CN1789189A - 提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法，包括基质玻璃成分均匀性的控制、拉制玻璃丝直径均匀性的控制和玻璃丝的离子交换过程的控制；基质玻璃熔炼采用两次熔炼工艺：玻璃棒拉丝在安装有激光测径的丝径控制仪、拔丝机构和自动切丝装置的粗拉丝机上进行；离子交换在离子交换炉中进行，将KNO熔盐加入交换炉的不锈钢坩埚中加热熔化，温度控制在540℃±0.5℃，恒温115－125小时。本发明指出，只要在工艺上实现基质玻璃折射率的相对偏差小于1％，交换玻璃丝直径的相对偏差小于1％，离子交换过程引起折射率梯度的相对偏差小于1％，就可以解决批量制作自聚焦透镜的光学性能一致性的关键问题，为自聚焦透镜产业化奠定良好的基础。

Description

提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法

技术领域

本发明涉及制作用于光电信息基础元件的方法，特别涉及提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法。

背景技术

自聚焦透镜即径向变折射率透镜，具有直径小(可以小于1mm)、焦距短(焦点可位于端面上)、数值孔径大(可大于0.6)、成像分辨率高(可大于3001p/mm)、出射光斑小(可小于1μm)、消像差性能好、对入射光信息具有很好的准直、会聚、扩束能力，因而在光纤通信、光纤传感、光信息处理领域有广泛应用，是光信息领域一种十分重要的微小光学基础元件。自聚焦透镜从实验室样品转化成产品，碰到的最大技术困难就是批量(如1000只以上)制作时，产品之间的光学性能差异很大，这样的自聚焦透镜是不合格产品，应用单位无法使用。因此，解决自聚焦透镜光学性能不一致的问题，就成为自聚焦透镜产业化必须解决的一个技术关键。

发明内容

本发明的目的是公开一种提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法，该方法要求制作自聚焦透镜的基质玻璃折射率的相对偏差小于1％、拉制出的玻璃丝的直径相对偏差小于1％、离子交换后的玻璃丝的折射率梯度的相对偏差小于1％，只要实现了这三个1％，就能使批量制作的自聚焦透镜的光学性能的不一致性小于3％。

理论分析和实验工作证明，影响自聚焦透镜光学性能一致性的三个主要要素是：基质玻璃的均匀性；玻璃丝直径的均匀性和玻璃丝离子交换工艺的稳定性.设自聚焦透镜的聚焦常数为A，折射率差为Δn，基质玻璃的折射率为n(0)，玻璃丝的半径为r₀，自聚焦透镜的周期P和聚焦常数A分别可写为：

$P=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{A}}---\left(1\right)$

和

$A=\frac{2\mathrm{\Δn}}{n\left(0\right)r_0^2}---\left(2\right)$

从(1)和(2)式，不难得到周期长度的相对变化率是：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{P}=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δn}\left(0\right)}{n\left(0\right)}+\frac{\mathrm{\Δ}{r}_0}{r_0}-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\Δn}}---\left(3\right)$

聚焦常数的相对变化率是：

$\frac{\mathrm{\ΔA}}{A}=\frac{\mathrm{\Δn}\left(0\right)}{n\left(0\right)}+\frac{2\mathrm{\Δ}{r}_0}{r_0}-\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\Δn}}---\left(4\right)$

从(3)式和(4)式可知，ΔP/P，ΔA/A有相同的表示式，两者间只相差一个因子1/2，即ΔP/P＝ΔA/2A.其中第一项表示基质玻璃在熔制过程中产生的折射率的相对变化，第二项是玻璃棒在拉丝过程中产生的玻璃丝半径的相对变化，第三项表示在离子交换过程产生的折射率梯度的相对变化.

由此可见，基质玻璃的折射率、玻璃丝的直径和玻璃丝离子交换形成的折射率梯度变化是制作自聚焦透镜的三个主要技术关键。为使自聚焦透镜的光学性能不一致性小于3％，就应使(3)式或者(4)式中每一项的相对变化率均小于1％。这就指出了解决自聚焦透镜光学性能一致性问题的途径和相应的技术指标。

本发明所述的提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法，包括基质玻璃成分均匀性的控制、拉制玻璃丝直径均匀性的控制和玻璃丝的离子交换过程的控制；

a)基质玻璃成分均匀性的控制，

基质玻璃熔炼可以采用两次熔炼工艺：第一次熔炼，将SiO₂-Na₂O-Tl₂O-B₂O₃系统的玻璃原料放入加盖的铂坩埚中，放入玻璃熔炼炉的不锈钢坩埚中，加热至1200℃，待玻璃原料全部熔化后，立即从玻璃熔炼炉中取出铂坩埚，将玻璃熔液倒入水中，炸裂成细小的玻璃碎块；

