Революция в потребительских лазерных устройствах с помощью прецизионной анаморфной микрооптики

Использование лазерного света для точного освещения ограничивается высокотехнологичными приложениями, такими как оптическая литография, или небольшими нишевыми рынками, такими как измерительные технологии. Теперь, когда такие отрасли, как автомобилестроение и бытовая электроника, развивают и наращивают производство лидаров и 3D-датчиков, лазерное освещение развивается в новом направлении. Для приложений обработки изображений оптика из полимеров уже является первым выбором для таких устройств, как интеллектуальные камеры. Но для того, чтобы обеспечить стеклянную микрооптику с лучшими характеристиками и долгосрочной стабильностью, необходимо было учитывать структуру затрат на оптику из полимера, полученного литьем под давлением.

Ограниченная функциональность оптических полимерных материалов означает ограниченные возможности проектирования и производства оптических устройств. Это особенно невыгодно для оптических устройств, к которым предъявляются высокие требования к стабильности и производительности. Это означает упущенные возможности использования оптических устройств в приложениях, связанных с безопасностью, таких как LIDAR и 3D ID. В частности, хорошо известные механизмы деградации, такие как блеск, матовость, двойное лучепреломление, а также снижение поглощения и пропускания ультрафиолетового/видимого (УФ/ВИД) света, могут ограничить использование оптики на основе полимеров в приложениях в суровых условиях, таких как автономный транспорт или точный оптический контроль промышленных и потребительских устройств.

Рис. 1. Одновременная обработка стеклянных подложек цилиндрическими оптическими элементами.

Аналогичным образом, в естественно освещенных объектах для фотографии ухудшение лазерного освещения снижает разрешение и функциональность устройств. Такие механизмы деградации в сочетании с импульсными диодными лазерными источниками с высокой интенсивностью потока могут ограничивать производительность и срок службы устройств с функциями, важными для безопасности. Для решения этих проблем была разработана новая технология производства линз цилиндрической формы, позволяющая преодолеть ограничивающие факторы снижения стоимости оптических компонентов из стекла и позволяющая обеспечить точную полированную оптику при уровне затрат на полимеры.

Технология производства оптики на основе пластин

Формирование луча, искусство управления лазерным светом вплоть до одного фотона, позволило поднять рынок оптики до нынешнего уровня, близкого к триллиону долларов.[1] Ранее использовавшаяся в промышленности для лазерной резки или сварки, технология формирования луча нашла свое применение на рынке бытовой электроники. Формирование луча изначально предназначалось для массового производства лазерных диодов для проигрывателей CD/DVD и Blue Ray. Сейчас она развивается в высококачественную микрооптику для смартфонов, позволяющую распознавать лица, управлять жестами и получать яркие и четкие изображения в условиях низкой освещенности. В автомобильной промышленности формирование луча используется не только в прожекторах; современные проекционные дисплеи и лидар улучшают обзор и безопасность водителя, открывая возможности для будущих автономных автомобилей.

Чтобы реализовать такие приложения формирования луча, необходимая микрооптика должна быть изготовлена с высокой точностью и аккуратностью. Оптические характеристики и долговременная стабильность являются ключевыми критериями при выборе стекла для широкого спектра оптических функций. Тем не менее, интеллектуальные потребительские приложения и автономный транспорт в основном обусловлены стоимостью; в результате полимерная оптика в настоящее время является лучшим выбором для приложений с объемами от десятков до сотен миллионов штук.

Рисунок 2. Массив структурированных и нарезанных кубиками цилиндрических линз.

В сочетании с диодными лазерными источниками полимерная оптика может использоваться только для маломощных или малоценных приложений из-за деградации УФ-излучения и высокой мощности. Для приложений, требующих мощности в несколько ватт CW (непрерывная волна) или 100 Вт QCW (квазинепрерывная волна) и выше, лучшим выбором будет безопасная и надежная работа стеклянной оптики, особенно в суровых условиях. Помимо долгосрочной стабильности, стекло по сравнению с оптикой на основе полимеров обеспечивает меньший коэффициент теплового расширения, гораздо более высокие показатели преломления, лучшее пропускание как в диапазоне длин волн, так и в интенсивности, а также устойчиво к воздействиям окружающей среды.

До недавнего времени массовое производство и цена заставляли разработчиков выбирать полимерную оптику. В настоящее время разработка усовершенствованных технологий непоследовательной холодной обработки и полировки цилиндрических линз на стеклянных пластинах позволила снизить стоимость обработанного мм2 до уровня полимерной оптики. Например, компания LIMO увеличила размер пластин одновременно производимой микрооптики до 300 x 300 мм (~ 12 дюймов) в сочетании с более высокими скоростями шлифовки и полировки. Это привело к сокращению времени цикла, что привело к увеличению объемов производства при низких затратах при сохранении высокого качества.

