[发明专利]制造柱面微透镜的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学透镜的制造，更具体地，本发明教导了在用来制造柱面微透镜的工艺学中的一个改进，这造成了在微透镜的光学特性方面的显著改进，本发明还涉及根据本方法制造的微透镜。

发明背景

本发明涉及如在美国专利No．5080766、No．5081639、No．5155631和No．5181224中教导的柱面透镜。上述的这些专利在此一并引为参考。

该引为参考的每一个专利都教导了一种柱面透镜，更具体地说是柱面微透镜。作为在此使用的柱面微透镜定义为，在其X、Y轴的尺寸是大致在50微米到1000微米范围之内的柱面透镜。美国专利No．5080706提供一种限制衍射的高数值孔径的微透镜(一种快速感光柱面微透镜)其特别适合于在CIRCULASER^TM激光二极管中使用，该二极管可从加利福尼亚圣克鲁斯的蓝天研究所(Blue Sky Research ofSanta Cruz，CA)得到。如在其中所述的，作为许多的应用，柱面透镜的曲线可以是与圆曲线或平面非常不同的特殊形状。所需的形状尽管可以是平或圆的，但也可能包含非圆曲线，如椭圆或双曲线。也就是说，在此引入参考的柱面透镜可能由各种弯曲表面形成，并且由此选择的确定形状高度依赖于计划使用的微透镜中的光学应用。

限制衍射面可以在大尺寸并具有低的数值孔径(0．1或以下)的柱面镜片(也就是大于5mm)上由常规的研磨和抛光技术制造。然而，常规的研磨和抛光技术不能生产高数值孔径(N．A)的光学质量柱面透镜。对于小的微透镜(即小于或等于1mm)，已经开发了另外的技术。微透镜使用感光玻璃、渐变折射率玻璃和计算机生成衍射镜片或开诺镜片(kinoform)进行制造。这些技术中没有能生产限制衍射，具有高数值孔径的柱面透镜的技术。

在以感光玻璃制造微透镜当中，首先在玻璃上镀一层掩模，并将所要求的透镜之外的材料曝光。当随后加热该玻璃时，曝过光的材料其体积膨胀，而未曝光的透镜区域被压缩。这种压缩引起透镜区的凸起，形成了简易的透镜。

渐变折射率微透镜，由将折射率变化材料扩散到玻璃中间而形成。扩散工艺产生折射率从透镜中心到边缘的平滑变化。渐变折射率对光线的聚焦比常规透镜的聚焦作用大。

在二元衍射镜片或计算机生成开诺镜片当中，玻璃板的表面根据计算机生成的图形进行蚀刻，蚀刻表面设计为将光线衍射到一个焦点，使其像一个常规透镜那样进行工作。

以感光玻璃和渐变折射率平面微透镜制造的柱面微透镜，能够大量地以低成本生产，但是这些单一的光学元件的数值孔径限制在0．25到0．32，而且还不能校正球面像差。开诺衍射镜片能够校正像差，具有数值孔径达到0．5的有效率的开诺透镜，需要采用μ以下平面印刷术，这超过了当前的技术水平。

具有圆截面的光纤已经用于柱面透镜。光纤不贵且易于得到。然而，圆的光纤校正不了球面像差；即这种光纤不是限制衍射的。

作为已在集成光学系统中应用的柱面微透镜，用来聚焦激光二极管的光柱，并且还形成单模式激光二极管的光束，如前面对CircuLaser^TM的讨论中所述的。在集成光学系统中，精心设计的柱面透镜有效且方便地将光线偶合进入或导出狭窄的波导管或任意的狭缝。

上述参考文献公布了柱面微透镜由类似于拉伸光纤的方法“拉伸”预成型坯来制造的方法。预成型坯本身可以由几种工艺方法来形成，但最常用的技术是将光学玻璃毛坯磨成预成型坯，之后将大量熔融的光学玻璃模制成预成型坯。

上述参考文献没有解决由于留在预成型坯上的工具磨痕而引起的光散射问题，此磨痕是制造过程的结果。由于影响到预成型坯的制造，在本技术领域中的技术人员倾向于利用对预成型坯本身或对模制预成型坯的模具进行纵向磨削。

对照图1，第一个常规磨削技术包括对至少一个非平表面10沿玻璃预成型坯或梨晶(boule)1的纵向5进行磨削。根据这个工艺方法，将基本上平的砂轮20安装在数控万能磨床上，例如型号为1632 CNC的、具有可选CNC可编程非圆磨削工作头的、可得自于宾夕法尼亚约克威尔顿加工工具(Weldon Machine Tool of York，PA)的柱面磨床。在这种方法中，透镜通过一连串的纵向道次磨削最终形成所需的透镜表面轮廓。