Revolutionierung von Consumer-Lasergeräten mit präziser anamorphotischer Mikrooptik

Der Einsatz von Laserlicht zur präzisen Beleuchtung war bisher auf High-End-Anwendungen wie die optische Lithographie oder kleine Nischenmärkte wie die Messtechnik beschränkt. Jetzt, da Branchen wie die Automobil- und Unterhaltungselektronikindustrie LIDAR- und 3D-Sensoren entwickeln und deren Produktion steigern, geht die Laserbeleuchtung in eine neue Richtung. Für bildgebende Anwendungen sind Optiken aus Polymeren bereits die erste Wahl, beispielsweise für Smart-Kameras. Um jedoch Mikrooptiken aus Glas mit besserer Leistung und Langzeitstabilität liefern zu können, musste die Kostenstruktur spritzgegossener Polymeroptiken angegangen werden.

Die begrenzte Funktionalität optischer Polymermaterialien bedeutet begrenzte Design- und Produktionsmöglichkeiten für optische Geräte. Dies ist besonders nachteilig für optische Geräte, die hohe Anforderungen an Stabilität und Leistung stellen. Dies bedeutet verpasste Chancen für den Einsatz optischer Geräte in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie LIDAR und 3D-ID. Insbesondere bekannte Verschlechterungsmechanismen wie Glanz, Trübung, Doppelbrechung und die Abnahme der Absorption und Transmission von ultraviolettem/sichtbarem (UV/VIS) Licht können den Einsatz polymerbasierter Optiken in Anwendungen in rauen Umgebungen wie dem autonomen Transport oder der präzisen optischen Steuerung von Industrie- und Verbrauchergeräten einschränken.

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

Ebenso führt die Verschlechterung der Laserbeleuchtung bei natürlich beleuchteten Objekten für die Fotografie zu einer Verringerung der Auflösung und Funktionalität der Geräte. Solche Verschlechterungsmechanismen können in Kombination mit gepulsten Diodenlaserquellen mit hohem Fluss die Leistung und Lebensdauer von Geräten mit sicherheitsrelevanten Funktionen einschränken. Um diese Probleme anzugehen, wurde eine neue Produktionstechnologie für zylindrische Linsenformen entwickelt, um die einschränkenden Faktoren der Kostenreduzierung für optische Komponenten aus Glas zu überwinden und präzise polierte Optiken auf Polymerkostenniveau liefern zu können.

Waferbasierte Optik-Produktionstechnologie

Die Strahlformung, die Kunst, Laserlicht bis auf das einzelne Photon zu steuern, hat den Aufstieg des Optikmarktes auf sein derzeitiges Niveau von fast einer Billion Dollar ermöglicht.[1] Die Strahlformung, die früher in industriellen Anwendungen zum Laserschneiden oder -schweißen eingesetzt wurde, hat Einzug in den Unterhaltungselektronikmarkt gehalten. Die Strahlformung diente ursprünglich der Massenproduktion von Laserdioden für CD/DVD- und Blue-Ray-Player. Es entwickelt sich nun zu einer High-End-Mikrooptik für Smartphones, die Gesichtserkennung, Gestensteuerung und helle, gestochen scharfe Bilder in Umgebungen mit wenig Licht ermöglicht. In der Automobilindustrie wird die Strahlformung nicht nur bei Scheinwerfern eingesetzt; Hochmoderne Head-up-Displays und LIDAR verbessern die Sicht und Sicherheit des Fahrers und eröffnen die Möglichkeit für zukünftige autonome Autos.

Um solche Strahlformungsanwendungen zu ermöglichen, müssen die erforderlichen Mikrooptiken mit hoher Präzision und Genauigkeit hergestellt werden. Die optischen Eigenschaften und die Langzeitstabilität sind entscheidende Kriterien bei der Auswahl von Glas für vielfältige optische Funktionen. Doch intelligente Verbraucheranwendungen und autonomer Transport werden hauptsächlich von den Kosten bestimmt; Daher sind Polymeroptiken derzeit die erste Wahl für Anwendungen mit Stückzahlen von mehreren zehn bis mehreren Hundert Millionen Stück.

