高精度アナモフィックマイクロオプティクスで民生用レーザーデバイスに革命を起こす

精密な照明のためのレーザー光の使用は、光リソグラフィーなどのハイエンドのアプリケーションや、測定技術などの小規模なニッチ市場に限定されてきました。現在、自動車や家庭用電化製品などの業界が LIDAR や 3D センサーの開発と生産を強化しているため、レーザー照明は新たな方向に拡大しています。イメージング用途では、ポリマー製の光学部品がスマート カメラなどのデバイスですでに第一の選択肢となっています。しかし、より優れた性能と長期安定性を備えたガラス製マイクロ光学素子を提供するには、射出成形ポリマー光学素子のコスト構造に対処する必要がありました。

光学ポリマー材料の機能が限られているということは、光学デバイスの設計および製造の機会が限られていることを意味します。これは、安定性とパフォーマンスに高い要件を課す光学デバイスにとって特に不利です。これは、LIDAR や 3D ID などの安全関連アプリケーションで光学デバイスを使用する機会を逃したことを意味します。特に、光沢、ヘイズ、複屈折、紫外/可視 (UV/VIS) 光の吸収と透過率の低下などのよく知られた劣化メカニズムにより、自動輸送や産業用および民生用デバイスの精密な光学制御などの過酷な環境でのアプリケーションでのポリマーベースの光学部品の使用が制限される可能性があります。

図 1. 円筒状光学素子を備えたガラス基板の同時処理。

同様に、写真用の自然光に照らされたオブジェクトでは、レーザー照明の劣化により、デバイスの解像度と機能が低下します。このような劣化メカニズムは、高光束パルスダイオードレーザー源と組み合わせると、安全関連機能を備えたデバイスの性能と寿命を制限する可能性があります。これらの問題に対処するために、ガラス製の光学コンポーネントのコスト削減の制限要因を克服し、ポリマーのコスト レベルで精密に研磨された光学部品を提供できるように、シリンドリカル レンズ形状の新しい製造技術が設計されました。

ウェーハベースの光学製造技術

レーザー光を単一光子まで制御する技術であるビーム整形は、光学市場を現在のほぼ 1 兆ドルのレベルにまで引き上げることを可能にしました [1]。以前はレーザー切断や溶接などの産業用途で使用されていたビーム整形が、家庭用電化製品市場にも導入されています。ビーム整形は当初、CD/DVD およびブルーレイ プレーヤー用のレーザー ダイオードの量産用でした。現在、スマートフォン用のハイエンドのマイクロ光学機器に進化しており、顔認識、ジェスチャー制御、および低照度環境での明るく鮮明な画像を可能にします。自動車業界では、ビーム整形はスポットライトでのみ使用されているわけではありません。最先端のヘッドアップ ディスプレイと LIDAR はドライバーの視覚と安全性を向上させ、将来の自動運転車の可能性を開きます。

このようなビーム整形アプリケーションを可能にするには、必要なマイクロ光学系を高精度で製造する必要があります。光学特性と長期安定性は、幅広い光学機能用のガラスを選択する際の重要な基準です。しかし、消費者向けのスマート アプリケーションと自動運転は主にコストによって推進されます。その結果、ポリマー光学部品は現在、数千万から数億個の部品を扱うアプリケーションの第一の選択肢となっています。

図 2. 構造化され、角切りされたシリンドリカル レンズのアレイ。

ダイオードレーザー光源と組み合わせた場合、ポリマー光学部品は、UV および高出力による劣化のため、低出力または低価値の用途にのみ使用できます。数ワットの CW (連続波) または 100 ワットの QCW (準連続波) 以上を必要とするアプリケーションの場合、特に過酷な環境におけるガラス光学部品の安全で信頼性の高い動作が最良の選択です。ガラスは、ポリマーベースの光学部品と比較して、長期安定性に加えて、熱膨張係数が小さく、屈折率がはるかに高く、波長範囲と強度の両方で優れた透過率を実現し、環境の影響に耐性があります。

最近まで、製品設計者は量産性と価格を理由にポリマー光学系を選択していました。現在、ガラスウェーハ上の非連続冷間加工および研磨技術の改良により、加工 mm2 あたりのコストがポリマー光学レベルまで削減されました。たとえば、LIMO は、より高い研削速度と研磨速度を組み合わせて、同時に製造されるマイクロ光学部品のウェハ サイズを 300 mm x 300 mm (約 12 インチ) に拡大しました。これによりサイクル タイムが短縮され、高品質を維持しながら低コストでの大量生産レベルが実現しました。

