阅读说明：本技术 一种C-lens及其制造方法 (C-lens and manufacturing method thereof ) 是由 金新刚 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种C-lens及其制造方法。C-lens中段为柱形,两端为位于同一几何球面上的外凸形的球面,其中一端的球面上有一个截去部分至全部球面后的平面,形成C-lens的平端面,平端面通过C-lens的光轴线,C-lens长度小于所说球面的直径。本发明的C-lens采用玻璃球作为原材料,将玻璃球中段的球面加工成圆柱面,使之成为两端为球面的柱状体,然后再将其中一个球面研磨出一个平面,即完成C-lens的制造。玻璃球的加工具有成熟的工艺,加工精度高、球面质量稳定可靠,且成本低廉。本发明突破了常规C-lens的加工思维局限,利用玻璃球为原料,避开了现有C-lens的加工工艺中最困难的、构成技术瓶颈的球面加工问题。只需要进行较为简单的磨边和研磨角度即可。(The invention provides a C-lens and a manufacturing method thereof. The middle section of the C-lens is cylindrical, two ends of the C-lens are convex spherical surfaces positioned on the same geometric spherical surface, a plane with a part cut to the whole spherical surface is arranged on the spherical surface at one end to form a flat end surface of the C-lens, the flat end surface passes through the optical axis of the C-lens, and the length of the C-lens is smaller than the diameter of the spherical surface. The C-lens of the invention adopts the glass ball as the raw material, the spherical surface of the middle section of the glass ball is processed into the cylindrical surface, so that the cylindrical surface becomes the cylindrical body with the spherical surfaces at the two ends, and then one of the spherical surfaces is ground into a plane, thus finishing the manufacture of the C-lens. The processing of the glass ball has mature technology, high processing precision, stable and reliable spherical surface quality and low cost. The invention breaks through the processing thinking limitation of the conventional C-lens, utilizes the glass ball as the raw material and avoids the most difficult spherical surface processing problem which forms the technical bottleneck in the existing C-lens processing technology. Only simple edging and grinding angles are needed.)

一种C-lens及其制造方法

技术领域

本发明属于光学透镜技术领域，尤其涉及一种C-lens及其制造方法。

背景技术

C-lens是一种光纤通讯器件里常用的准直透镜，经常用于对光纤出射的光进行准直，或者将准直光束耦合到光纤中去。尤其在光无源器件里，C-lens有着极为广泛的应用，一年的需求量在数千万只。C-lens的常规制作工艺是，先将玻璃材料切成长条棒，然后滚圆，成圆柱体，圆柱体外径一般为1.8毫米，1.0毫米等，然后将圆柱体切割成一定长度，一头用经典二轴球透镜研磨机磨出球面，另一头加工成一定角度的倾斜平面，常用角度为8度。

为了从原理上说明现有C-lens的制造方法，以及后文说明本发明的可行性和优势，有必要对应用于准直器的C-lens的光学原理进行介绍和分析。

C-lens实际是一种平凸透镜，然而为了适应光通讯对光纤器件高回波损耗的要求，并且为了方便安装，在平凸透镜的基础上，C-lens增加了透镜厚度，成为柱状透镜。柱状透镜方便安装，并且具有较高的结构稳定性，同时将平面研磨成具有一定角度的倾斜平面，可以极大提高光路的回波损耗。如图1，C-lens的原理图所示：

H为C-lens的主面，FS为C-lens的后焦距，L2即为C-lens的焦距，FS的大小可以通过L长度来改变，假设C-lens材料折射率为n，球面半径为R，透明中心长度为L，则焦距为：f=R/(n-1)；前焦距为：L2=f；后焦距为：FS=L1=f-(L/n)。

例如行业内最常用的一款C-lens材料为NSF11，在1550nm波长，折射率为1.7449，外径为1.8毫米，球面半径为1.419mm，长度为2.98，倾斜平面角度为8度，根据此参数，我们可以计算出该透镜：焦距f=1.905mm，后焦距L1=0.197mm。