第二次熔炼，在室温下将第一次熔炼得到的玻璃碎块放入加盖的铂坩埚中并加盖，放入玻璃熔炼炉中，加热至1200℃熔化，按特定的玻璃熔炼工艺熔炼，经过加料、澄清、搅拌等熔炼工艺过程，使玻璃熔液混合均匀，达到无色透明、无气泡的状况时，即可出炉，浇注成玻璃。如果熔炼玻璃采用8升以上的铂坩埚，浇注工艺可采用漏料成形工艺，直接生成玻璃棒。

采用两次熔炼工艺的优点，一是减小铊蒸气对人体的危害，二是保证基质玻璃成分均匀。如果玻璃中各成分的混合不均匀，就会使某种成分的浓度出现局部不均匀，玻璃液冷却后，这种浓度的局部不均匀就会保留下来而形成折射率局部起伏的条纹，这是不能允许的。因此，在玻璃熔炼过程中，一定要严格控制成分的均匀性，并使基质玻璃无气泡、无条纹，这样就可以得到折射率相对偏差小于1％的、光学性能一致的基质玻璃。

b)拉制玻璃丝直径均匀性的控制，

玻璃棒拉丝是在粗拉丝机上进行，粗拉丝机上要安装激光测径的丝径控制仪、拔丝机构和自动切丝装置；首先，将玻璃棒放入粗拉丝机的加热炉中加热，炉温控制在玻璃的软化温度附近(对本文采用的玻璃是540℃±5℃)；待玻璃棒头部软化后即可进行拉丝，拉出的丝头卡在拔丝机构的拔丝轮上，通过拔丝轮的转动拉制出玻璃丝；安装在粗拉丝机上激光测径的丝径控制仪自动对拉出的玻璃丝进行直径测量，测量结果通过反馈系统来调节拔丝轮的转速或玻璃棒进入炉中的送料速度，直到丝径恒定为止。

采取以上措施后，就能控制拉出玻璃丝的直径相对偏差小于1％。玻璃丝的直径由自聚焦透镜的直径确定。目前，常用的自聚焦透镜的直径是1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm，

拉出的玻璃丝，会有部分丝的直径偏差过大、或呈锥形，不符合要求，对不符合要求的玻璃丝可以采用HF酸腐办法来修正，采用稀释后的HF酸，比例：HF∶H₂O＝0.8∶0.2；

c)离子交换过程的控制，

离子交换是一种光学微加工工艺，通过离子交换，实现玻璃中的被交换离子(如Tl⁺离子)从玻璃中向熔盐扩散，熔盐中的交换离子(如K⁺离子)从熔盐向玻璃中扩散，并在玻璃中部分取代了Tl⁺离子，离子交换的结果，玻璃中Tl⁺离子的浓度从离子交换前的恒定值，变成玻璃中心最高，并沿径向按平方律规律减少，由于玻璃折射率与铊离子浓度有线性关系，从而在玻璃丝中形成了中心最高、并沿径向方向递减的一种变折射率分布。由于离子交换过程与离子交换的温度、时间和熔盐中Tl⁺离子浓度有关，因此，离子交换工艺就是要很好地控制这些参量，使它们在工艺过程中始终保持恒定不变，这样就可控制玻璃丝在离子交换过程产生的折射率柜子梯度的相对偏差小于1％。

离子交换在离子交换炉中进行，开始时，将熔盐KNO₃加入离子交换炉中的不锈钢坩埚中加热熔化，温度控制在540℃±0.5℃，启动搅拌机构将熔盐搅拌均匀，搅拌速度以＜30次/分为宜；通过搅拌不仅使熔盐浓度均匀，而且可使熔盐各处温度均匀。

将直径相对偏差小于±0.5％玻璃丝，放置在离子交换炉中，相邻玻璃丝的中心距保持在8-10mm之间；在540℃恒温140--160小时，温度波动要小于±0.5℃；

在恒温期间，由于高温下熔盐挥发，熔盐液面要不断下降，就要不断地添加熔盐。补充熔盐时，需将玻璃丝从离子交换炉中取出，放入温度与离子交换炉温度一致的预热炉中保温，待加盐完成后，再将玻璃丝放回离子交换炉中，迅速升温至540℃，继续进行离子交换处理，直至规定的保温时间。

温度控制仪的控温精度要达到0.5℃，最好采用分段控温，升温速率要快，但一定不能有冲温(超过设定温度)现象发生。

熔盐温度即离子交换温度应略低于交换玻璃软化温度540℃，在离子交换过程中，熔盐温度应长期保持恒定、均匀，其波动应小于±0.5℃。由于在540℃，熔盐不断挥发，要求因挥发而造成的液面下降不能大于2mm，为了保持熔盐液面恒定，就要经常加盐。每次加盐，都要打开炉盖，并将玻璃丝从熔盐中取出。为了改进离子交换过程不断加料带来的负面影响，可以将离子交换炉从单炉膛改为双炉膛结构，两炉膛底部相通，主炉膛的恒温区约占炉膛高度的三分二，用于离子交换，管状形的次炉膛在主炉膛的外面，用于加料和观察熔盐液面高度；