Abbildung 2. Anordnung strukturierter und gewürfelter Zylinderlinsen.

In Kombination mit Diodenlaserquellen können Polymeroptiken aufgrund der UV- und Hochleistungsdegradation nur für Anwendungen mit geringer Leistung oder geringem Wert verwendet werden. Für Anwendungen, die einige Watt CW (Dauerstrich) oder 100 Watt QCW (Quasi Dauerstrich) und mehr erfordern, ist der sichere und zuverlässige Betrieb von Glasoptiken, insbesondere in rauer Umgebung, die beste Wahl. Neben der Langzeitstabilität bietet Glas im Vergleich zu Optiken auf Polymerbasis einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, deutlich höhere Brechungsindizes, eine bessere Transmission sowohl im Wellenlängenbereich als auch in der Intensität und ist resistent gegen Umwelteinflüsse.

Bis vor Kurzem haben Produktdesigner aufgrund der Massenproduzierbarkeit und des Preises Polymeroptiken gewählt. Nun hat die Entwicklung verbesserter nicht-sequentieller Kaltbearbeitungs- und Poliertechnologien für azylindrische Linsen auf Glaswafern die Kosten pro bearbeitetem mm2 bis auf die Ebene der Polymeroptik gesenkt. LIMO hat beispielsweise die Wafergröße auf 300 mm x 300 mm (~12 Zoll) gleichzeitig hergestellter Mikrooptiken erhöht, in Kombination mit höheren Schleif- und Polierraten. Dies hat zu kürzeren Zykluszeiten geführt, was zu einer Massenproduktion zu niedrigen Kosten bei gleichzeitig hoher Qualität führte.

12" Wafer-Level-Optik aus Glas

Der Prozess beginnt mit einem polierten Glaswafer. Die Strukturierung der Oberfläche erfolgt durch einen Schleifprozess, wie in Abbildung 1 dargestellt. Fünf Größen umfassen die über die Jahre gewachsenen Generationen von 35 mm auf 300 mm Kantenlänge. Die Oberflächenform wird nur durch die Form des Werkzeugs begrenzt und ist daher in dieser Richtung freiformig. Nach der Strukturierung einer Seite kann die andere Seite mit einer beliebigen Form bearbeitet werden, entweder parallel zur Vorderfläche oder senkrecht dazu. Die strukturierte Fläche skaliert quadratisch mit der Kantenlänge, während die Bearbeitungszeit nur geringfügig zunimmt, sodass mit jeder Generation die Produktionskosten pro mm2 sinken. Die neueste Generation verfügt über eine effektiv verarbeitete Waferfläche von 90.000 mm2. Mit aktuellen Stealth-Dicing-Techniken würde dies mit nur 12 dieser Wafer mehr als eine Million hochwertige 1-mm2-Mikrooptiken ergeben.

Die Strukturierung beider Seiten mit einer beliebigen Form ermöglicht eine Vielzahl möglicher Kombinationen, von Fast- und Slow-Axis-Kollimatoren (FACs/SACs) für Single-Emitter-Dioden oder LIDAR-Anwendungen über Homogenisatoren für die Lithographie bis hin zu Strahltransformationssystemen (BTS). Die anamorphe Formung (individuelle Steuerung der x- und y-Strahldimension und -intensität) von Laserlicht in alle Arten von rechteckigen, quadratischen oder linienförmigen Strahlen eröffnet ein breites Anwendungsspektrum mit Laserlicht, das bei Verwendung nur runder oder leicht elliptischer Strahlformen nur begrenzte Funktionalität hatte.

Abbildung 3. Produktlinie basierend auf Wafer-geschnittenen Zylinderlinsen und Arrays.

