Revolucionando los dispositivos láser de consumo con microóptica anamórfica de precisión

El uso de luz láser para una iluminación precisa se ha limitado a aplicaciones de alta gama como la litografía óptica o pequeños nichos de mercado como las tecnologías de medición. Ahora que industrias como la automotriz y la electrónica de consumo están desarrollando y aumentando la producción de sensores LIDAR y 3D, la iluminación láser está avanzando en una nueva dirección. Para aplicaciones de imágenes, las ópticas hechas de polímeros ya son la primera opción para dispositivos como las cámaras inteligentes. Pero para poder ofrecer microópticas de vidrio con mejor rendimiento y estabilidad a largo plazo, era necesario abordar la estructura de costos de las ópticas de polímeros moldeados por inyección.

La funcionalidad limitada de los materiales poliméricos ópticos significa oportunidades limitadas de diseño y producción para dispositivos ópticos. Esto es especialmente desventajoso para dispositivos ópticos que exigen mucho estabilidad y rendimiento. Esto significa oportunidades perdidas para el uso de dispositivos ópticos en aplicaciones relacionadas con la seguridad como LIDAR y 3D ID. En particular, mecanismos de degradación bien conocidos como el brillo, la turbidez, la birrefringencia y la absorción y transmisión de la luz ultravioleta/visible (UV/VIS) pueden limitar el uso de ópticas basadas en polímeros en aplicaciones en entornos hostiles como el transporte autónomo o el 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 fotográficos iluminados naturalmente, la degradación de la iluminación láser reduce la resolución y funcionalidad de los dispositivos. Estos mecanismos de degradación, en combinación con fuentes láser de diodo pulsado de alto flujo, pueden limitar el rendimiento y la vida útil de los dispositivos con características relevantes para la seguridad. Para abordar estos problemas, se ha diseñado una nueva tecnología de producción para formas de lentes cilíndricas para superar los factores limitantes de la reducción de costos de los componentes ópticos hechos de vidrio y puede ofrecer ópticas pulidas precisas a niveles de costo de polímeros.

Tecnología de producción de óptica basada en obleas

La conformación del haz, el arte de controlar la luz láser hasta el fotón único, ha permitido el aumento del mercado de la óptica hasta su nivel actual cercano a un billón de dólares.[1] Utilizado anteriormente en aplicaciones industriales para corte o soldadura por láser, el modelado de haz ha encontrado su camino en el mercado de la electrónica de consumo. Inicialmente, la conformación del haz estaba destinada a la producción en volumen de diodos láser para reproductores de CD/DVD y Blue Ray. Ahora está evolucionando hacia microópticas de alta gama para teléfonos inteligentes, que permiten reconocimiento facial, control de gestos e imágenes brillantes y nítidas en entornos con poca luz. En la industria del automóvil, la conformación del haz no sólo se utiliza en focos; Las pantallas frontales de última generación y LIDAR mejoran la visión y la seguridad del conductor, abriendo la posibilidad para futuros vehículos autónomos.

Para permitir tales aplicaciones de conformación del haz, la microóptica requerida debe fabricarse con alta precisión y exactitud. Las características ópticas y la estabilidad a largo plazo son criterios clave a la hora de seleccionar vidrio para una amplia gama de funciones ópticas. Sin embargo, las aplicaciones de consumo inteligentes y el transporte autónomo están impulsados ​​principalmente por el costo; Como resultado, la óptica de polímeros es actualmente la primera opción para aplicaciones con volúmenes de decenas a cientos de millones de piezas.

Figura 2. Conjunto de lentes cilíndricas estructuradas y cortadas en cubitos.

En combinación con fuentes de láser de diodo, la óptica de polímeros se puede utilizar sólo para aplicaciones de baja potencia o valor bajo debido a la degradación de alta potencia y UV. Para aplicaciones que requieren unos pocos vatios CW (onda continua) o 100 vatios QCW (onda casi continua) y más, el funcionamiento seguro y confiable de la óptica de vidrio, especialmente en un entorno hostil, es la mejor opción. Además de la estabilidad a largo plazo, el vidrio, en comparación con la óptica basada en polímeros, ofrece un coeficiente de expansión térmica menor, índices de refracción mucho más altos, una mejor transmisión tanto en el rango de longitud de onda como en la intensidad y es resistente a las influencias ambientales.

Hasta hace poco, la producibilidad en volumen y el precio han llevado a los diseñadores de productos a elegir ópticas poliméricas. Ahora, el desarrollo de tecnologías mejoradas de pulido y procesamiento en frío no secuencial para lentes acilíndricas en obleas de vidrio ha reducido el costo por mm2 procesado hasta el nivel de la óptica de polímero. LIMO, por ejemplo, ha aumentado el tamaño de la oblea a 300 mm x 300 mm (~12 pulgadas) de microóptica producida simultáneamente, en combinación con mayores tasas de esmerilado y pulido. Esto ha llevado a tiempos de ciclo reducidos, lo que resulta en niveles de producción en volumen a bajo costo manteniendo una alta calidad.

