多透鏡加工過程的製作方法

2023-04-23 12:26:06

專利名稱：多透鏡加工過程的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加工透鏡的方法，特別涉及非常小的透鏡，比如梯度折射率透鏡。
背景技術：
梯度折射率(GRIN)透鏡具有連續變化的折射率。GRIN透鏡在開關，隔斷器，耦合器，波長分復用器，和環行器等光學器件中有許多用途。GRIN透鏡是由具有梯度折射率的玻璃棒製成的。製造這種玻璃棒的方法是本領域眾所周知的。通常，將摻雜劑引入玻璃材料的不同層中，就能獲得梯度折射率。
製造GRIN透鏡的過程包括切割出具有梯度折射率的要求長度的玻璃棒，並將該玻璃棒加工成具有要求尺寸和光學性質的透鏡。該加工過程通常包括若干步驟。加工透鏡的典型步驟順序如下研磨透鏡面，精研透鏡面，拋光透鏡面，清潔透鏡，用一種防反射物質塗覆透鏡，清潔透鏡，檢查透鏡，最後包裝透鏡。
GRIN透鏡是非常小的透鏡。比如，一個GRIN透鏡可以是直徑1.8毫米，長4.82毫米，或更小。目前，GRIN透鏡按照上述許多或全部加工步驟，一次加工一個，以這種方式加工小透鏡是非常昂貴的。而且，對玻璃進行這許多或全部加工步驟會導致透鏡的損壞。
發明概述本發明一方面涉及一種製造透鏡的方法，包括將許多要求長度的玻璃棒組合成一個單一單元，將該單一單元切割成多個切片，每個切片具有許多透鏡，將切片加工成要求的厚度和表面光潔度，從切片中取出獨立透鏡。
本發明另一方面涉及一種製造梯度折射率透鏡的方法，包括將許多具有梯度折射率的玻璃棒組合成一個單一單元，將該單一單元切割成多個切片，每個切片具有許多透鏡，對切片加工並從切片中提取出這許多透鏡。
本發明另一方面涉及一種製造透鏡的方法，包括將許多要求長度的玻璃棒組合成一個單一單元，將該單一單元切割成多個切片，每個切片中具有許多個透鏡，將該切片加工成要求的厚度和表面光潔度，用一種防反射物質塗覆切片，清潔切片，並從切片中提取出這些個透鏡。
通過以下詳細說明和權利要求，本發明的其它特點和優點是顯而易見的。
附圖簡要說明

圖1是表示本發明一個實施例中透鏡加工過程的流程圖。
圖2A表示將多個玻璃棒插入一個玻璃管中形成一個單一單元。
圖2B表示圖2A的玻璃管中裝有一種防粘介質。
圖3A表示圖2B的玻璃管固定在一個切削夾具中。
圖3B是圖3A所示管託架的頂視圖。
圖3C表示將圖3B的玻璃管切割成多個切片。
圖3D是圖3C中一個切片的前視圖。
圖4表示一個雙面精研過程。
圖5A表示將多個玻璃棒插入一排分隔環形成一個單一單元。
圖5B是圖5A中所示組件的端視圖。
圖5C表示將圖5A的單元切割成多個切片。
圖6A表示將玻璃棒在包套中擺放成一排。
圖6B表示圖6A中所示玻璃棒包套用的一種切削夾具。
圖6C表示玻璃棒的包套被夾在圖6B的切削夾具中。
圖6D表示排列在夾箍中的多個透鏡。
圖7A表示使透鏡取向的一個夾具。
圖7B表示排列在透鏡小面夾具中的多個透鏡。
圖7C表示精研和拋光後的透鏡片。
本發明優選實施方式本發明製造透鏡的方法中，將多個透鏡組合成一個單一單元，以加工單個透鏡的相同方式對其進行加工，這樣能把對多個透鏡的操作步驟減至最少。比如，一個單一單元可以一次集合2到20000個透鏡。對該單一單元的操作和取向比對一個個透鏡來進行更簡單，能顯著降低加工透鏡的成本。以下參考附圖對本發明的特定實施例進行詳細說明。
