专利名称：金属支架、光学元件合成体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属支架，其用于通过焊接或通过低熔点玻璃的熔接固定用于滤光镜或波片中的由光学玻璃或光学晶体形成的光学元件，且本发明涉及一种通过将光学元件固定到这个金属支架上而形成的光学元件合成体，及其制造方法。
背景技术：
传统上，用于滤光镜或波片中的由诸如金红石(氧化钛)、石榴石、氧化铝、LiNbO3、YVO4、α-BBO、方解石、CaF2、和MgF2的光学玻璃或光学晶体形成的光学元件结合到金属支架上，而所形成的组合单元形成光学元件合成体。这个方法广泛用于红外光学系统和紫外光学系统中。在将这些光学元件结合到金属支架上时，利用了低温焊接、高温焊接、石蜡、或低熔点玻璃。在这种情况下，由于它们相对低的热膨胀系数，通常铁-镍合金或铁-镍-钴合金(商业上公知为Kovar)，或者诸如SUS304、SUS316、SUS450、SUS430F、镍铁合金的不锈钢等用于金属支架。
当例如光学元件利用低温焊接、高温焊接、石蜡或低熔点玻璃结合到金属托架上时，在结合之后，光学元件中产生由于各种材料的热膨胀系数不同而产生的热应力。这导致光学元件的光学特性恶化，并在一些情况下，产生光学元件被损坏的问题。为此原因，一种即使光学元件和金属支架结合时在光学元件中也不产生热应力的方法例如在日本专利申请公开第12-106407号中公开。
在日本专利申请公开第12-106407号公开的方法中，由硼硅酸盐基无定形玻璃形成的透光元件(光学元件)的整个外表面通过铜焊一体结合到铁-镍合金形成的固定元件(金属支架)上，该铁-镍合金的热膨胀系数与透光元件的类似。结果，有可能防止由于两个元件的热膨胀系数不同而在透光元件内产生的热应力，由此能够防止透光元件的光学特性恶化。
然而，即使在利用上述日本专利申请公开第12-106407号所公开的方法将光学元件的整个外表面通过铜焊一体结合到具有与光学元件类似热膨胀系数的金属支架上时，在焊接之后光学元件中也会出现扭曲，并且在光学元件中产生断裂和裂纹，导致光学元件被损坏的问题。
因此，当本发明人寻找焊接之后在光学元件内产生断裂和裂纹的原因时，清楚了在一些光学元件中具有较大的热膨胀系数，或者在特定方向上(例如，晶轴方向上)具有较大热膨胀系数，从而在光学元件结合到金属支架上之后，在其中产生由热膨胀系数不同造成的热应力。此外，一些光学元件具有切割边，并且已经清楚了在具有切割边的一些光学元件中，结合之后对微小裂纹和断裂起作用的热应力存在于切割边内。这导致微小裂纹和断裂扩展，由此损坏了光学元件。
本发明是为了解决上述问题而构想的，且本发明的目的是提供一种光学元件合成体，其中，即使在将光学元件结合到金属支架上时也不会对光学元件造成损坏。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的金属支架设置有多个光学元件结合并固定于其上的安装部分，以及多个以梳齿构型形成的凸起，从而光学元件的光进入表面或光离开表面的一端部分可以结合并固定到所述安装部分上。如果以梳齿构型排列的多个凸起以这种方式用作与光学元件一端的部分结合所用的结合表面，那么光学元件的光进入表面或光离开表面的剩余的端部不固定到金属支架上。因此，有可能提供一种能够事先防止扭曲发生的金属支架，其中扭曲是由在光学元件与金属支架结合之后，在光学元件的结合表面之外的一端部内产生的热应力所造成的。
此外，本发明的金属支架可以设置有所述光学元件结合并固定其上的安装部分；各凸起，使得光学元件的光进入表面或光离开表面的一端的部分可以结合并固定到所述安装部分上；以及用于将所述光学元件结合到所述凸起的表面上的台阶部分。本发明的金属支架可以设置有所述光学元件结合并固定其上的安装部分；以梳齿构型形成的多个凸起，使得光学元件的光进入表面或光离开表面的一端的部分可以结合并固定到所述安装部分上；以及用于将所述光学元件结合到所述凸起的表面上的台阶部分。
在这种情况下，如果凸起的结合表面的一部分设置有安装部分，该安装部分位于光学元件一端的部分的边缘处，并且安装成在其本身和这些一端部分之间形成间隙，那么有可能提供一种能够进一步减少扭曲发生的金属支架，该扭曲是光学元件与金属支架结合之后在光学元件一端部内产生的热应力所造成。此外，如果从这个结合表面细微突出的台阶部分设置在结合表面的一部分上，那么可以在结合表面和台阶部分之间产生间隙。因此，在将光学元件铜焊到台阶部分上时，有可能利用这个间隙形成焊料的溢出区域。结果，有可能事先防止泄漏成为溢出物的焊料与光学元件的端部结合。此外，理想的是金属支架由Fe和Ni作为主要成份的合金、Fe、Ni和Co作为主要成份的合金或者不锈钢形成，这些合金的热膨胀系数与光学元件的类似。
此外，在本发明的光学元件合成体中，金属支架设置有安装部分，其中布置了多个以梳齿构型形成的凸起，在此多个光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分通过低熔点玻璃或焊料的熔接固定到每个凸起上。以这种方式，如果多个凸起作为与光学元件一端的部分结合的表面，那么光学元件的光进入表面或光离开表面的一端的剩余部分不固定到金属支架上。因此，在光学元件与金属支架结合后，热应力所造成的扭曲不会发生在光学元件的结合表面之外的边缘内。结果，有可能提供一种可以事先防止热应力造成的扭曲发生的光学元件合成体。此外，金属支架可以设置有从金属支架主体突出的安装部分，以及用于将光学元件固定到凸起背面的台阶部分；而这可以构成一种如下的光学元件合成体，其中，光学元件的光进入表面或光离开表面的一端通过低熔点玻璃或焊料的熔接固定到台阶部分上。
