CN1507570A - 光学透镜母材、光学透镜以及光学透镜的制造方法 - Google Patents

光学透镜母材、光学透镜以及光学透镜的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的光学透镜的制造方法包括以下工序：制作利用透光性材料形成柱状形状、同时具备相互平行的第1侧面(44)和第2侧面(46)、第1侧面(44)和第2侧面(46)中的至少一个侧面具有多个曲面部(43)的光学透镜母材的光学透镜母材制作工序，对光学透镜母材(40)在柱轴方向上进行线材拉伸处理的线材拉伸处理工序，以及按照所希望的长度切断经过线材拉伸处理的光学透镜母材(40)、以制作光学透镜的光学透镜制作工序。由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材(40)的多个曲面部(43)作为对入射光或出射光进行作用的光学作用部(43)起作用。

Description

光学透镜母材、光学透镜以及光学透镜的制造方法
                                 技术领域
本发明涉及对从发光元件射出的光进行作用的光学透镜以及光学透镜的制造方法。
                                 背景技术
已知有半导体激光元件作为排列有多个发光部的发光元件，作为对应此种半导体激光元件的光学透镜的制造方法，向来已知有应用精密模具的制造方法、或应用硅半导体制造工艺或LIGA工艺的制造方法。
                                 发明内容
但是，这种已有的光学透镜的制造方法中，要求的光学透镜的尺寸本身非常微小，因此形成将自半导体激光器阵列射出的各光线进行准直、聚光、或光路变换的光学作用部是非常困难的。
因此，本发明的目的在于，提供容易形成光学作用部的光学透镜的制造方法、光学透镜以及光学透镜用母材。
为了实现上述目的，本发明的光学透镜用母材是利用透光性材料形成柱状形状的线材拉伸处理用光学透镜母材，具备第1侧面、和设置于第1侧面相反侧的第2侧面，第1侧面和第2侧面中的至少一个侧面具有与柱轴方向平行地形成且互相接触地排列的多个曲面部。
采用这样的光学透镜母材，则由于利用线材拉伸处理形成具备具有多个曲面部的光学作用部的光学透镜，因此形成能够对自多个发光部排列的发光元件射出的各个光进行作用的光学透镜。
还有，所谓“与柱轴方向平行的曲面”是指，如图1A所示，垂直于柱轴方向20的任意剖面的形状为相同的弧的形状的曲面。
第1侧面和第2侧面最好形成凸曲面。线材拉伸处理工序往往是这样进行的，即通过线材拉伸处理，光学透镜用母材的第1侧面和第2侧面向内侧缩进，这样预先将第1侧面和第2侧面形成凸曲面形状，能够抑制线材拉伸处理引起的畸变的影响。
光学透镜用母材的多个曲面部最好是形成非球面。
本发明的光学透镜的制造方法包括以下工序：即制作上述任一种光学透镜母材的光学透镜母材制作工序，对由光学透镜母材制作工序制作的光学透镜母材在柱轴方向上进行线材拉伸处理的线材拉伸处理工序，以及按照所希望的长度切断由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材、以制作光学透镜的光学透镜制作工序；由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材的多个曲面部作为对入射光或出射光进行作用的光学作用部起作用。
又，本发明的光学透镜制造方法包含以下工序：即对上述任一种光学透镜母材在柱轴方向上进行线材拉伸处理的线材拉伸处理工序，以及按照所希望的长度切断由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材、制作光学透镜的光学透镜制作工序；由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材的多个曲面部作为对入射光或出射光进行作用的光学作用部起作用。
