Révolutionner les dispositifs laser grand public avec des micro-optiques anamorphiques de précision

L'utilisation de la lumière laser pour l'illumination précise a été limitée aux applications haut de gamme comme la lithographie optique ou les petits marchés de niche comme les technologies de mesure. Maintenant que des industries telles que l'automobile et l'électronique grand public développent et augmentent la production de LIDAR et de capteurs 3D, l'illumination laser s'échelonne dans une nouvelle direction. Pour les applications d'imagerie, les optiques faites de polymères sont déjà le premier choix pour de tels dispositifs que les caméras intelligentes. Mais afin de fournir des micro-optiques en verre avec de meilleures performances et une stabilité à long terme, la structure de coûts des optiques polymères moulées par injection devait être abordée.

Limitations des optiques polymères

La fonctionnalité limitée des matériaux optiques polymères signifie des opportunités limitées de conception et de production pour les dispositifs optiques. C'est particulièrement désavantageux pour les dispositifs optiques qui placent une exigence élevée sur la stabilité et la performance. Cela signifie des opportunités manquées pour l'utilisation de dispositifs optiques dans des applications liées à la sécurité comme le LIDAR et l'identification 3D. En particulier, les mécanismes de dégradation bien connus comme le brillant, la brume, la biréfringence, et le déclin de l'absorption et de la transmission ultra-violette/visible (UV/VIS) peuvent limiter l'utilisation d'optiques à base de polymères dans des applications en environnements difficiles comme le transport autonome ou le contrôle optique précis de dispositifs industriels et grand public.

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

De même, dans les objets naturellement illuminés pour la photographie, la dégradation de l'illumination laser réduit la résolution et la fonctionnalité des dispositifs. De tels mécanismes de dégradation, en combinaison avec des sources laser à diode à impulsion de haut flux, peuvent limiter la performance et la durée de vie des dispositifs avec des caractéristiques liées à la sécurité. Pour résoudre ces problèmes, une nouvelle technologie de production pour formes de lentilles cylindriques a été conçue pour surmonter les facteurs limitants de réduction de coûts pour les composants optiques en verre et peut fournir des optiques polies précises à des niveaux de coûts polymères.

Technologie de production d'optique à base de wafers

Le façonnage de faisceau, l'art de contrôler la lumière laser jusqu'au photon unique, a permis la montée du marché de l'optique à son niveau actuel de près de mille milliards de dollars.[1] Précédemment utilisé dans les applications industrielles pour le découpage ou le soudage laser, le façonnage de faisceau a trouvé son chemin dans le marché de l'électronique grand public. Le façonnage de faisceau était initialement pour la production en volume de diodes laser pour lecteurs CD/DVD & Blue Ray. Il évolue maintenant en micro-optiques haut de gamme pour smartphones, permettant la reconnaissance faciale, le contrôle gestuel et des images nettes et brillantes dans des environnements à faible luminosité. Dans l'industrie automobile, le façonnage de faisceau n'est pas seulement utilisé dans les projecteurs ; les affichages tête haute de pointe et le LIDAR améliorent la vision et la sécurité du conducteur, ouvrant la possibilité pour de futures voitures autonomes.

Pour permettre de telles applications de façonnage de faisceau, les micro-optiques requises doivent être fabriquées avec une haute 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 sont principalement pilotés par le coût ; par conséquent, les optiques polymères sont actuellement le premier choix pour les applications avec des volumes de dizaines à centaines de millions de pièces.

Figure 2. Réseau de lentilles cylindriques structurées et découpées.

En combinaison avec des sources de diodes laser, les optiques polymères ne peuvent être utilisées que pour des applications à faible puissance ou faible valeur en raison de la dégradation UV et de haute puissance. Pour les applications qui nécessitent quelques Watts CW (onde continue) ou 100 Watts QCW (quasi onde continue) et plus, le fonctionnement sûr et fiable des optiques en verre, surtout dans un environnement difficile, est le meilleur choix. En plus de la stabilité à long terme, le verre, en comparaison aux optiques à base de polymères, offre un coefficient d'expansion thermique plus petit, des indices de réfraction beaucoup plus élevés, une meilleure transmission dans les deux gammes de longueurs d'onde et d'intensité, et est résistant aux influences environnementales.

Jusqu'à récemment, la productibilité en volume et le prix ont conduit les concepteurs de produits à choisir les optiques polymères. Maintenant, le développement de technologies améliorées de traitement et polissage à froid non-séquentiel pour lentilles acylindriques sur wafers de verre ont réduit le coût par mm² traité au niveau des optiques polymères. LIMO, par exemple, a augmenté la taille du wafer à 300 mm x 300 mm (~12 pouces) de micro-optiques produites simultanément, en combinaison avec des taux de meulage et polissage plus élevés. Cela a conduit à des temps de cycle réduits, résultant en des niveaux de production en volume à faible coût tout en maintenant une haute qualité.