此外，优选地是，金属支架设置有安装部分，其中多个凸起以梳齿构型布置，并且光学元件的光进入表面或光离开表面的一端通过低熔点玻璃或焊料的熔接固定到凸起上，从而所述一端的各部分在它们自身与凸起的结合表面之间具有间隙。以这种方式，如果光学元件的光进入表面或光离开表面的至少一端为固定到金属支架上，那么就有可能在光学元件结合到金属支架上之后，防止热应力造成的扭曲在光学元件一端的边缘内产生。因此可以防止在光学元件内出现断裂和裂纹。
在这种情况下，通过实验证实了如果光学元件由低熔点玻璃或焊料的熔接所固定的那部分的边界部分定位成非常靠近光学元件的边缘，那么防止发生热应力造成的扭曲的效果会减弱。也发现如果这个边界部分的位置远离光学元件边缘至少20μm，那么可以获得充分的防止扭曲效果。由此，可以断言理想的是光学元件由低熔点玻璃或焊料熔接所固定的区域的边界部分位于远离光学元件的光进入表面和光离开表面中至少一个的一端部分边缘至少20μm或更远处。此外，这个距离的上限值没有特别限定，并理想地是设定成对光学元件的光学特性没有不利影响。同样理想的是光学元件由诸如氧化铝、LiNbO3、YVO4、等晶体形成。
如上所述，如果晶体光学透镜或滤光镜，尤其是边缘已被切割的那种用作结合到金属支架上的光学元件，那么在结合之后有可能有效地防止产生热应力造成的扭曲。可以认为在边缘为切割边的晶体光学透镜或滤光镜中，边缘被切割时微小裂纹和扭曲会在边缘内产生，并且这些微小裂纹和扭曲由热应力扩大，从而在结合之后产生断裂和裂纹。然而，如果象本发明中一样，金属支架不在距光学元件边缘至少20μm距离内结合，那么热应力难于作用在未结合部分上(在这种情况下，未结合部分已经在其中具有微小裂纹和扭曲)。
此外，由于晶体光学透镜或滤光镜所形成的光学元件不能通过焊接结合，为了将光学元件利用焊接结合到金属支架上，需要至少光学元件结合到金属支架上的表面设置有由结合能力极好的金属形成的金属化层，在这种情况下，为了形成金属化层(当与光学元件结合时该层的金属具有优异的结合强度)，需要采用层叠结构，其中层叠多种金属，以便增大与光学元件的结合强度。应指出的是当光学元件利用低熔点玻璃结合到金属支架上时，不需要在光学元件结合到金属支架上的表面上提供金属化层，这是由于低熔点玻璃可以直接并牢固地结合到光学元件上。
金属支架要由热膨胀系数类似于光学元件的材料形成是必须的，而理想的是具有与光学元件的基本相同的热膨胀系数的Fe和Ni作为主要成份的合金、Fe、Ni和Co作为主要成份的合金以及不锈钢。如果存在由于Fe和Ni作为其主要成份的合金、Fe、Ni和Co作为其主要成份的合金或者不锈钢的腐蚀而造成老化的可能性，或者为了提高与焊料的结合能力，理想的是至少金属支架的结合表面设置有多种金属形成的电镀层，该金属具有良好的抗腐蚀性，并且在结合部分中具有优良的结合强度。应指出的是，当使用低熔点玻璃时，由于低熔点玻璃直接并牢固结合到金属支架上，不需要电镀层；然而，当金属支架的腐蚀易于发生时，可以在其最外表面上设置金镀层。
此外，理想的是将光学元件和金属支架牢固结合到一起的焊料用作焊料。由AuSn合金、AuAgCu合金、SnAg合金、或PbSn合金形成的焊料可以将光学元件和金属支架牢固结合到一起，并也非常可靠。因此，理想地是使用由AuSn合金、AuAgCu合金、SnAg合金或PbSn合金形成的焊料。
当例如如上所述制造光学元件合成体时，可以提供放置步骤，在该步骤中，设置有安装部分的金属支架放置在夹具内，在该安装部分内，形成与多个光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分的结合表面的多个凸起以梳齿构型彼此分隔开布置；插入步骤，其中，为了多个光学元件的光进入表面或光离开表面中的至少一个的一端部边缘不结合到结合表面上，焊料或低熔点玻璃在远离边缘的位置处插入光学元件和结合表面之间；以及熔化步骤，其中，熔化了焊料或低熔点玻璃。通过提供这些步骤中的每一个，有可能通过焊料或低熔点玻璃将光学元件的光进入表面或光离开表面中的至少一个的端部固定到金属支架上，而不将该端部的边缘固定到金属支架上。
应指出的是，当在熔化步骤中熔化焊料或低熔点玻璃时，在一些情况下熔化的焊料或低熔点玻璃掉落到光学元件端部的边缘上，从而薄薄地涂覆光学元件端部边缘处的表面或金属支架面对光学元件端部的边缘的表面。然而，由于以这种方式涂覆光学元件或支架表面的焊料或低熔点玻璃实际上不作用为将光学元件和金属之间结合到一起，因此在该部分中光学元件没有固定到金属支架上。即，在本申请中使用术语“结合”或“固定”时，它们指焊料或低熔点玻璃充分呈现出结合材料的功能，从而光学元件完全结合并固定到金属支架上。
图1A到1C是示出本发明金属支架的典型透视图；图2A到2C是示出其中多个光学元件结合到图1A到1C所示金属支架上的光学元件合成体的典型前视图；图3A和3B是示出金属支架和多个光学元件装载到用于结合的夹具中的状态的典型俯视图；
图4A到4C是示出金属支架和光学元件相结合的状态的典型横截面图；图5A到5C是示出金属化层形成在光学元件表面上的状态的典型透视图。
具体实施例方式
接着，将基于图1到5描述本发明实施例。图1A到1C是示出本发明金属支架的典型透视图；图2A到2C是示出其中多个光学元件结合到图1A到1C所示金属支架上的光学元件合成体的典型前视图；图3A和3B是示出金属支架和多个光学元件在它们结合情况下装载到夹具中的状态的典型俯视图；图4A到4C是示出金属支架和光学元件相结合的状态的典型横截面图；图5A到5C是示出金属化层形成在光学元件表面上的状态的典型透视图。
