Революция в потребительских лазерных устройствах: точная анаморфная микрооптика

Использование лазерного света для точной иллюминации было ограничено high-end применениями (оптическая литография) и нишевыми рынками (измерительные технологии). Теперь авто и потребительская электроника раскачивают производство LIDAR и 3D-сенсоров — лазерная иллюминация масштабируется в новое русло. Для образных применений полимерная оптика уже первый выбор (умные камеры). Но для стеклянной микрооптики с лучшей производительностью и долгосрочной стабильностью нужно решить вопрос стоимостной структуры литой полимерной оптики.

Ограниченная функциональность оптических полимеров означает ограниченные дизайн- и производственные возможности для оптических устройств. Особенно невыгодно для устройств с высокими требованиями к стабильности и производительности. Упускаются возможности применения в safety-related применениях: LIDAR, 3D ID. Известные механизмы деградации — глянцевый блеск, мутность, бирефракция, падение поглощения и пропускания УФ/видимого света — ограничивают полимерную оптику в суровых средах: автономный транспорт, точное оптическое управление промышленными и потребительскими устройствами.

Аналогично, в естественно освещенных объектах для фотографии деградация лазерной иллюминации снижает разрешение и функциональность устройств. Такие механизмы в комбинации с высокоимпульсными диодными лазерами ограничивают производительность и lifetime safety-relevant устройств. Для решения разработана новая производственная технология цилиндрических линз, преодолевающая лимиты снижения стоимости стеклянных оптических компонентов и доставляющая точные полированные оптики на ценовом уровне полимеров.

Технология wafer-based производства оптики

Формирование луча (beam shaping) — искусство контроля лазерного света до единичного фотона — вывело рынок оптики на почти триллионный уровень. Раньше — промышленные лазерные резка/сварка, теперь — потребительская электроника. Началось с volume production лазерных диодов для CD/DVD/Blu-ray. Сейчас — high-end микрооптика для смартфонов: face recognition, жестовое управление, яркие четкие фото в темноте. В авто — не только прожекторы; продвинутые HUD и LIDAR улучшают зрение водителя и безопасность, открывая путь к автономным авто.

Для таких применений микрооптика должна быть сфابрикована с высокой точностью. Оптические характеристики и долгосрочная стабильность — ключевые критерии выбора стекла для широкого спектра оптических функций. Но умные потребительские приложения и автономный транспорт драйвятся стоимостью — полимерная оптика сейчас первый выбор для объемов десятки-сотни миллионов штук.

В комбинации с диодными лазерами полимерную оптику можно использовать только для низкой мощности или низкой ценности из-за УФ- и высокомощной деградации. Для приложений, требующих несколько Вт CW или 100 Вт QCW и выше — безопасная и надежная работа стеклянной оптики, особенно в суровой среде, лучший выбор. Помимо долгосрочной стабильности, стекло vs полимеры: меньше коэффициент термического расширения, значительно выше показатели преломления, лучшая пропускание по длине волны и интенсивности, устойчивость к среде.

До недавнего времени объемная производимость и цена заставляли дизайнеров выбирать полимеры. Теперь развитие улучшенных несеквенциальных холодных технологий структурирования и полировки ацилиндрических линз на стеклянных wafers снизило стоимость на мм² до уровня полимерной оптики. LIMO, например, увеличил wafer до 300×300 мм (~12 дюймов) одновременно производимых микрооптик, с более высокими скоростями шлифовки и полировки. Это сократило cycle time, дав volume production на низкой стоимости с высоким качеством.

12-дюймовая wafer-level оптика из стекла

Процесс стартует с полированного стеклянного wafer. Шлифование структурирует поверхность (Рисунок 1). 5 поколений роста размера от 35 мм до 300 мм ребра. Форма поверхности ограничена только формой инструмента — свободная в этом направлении. После структурирования одной стороны, вторая может быть обработана произвольной формой — параллельно или перпендикулярно фронту. Структурированная площадь растет квадратично с ребром, время обработки — незначительно, поэтому с каждым поколением стоимость на мм² падает. Последнее поколение: эффективная обработанная площадь 90 000 мм². Текущие stealth dicing техники дают >1 млн высококачественных 1 мм² микрооптик с 12 таких wafers.

Структурирование обеих сторон произвольной формой открывает широкий спектр комбинаций: быстрые/медленные коллиматоры осей (FAC/SAC) для single-emitter диодов или LIDAR, гомогенизаторы для литографии, системы трансформации луча (BTS). Анаморфное формирование (индивидуальный контроль x- и y-размера и интенсивности луча) в прямоугольные, квадратные или линейные формы открывает широкий спектр применений, ограниченных раньше круглыми/слабо эллиптическими формами.

Существует несколько методов производства таких микрооптик. Для стекла главные: механическое wafer-структурирование LIMO (Рис. 3) и литье стекла. Оба дают decent quality, но нужно сравнивать по дизайн-свободе, скорости производства, итоговой стоимости. Формы потенциально дают 2D free-form — больше дизайн-свободы. Это преимущество уходит для edge-эмиттеров — основного лазерного источника в текущих pumping-приложениях и многих передовых LIDAR-подходов (один из главных будущих volume-рынков микрооптики). Edge-эмиттеры — асимметричные излучатели, исключающие вращационно-симметричные линзы из-за необходимости разных эффективных фокусных расстояний по осям, что фаворит acylindrical формы.

Новые возможности структурирования требуют <4 часов для полного фронтального 300×300 мм wafer, ~20 000 мм²/ч, используя один набор инструментов. Это минимизирует NRE costs vs 7-10 наборов в оптимизированных литейных машинах. Время структурирования почти не зависит от материала — позволяет обрабатывать специальные высокопреломляющие стекла, твердые материалы: кремний, германий, кварцевое стекло, фторид кальция. Кварцевое стекло особенно проблемно для литья из-за высокой температуры перехода Tg~1400 °C.

В front-end wafer production flow внедрен итеративный цикл улучшения: поверхностная профилометрия и оптические тесты для target-performance сравнения и variance-анализа. Преимущество — возможность реструктурировать уже обработанные wafers, если не прошли высший QC. Это держит качество на постоянном высоком уровне с максимальной yield.

Структурированные стеклянные wafers легко чистятся, перевозятся, покрываются покрытиями. Автоматизированный дайсинг, инспекция, упаковка — надежные, воспроизводимые, разумно priced back-end процессы, таргетящие полимерный ценовой уровень.

Резюме

Способность масштабировать производство микроцилиндрических линз на 12-дюймовых стеклянных wafers создает принципиально новую стоимостную структуру и переопределяет применение стеклянных цилиндрических линз в потребительских и массовых приложениях. Теперь все performance-параметры стеклянных линз доступны на ценовом уровне полимерной оптики. Wafer-based производство стеклянной микрооптики привели к стоимостной структуре, позволяющей массовое производство разнообразных лазерных иллюминационных устройств: 3D ID и LIDAR сенсоров. Стеклянная микрооптика подходит для дизайна safety-related лазерной иллюминации. В комбинации с минимальным ramp-up time производство нескольких миллионов цилиндрических стеклянных линз теперь возможно на новой 12-дюймовой технологии LIMO.

Статью написали Dirk Hauschild (CMO), Dr. Daniel Braam (Optics Line Product Manager), Dirk Bogs (COO); LIMO GmbH (Dortmund, Germany). Контакты: Mr. Hauschild, email (защищен от спамботов), или посетите сайт.