专利名称：带有支架的光学组件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及带有支架的光学组件，其通过将在光通信、光信息读取及其类似技术领域中使用的光学元件固定到支架上而得到，本发明尤其涉及一种带有用模制方法制造的支架的光学组件。
背景技术：
尽管人们已熟知透镜被用在光通信、光信息读取及其类似技术领域中，但绝大多数透镜通常在预先被固定到透镜支架上的同时被使用。尽管提供了各种各样的透镜固定方法，特别是，已知一种技术，其中，在将原材料玻璃压配合到金属透镜支架的内侧的同时，将原材料玻璃模制成球形或非球形，并使透镜和支架形成一体(例如，参照日本专利公开出版号IPH03-265529A或日本专利公开出版号JP H03-237408A)。
该方法与下述方法相比简单得多，在所述方法中，将金属膜涂在单片透镜的外圆周上，并用金属焊料将金属膜固定到支架上，或者用低溶点玻璃或类似物通过密封将单片透镜和支架连接在一起，从而实现了在透镜和支架之间的低成本且高精确的固定。
在日本专利出版号JP H03-265529A中公开的技术中，在透镜支架通孔的内圆周表面上设置有突出部分，球状玻璃原材料支撑在该突出部分上，在这种条件下，对该玻璃原材料进行加热和模制，与此同时，玻璃被压配合到包括该突出部分的内圆周表面上，从而实现了通过模制形成透镜表面形状并固定到支架。
再者，在日本专利JP H03-237408A中，采用的技术是用保持部分替代突出部分，在该保持部分上支撑盘形玻璃原材料，并且与日本专利出版号JP H03-265529A的情况相同，在通过模制成型表面的同时，将透镜压配合到支架的内圆周表面和和台阶部分上，所述台阶部分位于内圆周表面和保持部分之间。
然而，在上述方法和结构中，在通过模制制成的透镜的内部，因透镜支架的内圆周表面的突出部分的陡点(steep point)而产生不均匀的内应力。当在诸如透镜的透射光学组件内部产生内应力时，偏振性质变得不均匀，从而它尤其不能用于要求偏振保持的模块中。
此外，由于在模制期间形成突出部分，部分玻璃原材料突出到模子外部，并引起碎片。然而，根据日本专利出版号JP H2002-6819A，可引起诸如碎片等缺陷的不均匀突出通过形成环形突出来消除，所述环形突出与上述的在透镜支架的开口部分附近的内圆周表面上的突出部分不同。然而，透镜支架的形状是复杂的，并且增加了加工成本。而且，有必要利用用于模制的上金属压型对环形突出进行变形，并且，利用由易碎材料或陶瓷制成的昂贵的金属模子对金属组件的一部分进行变形在技术上是十分困难的。
另一方面，在日本专利H03-237408A中，在保持部分和内表面之间的台阶部分处形成有点，同样产生不均匀的内应力，这会在透镜的边缘部分引起碎片。
此外，在上述相关的技术中，有必要使透镜支架与玻璃原材料在热膨胀系数上进行匹配(在上述文件中，使透镜支架的热膨胀系数略大于玻璃原材料的热膨胀系数)。尽管在热膨胀系数上进行匹配肯定是很重要的，但与之并行的是，透镜支架的体积与玻璃原材料的体积之间的匹配也是很重要的。然而，若在透镜支架的内圆周表面上存在突出和复杂的结构，就会存在不易实现体积的匹配这样的问题。
发明内容
本发明为解决上述相关技术的问题而做出，本发明的目的是提供一种带有支架的光学组件和制造带有支架的光学组件的方法，其中，在模制期间不均匀内应力的出现较少，并且碎片的出现也较少。
本发明的一个目的是提供一种带有支架的光学组件，其中，通过模制玻璃而得到的光学元件被固定到支架通孔的内部。作为本发明的方法，首先，在将要被固定的光学元件上，设置盘形外围边缘部分，所述盘形外围边缘部分在包围具有光学功能的有效部分的同时从有效部分突出到外侧。而且，在支架的部分通孔的一部分处，设置有其剖面形状沿轴向不变的直圆柱形部分。接着，将外围边缘部分的外圆周在整个圆周上紧配合到通孔的圆柱形部分的内圆周表面上。