圖1是表示本發明一個實施例中透鏡加工過程的流程圖。過程從將一個或多個玻璃棒切割成要求長度(ST100)開始。對GRIN透鏡，該玻璃棒具有一個梯度折射率。然後將這些玻璃棒組合成一個單一單元(ST102)。下一步驟是將玻璃棒的單一單元切割成多個切片(ST104)。每個切片中包括多個透鏡，固定在一起形成一個單一單元。對每個切片進行與單一透鏡相同的加工。加工過程從將每個切片精研成要求的厚度(ST106)開始。精研是用鬆散磨料研磨每個切片的面。精研過程獲得的表面光潔度是有些粗糙的，通常是125到625納米Ra。可以進行單面或雙面精研。在單面精研中，一次精研每個切片的一個面。在雙面精研中，同時精研每個切片的兩個面。
精研後，將薄片置於一個清潔系統中，除去鬆散磨料(ST108)。然後將切片拋光至要求的表面光潔度和厚度(ST110)。拋光也是一種使用鬆散磨料過程。通常，表面光潔度優於精研過程，在0.1到1納米Ra範圍中。拋光過程可以是單面或雙面的。在單面拋光中，一次拋光每個切片的一個面。在雙面拋光中，同時拋光每個切片的兩個面。拋光後，再次將切片置於一個清潔系統中，除去鬆散磨料(ST112)。然後用一種防反射物質塗覆清潔過的切片(ST114)。塗覆過程之後，將切片置於一個清潔系統中(ST116)。將清潔過的切片置於檢查系統中，測量透鏡的尺寸和光學特性(ST118)。檢查之後，從切片中取出獨立透鏡(ST120)。將獨立透鏡置於一個清潔系統中，從透鏡上除去所有雜質(ST122)。然後將透鏡置於獨立包裝中(ST124)。
回到步驟ST102，有多種方法能將玻璃棒組合成一個單一單元。圖2A表示了一種方法，將多個玻璃棒126插入一個玻璃管(或套子)128中。圖2B表示玻璃管128中裝有一種合適的隔斷介質或防粘介質130，比如環氧樹脂，蜂蠟，或氨基甲酸乙酯隔斷材料。該隔斷介質或防粘介質130將多個玻璃棒126一起固定在玻璃管128中，使玻璃棒和玻璃管128形成一個單一單元。可以用線鋸(未示出)或其它合適的切割工具將玻璃管128切割成多個上述切片。線鋸的使用是一個精研過程，能在不損壞玻璃的情況下有效切割玻璃管128和玻璃棒126。
圖3A表示一種適用於線鋸裝置(未示出)的切割夾具132。該切割夾具132包括一個管託架134，其中具有用來容納玻璃管128的空腔136。管託架134被固定在平板138上。平板138可以固定在線鋸桌(未示出)上。管託架134可以通過任何合適的方式被固定在平板138上，在進行切割時管託架134相對平板138是固定的。圖3B是管託架134的頂視圖。如圖所示，託架134上有多個凹槽140來容納線鋸的切割線(未示出)。凹槽140為玻璃管128被切割的位置劃分界線。回到圖3A，切割夾具132也包括固定在管託架134上的夾板142上。夾板142通過螺釘143或其它適用緊固件固定在平板138上，將玻璃管128夾在託架134上。這樣，玻璃管128在切割時就不會移動了。
夾板142具有多個凹槽144，與管託架134上的凹槽140(如圖3B所示)彼此對準。操作時，玻璃管128被夾在夾板142和管託架134之間，切割夾具132被固定在線鋸桌(未示出)上。然後開動線鋸(未示出)，使切割線(未示出)通過夾板142中的凹槽144進入管託架134中的凹槽(圖3b中的140)。當切割線(未示出)進入凹槽(圖3B中的140)時，它對玻璃管128和玻璃管128中的玻璃棒126進行切割。圖3C表示玻璃棒128被切割成多個切片146。通常，該切割過程使用一種研磨漿料，比如乙二醇中的SiC，使切割平滑。圖3D表示其中一個切片146，其中包括被防粘介質130固定在一起的多個透鏡148(即，圖2A中玻璃棒126的片段)和玻璃管128的一個片段。可以採用加工單個透鏡的方法加工切片146，這樣能大量節約加工透鏡需要的時間，還能減少對玻璃的損壞。