1.金属支架(1)梳齿构型的金属支架本发明的金属支架10通过机加工以Fe和Ni作为主要成份的合金、Fe、Ni和Co作为主要成份的合金、诸如不锈钢的金属的烧结体、或者这些金属的组合而制造，其热膨胀系数类似于光学元件的，从而形成如图1A所示的预定构型。这个金属支架10形成为平板，并设置有从主体的一侧向外伸出的安装部分14，和从主体另一侧弯曲成L形的夹紧部分15。
在安装部分14内，多个凸起11、12和13形成为梳齿形状，并定位成每个凸起11、12和13之间的间隔为预定间隔(例如，1550nm或更大)。在这种情况下，布置成梳齿形状的多个凸起11、12和13的顶面形成为结合表面11a、12a和13a，用于与下面所述的光学元件结合。在这种情况下，如果弯曲成L形的夹紧部分15由钳子等夹紧，则控制金属支架10(其非常小)变得容易。
如图1B所示(注意，在图1B中仅放大示出了主要部分)，有可能形成设置有台阶部分11b、12b和13b的金属支架10a，导致在结合表面11a、12a和13a与和这个金属支架相结合的相应光学元件21、22和23(见图2B)之间、在相应凸起11、12和13的结合表面11a、12a和13a(即，图1B中相应凸起11、12和13的上表面)的底侧上形成间隙11c、12c和13c。
在这种情况下，间隙y(见图2B)在相应的结合表面11a、12a和13a与相应的台阶部分11b、12b和13b之间形成。因此，如下面将描述的，当相应的光学元件21、22和23铜焊到相应的台阶部分11b、12b和13b上时，有可能使每个间隙y形成用于焊料的溢出区域。结果，有可能事先防止流入溢出区域内的焊料z结合到相应的光学元件21、22和23上。
(2)具有单齿构型的金属支架金属支架可以为单齿构型，如图1C所示。单齿构型的金属支架10b设置有形成为平板的主体17、从主体17突出到其一侧的安装部分17、和从主体另一侧伸出并弯曲成L形的固定部分17a。在这种情况下，台阶部分16a形成在安装部分16的顶面上，而这个台阶部分16a在安装部分16的底侧与结合到金属支架10b上的光学元件24之间提供一个间隙(见图2C)。
2.金属支架制造方法接着，将给出对制造具有如上所述结构金属支架10(10a、10b)的方法示例的描述。首先，通过粉化法、粉碎方法、电解方法、还原方法等制备颗粒直径20μm或更小(平均颗粒直径10μm)的FeNiCo合金(Kovar)球状粉末。接着，由聚乙烯和各种石蜡形成的粘合剂添加到这种FeNiCo(Kovar)粉末中，并且将所形成的混合物加热，以形成用于模制的合成物。然后，通过造粒机将这个模制合成物转变成球粒。接着，如此获得的球粒插入注模机的料斗中，并在160℃的注模温度、35℃的金属模具温度下注模。此后，水冷金属模具，从而固化注模的材料，并由此提供了料坯金属支架10(10a、10b)。
这个料坯金属支架10(10a、10b)然后放置到粘合剂去除装置(未示出)中，并加热到预定温度，从而去除粘合剂。即，粘合剂被汽化(去除)，以提供褐色体。该褐色体放置到烧结熔炉中，并且以5℃/h的温度升高速率将温度升高到1300℃。此后，通过在保持这个温度的同时连续烧结两个小时，获得了由FeNiCo合金(Kovar)形成的金属支架10(10a、10b)的烧结体。应指出的是作为制备金属支架10(10a、10b)的另一种方法，有可能利用如下的方法，即，首先，滚压出FeNiCo合金(Kovar)板材，然后所滚压的板材通过机加工或冲压加工制备成预定构型。
3.光学元件合成体(滤光镜装置)接着，将给出通过将光学元件结合到具有上述结构的金属支架10(10a、10b)上而形成的光学元件合成体A(如图2A所示)、光学元件合成体B(如图2B所示)以及光学元件合成体C(如图2C所示)的描述。
(1)光学元件合成体A如图2A所示，光学元件合成体A通过将YVO4形成的光学晶体21由焊料31结合到金属支架10安装部分14的凸起11的结合表面11a上、通过将LiNbO3形成的光学晶体22由焊料31结合到结合表面12a上，并通过将由含银玻璃形成的光学晶体23(如偏光器)由焊料31结合到结合表面13a上而形成。焊料31可以是AuSn合金、AuAgCu合金、SnAg合金或PbSn合金中的一种。PbSn合金是优选的，在于它可以减小焊料造成的应力(张力)。
(2)光学元件合成体B如图2B所示，光学元件合成体B是通过将YVO4形成的光学晶体21由焊料31结合到金属支架10a安装部分14的凸起11的台阶部分11b上，通过将LiNbO3形成的光学晶体22由焊料31结合到台阶部分12b上，并通过将含银玻璃形成的光学晶体23由焊料结合到结合表面13b上而形成。焊料31可以是AuSn合金、AuAgCu合金、SnAg合金或PbSn合金中的一种。PbSn合金是优选的，在于它可以减小焊料造成的应力(张力)。
这些光学元件合成体A和B的特征在于如下事实，即如图4A到4C所示，从相应的光学晶体21、22和23的底边缘部分到点t1μm，存在一个未结合(未固定)的部分，在该处光学元件未结合到金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a上，或是未结合到金属支架10a的相应台阶部分11b、12b和13b上。在此，光学晶体21、22和23形成为具有切割成诸如正方形构型、矩形构型或圆形构型的预定构型的平面构型的平板。此外，三个板形光学晶体21、22和23结合到相应的结合表面11a、12a和13a上，或者结合到相应的台阶部分11b、12b和13b上，以便三个板形光学晶体21、22和23彼此平行。