采用这样的光学透镜的制造方法，则能够在线材拉伸处理之前的母材阶段决定光学透镜的形状，特别是决定光学作用部的形状，因此能够以足够大的尺寸对将成为光学作用部的多个曲面部进行加工。还有，所谓“对光进行作用”是指使入射光改变其发散角度或汇聚角度后射出，或进行光路变换。
光学透镜制作工序也可对由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材，在相对于柱轴方向设置有倾斜角的状态下将其切断、以制作光学透镜。这样就可以制作作为光学作用部具有多个倾斜的曲面部的光学透镜。
光学透镜制作工序也可以包括：对由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材进行切断处理、以制作切断处理后的预成型件的第1切断工序，以及将由第1切断处理工序制作的切断处理后的预成型件切断为所希望的大小、以制作光学透镜的第2切断工序。还有，切断处理后的“预成型件(preform)”是即将制作光学透镜前的形成物，指光学透镜中间体。
第2切断工序也可以将切断后的预成型件在相对于柱轴方向设置有倾斜角的状态下切断、以制作光学透镜。这样就可以制造出具有多个倾斜的曲面部的光学透镜。
第1侧面及第2侧面都可具有多个曲面部，倾斜角可为45°。借助于此，可以制作能够射出相对于入射光、以其光轴为中心轴旋转90°后的出射光的光学透镜。
本发明的光学透镜是利用上述任一种光学透镜的制造方法制作的透镜。
又，最好是在上述光学透镜母材中还具备沿着柱轴方向在第1侧面和第2侧面两侧设置的一对凸缘部。
在不具有凸缘部的光学透镜母材中，第1侧面和第2侧面两侧、即光学透镜母材的两个边缘部在线材拉伸处理工序的时候多受加热影响，存在容易发生变形等问题，而本发明的光学透镜母材形成有一对凸缘部，由于凸缘部替代曲面部承受该加热的影响，因此曲面部容易避免加热的影响。
又，本发明的光学透镜母材对于具有相对的两个面的光学透镜母材，两个面中的至少一方具有多个筒面，这些多个筒面配置成沿着相同的方向延伸。
采用这样的光学透镜母材，则在线材拉伸处理之前的阶段就能够以充分大的尺寸决定光学透镜的形状，特别是决定光学作用部的形状，同时能够对成为光学作用部的筒面进行高精度加工。还有，利用线材拉伸处理方法加工这样的光学透镜母材，能够得到对入射光能够准确地作用的具备多个光学作用部的光学透镜。
在上述光学透镜母材中，最好是在两个面的两侧还具备沿着与筒面相同方向延伸的一对凸缘部。在不具有凸缘部的光学透镜母材中，相对的两个面的两侧、即光学透镜母材的两个边缘部在线材拉伸处理工序多受加热的影响，存在筒面上容易发生变形等问题，而本发明的光学透镜母材在其两个边缘部形成有一对凸缘部，凸缘部代替筒面承受该加热的影响，因此筒面容易避免加热引起的影响。
还有，本发明的光学透镜的制造方法包括：对上述光学透镜母材进行拉伸的线材拉伸处理工序，以及将由线材拉伸处理工序经过拉伸处理的光学透镜母材在所希望的位置切断、以制作光学透镜的光学透镜制作工序。
采用这样的光学透镜制作方法，则在线材拉伸处理之前的光学透镜的母材的阶段就能够决定光学透镜的形状，特别是决定光学作用部的形状，因此能够以充分大的尺寸对成为光学作用部的多个筒面进行高精度加工。从而，能够得到具有对入射光能够准确地进行作用的多个光学作用部的光学透镜。
上述光学透镜制造工序也可以包括：将由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材切断、以制作光学透镜中间体的第1切断工序，以及将光学透镜中间体切断、以制作光学透镜的第2切断工序。
                                 附图说明
图1A、B是示出实施形态的光学透镜制造方法的各工序的概略图。
图2A、B是示出实施形态的光学透镜制造方法的各工序的概略图。
图3A～3C是表示利用本实施形态的光学透镜制造方法制作的光学透镜的作用的图。
图4A是上述实施形态的光学透镜母材的剖面图，图4B是通过对图4A所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理形成的光学透镜的剖面图。
图5是其他实施形态的光学透镜母材的总体图。
