CN100568036C - 使用与金属架相结合的光透射元件的光学组件 - Google Patents

使用与金属架相结合的光透射元件的光学组件 Download PDF

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Abstract

本发明的光学组件包括光透射元件(例如光学透镜)，所述光透射元件的周壁借助结合材料(例如低熔点玻璃)部分地结合到金属架，其中，当光透射元件结合金属架时，应力通常是在压力方向上被施加到光透射元件。所述光透射元件被插入金属架的通孔中，而且结合材料被保存在一个贮料池中，所述贮料池是通过一个带锥度部分实现的，所述带锥度部分形成为接近金属架通孔的一端。这样就可以防止拉应力施加到光透射元件；由此，可以避免光透射元件中产生裂纹和裂缝；并且无论环境温度怎么改变，都可以避免光学特性发生误差，因此光学组件的可靠性得到提高。

Description

使用与金属架相结合的光透射元件的光学组件
本申请是三菱电机株式会社、雅马哈株式会社于2004年9月20日向中国专利局提交的名称为“使用与金属架相结合的光透射元件的光学组件”的申请号为200410082528.4的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学组件，其中，光透射元件例如透镜的周壁借助结合材料部分地结合到金属架，而且本发明还涉及用于固定光透射元件的金属架。
背景技术
在现有技术中，光学器件(或光学组件)被设计成使光透射元件例如透镜可以借助低熔点玻璃而结合到金属架。附图5显示了在日本专利申请出版物NO.H02-281201中公开的上述光学装置的一个例子。附图5所示的光学装置40是使用光透射元件41制造的，所述光透射元件是由光学透镜制成的，所述光学透镜的热膨胀系数为120×10-7/℃，而且所述光透射元件被设置在金属架42的内部，所述金属架是由不锈钢制成，所述不锈钢的热膨胀系数为170×10-7/℃，然后所述光透射元件借助低熔点玻璃43结合到金属架42，所述低熔点玻璃包括PbO-B2O3，其软化点是350℃，其热膨胀系数是110×10-7/℃。
在包括光透射元件41和金属架42的所述光学装置40中，可以用粘合剂或由铅和锡制成的合金焊料来替换低熔点玻璃43。粘合剂通常具有一个很高的吸湿属性，因此，使用这种粘合剂的光学装置40在某些环境条件下变得易碎。此外，较低的玻璃位错温度减少了使用粘合剂的光学装置40的可允许使用的温度范围，并且所谓的“放气现象”就会发生。这就引起一个问题，即使用粘合剂的光学装置不会满足长期可靠性的要求。
由铅和锡制成的合金焊料具有较低的熔点；因此，当一定负载例如重力被正常地施加到光学装置的焊接部分时，蠕变现象就很容易发生，在这种蠕变现象中，焊料在过了一段时间后会发生变形。换句话说，当光透射元件41和金属架42使用合金焊料固定在一起时，经过一段时间后，光透射元件41的位置就会改变；因此，在长时间后，很难确保光学系统的稳定性。此外，合金焊料的热膨胀系数是250×10-7/℃，其大大地不同于光透射元件41的热膨胀系数120×10-7/℃。
由于热膨胀系数存在上述的差异，因此当光透射元件41借助合金焊料固定到金属架42时，在合金焊料冷却期间，就会有一个应力施加到光透射元件41，这样便引起光透射元件41中的裂纹和双折射。由于电子电路等加热过程会引起温度变化或周围温度的变化，所以会有拉应力和压应力重复地施加到焊接部分。进一步说，热疲劳会引起焊料中产生裂纹，因此光透射元件41会在位置上和光轴上发生改变。由于上述原因，所以光学装置40被设计成使用低熔点玻璃43。
近来的技术在形成薄膜的过程中引入了真空蒸发，所述薄膜包括氟化镁(MgF2)，因此，抗反射膜被形成在光透射元件(例如光学透镜)的入光表面和出射表面上，由此可以避免光的不想要的反射，因此可以提高透射率。附图6显示了使用光透射元件51的光学器件50，通过在光透射元件51上形成一个抗反射膜54，所述光透射元件51的透射率得到了提高。附图6的光学装置50制造成使具有抗反射膜54的光透射元件51可以被设置在金属架52的内部，然后可以借助低熔点玻璃53结合到金属架52。
