Revolucionando Dispositivos Láser de Consumo con Micro-Ópticas Anamórficas de Precisión

El uso de luz láser para iluminación precisa se ha limitado a aplicaciones de alta gama como litografía óptica o pequeños mercados de nicho como tecnologías de medición. Ahora que industrias como automotriz y electrónica de consumo están desarrollando y aumentando la producción de LIDAR y sensores 3D, la iluminación láser está escalando en una nueva dirección. Para aplicaciones de imagen, ópticas hechas de polímeros ya son la primera opción para dispositivos como cámaras inteligentes. Pero para ofrecer micro-ópticas de vidrio con mejor rendimiento y estabilidad a largo plazo, la estructura de costos de ópticas de polímero moldeadas por inyección necesitaba ser abordada.

Limitaciones de Polímeros y Ventajas del Vidrio

La funcionalidad limitada de materiales ópticos de polímero significa oportunidades limitadas de diseño y producción para dispositivos ópticos. Esto es particularmente desventajoso para dispositivos ópticos que ponen un alto requisito en estabilidad y rendimiento. Esto significa oportunidades perdidas para el uso de dispositivos ópticos en aplicaciones relacionadas con seguridad como LIDAR e ID 3D. En particular, mecanismos de degradación bien conocidos como brillo, neblina, birrefringencia, y declive de absorción y transmisión de luz ultra-violeta/visible (UV/VIS) pueden limitar el uso de ópticas basadas en polímero en aplicaciones en entornos duros como transporte autónomo o control óptico preciso de dispositivos industriales y de consumo.

Figura 1. Procesamiento simultáneo de sustratos de vidrio con elementos ópticos cilíndricos.

De manera similar, en objetos iluminados naturalmente para fotografía, la degradación de la iluminación láser reduce la resolución y funcionalidad de los dispositivos. Tales mecanismos de degradación, en combinación con fuentes láser de diodo de alto flujo pulsado, pueden limitar el rendimiento y vida útil de dispositivos con características de seguridad relevantes. Para abordar estos problemas, se ha diseñado una nueva tecnología de producción para formas de lentes cilíndricas que supera los factores limitantes de reducción de costos para componentes ópticos hechos de vidrio y puede entregar ópticas pulidas precisas a niveles de costo de polímero.

Tecnología de Producción de Ópticas Basada en Obleas

La conformación de haz, el arte de controlar la luz láser hasta el fotón individual, ha permitido el auge del mercado óptico a su actual nivel de casi un billón de dólares.[1] Previamente usada en aplicaciones industriales para corte o soldadura láser, la conformación de haz ha encontrado su camino en el mercado de electrónica de consumo. La conformación de haz fue inicialmente para producción en volumen de diodos láser para reproductores CD/DVD & Blue Ray. Ahora está evolucionando en micro-ópticas de alta gama para smartphones, permitiendo reconocimiento facial, control de gestos e imágenes brillantes y nítidas en entornos de poca luz. En la industria automotriz, la conformación de haz no solo se usa en focos; pantallas head-up de última generación y LIDAR mejoran la visión y seguridad del conductor, abriendo la posibilidad para futuros autos autónomos.

Para permitir tales aplicaciones de conformación de haz, las micro-ópticas requeridas tienen que fabricarse con alta precisión y exactitud. Las características ópticas y estabilidad a largo plazo son criterios clave al seleccionar vidrio para una amplia gama de funciones ópticas. Sin embargo, aplicaciones de consumo inteligentes y transporte autónomo están principalmente impulsadas por costo; como resultado, las ópticas de polímero son actualmente la primera opción para aplicaciones con volúmenes de decenas a cientos de millones de piezas.

Figura 2. Array de lentes cilíndricas estructuradas y cortadas.

En combinación con fuentes de diodo láser, las ópticas de polímero solo pueden usarse para aplicaciones de baja potencia o bajo valor debido a degradación por UV y alta potencia. Para aplicaciones que requieren unos pocos Watts CW (onda continua) o 100 Watts QCW (cuasi continua) y superiores, la operación segura y fiable de ópticas de vidrio, especialmente en entorno duro, es la mejor opción. Además de estabilidad a largo plazo, el vidrio, en comparación con ópticas basadas en polímero, ofrece un coeficiente de expansión térmica menor, índices de refracción mucho más altos, mejor transmisión en tanto rango de longitud de onda como intensidad, y es resistente a influencias ambientales.

Hasta recientemente, la producibilidad en volumen y precio han llevado a diseñadores de producto a elegir ópticas de polímero. Ahora, el desarrollo de tecnologías mejoradas de procesamiento y pulido en frío no secuencial para lentes acilíndricas en obleas de vidrio han reducido el costo por mm² procesado al nivel de ópticas de polímero. LIMO, por ejemplo, ha aumentado el tamaño de la oblea a 300 mm x 300 mm (~12 pulgadas) de micro-ópticas producidas simultáneamente, en combinación con tasas de rectificado y pulido más altas. Esto ha llevado a tiempos de ciclo reducidos, resultando en niveles de producción en volumen a bajo costo mientras se mantiene alta calidad.