图6A表示对图5所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理的工序，图6B表示利用图6A所示的线材拉伸处理工序得到的切断处理后的预成型件的局部放大图。
图7A是其他实施形态的光学透镜母材的剖面图，图7B是通过对图7A所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理形成的光学透镜的剖面图。
图8是示出使用图1A所示光学透镜母材的光学透镜制作方法的其他实施形态的线材拉伸处理工序的概略图。
图9是示出使用图5所示光学透镜母材的光学透镜制作方法的其他实施形态的线材拉伸处理工序的概略图。
                           具体实施方式
下面根据附图对本发明的实施形态进行详细说明。还有，以下的说明中对相同或相当的部分标以相同的符号，省略其重复说明。
图1A、B和图2A、B是示出本发明实施形态的光学透镜制造方法的各工序的概略图。如图1A所示，首先准备由透光性玻璃材料形成的光学构件，进行成型加工，使其成为具备第1侧面44、第2侧面46的柱状形状，将其作为光学透镜母材40(光学透镜母材制作工序)。作为透光性玻璃材料，使用例如BK7((ショツト公司制造)，折射率1.52，热膨胀系数71×10-7/K，屈服点614℃)。第1侧面44、第2侧面46平行于柱轴方向20形成。
在第1侧面44及第2侧面46上形成平行于柱轴方向20的多个相互接触的曲面部43。本实施例的光学透镜母材40中，这些曲面部43形成为凸曲面，但是也可以形成为凹曲面。多个曲面部43分别形成圆筒面等筒面，多个筒面配置成沿着相同方向延伸。还有，曲面部43也可以是非球面。该多个曲面部43是在线材拉伸处理后作为对入射光或出射光进行作用的光学作用部起作用的部分。图中，对这些曲面部和光学作用部标以相同的符号。
相当于多个曲面部43的两侧的光学透镜母材40的两个边缘部上，还形成有一对凸缘部48。光学透镜母材的两个边缘部在线材拉伸处理工序中多受加热影响，存在容易发生变形等问题，但是本实施形态的光学透镜母材中，形成有一对凸缘部48，凸缘部48代为承受该加热影响，因此多个曲面部43容易避免加热影响。
这样，采用线材拉伸方法的光学透镜制造方法中，在足够大的尺寸(例如宽度及高度为2～6cm，长度20～200cm)的光学透镜母材40的阶段，能够形成想要制作的光学透镜的形状，特别是形成光学作用部的形状，因此能够简单而且准确地进行这些工作。
还有，在日本专利公开特公平7-15521号公报中，公开了利用线材拉伸方法制造折射率分布型圆柱透镜(自聚焦透镜)的制造方法。这种制造方法中，母材使用从中心向半径方向外侧呈阶梯状逐步增大氟掺杂量，从而折射率呈阶梯状逐步下降的高纯度石英玻璃棒，没有使用象本发明这样对于母材形成该形状的光学作用部的方法。这样的已有的制造方法中，作为母材制作工序，需要利用等离子外附法掺杂氟、或利用在熔融盐中长时间浸渍进行离子交换的方法形成折射率分布的工序，而本发明中则不需要这样的工序。又，在形成的光学透镜中，光入射面、光出射面不是使用圆柱型的侧面曲面，而是使用其两端部，这一点与本实施形态不同。
接着，如图1B所示，对利用上述光学透镜母材制作工序经过成型加工的光学透镜母材40，利用作为加热装置的电炉35等加热到玻璃材料的屈服点以上，进行线材拉伸处理形成所希望的尺寸(线材拉伸处理工序)。最好是电炉35形成包围光学透镜母材40的环状，从周围均等地对光学透镜母材进行加热。电炉35上连接温度调整装置32，通过改变电炉35的温度能够调整线材拉伸处理的温度。又，为了对加热的光学透镜母材40进行拉伸，使用将光学透镜母材40送入电炉35的送入辊90和牵拉辊33。也可通过调整该送入辊90的旋转速度，决定光学透镜母材40的总热量。在对上面所述那样的柱状形状的光学透镜母材40进行线材拉伸时，如果用送入辊90及牵拉辊33挟持经过线材拉伸处理的一对与辊接触的接触面45，则能够防止线材拉伸处理中的光学透镜40发生扭转。
