利用精密变形微光学彻底改变消费激光设备

使用激光进行精确照明仅限于光学光刻等高端应用或测量技术等小众市场。现在，汽车和消费电子等行业正在开发并加大 LIDAR 和 3D 传感器的生产，激光照明正在朝着新的方向发展。对于成像应用，由聚合物制成的光学器件已经成为智能相机等设备的首选。但为了提供具有更好性能和长期稳定性的玻璃微光学器件，需要解决注塑聚合物光学器件的成本结构。

光学聚合物材料的有限功能意味着光学器件的设计和生产机会有限。这对于对稳定性和性能有很高要求的光学器件来说尤其不利。这意味着错失了在 LIDAR 和 3D ID 等安全相关应用中使用光学设备的机会。特别是，光泽度、雾度、双折射以及紫外线/可见光 (UV/VIS) 光吸收和透射率下降等众所周知的降解机制可能会限制基于聚合物的光学器件在恶劣环境中的应用，例如自主运输或工业和消费设备的精确光学控制。

图 1. 使用柱面光学元件同时加工玻璃基板。

同样，在自然照明的摄影物体中，激光照明的退化会降低设备的分辨率和功能。这种退化机制与高通量脉冲二极管激光源相结合，可能会限制具有安全相关功能的设备的性能和寿命。为了解决这些问题，我们设计了一种新的柱面透镜形状生产技术，以克服玻璃光学元件成本降低的限制因素，并能以聚合物成本水平提供精确的抛光光学器件。

基于晶圆的光学器件生产技术

光束整形是将激光控制到单光子的技术，使光学市场发展到目前接近万亿美元的水平。[1]光束整形以前用于激光切割或焊接的工业应用，现已进入消费电子市场。光束整形最初用于 CD/DVD 和蓝光播放器激光二极管的批量生产。它现在正在发展为智能手机的高端微光学器件，可实现人脸识别、手势控制以及在低光环境下提供明亮清晰的图像。在汽车行业，光束整​​形不仅应用于聚光灯；最先进的平视显示器和激光雷达可改善驾驶员的视野和安全性，为未来自动驾驶汽车带来可能性。

为了实现此类光束整形应用，必须以高精度和准确度制造所需的微光学器件。光学特性和长期稳定性是选择具有各种光学功能的玻璃时的关键标准。然而，智能消费应用和自动交通主要是由成本驱动的；因此，聚合物光学器件目前是千万至数亿件应用的首选。

图 2. 结构化和切割柱面透镜阵列。

与二极管激光源结合使用时，由于紫外线和高功率衰减，聚合物光学器件只能用于低功率或低价值应用。对于需要几瓦CW（连续波）或100瓦QCW（准连续波）及更高功率的应用，安全可靠运行的玻璃光学器件，尤其是在恶劣环境下，是最佳选择。除了长期稳定性之外，与聚合物光学器件相比，玻璃还具有更小的热膨胀系数、更高的折射率、更好的波长范围和强度传输，并且能够抵抗环境影响。

直到最近，批量生产和价格还导致产品设计师选择聚合物光学器件。现在，玻璃晶圆上圆柱透镜改进的非连续冷加工和抛光技术的开发已将每平方毫米加工成本降低至聚合物光学水平。例如，LIMO 将同时生产的微光学器件的晶圆尺寸增加到 300 毫米 x 300 毫米（约 12 英寸），并结合更高的研磨和抛光速率。这缩短了周期时间，从而以低成本实现批量生产，同时保持高质量。

12 英寸玻璃晶圆级光学元件

该过程从抛光的玻璃晶片开始。采用磨削工艺来构造表面，如图 1 所示。五种尺寸涵盖了多年来边缘长度从 35 毫米增加到 300 毫米的几代产品。表面形状仅受工具形状的限制，因此在该方向上是自由形状的。构造一侧后，另一侧可以加工成任意形状，可以平行于前表面，也可以垂直于前表面。结构化面积与边缘长度呈二次方关系，而处理时间仅略有增加，因此每代产品每平方毫米的生产成本都会降低。最新一代的有效加工晶圆面积为 90,000 mm2。使用当前的隐形切割技术，只需 12 个晶圆即可生产超过 100 万片高端 1 mm2 微光学器件。

将两侧构造为任意形状可以实现多种可能的组合，从用于单发射二极管或激光雷达应用的快轴和慢轴准直器（FAC/SAC），到用于光刻的均化器，再到光束变换系统（BTS）。将激光变形整形（单独控制 x 和 y 光束尺寸和强度）为各种矩形、方形或线形光束，为激光开辟了广泛的应用领域，而在仅使用圆形或略椭圆形光束形状时，激光的功能有限。

图 3. 基于晶圆切割柱面透镜和阵列的产品线。

有多种方法可用于生产这些微光学器件。如果我们关注玻璃，主要是LIMO的机械晶圆结构（如图3所示）和玻璃成型。两者都能产生不错的质量，但需要对它们的设计自由度、生产速度和最终成本进行比较。模具可能具有 2D 自由形状，这会带来更多的设计自由度。这种优势在边缘发射器中减弱，边缘发射器是当前泵浦应用中的主要激光源，以及许多最先进的激光雷达方法（微光学未来主要的批量市场之一）。边缘发射器是非对称发射器，由于需要设计具有不同有效焦距的两个轴，因此排除使用旋转对称透镜，有利于圆柱形形状。

图 4. 使用交叉柱面透镜将椭圆光束转换为圆形光束。[2]

新的结构化能力需要不到 4 小时即可完成完整的正面 300 mm × 300 mm 晶圆，仅使用一套工具即可达到约 20,000 mm2/h。与优化模具传输机所需的 7-10 套相比，这最大限度地降低了 NRE 成本。该结构化时间几乎与材料选择无关，并且允许加工特殊的高折射率玻璃以及各种硬质材料，例如硅、锗、熔融石英或氟化钙。尤其是熔融石英，由于其 Tg~1,400°C 的高转变温度，成型起来很麻烦。[3]

图 5.前端和后端生产流程。

在晶圆前端生产流程中，已经实施了表面轮廓测量和光学测试的迭代改进循环，以执行目标性能比较和方差分析。其优点是能够在晶圆不符合最高质量标准的情况下重组已加工的晶圆。这使得可以将质量保持在恒定的高水平并获得最大产量。

结构化玻璃晶圆可以轻松清洁、运输和涂层。自动化切割、检查和包装提供可靠、可重复且价格合理的后端工艺，以聚合物成本水平为目标。

摘要

图 6. 带有玻璃微光学器件的晶圆，由方形基板切割成特定形状。

将微柱面透镜的生产工艺扩展到 12 英寸玻璃晶圆上的能力实现了全新的成本结构，并重新定义了玻璃制成的柱面透镜在消费和大规模生产应用中的使用。现在，玻璃镜片的所有性能相关参数都可以在聚合物光学价格水平上获得。基于晶圆的玻璃微光学器件生产所带来的成本结构使得各种激光照明设备（例如 3D ID 和 LIDAR 传感器）的大规模生产成为可能。玻璃微光学器件适用于安全相关激光照明的设计。结合最短的启动时间，LIMO 的全新 12 英寸生产技术现在可以生产数百万个柱面玻璃透镜。

本文由首席营销官 Dirk Hauschild 撰写； Daniel Braam 博士，光学产品线产品经理；首席运营官德克·博格斯 (Dirk Bogs)； LIMO GmbH（德国多特蒙德）。欲了解更多信息，请联系 Hauschild 先生：此电子邮件地址已受到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问此处 .