结果，如果激光依次照射到光学晶体21、22和23上，光学元件合成体A和B成为滤光镜装置，其可以改变透射过光学晶体21、22和23的激光的光学特性。例如，光学晶体21和22功能为通过偏移入射光的相位改变(通过旋转偏振方向)偏振状态的波片。因此，在激光透射过光学晶体21时，激光的偏振状态在透射之后改变，而在它透射过光学晶体22时这个透射光在透射后的偏振状态改变。这种类型波片的公知示例包括半波片和四分之一波片。
(3)光学元件合成体C
光学元件合成体C不是梳齿形状，因此，它与具有多个梳齿构型的金属支架的光学元件合成体A和B不同。如图2C所示，由YVO4形成的光学晶体24通过低熔点玻璃33的熔接固定到金属支架10b内安装部分16的台阶部分16a上。由LiNbO3形成的光学晶体25或由含银玻璃形成的光学晶体26也可以用于固定。结果，不同的光学晶体24、25和16安装到光学元件合成体C上，以便三片光学晶体24、25和26平行排列，构成作为上述光学元件合成体A和B的滤光镜装置。
4.制造光学元件合成体的方法(1)示例1将给出制造示例1的光学元件合成体A和B的各步骤的描述，其中示例1具有上述类型的未结合部分(未固定部分)x。首先，光学晶体21(或22或23)安装到夹具或掩膜(mask)中，以便可以在预定部分(图5A中部分21a(或22a或23a))内形成薄膜。在其已经设定在雾化淀积(sputter deposition)装置中后，在从光学晶体21(22、23)的一端到点T1μm的位置处通过淀积Ti形成钛(Ti)层，直到其到达0.01μm的薄膜厚度。
此后，通过淀积Ni形成镍(Ni)层，直到它到达0.2μm的薄膜厚度。接着，通过淀积Au形成金(Au)层，直到它到达0.5μm的薄膜厚度。最终，移去掩膜或夹具，由此形成金属化层21a(22a、23a)，该金属化层具有由多种金属形成的三层结构，其具有优良的结合能力并在结合部分，即在自光学晶体21(22、23)一端部的边缘T1μm距离的区域内具有优良的结合强度。应指出的是，金属化层21a(22a、23a)的相应的薄膜厚度、材质、薄膜形成方法等可以考虑金属化层21a(22a、23a)与光学晶体21(22、23)的粘合强度、或者金属化层21a(22a、23a)对光学晶体21(22、23)的光学特性的影响而加以适当选择。
另一方面，金属支架10(10a)浸入电镀槽(未示出)中，并利用电解方法，首先进行镀镍(Ni)，直到薄膜厚度达到5.0μm。接着，进行镀金(Au)，直到薄膜厚度达到1.0μm。结果，在使用由Au-Sn合金形成的焊料31时，金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或者金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)形成为更易于结合。应指出的是，电镀过程中所获得的薄膜厚度以及用于电镀金属的物质不局限于上述那些，并可以考虑其与金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或者金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)的结合强度等而加以适当选择。
接着，如图3所示，金属支架10(10a)和光学晶体21、22和23放置在陶瓷夹具30内，由宽度为(T1-t1)μm的薄板形Au-Sn合金形成的焊料31夹于它们之间。应指出的是，此时，由Au-Sn合金形成的焊料31放置在远离光学晶体21、22和23边缘距离t1μm处，以便在自光学晶体21、22和23的边缘其t2μm距离区域内不存在焊料31。
此后，夹具30放置在处于包含40％氢气(H2)的氮气(N2)环境下的回流熔炉中的移动速度为100mm/min的传送带上。然后在加热时间为10min且最高温度为300℃的回流条件(温度升高曲线)下在夹具30上进行热处理，导致Au-Sn合金形成的焊料31熔化。结果，光学晶体21、22和23的端部结合到金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或者金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)上，从而制备了在光学晶体21、22和23边缘处具有未结合部分(未固定部分)x的光学元件合成体A(B)。
应指出的是，当将光学晶体21、22和23利用焊料31熔接到金属支架10(10a)的相应结合表面11a、12a和13a上时，理想的是所用的焊料31的量为熔融焊料31不从结合部分泄漏而向光学晶体21、22和23的边缘(即，向未结合部分x的位置)扩散。
然而，即使在未结合部分x或金属支架10(10a)的相应表面11a、12a和13a的光学晶体21、22和23的表面被熔融并掉出的焊料31薄薄地覆盖，以这种方式覆盖该表面的焊料31也不会作用为将光学晶体21、22和23结合到金属支架的相应结合表面11a、12a和13a上。
因此，在这个部分中，光学晶体21、22和23未固定到金属支架的相应结合表面11a、12a和13a上。此外，在结合表面11a、12a和13a上设置有台阶部分11b、12b和13b的金属支架10a中，如图2B所示，在相应的结合表面11a、12a和13a与相应的台阶部分11b、12b和13b之间形成间隙y，该间隙能够形成焊料的溢出区域。结果，有可能防止泄漏到溢出区域内的焊料z与相应的光学晶体21、22和23结合。