抗反射膜54的耐热温度是400℃或更少。但是，通常用作低熔点玻璃53的PbO-B2O3材料很难减少到450℃或更少的燃点；换句话说，低熔点玻璃53的燃点很难减少到等于或更少于抗反射膜54的耐热温度。考虑到环境保护的因素，它要求有害材料例如PbO应该从低熔点玻璃53中去除。但是，所述低熔点玻璃53除了具有结合光透射元件51和金属架52的多个表面外，还具有被暴露到空气中的一个表面(或多个表面)。这可能会加速低熔点玻璃53在高湿度环境中的恶化。
日本专利申请出版物NO.H08-259262中公开了另一种低熔点玻璃，这种低熔点玻璃容易在较低温度时燃烧，所述较低温度低于主要由含铅玻璃组成的低熔点玻璃43的熔点。此外，日本专利申请出版物NO.2003-40648中公开了另一种光学装置，其中，光透射元件通过使用低熔点玻璃而结合到金属架，所述低熔点玻璃中铅的含量是0.1重量百分比或更少。由于在所述光学装置的结构中，光透射元件是使用低熔点玻璃结合到金属架，而且所述低熔点玻璃铅的含量是0.1重量百分比或更少，所以燃点可以减少到400℃或更低；因此在确保理想的光透射性的过程中，可以提高可靠性。由于低熔点玻璃的铅含量较低，只有0.1重量百分比或更少，所以可以制造成对地球环境有利的光学装置。
但是，由于低熔点玻璃介入在上述文件公开的光学器件(或光学组件)中的光透射元件(例如光学透镜)和金属架之间，所以会产生一个问题，即光透射元件上的入射光的光学特性会发生改变。在此，可以通过提供一个将低熔点玻璃保存在金属架中的贮料池(bank)，而避免光透射元件的光学特性的不理想的降低，其中，可以实现这样的情形，即当光透射元件结合到金属架时，低熔点玻璃从光透射元件外围去除。但是，当介于光透射元件和金属架之间的间隙部分充满低熔点玻璃时，光学特性必然变差。
当光透射元件使用结合材料例如低熔点玻璃结合到金属架，换句话说，即当低熔点玻璃被添加在光透射元件和金属架之间时，因为所述部分的热膨胀系数之间的差异所产生的应力，光透射元件中会产生裂纹和双折射，从而产生一个问题，即消光比必然会变差。这个问题可以通过使用低熔点玻璃而得以解决，所述低熔点玻璃的热膨胀系数接近光透射元件的热膨胀系数。但是，因为由材料组合引起的拉伸张力的原因，在光透射元件表面上很容易产生裂纹或裂缝。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种具有高可靠性的光学组件，其中，当光透射元件结合到金属架时，没有拉应力被施加到光透射元件，由此可以防止光透射元件中产生裂纹和裂缝。
本发明光学组件设计成使光透射元件的周壁可以借助结合材料而部分地结合金属架，其中，当结合金属架时施加到光透射元件的应力通常指向光透射元件的压力方向，由此可以防止光透射元件中产生裂纹和裂缝。结果，无论环境温度怎么改变，都可以防止光学特性发生误差。因此，可以形成具有高可靠性的光学组件。
通过使用热膨胀系数为α1的光透射元件、热膨胀系数为α2的结合材料、和热膨胀系数为α3的金属架，可以实现上述内容。必要的是，要通过适当选择用于光透射元件、结合材料和金属架的材料，来满足α1＜α2＜α3的关系，由此当光透射元件结合金属架时，施加到光透射元件的应力通常指向光透射元件的压力方向。因此，即使当光透射元件的周壁部分结合金属架时，也可以可靠地防止光透射元件中产生裂纹和裂缝。
在上述内容中，适用于光透射元件、结合材料和金属架的规定材料最好应该以这样一种方式进行选择，即结合材料和光透射元件的热膨胀系数之间的差，即(α1-α2)处于5×10-7/℃到50×10-7/℃的范围内，而金属架和结合材料的热膨胀系数之间的差，即(α3-α2)处于5×10-7/℃到100×10-7/℃的范围内。此外，优选的是，光透射元件的热膨胀系数α1处于60×10-7/℃到80×10-7/℃的范围内，结合材料的热膨胀系数α2处于70×10-7/℃到90×10-7/℃的范围内，而金属架的热膨胀系数α3处于80×10-7/℃到100×10-7/℃的范围内。顺便说一下，优选的是，光透射元件在两个位置或更多位置上结合到结合材料，以便于确保较高的结合强度，其中，所述这两个位置对于光透射元件的中心轴是对称的。