当判断经过线材拉伸处理的结果，其尺寸已达到所希望的尺寸(例如0.5～15mm)时，利用设置于牵拉辊33下部的切断装置37对光学透镜母材40进行切断，得到长度为5mm～2000mm的切断处理后的预成型件50(第1切断工序)。这一判断利用设置于牵拉辊33靠前的线径测定装置38进行。还有，该线径测定装置38由激光部、受光部、解析部构成，激光部发出的光透过经过线材拉伸处理的光学透镜母材40，该透过的光被受光部所接收，根据该接收的受光量等，解析部可以计算出经过线材拉伸处理的光学透镜母材40的尺寸。该计算结果被发送到未图示的控制部，结果为所希望的尺寸时，则驱动切断装置37，不是所希望的尺寸时，则调整线材拉伸处理条件(送入辊90的旋转速度、线材拉伸温度的调整等)。
还有，利用线材拉伸处理制造光纤等时，利用卷轴等卷取经过拉伸的光纤，而在光学透镜的制造中，其特征是，这样利用切断装置37将经过拉伸的线材切断。
接着如图2A所示，对切断处理后的预成型件50，沿与其柱轴方向20形成45°的线段X1-Y1、X2-Y2切断(第二切断工序)，制作如图2B所示的光学透镜1(光学透镜制作工序)。这两条线之间的间隔设定为与使用制作的光学透镜的光学元件(半导体激光元件)的厚度对应的间隔。通过增加对切断处理后的预成型件50进行切断的线段Xk-Yk线(k＝1、…、n)，可以制作多个相同的光学透镜，能够容易地对应大批量生产。还有，也可以不将切断工序分为两个，而对经过线材拉伸处理的光学透镜母材40以相对于柱轴方向20成45°倾斜的角度进行切断，由一次切断工序制作光学透镜1。
这样制作的光学透镜1由于线材拉伸处理的特性，其剖面形状具有与光学透镜母材40相同的剖面形状。特别是，最初的光学透镜母材制作工序中制作的光学作用部的形状在线材拉伸处理后也原封不动地得到保持，因此，在线材拉伸处理后的微型元件阶段没有必要再度进行成型加工。还有，在本实施形态的光学透镜1的制造方法中，利用一次线材拉伸处理工序制作具有多个曲面部43的光学透镜1，由于这些情况，可以大幅减轻制造上的负担。
图3A～3C表示利用本实施形态的光学透镜制造方法制作的光学透镜的作用。这些例子中，作为光学作用部43形成具备7个曲面的光学透镜1，因此，对从例如排列有7个发光部的半导体激光元件射出的各光线，进行准直、聚光或光路变换后使其射出。还有，这里所示的各光学透镜1、101、201的作用是显示对入射光进行的作用的，并不一定是实际的实用例。
图3A所示的光学透镜1中，对自半导体激光元件15的发光部16射出的光，利用在光入射侧和光出射侧以45°倾斜的状态形成2列的光学作用部43，使其以光轴为中心轴旋转90°后射出出射光。自发光部16射出的光具有在X轴方向上短、在轴Y方向上长的光束断面25，而利用光学透镜1进行光路变换的结果是，变换为具有在X轴方向上长、在Y轴方向上短的光束断面26的出射光。
图3B所示的光学透镜101中，对自半导体激光元件15的发光部16射出的光，利用在光入射侧和光出射侧分别形成为凹曲面、凸曲面的光学作用部43，在X方向上准直或聚光后射出出射光。自发光部16射出的光具有在X轴方向上长、在Y轴方向上短的光束断面125，而利用光学透镜101进行准直或聚光的结果是，变换为具有在X轴方向上与光束断面125长度几乎相同、而在Y轴方向上比光束断面125更长的光束断面126的出射光。还有，本实施形态的光学透镜的制造方法中，能够这样在光入射侧和光出射侧制作2列作为光学作用部43的曲面部，因此也能够形成傅利叶型或望远镜型的光学透镜。
在图3所示的光学透镜201中，对自半导体激光元件15的发光部16射出的光，利用光入射侧形成为凸曲面的光学作用部43，在X方向上准直或聚光后，射出出射光。从发光部16射出的光线具有在X轴方向上长、在Y轴方向上短的光束断面225，而利用光学透镜201进行准直或聚光的结果是，变换为具有在X轴方向上与光束断面225长度几乎相同、而在Y轴方向上则比光束断面225更长的光束断面226的出射光。在对入射光在X轴方向上进行准直或聚光这一点上，具有与光学透镜101相同的作用。对于光学透镜201，还可对光出射侧进一步实施切削加工，再形成能够在Y轴方向上进行准直或聚光的光学作用部，构成在X方向和Y方向上都能够进行准直或聚光的光学透镜。
