Revolucionando dispositivos laser de consumo com microóptica anamórfica de precisão

O uso da luz laser para iluminação precisa tem sido limitado a aplicações de ponta, como litografia óptica ou pequenos nichos de mercado, como tecnologias de medição. Agora que indústrias como a automóvel e a eletrónica de consumo estão a desenvolver e a aumentar a produção de sensores LIDAR e 3D, a iluminação laser está a evoluir numa nova direção. Para aplicações de imagem, as ópticas feitas de polímeros já são a primeira escolha para dispositivos como câmeras inteligentes. Mas, para fornecer microóptica de vidro com melhor desempenho e estabilidade a longo prazo, a estrutura de custos da óptica de polímero moldado por injeção precisava ser abordada.

A funcionalidade limitada dos materiais poliméricos ópticos significa oportunidades limitadas de design e produção para dispositivos ópticos. Isto é particularmente desvantajoso para dispositivos ópticos que exigem muito estabilidade e desempenho. Isto significa oportunidades perdidas para o uso de dispositivos ópticos em aplicações relacionadas à segurança, como LIDAR e 3D ID. Em particular, mecanismos de degradação bem conhecidos, como brilho, neblina, birrefringência e absorção de luz ultravioleta/visível (UV/VIS) e declínio de transmissão, podem limitar o uso de óptica baseada em polímeros em aplicações em ambientes agressivos, como transporte autônomo ou controle óptico preciso de dispositivos industriais e de consumo.
Figura 1. Processamento simultâneo de substratos de vidro com elementos ópticos cilíndricos.
Da mesma forma, em objetos iluminados naturalmente para fotografia, a degradação da iluminação laser reduz a resolução e a funcionalidade dos dispositivos. Tais mecanismos de degradação, em combinação com fontes de laser de diodo pulsado de alto fluxo, podem limitar o desempenho e a vida útil de dispositivos com características relevantes de segurança. Para resolver esses problemas, uma nova tecnologia de produção para formatos de lentes cilíndricas foi projetada para superar os fatores limitantes de redução de custos para componentes ópticos feitos de vidro e pode fornecer óptica polida precisa em níveis de custo de polímero.

Tecnologia de produção óptica baseada em wafer

A modelagem do feixe, a arte de controlar a luz do laser até o único fóton, permitiu a ascensão do mercado óptico ao seu nível atual de quase um trilhão de dólares.[1] Anteriormente usado em aplicações industriais para corte ou soldagem a laser, o perfilamento de feixe chegou ao mercado de eletrônicos de consumo. A modelagem do feixe foi inicialmente para produção em massa de diodos laser para CD/DVD e reprodutores Blue Ray. Agora está evoluindo para micro-óticas de última geração para smartphones, permitindo reconhecimento facial, controle de gestos e imagens nítidas e brilhantes em ambientes com pouca luz. Na indústria automotiva, a modelagem do feixe não é usada apenas em holofotes; Heads-up displays e LIDAR de última geração melhoram a visão e a segurança do motorista, abrindo a possibilidade para futuros carros autônomos.

Para permitir tais aplicações de modelagem de feixe, as microópticas necessárias devem ser fabricadas com alta precisão e exatidão. As características ópticas e a estabilidade a longo prazo são critérios fundamentais na seleção do vidro para uma ampla gama de funções ópticas. No entanto, as aplicações inteligentes para o consumidor e o transporte autónomo são impulsionados principalmente pelo custo; como resultado, a óptica polimérica é atualmente a primeira escolha para aplicações com volumes de dezenas a centenas de milhões de peças.
Figura 2. Conjunto de lentes cilíndricas estruturadas e cortadas em cubos.
Em combinação com fontes de laser de diodo, a óptica de polímero pode ser usada apenas para aplicações de baixa potência ou baixo valor devido à degradação de alta potência e UV. Para aplicações que requerem alguns Watts CW (onda contínua) ou 100 Watts QCW (onda quase contínua) e superiores, a operação segura e confiável da óptica de vidro, especialmente em um ambiente hostil, é a melhor escolha. Além da estabilidade a longo prazo, o vidro, em comparação com a óptica à base de polímeros, oferece um menor coeficiente de expansão térmica, índices de refração muito mais elevados, melhor transmissão tanto na faixa de comprimento de onda quanto na intensidade, e é resistente às influências ambientais.

Até recentemente, a produtividade em volume e o preço levaram os designers de produtos a escolher ópticas de polímero. Agora, o desenvolvimento de tecnologias aprimoradas de processamento a frio e polimento não sequencial para lentes acilíndricas em wafers de vidro reduziu o custo por mm2 processado até o nível de óptica de polímero. A LIMO, por exemplo, aumentou o tamanho do wafer para 300 mm x 300 mm (~12 polegadas) de microóptica produzida simultaneamente, em combinação com taxas mais altas de retificação e polimento. Isto levou a tempos de ciclo reduzidos, resultando em níveis de produção em volume a baixo custo, mantendo ao mesmo tempo a alta qualidade.