光透射元件被插入到一个通孔中，所述通孔形成为沿着中心轴线穿过金属架，其中，用来保存结合材料的贮料池通过一个带锥度部分而实现，所述带锥度部分形成为接近关于光透射元件的金属架的通孔的一端，由此可以防止结合材料流入被插入金属架通孔一端的光透射元件中除结合部分之外的其它部分。换句话说，金属架具有用作贮料池的带锥度部分，所述贮料池充满足够量的结合材料。因此，可以制造出与金属架的结合强度以及气密性更好的光学组件。由于本发明可靠地防止结合材料流入被插入金属架通孔一端的光透射元件中除结合部分之外的其它部分，所以可避免光学组件的光学特性发生异常；因此，可以提供具有高可靠性的光学组件。
所述带锥度部分在被插入金属架通孔的光透射元件的插入方向上倾斜，由此结合材料的厚度会沿着带锥度部分的斜面而减小。这就允许湿的“熔化的”结合材料可以由于重力的原因，沿着金属架的带锥度部分流动，由此可以提高金属架结合光透射元件的结合属性；由此，可以制造出结合强度和气密性都更好的光学组件。当光透射元件带有一个抗反射膜(或AR涂层)时，有必要使结合温度低于抗反射膜的耐热温度。
优选的是，光透射元件由光学玻璃、光学晶体和陶瓷中的一种制成。光学晶体最好选自石英晶体、金红石(氧化钛)、石榴石、氧化铝(Al2O3)、铌酸锂(LiNbO3)、氟化钙(或氟石)(CaF2)、氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF2)、氟化钡(BaF2)、碘溴化铊(KRS-5)、溴氯化铊(KRS-6)、氯化钠(NaCl)、溴化钾(KBr)、氯化钾(KCl)、碘化铯(CsI)和硒化锌(ZnSe)等。
光学玻璃最好选自FK(氟硅酸盐冕玻璃)、PK(磷酸盐冕玻璃)、ZK(锌冕玻璃)、BaK(钡冕玻璃)、LaK(镧冕玻璃)、LF(轻火石)、SF(重火石)、LaF(镧火石)、和LsSF(重镧火石)等。特别的是，最好使用HOYA有限公司制造的TaF3(钽火石玻璃)。为了适应于其用途，光透射元件的形状可以适当选自例如圆柱形、球形、平面形和棱柱形。此外，考虑到光学透镜的材料和目标反射率等因素，最好在光学透镜的光学表面上形成抗反射膜，所述抗反射膜的材料选自SiO2、TiO2、ZrO2、Ta2O5等。在考虑所需光学特性和用途的情况下，可以作出关于在光学透镜上形成抗反射膜的决定。就是说，在光学透镜的一侧形成抗反射膜；在光学透镜两侧形成抗反射膜；或者没有抗反射膜形成在光学透镜上。
最好从有机粘合剂、低熔点玻璃和焊料中选取结合材料。有机粘合剂最好选自聚酰亚胺粘合剂、环氧粘合剂、UV(紫外线)粘合剂、丙烯酸粘合剂、和尿烷粘合剂等。此外，低熔点玻璃主要由SiO2或B2O3构成，其中最好添加Al2O3、PbO、Na2O、K2O、BaO、Li2O等。对于焊料，最好选择性地使用AuSn合金焊料、PbSn合金焊料、SnAgCu合金焊料等。当焊料用作结合材料时，有必要在光学组件外围区域设置一个金属层。
此外，用作金属架的材料最好选自Fe-Ni合金和Fe-Ni-Co合金。对于Fe-Ni合金，最好选择性地使用58Fe42Ni(或42合金)、55Fe45Ni(或者45合金)、52Fe48Ni(或48合金)、50Fe50Ni(或者50合金)、48Fe52Ni(或者52合金)、52Fe42Ni6Cr(或者426合金)、和47Fe47Ni6Cr(或者476合金)。对于Fe-Ni-Co合金，最好选择性地使用54Fe29Ni17Co、55Fe28Ni17Co和56Fe27Ni17Co。
如上所述，本发明提出了一种光学组件，其中，光透射元件的周壁借助结合材料而部分地结合到金属架，其中，应力通常在光透射元件的压力方向上被施加到光透射元件。因此，可以避免光透射元件中产生裂纹和裂缝。结果，即使当环境温度变化，也可以避免光学组件的光学特性发生误差；因此，可以提供具有高可靠性的光学组件。
附图说明
本发明的这些以及其它目标、方面和实施例将会结合以下附图进行更详细的描述，其中：
附图1A是一个光学组件的上视图，其中，光透射元件例如光学透镜，与金属架结合在一起；
附图1B是一剖面图，显示了所述光学组件在竖直穿过图1A所示光学组件中心的平面所切割而成的内部结构；
