Révolutionner les appareils laser grand public grâce à la microoptique anamorphique de précision

L'utilisation de la lumière laser pour un éclairage précis a été limitée à des applications haut de gamme comme la lithographie optique ou à de petits marchés de niche comme les technologies de mesure. Maintenant que des secteurs tels que l’automobile et l’électronique grand public développent et accélèrent la production de capteurs LIDAR et 3D, l’éclairage laser évolue dans une nouvelle direction. Pour les applications d’imagerie, les optiques en polymères constituent déjà le premier choix pour des dispositifs tels que les caméras intelligentes. Mais afin de fournir des micro-optiques en verre offrant de meilleures performances et une stabilité à long terme, il fallait s'attaquer à la structure des coûts des optiques polymères moulées par injection.

La fonctionnalité limitée des matériaux polymères optiques signifie des opportunités limitées de conception et de production pour les dispositifs optiques. Ceci est particulièrement désavantageux pour les appareils optiques qui imposent des exigences élevées en matière de stabilité et de performances. Cela signifie des opportunités manquées pour l’utilisation de dispositifs optiques dans des applications liées à la sécurité telles que le LIDAR et l’identification 3D. En particulier, des mécanismes de dégradation bien connus tels que la brillance, le voile, la biréfringence et le déclin de l'absorption et de la transmission de la lumière ultraviolette/visible (UV/VIS) peuvent limiter l'utilisation d'optiques à base de polymère dans des applications dans des environnements difficiles comme le transport autonome ou le contrôle optique précis des appareils industriels et grand public.

Figure 1. Traitement simultané de substrats en verre avec des éléments optiques cylindriques.

De même, dans les objets photographiques éclairés naturellement, la dégradation de l’éclairage laser réduit la résolution et la fonctionnalité des appareils. De tels mécanismes de dégradation, en combinaison avec des sources laser à diodes pulsées à flux élevé, peuvent limiter les performances et la durée de vie des dispositifs dotés de fonctionnalités de sécurité. Pour résoudre ces problèmes, une nouvelle technologie de production de formes de lentilles cylindriques a été conçue pour surmonter les facteurs limitants de réduction des coûts des composants optiques en verre et peut fournir des optiques polies précises aux niveaux de coût des polymères.

Technologie de production d'optiques basées sur des tranches

La mise en forme du faisceau, l'art de contrôler la lumière laser jusqu'au photon unique, a permis l'essor du marché de l'optique jusqu'à son niveau actuel proche de mille milliards de dollars.[1] Auparavant utilisée dans des applications industrielles pour la découpe ou le soudage au laser, la mise en forme de faisceaux a trouvé sa place sur le marché de l'électronique grand public. La mise en forme du faisceau était initialement destinée à la production en série de diodes laser pour les lecteurs CD/DVD et Blue Ray. Il évolue désormais vers des micro-optiques haut de gamme pour smartphones, permettant la reconnaissance faciale, le contrôle gestuel et des images claires et nettes dans des environnements faiblement éclairés. Dans l'industrie automobile, la mise en forme du faisceau n'est pas seulement utilisée dans les projecteurs; les affichages tête haute de pointe et le LIDAR améliorent la vision et la sécurité du conducteur, ouvrant ainsi la voie aux futures voitures autonomes.

Pour permettre de telles applications de mise en forme de faisceau, les micro-optiques requises doivent être fabriquées avec une grande précision et exactitude. Les caractéristiques optiques et la stabilité à long terme sont des critères clés lors de la sélection du verre pour une large gamme de fonctions optiques. Pourtant, les applications grand public intelligentes et le transport autonome dépendent principalement du coût ; par conséquent, l'optique polymère est actuellement le premier choix pour les applications avec des volumes allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions de pièces.

Figure 2. Réseau de lentilles cylindriques structurées et découpées en dés.

En combinaison avec des sources laser à diode, l'optique polymère ne peut être utilisée que pour des applications de faible puissance ou de faible valeur en raison de la dégradation par les UV et la puissance élevée. Pour les applications qui nécessitent quelques watts CW (onde continue) ou 100 watts QCW (onde quasi continue) et plus, le fonctionnement sûr et fiable des optiques en verre, en particulier dans un environnement difficile, est le meilleur choix. Outre sa stabilité à long terme, le verre, par rapport aux optiques à base de polymère, offre un coefficient de dilatation thermique plus faible, des indices de réfraction bien plus élevés, une meilleure transmission dans la plage de longueurs d'onde et l'intensité, et résiste aux influences environnementales.

Jusqu'à récemment, la productibilité en volume et le prix ont conduit les concepteurs de produits à choisir l'optique polymère. Aujourd'hui, le développement de technologies améliorées de traitement à froid et de polissage non séquentiel pour les lentilles cylindriques sur des plaquettes de verre a réduit le coût par mm2 traité jusqu'au niveau de l'optique polymère. LIMO, par exemple, a augmenté la taille des plaquettes à 300 mm x 300 mm (~ 12 pouces) de micro-optiques produites simultanément, en combinaison avec des taux de meulage et de polissage plus élevés. Cela a permis de réduire les temps de cycle, ce qui a permis d'obtenir des niveaux de production en volume à faible coût tout en maintenant une qualité élevée.

