精密アナモルフィックマイクロ光学でコンシューマーレーザーデバイスを革新

精密照明のためのレーザー光の利用は、光リソグラフィのようなハイエンドアプリケーションや、計測技術のような小さなニッチ市場に限られてきました。しかし今、自動車やコンシューマーエレクトロニクスといった産業がLiDARと3Dセンサーの生産を開発・拡大するにつれ、レーザー照明が新しい方向へスケールし始めています。イメージングアプリケーションでは、ポリマー製光学部品がスマートカメラなどのデバイスで第一選択肢です。しかし、ガラスマイクロ光学のより良い性能と長期安定性を提供するためには、射出成形ポリマー光学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限定的な機能は、光学デバイスの設計と生産機会を制限します。これは、安定性と性能に高い要求を置く光学デバイスにとって特に不利です。グロス、ヘイズ、複屈折、紫外/可視光（UV/VIS）吸収と透過率低下といったよく知られた劣化メカニズムが、自律輸送や産業・コンシューマーデバイスの精密光学制御のような過酷な環境でのポリマー光学の利用を制限する可能性があります。

図1. 円筒光学素子によるガラス基板の同時加工。

同様に、写真用の自然光照明オブジェクトでは、レーザー照明の劣化がデバイスの分解能と機能性を低下させます。こうした劣化メカニズムが、高フラックスパルスダイオードレーザー光源と組み合わさると、安全性関連機能を持つ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、ガラス製光学部品のコスト削減における制約要因を克服し、ポリマーコストレベルで精密研磨光学を提供する、円筒レンズ形状の新しい生産技術が設計されました。

ウェーハベース光学生産技術

ビームシェーピング、単一光子レベルまでレーザー光を制御する技術は、光学市場を現在のほぼ1兆ドルレベルまで押し上げました。以前はレーザー切断や溶接などの産業アプリケーションで使用されていましたが、ビームシェーピングはコンシューマーエレクトロニクス市場へ道を見出しました。ビームシェーピングは当初、CD/DVD & Blu-rayプレーヤー用レーザーダイオードの大量生産のためでした。今ではスマートフォン向けハイエンドマイクロ光学へ進化し、顔認識、ジェスチャー制御、暗所での明鮮な画像を可能にしています。自動車産業では、ビームシェーピングはスポットライトだけでなく、最先端のヘッドアップディスプレイとLiDARがドライバーの視界と安全性を向上させ、将来の自律走行車の可能性を開いています。

このようなビームシェーピング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を高精度・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、幅広い光学機能のためのガラス選定における重要な基準です。しかし、スマートコンシューマーアプリケーションと自律輸送は主にコストによって駆動されるため、数千万〜数億個のボリュームを持つアプリケーションではポリマー光学が現在第一選択肢です。

図2. 構造化・ダイシングされた円筒レンズアレイ。

ダイオードレーザー光源と組み合わせると、ポリマー光学はUVと高出力劣化のため、低出力または低価値アプリケーションにしか使用できません。数ワットCW（連続波）または100ワットQCW（準連続波）以上を必要とするアプリケーションでは、特に過酷な環境下ではガラス光学の安全で信頼性の高い動作が最良の選択です。長期安定性に加えて、ガラスはポリマー光学と比較して、より小さな熱膨張係数、はるかに高い屈折率、波長範囲と強度の両方で優れた透過率、環境影響への耐性を提供します。

最近まで、量産性と価格が製品設計者をポリマー光学へ導いてきました。今、アシリンドリカルレンズのガラスウェーハ上での改良された非順次コールド加工と研磨技術の開発により、加工mm²あたりのコストがポリマー光学レベルまで低下しました。例えばLIMOは、ウェーハサイズを300mm×300mm（約12インチ）に拡大し、より高い研削と研磨レートと組み合わせました。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量産レベルに到達しました。

