。光学晶体由大块的光学晶体切割而成，切割面至少是光学元件的一个端面。端面沿周边与主表面相连接。裂缝或裂痕不可避免地产生在切割面或端面上。
主表面具有一个与周边相隔开的接合区。光学元件通过一片焊料或一片玻璃在接合区粘结到支承座上。主表面还包括一个位于接合区和周边之间的缓冲区，从而光学元件在缓冲区与支承座相隔开。换句话说，缓冲区不与支承座相粘结。
缓冲区有效地阻止了温度应力以及裂缝的增长。尽管光学元件和支承座由热膨胀系数彼此接近的前述类型的材料所制成，仍难以很好地消除这类材料之间的热膨胀系数的差异。而且，各向异性使得调节变得复杂。因为这个原因，在光学元件上仍留有少量的温度应力。然而，温度应力对裂缝的增长影响很小。因为缓冲区吸收了温度应力，该缓冲区的表面是缓冲区域。
本实用新型人研究了缓冲区域吸收应力的能力。本实用新型人的结论是在切割面和接合区之间至少需要20微米的缓冲区域。换句话说，最好是将接合区与主平面的周边隔开至少20微米的距离。然而，如果光学元件不能预期显示出一个好的性能，制造者可以减小该最小的间隔距离。因此，缓冲区域的最小值仅用在标准光学元件上。
从前述描述中可以理解，即使有温度应力施加在光学元件中，该温度应力也可被缓冲区域吸收，而不会引起裂痕并增长为严重的裂缝。光学元件不会发生严重的变形，因此光学装置所显示的光学特性在设计范围内下降。因此，借助于光学元件和支承座之间的接合结构可提高光学装置的产品收得率。
制造方法光学装置的制造如下。首先，准备一个光学元件、一个支承座和一片焊料。光学元件可以仅有光学主体，或者有被金属镀层局部覆盖的光学主体。金属镀层使光学元件与焊料紧密结合。支承座上可镀有同样使支承座与焊料紧密结合的金属或合金层。
制造者确定了一个与光学元件主表面的周边相隔开的接合区和在支承座表面上的另一个接合区并使该接合区与另一个接合区对齐。主表面上的接合区与主表面的周边相隔开一个预定的距离，主表面的周边和接合区之间的区域用作缓冲区。在标准的光学装置中，该预定的距离的最小值规定是大约20微米。
最后，将一片焊料插入主表面上的一个接合区和另一个接合区之间，焊料熔化以使光学元件与支承座相粘结。缓冲区与支承座相隔开，并凭借缓冲区来吸收温度应力。
当加热使一片焊料或玻璃熔化时，从接合区流出的一部分焊料/玻璃可流进缓冲区。尽管一部分焊料/玻璃能到达端面或切割面，裂痕也决不会发展成裂缝，这是因为温度应力只施加在接合区。
第一实施例参照附图1至3，本实用新型所包含的光学装置包括光学滤光镜11、金属支承座12和焊料层13。光学滤光镜11和金属支承座12和焊料层13各自与光学元件和支承座对应。光学滤光镜11通过焊料层13粘结在金属支承座12上，在光学元件11和金属支承座12之间出现一条缝隙，这在下文中将作详细的描述。
光学元件11包括一个光学主体11a和一个金属镀层11b。光学主体11a由诸如氧化铝或金红石的光学晶体制成，并具有板状的外形。板状的光学主体11a有一对主表面11c，且主表面11c是矩形的。端面11d在主表面11c的周边之间延伸。光线在一个主表面11c上入射并从另一个主表面上射出。至少一个端面11d′是切割面。当板状的光学主体11a从大块料上切割下来时，切割工具滑过端面11d′。由于这个原因，在端面11d′能发现裂痕。
金属镀层11b具有多层结构。钛层、镍层和金层组合形成金属镀层11b。在这种情况下，钛层、镍层和金层分别为0.01微米厚、0.2微米厚和0.5微米厚。钛层牢固的粘结在光学晶体上，且金层与焊料层13紧密结合。金属镀层11b占去了主表面11c的沿端面11d′和主表面11c之间边线延伸的面积。因此在该区域，金属镀层11b的宽度为T1微米，该宽度与在端面11d′和主表面11c之间的边线等长。接合区X2和缓冲区X1限定在金属镀层11b的裸露面上。缓冲区X1的宽度为t1，该宽度与边线等长。金属镀层11b表面的其余区域用作接合区X2。这样，接合区X2与周边一部分的边线相隔开一距离t1。距离t1等于或大于20微米。
