Merevolusi Perangkat Laser Konsumen dengan Mikro‑Optik Anamorfik Presisi

Penggunaan sinar laser untuk penerangan yang presisi masih terbatas pada aplikasi kelas atas seperti litografi optik atau pasar khusus kecil seperti teknologi pengukuran. Kini setelah industri seperti otomotif dan elektronik konsumen mengembangkan dan meningkatkan produksi sensor LIDAR dan 3D, pencahayaan laser kini berkembang ke arah yang baru. Untuk aplikasi pencitraan, optik yang terbuat dari polimer sudah menjadi pilihan pertama untuk perangkat seperti kamera pintar. Namun untuk menghasilkan mikro-optik kaca dengan kinerja yang lebih baik dan stabilitas jangka panjang, struktur biaya optik polimer cetakan injeksi perlu diatasi.

Keterbatasan fungsi bahan polimer optik berarti terbatasnya peluang desain dan produksi untuk perangkat optik. Hal ini sangat merugikan bagi perangkat optik yang sangat menuntut stabilitas dan kinerja. Hal ini berarti hilangnya peluang penggunaan perangkat optik dalam aplikasi terkait keselamatan seperti LIDAR dan 3D ID. Secara khusus, mekanisme degradasi yang terkenal seperti kilap, kabut, birefringence, dan penyerapan serta penurunan transmisi cahaya ultra-violet/visibel (UV/VIS) dapat membatasi penggunaan optik berbasis polimer dalam aplikasi di lingkungan yang sulit seperti transportasi otonom atau kontrol optik presisi pada perangkat industri dan konsumen.

Gambar 1. Pemrosesan substrat kaca secara simultan dengan elemen optik silinder.

Demikian pula, pada objek fotografi yang diterangi secara alami, degradasi pencahayaan laser mengurangi resolusi dan fungsionalitas perangkat. Mekanisme degradasi seperti itu, jika dikombinasikan dengan sumber laser dioda berdenyut fluks tinggi, dapat membatasi kinerja dan masa pakai perangkat dengan fitur yang relevan dengan keselamatan. Untuk mengatasi masalah ini, teknologi produksi baru untuk bentuk lensa silinder telah dirancang untuk mengatasi faktor pembatas pengurangan biaya komponen optik yang terbuat dari kaca dan dapat menghasilkan optik yang dipoles secara presisi pada tingkat biaya polimer.

Teknologi Produksi Optik Berbasis Wafer

Pembentukan sinar, seni mengendalikan sinar laser hingga ke foton tunggal, telah memungkinkan kebangkitan pasar optik hingga mendekati level triliunan dolar saat ini.[1] Sebelumnya digunakan dalam aplikasi industri untuk pemotongan atau pengelasan laser, pembentukan sinar telah memasuki pasar elektronik konsumen. Pembentukan balok awalnya untuk produksi volume dioda laser untuk pemutar CD/DVD &Blue Ray. Kini teknologi ini berkembang menjadi mikro-optik kelas atas untuk ponsel pintar, yang memungkinkan pengenalan wajah, kontrol gerakan, dan gambar yang terang dan tajam di lingkungan dengan cahaya redup. Dalam industri otomotif, beam shaping tidak hanya digunakan pada lampu sorot; tampilan head-up dan LIDAR yang canggih meningkatkan penglihatan dan keselamatan pengemudi, sehingga membuka kemungkinan munculnya mobil otonom di masa depan.

Untuk memungkinkan aplikasi pembentukan sinar seperti itu, mikro-optik yang diperlukan harus dibuat dengan presisi dan akurasi tinggi. Karakteristik optik dan stabilitas jangka panjang merupakan kriteria utama saat memilih kaca untuk berbagai fungsi optik. Namun penerapan konsumen yang cerdas dan transportasi otonom sebagian besar didorong oleh biaya; Hasilnya, optik polimer saat ini menjadi pilihan pertama untuk aplikasi dengan volume puluhan hingga ratusan juta keping.