附图2A是光学组件在光透射元件与金属架完全结合之前的剖面图；
附图2B是光学组件在光透射元件与金属架完全结合之后的剖面图；
附图3A显示了用于比较的光学组件在光透射元件与金属透镜架结合之前的剖面图；
附图3B是附图3A所示光学组件在光透射元件与金属透镜架结合后的剖面图；
附图4A是附图2B所示光学组件在气密性试验中，被安装在氦泄漏探测器上的剖面图；
附图4B是附图3B所示光学组件在气密性试验中，被安装在氦泄漏探测器上的剖面图；
附图5是剖面图，示意性显示了现有技术中已知光学装置的结构，其中，光透射元件通过低熔点玻璃与金属架结合在一起；
附图6是剖面图，示意性显示了现有技术中已知光学装置的结构，其中，具有抗反射膜的光透射元件通过低熔点玻璃与金属架结合在一起；
附图7显示了对于每个不同样品的测试结果，所述测试是为了数出光学透镜经过回流和热试验后所形成的裂纹数量；以及
附图8显示了附图2B所示光学组件和附图3B所示光学组件分别进行气密性试验的结果。
具体实施方式
下面结合附图所示的实例，对本发明作进一步详细的描述。
下面结合附图1A，1B，2A和2B来描述一种光学组件，其中光透射元件例如光学透镜和金属架结合在一起。附图1A和1B用图解法显示了一个光学组件10，其中光学透镜11和金属架12结合在一起，附图1A是该光学组件的上视图；附图1B是一剖面图，显示了光学组件10在一竖直穿过图1A所示光学组件中心的平面所切割而成的内部结构。附图2A和2B显示了光学透镜11和金属架12结合的方法，附图2A是该光学装置10在光学透镜11与金属架12完全结合之前的剖面图；附图2B是该光学装置10在光学透镜11与金属架12完全结合之后的剖面图。
1.光学组件
如图1A和1B所示，光学组件10包含大致呈圆柱形的光学透镜11、用来将光学透镜11固定在规定位置的金属架(或金属透镜架)12以及熔化后可以将光学透镜11与金属架12结合在一起的低熔点玻璃(结合材料)13。在这里，光学透镜11上部的周壁通过低熔点玻璃13与金属架部分地结合在一起。
对于光学透镜11，可以使用两种类型的透镜，用参考符号“a1”和“a2”表示，其中，光学透镜a1包括热膨胀系数为65×10-7/℃的LaSF(重镧火石玻璃)，光学透镜a2包括热膨胀系数为33×10-7/℃的SiO2+B2O3+Al2O3(硼硅酸盐玻璃)。抗反射膜11a形成在光学透镜11的入光平面和出光平面上。抗反射膜11a的材料可以结合光学透镜11的材料以及“目标”反射率，从SiO2、TiO2、ZrO2以及Ta2O5中选取。为了满足所要求的特性和用途，可以用如下的方法来适当处理抗反射膜11a：抗反射膜11a形成在光学透镜11的两个光学表面，抗反射膜11a形成在光学透镜11其中一个光学表面，或者在光学透镜11上不形成抗反射膜。
金属透镜架12形成为圆柱形，而且具有一个通孔，所述通孔穿过其中心，其中，在其一端形成具有一个带锥度部分12b的斜切部分12a。如果金属透镜架12可能因为腐蚀而恶化，则最好在金属透镜架12的表面形成一个防锈层，所述防锈层是由抗腐蚀镍镀层制成。此外，由镍镀层制成的抗腐蚀层最好可以从金属透镜架12的与低熔点玻璃13结合的规定位置剥落。
对于金属透镜架12，可以使用11种类型的材料b1-b11，其中，b1包括Fe-Ni-Co合金(或者铁镍钴合金，54Fe29Ni17Co)。该合金的热膨胀系数(α3)是57×10-7/℃，由54％的Fe，29％的Ni，和17％的Co组成；b2包括热膨胀系数(α3)为170×10-7/℃的不锈钢(日本工业标准JIS下的SUS316)；b3包括热膨胀系数(α3)为175×10-7/℃的不锈钢(JIS下的SUS316L)；b4包括热膨胀系数(α3)为187×10-7/℃的不锈钢(JIS下的SUS304)；b5包括热膨胀系数(α3)是45×10-7/℃的合金(58Fe42Ni)，由58％的Fe和42％的Ni组成；b6包括热膨胀系数(α3)是75×10-7/℃的合金(55Fe45Ni)，由55％的Fe和45％的Ni组成。