Optique de niveau tranche de 12" en verre

Le processus commence par une plaquette de verre polie. Un processus de meulage est utilisé pour structurer la surface, comme le montre la figure 1. Cinq tailles englobent les générations qui sont passées au fil des années de 35 mm à 300 mm de longueur de bord. La forme de la surface n'est limitée que par la forme de l'outil et est donc libre dans cette direction. Après avoir structuré un côté, l'autre côté peut être traité avec une forme arbitraire, soit parallèle à la surface avant, soit perpendiculaire à celle-ci. La zone structurée évolue quadratiquement avec la longueur du bord, tandis que le temps de traitement n'augmente que légèrement, de sorte qu'à chaque génération, le coût de production par mm2 est réduit. La dernière génération présente une surface effective de tranche traitée de 90 000 mm2. En utilisant les techniques actuelles de découpage furtif, cela donnerait plus d'un million de pièces de micro-optiques haut de gamme de 1 mm2 avec seulement 12 de ces plaquettes.

La structuration des deux côtés avec une forme arbitraire permet un large éventail de combinaisons possibles, depuis les collimateurs à axe rapide et lent (FAC/SAC) pour les diodes à émetteur unique ou les applications LIDAR, jusqu'aux homogénéisateurs pour la lithographie, en passant par les systèmes de transformation de faisceau (BTS). La mise en forme anamorphique (contrôle individuel de la dimension et de l'intensité des faisceaux X et Y) de la lumière laser en toutes sortes de faisceaux rectangulaires, carrés ou en forme de ligne ouvre une large gamme d'applications avec la lumière laser qui avait une fonctionnalité limitée lors de l'utilisation uniquement de formes de faisceau rond ou légèrement elliptique.

Figure 3. Gamme de produits basée sur des lentilles et des matrices cylindriques découpées en tranches.

Il existe plusieurs méthodes disponibles pour produire ces micro-optiques. Si nous nous concentrons sur le verre, les principaux sont la structuration mécanique des plaquettes de LIMO, comme le montre la figure 3, et le moulage du verre. Les deux donnent une qualité décente, mais ils doivent être comparés en termes de liberté de conception, de vitesse de production et de coût qui en résulte. Les moules ont potentiellement une forme libre en 2D, ce qui conduit à une plus grande liberté de conception. Cet avantage est diminué dans le cas des émetteurs de bord, qui constituent la principale source laser dans les applications de pompage actuelles, ainsi que dans de nombreuses approches LIDAR de pointe, l'un des principaux marchés futurs en volume pour la micro-optique. Les émetteurs de bord sont des émetteurs asymétriques, ce qui exclut l'utilisation de lentilles à symétrie de rotation en raison de la nécessité de concevoir les deux axes avec des distances focales effectives différentes, en privilégiant les formes cylindriques.

Figure 4. Transformation d'un faisceau elliptique en forme circulaire à l'aide de lentilles cylindriques croisées.[2]

Les nouvelles capacités de structuration nécessitent moins de 4 heures pour la tranche avant complète de 300 mm × 300 mm, ce qui donne environ 20 000 mm2/h, en utilisant un seul ensemble d'outils. Cela minimise les coûts NRE, par rapport aux 7 à 10 jeux nécessaires dans les machines de transfert de moule optimisées. Ce temps de structuration est quasiment indépendant du choix du matériau et permet le traitement de verres spéciaux à haut indice, ainsi que d'une variété de matériaux durs, tels que le silicium, le germanium, la silice fondue ou le fluorure de calcium. La silice fondue, en particulier, peut être gênante pour le moulage en raison de sa température de transition élevée de Tg~1 400°C.[3]

Figure 5. Flux de production Front-End et Back-End.

Dans le flux de production frontal des plaquettes, une boucle d'amélioration itérative de la profilométrie de surface et des tests optiques, pour exécuter une comparaison des performances cibles et une analyse de la variance, a été mise en œuvre. L'avantage est la possibilité de restructurer des tranches déjà traitées, au cas où une tranche ne répondrait pas aux normes de qualité les plus élevées. Cela permet de maintenir la qualité à un niveau élevé constant avec un rendement maximal.

Les plaquettes de verre structurées peuvent facilement être nettoyées, expédiées et recouvertes. Le découpage en dés, l'inspection et l'emballage automatisés offrent des processus back-end fiables, reproductibles et à un prix raisonnable, ciblant les niveaux de coûts des polymères.

Résumé

Figure 6. Plaquette avec micro-optique en verre, découpée en formes spécifiques à partir de substrats carrés.

La possibilité de faire évoluer le processus de production de lentilles microcylindriques sur une plaquette de verre de 12 pouces permet une structure de coûts complètement nouvelle et redéfinit l'utilisation de lentilles cylindriques en verre dans les applications grand public et de production de masse. Désormais, tous les paramètres liés aux performances des lentilles en verre sont désormais disponibles au niveau de prix des optiques polymères. La production de micro-optiques en verre à base de tranches a conduit à une structure de coûts qui rend possible la production en série d'une variété de dispositifs d'éclairage laser, tels que les capteurs 3D ID et LIDAR. Les micro-optiques en verre conviennent à la conception d’éclairages laser liés à la sécurité. En combinaison avec un temps de montée en puissance le plus court, la production de plusieurs millions de lentilles cylindriques en verre est désormais possible grâce à la nouvelle technologie de production de 12 pouces de LIMO.

Cet article a été rédigé par Dirk Hauschild, directeur du marketing ; Dr Daniel Braam, chef de produit de la gamme optique ; et Dirk Bogs, directeur de l'exploitation ; LIMO GmbH (Dortmund, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez M. Hauschild à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser. ou visitez ici  .