Consumenten Laser Apparaten Revolutie: Precisie Anamorfische Micro-Optica

Het gebruik van laserlicht voor nauwkeurige verlichting is beperkt gebleven tot high-end toepassingen zoals optische lithografie of kleine nische markten zoals meettechnologieën. Nu dergelijke industrieën als automotive en consumer electronics de productie van LIDAR en 3D sensoren ontwikkelen en op schaal brengen, schaalt laserverlichting in een nieuwe richting. Voor imaging toepassingen zijn optica van polymeren al de eerste keuze voor dergelijke apparaten als slimme camera's. Maar om glas micro-optica met betere prestaties en lange-termijn stabiliteit te leveren, moest de kostenstructuur van injection molded polymer optica worden aangepakt.

Beperkingen van polymer optica

De beperkte functionaliteit van optische polymermaterialen betekent beperkte ontwerp- en productiemogelijkheden voor optische apparaten. Dit is met name nadelig voor optische apparaten die een hoge eis aan stabiliteit en prestaties stellen. Dit betekent gemiste kansen voor het gebruik van optische apparaten in veiligheidsgerelateerde toepassingen zoals LIDAR en 3D ID. In het bijzonder, bekende degradatiemechanismen zoals glans, haze, birefringentie, en ultra-violet/zichtbaar (UV/VIS) lichtabsorptie en transmissieafname kunnen het gebruik van polymere-gebaseerde optica in toepassingen in harde omgevingen zoals autonoom vervoer of nauwkeurige optische controle van industriële en consumentenapparaten beperken.

Figuur 1. Gelijkzeitige verwerking van glas substraten met cylindrische optische elementen.

Op gelijke wijze, in natuurlijk verlichte objecten voor fotografie, verlaagt de degradatie van laserverlichting de resolutie en functionaliteit van de apparaten. Dergelijke degradatiemechanismen, in combinatie met hoge flux gepulste diode laserbronnen, kunnen de prestaties en levensduur van apparaten met veiligheidsrelevante kenmerken beperken. Om deze issues aan te pakken, is een nieuwe productietechnologie voor cylindrische lensvormen ontworpen om de beperkende factoren van kostenreductie voor optische componenten van glas te overwinnen en kan nauwkeurig gepolijste optica leveren op polymer kosteniveau.

Wafer-gebaseerde Optica Productietechnologie

Beam shaping, de kunst van het controleren van laserlicht tot op de enkele foton, heeft de opkomst van de optica markt tot het huidige bijna triljoen-dollar niveau mogelijk gemaakt.[1] Vroeger gebruikt in industriële toepassingen voor laser snijden of lassen, heeft beam shaping zijn weg gevonden naar de consumer electronics markt. Beam shaping was initieel voor volume productie van laser diodes voor CD/DVD & Blue Ray spelers. Het evolueert nu naar high-end micro-optica voor smartphones, wat gezichtsherkenning, gebarencontrole, en heldere scherpe afbeeldingen in laag-licht omgevingen mogelijk maakt. In de automotive industrie wordt beam shaping niet alleen in spots gebruikt; state-of-the-art heads-up displays en LIDAR verbeteren chauffeurzicht en veiligheid, wat de mogelijkheid opent voor toekomstige autonoom auto's.

Om dergelijke beam shaping toepassingen te ermöglichen, moeten de vereiste micro-optica met hoge precisie en nauwkeurigheid gefabriceerd worden. De optische kenmerken en lange-termijn stabiliteit zijn cruciale criteria bij het selecteren van glas voor een breed scala aan optische functies. Toch worden slimme consumententoepassingen en autonoom vervoer voornamelijk gedreven door kosten; als resultaat zijn polymere optica momenteel de eerste keuze voor toepassingen met volumes van tientallen tot honderden miljoenen stukken.

Figuur 2. Array van gestructureerde en gediceerde cylindrische lenzen.

In combinatie met diode laserbronnen, kunnen polymere optica alleen gebruikt worden voor low power of low value toepassingen door UV- en high-power-degradatie. Voor toepassingen die een paar Watts CW (continuous wave) of 100 Watts QCW (quasi continuous wave) en hoger vereisen, is de veilige en betrouwbare operatie van glasoptica, vooral in een harde omgeving, de beste keuze. Naast lange-termijn stabiliteit biedt glas, in vergelijking met polymere-gebaseerde optica, een kleinere thermische expansiecoëfficiënt, veel hogere brekingsindices, betere transmissie in zowel golflengtebereik als intensiteit, en is bestendig tegen omgevingsinvloeden.

Tot voor kort hebben volume produceerbaarheid en prijs productontwerpers gedreven om polymere optica te kiezen. Nu heeft de ontwikkeling van verbeterde non-sequentiële koude verwerkings- en polijsttechnologieën voor acylindrische lenzen op glas wafers de kosten per verwerkte mm² teruggebracht tot polymere optica niveau. LIMO, bijvoorbeeld, heeft de wafergrootte vergroot tot 300 mm x 300 mm (~12 inch) van gelijktijdig geproduceerde micro-optica, in combinatie met hogere slijp- en polijssnelheden. Dit heeft geleid tot verminderde cyclus tijden, wat resulteert in volume productieniveaus bij lage kosten terwijl hoge kwaliteit behouden blijft.