附圖4表示切片146的一個雙面精研過程。切片146被固定在精研託架149上，託架被固定在兩個精研板150之間。精研板150上具有研磨層152。通常研磨層152包括一種鬆散磨料，比如氧化鋁。精研板150和切片146之間的相對運動將切片146精研或研磨至要求的厚度。拋光裝置與精研裝置相似。常用的拋光介質是氧化鈰。精研和拋光之後，用一種防反射物質塗覆切片146。然後，從切片146中取出各個透鏡148。取出獨立透鏡148的過程是將切片146置於一種溶液中，溶解掉防粘介質130。
圖5A表示將玻璃棒組合成一個單一單元的另一種方法。如圖所示，將玻璃棒126插入多個扣環154中，這些環彼此對準並隔開成排。如圖5B所示，玻璃棒126插過扣環154中的孔155。孔可以是各種形狀的，比如方形的，圓形的，六邊形的等。回到圖5A，將扣環154圍繞著玻璃棒126繃形成緊密組件156。可以用一個線鋸(未示出)或其它適用切割工具將組件156切割成多個切片。可以如圖5C所示，在扣環154之間切割組件156。可以對切片157精研，拋光，用防反射物質塗覆，並按照上述方法進行清潔。從切片中取出各個透鏡的過程很簡單，只要鬆開扣環154即可。
圖6A表示將玻璃棒組合成一個單一單元的另一種方法。如圖所示，在包套158中將各個玻璃棒126擺放成一排。包套158可以由兩片塑料薄膜或兩片玻璃或一片塑料膜和一片玻璃組成。利用合適的隔斷介質或防粘介質160，比如環氧樹脂或蜂蠟或氨基甲酸酯隔斷材料，可以將各個玻璃棒126固定在包套158中。圖6B表示包套(圖6A中的158)用的切割夾具162。切割夾具162具有一個空腔164。空腔164中是帶凹槽的板條166。帶凹槽的板條166中的凹槽168為包套切割(圖6A中的158)的劃定界線。圖6C表示固定在切割夾具162中的包套158，位於帶凹槽的板條(圖6B中的166)的上方。上板條170可以裝在支撐夾具162上，將包套158夾在帶凹槽的板條(圖6B中的166)上。
使切割刀(未示出)通過上板條170之間，切過包套158，並切入帶凹槽的板條(圖6B中的166)中的凹槽(圖6B中的168)，將包套158切割成多個切片或窄條。按上述方法分別加工窄條。或者，如圖6D所示，將多個窄條172排列在夾箍174中。然後將夾箍174在這些窄條172周圍繃緊成為一個較大的單一單元，採用與一個個透鏡相同的加工方式進行加工。加工過程步驟如圖1中所示。然後除去將其固定在一起的包套條，就能很簡單地從窄條172中取出一個個透鏡176。
本發明說明了具有平整表面的透鏡。對於多面體透鏡，即，具有成夾角面的透鏡，需要額外的步驟。如圖1步驟ST110和ST112所述對切片進行拋光和清潔之後，將切片中的透鏡旋轉一個角度，該角度通常在4到12度範圍內。這個過程通常包括將切片中的透鏡轉移至一個具有一個取向表面的透鏡小面夾具中。在該旋轉位置，使透鏡的要成角度面傾斜，與水平方向成一角度。在透鏡上形成要成夾角用的面的額外步驟包括將透鏡的傾斜面精研至水平。然後清潔透鏡，拋光精研面，再次清潔透鏡。當透鏡回復其正常位置時，經精研和拋光的面就形成了一定角度。對多面體透鏡按照附圖1的ST114到ST124的步驟進一步加工。