12-дюймовая бесфланцевая оптика из стекла

Процесс начинается с полированной стеклянной пластины. Для структурирования поверхности используется процесс шлифования, как показано на рисунке 1. Пять размеров охватывают поколения, длина кромки которых с годами увеличилась с 35 мм до 300 мм. Форма поверхности ограничена только формой инструмента и, таким образом, имеет произвольную форму в этом направлении. После структурирования одной стороны другой стороне можно придать произвольную форму, параллельную лицевой поверхности или перпендикулярную ей. Структурированная область масштабируется квадратично с длиной ребра, при этом время обработки увеличивается лишь незначительно, так что с каждым поколением стоимость производства на мм2 снижается. Последнее поколение имеет эффективную площадь обрабатываемой пластины 90 000 мм2. Используя современные методы скрытого нарезания кубиками, можно получить более миллиона деталей высококачественной микрооптики площадью 1 мм2, используя всего 12 таких пластин.

Структурирование обеих сторон произвольной формы обеспечивает широкий спектр возможных комбинаций:от коллиматоров с быстрой и медленной осью (FAC/SAC) для одноэмиттерных диодов или приложений LIDAR до гомогенизаторов для литографии и систем преобразования пучка (BTS). Анаморфное формирование (индивидуальный контроль размера и интенсивности луча x и y) лазерного света во все виды прямоугольных, квадратных или линейных лучей открывает широкий спектр применений лазерного света, функциональность которого ограничена при использовании только круглых или слегка эллиптических форм луча.

Рисунок 3. Линейка продуктов на основе цилиндрических линз и матриц, вырезанных на пластинах.

Существует несколько методов изготовления такой микрооптики. Если сосредоточиться на стекле, то основными из них являются механическое структурирование пластин LIMO, как показано на рисунке 3, и формование стекла. Оба обеспечивают достойное качество, но их необходимо сравнивать по свободе дизайна, скорости производства и конечной стоимости. Пресс-формы потенциально имеют произвольную 2D-форму, что обеспечивает большую свободу дизайна. Это преимущество уменьшается в краевых излучателях, которые являются основным источником лазера в современных приложениях накачки, а также во многих современных подходах LIDAR, одном из основных будущих объемных рынков микрооптики. Краевые излучатели представляют собой асимметричные излучатели, которые исключают использование вращательно-симметричных линз из-за необходимости проектировать обе оси с разными эффективными фокусными расстояниями, отдавая предпочтение цилиндрическим формам.

Рис. 4. Преобразование эллиптического луча в круглую форму с помощью скрещенных цилиндрических линз.[2]

Новые возможности структурирования требуют менее 4 часов для полной лицевой стороны пластины размером 300 × 300 мм, что дает производительность ~20 000 мм2/ч при использовании только одного набора инструментов. Это сводит к минимуму затраты на NRE по сравнению с 7-10 комплектами, необходимыми для оптимизированных машин для переноса форм. Это время структурирования практически не зависит от выбора материала и позволяет обрабатывать специальные стекла с высоким показателем преломления, а также различные твердые материалы, такие как кремний, германий, плавленый кварц или фторид кальция. В частности, плавленый кварц может быть проблематичным при формовании из-за его высокой температуры перехода, Tg ~ 1400°C.[3]

Рисунок 5. Процесс производства Front-End и Back-End.

В процессе производства пластин был реализован итеративный цикл улучшения профилометрии поверхности и оптических испытаний для выполнения сравнения целевых характеристик и дисперсионного анализа. Преимуществом является возможность реструктуризации уже обработанных пластин, если пластина не соответствует самым высоким стандартам качества. Это дает возможность поддерживать качество на постоянно высоком уровне при максимальной урожайности.

Структурированные стеклянные пластины можно легко очищать, транспортировать и наносить покрытие. Автоматизированное нарезание кубиками, проверка и упаковка обеспечивают надежные, воспроизводимые и доступные по цене технологические процессы, ориентированные на уровень затрат на полимеры.

Сводка

Рисунок 6. Пластина с микрооптикой из стекла, вырезанная на определенные формы из квадратных подложек.

Возможность масштабировать процесс производства микроцилиндрических линз на 12-дюймовую стеклянную пластину позволяет создать совершенно новую структуру затрат и по-новому взглянуть на использование цилиндрических линз из стекла в потребительском и массовом производстве. Теперь все технические характеристики стеклянных линз стали доступны на уровне цен полимерной оптики. Производство стеклянной микрооптики на основе пластин привело к такой структуре затрат, которая делает возможным массовое производство различных устройств лазерного освещения, таких как датчики 3D ID и LIDAR. Стеклянная микрооптика подходит для создания безопасного лазерного освещения. В сочетании с кратчайшим временем наладки производство нескольких миллионов цилиндрических стеклянных линз теперь возможно с помощью новой 12-дюймовой технологии производства LIMO.

Эту статью написал Дирк Хаушильд, директор по маркетингу; д-р Дэниел Браам, менеджер по продукции оптического направления; и Дирк Богс, главный операционный директор; LIMO GmbH (Дортмунд, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Хаушильдом по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript. или посетите здесь  .