此外，b7包括热膨胀系数(α3)是78×10-7/℃的合金(54Fe46Ni)，由54％的Fe和46％的Ni组成；b8包括热膨胀系数(α3)是88×10-7/℃的合金(52Fe48Ni)，由52％的Fe和48％的Ni组成；b9包括热膨胀系数(α3)是100×10-7/℃的合金(50Fe50Ni)，由50％的Fe和50％的Ni组成；b10包括热膨胀系数(α3)是105×10-7/℃的合金(48Fe52Ni)，由48％的Fe和52％的Ni组成；b11包括热膨胀系数(α3)是125×10-7/℃的合金(40Fe60Ni)，由40％的Fe和60％的Ni组成。
对于低熔点玻璃13，可以使用2种类型的玻璃粉末c1和c2。玻璃粉末c1主要由SiO2和B2O3组成，并添加了PbO，因此，可以将所述玻璃粉末调整至使其热膨胀系数(α2)为70×10-7/℃，玻璃的位错温度可以被调整到315℃，结合温度可以被调整到350℃。玻璃粉末c2主要由PbO(大约占70％)组成，并添加了SiO2和Al2O3，因此，可以将所述玻璃粉末调整至使其热膨胀系数(α2)为40×10-7/℃，玻璃的位错温度等于或低于300℃，结合温度可以被调整到350℃。上述的玻璃粉末c1(或c2)中添加了一种粘合剂，并且在压力加工后进行短暂的燃烧，这样就形成了一种低熔点玻璃的预型件。
2.光学组件的制造方法
下面将会详细描述用来制造光学组件10(参考符号A1-A11，B1和B2所指示的样品)的方法，该光学组件包括光学透镜11(a1，a2)、金属透镜架12(b1-b11)和低熔点玻璃的预型件13(c1，c2)。
首先，如附图2A所示，金属透镜架12被放入加热至300℃的气压炉内，并经过10分钟的氧化。然后，通过压力加工形成环状的低熔点玻璃预型件13被放入所述斜切部分12a的空间中，所述斜切部分形成在金属透镜架12一端。
上述几个部分被放入一个碳处理装置(没有表示出来)中，并被安排在一个回流炉(或一个加热炉)中，然后炉中被充入了含有40％的氮气和60％氧气的大气气体，其中，在回流速度50mm/min，温度递增速度10℃/min，最高温度500℃的条件下，进行约10分钟的热处理。这样，低熔点玻璃的预型件13就熔化了，所以，如附图2B所示，玻璃熔液沿着形成在金属透镜架12一端的斜切部分12a的带锥度部分12b流动，由此，斜切部分12a的空间中就充满了低熔点玻璃13。
此后进行的是退火处理，以消除光学透镜11和金属透镜架12结合时产生的剩余变形(或剩余张力)。在退火处理过程中，要在氮气中并在150℃的温度下进行100小时的热处理；然后，要进行冷却，以便温度以1℃/min的温度递减速度逐渐降低到室温。上述热处理的条件可以根据光学透镜11和金属透镜架12的尺寸和材料，以及低熔点玻璃的预型件13的材料和数量进行适当的重新调整。如上所述，光学组件10的不同的样品(A1-A11，B1和B2)的制造方法如下：
首先，比较例1(光学组件A1)使用热膨胀系数(α1)为65×10-7/℃的光学透镜(a1)、热膨胀系数(α2)为70×10-7/℃的低熔点玻璃预型件(c1)、和包括54Fe29Ni17Co合金(b1)的热膨胀系数(α3)为57×10-7/℃的金属透镜架12制成。比较例2(光学组件A5)使用包括58Fe42Ni合金(b5)的热膨胀系数(α3)为45×10-7/℃的金属透镜架12制成。比较例3(光学组件A3)使用包括SUS316L(b3)的、热膨胀系数(α3)为175×10-7/℃的金属透镜架12制造。比较例4(光学组件A4)使用包括不锈钢(JIS下的SUS304)(b4)的、热膨胀系数(α3)为187×10-7/℃的金属透镜架12制造。
第二，实施例1(光学组件A6)使用热膨胀系数(α1)为65×10-7/℃的光学透镜(a1)、热膨胀系数(α2)为70×10-7/℃的低熔点玻璃预型件(c1)、和包括55Fe45Ni合金(b6)的热膨胀系数(α3)为75×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例2(光学组件A7)使用包括54Fe46Ni合金(b7)的、热膨胀系数(α3)为78×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例3(光学组件A8)使用包括52Fe48Ni合金(b8)的、热膨胀系数(α3