Gambar 2. Susunan lensa silinder terstruktur dan potong dadu.

Dalam kombinasi dengan sumber laser dioda, optik polimer hanya dapat digunakan untuk aplikasi berdaya rendah atau bernilai rendah karena degradasi UV dan daya tinggi. Untuk aplikasi yang memerlukan beberapa Watt CW (gelombang kontinu) atau 100 Watt QCW (gelombang kuasi kontinu) dan lebih tinggi, pengoperasian optik kaca yang aman dan andal, terutama di lingkungan yang keras, adalah pilihan terbaik. Selain stabilitas jangka panjang, kaca, dibandingkan dengan optik berbasis polimer, menawarkan koefisien ekspansi termal yang lebih kecil, indeks bias yang jauh lebih tinggi, transmisi yang lebih baik dalam rentang panjang gelombang dan intensitas, serta tahan terhadap pengaruh lingkungan.

Sampai saat ini, kemampuan produksi volume dan harga telah menyebabkan perancang produk memilih optik polimer. Kini, pengembangan teknologi pemolesan dan pemrosesan dingin non-sekuensial yang lebih baik untuk lensa asilinder pada wafer kaca telah mengurangi biaya per mm2 pemrosesan hingga ke tingkat optik polimer. LIMO, misalnya, telah meningkatkan ukuran wafer menjadi 300 mm x 300 mm (~12 inci) mikro-optik yang diproduksi secara bersamaan, dikombinasikan dengan tingkat penggilingan dan pemolesan yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan berkurangnya waktu siklus, sehingga menghasilkan tingkat volume produksi dengan biaya rendah namun tetap menjaga kualitas tinggi.

Optik Tingkat Wafer 12" Terbuat dari Kaca

Prosesnya dimulai dengan wafer kaca yang dipoles. Proses penggilingan digunakan untuk menyusun struktur permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Lima ukuran mencakup generasi yang telah meningkat selama bertahun-tahun dari panjang tepi 35 mm menjadi 300 mm. Bentuk permukaan hanya dibatasi oleh bentuk pahat, dan oleh karena itu, berbentuk bebas pada arah ini. Setelah satu sisi ditata, sisi lainnya dapat diolah dengan bentuk sembarang, baik sejajar dengan permukaan depan maupun tegak lurus. Area terstruktur berskala kuadrat dengan panjang tepi, sementara waktu pemrosesan hanya sedikit meningkat, sehingga dengan setiap generasi, biaya produksi per mm2 berkurang. Generasi terbaru memiliki luas wafer olahan efektif sebesar 90.000 mm2. Dengan menggunakan teknik pemotongan dadu siluman saat ini, hal ini akan menghasilkan lebih dari satu juta keping mikro-optik kelas atas berukuran 1 mm2 dengan hanya 12 wafer ini.

Penataan kedua sisi dengan bentuk sewenang-wenang memungkinkan berbagai kemungkinan kombinasi, mulai dari kolimator sumbu cepat dan lambat (FAC/SAC) untuk dioda emitor tunggal atau aplikasi LIDAR, hingga homogenizer untuk litografi, hingga sistem transformasi balok (BTS). Pembentukan anamorphic (kontrol individual dimensi dan intensitas sinar x dan y) sinar laser menjadi semua jenis sinar berbentuk persegi panjang, persegi, atau garis membuka berbagai aplikasi dengan sinar laser yang memiliki fungsi terbatas ketika hanya menggunakan bentuk sinar bulat atau sedikit elips.

Gambar 3. Lini produk berdasarkan lensa dan susunan silinder yang dipotong wafer.

