Konsumer-Lasergeräte revolutionieren: Präzise anamorphotische Mikrooptik aus Glas

Der Einsatz von Laserlicht für präzise Beleuchtung war auf High-End-Anwendungen wie optische Lithografie oder kleine Nischenmärkte wie Messtechnologien beschränkt. Jetzt, da Branchen wie Automotive und Consumer Electronics die Produktion von LIDAR und 3D-Sensoren entwickeln und hochfahren, skaliert Laserbeleuchtung in eine neue Richtung. Für Imaging-Anwendungen sind Polymeroptiken bereits die erste Wahl für Geräte wie Smart Cameras. Um jedoch Glasmikrooptiken mit besserer Performance und Langzeitstabilität zu liefern, musste die Kostenstruktur von spritzgegossenen Polymeroptiken adressiert werden.

Die limitierte Funktionalität optischer Polymermaterialien bedeutet limitierte Design- und Produktionsmöglichkeiten für optische Geräte. Das ist besonders nachteilig für optische Geräte, die hohe Anforderungen an Stabilität und Performance stellen. Das bedeutet verpasste Chancen für den Einsatz optischer Geräte in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie LIDAR und 3D-ID. Insbesondere bekannte Degradationsmechanismen wie Glanz, Trübung, Doppelbrechung und UV/VIS-Lichtabsorption und Transmissionsabfall können den Einsatz polymerbasierter Optiken in Anwendungen in rauen Umgebungen wie autonomem Transport oder präziser optischer Steuerung industrieller und Consumer-Geräte limitieren.

Abbildung 1. Gleichzeitige Verarbeitung von Glassubstraten mit zylindrischen optischen Elementen.

Ähnlich bei natürlich beleuchteten Objekten für Fotografie reduziert die Degradation der Laserbeleuchtung die Auflösung und Funktionalität der Geräte. Solche Degradationsmechanismen, in Kombination mit hochfluß gepulsten Diodenlaserquellen, können Performance und Lebensdauer von Geräten mit sicherheitsrelevanten Features limitieren. Um diese Issues anzugehen, wurde eine neue Produktionstechnologie für Zylindrischenlinsenformen designed, um die limitierenden Faktoren der Kostenreduktion für optische Komponenten aus Glas zu überwinden und präzise polierte Optiken auf Polymer-Kostenlevel zu liefern.

Wafer-basierte Optikproduktionstechnologie

Beam Shaping, die Kunst, Laserlicht bis zum einzelnen Photon zu kontrollieren, hat den Aufstieg des Optikmarkts auf sein aktuelles Near-Trillion-Dollar-Level ermöglicht.[1] Zuvor in industriellen Anwendungen für Laserschneiden oder -schweißen genutzt, fand Beam Shaping seinen Weg in den Consumer-Electronics-Markt. Beam Shaping war initial für Volumenproduktion von Laserdioden für CD/DVD & Blu-ray-Player. Jetzt evolviert es zu High-End-Mikrooptiken für Smartphones, ermöglicht Gesichtserkennung, Gestensteuerung und helle, klare Bilder in Low-Light-Umgebungen. In der Automobilindustrie wird Beam Shaping nicht nur in Scheinwerfern genutzt; State-of-the-Art Head-Up-Displays und LIDAR verbessern Fahrersicht und Sicherheit, eröffnen die Möglichkeit für zukünftige autonome Autos.

Um solche Beam-Shaping-Anwendungen zu ermöglichen, müssen die erforderlichen Mikrooptiken mit hoher Präzision und Genauigkeit gefertigt werden. Optische Charakteristika und Langzeitstabilität sind Schlüsselkriterien bei der Auswahl von Glas für eine breite Palette optischer Funktionen. Doch smarte Consumer-Anwendungen und autonomer Transport werden hauptsächlich von Kosten getrieben; als Ergebnis sind Polymeroptiken derzeit die erste Wahl für Anwendungen mit Volumen von zig bis hunderten Millionen Stück.