通过将光学元件压配合到支架的圆柱内圆周表面上，防止了不均匀内应力出现在光学元件的内部，防止了碎片等的出现，还克服了在偏振特性方面存在的问题。此外，通过将光学元件压配合到支架通孔的内圆周表面的整个圆周上，确保了支架和光学元件之间的气密性。
此外，优选的是，在与光学元件的光轴相垂直的方向上，光学元件有效部分的剖面形状和外围边缘部分的外圆周的剖面形状均为圆形，其直径分别为De和D，D和De之间的差值被设置为0.3mm或更大。
通过满足上述条件，可稳定地模制诸如透镜的圆形光学元件的有效部分。
而且，优选的是，外围边缘部分沿光轴方向的厚度A与外围边缘部分的外圆周的直径D的比率A/D被制成0.25或更大，并且，厚度A与光学元件的最大厚度Th之间的比率A/Th被制成0.5或更大。
此外，所述光学元件的外围边缘部分具有由与光轴垂直的表面和与光轴平行的外圆周表面构成的表面，优选的是，在由平面构成的表面与外圆周表面相交的角部被加工为圆角，当外围边缘部分沿光轴方向的厚度为A(mm)时，其曲率半径R(单位mm)的范围为0.1≤R≤(A-0.25)/2作为选择，还有可能是，当光学元件有效部分的直径和外围边缘部分的外圆周的直径分别为De和D(单位都是mm)时，曲率半径R(mm)的范围为0.1≤R≤(D-De)/2-0.025通过在将要被压配合到支架的光学元件的外围边缘部分的外圆周处设置倒角(trim)，有效地防止了在光学元件的边缘部分处出现碎片等。
此外，支架的线性膨胀系数制成大于光学元件的玻璃原材料的线性膨胀系数，并且它们之间的差值为20×10-7/℃或更小。因此，对于在模制过程中的加热和冷却，可避免过大的应力施加到光学元件上，反之紧配合变得不足。
所提供的光学元件为透镜，具体而言，为非球面凸透镜。因此，与支架一体的透镜具有这样的结构，其中，透镜被压配合到支架的圆柱形直孔部分的内圆周表面上。
关于支架的通孔，所述透镜已被固定到所述支架的通孔中，设置有圆柱形部分，在该圆柱形部分中将要插入和固定半导体光学元件，所述半导体光学元件被气密地密封在该圆柱形部分中。透镜和半导体光学元件之间的距离是这样确定的，以便使由半导体光学元件发出的光被会聚或平行，或者使由该半导体光学元件接收的光被会聚或平行。
因此，可提供其中各种类型的半导体光学元件和透镜被组合的光学组件。
对于制造带有支架的光学组件的方法，本发明采用了下述步骤在设置有通孔的支架中，所述通孔具有其剖面形状沿轴向至少部分不变的直圆柱形部分，在该支架中插入一对模子，以便从通孔的两侧相对而设，玻璃原材料被模压在所形成的空间中。从而形成光学元件，所述光学元件具有盘形外围边缘部分，所述盘形外围边缘部分在包围具有光学功能的有效部分的同时从有效部分突出到外侧，并且，外围边缘部分的外圆周在整个圆周上被紧配合到支架的通孔的圆柱形部分的内表面上。
利用这种方法，在形成光学元件的同时，将光学元件压配合到支架的圆柱形内圆周表面上，这样，可防止光学元件内部的不均匀内应力的发生，并可防止碎片等的发生。此外，通过将光学元件压配合到支架通孔的内圆周表面的整个圆周上，确保了支架和光学元件之间的气密性。
这时，通过使模子的模制表面具有这样的形状，即不接触支架或模子的部分存在于模压完成时点的模制光学元件的外围边缘部分中，并且，对于支架通孔圆柱形部分的内径的变化，通过在预定的范围内改变不接触支架或模子的光学元件的部分边缘部分的形状，可使填充玻璃原材料的体积保持常量。
特别地，不接触支架或模子的部分外围边缘部分是角部的圆角部分，在所述角部处，包括外围边缘部分的平面和外圆周表面的表面相交，并且其曲率半径被改变。
若在光学元件的模制期间所填充的玻璃原材料的体积不适当，将会引起过大的应力、模制失败或不能附着在支架上等问题。尽管具有透镜表面的部分的形状不能被改变，如果不接触支架或模子的部分留在外围边缘部分中，由于这些部分的形状可进行一定程度的改变，因此，利用这些部分，可避免上述问题的发生，同时可使填充玻璃原材料的体积保持常量。