Zur Herstellung dieser Mikrooptiken stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Wenn wir uns auf Glas konzentrieren, sind die wichtigsten die mechanische Waferstrukturierung von LIMO, wie in Abbildung 3 dargestellt, und das Glasformen. Beide liefern eine ordentliche Qualität, müssen jedoch hinsichtlich Designfreiheit, Produktionsgeschwindigkeit und resultierenden Kosten verglichen werden. Formen verfügen möglicherweise über eine 2D-Freiform, was zu mehr Gestaltungsfreiheit führt. Dieser Vorteil wird bei Kantenemittern, die die Hauptlaserquelle in aktuellen Pumpanwendungen sind, sowie bei vielen hochmodernen LIDAR-Ansätzen, einem der wichtigsten zukünftigen Volumenmärkte für Mikrooptiken, verringert. Kantenemitter sind asymmetrische Emitter, die den Einsatz rotationssymmetrischer Linsen ausschließen, da beide Achsen unterschiedliche effektive Brennweiten aufweisen müssen und azylindrische Formen bevorzugt werden.

Abbildung 4. Umwandlung eines elliptischen Strahls in eine Kreisform mithilfe gekreuzter Zylinderlinsen.[2]

Neue Strukturierungsfunktionen benötigen weniger als 4 Stunden für den gesamten 300 mm × 300 mm großen Wafer auf der Vorderseite, was bei Verwendung nur eines Werkzeugsatzes zu ~20.000 mm2/h führt. Dies minimiert die NRE-Kosten im Vergleich zu 7–10 Sätzen, die in optimierten Formtransfermaschinen benötigt werden. Diese Strukturierungszeit ist nahezu unabhängig von der Materialwahl und ermöglicht die Verarbeitung spezieller Gläser mit hohem Brechungsindex sowie einer Vielzahl harter Materialien wie Silizium, Germanium, Quarzglas oder Kalziumfluorid. Insbesondere Quarzglas kann aufgrund seiner hohen Übergangstemperatur von Tg~1.400 °C beim Formen problematisch sein.[3]

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

Im Wafer-Frontend-Produktionsablauf wurde eine iterative Verbesserungsschleife aus Oberflächenprofilometrie und optischen Tests implementiert, um Soll-Leistungs-Vergleiche und Varianzanalysen durchzuführen. Der Vorteil liegt in der Möglichkeit, bereits bearbeitete Wafer neu zu strukturieren, falls ein Wafer nicht den höchsten Qualitätsstandards entspricht. Dadurch ist es möglich, die Qualität bei maximaler Ausbeute auf einem konstant hohen Niveau zu halten.

Strukturierte Glaswafer können problemlos gereinigt, versendet und beschichtet werden. Automatisiertes Würfeln, Prüfen und Verpacken bieten zuverlässige, reproduzierbare und preisgünstige Back-End-Prozesse, die auf Polymerkostenniveaus abzielen.

Zusammenfassung

Abbildung 6. Wafer mit Mikrooptik aus Glas, aus quadratischen Substraten in bestimmte Formen geschnitten.

Die Möglichkeit, den Produktionsprozess von Mikro-Zylinderlinsen auf 12-Zoll-Glaswafer zu skalieren, ermöglicht eine völlig neue Kostenstruktur und definiert den Einsatz von Zylinderlinsen aus Glas in Verbraucher- und Massenproduktionsanwendungen neu. Jetzt sind alle leistungsbezogenen Parameter von Glaslinsen auf dem Preisniveau von Polymeroptiken verfügbar. Die Wafer-basierte Produktion von Mikrooptiken aus Glas hat zu einer Kostenstruktur geführt, die die Massenproduktion verschiedener Laserbeleuchtungsgeräte wie 3D-ID- und LIDAR-Sensoren ermöglicht. Mikrooptiken aus Glas eignen sich für die Gestaltung sicherheitsrelevanter Laserbeleuchtung. In Kombination mit kürzester Hochlaufzeit ist mit der neuen 12-Zoll-Produktionstechnologie von LIMO nun die Produktion von mehreren Millionen zylindrischen Glaslinsen möglich.

Dieser Artikel wurde von Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer, verfasst. Dr. Daniel Braam, Produktmanager der Optics Line; und Dirk Bogs, Chief Operating Officer; LIMO GmbH (Dortmund, Deutschland). Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Hauschild unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Um es anzuzeigen, muss JavaScript aktiviert sein. oder besuchen Sie hier  .