Optique niveau wafer 12" en verre

Le processus commence avec un wafer de verre poli. Un processus de meulage est utilisé pour structurer la surface, comme montré dans la Figure 1. Cinq tailles englobent les générations qui ont augmenté au fil des ans de 35 mm à 300 mm de longueur de bord. La forme de surface n'est limitée que par la forme de l'outil, et est donc freeform 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 surface structurée échelle quadratiquement avec la longueur de bord, tandis que le temps de traitement n'augmente que légèrement, de sorte qu'avec chaque génération, le coût de production par mm² est réduit. La dernière génération a une surface de wafer traitée effective de 90 000 mm². En utilisant les techniques actuelles de dicing furtif, cela produirait plus d'un million de pièces de micro-optiques haut de gamme de 1 mm² avec seulement 12 de ces wafers.

Structurer les deux côtés avec une forme arbitraire permet une large gamme de combinaisons possibles, des collimateurs d'axe rapide et lent (FAC/SAC) pour diodes à émetteur unique ou applications LIDAR, aux homogénéiseurs pour lithographie, aux systèmes de transformation de faisceau (BTS). Le façonnage anamorphique (contrôle individuel de la dimension et intensité du faisceau x et y) de la lumière laser dans 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 en utilisant seulement des formes de faisceaux ronds ou légèrement elliptiques.

Figure 3. Ligne de produits basée sur lentilles cylindriques et réseaux découpés au wafer.

Il y a plusieurs méthodes disponibles pour produire ces micro-optiques. Si nous nous concentrons sur le verre, les principales sont le structurage de wafer mécanique de LIMO, comme montré dans la Figure 3, et le moulage de verre. Les deux donnent une qualité décente, mais ils doivent être comparés pour la liberté de conception, la vitesse de production et le coût résultant. Les moules ont potentiellement une forme libre 2D, ce qui mène à plus de liberté de conception. Cet avantage est diminué dans les émetteurs de bord, qui sont la source laser principale dans les applications de pompage actuelles, ainsi que dans de nombreuses approches LIDAR de pointe, l'un des principaux marchés de volume futurs pour les micro-optiques. Les émetteurs de bord sont des émetteurs asymétriques, ce qui exclut l'utilisation de lentilles à symétrie rotationnelle en raison de la nécessité de concevoir les deux axes avec des longueurs focales effectives différentes, favorisant les formes acylindriques.

Figure 4. Transformation d'un faisceau elliptique en forme circulaire en utilisant des lentilles cylindriques croisées.[2]

De nouvelles capacités de structuration nécessitent moins de 4h pour le wafer complet de 300 mm × 300 mm côté avant, résultant en ~20 000 mm²/h, en utilisant seulement un ensemble d'outils. Cela minimise les coûts NRE, comparé aux 7-10 ensembles nécessaires dans les machines de transfert de moule optimisées. Ce temps de structuration est presque indépendant du choix du matériau et permet le traitement de verres à indice élevé spéciaux, ainsi qu'une variété de matériaux durs, tels que silicium, germanium, silice fondue, ou fluorure de calcium. La silice fondue, en particulier, peut être problématique 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 wafer front-end, une boucle d'amélioration itérative de profilométrie de surface et tests optiques, pour exécuter une comparaison cible-performance et analyse de variance, a été implémentée. L'avantage est la capacité de restructurer des wafers déjà traités, au cas où un wafer ne répondrait pas aux normes de qualité les plus élevées. Cela permet de maintenir la qualité à un niveau constant élevé avec un rendement maximal.

Les wafers de verre structurés peuvent être facilement nettoyés, expédiés et revêtus. Le découpage automatisé, l'inspection et l'emballage offrent des processus back-end fiables, reproductibles et raisonnablement prix, ciblant les niveaux de coûts polymères.

Résumé

Figure 6. Wafer avec micro-optiques en verre, découpé en formes spécifiques à partir de substrats carrés.

La capacité d'échelonner le processus de production de micro-lentilles cylindriques sur wafer de verre 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. Maintenant, tous les paramètres liés à la performance des lentilles en verre deviennent disponibles à un niveau de prix d'optiques polymères. La production d'optique micro à base de wafer en verre a conduit à une structure de coûts qui rend possible la production de masse d'une variété de dispositifs d'illumination laser, tels que les capteurs 3D ID et LIDAR. Les micro-optiques en verre sont adaptées pour la conception d'illumination laser liée à la sécurité. En combinaison avec le temps de montée en puissance le plus court, la production de plusieurs millions de lentilles cylindriques en verre est maintenant possible avec la nouvelle technologie de production 12 pouces de LIMO.

Cet article a été écrit par Dirk Hauschild, Directeur marketing ; Dr. Daniel Braam, Responsable produit ligne optique ; et Dirk Bogs, Directeur des opérations ; LIMO GmbH (Dortmund, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez M. Hauschild à cette adresse e-mail protégée ou visitez ici.