Ada beberapa metode yang tersedia untuk memproduksi mikro-optik ini. Jika kita fokus pada kaca, yang utama adalah penataan wafer mekanis LIMO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dan cetakan kaca. Keduanya menghasilkan kualitas yang layak, namun keduanya perlu dibandingkan dalam hal kebebasan desain, kecepatan produksi, dan biaya yang dihasilkan. Cetakan berpotensi memiliki bentuk bebas 2D, yang menghasilkan lebih banyak kebebasan desain. Keuntungan ini berkurang pada emitor tepi, yang merupakan sumber laser utama dalam aplikasi pemompaan saat ini, serta banyak pendekatan LIDAR yang canggih, salah satu pasar volume utama mikro-optik di masa depan. Pemancar tepi adalah pemancar asimetris, yang mengecualikan penggunaan lensa simetris rotasi karena kebutuhan untuk merancang kedua sumbu dengan panjang fokus efektif berbeda, lebih memilih bentuk silinder.

Gambar 4. Transformasi berkas sinar elips menjadi bentuk lingkaran menggunakan lensa silinder bersilang.[2]

Kemampuan penataan baru memerlukan waktu kurang dari 4 jam untuk wafer sisi depan penuh berukuran 300 mm × 300 mm, sehingga menghasilkan ~20.000 mm2/jam, hanya dengan menggunakan satu set alat. Hal ini meminimalkan biaya EBT, dibandingkan dengan 7-10 set yang dibutuhkan pada mesin transfer cetakan yang dioptimalkan. Waktu penataan ini hampir tidak bergantung pada pilihan material dan memungkinkan pemrosesan kaca indeks tinggi khusus, serta berbagai material keras, seperti silikon, germanium, silika leburan, atau kalsium fluorida. Silika yang menyatu, khususnya, dapat menyulitkan pencetakan karena suhu transisinya yang tinggi yaitu Tg~1.400°C.[3]

Gambar 5. Alur produksi Front-End dan Back-End.

Dalam aliran produksi front-end wafer, putaran peningkatan berulang pada profilometri permukaan dan pengujian optik, untuk melakukan perbandingan kinerja target dan analisis varians, telah diterapkan. Keuntungannya adalah kemampuan untuk merestrukturisasi wafer yang sudah diproses, jika wafer tidak memenuhi standar kualitas tertinggi. Hal ini memungkinkan untuk menjaga kualitas pada tingkat tinggi yang konstan dengan hasil maksimal.

Wafer kaca terstruktur dapat dengan mudah dibersihkan, dikirim, dan dilapisi. Pemotongan, inspeksi, dan pengemasan otomatis menawarkan proses back-end yang andal, dapat direproduksi, dan harga terjangkau, yang menargetkan tingkat biaya polimer.

Ringkasan

Gambar 6. Wafer dengan mikro-optik terbuat dari kaca, dipotong menjadi bentuk tertentu dari substrat persegi.

Kemampuan untuk menskalakan proses produksi lensa silinder mikro ke wafer kaca 12 inci memungkinkan struktur biaya yang benar-benar baru dan mendefinisikan ulang penggunaan lensa silinder yang terbuat dari kaca dalam aplikasi konsumen dan produksi massal. Kini, semua parameter terkait kinerja lensa kaca tersedia pada tingkat harga optik polimer. Produksi mikro-optik kaca berbasis wafer telah menghasilkan struktur biaya yang memungkinkan produksi massal berbagai perangkat penerangan laser, seperti ID 3D dan sensor LIDAR. Mikro-optik kaca cocok untuk desain penerangan laser yang berhubungan dengan keselamatan. Dikombinasikan dengan waktu persiapan yang lebih singkat, produksi beberapa juta lensa kaca silinder kini dapat dilakukan dengan teknologi produksi 12 inci LIMO yang baru.

Artikel ini ditulis oleh Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer; Dr Daniel Braam, Manajer Produk Lini Optik; dan Dirk Bogs, Direktur Operasional; LIMO GmbH (Dortmund, Jerman). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Hauschild di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya. atau kunjungi di sini  .