)为88×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例4(光学组件A9)使用包括50Fe50Ni合金(b9)的、热膨胀系数(α3)为100×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例5(光学组件A10)使用包括48Fe52Ni合金(b10)的、热膨胀系数(α3)为105×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例6(光学组件A11)使用包括40Fe60Ni合金(b11)的、热膨胀系数(α3)为125×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例7(光学组件A2)使用包括不锈钢(JIS下的SUS316)(b2)的、热膨胀系数(α3)为170×10-7/℃的金属透镜架12制成。
第三，实施例8(光学组件B1)使用热膨胀系数(α1)为33×10-7/℃的光学透镜(a2)、热膨胀系数(α2)为40×10-7/℃的低熔点玻璃预型件(c2)、和包括54Fe29Ni17Co合金(b1)的热膨胀系数(α3)为57×10-7/℃的金属透镜架12制成。实施例9(光学组件B2)使用包括55Fe45Ni合金(b6)的、热膨胀系数(α3)为75×10-7/℃的金属透镜架12制成。
3.冷热循环试验
对于上述光学组件A1-A11、B1和B2分别制造50个样品，并对其进行冷热循环试验(或温度循环试验)，从而证实它们的可靠性。在冷热循环试验中，光学组件被冷却至-40℃，并持续30分钟；然后，再被加热至85℃，并持续30分钟。这个循环将重复进行50次。在冷热循环试验后，利用放大率是50倍的光学显微镜对光学组件A1-A11、B1和B2的各50个样品中的每一个进行目测。
在上面的目测过程中，数出光学组件10的光学透镜11上产生的裂纹数，数出来的结果显示在附图7中。附图7还显示了光学透镜11就在低熔点玻璃13回流时与金属透镜架12(b1-b11)结合之后光学透镜11产生的裂纹数量。如果光学组件10在进行退火处理之后发生变形，在冷热循环试验中，这种变形会增大，以至很容易在光学透镜11上产生裂纹。可以根据裂纹的存在(或不存在)情况来估计在与金属透镜架12结合时，光学透镜11上发生变形的大小。
附图7清楚地显示出，在比较例1和比较例2(即光学组件A1和A5)中，由于光学透镜11与低熔点玻璃13相结合的表面裂缝造成了裂纹的发生。其中，热膨胀系数α1、α2、α3保持着α1＜α2＜α3的关系，金属透镜架12的热膨胀系数(α3)与低熔点玻璃13的热膨胀系数(α2)之差(即Δα＝α3-α2)小于5×10-7/℃(这里，Δα＜5×10-7/℃)。此外，在比较例3和比较例4(即光学组件A3和A4)中，由于从光学透镜11与低熔点玻璃13相结合处的表面指向光学透镜11内部的压缩力造成裂纹的发生。其中，Δα变得大于100×10-7/℃(这里，Δα＞100×10-7/℃)。
相比之下，在实施例1到实施例6(即光学组件A6到A11)、实施例7(即光学组件A2)以及实施例8和实施例9(即光学组件B1和B2)中，经过回流(或结合过程)或者冷热循环试验后，光学透镜11上没有出现裂纹，其中，热膨胀系数α1、α2、α3保持着α1＜α2＜α3的关系，并且金属透镜架12的热膨胀系数(α3)与低熔点玻璃13的热膨胀系数(α2)之差(即Δα＝α3-α2)介于5×10-7/℃和100×10-7/℃之间(这里，5×10-7/℃≤Δα≤100×10-7/℃)。也就是说，实施例1到9显示了好的结果。这是因为，当金属透镜架12的热膨胀系数与低熔点玻璃13的热膨胀系数之差介于5×10-7/℃和100×10-7/℃之间时，光学透镜11上的压力就很小，由此，可以避免光学透镜11上出现裂纹和裂缝。