12" Wafer Level Optica van Glas

Het proces begint met een gepolijste glas wafer. Een slijpproces wordt gebruikt om het oppervlak te structureren, zoals getoond in Figuur 1. Vijf maten omvatten de generaties die over de jaren zijn toegenomen van 35 mm tot 300 mm randlengte. De oppervlaktevorm is alleen beperkt door de vorm van het gereedschap, en is dus in deze richting freeform. Na het structureren van één kant, kan de andere kant verwerkt worden met een willekeurige vorm, ofwel parallel aan het voorste oppervlak ofwel loodrecht daarop. Gestructureerd gebied schaalt kwadratisch met randlengte, terwijl verwerkingstijd alleen licht toeneemt, zodat met elke generatie de productiekosten per mm² worden verminderd. De laatste generatie heeft een effectief verwerkte waferoppervlakte van 90.000 mm². Met huidige stealth dicing technieken zou dit meer dan een miljoen stukken high-end 1 mm² micro-optica opleveren met slechts 12 van deze wafers.

Het structureren van beide kanten met een willekeurige vorm maakt een breed scala aan mogelijke combinaties mogelijk, van snelle- en trage-as-collimators (FACs/SACs) voor single emitter diodes of LIDAR toepassingen, tot homogenizers voor lithografie, tot beam transformation systemen (BTS). De anamorfische vormgeving (individuele controle van x- en y-straaldimensie en intensiteit) van laserlicht in allerlei rechthoekige, vierkante, of lijngeshape beams opent een breed scala aan toepassingen met laserlicht die beperkte functionaliteit had bij gebruik van alleen ronde of licht elliptische straalvormen.

Figuur 3. Productlijn gebaseerd op wafer gesneden cylindrische lenzen en arrays.

Er zijn verschillende methoden beschikbaar om deze micro-optica te produceren. Als we ons richten op glas, zijn de belangrijkste LIMO's mechanische wafer structurering, zoals getoond in Figuur 3, en glas molding. Beide leveren fatsoenlijke kwaliteit, maar ze moeten vergeleken worden voor ontwerpvrijheid, productiesnelheid, en resulterende kosten. Molds hebben potentiële 2D free form, wat leidt tot meer ontwerpvrijheid. Dit voordeel is verminderd in edge emitters, die de belangrijkste laserbron zijn in huidige pumping toepassingen, alsook veel state-of-the-art LIDAR benaderingen, een van de belangrijkste toekomstige volume markten voor micro-optica. Edge emitters zijn asymmetrische emitters, wat het gebruik van rotationeel symmetrische lenzen uitsluit door de noodzaak om beide assen met verschillende effectieve brandpuntsafstanden te ontwerpen, wat acylindrische vormen begunstigt.

Figuur 4. Transformatie van een elliptische straal in een cirkelvormige vorm met gekruiste cylindrische lenzen.[2]

Nieuwe structureringscapaciteiten hebben minder dan 4u nodig voor de volledige voorste 300 mm × 300 mm wafer, resulterend in ~20.000 mm²/u, met slechts één set gereedschappen. Dit minimaliseert NRE kosten, vergeleken met 7-10 sets nodig in geoptimaliseerde mold transfer machines. Deze structurerings tijd is bijna onafhankelijk van de materiaalkeuze en stelt verwerking van speciale hoge index glazen, alsook een verscheidenheid aan harde materialen, zoals silicium, germanium, fused silica, of calcium fluoride in staat. Fused silica, met name, kan lastig zijn voor molding door zijn hoge overgangstemperatuur van Tg~1.400°C.[3]

Figuur 5. Front-End en Back-End productie flow.

In de wafer front-end productie flow is een iteratieve verbeterlus van oppervlakteprofilometrie en optische tests, om target-prestatievergelijking en variantieanalyse uit te voeren, geïmplementeerd. Het voordeel is de mogelijkheid om al verwerkte wafers te herstructureren, in het geval een wafer niet aan de hoogste kwaliteitsstandaarden voldoet. Dit maakt het mogelijk om kwaliteit op een constant hoog niveau te houden met maximum yield.

Gestructureerde glas wafers kunnen gemakkelijk gereinigd, verzonden, en gecoat worden. Geautomatiseerd dicing, inspectie, en verpakking bieden betrouwbare, reproduceerbare, en redelijk geprijsde back-end processen, gericht op polymere kosteniveau.

Samenvatting

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

De mogelijkheid om het productieproces van micro cylindrische lenzen op 12-inch glas wafer te schalen, maakt een volledig nieuwe kostenstructuur mogelijk en herdefinieert het gebruik van cylindrische lenzen van glas in consumenten- en massaproductietoepassingen. Nu worden alle prestatiegerelateerde parameters van glaslenzen beschikbaar op een polymere optica prijsniveau. Wafer-gebaseerde productie van glas micro-optica heeft geleid tot een kostenstructuur die de massaproductie van een verscheidenheid aan laserverlichtingsapparaten mogelijk maakt, zoals 3D ID en LIDAR sensoren. Glas micro-optica zijn geschikt voor het ontwerp van veiligheidsgerelateerde laserverlichting. In combinatie met de kortste opstarttijd is de productie van verschillende miljoenen cylindrische glaslenzen nu mogelijk met LIMO's nieuwe 12-inch productietechnologie.

Dit artikel is geschreven door Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer; Dr. Daniel Braam, Optics Line Product Manager; en Dirk Bogs, Chief Operating Officer; LIMO GmbH (Dortmund, Germany). Voor meer informatie, contacteer Mr. Hauschild via dit e-mailadres of bezoek hier.