下面根据图4～图7，对本发明其他实施形态的光学透镜的制造方法进行说明。
图4A是上述实施形态的光学透镜母材的剖面图。图4B是通过对图4A所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理形成的光学透镜的剖面图。上述实施形态的线材拉伸处理工序在比光学透镜母材40的屈服点高、且成为光学作用部的曲面部43的形状不容易受到因线材拉伸处理引起的变形的温度下进行。从而，线材拉伸处理温度设定为比对光纤等进行拉伸时的温度低的温度，但这时有时会产生变形，光学透镜母材经过线材拉伸处理，形成于侧面的平面部、即第1侧面44或第2侧面46向内侧收缩。如图4A、4B所清楚地显示的，光学透镜母材40的第1侧面44和第2侧面46在线材拉伸后的光学透镜1中，都变形为向内侧凹陷的状态。下面将这样的变形称为“绕线畸变”。对于受到绕线畸变影响的光学透镜，要把半导体发光元件各发光部射出的各光按照设计要求的那样准确地进行准直或聚光是困难的。
图5是其他实施形态的光学透镜母材的总体图。图6A表示对图5所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理的工序。图6B表示利用图6A所示的线材拉伸处理工序得到的切断处理后的预成型件的局部放大图。图7A是其他实施形态的光学透镜母材的剖面图。图7B是通过对图7A所示的光学透镜母材进行线材拉伸处理形成的光学透镜的剖面图。光学透镜母材140中，第1侧面144以及第2侧面146作为总体形成凸曲面。通过这样形成第1侧面144及第2侧面146，在线材拉伸处理后该突出的份量缩进，如图6B和图7B所示，形成更接近平面(或者就是成为平面本身)、线材拉伸引起的畸变得到抑制的光学透镜501。这样，采用其他实施形态的光学透镜制造方法，能够在与所希望的形状相等或接近的状态下形成光学透镜501。
以上根据实施形态对本发明进行了具体说明，但是本发明在实施时并不限于上述实施形态，本发明包含落入本发明的权利要求范围内的发明的所用变更，可以在形状、尺寸、配置、结构等方面有所变更。
例如在上述实施形态中，对图1A所示的光学透镜母材40进行线材拉伸处理时，如图1B所示，是用牵拉辊33挟持经过线材拉伸处理的光学透镜母材的一对辊接触面45，但是最好是如图8所示，用牵拉辊33挟持第1侧面44和第2侧面46。第1侧面44和第2侧面46比辊接触面45宽度更大。因此通过用牵拉辊33挟持第1侧面44和第2侧面46，能够稳定地进行线材拉伸处理。又，根据同样的理由，在进行图5所示的光学透镜母材140的线材拉伸处理时，如图6A所示，最好是用牵拉辊33挟持第1侧面144和第2侧面146，以代替用牵拉辊33挟持经过线材拉伸处理的光学透镜母材的一对辊接触面45。
还有，日本专利第3121614号公报及英国公报GB2108483A公开了利用线材拉伸处理方法的微型透镜制造方法，但其是对单一光起作用的透镜的制造方法，不是本发明这样的对多束光起作用的光学透镜的制造方法，在这一点上是不同的。
工业应用性
采用本发明的光学透镜的制造方法，能够在线材拉伸处理之前的母材阶段决定光学透镜的形状，特别是决定光学作用部的形状，因此能够以足够大的尺寸高精度地进行母材加工，容易地形成光学透镜的形状，特别是形成光学作用部的形状。这样可以减轻制造上的负担。
又，由于利用一次线材拉伸处理工序，就形成能够对自配置多个发光部的发光元件射出的各光线起作用的光学透镜，因此能够大幅度减少制造工序。

Claims (15)

1.一种光学透镜母材，是利用透光性材料形成柱状形状的线材拉伸处理用光学透镜母材，其特征在于，
具备第1侧面和设置于第1侧面相反侧的第2侧面，
所述第1侧面和所述第2侧面中的至少一个侧面具有与柱轴方向平行地形成且相互接触地排列的多个曲面部。
2.根据权利要求1所述的光学透镜母材，其特征在于，所述第1侧面和所述第2侧面形成凸曲面。
3.根据权利要求1所述的光学透镜母材，其特征在于，所述光学透镜母材的所述多个曲面部形成非球面。
4.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：