再者，类似地，在用于制造带有支架的光学元件的方法中，优选的是，支架通过第一机械装置相对任一模子被保持在预定位置，当压制完成时两个模子之间的距离由第二机械装置确定为预定值。
通过这种机械装置，在根据支架内侧模制后，光学元件的位置可被精确地确定，而不使用电子控制装置或类似装置。
通过上述的本发明，通过基于线性膨胀系数的关系适当地选择玻璃原材料和支架材料，以及根据压配合的内圆周表面的形状及其精度适当地设置玻璃原材料的体积，可提供一种带有支架的光学组件，其具有较小的残余内应力，因此其偏振性质是优良的，其中在光学元件的边缘部分很少产生碎片或破裂，并且所述光学组件具有优良的气密性。而且，通过将这些与半导体光学元件相结合，还有可能提供具有良好可靠性的小尺寸光学组件。
图1为本发明的实施例的带有透镜支架的模制透镜的剖视图；图2为本发明的模制透镜的剖视图；图3A和3B为本发明的模制透镜的外形图；图4为本发明的透镜支架的剖视图；图5为用于说明透镜部分的视图；图6A、6B和6C示出了透镜的外围边缘部分的形状的剖面图；图7是本发明的制造带有透镜支架的模制透镜的设备的示意图；图8为模制装置的中心部分的示意图；图9示出了完成模制后的状态；图10为用于半导体光学元件的带有透镜支架的模制透镜的剖面图；图11为带有准直透镜的半导体光学元件的剖视图，和图12为带有聚光透镜的半导体光学元件的剖视图。
具体实施例方式
作为本发明的带有支架的光学组件的最优选的实施例，在下文中，将描述固定到金属透镜支架上的玻璃模制非球面透镜。然而，本发明的实施方式并不限于此。除了各种类型的透镜外，本发明还广泛地适用于带支架的光学组件，其中，使用通过模制制造的各种类型的光学元件，诸如曲面反射镜和棱镜等，在使用时将其固定到具有通孔的支架上。
(透镜形状设计)图1为本发明的固定到金属透镜支架20的非球面透镜10的剖视图，透镜包括透镜的光轴15。图2为仅有非球面透镜10的剖视图，同样地，所述透镜10包括透镜的光轴15，图3A和3B为非球面透镜的外形图。此外，图4为金属透镜支架20的剖视图。
作为透镜的外形，沿垂直于光轴15方向的剖面为圆形，成为光线的折射面(透镜表面)的表面形状根据使用目的由光学设计软件进行优化设计。因此，可计算出透镜表面10a和10b的形状、透镜的厚度Th、透镜直径D、透镜的有效直径Dea和Deb、挠度量Za和Zb等。这些物理量所对应的透镜部分的尺寸如图2所示。
这里，透镜的有效直径是指有效部分的直径，当光线通过该透镜时，在有效部分处，透镜具有其光学功能的透镜作用。在某种情况下，如在本例子中，当所设置的透镜在两个透镜表面之间有不同的折射能力时，两透镜表面之间通常具有不同的有效直径。该有效直径还可被考虑为通过模制变形为所希望的形状的区域。
发明人的实验研究发现，有效直径De相对透镜直径D满足以下表达式(1)的关系是理想的，其中，De是大于Dea和Deb的值。
De(mm)≤D(mm)-0.3(1)对于这种透镜，设置有称作边缘12的部分，也就是说，所述边缘12起到透镜边框的作用。边缘12为盘形部分，其被设置在有效直径的外侧以便围绕透镜，并且所述边缘12具有固定厚度。如图3A所示，透镜在透镜表面外侧具有平面部分12a，以及透镜具有与所述透镜表面垂直相交的透镜的最外圆周表面12b。当透镜形成后，通过该边缘12将透镜粘结、固定或用类似方法连接到支架上。也就是说，边缘12的外圆周表面12b以紧配合方式被固定到如图4所示透镜支架20的通孔22的内圆周表面24上，并达到图1所示的模式。此外，当单独操作透镜时，通过抓住周边边缘部分12，可防止发生诸如污染和擦伤透镜表面的不便。