在此，以未结合部分(未固定部分)x的位置(即，光学晶体21、22和23通过焊料31的溶解而固定的区域的边界部分)距光学晶体21、22和23的边缘10μm(t1＝10μm)的方式结合的光学元件合成体A(或B)作为光学元件合成体A1(B1)。以相同的方式，以未结合部分的位置距光学晶体21、22和23的边缘20μm(t1＝20μm)的方式结合的光学元件合成体A(或B)作为光学元件合成体A2(B2)；其中未结合部分的位置距光学晶体21、22和23的边缘30μm(t1＝30μm)的那种作为光学元件合成体A3(B3)；而其中未结合部分的位置距光学晶体21、22和23的边缘50μm(t1＝50μm)的那种作为光学元件合成体A4(B4)。此外，为了进行比较，制备其中结合部分正好到达光学晶体21、22和23的边缘(t1＝0μm)的光学元件合成体A(B、C)，并将其作为合成体A5(B5)。
(2)示例2接着，将给出制造具有未结合部分(未固定部分)x的示例2的光学元件合成体A(B)的各步骤的描述。示例2的光学元件合成体A(B)的特征在于如下事实，即在从光学晶体21、22和23的边缘延伸t1μm距离的区域仍然形成未结合部分(未固定部分)x的同时，在光学晶体21、22和23面对这个未结合部分x的表面上没有金属化层21a、22a和23a。将给出制造具有这种类型未结合部分(未固定部分)x的光学元件合成体A(B)的各步骤的描述。
首先，光学晶体21、22和23安装到夹具或掩膜中，以便可以在预定部分(图5B中的部分21a、22a和23a)内形成薄膜。在其已经设置在雾化淀积装置内之后，通过在从光学晶体21、22和23的一端延伸T2μm距离的位置处淀积Ti形成钛(Ti)层，直到其到达0.01μm的薄膜厚度。此后，通过淀积Ni形成镍(Ni)层，直到其到达0.2μm的薄膜厚度。
接着，通过淀积Au形成金(Au)层，直到其达到0.5μm的薄膜厚度。最终，去除掩膜或夹具，由此在从光学晶体21、22和23底端部分边缘起t1μm距离处的点与在距离为T2μm距离处的点之间的区域中形成具有由结合能力优异的多种金属形成的三层结构的金属化层21a、22a和23a，该金属化层在结合部分内具有优良的结合强度。应指出的是，金属化层21a、22a和23a的相应的薄膜厚度、材质、薄膜形成方法等可以考虑金属化层21a、22a和23a与光学晶体21、22和23的粘结强度，或者考虑金属化层21a、22a和23a对光学晶体21、22和23的光学特性的影响而加以适当选择。
另一方面，金属支架10(10a)浸入电镀槽(未示出)中，并利用电解方法，首先，进行镀镍(Ni)，直到薄膜厚度达到5.0μm，接着，进行镀金(Au)，直到薄膜厚度达到1.0μm。结果，金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)形成为容易由Au-Sn基焊料31结合。应指出的是，在电镀过程中获得的薄膜厚度以及用于电镀金属的物质不局限于上面描述的那些，并可以考虑其与金属支架10(10a)的结合强度等而加以适当选择。
接着，如图3所示，金属支架10(10a)和光学晶体21、22和23放置在陶瓷夹具30内，而由薄板形Au-Sn合金形成的宽度等于T2μm的焊料31夹在它们之间。此时，由Au-Sn合金形成的焊料31定位在远离光学晶体21、22和23的边缘等于t1μm的距离处，以便在自光学晶体21、22和23的边缘起t1μm距离的区域内不存在焊料31。
此后，夹具30放置在处于含40％氢气(H2)的氮气(N2)环境中的回流熔炉的传送带上，传送带移动速度为100mm/min。然后在加热时间10min且最高温度为300℃的回流条件(温度升高曲线)下在夹具30上进行热处理，导致Au-Sn合金形成的焊料31熔化。结果，光学晶体21、22和23的端部结合到金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)上，从而制备了在光学晶体21、22和23的边缘处具有未结合部分(未固定部分)x的光学元件合成体A(B)。
在此，以金属化层21a、22a和23a的未形成部分和未结合部分(未固定部分)x的位置(即，光学晶体21、22和23通过焊料31的熔接而固定的区域的边界部分)为10μm(t1＝10μm)的方式结合的光学元件合成体A(或B)作为光学元件合成体A6(B6)。以相同的方式，以该位置为20μm(t1＝20μm)的方式结合的合成体作为光学元件合成体A7(B7)；以该位置为30μm(t1＝30μm)的方式结合的那种作为光学元件合成体A8(B8)；而以该位置为50μm(t1＝50μm)的方式结合的那种作为光学元件合成体A9(B9)。此外，为了进行比较，制备如下的光学元件合成体A(B)，即，金属化层21a、22a和23a正好形成在光学晶体21、22和23的边缘上(t1＝0μm)，并且结合到光学晶体21、22和23的边缘上(t1＝0μm)，并将其取作光学元件合成体A10(B10)。
(3)示例3接着，将给出制造具有未结合部分(未固定部分)x的示例3的光学元件合成体A(B)的各步骤的描述。示例3的光学元件合成体A(B)的特征在于如下事实，即，在光学晶体21、22和23上不形成金属化层，并且在金属支架10(10a)上不形成镀层；光学晶体21、22和23利用低熔点玻璃32结合到金属支架10(10a)的相应结合表面11a、12a和13a(11b、12b和13b)上；光学元件合成体A(B)具有未结合部分(未固定部分)x，在此，光学晶体21、22和23在从光学晶体21、22和23的边缘延伸t1μm距离的区域内未结合到金属支架10(10a)的相应结合表面11a、12a和13a(11b、12b和13b)上。应指出的是，如果涉及到金属支架10(10a)腐蚀，有可能将金(Au)镀层运用为金属支架10(10a)的最外表面。
