精密非球面微光学革新消费级激光设备

激光光用于精密照明长期局限于光刻等高端应用或测量技术等小众市场。如今汽车和消费电子行业开发量产LiDAR和3D传感器，激光照明正向新方向扩展。成像应用中聚合物光学已成智能相机等设备首选。但为提供性能更好、长期稳定性更佳的玻璃微光学，需解决注塑聚合物光学的成本结构。

光学聚合物材料功能受限意味着光学器件设计生产机会有限。这对稳定性性能要求高的光学器件特别不利。意味着错失光学器件在安全相关应用如LiDAR和3D识别中的机会。特别是光泽、雾化、双折射、紫外/可见光（UV/VIS）吸收和透射下降等已知降解机制，限制聚合物光学在自动驾驶或工业消费设备精密光学控制等恶劣环境应用。

图1. 圆柱光学元件同步加工玻璃基板。

同样，自然光照物体摄影中，激光照明降解降低设备分辨率功能。此类降解机制结合高通量脉冲二极管激光源，可限制安全相关功能设备性能寿命。为解决这些问题，设计了圆柱透镜形状新生产技术，克服玻璃光学元件成本降低限制因素，可在聚合物成本水平交付精密抛光光学。

基于晶圆的光学生产技术

光束整形——将激光光控制至单光子级——使光学市场升至近万亿美元水平。[1] 此前用于激光切割焊接等工业应用，光束整形已进入消费电子市场。光束整形最初用于CD/DVD/蓝光播放器激光二极管量产。现演进为智能手机高端微光学，实现面部识别、手势控制、弱光下明锐图像。汽车行业光束整形不只用于聚光灯；最新抬头显示和LiDAR改善驾驶视野安全，开启未来自动驾驶可能性。

为实现此类光束整形应用，所需微光学须高精度高精准制造。光学特性和长期稳定性是选择玻璃用于广泛光学功能的关键标准。然而智能消费应用和自动驾驶主要由成本驱动；结果聚合物光学目前是数千万至数亿件量级应用首选。

图2. 结构化切割圆柱透镜阵列。

结合二极管激光源，聚合物光学仅用于低功率或低价值应用，因UV和高功率降解。对需要几瓦CW（连续波）或100瓦QCW（准连续波）及以上应用，玻璃光学安全可靠运行，尤其在恶劣环境中，是最佳选择。除长期稳定性外，玻璃比聚合物光学提供更小热膨胀系数、更高折射率、波长范围和强度下更好透射率、耐环境影响。

直到最近，量产性和价格导致产品设计师选聚合物光学。现在，改进的非序列冷加工和抛光技术用于玻璃晶圆上非球面透镜，将每处理mm²成本降至聚合物光学水平。例如LIMO将晶圆尺寸增至300mm×300mm（~12英寸）同步生产微光学，配合更高磨削抛光速率。这缩短周期时间，实现低成本量产同时保持高质量。

12英寸玻璃晶圆级光学

工艺从抛光玻璃晶圆开始。磨削工艺构建表面结构，如图1所示。五个尺寸涵盖历年从35mm增至300mm边长的世代。表面形状仅受工具形状限制，因此此方向为自由曲面。单面结构化后，另一面可加工任意形状，或平行前表面或垂直于前表面。结构化面积随边长平方缩放，处理时间仅轻微增加，每代生产成本每mm²降低。最新一代有效加工晶圆面积90,000mm²。用当前隐形切割技术，仅12片晶圆即可产出百万片高端1mm²微光学。

双面任意形状结构化实现广泛组合：从单发射二极管或LiDAR应用的快/慢轴准直器（FACs/SACs）、光刻均匀化器、光束变换系统（BTS）。激光光非球面整形（x和y光束尺寸强度独立控制）成各种矩形、方形、线形光束，开启受限于仅圆形或略椭圆光束形状时功能有限的激光光广泛应用。

图3. 基于晶圆切割圆柱透镜和阵列的产品线。

生产这些微光学有多种方法。聚焦玻璃，主要有LIMO机械晶圆结构化（如图3）和玻璃模压。两者质量尚可，但需比较设计自由度、生产速度、成本。模具潜在2D自由形式，带来更多设计自由。此优势在边发射器中减弱，后者是当前泵浦应用主流激光源，也是许多最先进LiDAR方法之一，为微光学主要未来量产市场之一。边发射器为非对称发射器，因需设计两轴不同有效焦距，排除旋转对称透镜，青睐非球面形状。

图4. 交叉圆柱透镜将椭圆光束转为圆形。[2]

新结构化能力全正面300mm×300mm晶圆需<4小时，达~20,000mm²/h，仅用一套工具。这将NRE成本最小化，对比优化模具转移机需7-10套工具。此结构化时间近乎材料选择无关，允许加工特种高折射率玻璃、多种硬质材料如硅、锗、熔融石英、氟化钙。熔融石英尤其因高转变温度Tg~1,400°C对模压麻烦。[3]

图5. 前端和后端生产流程。

晶圆前端生产流程实施表面轮廓测量和光学测试迭代改进循环，执行目标性能对比和方差分析。优势是可重新结构化已加工晶圆，若晶圆未达最高质量标准。这使质量能以最大良率保持恒定高水平。

结构化玻璃晶圆易清洗、发运、镀膜。自动切割、检测、封装提供可靠、可重复、合理定价后端流程，目标聚合物成本水平。

总结

图6. 玻璃微光学晶圆，从方形基板切割成特定形状。

将微圆柱透镜生产工艺扩展至12英寸玻璃晶圆，实现全新成本结构，重新定义圆柱玻璃透镜在消费和大规模生产应用中的使用。现在所有玻璃透镜性能相关参数在聚合物光学价格水平可用。基于晶圆的玻璃微光学生产导致成本结构使多种激光照明设备量产成为可能，如3D识别和LiDAR传感器。玻璃微光学适合安全相关激光照明设计。结合最短爬坡时间，利用LIMO新12英寸生产技术现可生产数百万圆柱玻璃透镜。

本文由Dirk Hauschild首席营销官、Dr. Daniel Braam光学产品线经理、Dirk Bogs首席运营官撰写；LIMO GmbH（德国多特蒙德）。更多信息请联系Hauschild先生：[邮箱地址]或访问此处。