Een revolutie in consumentenlaserapparaten met nauwkeurige anamorfe micro-optica

Het gebruik van laserlicht voor nauwkeurige verlichting is beperkt gebleven tot hoogwaardige toepassingen zoals optische lithografie of kleine nichemarkten zoals meettechnologieën. Nu industrieën als de auto- en consumentenelektronica de productie van LIDAR- en 3D-sensoren ontwikkelen en opvoeren, schaalt laserverlichting in een nieuwe richting. Voor beeldverwerkingstoepassingen zijn optica gemaakt van polymeren al de eerste keuze voor apparaten als slimme camera's. Maar om glazen micro-optica te leveren met betere prestaties en stabiliteit op de lange termijn, moest de kostenstructuur van spuitgegoten polymeeroptiek worden aangepakt.

De beperkte functionaliteit van optische polymeermaterialen betekent beperkte ontwerp- en productiemogelijkheden voor optische apparaten. Dit is vooral nadelig voor optische apparaten die hoge eisen stellen aan stabiliteit en prestaties. Dit betekent gemiste kansen voor het gebruik van optische apparaten in veiligheidsgerelateerde toepassingen zoals LIDAR en 3D ID. Met name bekende degradatiemechanismen zoals glans, waas, dubbele breking en afname van de absorptie en transmissie van ultraviolet/zichtbaar (UV/VIS) licht kunnen het gebruik van op polymeren gebaseerde optica beperken in toepassingen in ruwe omgevingen zoals autonoom transport of nauwkeurige optische controle van industriële en consumentenapparatuur.

Figuur 1. Gelijktijdige verwerking van glassubstraten met cilindrische optische elementen.

Op dezelfde manier vermindert de verslechtering van de laserverlichting bij natuurlijk verlichte objecten voor fotografie de resolutie en functionaliteit van de apparaten. Dergelijke degradatiemechanismen kunnen, in combinatie met gepulseerde diodelaserbronnen met hoge flux, de prestaties en levensduur van apparaten met veiligheidsrelevante kenmerken beperken. Om deze problemen aan te pakken is een nieuwe productietechnologie voor cilindrische lensvormen ontworpen om de beperkende factoren van kostenreductie voor optische componenten van glas te overwinnen en nauwkeurig gepolijste optica te kunnen leveren tegen polymeerkostenniveaus.

Wafer-gebaseerde optische productietechnologie

Beam shaping, de kunst van het beheersen van laserlicht tot op het enkele foton, heeft de opkomst van de opticamarkt tot het huidige niveau van bijna een biljoen dollar mogelijk gemaakt.[1] Beam shaping, voorheen gebruikt in industriële toepassingen voor lasersnijden of lassen, heeft zijn weg gevonden naar de markt voor consumentenelektronica. Beam shaping was aanvankelijk bedoeld voor de volumeproductie van laserdiodes voor cd-/dvd- en Blue Ray-spelers. Het evolueert nu naar hoogwaardige micro-optica voor smartphones, waardoor gezichtsherkenning, gebarenbediening en heldere, scherpe beelden in omgevingen met weinig licht mogelijk zijn. In de auto-industrie wordt beam shaping niet alleen in spotlights toegepast; State-of-the-art heads-up displays en LIDAR verbeteren het zicht en de veiligheid van de bestuurder, waardoor de mogelijkheid wordt geopend voor toekomstige autonome auto's.

Om dergelijke toepassingen voor bundelvorming mogelijk te maken, moeten de vereiste micro-optica met hoge precisie en nauwkeurigheid worden vervaardigd. De optische kenmerken en stabiliteit op lange termijn zijn belangrijke criteria bij de keuze van glas voor een breed scala aan optische functies. Toch worden slimme consumententoepassingen en autonoom transport vooral gedreven door kosten; Als gevolg hiervan zijn polymeeroptiek momenteel de eerste keuze voor toepassingen met volumes van tientallen tot honderden miljoenen stuks.