金属支承座12由合金制成，该金属支承座的热膨胀系数与光学晶体的相接近。金属支承座12上镀有5.0微米厚的镀镍层和1.0微米厚的镀金层。位于金属支承座12侧面的接合区12a与接合区X2同样窄且同样长。
光学元件11通过焊料层13粘结在金属支承座12上。在这种情况下，焊料可从金-锡合金系中选择，所以焊料与金属镀层11b和金属支承座12均能紧密结合。接合区X2和接合区12a通过焊料层13彼此粘结，且光学元件11和金属支承座12装配在光学装置上。缓冲区X1不与金属支承座12相粘结。尽管有温度应力施加在光学装置上，缓冲区X1能吸收该温度应力，裂痕不会发展成裂缝。光学主体11a变形不大，因此光学装置显示出设计的光学特性。这导致了产品收得率的提高。
在下文的说明书中描述了实施第一实施例的光学装置的制造方法。首先，准备一个光学元件11、一个金属支承座12和一片焊料13。在这种情况下，将焊料薄片用作焊料片13，该焊料片的宽度等于(T1-t1)微米。光学元件11和金属支承座12分别按下文制成。
金属掩模(未示出)置于主表面11c上。另外，利用光刻平板印刷术将光敏抗蚀剂掩模(未示出)形成在主表面11c上。除与接合/缓冲区相应的区域X1/X2外，主表面11c均覆盖有掩模。未覆盖掩模的区域的宽度是T1微米。将部分区域覆盖有光掩模的光学主体11a置于溅射系统室中。通过溅射现象，0.01微米厚的钛沉积在整个表面上。在完成镀钛层之后，0.2微米厚的镍沉积在钛层上，最后，0.5微米厚的金沉积在镍层上。可用蒸发工艺使金沉积。除去掩模。接下来，镀钛层、镀镍层和镀金层就留在与接合/缓冲区相应的接合/缓冲区域X1/X2上。尽管接合/缓冲区域X1/X2镀的是金属钛、镍和金，但只要是金属/合金能提高光学元件11的粘结性能而不会对光学特性有不利的影响，则任何一种或多种金属/合金均可应用于光学元件11上。金属镀层的厚度及沉积工艺的改变取决于光学主体11a。
另一方面，首先，使一片合金形成金属支承座12的形状，再将其浸入电镀槽中。金属支承座12电镀有5.0微米厚的镍层。随后，在镍层上电镀有1.0微米厚的金层。最外层，也就是镀金层，与金-锡合金组的焊料紧密结合。尽管金属支承座12上电镀的是镍和金，但只要是金属/合金能提高粘结强度和/或抗腐蚀性能，则任何一种或多种金属/合金均可应用于金属支承座12上。
随后，将光学元件11和金属支承座12置于夹具(未示出)上，当光学元件11和金属支承座12适当地安置在夹具内时，接合区X2对准接合区12a。焊料薄片13置于接合区X2或12a上，焊料薄片13的侧边与端面11d′和主表面11c之间的边线间隔开t1微米。光学元件11移到金属支承座12上，所以焊料薄片13夹在光学元件11和金属支承座12之间。接合区X2通过焊料薄片13与接合区12a相对。
夹具置于输送机上，与光学元件/金属支承座/焊料薄片一起穿过在回流熔炉中形成的含氢40％的氮气。夹具和光学元件/金属支承座/焊料薄片11/12/13在回流熔炉中加热到300摄氏度。输送机每分钟移动100毫米，夹具/光学元件/金属支承座/焊料薄片在高温的氮气中保持10分钟。当夹具在高温的氮气中传送时，焊料薄片回流。夹具/光学元件/金属支承座/焊料冷却后，焊料重新固化。因此，接合区X2通过焊料层与接合区12a相粘结，且光学元件11与金属支承座12装配成光学装置。