在图2或图3A和3B所示出的透镜是通过一体地模制同质玻璃原材料制成，根据形状将透镜分为具有透镜表面的两个部分16a和16b以及边缘12的部分，如图5所示。包括透镜表面10a和10b的部分16a和16b为固体，其形状为从大体上为球体(其不是精确的球体，由于透镜表面是非球面的)上切掉的部分，边缘12具有扁圆形，并且其外圆周角部分具有圆角形。该圆角形部分称作倒角14。
由于边缘12的外圆周表面12b为压配合到透镜支架的内圆周表面24上的部分，并因此支撑透镜，优选的是，将其厚度A和倒角14的曲率半径设置为下述表达式的范围，以便透镜可被认为是稳定的刚体。通过使用这些计算值进行基本透镜的形状设计，能够制造出作为稳定刚体的模制透镜。
实验发现A/D≥0.25 (2)透镜的厚度为Th(mm)，确定边缘12的理想厚度A(mm)以满足A/Th≥0.5(3)此外，理想的是，设置倒角14的曲率半径R(mm)与边缘厚度A之间的关系为以下范围0.1≤R≤(A-0.25)/2(4)并且与透镜直径D和有效直径De之间的关系为以下范围0.1≤R≤(D-De)/2-0.025(5)最理想的是确定R满足表达式(4)或表达式(5)的较窄的范围。
若由不满足这些基本透镜形状条件的尺寸设置来制造模制透镜，会导致压配合强度降低，以及涉及脱落和破裂之类的麻烦。
用来固定上述形状的透镜的透镜支架20具有如图4所示的基本形状。用于插入和装配透镜的通孔22被设置在透镜支架20的主体中。固定透镜以便该通孔的方向(总长度H)与透镜的光轴方向相一致。在该通孔中，对于紧配合到透镜边缘的内圆周部分24，设置有圆柱形部分，所述圆柱形部分的剖面形状的直径Di不随位置而变化。优选的是，为便于在模制前填充玻璃原材料，除了圆柱形部分以外的部分，即接近支架表面的部分被设置为锥形。然而，在通孔的内侧不设置突出部分或类似部分是本发明的一个特点。
为了将模制的透镜压配合到透镜支架的内圆周表面24上以形成整体，透镜体积与透镜支架容积之间的关系必须是适当的。若填充的玻璃原材料量过多，在模制期间会产生突出或类似物，并引起透镜碎片或类似问题。另一方面，若玻璃原材料的量不足，在透镜和支架之间的附着力就会不足。
与此同时，透镜支架的通孔的直径具有加工容差，在支架的容积方面会发生一定程度的不均衡。尽管玻璃原材料的体积可通过重力来调整，但不可能根据支架容积的变化来调整玻璃原材料的体积。下文中，将描述一种方法，通过该方法，甚至在存在支架的容积不均衡时，也可将填充玻璃原材料的体积保持在常量上。
为了抑制一种透镜的光学特性的不均衡性，包括透镜表面10a和10b的部分16a和16b的体积误差必须非常小。因此，这部分16a和16b的体积没有调整余量。
另一方面，对于边缘部分12的体积，固定的公差可以接受。图6A至6C示出了边缘部分12的体积变化的示意图。如图6B和6C所示，边缘部分的体积根据倒角14的曲率半径R的尺寸而变化，由于这部分在固定范围内的变化不会对透镜的光学特性及对支架的附着力产生很大的影响，所以可承受微小的体积误差。
也就是说，确定透镜的体积，以便倒角14的曲率半径R在表达式(4)或(5)所允许的范围内。如下面将描述的那样，通过模制球形玻璃原材料来制造本发明的透镜。因此，若忽略模制过程中材料的收缩或类似性质，可以认为模制后透镜的体积和玻璃原材料的体积是相等的。
另一方面，若已知所使用的透镜支架通孔的内圆周表面的内径尺寸的变化范围，可确定模制后的透镜的体积范围，以便使模制的透镜可被压配合到支架的内圆周表面上。在模制中，通过填充具有该范围内的体积的玻璃原材料，甚至当透镜支架的通孔的容积变化时，透镜表面的形状与透镜和透镜支架之间的附着力也不会变化。
更一般而言，模子的模制表面被设置为下述形状不接触支架或模子的部分存在于在模压完成的时点模制的光学元件(透镜)的外围边缘部分中。对于支架通孔的圆柱形部分的内径的变化，通过在允许的范围内变化光学元件的外围边缘部分的不接触支架或模子的部分的形状，填充玻璃原材料的体积可保持为常量。