Figuur 2. Array van gestructureerde en in blokjes gesneden cilindrische lenzen.

In combinatie met diodelaserbronnen kan polymeeroptiek alleen worden gebruikt voor toepassingen met een laag vermogen of een lage waarde vanwege de degradatie van UV en hoog vermogen. Voor toepassingen die een paar Watt CW (continue golf) of 100 Watt QCW (quasi continue golf) en hoger vereisen, is de veilige en betrouwbare werking van glasoptiek, vooral in een ruwe omgeving, de beste keuze. Naast stabiliteit op lange termijn biedt glas, in vergelijking met op polymeer gebaseerde optica, een kleinere thermische uitzettingscoëfficiënt, veel hogere brekingsindices, betere transmissie in zowel het golflengtebereik als de intensiteit, en is het bestand tegen omgevingsinvloeden.

Tot voor kort hebben volumeproduceerbaarheid en prijs productontwerpers ertoe aangezet om voor polymeeroptiek te kiezen. Nu heeft de ontwikkeling van verbeterde niet-sequentiële koude verwerkings- en polijsttechnologieën voor acilindrische lenzen op glaswafels de kosten per verwerkte mm2 verlaagd tot op het niveau van de polymeeroptiek. LIMO heeft bijvoorbeeld de wafelgrootte vergroot tot 300 mm x 300 mm (~12 inch) van gelijktijdig geproduceerde micro-optica, in combinatie met hogere slijp- en polijstsnelheden. Dit heeft geleid tot kortere cyclustijden, wat resulteert in volumeproductie tegen lage kosten, terwijl de hoge kwaliteit behouden blijft.

12" Wafer Level-optiek gemaakt van glas

Het proces begint met een gepolijste glazen wafel. Er wordt gebruik gemaakt van een slijpproces om het oppervlak te structureren, zoals weergegeven in figuur 1. Vijf maten omvatten de generaties die in de loop der jaren zijn toegenomen van 35 mm naar 300 mm kantlengte. De vorm van het oppervlak wordt alleen beperkt door de vorm van het gereedschap en is dus vrij in deze richting. Na het structureren van één zijde kan de andere zijde worden bewerkt met een willekeurige vorm, parallel aan het voorvlak of loodrecht daarop. Het gestructureerde gebied schaalt kwadratisch met de randlengte, terwijl de verwerkingstijd slechts licht toeneemt, zodat bij elke generatie de productiekosten per mm2 worden verlaagd. De nieuwste generatie heeft een effectief verwerkt waferoppervlak van 90.000 mm2. Met behulp van de huidige stealth-dicing-technieken zou dit met slechts 12 van deze wafers meer dan een miljoen stuks hoogwaardige 1 mm2 micro-optica opleveren.

Door beide zijden een willekeurige vorm te geven, is een breed scala aan mogelijke combinaties mogelijk, van snelle en langzame ascollimatoren (FAC's/SAC's) voor single-emitterdiodes of LIDAR-toepassingen, tot homogenisatoren voor lithografie en bundeltransformatiesystemen (BTS). De anamorfe vormgeving (individuele controle van x- en y-bundelafmetingen en -intensiteit) van laserlicht in allerlei rechthoekige, vierkante of lijnvormige bundels opent een breed scala aan toepassingen met laserlicht dat een beperkte functionaliteit had bij gebruik van alleen ronde of licht elliptische bundelvormen.

Figuur 3. Productlijn gebaseerd op wafelgesneden cilindrische lenzen en arrays.