缓冲区X1与金属支承座12相隔开。即使由于光学元件11和金属支承座12之间的热膨胀系数存在差异使得有温度应力施加在光学元件11上，但因缓冲区X1能吸收该温度应力，所以温度应力对裂痕发展成裂缝的影响很小。按照这个观点，最好将焊料薄片规定在适当的用量。如果焊料太多，焊料就会扩散覆盖在缓冲区X1上。尽管如此，溢出的焊料不会有助于光学元件11和金属支承座12之间的粘结。换句话说，溢出的焊料不会在光学主体11上施加任何应力。因此，缓冲区X1能吸收温度应力。
可以理解的是，光学装置当然会按照所述方法进行生产。缓冲区X1当然会在金属镀层11b的一部分之下。缓冲区X1能有效地阻止温度应力，且本实用新型所包含的制造方法有助于产品收得率的提高。
第二实施例再参照附图4、5和6，本实用新型所包含的另一个光学装置主要包括一个光学元件21、一个金属支承座22和一片焊料23。金属支承座22和焊料片23，也就是焊料薄片与第一实施例中的所述部件12和13相同。因此，为了简明，没有在下文作进一步的描述。
光学元件21包括一个光学主体21a和一个金属镀层21b。光学主体21a与光学主体11a相同，且也用作光学滤光镜。然而，金属镀层21b比金属镀层11b要窄。缓冲区Y1上没有覆盖金属镀层21b，且该缓冲区Y1暴露在光学主体21a和金属支承座22之间的缝隙。缓冲区Y1宽t2微米，金属镀层21b宽(T2-t2)微米。距离t2等于或大于20微米。
缓冲区Y1有效地抵抗温度应力，第二实施例中的光学装置与第一实施例中的光学装置具有同样高的产品收得率。
第二实施例中的光学装置的制造方法如下。首先，准备一个光学元件21、一个金属支承座22和一片焊料薄片23。在这种情况下，焊料薄片的宽度等于(T2-t2)微米。光学元件21和金属支承座22分别按下文制造。
金属掩模(未示出)置于主表面11c上。另外，利用光刻平板印刷术将光敏抗蚀剂掩模(未示出)形成在主表面上。除与接合区相应的区域Y2外，光学主体21a的主表面21c覆盖有掩模。将部分区域覆盖有光掩模的光学主体21a置于溅射系统室中。通过溅射现象，0.01微米厚的钛沉积在整个表面上。在完成镀钛层之后，0.2微米厚的镍沉积在钛层上，最后，0.5微米厚的金沉积在镍层上。除去掩模。接下来，镀钛层、镀镍层和镀金层就留在与接合区相应的区域Y2上。尽管接合区Y2镀的是金属钛、镍和金，但只要是金属/合金就能提高光学元件21的粘结性能而不会对光学特性有不利的影响，则任何一种或多种金属/合金均可应用于光学元件21上。金属镀层的厚度及沉积工艺的改变取决于光学主体21a。
另一方面，首先，使一片合金形成金属支承座22的形状，再将其浸入电镀槽中。金属支承座22电镀有5.0微米厚的镍层。随后，在镍层上电镀有1.0微米厚的金层。最外层，也就是镀金层，与金-锡合金组的焊料紧密结合。尽管金属支承座22上电镀的是镍和金，但只要是金属/合金能提高粘结强度和/或抗腐蚀性能，则一种或多种金属/合金均可应用于金属支承座22上。
随后，将光学元件21和金属支承座22置于夹具(未示出)上，当光学元件21和金属支承座22适当地安置在夹具内时，接合区Y2对准接合区22a。焊料薄片23置于接合区Y2或22a上，焊料薄片23的侧边与端面21d′和主表面21c之间的边线间隔开t2微米。光学元件21移到金属支承座22上，所以焊料薄片23夹在光学元件21和金属支承座22之间。接合区Y2通过焊料薄片23与接合区22a相对。
夹具置于输送机上，与光学元件/金属支承座/焊料薄片一起穿过在回流熔炉中形成的含氢40％的氮气。夹具和光学元件/金属支承座/焊料薄片21/22/23在回流熔炉中加热到300摄氏度。输送机每分钟移动100毫米，夹具/光学元件/金属支承座/焊料薄片在高温的氮气中保持10分钟。当夹具在高温的氮气中传送时，焊料薄片回流。夹具/光学元件/金属支承座/焊料冷却后，焊料重新固化。因此，接合区Y2通过焊料层与接合区22a相粘结，且光学元件21与金属支承座22装配成光学装置。