上述结果表面，金属透镜架12的材料存在着α1＜α2＜α3的关系，并且热膨胀系数之差(例如Δα＝α3-α2)在5×10-7/℃和100×10-7/℃之间，其中，所述材料最好选自：热膨胀系数为75×10-7/℃的合金b6(55Fe46Ni)，热膨胀系数为78×10-7/℃的合金b7(54Fe46Ni)，热膨胀系数为88×10-7/℃的合金b8(52Fe48Ni)，热膨胀系数为100×10-7/℃的合金b9(50Fe50Ni)，热膨胀系数为105×10-7/℃的合金b10(48Fe52Ni)，热膨胀系数为125×10-7/℃的合金b11(40Fe60Ni)，热膨胀系数为170×10-7/℃的合金b2(SUS316)，热膨胀系数为57×10-7/℃的合金b1(54Fe29Ni17Co)，和热膨胀系数为45×10-7/℃的合金b5(58Fe42Ni)。
4.金属架的结合部分的结构
接下来要分析一下由于金属架结合部分的结构差异所带来的气密性的差异。为了便于比较，金属透镜架22如图3A所示一样被制造而成，所述架具有圆柱形状，并且由50Fe50Ni合金制成，其中，所述架具有一个斜切部分22a，所述斜切部分不带有前述的带锥度部分。如图3B所示，上述光学透镜11和低熔点玻璃预型件13被用来结合金属透镜架22，由此制造出一个光学组件20(或一个光学组件X)。
气密性试验通过利用如图4A和4B所示的氦(He)泄漏探测器30(由Shimazu制造有限公司制造的)，并使用十五套光学组件20和光学组件10(或光学组件A9，参见附图7中的实施例4)来进行。也就是说，光学组件A9通过一个如图4A所示的O形环32被设置在氦泄漏探测器30的一个开孔31上，而光学组件X通过如图4B的O形环32被设置在氦泄漏探测器30的开孔31上。在此，氦气被吹向光学组件A9(X)，然后被氦泄漏探测器30吸入。当光学透镜11和金属透镜架12(或22)之间形成有间隙以至于光学组件A9(X)不是气密性的时侯，就会有很大量的氦气流到氦泄漏探测器30中。上述气密性试验对十五个样品中的每个样品进行，所述十五个样品分别针对于光学组件A9和光学组件X而制成。结果被显示在附图8中。
附图8清楚地显示出，属于光学组件A9的所有样品都具有良好的气密性，然而属于光学组件X的大概三分之一的样品的气密性都不好。这是因为光学组件A9具有斜切部分12a，所述斜切部分在金属透镜架12一端带有带锥度部分12b，因此，当低熔点玻璃13被熔化时，熔化玻璃由于重力的原因会沿着带锥度部分12b向下流动。结果，由带锥度部分12b形成的空间中就充满了低熔点玻璃13，同时也保持了气密性。
在光学组件X中，形成在金属透镜架22一端的斜切部分22a不带有带锥度部分，这就使与金属透镜架22接触的低熔点玻璃13的浸润性变差，并且也使斜切部分22a中的低熔点玻璃13的向下流动性变差，由此在光学透镜11和金属透镜架22之间形成一个没有充满低熔点玻璃13的未填充区域。
上述说明是相对于这样两个实施例给出的，在一个实施例中，所述光透射元件包括LaSF(重镧火石)，其热膨胀系数(α1)为65×10-7/℃，而结合材料由一种低熔点玻璃制成，所述低熔点玻璃主要由SiO2和B2O3组成，其热膨胀系数(α2)为70×10-7/℃，并且添加有PbO，因此，热膨胀系数之间的差(即α2-α1)被调整到5×10-7/℃；在另一个实施例中，所述光透射元件包括硼硅酸盐玻璃(SiO2+B2O3+Al2O3)，其热膨胀系数(α1)为33×10-7/℃，而结合材料由一种低熔点玻璃制成，所述低熔点玻璃主要由PbO组成(大约至少70％)，其热膨胀系数(α2)为40×10-7/℃，，并且添加有SiO2和Al2O3，因此，热膨胀系数之间的差(即α2-α1)被调整到7×10-7/℃。
当然，结合材料和光透射元件的热膨胀系数之间的差(即α1-α2)不一定被限制到5×10-7/℃和7×10-7/℃。简而言之，有必要适当选择光透射元件和结合材料，使热膨胀系数之间的差(即α1-α2)处于5×10-7/℃到50×10-7/℃的范围内。如果热膨胀系数之间的差(即α1-α2)超过50×10-7/℃，那么过大的压应力就会被施加到光透射元件，由此，光透射元件中可能会产生裂纹，而且光透射元件的光学特性例如消光比会变差。此外，热膨胀系数之间的差(即α1-α2)最好不要低于5×10-7/℃，因为如果低于这个数值，光学组件的再现性就会有问题。