有多種方法可以將切片中的透鏡旋轉一個角度。所用的方法通常取決於切片的構型。比如，對被扣環154(如圖5C所示)固定的切片157(如附圖5C所示)而言，可以使用具有一個有傾斜度的環的夾具。圖7A表示一種具有一個有傾斜度的環179的夾具178。切片157(如圖5C所示)可以被置於有傾斜度的環179上，鬆開扣環154(如圖5C所示)，使切片157(如圖5C所示)中的透鏡落入有傾斜度的環179中。繃緊有傾斜度的環179後，使透鏡126旋轉一個角度。按上述方法加工取向的透鏡126形成小面的角度。可以將如圖6D中窄條172的透鏡窄條置於具有夾角表面的夾具中，比如圖7B所示具有夾角表面182的夾具180中。當被置於夾角表面182之間時，窄條172中的透鏡發生旋轉。附圖7C表示精研和拋光後的窄條172。
本發明具有一個或多個優點。特別是通過將透鏡組合成一個單一單元，能同時加工多個透鏡。這能顯著提高加工產量，並將玻璃材料的損壞降至最低。
本發明已經就有限數目的實施例進行了說明，本領域技術人員通過此處已公開內容，能夠在本發明範圍內作出其它實施例。因此，本發明的範圍僅由權利要求所限定。
權利要求
1.一種製造透鏡的方法，包括將許多個要求長度的玻璃棒組合成一個單一單元；將該單一單元切割成多個切片，每個切片中具有許多單個透鏡；將該切片加工成要求的厚度和表面光潔度；從切片中取出一個個透鏡。
2.如權利要求1所述方法，其特徵在於，對許多個玻璃棒的組合包括將該玻璃棒插入一個箱體並向該箱體中裝入一種隔斷介質。
3.如權利要求2所述方法，其特徵在於，從該切片中取出一個個透鏡包括從切片中除去該隔斷介質。
4.如權利要求1所述方法，其特徵在於，對許多個玻璃棒的組合包括將該玻璃棒插入許多間隔成排的扣環中，並繃緊包裹該玻璃棒的扣環，而從切片中取出一個個透鏡包括鬆開該扣環。
5.如權利要求1所述方法，其特徵在於，對許多個玻璃棒的組合包括將該玻璃棒在包套中擺放成一排，而從切片中提取出一個個透鏡包括將包套與這些透鏡分離。
6.如權利要求1所述方法，其特徵在於加工切片包括以下任意步驟，精研切片，拋光切片，用一種防反射物質塗覆切片和/或在至少一個切片上形成一個小面角度。
7.如權利要求6所述方法，其特徵在於在至少一個切片上形成一個小面角度包括將該切片置於一個夾具中，該夾具使該切片中每個透鏡的一個面都朝向一個角度。
8.如權利要求7所述方法，其特徵在於進一步包括以下任何一種附加步驟，精研透鏡的取向面或拋光透鏡的取向面。
9.如權利要求1所述方法，其特徵在於該玻璃棒具有梯度折射率。
10.一種製造梯度折射率透鏡的方法，包括將許多個具有一個梯度折射率的玻璃棒組合成一個單一單元；將該單一單元切割成多個切片，每個切片中具有許多單個透鏡；加工該切片；從該切片中取出這些單個透鏡。
11.一種製造透鏡的方法，包括將許多個要求長度的玻璃棒組合成一個單一單元；將該單一單元切割成多個切片，每個切片具有許多單個透鏡；將該切片加工成要求的厚度和表面光潔度；用一種防反射物質塗覆該切片；清潔該切片；從該切片中提取該這些單個透鏡。
全文摘要
一種製造透鏡的方法，包括將許多個要求長度的玻璃棒組合成一個單一單元，並將該單一單元切割成多個切片，每個切片具有許多個透鏡。該方法進一步包括將這些切片加工成要求的厚度和表面光潔度，並從切片中提取該些個透鏡。
文檔編號B24B41/06GK1604842SQ02825005
公開日2005年4月6日 申請日期2002年11月21日 優先權日2001年12月13日
發明者C·M·達坎吉羅, L·G·曼, A·R·尼伯, J·M·奎恩塔爾 申請人:康寧股份有限公司