缓冲区Y1与金属支承座22相隔开。即使由于光学元件21和金属支承座22之间的热膨胀系数存在差异使得有温度应力施加在光学元件21上，但因缓冲区Y1能吸收该温度应力，所以温度应力对裂痕发展成裂缝的影响很小。按照这个观点，最好将焊料薄片规定在适当的用量。如果焊料太多，焊料就会扩散覆盖在缓冲区Y1上。尽管如此，溢出的焊料不会有助于光学元件21和金属支承座22之间的粘结。换句话说，溢出的焊料不会在光学主体21上施加任何应力。因此，缓冲区Y1能吸收温度应力。
可以理解的是，如图4至6所示的光学装置当然会按照所述方法进行生产。缓冲区Y1在光学元件11的主表面11c上。缓冲区Y1能有效地阻止温度应力，且本实用新型所包含的制造方法有助于产品收得率的提高。
第三实施例再参照附图7、8和9，本实用新型所包含的另一个光学装置主要包括一个光学元件31、一个金属支承座32和一片低熔点玻璃33。该光学元件31仅具有一个光学主体31a，而在光学主体31a的主表面31c上没有金属镀层。光学元件31的其他特征与在光学元件11中的相同。除在金属支承座32上没有镀金属/合金之外，金属支承座32与金属支承座12/12相似。然而，为防止光学装置暴露在腐蚀环境中，金属支承座32可镀有镍镀层。金属支承座32的其他特征与在金属支承座12/22中的相同。
缓冲区Z1和缓冲区Z2在光学主体31的主表面31c上。缓冲区Z1宽t3微米，接合区Z2宽(T3-t3)微米。距离t1等于或大于20微米。缓冲区Z1有效地抵抗温度应力，实施第三实施例的光学装置与第一和第二实施例中的光学装置具有同样高的产品收得率。
低熔点玻璃33置于氧化铅中，也就是PbO系列，其熔点为450摄氏度。由于玻璃与光学晶体及合金均能牢固粘结，因而在光学元件31和金属支承座32上既不需要金属镀层也不需要电镀层。
实施第三实施例的光学装置的制造方法如下。首先，准备一个光学元件31、一个金属支承座32和一玻璃薄片33。在这种情况下，焊料薄片23的宽度等于(T3-t3)微米。
随后，将光学元件31和金属支承座32置于夹具(未示出)上。当光学元件31和金属支承座32适当地安置在夹具内时，接合区Z2对准金属支承座32上的接合区32a。玻璃薄片33置于接合区Z2或32a上，玻璃薄片33的侧边与端面31d′和主表面31c之间的边线间隔开t3微米。光学元件31移到金属支承座32上，所以玻璃薄片33夹在光学元件31和金属支承座32之间。接合区Z2通过玻璃薄片33与接合区32a相对。
夹具置于输送机上，与光学元件/金属支承座/玻璃薄片一起穿过在回流熔炉中形成的纯氮气。夹具和光学元件/金属支承座/玻璃薄片31/32/33在回流熔炉中加热到480摄氏度。输送机每分钟移动100毫米，夹具/光学元件/金属支承座/玻璃薄片在高温的纯氮气中保持10分钟。当夹具在高温的纯氮气中传送时，玻璃薄片回流。夹具/光学元件/金属支承座/玻璃冷却后，玻璃重新固化。因此，接合区Z2通过玻璃层与接合区32a相粘结，且光学元件31与金属支承座32装配成光学装置。
缓冲区Z1与金属支承座32相隔开。即使由于光学元件31和金属支承32之间的热膨胀系数存在差异使得有温度应力施加在光学元件31上，但因缓冲区Z1能吸收该温度应力，所以温度应力对裂痕发展成裂缝的影响很小。按照这个观点，最好将玻璃薄片规定在适当的用量。如果玻璃太多，玻璃就会扩散覆盖在缓冲区Z1上。尽管如此，溢出的玻璃不会有助于光学元件31和金属支承座32之间的粘结。换句话说，溢出的玻璃不会在光学元件31上施加任何应力。因此，缓冲区Z1能吸收温度应力。