接着，将给出制造具有上述类型未结合部分(未固定部分)x的光学元件合成体A(B)的各步骤的描述。首先，如图3所示，金属支架10(10a)和光学晶体21、22和23放置到陶瓷夹具30中，形成为薄板形且宽度为T2μm的PbO基低熔点玻璃32夹在它们之间。此时，PbO基低熔点玻璃32定位在距光学晶体21、22和23的边缘等于t1μm的距离处，以便在从光学晶体21、22和23的边缘起t2μm距离的区域内不存在低熔点玻璃32。
此后，夹具放置在100％氮气(N2)环境中的回流熔炉内的传送带上，该传送带以100mm/min的速度移动。然后在加热时间10min且最高温度为480℃的回流条件(温度升高曲线)下在夹具30上进行热处理，导致PbO基低熔点玻璃32熔化。结果，光学晶体21、22和23结合到金属支架10的相应结合表面11a、12a和13a(或金属支架10a的台阶部分11b、12b和13b)上，从而制备了在光学晶体21、22和23的边缘处具有未结合部分(未固定部分)x的光学元件合成体A(B)。
应指出的是，当利用PbO基低熔点玻璃32将光学晶体21、22和23熔接到金属支架10(10a、10b)的结合表面11a、12a和13a上时，理想的是所用的低熔点玻璃32的量为使得熔融的PbO基低熔点玻璃32不会从结合部分泄漏并朝向光学晶体21、22和23的边缘(即，朝向未结合部分z)扩散。然而，即使在未结合部分x处的光学晶体21、22和23的表面或者金属支架10(10a)的相应结合表面11a、12a和13a被熔化并掉落的低熔点玻璃32薄薄地覆盖，以这种方式覆盖表面的低熔点玻璃32不会导致在光学晶体21、22和23与金属支架的相应结合表面11a、12a和13a之间产生结合。因此，在这个部分内，光学晶体21、22和23未固定到金属支架10(10a)的相应结合表面11a、12a和13a上。
此外，以未结合部分x(即，光学晶体21、22和23通过低熔点玻璃32的熔接而固定的区域的边界部分)的位置距光学晶体21、22和23的边缘10μm(t1＝10μm)的方式结合的光学元件合成体A(或B)作为光学元件合成体A11(B11)。以同样方式，以该位置为20μm(t1＝20μm)的方式结合的那种作为光学元件合成体A12(B12)；以该位置为30μm(t1＝30μm)的方式结合的那种作为光学元件合成体A13(B13)；并以该位置为50μm(t1＝50μm)的方式结合的那种作为光学元件合成体A14(B14)；此外，为了进行比较，制备如下的光学元件合成体A(B)，即，结合部分正好到达光学晶体21、22和23的边缘上(t1＝0μm)，并将其作为光学元件合成体A15(B15)。
接着，解释制造光学元件合成体C的过程。这个合成体C与上述示例的不同在于其具有单齿构型的多个金属支架，而不是梳齿构型的金属支架。光学晶体24(25、26)利用低熔点玻璃33固定到金属支架10b的台阶部分16a表面上。可以使用如上所述用于光学元件合成体A和B的相同方法来固定。
在制造光学元件合成体C的过程中，如图3B所示，金属支架10b和光学晶体24(25、26)安装到陶瓷夹具30a上，且在它们之间放置PbO型低熔点玻璃33，该低熔点玻璃33为平板形，并与台阶部分16a的宽度相同。此后，夹具放置在处于100％N2环境下的回流锻炉中的传送带上，该传送带以100mm/min的速度移动，并然后在最高温度480℃(温度升高曲线)的回流条件下经历加热10min，从而PbO型低熔点玻璃33熔化。结果，制备了其中光学晶体24(25、26)固定到金属支架10b的台阶部分16a上的光学元件合成体C。
4.加热和冷却测试接着，利用100个均以上述方式制备的相应的光学元件合成体A(A1到A12)以及光学元件合成体B(B1到B12)，进行加热/冷却测试。在这些测试中，反复进行如下的循环，即，各个光学元件合成体首先冷却到-40℃，在该温度下它们保持30min，然后加热到+85℃，在该温度下，它们保持30min。测量在每种合成体A(A1到A12)和B(B1到B12)中的裂纹产生比率(裂纹出现率(％))。测量结果示于下面的表1中表1
从表1的结果可以明显看出，当光学元件合成体A和B利用示例1到3中的任一种方法制备时，在其中光学晶体21、22和23与金属支架10(10a)的未结合部分x(y、z)距光学晶体21、22和23的边缘0μm(即，t1＝0μm)的合成体A5(B5)、A10(B10)及A15(B15)中，换句话说，在其中没有未结合部分x的合成体A5(B5)、A10(B10)及A15(B15)中，可以看出裂纹出现率为92％、95％和98％的较高值。可以认为，此原因在于当光学晶体21、22和23与金属支架10(10a)结合时，热应力造成的扭曲在光学晶体21、22和23中产生，并且这个扭曲在加热和冷却每次重复时增大，从而，最终在光学晶体21、22和23内产生裂纹。应指出的是，由于厚度小于光学晶体23的光学晶体用于光学晶体22，与光学晶体23相比裂纹往往更易于在光学晶体22内出现。
相反，当光学晶体21、22和23不与金属支架10(10a)结合的未结合部分x与光学晶体21、22和23的边缘间隔开t1μm距离时，如A1到A4(B1到B4)的合成体、A6到A9(B6到B9)的合成体以及A11到A14(B11到B14)的合成体中的情况一样，可以看到光学晶体中裂纹出现率降低。可以认为此原因在于通过将未结合部分x设置在远离光学晶体21、22和23的边缘t1μm距离处，当光学晶体21、22和23与金属支架10(10a)结合时，有可能有效地防止在光学晶体21、22和23内产生的热应力所引起的扭曲的出现。