Abbildung 2. Array strukturierter und gedickter Zylindrischenlinsen.

In Kombination mit Diodenlaserquellen können Polymeroptiken nur für Low-Power- oder Low-Value-Anwendungen genutzt werden aufgrund von UV- und Hochleistungsdegradation. Für Anwendungen, die wenige Watt CW (Continuous Wave) oder 100 Watt QCW (Quasi Continuous Wave) und höher erfordern, ist der sichere und zuverlässige Betrieb von Glasoptiken, besonders in rauen Umgebungen, die beste Wahl. Neben Langzeitstabilität bietet Glas im Vergleich zu polymerbasierten Optiken einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, weit höhere Brechungsindizes, bessere Transmission in Wellenlängenbereich und Intensität und ist resistent gegen Umwelteinflüsse.

Bis vor kurzem führten Volumenproduzierbarkeit und Preis Produktdesigner zu Polymeroptiken. Jetzt hat die Entwicklung verbesserter nicht-sequentieller Kaltbearbeitungs- und Poliertechnologien für azylindrische Linsen auf Glaswafern die Kosten pro verarbeitetem mm² auf Polymeroptik-Level reduziert. LIMO hat beispielsweise die Wafergröße auf 300 mm × 300 mm (~12 Zoll) simultan produzierter Mikrooptiken erhöht, in Kombination mit höheren Schleif- und Polierraten. Dies führte zu reduzierten Zykluszeiten, was Volumenproduktion bei niedrigen Kosten bei Erhaltung hoher Qualität ermöglicht.

12-Zoll-Wafer-Level-Optik aus Glas

Der Prozess startet mit einem polierten Glaswafer. Ein Schleifprozess wird genutzt, um die Oberfläche zu strukturieren, wie in Abbildung 1 gezeigt. Fünf Größen umfassen die Generationen, die über die Jahre von 35 mm auf 300 mm Kantenlänge gewachsen sind. Die Oberflächenform ist nur durch die Werkzeugform limitiert und ist somit in dieser Richtung freeform. Nach Strukturierung einer Seite kann die andere Seite mit einer beliebigen Form bearbeitet werden, entweder parallel zur Vorderfläche oder senkrecht dazu. Strukturierter Bereich skaliert quadratisch mit Kantenlänge, während Bearbeitungszeit nur leicht zunimmt, sodass mit jeder Generation die Produktionskosten pro mm² reduziert werden. Die neueste Generation hat einen effektiven verarbeiteten Waferbereich von 90.000 mm². Mit aktuellen Stealth-Dicing-Techniken würden dies mehr als eine Million Stück High-End 1 mm² Mikrooptiken mit nur 12 dieser Wafer ergeben.

Strukturierung beider Seiten mit beliebiger Form ermöglicht eine breite Palette möglicher Kombinationen, von Fast- und Slow-Axis-Kollimatoren (FACs/SACs) für Single-Emitter-Dioden oder LIDAR-Anwendungen, bis zu Homogenisierern für Lithografie, bis zu Beam Transformation Systems (BTS). Die anamorphotische Formung (individuelle Kontrolle von x- und y-Strahlabmessung und -intensität) von Laserlicht in alle Arten von rechteckigen, quadratischen oder linienförmigen Strahlen eröffnet eine breite Palette von Anwendungen mit Laserlicht, die limitierte Funktionalität hatten, als nur runde oder leicht elliptische Strahlformen genutzt wurden.

Abbildung 3. Produktlinie basierend auf wafer-geschnittenen Zylindrischenlinsen und Arrays.