然而，所述模制和与支架的压配合过程在作为原材料的玻璃的屈服点附近的温度下进行。因此，玻璃原材料和支架材料因其热膨胀而改变体积。所以，如上所述，若在调整原材料的体积时而不考虑热膨胀的影响，可能发生下述麻烦在加热或冷却过程中，透镜从支架接受过多的大应力，从而发生破碎和变形或类似问题，或者相反，透镜不能被固定到支架上。
具体而言，由主要在冷却过程中发生的玻璃原材料和支架之间的收缩的不同，若玻璃原材料的线性膨胀系数大于支架材料的线性膨胀系数，前者的收缩程度大于后者的收缩程度，则透镜不能被充分地压配合到支架的内圆周表面上。
另一方面，若玻璃原材料的线性膨胀系数较支架的线性膨胀系数而言过小，则在冷却期间由支架固定的透镜过大，并且内应力残留，透镜的光学性能特别是偏振特性会发生下降的现象，而且，在透镜的内部或表面会发生裂纹。
因此，选择用于透镜和支架的原材料，使两者线性膨胀系数保持固定关系是很重要的，这种关系具体地由下式示出0＜(透镜支架的线性膨胀系数-玻璃原材料的线性膨胀系数)≤20×10-7(/℃)(8)在具体的例子中，使用线性膨胀系数为102×10-7/℃的玻璃原材料作为模制材料。至于支架材料，使用诸如SF20T或SUS430的铁素体不锈钢。线性膨胀系数分别为110×10-7/℃和114×10-7/℃，其满足上述表达式。铁素体不锈钢普遍熟知的易削钢，其易于切削。
(透镜制造方法)
图7至图9示出了用于制造透镜的模制装置的示意图，所述透镜为在上述条件下的本发明的实施例。图7是包括作为驱动部分的活塞60的模制装置的示意图。尽管图中被省略，事实上，用玻璃原材料16填充的这些部件(模制单元)被放置在具有氮气气氛的密闭空间中，并布置用于控制温度的加热器使其接触基座50。图8为模制单元的中心部分的放大视图。图9示出了将玻璃原材料模制成透镜10后，将其压配合到支架20的内圆周表面上的情况。
作为模制过程的步骤，将透镜支架20插入到内套筒40的圆柱内侧，所述内套筒40例如根据下模34的结构被加工为图7所示的形状。下模34经内套筒40被插入到该透镜支架20的通孔中，以由通孔和下模支撑的方式填充球形玻璃原材料16。
如图9所示，在内套筒40的内孔设置有台阶，通过该台阶，确定了透镜支架20相对于下模34的位置S。通过这种机械装置，可适当地设置透镜和透镜支架的相对位置x。
以挤压如此调整的下模34和玻璃原材料16的方式，将上模32插在外套筒46中。上模32可自由地沿着轴向在外套筒46的圆柱通孔内侧滑动。
将组装完成的这些部件固定到称作基座50的有台阶的柱形支撑基座上。而且，在基座50上，例如，如图7所示，安装金属或陶瓷盖52。通过这些过程，完成了包括模子和玻璃原材料的模制单元。通过固定基座50以保持盖52的轴向为垂直方向，可运载模制单元，并且，模制单元可在模制装置中运载或从模制装置中取出后被运载。
制备完成的模制单元放置在充满氮气气氛的密闭空间中，并通过与基座相接触的表面上的加热器加热到预定温度。预定的温度是指玻璃原材料可变软从而变为可模制的状态而不会引起诸如裂纹之类碎裂现象的温度，该温度可由玻璃原材料的性质来确定。气氛温度通常达到约400℃，因此，需要保持氮气气氛以防止模制单元的氧化。
此外，由于上述的高温区域，诸如结构材料之类具有足够刚度且其热膨胀相对较小的材料可应用于上模32和下模34，此外，为了提高玻璃原材料的模制可靠度，脱模剂膜可涂敷到如图8所示的上和下转移面32a和34a的前表面上。在一个例子中，上模32和下模34用由以碳化钨为代表的特级钢材料制成，对于脱模剂膜，主要选择钨(W)-或铬(Cr)基氧化或氮化物材料。
在模制过程中，在氮气气氛中加热模制单元中的玻璃原材料16以达到预定的温度范围，以便充分地软化玻璃原材料16使其变为不会引起诸如裂纹等玻璃的碎裂现象的状态。接着，如图7所示，使用活塞60沿箭头所示的方向压上模32，对于活塞60要适当控制其压力。
