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习惯。而此时，如前所计算的结果，从光纤出射的光束，到达该倾斜平面时，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。