然而，即使设置了未结合部分x，如果如合成体A1(B1)、A6(B6)及A11(B11)中的情况那样，未结合部分x仅距光学晶体21、22和23的边缘较小距离，即，10μm(t1＝10μm)，那么可以看出光学晶体21、22和23内的裂纹出现率仍很大，为50％、62％及71％。可以认为此原因在于尤其在边缘为切割边的光学晶体21、22和23的情况下，由于当切割边被切割时微小裂纹和扭曲就在切割边内产生，如果未结合部分x的距离太靠近光学晶体21、22和23的边缘，那么当光学晶体21、22和23结合到金属支架10(10a)上时，热应力作用在这些微小裂纹和扭曲上，导致它们扩大，并且在加热和冷却每次重复时，其得以增大，由此也提高了裂纹出现率。
相反，如果如在合成体A2到A4(B2到B4)、合成体A7到A8(B7到B8)以及合成体A12到A14(B12到B14)中那样，未结合部分x处于距光学晶体21、22和23的边缘20μm或更大距离处(即，t1＝20μm或更大)，那么可以看出裂纹出现率降低到5％、7％和3％或0％。可以认为此原因在于如果未结合部分从光学晶体21、22和23的边缘延伸20μm或更大，那么当光学晶体21、22和23结合到金属支架10(10a)上时，热应力难于作用在切割边被切割时切割边内产生的微小裂纹和扭曲上。由此可以断定未结合部分距光学晶体21、22和23的边缘的距离(即，到光学晶体21、22和23通过低熔点玻璃32或焊料31的熔接而固定到金属支架10(10a)的区域的边界部分的距离)优选地是20μm或更大。
如上面已经详细描述的，在本发明中，在未结合部分x或间隙11c、12c和13c(16c)形成在光学晶体21、22和23(24(25、26))的端部边缘的同时，光学晶体21、22和23(24(25、26))通过焊料31或低熔点玻璃32(33)结合并固定到金属支架10(10a、10b)的凸起11、12和13(16)上，并且结合到安装部分14(17)上。结果，有可能减少扭曲在光学晶体21、22和23(24(25、26))内的形成，该扭曲是在光学晶体21、22和23(24(25、26))结合到金属支架10(10a、10b)上时产生的热应力所造成的。由此，有可能防止断裂和裂纹在光学晶体21、22和23(24(25、26))的端部内出现。
应指出的是，在上述每种实施例中，将具有其中三个凸起11、12和13以梳齿构型形成的安装部分14的金属支架10(10a)或者具有其中一个凸起16以单齿构型形成的安装部分17的金属支架10b用作示例；然而，凸起的数量不限于一个或三个，而也有可能具有2个，或4个、或5个或更多个凸起。在这种情况下，需要提供多个适用于所应用的光学元件合成体的光学晶体。即使具有两个凸起，也可以采用相同的梳齿构型。
此外，在上述每种实施例中，描述了其中使用方形平面构型的平面光学晶体的示例，在所用的示例中，未结合部分从这些光学晶体的端部边缘延伸预定距离而设置，用于将这些光学晶体的端部结合到金属支架上凸起的结合表面上；然而，本发明不局限于此，这种结构的各种变型都是有可能的。例如，如图5C所示，也有可能在如下区域上形成金属化层21a、22a和23a，该区域为从距光学晶体21、22和23的边缘t1μm的点延伸T2μm距离除去自两个侧边缘起t2μm距离的区域之外的区域，由此提供了从光学晶体一端的边缘及其两侧部分延伸预定距离的未结合部分。
此外，当使用圆形平面构型的滤光镜时，圆周的一部分可以结合到金属支架上，而未结合部分距圆周边缘预定距离处设置。换句话说，滤光镜至少一个端部可以结合到金属支架上，而未结合部分距边缘有预定距离。此外，滤光镜的平面构型不局限于方形或圆形构型，而可以采用各种类型的平面构型。此外，也有可能使平面滤光镜具有球面或凹面。另外，滤光镜不局限于具有平面构型，可以采用各种构型，如柱形、四面体、锥形和球形构型。
权利要求
1.一种金属支架，多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定于其上，光线照射到光学元件内，其特征在于金属支架设置有安装部分，所述多个光学元件结合并固定于其上；以及使光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分可以结合并固定到所述安装部分上的以梳齿构型形成的多个凸起。
2.一种金属支架，多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定于其上，光线照射到光学元件内，其特征在于金属支架设置有安装部分，所述光学元件结合并固定于其上；使光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分可以结合并固定到所述安装部分上的凸起；以及将所述光学元件结合到所述凸起的表面上的台阶部分。
3.一种金属支架，多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定于其上，光线照射到光学元件内，其特征在于金属支架设置有安装部分，所述多个光学元件结合并固定于其上；使光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分可以结合并固定到所述安装部分上的以梳齿构型形成的多个凸起；以及将所述光学元件结合到所述凸起的表面上的台阶部分。
4.如权利要求1到3中任一项所述的金属支架，其特征在于，金属支架由Fe和Ni作为主要成分的合金、Fe、Ni和Co作为主要成分的合金、或不锈钢形成，它们的热膨胀系数与光学元件的类似。
5.一种光学元件合成体，其中光线照射入内的多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，其特征在于，金属支架设置有安装部分，在该安装部分内以梳齿状构型布置有多个凸起；并且光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定到凸起上。
