Revolucionando Dispositivos Laser de Consumo com Micro-Óptica Anamórfica de Precisão

O uso de luz laser para iluminação precisa tem sido limitado a aplicações high-end como litografia óptica ou pequenos mercados de nicho como tecnologias de medição. Agora que indústrias como automotiva e eletrônica de consumo estão desenvolvendo e aumentando produção de LIDAR e sensores 3D, iluminação laser está escalando em uma nova direção. Para aplicações de imagem, ópticas feitas de polímeros já são a primeira escolha para tais dispositivos como câmeras inteligentes. Mas para entregar micro-ópticas de vidro com melhor desempenho e estabilidade a longo prazo, a estrutura de custo de ópticas de polímero moldadas por injeção precisava ser abordada.

Limitações das Ópticas de Polímero

A funcionalidade limitada de materiais ópticos de polímero significa oportunidades limitadas de design e produção para dispositivos ópticos. Isso é particularmente desvantajoso para dispositivos ópticos que colocam alta exigência em estabilidade e desempenho. Isso significa oportunidades perdidas para o uso de dispositivos ópticos em aplicações relacionadas à segurança como LIDAR e ID 3D. Em particular, mecanismos de degradação bem conhecidos como brilho, neblina, birrefringência, e declínio de absorção e transmissão de luz ultra-violeta/visível (UV/VIS) podem limitar o uso de ópticas baseadas em polímero em aplicações em ambientes severos 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.

Similarmente, em objetos naturalmente iluminados para fotografia, a degradação de iluminação laser reduz a resolução e funcionalidade dos dispositivos. Tais mecanismos de degradação, em combinação com fontes de laser diodo de alto fluxo pulsado, podem limitar o desempenho e vida útil de dispositivos com recursos relevantes de segurança. Para abordar estas questões, uma nova tecnologia de produção para formas de lentes cilíndricas foi projetada para superar fatores limitantes de redução de custo para componentes ópticos feitos de vidro e pode entregar ópticas polidas precisas em níveis de custo de polímero.

Tecnologia de Produção de Ópticas Baseada em Wafer

Modelagem de feixe, a arte de controlar luz laser até o fóton único, permitiu a ascensão do mercado de ópticas para seu nível atual de quase trilhão de dólares.[1] Anteriormente usado em aplicações industriais para corte ou solda a laser, modelagem de feixe encontrou seu caminho no mercado de eletrônica de consumo. Modelagem de feixe foi inicialmente para produção em volume de diodos laser para players de CD/DVD & Blue Ray. Agora está evoluindo para micro-ópticas high-end para smartphones, permitindo reconhecimento facial, controle de gestos e imagens nítidas e brilhantes em ambientes de pouca luz. Na indústria automotiva, modelagem de feixe não é apenas usada em faróis; displays heads-up de última geração e LIDAR melhoram visão e segurança do motorista, abrindo possibilidade para futuros carros autônomos.

Para habilitar tais aplicações de modelagem de feixe, as micro-ópticas requeridas têm que ser fabricadas com alta precisão e exatidão. As características ópticas e estabilidade a longo prazo são critérios-chave ao selecionar vidro para uma ampla gama de funções ópticas. No entanto, aplicações de consumo inteligentes e transporte autônomo são principalmente impulsionados por custo; como resultado, ópticas de polímero são atualmente a primeira escolha para aplicações com volumes de dezenas a centenas de milhões de peças.

Figura 2. Array de lentes cilíndricas estruturadas e cortadas.

Em combinação com fontes de diodo laser, ópticas de polímero podem ser usadas apenas para aplicações de baixa potência ou baixo valor devido a degradação UV e alta potência. Para aplicações que requerem alguns Watts CW (onda contínua) ou 100 Watts QCW (quase contínua) e mais, a operação segura e confiável de ópticas de vidro, especialmente em ambiente severo, é a melhor escolha. Além de estabilidade a longo prazo, vidro, em comparação a ópticas baseadas em polímero, oferece coeficiente de expansão térmica menor, índices de refração muito mais altos, melhor transmissão em ambas faixa de comprimento de onda e intensidade, e é resistente a influências ambientais.

Até recentemente, producibilidade em volume e preço levaram designers de produto a escolher ópticas de polímero. Agora, o desenvolvimento de tecnologias aprimoradas de processamento a frio não sequencial e polimento para lentes acilíndricas em wafers de vidro reduziram custo por mm² processado até nível de ópticas de polímero. LIMO, por exemplo, aumentou o tamanho do wafer para 300 mm x 300 mm (~12 polegadas) de micro-ópticas produzidas simultaneamente, em combinação com taxas de retífica e polimento mais altas. Isso levou a tempos de ciclo reduzidos, resultando em níveis de produção em volume a baixo custo enquanto mantém alta qualidade.