如图2常规准直器示意图所示，图中A为光纤头，B为光纤端面，C为C-lens：

在常规的光纤准直器应用中，光纤端面位于后焦面的位置，这样光纤出射的光束，经过C-lens，形成一个准直光束，光纤端面和透镜倾斜平面的距离即为FS，常规做法是将光纤头抛一个8度角度，透镜也同样抛角8度角，使两者平行。这样经过光纤出来的光，在光纤端面出射和透镜端面入射时，可以极大减弱反射光，而光纤端面距离透镜倾斜平面距离即为FS,即为L1，大约为0.197mm，常规单模光纤，纤芯直径约为9μm，出射的光斑直径大小约为10μm，经过0.197mm空气中的传输，到达透镜倾斜平面的光斑大小约为20μm。也就是说从光纤端面出射的光束，在到达C-lens倾斜平面的时候，光斑大小依然很小，大约为0.02毫米。

仍以NSF11材料为例，常规C-lens加工工艺为：

a. 将大块的NSF11方料切割成细长的方棒料；b. 将方棒料滚圆成直径为1.8mm的长圆棒；c. 将长圆棒切成短圆棒（具体长度根据加工预留量确定）；d. 短圆棒的一端用二轴球面研磨机研磨抛光出球面；e. 另一端进行8度角度的研磨、抛光，同时在这个步骤控制透镜的中心长度为2.98mm。

其中最关键步骤是的球面研磨。图3是二轴球透镜研磨机的球面研磨工艺示意图，图中上部为半球研磨摇摆轴，绕其下端内球面的球心摇摆；图中下部为C-lens棒料，绕其轴线旋转。

每个透镜球面研磨需要耗时十多分钟，为了批量化生产，往往使用多轴机同时对几十个透镜进行研磨，比如市场上常见的20轴球面研磨机。除加工效率低之外，更严重的问题是，这种球面研磨、抛光工艺存在缺陷，不能加工曲率半径很大或者很小的透镜。受其所限，常规C-lens的曲率半径一般在1毫米~2毫米左右，在此范围内可取得较理想的合格率。但当曲率半径过小，摇摆轴容易憋死，造成棒料断裂；如果曲率半径过大，摇摆轴容易发生跳动，球面会出现损伤，同时球面质量也不能保证，容易有较大的相差。这两种情况都严重影响合格率。实际中，曲率半径小于0.7mm或大于3mm合格率就显著下降，成本就显著攀升。因此，常规C-lens在材料和曲率半径的选择上，都比较局限。

为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种全新的C-lens及其制造方法。极大降低C-lens的制造成本，并且具有比传统C-lens制作工艺更为优良的光学性能。

发明内容

本发明的一种C-lens。其中段为柱形，两端为位于同一几何球面上的外凸形的球面，其中一端的球面上有一个截去部分至全部球面后的平面，形成C-lens的平端面，平端面通过C-lens的光轴线，C-lens长度小于所说球面的直径。这里所说截去，仅是为了方便描述其形状，并非对加工方法的限制，具体加工可以采取任何方法，如切割、研磨、雕刻、蚀刻等。

进一步，所说的平面全部与球面相交，形成一个圆形平端面。或者所说的平端面部分与球面相交，部分与柱面相交。

作为优选方案，所说的平端面为倾斜平面，与光轴线垂直面之间有5至10度的夹角。

本发明的C-lens的制造方法，采用玻璃球作为原材料，将玻璃球中段的球面加工成圆柱面，使之成为两端为球面的柱状体，然后再将其中一个球面研磨出一个平面，即完成C-lens的制造。

目前，玻璃球的加工具有成熟的工艺，加工精度高、球面质量稳定可靠，且成本低廉。本发明突破了常规C-lens的加工思维局限，利用玻璃球为原料，避开了现有C-lens的加工工艺中最困难的、构成技术瓶颈的球面加工问题。只需要进行较为简单的磨边和研磨角度即可。

由于新的C-lens加工方法基于玻璃球，没有二轴球面研磨机的球面曲率半径限制，玻璃球的曲率半径即C-lens球面的曲率半径。本发明的方法可以加工各种极限透镜，比如曲率半径较大、长焦距的C-lens或者曲率半径极小、焦距超短的C-lens，又同时能保证良好的球面质量和像差，同时，能保证各种不同C-lens均有一样的工艺及相对较为低廉的成本。对现有技术难以实现的曲率半径小于0.7mm或大于3mm的C-lens，也很容易实现。因此极大提高了C-lens的加工效率，降低制造成本，同时使得C-lens的质量稳定性也得到了提高。