ガラス製 12 インチ ウェーハ レベル光学部品

このプロセスは、研磨されたガラスウェーハから始まります。図 1 に示すように、研削プロセスを使用して表面を構造化します。5 つのサイズには、エッジ長 35 mm から 300 mm まで、長年にわたって増加した世代が含まれています。表面の形状は工具の形状によってのみ制限されるため、この方向では自由形状になります。片面を構造化した後、もう一方の面を表面に対して平行または垂直に任意の形状に加工できます。構造化領域はエッジの長さに応じて二次関数的に拡大されますが、処理時間はわずかに増加するだけであるため、世代ごとに mm2 あたりの生産コストが削減されます。最新世代の有効処理ウェーハ面積は 90,000 mm2 です。現在のステルス ダイシング技術を使用すると、わずか 12 枚のウェハで 100 万個以上のハイエンド 1 mm2 マイクロ光学部品が得られます。

両面を任意の形状で構造化することで、シングルエミッタダイオードまたはLIDARアプリケーション用の高速軸および低速軸コリメータ(FAC/SAC)から、リソグラフィ用のホモジナイザ、ビーム変換システム(BTS)まで、幅広い組み合わせが可能になります。レーザー光をあらゆる種類の長方形、正方形、または線状のビームにアナモルフィック整形 (X ビームと Y ビームの寸法と強度を個別に制御) することにより、円形またはわずかに楕円形のビーム形状のみを使用した場合には機能が制限されていたレーザー光の幅広い用途が可能になります。

図 3. ウェーハカットのシリンドリカル レンズおよびアレイに基づく製品ライン。

これらのマイクロ光学部品を製造するにはいくつかの方法があります。ガラスに焦点を当てると、主なものは、図 3 に示す LIMO の機械的ウェーハ構造化とガラス成形です。どちらもそれなりの品質をもたらしますが、設計の自由度、生産速度、および結果として生じるコストについて比較する必要があります。金型には 2D 自由形状が含まれる可能性があり、設計の自由度が高まります。この利点は、現在のポンピングアプリケーションの主なレーザー源であるエッジエミッターや、マイクロ光学の将来の主要な量産市場の1つである多くの最先端のLIDARアプローチでは減少します。エッジ エミッタは非対称エミッタです。これは、両方の軸を異なる有効焦点距離で設計する必要があるため、回転対称レンズの使用を除外し、円筒形を優先します。

図 4. 交差したシリンドリカル レンズを使用した楕円ビームの円形への変換。[2]

新しい構造化機能では、前面 300 mm × 300 mm ウェハ全体に 4 時間未満しかかかりません。その結果、1 セットのツールのみを使用して、最大 20,000 mm2/h を実現できます。これにより、最適化された金型トランスファーマシンに必要な 7 ～ 10 セットの NRE コストと比較して、NRE コストが最小限に抑えられます。この構造化時間は材料の選択にほぼ依存せず、特殊な高屈折率ガラスや、シリコン、ゲルマニウム、溶融シリカ、フッ化カルシウムなどのさまざまな硬質材料の処理が可能になります。特に溶融シリカは、転移温度が Tg ～ 1,400°C と高いため、成形が困難になることがあります。[3]

図 5. フロントエンドとバックエンドの生産フロー。

ウェーハのフロントエンド生産フローでは、目標性能の比較と差異分析を実行するために、表面形状測定と光学テストの反復改善ループが実装されています。利点は、ウェーハが最高の品質基準を満たしていない場合に、すでに処理されたウェーハを再構築できることです。これにより、最大の収量で品質を一定の高レベルに保つことが可能になります。

構造化ガラスウェーハは、洗浄、輸送、コーティングが簡単に行えます。自動化されたダイシング、検査、パッケージングにより、ポリマーのコスト レベルをターゲットとして、信頼性が高く再現性が高く、手頃な価格のバックエンド プロセスが提供されます。

概要

図6. 正方形の基板から特定の形状に切断された、ガラス製のマイクロ光学部品を備えたウェハ。

マイクロシリンドリカルレンズの製造プロセスを 12 インチのガラスウェーハ上に拡張できることにより、まったく新しいコスト構造が可能になり、民生用途および大量生産用途におけるガラス製シリンドリカルレンズの使用が再定義されます。現在、ガラスレンズのすべての性能関連パラメータがポリマー光学の価格レベルで利用できるようになりました。ガラスマイクロ光学部品のウェーハベースの生産により、3D ID や LIDAR センサーなどのさまざまなレーザー照明デバイスの大量生産が可能なコスト構造が実現しました。ガラス製マイクロ光学部品は、安全関連のレーザー照明の設計に適しています。 LIMO の新しい 12 インチ製造技術により、最短の立ち上げ時間と組み合わせて、数百万個の円筒ガラス レンズの製造が可能になりました。

この記事は、最高マーケティング責任者の Dirk Hauschild によって書かれました。ダニエル・ブラーム博士、光学製品ライン製品マネージャー。ダーク・ボグス最高執行責任者。 LIMO GmbH (ドイツ、ドルトムント)。詳細については、Hauschild 氏までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、 ここ にアクセスしてください。 .