根据优化设计以便获得理想的光学性能的透镜的厚度Th来确定通过上模32进行的模制操作的终止点。因此，尽管可采用由包括操作模式的计算机或类似控制器来控制活塞60的操作端的方法，在本例子中，如图7所示，活塞60的上部的直径较盖52要大，将活塞上部与盖52的上端面相接触的时点设置为模制操作的机械终点。因此，通过改变盖52的总高度，可得到所希望的透镜厚度Th。该方法的优点为结构简单，不需要复杂的设备控制。
在通过活塞60的模制已达到适当端点的条件下，玻璃原材料被上和下模32和34的转移面32a和34a所模制，向外膨胀的玻璃原材料被压配合到透镜支架20的内圆周表面上。从而得到由图9的示意图所示的透镜10的最后形状。如上所述，通过模制单元中内套筒40内侧的台阶，事先调整透镜支架相对下模34的位置S，还可适当地保证透镜支架和透镜轴向的相对位置x。
这里，加工上模32和下模34的模制表面的形状，以便可正确地成形所设计的透镜表面10a和10b，并且通过加工上模32和下模34的模制表面的形状，以便在这些透镜表面的外侧形成外围边缘部分12的平面部分。这里，如图9所示，当完成模制时，在透镜支架20通孔的内圆周表面和上模32和下模34的模制表面之间存在间隙。因此，可在模制透镜的表面上提供不接触透镜支架的内圆周表面或上和下模的模制表面的部分。
已通过模制和压配合与透镜支架形成一体的包括透镜10的模制单元在保持图9的“压制”条件的状态下从模制装置中取出，并且被充分冷却。之后，与透镜支架20形成一体的透镜10被从模制单元中取出，从而得到图1所示形状的带有支架的非球面透镜。
模制装置的结构不限于上述的例子。更一般而言，通过提供一种机械装置，用于使支架相对任一模子保持在预定位置，并且提供一种机械装置，用于确定压制在预定值被完成时两个模子之间的距离，就可以以较优的重复性确定透镜沿光轴方向在透镜支架内的位置和透镜的形状。通过用所述机械装置进行定位，不必对模制装置增加诸如计算机控制的复杂装置。
(例子1)在下文中，示出了根据本发明的具体例子。透镜形状与图2或图3A和3B所示的形状基本相同，并且透镜被固定到图4所示形状的透镜支架上。下面将描述本例子的透镜形状和透镜支架形状。
对于非球面透镜的形状，挠度量Z由到透镜中心的半径距离r的多项式来表示Z＝Th+ar2+br4+cr6+dr8，和非球面系数a、b、c和d被分别设置为表1中的值。
此外，表2中示出了透镜支架各个部分的尺寸和工序容差。
作为用于透镜的原材料，线性膨胀系数为102×10-7/℃的玻璃被加工成球形并被使用。作为透镜支架材料，使用铁素体不锈钢SF20T。其线性膨胀系数为110×10-7/℃。
为了制造上述规格的透镜，确定将要被填充的玻璃原材料的体积。由于De＝Dea＝1.54mm，D＝1.985mm(考虑到表2所示的透镜支架的通孔内径的公差)，D-De＝0.445mm，其满足表达式(1)的条件。
当这些值代入表达式(4)和(5)时，可得到R的两个范围。
由式(4)，0.1≤R≤0.239mm由式(5)，0.1≤R≤0.198mm在这些式子中，通过选择较窄的范围，R的范围被确定为0.1≤R≤0.198mm。
如果透镜支架的内圆周表面24和透镜边缘的外圆周表面12b紧配合，边缘部分的体积Vk可由D、A和R表示为Vk(mm3)＝4πR3/3+2πR((D-2R)/2)2+π2((D-2R)/2)R2+π(D/2)2(A-2R) (6)在R的上述范围中，当使用上述表达式(6)来确定Di的公差范围内的边缘部分的体积Vk时，可得到表3所示的值。