本发明解决了批量制作自聚焦透镜时的光学性能一致性的关键问题，只要使制作自聚焦透镜的基质玻璃折射率的相对偏差小于1％、拉制出的玻璃丝的直径相对偏差小于1％、离子交换后的玻璃丝的折射率梯度的相对偏差小于1％，就能使批量制作的自聚焦透镜的光学性能不一致性小于3％，为产业化生产奠定了良好的基础。

具体实施方式

在一个光学玻璃厂采用5立升铂坩埚熔炼了SiO₂-Na₂O-Tl₂O-B₂O₃铊系光学玻璃，采用两次熔炼工艺：第一次熔炼，将SiO₂-Na₂O-Tl₂O-B₂O₃系统的玻璃原料放入5升加盖的铂坩埚中，放入玻璃熔炼炉中，加热至1200℃，待玻璃原料全部熔化后，立即从玻璃熔炼炉中取出铂坩埚，将玻璃熔液倒入水中，炸裂成细小的玻璃碎块；

第二次熔炼，在室温下将第一次熔炼得到的玻璃碎块放入加盖的铂坩埚中，放入玻璃熔炼炉的不锈钢坩埚中，加热至1200℃熔化，按特定的玻璃熔炼工艺熔炼，经过加料、澄清、搅拌等熔炼工艺过程，使玻璃熔液混合均匀，达到无色透明、无气泡的状况时，即可出炉，浇注成玻璃。

由于严格按照工艺规程办事，对得到的铊玻璃进行了多次折射率测量，结果是n_D＝1.5970±0.005，折射率的相对偏差满足计划要求指标，小于1％。

b)拉制玻璃丝直径均匀性的控制，

拉制玻璃丝是在粗拉丝机上进行，粗拉丝机上要安装激光测径的丝径控制仪、拔丝机构和自动切丝装置；首先，将玻璃棒放入粗拉丝机的加热炉中加热，炉温控制在玻璃的软化温度附近(对本文采用的玻璃是540℃±5℃)；待玻璃棒头部软化后即可进行拉丝，拉出的丝头卡在拔丝机构的拔丝轮上，通过拔丝轮的转动拉制出玻璃丝；安装在粗拉丝机上激光测径的丝径控制仪自动对拉出的玻璃丝进行直径测量，测量结果通过反馈系统来调节拨丝轮的转速或玻璃棒进入炉中的送料速度，使丝径始终保持恒定。

由于拉丝机的精度不高，拉出的部分玻璃丝的直径相对偏差较大，不能满足技术指标的要求。可以采用HF酸腐蚀办法对玻璃丝的直径进行修正。HF酸稀释的比例是HF∶H₂O＝0.8∶0.2，修正后的交换玻璃丝的直径相对偏差达到了技术指标的要求。

离子交换是在单炉膛离子交换炉中进行，其外形尺寸是Φ600mm×1000mm，炉膛尺寸是Φ200mm×600mm，3相供电，额定温度700C，额定功率7.5KW，额定电压380V，恒温区长度是350mm，温度波动≤±0.5℃。

将KNO熔盐3加入离子交换炉的不锈钢坩埚中加热熔化，温度控制在539℃±0.5。将直径相对偏差小于±0.5％的玻璃丝，放置在离子交换炉的不锈钢坩埚中，相邻玻璃丝的中心距保持在8-10mm之间；在539°±0.5℃恒温125小时，温度波动小于±0.5℃；在恒温期间，每24小时加一次盐，使熔盐液面下降小于2mm，补充熔盐时，需将玻璃丝从离子交换炉中取出，放入温度与离子交换炉温度一致的预热炉中保温，待加盐完成后，再将玻璃丝放回离子交换炉中，迅速升温至539℃，继续进行离子交换处理，对我们采用的直径1.8mm的铊玻璃丝，离子交换时间是115-125小时。