6.一种光学元件合成体，其中光线照射入内的光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，其特征在于，金属支架设置有构成从所述金属支架主体突出的凸起的安装部分；以及将所述光学元件结合到所述凸起表面上的台阶部分；并且光学元件的光进入表面或光离开表面的一个端部通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定到台阶部分上。
7.一种光学元件合成体，其中光线照射入内的多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，其特征在于，金属支架设置有安装部分，在该安装部分内以梳齿状构型布置有多个凸起；并且光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定到每个凸起上；而一端的所述部分在其本身与凸起的结合表面之间具有间隙。
8.一种光学元件合成体，其中光线照射入内的多个光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，其特征在于，金属支架设置有安装部分，在该安装部分内以梳齿状构型布置有多个凸起，并设置了将所述光学元件结合到所述凸起的表面上的台阶部分；并且光学元件的光进入表面或光离开表面一端的部分边缘通过低熔点玻璃或焊料的熔接而固定到每个台阶部分上。
9.如权利要求5到8中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，光学元件由低熔点玻璃或焊料的熔接而固定的区域的边界部分位于远离光学元件边缘的20μm或更远处。
10.如权利要求5到9中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，光学元件由氧化铝、LiNbO3或YVO4形成。
11.如权利要求5到10中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，至少光学元件表面的通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合的部分设置有多种金属形成的金属化层，这些金属具有优良的与光学元件的结合能力并具有优良的结合强度。
12.如权利要求5到11中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，金属支架由Fe和Ni作为主要成分的合金、Fe、Ni和Co作为主要成分的合金、或不锈钢形成，它们的热膨胀系数与光学元件的类似。
13.如权利要求5到11中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，金属支架表面的至少通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合的部分设置有镀层，该镀层由具有优良抗腐蚀特性和具有优良结合强度的多种金属形成。
14.如权利要求5到13中任一项所述的光学元件合成体，其特征在于，焊料是AuSn合金、AuAgCu合金、SnAg合金或者PbSn合金。
15.一种用于制造光学元件合成体的方法，其中光线照射入内的光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，包括放置步骤，其中设置有安装部分的金属支架放置在夹具中，在该安装部分中布置有凸起，凸起形成作为与光学元件的光进入表面或光离开表面的一端的部分的结合表面的台阶部分；插入步骤，其中焊料或低熔点玻璃插入光学元件的光进入表面或光离开表面中至少一个的一端的部分与形成在所述凸起表面上的台阶部分之间；以及熔化步骤，其中焊料或低熔点玻璃被熔化。
16.一种用于制造光学元件合成体的方法，其中光线照射入内的光学元件通过低熔点玻璃或焊料的熔接而结合到金属支架上，包括放置步骤，其中设置有安装部分的金属支架放置在夹具中，在该安装部分中以梳齿状构型布置有多个凸起，该凸起形成作为与多个光学元件的光进入表面或光离开表面的一端的部分的结合表面的台阶部分；插入步骤，其中为了使多个光学元件的光进入表面或光离开表面中至少一个的一端的部分的边缘不结合到结合表面上，低熔点玻璃或焊料插入光学元件和凸起之间的远离边缘的区域内；以及熔化步骤，其中焊料或低熔点玻璃被熔化。
17.如权利要求16所述的制造光学元件合成体的方法，其中，设置了金属化步骤，其中事先至少在光学元件部分的由低熔点玻璃或焊料熔接的表面上设置了金属化层，该金属化层由具有与光学元件良好结合能力并具有良好结合强度的多种金属形成。
18.如权利要求16或17所述的制造光学元件合成体的方法，其中，设置了电镀步骤，其中事先至少在金属支架部分的由低熔点玻璃或焊料熔接而结合的表面上设置镀层，该镀层由具有良好抗腐蚀特性并具有良好结合强度的多种金属形成。
全文摘要
本发明公开了一种金属支架，光学元件合成体及其制造方法。其中即使在通过焊料或低熔点玻璃结合到金属支架上时也不会对光学元件造成损坏。本发明的金属支架设置有从主体一侧突出的安装部分以及从主体另一侧突出的夹紧部分。安装部分设置有多个以梳齿构型形成的凸起。由氧化铝(Al
文档编号C03C27/04GK1428220SQ02156998
公开日2003年7月9日 申请日期2002年12月23日 优先权日2001年12月25日
发明者铃木克典, 高野泰明, 西村靖典 申请人:雅马哈株式会社, 三菱电机株式会社