此外，光透射元件不一定要被限制到LaSF(即重镧火石)和硼硅酸盐玻璃(SiO2+B2O3+Al2O3)。也就是说，光透射元件最好选自光学玻璃、光学晶体和陶瓷，其中，热膨胀系数(α1)处于60×10-7/℃到80×10-7/℃的范围内。对于光学玻璃，最好选择性地使用TaF3(由HOYA有限公司制造的钽火石玻璃)、FK(氟硅酸盐冕玻璃)、PK(磷酸盐冕玻璃)、ZK(锌冕玻璃)、BaK(钡冕玻璃)、LaK(镧冕玻璃)、LF(轻火石)、SF(重火石)、和LaF(镧火石)等。特别的是，最好使用TaF3。
对于光学晶体，最好选择性地使用石英晶体、金红石(氧化钛)、石榴石、氧化铝(Al2O3)、铌酸锂(LiNbO3)、氟化钙(或氟石)(CaF2)、氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF2)、氟化钡(BaF2)、碘溴化铊(KRS-5)、溴氯化铊(KRS-6)、氯化钠(NaCl)、溴化钾(KBr)、氯化钾(KCl)、碘化铯(CsI)、和硒化锌(ZnSe)等。
结合材料不一定要被限制到低熔点玻璃，其中它可以选自有机粘合剂、低熔点玻璃和焊料，其中，热膨胀系数(α2)处于70×10-7/℃到90×10-7/℃的范围内。在此，有机粘合剂最好选自聚酰亚胺粘合剂、环氧粘合剂、UV(紫外线)粘合剂、丙烯酸粘合剂、和尿烷粘合剂等。此外，低熔点玻璃主要由SiO2或B2O3构成，其中最好添加Al2O3、PbO、Na2O、K2O、BaP、Li2O等。对于焊料，最好选择性地使用AuSn合金焊料、PbSn合金焊料、SnAgCu合金焊料等。
上述实施例被设计成使光学透镜(或光透射元件)11上部的周壁可以借助低熔点玻璃(或结合材料)而部分地结合到金属架12，其中，不一定是光学透镜选定部分的整个周壁都结合到金属架。也就是说，本发明可以这样实现，即光学透镜11的周壁的至少两个位置可以借助低熔点玻璃而结合到金属架12。
此外，上述实施例被设计成可以使用低熔点玻璃的环形预型件，它也可以用糊状的低熔点玻璃替换。
因为本发明可以用几种形式来实现，而且都不脱离本发明精神或必要特征，所以这些实施例只是示意性而非限制性的。因为本发明的范围是由权利要求书而不是由其前面的说明书限定，所以落在权利要求书界限和范围内的所有改变、或这些界限和范围的等同物都被认为是包含于权利要求书中。
本申请要求日本专利申请NO.2003-328452的优先权，该日本专利申请的内容在此被引作参考。

Claims (6)

1.一种光学部件，包括：
金属架，其热膨胀系数为α3；
光透射元件，其热膨胀系数为α1，所述光透射元件的周壁通过结合材料部分地结合到所述金属架，所述结合材料的热膨胀系数为α2；
其中，所述光透射元件、所述结合材料和所述金属架分别包括规定的材料，这些材料满足关系：α1＜α2＜α3；
其中，所述光透射元件的热膨胀系数α1的范围在60×10-7/℃和80×10-7/℃之间，所述结合材料的热膨胀系数α2的范围在70×10-7/℃和90×10-7/℃之间，所述金属架的热膨胀系数α3的范围在80×10-7/℃和100×10-7/℃之间。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述光透射元件在两个位置处通过所述结合材料结合到所述金属架，这两个位置相对于所述光透射元件的中心轴线是对称的。
3.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述光透射元件选自光学玻璃、光学水晶和陶瓷。
4.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述光透射元件包括光学玻璃，所述光学玻璃包括TaF3。
5.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述金属架由选自Fe-Ni合金和Fe-Ni-Co合金的规定材料制成。
6.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述结合材料选自有机粘结剂、低熔点玻璃和焊料。
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