Óptica de nivel Wafer de 12" hecha de vidrio

El proceso comienza con una oblea de vidrio pulida. Se utiliza un proceso de rectificado 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 de 35 mm a 300 mm de longitud de borde. La forma de la superficie sólo está limitada por la forma de la herramienta y, por tanto, tiene forma libre en esta dirección. Después de estructurar un lado, el otro lado se puede procesar con una forma arbitraria, ya sea paralela a la superficie frontal o perpendicular a ella. El área estructurada aumenta cuadráticamente con la longitud del borde, mientras que el tiempo de procesamiento solo aumenta ligeramente, de modo que con cada generación se reduce el costo de producción por mm2. La última generación tiene una superficie efectiva de oblea procesada de 90.000 mm2. Usando las técnicas actuales de corte sigiloso, esto produciría más de un millón de piezas de microóptica de 1 mm2 de alta gama con solo 12 de estas obleas.

La estructuración de ambos lados con una forma arbitraria permite una amplia gama de combinaciones posibles, desde colimadores de eje rápido y lento (FAC/SAC) para diodos emisores únicos o aplicaciones LIDAR, hasta homogeneizadores para litografía y sistemas de transformación de haz (BTS). La conformación anamórfica (control individual de la dimensión e intensidad de los haces x e y) de la luz láser en todo tipo de haces rectangulares, cuadrados o lineales abre una amplia gama de aplicaciones con luz láser que tenía una funcionalidad limitada cuando se utilizaban únicamente formas de haz redondas o ligeramente elípticas.

Figura 3. Línea de productos basada en matrices y lentes cilíndricos cortados en oblea.

Hay varios métodos disponibles para producir estas microópticas. Si nos centramos en el vidrio, los principales son la estructuración mecánica de obleas de LIMO, como se muestra en la Figura 3, y el moldeado del vidrio. Ambos producen una calidad decente, pero es necesario compararlos en cuanto a libertad de diseño, velocidad de producción y costo resultante. Los moldes potencialmente tienen una forma libre 2D, lo que genera una mayor libertad de diseño. Esta ventaja se ve disminuida en los emisores de borde, que son la principal fuente de láser en las aplicaciones de bombeo actuales, así como en muchos enfoques LIDAR de última generación, uno de los principales mercados de volumen futuros para la microóptica. Los emisores de borde son emisores asimétricos, lo que excluye el uso de lentes simétricas rotacionales debido a la necesidad de diseñar ambos ejes con diferentes distancias focales efectivas, favoreciendo las formas acilíndricas.

Figura 4. Transformación de un haz elíptico en una forma circular utilizando lentes cilíndricas cruzadas.[2]

Las nuevas capacidades de estructuración necesitan menos de 4 h para la oblea frontal completa de 300 mm × 300 mm, lo que da como resultado ~20 000 mm2/h, utilizando solo un conjunto de herramientas. Esto minimiza los costos de NRE, en comparación con los 7 a 10 juegos necesarios en las máquinas de transferencia de moldes optimizadas. Este tiempo de estructuración es casi independiente de la elección del material y permite el 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 el moldeo debido a su alta temperatura de transición de Tg~1400°C.[3]

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

En el flujo de producción inicial de obleas, se ha implementado un ciclo de mejora iterativo de perfilometría de superficie y pruebas ópticas, para ejecutar la comparación del rendimiento objetivo y el análisis de varianza. La ventaja es la posibilidad de reestructurar 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 alto y constante con el máximo rendimiento.

Las obleas de vidrio estructuradas se pueden limpiar, enviar y recubrir fácilmente. El corte en cubitos, la inspección y el envasado automatizados ofrecen procesos finales confiables, reproducibles y con precios razonables, dirigidos a niveles de costos de polímeros.

Resumen

Figura 6. Oblea con microóptica hecha de vidrio, cortada en formas específicas a partir de sustratos cuadrados.

La capacidad de escalar el proceso de producción de lentes microcilíndricas en una 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 de producción en masa. Ahora, todos los parámetros relacionados con el rendimiento de las lentes de vidrio están disponibles en un nivel de precio de óptica de polímero. La producción de microópticas de vidrio basada en obleas ha dado lugar 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 microópticas de vidrio son adecuadas para el diseño de iluminación láser relacionada con la seguridad. En combinación con el menor tiempo de preparación, ahora es posible la producción de varios millones de lentes de vidrio cilíndricos 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 de la Línea Óptica; y Dirk Bogs, director de operaciones; LIMO GmbH (Dortmund, Alemania). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Hauschild en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo. o visita aquí  .