Óptica de nível wafer de 12" feita de vidro

O processo começa com uma bolacha de vidro polido. Um processo de retificação é utilizado para estruturar a superfície, conforme mostrado na Figura 1. Cinco tamanhos abrangem as gerações que aumentaram ao longo dos anos de 35 mm para 300 mm de comprimento de borda. A forma da superfície é limitada apenas pela forma da ferramenta e, portanto, tem forma livre nesta direção. Depois de estruturar um lado, o outro lado pode ser processado com uma forma arbitrária, seja paralela à superfície frontal ou perpendicular a ela. A área estruturada é dimensionada quadraticamente com o comprimento da borda, enquanto o tempo de processamento aumenta apenas ligeiramente, de modo que a cada geração o custo de produção por mm2 é reduzido. A última geração possui uma área efetiva de wafer processada de 90.000 mm2. Usando as atuais técnicas de corte furtivo, isso renderia mais de um milhão de peças de microóptica de 1 mm2 de alta qualidade com apenas 12 desses wafers.

Estruturar ambos os lados com uma forma arbitrária permite uma ampla gama de combinações possíveis, desde colimadores de eixo rápido e lento (FACs/SACs) para diodos emissores únicos ou aplicações LIDAR, até homogeneizadores para litografia, até sistemas de transformação de feixe (BTS). A modelagem anamórfica (controle individual da dimensão e intensidade do feixe X e Y) da luz laser em todos os tipos de feixes retangulares, quadrados ou em forma de linha abre uma ampla gama de aplicações com luz laser que tinha funcionalidade limitada ao usar apenas formatos de feixe redondos ou ligeiramente elípticos.
Figura 3. Linha de produtos baseada em lentes e matrizes cilíndricas com corte wafer.
Existem vários métodos disponíveis para produzir essas microópticas. Se focarmos no vidro, os principais são a estruturação mecânica do wafer do LIMO, conforme mostrado na Figura 3, e a moldagem do vidro. Ambos produzem qualidade decente, mas precisam ser comparados quanto à liberdade de design, velocidade de produção e custo resultante. Os moldes têm potencialmente formato 2D livre, o que leva a mais liberdade de design. Essa vantagem é diminuída nos emissores de borda, que são a principal fonte de laser nas atuais aplicações de bombeamento, bem como em muitas abordagens LIDAR de última geração, um dos principais mercados futuros de volume para microóptica. Os emissores de borda são emissores assimétricos, o que exclui o uso de lentes simétricas rotacionais devido à necessidade de projetar ambos os eixos com diferentes distâncias focais efetivas, favorecendo formas acilíndricas.
Figura 4. Transformação de um feixe elíptico em formato circular usando lentes cilíndricas cruzadas.[2]
Novos recursos de estruturação precisam de menos de 4 horas para o wafer frontal completo de 300 mm × 300 mm, resultando em aproximadamente 20.000 mm2/h, usando apenas um conjunto de ferramentas. Isso minimiza os custos de NRE, em comparação com 7 a 10 conjuntos necessários em máquinas de transferência de moldes otimizadas. Este tempo de estruturação é quase independente da escolha do material e permite o processamento de vidros especiais de alto índice, bem como uma variedade de materiais duros, como silício, germânio, sílica fundida ou fluoreto de cálcio. A sílica fundida, especialmente, pode ser problemática para moldagem devido à sua alta temperatura de transição de Tg ~ 1.400°C.[3]
Figura 5. Fluxo de produção Front-End e Back-End.
No fluxo de produção front-end do wafer, foi implementado um ciclo iterativo de melhoria de perfilometria de superfície e testes ópticos, para executar comparação de desempenho alvo e análise de variância. A vantagem é a capacidade de reestruturar wafers já processados, caso um wafer não atenda aos mais altos padrões de qualidade. Isto torna possível manter a qualidade em um nível elevado e constante com rendimento máximo.

Os wafers de vidro estruturados podem ser facilmente limpos, enviados e revestidos. O corte, a inspeção e a embalagem automatizados oferecem processos de back-end confiáveis, reproduzíveis e com preços razoáveis, visando os níveis de custo do polímero.

Resumo

Figura 6. Wafer com microóptica de vidro, cortado em formatos específicos a partir de substratos quadrados.
A capacidade de dimensionar o processo de produção de lentes microcilíndricas em wafers de vidro de 12 polegadas permite uma estrutura de custos completamente nova e redefine o uso de lentes cilíndricas feitas de vidro em aplicações de consumo e produção em massa. Agora, todos os parâmetros relacionados ao desempenho das lentes de vidro estão disponíveis no nível de preço da óptica de polímero. A produção de microóptica de vidro baseada em wafer levou a uma estrutura de custos que torna possível a produção em massa de uma variedade de dispositivos de iluminação a laser, como sensores 3D ID e LIDAR. A microóptica de vidro é adequada para o projeto de iluminação a laser relacionada à segurança. Em combinação com o menor tempo de arranque, a produção de vários milhões de lentes de vidro cilíndricas é agora possível com a nova tecnologia de produção de 12 polegadas da LIMO.

Este artigo foi escrito por Dirk Hauschild, Diretor de Marketing; Dr. Daniel Braam, Gerente de Produto da Linha Óptica; e Dirk Bogs, Diretor de Operações; LIMO GmbH (Dortmund, Alemanha). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Hauschild em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa do JavaScript habilitado para visualizá-lo. ou visite aqui  .