对离子交换得到的交换丝，接实验得到的确定尺寸(四分之一周期长度)进行批量冷加工，从一批自聚焦透镜中，抽样15个，对其几何尺寸和光学性能进行了测量，其结果见表1：

                        表1：自聚焦透镜产品的测量数据

编号	直径(mm)	1/4周期(mm)	聚焦常数(mm)-1	数值孔径	全视(度)	分辩率(1p/mm)	畸变	球差
									01	1.800	5.0277	0.3127	0.435	51.578	159	0.132	0.2
02	1.803	4.8713	0.3225	0.439	52.033	159	0.132	0.2
									03	1.797	4.8790	0.3220	0.435	51.520	159	0.127	0.3
04	1.797	4.9567	0.3169	0.433	51.305	159	0.128	0.2
									05	1.793	4.9567	0.3169	0.433	51.305	159	0.125	0.1
06	1.792	4.9417	0.3179	0.431	51.033	168	0.127	0.1
									07	1.803	4.9113	0.3198	0.429	50.884	159	0.131	0.2
08	1.805	4.9693	0.3161	0.435	51.610	159	0.130	0.3
									09	1.799	5.0197	0.3129	0.430	50.975	159	0.129	0.1
10	1.805	4.8817	0.3218	0.433	51.156	159	0.127	0.2
									11	1.800	4.9453	0.3176	0.428	50.703	159	0.130	0.2
12	1.798	4.9213	0.3192	0.435	51.578	159	0.120	0.2
									13	1.805	4.9213	0.3192	0.434	51.396	159	0.130	0.2
14	1.792	4.9520	0.3172	0.450	53.497	159	0.125	0.1
									15	1.804	4.9007	0.3205	0.442	52.490	159	0.127	0.2
平均	1.799	4.9370	0.3182	0.435	51.538	159	0.128	0.187
									相对偏差η	0.7％	0.7％	0.79％	0.85％	1％

表1中的相对偏差(即光性均匀性)定义为：

$\mathrm{\η}=\frac{s_0-s}{s_0}\×100\%$

从表1给出的15个样品的测量数据可知，其主要性能指标的均匀性很好.这一结果说明，只要使基质玻璃的折射率相对偏差和玻璃丝直径的相对偏差都控制在1％以内，再严格按制定的离子交换规程去操作，特别注意控制炉温的波动在±0.5℃以内，就可以得到光性均匀性符合要求的一批自聚焦透镜。。

Claims (2)

1、提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法，包括基质玻璃成分均匀性的控制、拉制玻璃丝直径均匀性的控制和玻璃丝的离子交换过程的控制；

a)基质玻璃成分均匀性的控制，

基质玻璃熔炼，采用两次熔炼工艺：第一次熔炼，将SiO₂-Na₂O-Tl₂O-B₂O₃系统的玻璃原料放入加盖的铂坩埚中，放入玻璃熔炼炉的不锈钢坩埚中，加热至1200℃，待玻璃原料全部熔化后，立即从玻璃熔炼炉中取出铂坩埚，将玻璃熔液倒入水中，炸裂成细小的玻璃碎块；

第二次熔炼，在室温下将第一次熔炼得到的玻璃碎块放入加盖的铂坩埚中，放入玻璃熔炼炉的不锈钢坩埚中，加热至1200℃熔化，按特定的玻璃熔炼工艺熔炼，经过加料、澄清、搅拌等熔炼工艺过程，使玻璃熔液混合均匀，达到无色透明、无气泡的状况时，即可出炉，浇注成玻璃棒；

b)拉制玻璃丝直径均匀性的控制，

玻璃棒拉丝是在粗拉丝机上进行，粗拉丝机上要安装激光测径的丝径控制仪、拔丝机构和自动切丝装置；首先，将玻璃棒放入粗拉丝机的加热炉中加热，炉温控制在玻璃的软化温度540℃附近；待玻璃棒头部软化后即可进行拉丝，拉出的丝头卡在拔丝机构的拔丝轮上，通过拔丝轮的转动拉制出玻璃丝；安装在粗拉丝机上激光测径的丝径控制仪自动对拉出的玻璃丝进行直径测量，测量结果通过反馈系统来调节拨丝轮的转速或玻璃棒进入炉中的送料速度，使丝直径保持恒定；

c)离子交换过程的控制，

离子交换在离子交换炉中进行，离子交换开始后，先将KNO熔盐3加入离子交换炉的不锈钢坩埚中加热熔化，温度控制在539℃±0.5。将直径相对偏差小于±0.5％的玻璃丝，放置在离子交换炉中，相邻玻璃丝的中心距保持在8-10mm之间；在539℃恒温130小时，温度波动小于±0.5℃；在恒温期间，每24小时加一次盐，补充熔盐时，需将玻璃丝从离子交换炉中取出，放入温度与离子交换炉温度一致的预热炉中保温，待加盐完成后，再将玻璃丝放回离子交换炉中，迅速升温至539℃，继续进行离子交换处理，对我们采用的直径1.8mm的铊玻璃丝，离子交换时间是115-125小时。

2、根据权利要求1所述的提高批量制造的自聚焦透镜光学性能一致性的方法，其特征在于对部分直径偏差过大玻璃丝，采用HF酸腐修正，采用稀释后的HF酸的比例为HF∶H₂O＝0.8∶0.2。