ガラス製12インチウェーハレベル光学

プロセスは研磨ガラスウェーハから始まります。図1に示すように、研削プロセスで表面を構造化します。5つのサイズが、年間35mmから300mmのエッジ長へと増加してきた世代を網羅します。表面形状はツールの形状によってのみ制限されるため、この方向ではフリーフォームです。片面構造化後、もう片面を任意の形状で加工できます。前面に平行または垂直に。構造化面積はエッジ長の2乗に比例してスケールし、加工時間はわずかにしか増加しないため、世代ごとにmm²あたりの生産コストが削減されます。最新世代の有効加工ウェーハ面積は90,000mm²。現在のステルスダイシング技術を使用すると、わずか12枚のウェーハで100万個以上のハイエンド1mm²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、単一エミッターダイオードやLiDAR用の高速・低速軸コリメーター（FAC/SAC）、リソグラフィ用ホモジナイザー、ビーム変換システム（BTS）など、幅広い組み合わせが可能になります。レーザー光のアナモルフィック成形（x軸とy軸のビーム次元と強度の個別制御）により、丸いまたはわずかに楕円形のビーム形状のみを使用していたときには限定されていた機能性を、あらゆる種類の長方形、正方形、ライン形状ビームへ開きます。

図3. ウェーハカット円筒レンズとアレイに基づく製品ライン。

これらのマイクロ光学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モールディングです。両方とも十分な品質を出しますが、設計自由度、生産速度、結果コストで比較する必要があります。モールドは潜在的に2Dフリーフォームを持ち、より多くの設計自由度をもたらします。この利点はエッジエミッターでは減少します。エッジエミッターは現在のポンピングアプリケーションの主要レーザー光源であり、最先端LiDARアプローチの1つ、マイクロ光学の主要な将来ボリューム市場の1つでもあります。エッジエミッターは非対称エミッターであり、両軸を異なる実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排除し、アシリンドリカル形状を支持します。

図4. 交差円筒レンズによる楕円ビームから円形への変換。

新しい構造化能力により、フルフロントサイド300mm×300mmウェーハに4時間未満、約20,000mm²/h、ツールセット1つのみで処理可能。最適化されたモールドトランスファーマシンで必要な7〜10セットと比較してNREコストを最小化。この構造化時間は材料選択にほぼ依存せず、特殊高屈折率ガラスやシリコン、ゲルマニウム、石英、フッ化カルシウムなどの多様な硬質材料の加工を可能にします。特に石英は、転移温度Tg~1,400°Cが高いため、モールディングでは厄介です。

図5. フロントエンドとバックエンド生産フロー。

ウェーハフロントエンド生産フローでは、表面プロフィロメトリと光学テストの反復改善ループを実装し、目標性能比較と分散分析を実行。利点は、ウェーハが最高品質基準を満たさない場合、すでに加工済みのウェーハを再構造化できること。これにより最大歩留まりで品質を常に高水準に保てます。

構造化ガラスウェーハは容易に洗浄、出荷、コーティング可能。自動ダイシング、検査、パッケージングが信頼性が高く、再現性があり、ポリマーコストレベルを目指したリーズナブルな価格のバックエンドプロセスを提供。

まとめ

図6. ガラス製マイクロ光学ウェーハ、正方形基板から特定形状にカット。

マイクロ円筒レンズの生産プロセスを12インチガラスウェーハ上でスケール可能にする能力は、完全に新しいコスト構造を可能にし、コンシューマーと大量生産アプリケーションにおけるガラス製円筒レンズの利用を再定義します。今、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価格レベルで利用可能になります。ガラスマイクロ光学のウェーハベース生産は、3D IDとLiDARセンサーのような多様なレーザー照明デバイスの大量生産を可能にするコスト構造をもたらしました。ガラスマイクロ光学は、安全性関連レーザー照明の設計に適しています。最短の立ち上げ時間と組み合わせて、LIMOの新しい12インチ生産技術により、数百万個のガラス円筒レンズの生産が今可能です。

この記事は、Dirk Hauschild（チーフマーケティングオフィサー）、Dr. Daniel Braam（光学ラインプロダクトマネージャー）、Dirk Bogs（チーフオペレーティングオフィサー）、LIMO GmbH（ドルトムント、ドイツ）によって執筆されました。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。表示にはJavaScriptが必要です。または、こちらをご覧ください。