Ópticas de Nivel de Oblea de 12" Hechas de Vidrio

El proceso comienza con una oblea de vidrio pulida. Un proceso de rectificado se usa para estructurar la superficie, como se muestra en la Figura 1. Cinco tamaños abarcan las generaciones que han aumentado a lo largo de los años desde 35 mm a 300 mm de longitud de borde. La forma de la superficie solo está limitada por la forma de la herramienta, y es, por tanto, de forma libre en esta dirección. Después de estructurar un lado, el otro lado puede procesarse con una forma arbitraria, ya sea paralela a la superficie frontal o perpendicular a ella. El área estructurada escala cuadráticamente con la longitud de borde, mientras que el tiempo de procesamiento solo aumenta ligeramente, de modo que con cada generación el costo de producción por mm² se reduce. La última generación tiene un área de oblea procesada efectiva de 90,000 mm². Usando técnicas actuales de dicing sigiloso, esto rendiría más de un millón de piezas de micro-ópticas de alta gama de 1 mm² con solo 12 de estas obleas.

Estructurar ambos lados con una forma arbitraria permite una amplia gama de combinaciones posibles, desde colimadores de eje rápido y lento (FACs/SACs) para diodos de emisor único o aplicaciones LIDAR, hasta homogeneizadores para litografía, hasta sistemas de transformación de haz (BTS). La conformación anamórfica (control individual de dimensión e intensidad de haz x e y) de luz láser en todo tipo de haces rectangulares, cuadrados o en forma de línea abre una amplia gama de aplicaciones con luz láser que tenía funcionalidad limitada cuando se usaban solo formas de haz redondas o ligeramente elípticas.

Figura 3. Línea de producto basada en lentes cilíndricas cortadas de oblea y arrays.

Hay varios métodos disponibles para producir estas micro-ópticas. Si nos centramos en vidrio, los principales son el estructurado mecánico de obleas de LIMO, como se muestra en la Figura 3, y moldeo de vidrio. Ambos rinden calidad decente, pero necesitan compararse para libertad de diseño, velocidad de producción y costo resultante. Los moldes potencialmente tienen forma libre 2D, lo que lleva a más libertad de diseño. Esta ventaja se reduce en emisores de borde, que son la principal fuente láser en aplicaciones de bombeo actuales, así como en muchos enfoques LIDAR de última generación, uno de los principales mercados de volumen futuro para micro-ópticas. Los emisores de borde son emisores asimétricos, lo que excluye el uso de lentes simétricos rotacionales debido a la necesidad de diseñar ambos ejes con longitudes focales efectivas diferentes, favoreciendo formas acilíndricas.

Figura 4. Transformación de haz elíptico en circular usando lentes cilíndricas cruzadas.[2]

Nuevas capacidades de estructurado necesitan menos de 4h para el frente completo de oblea de 300 mm × 300 mm, resultando en ~20,000 mm²/h, usando solo un conjunto de herramientas. Esto minimiza costos NRE, comparado con 7-10 conjuntos necesarios en máquinas de transferencia de molde optimizadas. Este tiempo de estructurado es casi independiente de la elección de material y permite procesamiento de vidrios especiales de alto índice, así como una variedad de materiales duros, como silicio, germanio, sílice fundida, o fluoruro de calcio. La sílice fundida, especialmente, puede ser problemática para moldeo debido a su alta temperatura de transición de Tg~1,400°C.[3]

Figura 5. Flujo de producción Front-End y Back-End.

En el flujo de producción front-end de la oblea, se ha implementado un bucle de mejora iterativa de perfilometría de superficie y pruebas ópticas, para ejecutar comparación objetivo-rendimiento y análisis de varianza. La ventaja es la capacidad de re-estructurar obleas ya procesadas, en caso de que una oblea no cumpla con los más altos estándares de calidad. Esto hace posible mantener la calidad en un nivel constantemente alto con máximo rendimiento.

Obleas de vidrio estructuradas pueden limpiarse, enviarse y recubrirse fácilmente. Dicing automatizado, inspección y empaquetado ofrecen procesos back-end fiables, reproducibles y razonablemente precios, apuntando a niveles de costo de polímero.

Resumen

Figura 6. Oblea con micro-ópticas de vidrio, cortadas en formas específicas de sustratos cuadrados.

La capacidad de escalar el proceso de producción de micro lentes cilíndricas en oblea de vidrio de 12 pulgadas permite una estructura de costos completamente nueva y redefine el uso de lentes cilíndricas hechas de vidrio en aplicaciones de consumo y producción en masa. Ahora, todos los parámetros relacionados con rendimiento de lentes de vidrio se vuelven disponibles en un nivel de precio de ópticas de polímero. La producción basada en obleas de micro-ópticas de vidrio ha llevado a una estructura de costos que hace posible la producción en masa de una variedad de dispositivos de iluminación láser, como sensores 3D ID y LIDAR. Las micro-ópticas de vidrio son adecuadas para el diseño de iluminación láser relacionada con seguridad. En combinación con el tiempo de ramp-up más corto, la producción de varios millones de lentes cilíndricas de vidrio es ahora posible con la nueva tecnología de producción de 12 pulgadas de LIMO.

Este artículo fue escrito por Dirk Hauschild, Director de Marketing; Dr. Daniel Braam, Gerente de Producto Línea Óptica; y Dirk Bogs, Director de Operaciones; LIMO GmbH (Dortmund, Alemania). Para más información, contacte al Sr. Hauschild en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. o visite aquí.