可以理解的是，如图7至9所示的光学装置当然会按照所述方法进行生产。缓冲区Z1在光学元件31的主表面31c上。缓冲区Z1有效地阻止温度应力，且本实用新型所包含的制造方法有助于产品收得率的提高。
实验本实用新型人根据实施第一实施例的方法制造了五组样品。该五组样品的缓冲区X1的宽度t1不同。第一组a1包括一百件样品，且t1为10微米。第二组a2包括一百件样品，且t1为20微米。第三组a3包括一百件样品，且t1为30微米。第四组a4包括一百件样品，且t1为50微米。第五组a5包括一百件样品，且t1为0微米，也就是说焊料到达端面11d′和主表面11c之间的边线。
本实用新型人还根据实施第二实施例的方法制造了五组样品，该五组样品的缓冲区Y1的宽度t2不同。第一组b1包括一百件样品，且t2为10微米。第二组b2包括一百件样品，且t2为20微米。第三组b3包括一百件样品，且t2为30微米。第四组b4包括一百件样品，且t2为50微米。第五组b5包括一百件样品，且t2为0微米，也就是说焊料到达端面21d′和主表面21c之间的边线。
本实用新型人还根据实施第三实施例的方法制造了五组样品，该五组样品的缓冲区Z1的宽度t3不同。第一组c1包括一百件样品，且t3为10微米。第二组c2包括一百件样品，且t3为20微米。第三组c3包括一百件样品，且t3为30微米。第四组c4包括一百件样品，且t3为50微米。第五组c5包括一百件样品，且t3为0微米，也就是说焊料到达端面31d′和主表面31c之间的边线。
因而，实用新型人准备了十五组样品即a1、a2、a3、a4、a5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4和c5。应用a1至c5这几组样品，实用新型人将温度应力施加到样品上。详细地说，实用新型人将样品a1至c5冷却到-40摄氏度，并将样品在低温环境中保持30分钟。随后，实用新型人将样品a1至c5加热到+85摄氏度，并将样品在高温环境中保持30分钟。实用新型人在-40摄氏度和+85摄氏度之间重复对样品循环加热的过程，并观察样品a1至c5是否出现裂缝。实用新型人数了有裂缝的样品，并计算出有裂缝的样品的比率，如下表所示。
表
在样品组a5、b5和c5中有裂缝的样品的比率较高，也就是92％、95％和98％。在样品组a1、b1和c1中有裂缝的样品的比率也较高，也就是50％、62％和71％。然而，在样品组a2至a4、b2至b4和c2至c4中有裂缝的样品的比率为零或极少。在样品组a5、b5和c5中，金属支承座12/22/32的接合区X2/Y2/Z2到达光学元件11/21/31的端面11d′/21d′/31d′和主表面11c/21c/31c之间的边线。这意味着这些样品没有任何缓冲区，且在重复的循环加热过程中温度应力直接施加到端面11d′/21d′/31d′上。这导致了样品出现裂缝。另一方面，样品组a1至a4、b1至b4和c1至c4中的光学元件11/21/31具有距离边线缩进的接合区X2/Y2/Z2，且缓冲区X1/Y1/Z1在边线和接合区X2/Y2/Z2之间延伸。有裂缝的样品减少45％、33％和17％(将样品组a1、b1、c1与样品组a5、b5、c5相比)-100％(将样品组a3/a4、b3/b4、c3/c4与样品组a5、b5、c5相比)。无疑缓冲区能有效地阻止温度应力。缓冲区X1/Y1/Z1吸收温度应力，且不容许温度应力严重地施加到端面11d′、21d′、和31d′上。