Er zijn verschillende methoden beschikbaar om deze micro-optica te produceren. Als we ons op glas concentreren, zijn de belangrijkste de mechanische waferstructurering van LIMO, zoals weergegeven in figuur 3, en het gieten van glas. Beide leveren een behoorlijke kwaliteit op, maar ze moeten worden vergeleken op het gebied van ontwerpvrijheid, productiesnelheid en de daaruit voortvloeiende kosten. Mallen hebben potentieel een 2D-vrije vorm, wat leidt tot meer ontwerpvrijheid. Dit voordeel wordt verminderd bij randemitters, die de belangrijkste laserbron zijn in de huidige pomptoepassingen, evenals bij veel ultramoderne LIDAR-benaderingen, een van de belangrijkste toekomstige volumemarkten voor micro-optica. Edge-emitters zijn asymmetrische emitters, die het gebruik van rotatiesymmetrische lenzen uitsluiten vanwege de noodzaak om beide assen met verschillende effectieve brandpuntsafstanden te ontwerpen, waarbij de voorkeur wordt gegeven aan acilindrische vormen.

Figuur 4. Transformatie van een elliptische straal in een cirkelvorm met behulp van gekruiste cilindrische lenzen.[2]

Nieuwe structureringsmogelijkheden hebben minder dan 4 uur nodig voor de volledige voorkant van 300 mm x 300 mm wafer, wat resulteert in ~20.000 mm2/u, met slechts één set gereedschappen. Dit minimaliseert de NRE-kosten, vergeleken met 7-10 sets die nodig zijn bij geoptimaliseerde matrijsoverdrachtmachines. Deze structureringstijd is vrijwel onafhankelijk van de materiaalkeuze en maakt de verwerking mogelijk van speciale glassoorten met een hoge index, evenals van een verscheidenheid aan harde materialen, zoals silicium, germanium, gesmolten silica of calciumfluoride. Vooral gesmolten silica kan lastig zijn bij het vormen vanwege de hoge overgangstemperatuur van Tg~1.400°C.[3]

Figuur 5. Front-end- en back-end-productiestroom.

In de front-end productiestroom van wafers is een iteratieve verbeteringslus van oppervlakteprofilemetrie en optische tests geïmplementeerd om vergelijking van doelprestaties en variantieanalyse uit te voeren. Het voordeel is de mogelijkheid om reeds verwerkte wafers te herstructureren, voor het geval een wafer niet aan de hoogste kwaliteitsnormen voldoet. Hierdoor is het mogelijk om de kwaliteit constant op een hoog niveau te houden met een maximale opbrengst.

Gestructureerde glaswafels kunnen eenvoudig worden gereinigd, verzonden en gecoat. Geautomatiseerd snijden, inspecteren en verpakken bieden betrouwbare, reproduceerbare en redelijk geprijsde back-endprocessen, gericht op de kostenniveaus van polymeren.

Samenvatting

Figuur 6. Wafer met micro-optica gemaakt van glas, in specifieke vormen gesneden uit vierkante substraten.

De mogelijkheid om het productieproces van microcilindrische lenzen op 12-inch glaswafel te schalen maakt een geheel nieuwe kostenstructuur mogelijk en herdefinieert het gebruik van cilindrische lenzen gemaakt van glas in consumenten- en massaproductietoepassingen. Nu worden alle prestatiegerelateerde parameters van glazen lenzen beschikbaar op het prijsniveau van polymeeroptiek. Op wafers gebaseerde productie van glazen micro-optica heeft geleid tot een kostenstructuur die de massaproductie van een verscheidenheid aan laserverlichtingsapparaten mogelijk maakt, zoals 3D ID- en LIDAR-sensoren. Glazen micro-optieken zijn geschikt voor het ontwerp van veiligheidsgerelateerde laserverlichting. In combinatie met de kortste aanlooptijd is de productie van enkele miljoenen cilindrische glazen lenzen nu mogelijk met LIMO's nieuwe 12-inch productietechnologie.

Dit artikel is geschreven door Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer; Dr. Daniel Braam, productmanager Optics Line; en Dirk Bogs, Chief Operating Officer; LIMO GmbH (Dortmund, Duitsland). Neem voor meer informatie contact op met de heer Hauschild op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier  .