Es gibt mehrere Methoden, diese Mikrooptiken zu produzieren. Wenn wir uns auf Glas fokussieren, sind die Hauptmethoden LIMOs mechanische Waferstrukturierung, wie in Abbildung 3 gezeigt, und Glasformen. Beide liefern annehmbare Qualität, aber sie müssen für Designfreiheit, Produktionsgeschwindigkeit und resultierende Kosten verglichen werden. Formen haben potenziell 2D-Freeform, was zu mehr Designfreiheit führt. Dieser Vorteil wird bei Edge-Emittern gemindert, die die Hauptlaserquelle in aktuellen Pumpanwendungen sowie vielen State-of-the-Art LIDAR-Ansätzen sind, einem der wichtigsten zukünftigen Volumenmärkte für Mikrooptiken. Edge-Emitter sind asymmetrische Emitter, die den Einsatz rotationssymmetrischer Linsen ausschließen aufgrund der Notwendigkeit, beide Achsen mit unterschiedlichen effektiven Brennweiten zu designen, was azylindrische Formen begünstigt.

Abbildung 4. Transformation eines elliptischen Strahls in kreisförmige Form mittels gekreuzter Zylindrischenlinsen.[2]

Neue Strukturierungsfähigkeiten benötigen weniger als 4h für die vollständige 300 mm × 300 mm Vorderseiten-Wafer, resultierend in ~20.000 mm²/h, unter Nutzung nur eines Werkzeugsatzes. Dies minimiert NRE-Kosten, verglichen mit 7-10 Sätzen, die in optimierten Formübertragungsmaschinen benötigt werden. Diese Strukturierungszeit ist nahezu unabhängig von der Materialwahl und erlaubt Verarbeitung spezieller High-Index-Gläser sowie einer Vielzahl harter Materialien wie Silizium, Germanium, Quarzglas oder Calciumfluorid. Quarzglas kann besonders für Formen problematisch sein aufgrund seiner hohen Übergangstemperatur von Tg~1.400°C.[3]

Abbildung 5. Front-End und Back-End Produktionsfluss.

Im Wafer-Front-End-Produktionsfluss wurde ein iterativer Verbesserungsloop aus Oberflächenprofilometrie und optischen Tests implementiert, um Target-Performance-Vergleich und Varianzanalyse durchzuführen. Der Vorteil ist die Fähigkeit, bereits verarbeitete Wafer neu zu strukturieren, falls ein Wafer nicht die höchsten Qualitätsstandards erfüllt. Dies ermöglicht, Qualität auf konstant hohem Niveau mit maximalem Yield zu halten.

Strukturierte Glaswafer können einfach gereinigt, versendet und beschichtet werden. Automatisiertes Dicing, Inspektion und Verpackung bieten zuverlässige, reproduzierbare und angemessen bepreiste Back-End-Prozesse, die Polymer-Kostenlevel anvisieren.

Zusammenfassung

Abbildung 6. Wafer mit Mikrooptiken aus Glas, in spezifische Formen aus quadratischen Substraten geschnitten.

Die Fähigkeit, den Produktionsprozess von Mikro-Zylindrischenlinsen auf 12-Zoll-Glaswafer zu skalieren, ermöglicht eine komplett neue Kostenstruktur und redefiniert den Einsatz von Zylindrischenlinsen aus Glas in Consumer- und Massenproduktionsanwendungen. Jetzt werden alle performance-bezogenen Parameter von Glaslinsen auf Polymeroptik-Preislevel verfügbar. Wafer-basierte Produktion von Glasmikrooptiken hat zu einer Kostenstruktur geführt, die die Massenproduktion einer Vielzahl von Laserbeleuchtungsgeräten möglich macht, wie 3D-ID und LIDAR-Sensoren. Glasmikrooptiken eignen sich für das Design sicherheitsrelevanter Laserbeleuchtung. In Kombination mit kürzester Ramp-up-Zeit ist die Produktion mehrerer Millionen zylindrischer Glaslinsen jetzt mit LIMOs neuer 12-Zoll-Produktionstechnologie möglich.

Dieser Artikel wurde von Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer; Dr. Daniel Braam, Optics Line Product Manager; und Dirk Bogs, Chief Operating Officer; LIMO GmbH (Dortmund, Deutschland) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Hauschild unter: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein. oder besuchen Sie hier.