尽管如此，组a1、b1和c1中的样品的裂缝远比组a2-a4、b2-b4和c2-c4中的样品的裂缝要多。当彻底地检查样品组a1-a4、b1-b4和c1-c4时，有裂缝的样品随缓冲区X1/Y1/Z1的加宽而一起减少。样品组a1、b1和c1的缓冲区X1/Y1/Z1还不够宽，因而温度应力能影响到端面11d′/21d′/31d′上的裂痕。样品组a1/b1/c1和样品组a2/b2/c2之间有裂缝的样品极大地减少了。本实用新型人的结论是缓冲区的范围为20微米。因此，当前文所述类型的光学装置具有等于或大于20微米宽的缓冲区时，光学装置基本上不受由光学元件和金属支承座之间热膨胀系数不同而引起的温度应力的影响。然而，如果光学装置具有与第一至第三实施例不同的结构，则缓冲区窄于20微米也能使光学装置免受损失。
从前述的描述中可以了解，缓冲区能有效地阻止温度应力，且按照本实用新型的光学装置可提高产品收得率。按照本实用新型的方法可制得光学装置的结构。
尽管对本实用新型的特定实施例作了展示和描述，显而易见，在不脱离本实用新型的构思和范围的前提下，本领域普通技术人员可作出各种变化。
例如，光学元件可以是光纤连接器、光隔离器、光学循环器或光耦合器。光学元件可以由无定形光学材料制得，例如用无定形玻璃。
接合区可与光学元件的上边线相隔开。在这种情况下，在上边线和接合区之间是缓冲区。接合区粘结在金属支承座的底端部以便从金属支承座的底端凸出。同样，光学元件可以从金属支承座的右侧或左侧伸出。在这种情况下，缓冲区限定在光学元件的左边线或右边线。
光学元件可具有圆盘形状的光学主体。在这种情况下，缓冲区从圆形周边的一部分向内延伸一定的距离，且接合区与缓冲区相邻接。
光学元件可具有凹面或凸面的平行六面体的主体、板状主体或圆盘形状的主体。另一个光学元件可具有圆柱形主体、平截头体的主体、棱柱形主体、棱锥形主体或球形主体。
权利要求1.一种显示光学特性的光学装置，包括光学元件(11；21；31)，该光学元件包括由光学材料构成的光学主体(11a/21a/31a)，该光学主体具有主表面(11c；21c；31c)和在所述主表面(11c；21c；31c)周边之间延伸的至少一个端面(11d′；21d′；31d′)，至少一个所述主表面具有接合区(X2；Y2；Z2)，该光学装置还包括由与所述光学物质具有不同热膨胀系数的特定材料制成的支承座(12；22；32)，还具有固定在光学元件(11；21；31)的所述接合区(X2；Y2；Z2)上的接合区(12a；22a；32a)，其特征在于，所述接合区(X2；Y2；Z2)与所述至少一个所述主表面(11c；21c；31c)的周边相隔开，因而缓冲区(X1；Y1；Z1)就限定在所述接合区和所述周边之间，还在于，所述缓冲区与所述支承座(12；22；32)上的所述接合区(12a；22a；32a)相隔开。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述缓冲区(X1；Y1；Z1)的宽度(t1，t2，t3)等于或大于20微米。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件(11；21；31)还包括形成在所述至少一个所述主表面(11c；21c；)上的金属镀层(11b；21b)，于是所述接合区(X2；Y2)就限定在所述金属镀层(11b；21b)的外表面上。
4.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述缓冲区(X1)还限定在所述金属镀层(11b)的外表面上。
5.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述金属镀层(11b；21b)为多层结构，其中所述多层结构中的钛最底层和金最上层分别提高了所述光学主体(11a)的粘结强度和粘结在所述支承座(12；22)上的熔化粘结层(13；23)的粘结强度。