在C-lens另一端的平面加工方面，可以将整个球面研磨成平面；也可以仅加工出光斑透射所需大小的平面即可，当然该平面一定是通过光轴线的。

将玻璃球磨出柱面可以有以下三种方法：一种是利用车床，两个同轴的车床顶柱夹持着玻璃球的两端旋转，与玻璃球旋转轴平行的研磨刀具对玻璃球进行研磨，直至研磨出预设尺寸的柱面。；第二种是另一种用无心磨床或磨边机研磨；第三种是利用高精度雕刻机雕刻。

附图说明

图1是C-lens原理图；

图2是常规准直器示意图；

图3是球面研磨工艺示意图；

图4为本发明的C-lens工艺流程图；

图5为本发明用车床加工玻璃球柱面的立体示意图；

图6为本发明用车床加工玻璃球柱面的剖面示意图；

图7为本发明用无心磨床或磨边机加工玻璃球柱面的示意图；

图8为本发明的C-lens的形状示意图。

图中：1.玻璃球，2.车床顶柱，3.研磨刀具；4.托板，5.导轮，6.磨削砂轮。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

首先说明本发明的C-lens制造方法的具体实施方式。

如图4所示，图上部分重点显示各步骤工件（从玻璃球到C-lens）尺寸的变化，下部分重点显示形状的变化。

仍以NSF11材料的常规C-lens为例。

a.选用NSF11的玻璃球，该玻璃球的直径为1.419mm(曲率半径)×2=2.838mm；

b.将该玻璃球磨成柱透镜，直径为1.8毫米；

c.在一个球面位置研磨出一个平面。

见图4中，最后一个步骤：如果倒角为8度，而且对整个1.8mm外径倒角，这样透镜长度约为2.4毫米，远短于常规2.98的C-lens长度，这样会增加后焦距长度到0.5毫米。然而如前所述，由于该透镜为厚透镜，光纤出射的光束到达透镜倾斜平面的时候，光斑大小依然很小，并不需要整个1.8毫米作为通光面。实际仅仅需要在一个球面上，研磨出很小一个平面即可通光。例如，在球面的基础上研磨出一个大约0.3毫米大小的倾斜平面，透镜总长度可以增加到2.8mm。后焦距长度则为0.3毫米，非常接近于常规使用透镜的***面时，光斑大小约为0.02毫米，0.3毫米的通光面完全可以满足透镜的通光要求。

以上举例的是常规C-lens的制造，为的是更直观地与现有技术相比较。事实上本发明在制造各种极限透镜，比如曲率半径较大、长焦距的C-lens或者曲率半径极小、焦距超短的C-lens，更有优势。比如曲率半径小于0.7mm或大于3mm的C-lens。

如图5图6所示，可以用车床在玻璃球上加工柱面。用两个同轴的车床顶柱2夹持着玻璃球1的两端旋转，与玻璃球1旋转轴平行的研磨刀具3对玻璃球1进行研磨，直至研磨出预设尺寸的柱面。

如图7所示，也可以用无心磨床或磨边机在玻璃球上加工柱面。玻璃球1被约束在托板4、导轮5和磨削砂轮6之间，导轮5旋转带动玻璃球1反向旋转，磨削砂轮6研磨玻璃球1的侧面，直至研磨出预设尺寸的柱面。

也可以利用高精度雕刻机，将玻璃球的侧面雕刻成柱状。

以下说明本发明的C-lens的形状。

如图8所示。图中的外圆表示原料玻璃球，其中虚线表示经加工后去掉的部分；图中点划线为C-lens的光轴线。中段加工后形成两端为凸球面的圆柱形。左侧的S1、S2和S3分别表示三种截面位置，三种截面均与光轴线的垂面（即垂直于光轴线的平面）呈一定夹角：S1完全在球面上，形成的C-lens的端平面为一个圆平面；S2部分截到了柱面上；S3全部截到了柱面上，即该端的球面被全部截去。三种截面均通过光轴线。