制作如权利要求1所述的光学透镜母材的光学透镜母材制作工序，
对由所述光学透镜母材制作工序制作的所述光学透镜母材、在所述柱轴方向上进行线材拉伸处理的线材拉伸处理工序，以及
按照所希望的长度切断由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的所述光学透镜母材、以制作光学透镜的光学透镜制作工序；
由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的所述光学透镜母材的所述多个曲面部作为对入射光或出射光起作用的光学作用部起作用。
5.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：对如权利要求1所述的光学透镜母材在所述柱轴方向上进行线材拉伸处理的线材拉伸处理工序，以及
按照所希望的长度切断由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的所述光学透镜母材、以制作光学透镜的光学透镜制作工序；
由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的所述光学透镜母材的所述多个曲面部作为对入射光或出射光进行作用的光学作用部起作用。
6.根据权利要求4所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
所述光学透镜制作工序对由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的所述光学透镜母材，在相对于所述柱轴方向设置有倾斜角的状态下切断，以制作光学透镜。
7.根据权利要求5所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
所述光学透镜制作工序包括：
对由所述线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材进行切断处理、以制作切断处理后的预成型件的第1切断工序，以及
将由所述第1切断处理工序制作的所述切断处理后的预成型件切断为所希望的大小、以制作光学透镜的第2切断工序。
8.根据权利要求7所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
所述第2切断工序在相对于所述柱轴方向设置有倾斜角的状态下将所述切断处理后的预成型件切断、以制作光学透镜。
9.根据权利要求6所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
所述第1侧面及第2侧面都具有所述多个曲面部，所述倾斜角为45°。
10.一种光学透镜，其特征在于，利用如权利要求5所述的光学透镜的制造方法制作。
11.根据权利要求1所述的光学透镜母材，其特征在于，还具备沿着柱轴方向在所述第1侧面和所述第2侧面两侧设置的一对凸缘部。
12.一种光学透镜母材，具有相对的两个面，其特征在于，
所述两个面的至少一方具有多个筒面，这些多个筒面配置成沿着相同的方向延伸。
13.根据权利要求12所述的光学透镜母材，其特征在于，在所述两个面的两侧还具备沿着与所述筒面相同的方向延伸的一对凸缘部。
14.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：
对如权利要求12所述的所述光学透镜母材进行拉伸的线材拉伸处理工序，以及
将由所述线材拉伸处理工序经过拉伸处理的所述光学透镜母材在所希望的位置切断、以制作光学透镜的光学透镜制作工序。
15.根据权利要求14所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
所述光学透镜制造工序包括：将由线材拉伸处理工序经过线材拉伸处理的光学透镜母材切断、以制作光学透镜中间体的第1切断工序，以及将光学透镜中间体切断、以制作光学透镜的第2切断工序。
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