6.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述外表面上的所述接合区(Y2)与所述周边相隔开的距离等于或大于20微米。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述支承座(12；22；32)由热膨胀系数与光学材料接近的合金制成。
8.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述合金在由铁-镍合金系、铁-镍-钴合金系和不锈钢所组成的合金组中选择。
9.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，塑型为所述支承座的所述合金上覆盖有一层镍/金保护层。
10.如权利要求9所述的光学装置，其特征在于，所述镍保护层可抵抗腐蚀性环境。
11.如权利要求9所述的光学装置，其特征在于，所述镍/金保护层可提高粘结在所述光学元件(11；21)上的熔化粘结层(13；23)的粘结强度。
12.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，所述保护层为多层结构，其中所述多层结构中的钛最底层和金最上层提高了塑型为所述支承座(12；22)的所述合金的粘结强度和粘结在所述光学元件(11；21)上的熔化粘结层(13；23)的粘结强度。
13.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件(11；21)具有成型在一个所述主表面(11c；21c)上的金属镀层(11b；21b)，从而提供了至少所述的接合区(X2；Y2)，因而所述金最上层就通过所述熔化粘结层(13；23)粘结到所述金属镀层(11b；21b)上。
14.如权利要求13所述的光学装置，其特征在于，限定在所述金属镀层(11b；21b)上的所述接合区(X2；Y2)与所述周边相隔开的距离等于或大于20微米。
15.如权利要求14所述的光学装置，其特征在于，所述金属镀层(11b；21b)、所述熔化粘结层(13；33)和所述最上层的表面部分分别由金、金-锡焊料和金制成。
16.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，光线从所述主表面(11c；21c；31c)上入射及射出。
17.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件(11；21；31)用作光学滤光镜。
18.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于，所述主表面(11c；21c；31c)是矩形的，且所述接合区(X2；Y2；Z2)与作为所述周边的端线相隔开的距离等于或大于20微米。
专利摘要本实用新型公开了不受应力影响的光学装置及其制造方法。光学装置可分解成一个由光学晶体制成的光学元件(11)和一个支承座(12)，所述支承座由热膨胀系数与光学晶体相接近的合金制成，光学元件(11)由一片焊料或玻璃(13)焊接或熔化粘结在支承座(12)上；接合区(X2)与光学晶体的周边相隔开，因此在接合区(X2)和周边之间产生了与周边相隔开的缓冲区(X1)；即使有裂缝出现在光学元件(11)的端面(11d′)上，由于缓冲区(X1)的存在，温度应力对裂缝和/或裂纹的增长影响很小，且光学装置能保持设计的光学特性。
文档编号G02B7/00GK2560961SQ0225186
公开日2003年7月16日 申请日期2002年8月6日 优先权日2001年8月6日
发明者高野泰明, 堀合直 申请人:雅马哈株式会社