另一方面，当将透镜部分16a和16b的体积设置为Va和Vb时，整个透镜V的体积可由下式来提供V＝Va+Vb+Vk(7)当根据表1所示的形状来计算透镜部分16a和16b的体积Va和Vb时，Va＝0.315mm3Vb＝0.063mm3如上所述，当由表达式(7)计算透镜体积B时，可得到表4所示的值。因此，当通孔的内径Di＝1.985mm时，玻璃原材料的体积在范围2.530至2.604mm3内，当Di＝1.995mm时，玻璃原材料的体积在范围2.552至2.627mm3内。因此，如果因所使用的透镜支架的通孔内径的公差而引起的体积误差被倒角曲率半径所吸收，则足以选择上述范围的重叠部分，即，范围2.55至2.60mm3。可通过测量其重量并用重量除以比重来简单地确定球形玻璃原材料的实际体积。
注Z＝Th+ar2+br4+cr6+dr8，[表2]
(例子2)在本例子中，制造了如图10所示的这种光学组件，其中，与上述例子1的形状基本相同的透镜10被固定到支架100上。尽管固定透镜10的透镜支架部分120在结构上与例子1相同，该支架100的不同之处在于，其下部具有较大内径的圆柱形部分122。
通过设计和制造这样的光学组件，如图11或12所示，可提供其中带有一体形成的半导体激光器基片70和透镜的光学元件。基片70被粘结到基座72上，并且基片上的导线74与电极相连。在该基座72的表面上，如图10所示的其上固定有透镜的透镜支架的直圆柱形部分122被覆盖，并且通过焊接或类似连接将其接触点76进行气密封闭。在此之前，将诸如He的惰性气体填充到空腔部分124中，所述空腔部分124在圆柱形部分的内侧。由于将图11所示的透镜110设计为具有无限共轭比率(infiniteconjugate ratio)的透镜以使由半导体激光器发出的光变为平行光，由透镜110出来的光变为平行光束90。
在图12的例子中，将透镜210设计为具有单位共轭比率(unit conjugateratio)的透镜以会聚由半导体激光器发出的光，在这种情况下，例如，可将会聚光束92耦合到光纤80上。
此外，基片70并不限于半导体激光器，也可以是其它发光元件，例如，发光二极管、超极发光二极管或类似发光元件。此外，它也可以是光接收元件。在光接收元件的情况中，来自外部的平行光可被会聚到光接收基片上，或者由光纤发射的发散光可被会聚到光接收基片上。再者，对于具有较宽光接收区域的元件，准直光可以作为入射光。
这里，如上所述，通常，将惰性气体填充在空腔部分124的内部，这是为了保护内部发光/光接收芯片不受外部环境的影响和防止氧化。根据本发明的光学组件，由于在透镜支架的内圆周表面上不产生过多压力的情况下，对透镜进行压配合和一体成形，所以，气密性良好，而且，通过可靠地气密密封透镜支架的圆柱形部分122和基座72，可容易地实现发光/光接收芯片与外界环境完全隔离的状态。
在上述实施例和例子中，尽管作为例子描述了非球面凸透镜和透镜支架集成在一起形成的光学组件，但本发明并不限于此。透镜可为球面透镜，并且可以是凸透镜或凹透镜。此外，它也可以是诸如菲涅耳透镜的衍射光学元件。再者，本发明可广泛地应用于各种类型的光学组件，其中，除了透镜外，在将诸如曲面反射镜和棱镜的各种类型的光学元件固定到支架上的同时使用所述光学元件，所述各种类型的光学元件可通过模制形成。
权利要求
1.一种光学组件，所述光学组件包括通过模制玻璃而得到的光学元件，所述光学元件包括提供光学功能的有效部分和外围边缘部分，所述外围边缘部分突出以围绕所述有效部分；具有通孔的支架，所述光学元件被固定到所述支架上；其中，通孔的内表面形成为直圆柱形的形状，外围边缘部分的外圆周沿着整个内表面的圆周被紧配合到该内表面上。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，沿着垂直于光学元件的光轴方向的方向，有效部分的剖面形状和外围边缘部分的外圆周的剖面形状为圆形，和有效部分的剖面形状的直径De和外围边缘部分外圆周的剖面形状的直径D之差被设定为0.3mm或更大。