Ópticas de Nível Wafer de 12" Feitas de Vidro

O processo começa com um wafer de vidro polido. Um processo de retífica é usado para estruturar a superfície, como mostrado na Figura 1. Cinco tamanhos abrangem as gerações que aumentaram ao longo dos anos de 35 mm a 300 mm de comprimento de borda. A forma da superfície é apenas limitada pela forma da ferramenta, e é, assim, freeform nesta direção. Após estruturar um lado, o outro lado pode ser processado com uma forma arbitrária, seja paralela à superfície frontal ou perpendicular a ela. Área estruturada escala quadraticamente com comprimento de borda, enquanto tempo de processamento apenas aumenta ligeiramente, então com cada geração o custo de produção por mm² é reduzido. A geração mais recente tem uma área de wafer processada efetiva de 90.000 mm². Usando técnicas atuais de dicing stealth, isso renderia mais de um milhão de peças de micro-ópticas high-end de 1 mm² com apenas 12 destes wafers.

Estruturar ambos os lados com forma arbitrária permite uma ampla gama de combinações possíveis, de colimadores de eixo rápido e lento (FACs/SACs) para diodos emissores únicos ou aplicações LIDAR, a homogeneizadores para litografia, a sistemas de transformação de feixe (BTS). A modelagem anamórfica (controle individual de dimensão e intensidade do feixe x e y) de luz laser em todos os tipos de feixes retangulares, quadrados ou em linha abre uma ampla gama de aplicações com luz laser que tinha funcionalidade limitada quando usando apenas formas de feixe redondas ou ligeiramente elípticas.

Figura 3. Linha de produto baseada em lentes cilíndricas cortadas de wafer e arrays.

Existem vários métodos disponíveis para produzir estas micro-ópticas. Se focarmos em vidro, os principais são estruturação de wafer mecânica da LIMO, como mostrado na Figura 3, e moldagem de vidro. Ambos produzem qualidade decente, mas precisam ser comparados para liberdade de design, velocidade de produção e custo resultante. Moldes potencialmente têm free form 2D, o que leva a mais liberdade de design. Esta vantagem é diminuída em emissores de borda, que são a principal fonte laser em aplicações atuais de bombeamento, bem como muitas abordagens LIDAR de última geração, um dos principais mercados futuros de volume para micro-ópticas. Emissores de borda são emissores assimétricos, que excluem uso de lentes rotacionalmente simétricas devido à necessidade de projetar ambos os eixos com distâncias focais efetivas diferentes, favorecendo formas acilíndricas.

Figura 4. Transformação de feixe elíptico em forma circular usando lentes cilíndricas cruzadas.[2]

Novas capacidades de estruturação precisam de menos de 4h para o wafer frontal completo de 300 mm × 300 mm, resultando em ~20.000 mm²/h, usando apenas um conjunto de ferramentas. Isso minimiza custos NRE, comparado a 7-10 conjuntos necessários em máquinas de transferência de molde otimizadas. Este tempo de estruturação é quase independente da escolha de material e permite processamento de vidros especiais de alto índice, bem como uma variedade de materiais duros, como silício, germânio, sílica fundida ou fluoreto de cálcio. 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 de wafer, um loop de melhoria iterativa de perfilometria de superfície e testes ópticos, para executar comparação alvo-desempenho e análise de variância, foi implementado. A vantagem é a capacidade de reestruturar wafers já processados, caso um wafer não atenda aos mais altos padrões de qualidade. Isso torna possível manter qualidade em nível constantemente alto com rendimento máximo.

Wafers de vidro estruturados podem ser facilmente limpos, enviados e revestidos. Dicing automatizado, inspeção e embalagem oferecem processos back-end confiáveis, reprodutíveis e razoavelmente precificados, visando níveis de custo de polímero.

Resumo

Figura 6. Wafer com micro-ópticas de vidro, cortadas em formas específicas de substratos quadrados.

A capacidade de escalar o processo de produção de micro lentes cilíndricas em wafer de vidro de 12 polegadas permite uma estrutura de custo 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 a desempenho de lentes de vidro ficam disponíveis em nível de preço de ópticas de polímero. Produção baseada em wafer de micro-ópticas de vidro levou a uma estrutura de custo que torna possível a produção em massa de uma variedade de dispositivos de iluminação laser, como sensores 3D ID e LIDAR. Micro-ópticas de vidro são adequadas para design de iluminação laser relacionada a segurança. Em combinação com menor tempo de ramp-up, a produção de vários milhões de lentes cilíndricas de vidro 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 Linha de Óptica; e Dirk Bogs, Diretor de Operações; LIMO GmbH (Dortmund, Alemanha). Para mais informações, contate Sr. Hauschild em este endereço de email ou visite aqui.