3.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，外围边缘部分沿光轴方向的厚度A与外围边缘部分的外圆周的直径的比率A/D被设定为0.25或更大，和厚度A与光学元件的最大厚度Th之间的比率A/Th为0.5或更大。
4.根据权利要求3所述的光学组件，其特征在于，所述外围边缘部分包括与光轴垂直的表面和与光轴平行的外圆周表面；与光轴垂直的表面之一与外圆周表面相交的角部以曲率半径R被圆化，并且曲率半径R的范围为0.1≤R≤(A-0.25)/2其中R和A的单位为mm。
5.根据权利要求3所述的光学组件，其特征在于，所述外围边缘部分包括与光轴垂直的表面和与光轴平行的外圆周表面；表面之一与外圆周表面相交的角部以曲率半径R被圆化，并且基于光学元件的有效部分的直径De和外围边缘部分的外圆周的直径D，曲率半径R的范围为0.1≤R≤(D-De)/2-0.025其中R、D和De的单位为mm。
6.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述支架的线性膨胀系数大于用于模制所述光学元件的玻璃原材料的线性膨胀系数，并且它们之间的差值为20×10-7/℃或更小。
7.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光学元件包括透镜。
8.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，所述透镜为非球面凸透镜。
9.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，提供其中插入和固定半导体光学元件的圆柱形部分，以便与固定透镜的支架通孔连接；所述半导体光学元件被气密密封在所述圆柱形部分中；和确定透镜和半导体光学元件之间的距离，以便使半导体光学元件发出的光被会聚或被准直，或者使半导体光学元件接收的光被会聚或被准直。
10.一种用于制造带有支架的光学组件的方法，包括步骤将一对模子插入支架中，在所述支架中，至少部分地形成具有直圆柱形部分的通孔，使所述一对模子从通孔的相对侧互相相对；在成形空间中模压玻璃原材料，从而形成光学元件，所述光学元件包括提供光学功能的有效部分和外围边缘部分，所述外围边缘部分突出以围绕所述有效部分；其中，外围边缘部分的外圆周在支架通孔圆柱形部分的内表面的整个圆周上被紧配合到所述内表面上。
11.根据权利要求10所述的制造光学组件的方法，其特征在于，由模子形成的模制表面被设置成这样的形状，使得当模压完成时一部分外围边缘部分不接触支架和模子，和不接触支架和模子的一部分外围边缘部分的形状根据所述圆柱形部分的内径的变化在预定的范围内变化，以便将填充玻璃原材料的体积保持为常量。
12.根据权利要求11所述的制造光学组件的方法，其特征在于所述不接触支架和模子的一部分外围边缘部分在垂直于光轴的表面之一和平行于光轴的外圆周表面相交的角部处被圆化，并且其曲率半径被改变。
13.根据权利要求10所述的制造光学组件的方法，其特征在于，所述支架通过第一机械装置相对任一模子被保持在预定位置，当压制完成时两个模子之间的距离由第二机械装置确定为预定的值。
全文摘要
作为本发明的方法，首先，在光学元件上，提供盘形外围边缘部分，所述盘形外围边缘部分在围绕具有光学功能的有效部分的同时从有效部分突出到外侧。而且，在支架的通孔的一部分处，设置直圆柱形部分。接着，将外围边缘部分的外圆周在整个圆周上紧配合到通孔的圆柱形部分的内圆周表面上。
文档编号C03B11/08GK1645166SQ20051000389
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月19日 优先权日2004年1月22日
发明者田中裕之 申请人:日本板硝子株式会社