Classe plus Masse

Grâce à une nouvelle méthode de fabrication, LIMO peut produire des lentilles FAC de haute précision en très grandes quantités. (Source de l'image : LIMO) / A new production method allows LIMO to fabricate high-precision FAC lenses in extremely large quantities. (Image : LIMO)

LIMO est le seul fabricant au monde à pouvoir produire des lentilles FAC en verre sur des wafers de 140 mm x 140 mm. (Source de l'image : LIMO) / LIMO is the world’s only manufacturer with the ability to produce FAC lenses from glass on wafers measuring 140mm x 140mm. (Image: LIMO)

La LIMO GmbH, fabricant de micro-optique de haute précision pour les systèmes laser, a réalisé une avancée technologique dans la fabrication de lentilles FAC pour tous types de sources laser à diode. L'entreprise de Dortmund a réussi à rendre la fabrication de ces lentilles en haute précision adaptée à la production de masse.

Les lentilles FAC pour systèmes laser sont une composante centrale pour de nombreuses technologies innovantes. Elles sont déjà utilisées dans l'aérospatiale, la médecine, le photovoltaïque, la fabrication d'écrans et le traitement des matériaux. Les quantités prévues vont encore augmenter grâce à leur utilisation dans la fabrication additive (impression 3D) et pour les systèmes LIDAR (Light Detection and Ranging à base de laser). Les systèmes LIDAR pour la conduite autonome sont une composante particulièrement critique pour la sécurité et sont également déployés dans des environnements difficiles. Ils nécessitent, en plus d'une haute qualité, un fonctionnement sûr et stable sur le long terme. Ces exigences ne peuvent être satisfaites que par des systèmes laser équipés de micro-optique en verre haut de gamme.

La composante la plus importante pour la qualité des systèmes est la lentille "Fast-Axis Collimator" (FAC). La lentille est fabriquée à partir de verre de haute qualité et possède une surface azylindrique. Cependant, les procédés de fabrication actuellement disponibles doivent encore prouver qu'ils peuvent produire en série, à des prix attractifs, des millions de pièces avec une qualité optique constante. LIMO a maintenant réussi à rendre le procédé de fabrication des lentilles FAC adapté à la production de masse en haute qualité.

Plaque de 140 mm pour la fabrication de lentilles FAC

La LIMO GmbH produit les lentilles FAC sur la base de plaquettes (wafers), permettant de fabriquer plusieurs milliers de lentilles à partir de verres de haute qualité en une seule étape. Les défis de la production de masse d'optique en verre très complexe résident dans le traitement de grandes surfaces de plaquettes tout en maintenant une précision élevée. Le fabricant de Dortmund a franchi une étape décisive avec une taille de wafer de 140 mm x 140 mm, permettant un procédé à très grande série. Selon ses propres déclarations, LIMO prépare déjà la prochaine génération de wafers encore plus grands.

Les procédés traditionnels de moulage par presse du verre traitent les lentilles à des températures élevées d'environ 600-800°C. Pour garantir une haute qualité optique, les verres ne doivent être chauffés et refroidis que lentement. En particulier, le processus de refroidissement doit être réglé avec précision pour éviter les tensions indésirables dans le matériau. De plus, lors du chauffage de grandes surfaces en verre, des variations de température peuvent apparaître, ne pouvant être minimisées qu'avec un effort technologique extrême. En raison de ces limitations, la méthode de fabrication "à chaud" présente plusieurs inconvénients pour la production en série et n'est que partiellement évolutive.

La particularité de la méthode LIMO réside dans la fabrication des lentilles en verre à température ambiante. L'entreprise a pu augmenter la taille des wafers tout en réduisant le temps de cycle par wafer à moins de 60 minutes. L'avantage de cette méthode "froide" : grâce au traitement du verre à température ambiante, une vitesse de production plus élevée n'altère pas la qualité des lentilles. LIMO est le seul fabricant au monde maîtrisant cette méthode en production de masse.

Le secret de la qualité : un processus de meulage de haute précision

"Nous sommes capables de traiter en série des plaques de verre de 140 mm de diamètre et plus, sans tension. Pour cela, nous fabriquons tous les outils et presque toutes les machines du processus de fabrication nous-mêmes. Cela nous permet une flexibilité maximale concernant la géométrie et la conception des lentilles. Pour assurer une qualité extrême dans la production en série, nous avons développé un processus de meulage automatisé de haute précision. C'est une exclusivité mondiale", explique Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) de la LIMO GmbH.

Grâce aux procédés de polissage à froid et de polissage pour des ensembles de lentilles cylindriques développés par LIMO, jusqu'à 20 000 lentilles peuvent être traitées simultanément sur une plaquette de 140 mm. La méthode permet de choisir librement la forme des lentilles réfractives azylindriques, qu'elles soient symétriques, asymétriques, ondulées ou non périodiques.

Lors d'un seul processus de meulage, plusieurs millimètres de la surface du verre doivent être enlevés avec une précision de quelques nanomètres. Ensuite, les lentilles sont polies en finition. La qualité de surface élevée est atteinte par une polissage de surface. Grâce à cette étape, les surfaces en verre deviennent encore plus durables et stables. Avec ce processus de meulage de haute précision, LIMO atteint pour ses lentilles FAC des performances proches des limites de la faisabilité physique (voir encadré ci-dessous).

Objectif pour 2019 : produire plus de 5 millions de lentilles FAC

Le traitement des plaquettes de verre de 140 mm de diamètre se fait en continu 24/7. Pour cela, le parc de machines a été adapté à ce format plus grand et la capacité de production augmentée. Il est déjà possible de produire jusqu'à 3 millions de lentilles FAC par an, l'objectif pour 2019 étant de dépasser 5 millions. La capacité sera encore augmentée pour atteindre plus de 10 millions de lentilles par an d'ici 2020. "Grâce au traitement des plaquettes de verre à température ambiante, le processus de fabrication est bien maîtrisé et nous pouvons garantir la haute qualité de manière fiable. Nous continuerons à augmenter la capacité selon les besoins", résume Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO), le standard de production atteint.

Encadré : FAC-Linsen pour diodes émettrices uniques

"Lentilles "Fast-Axis Collimator" (FAC) sont principalement utilisées pour les diodes émettrices uniques. Ces lentilles sont conçues pour une petite largeur de faisceau (largeur de collimation) et sont optimisées pour le traitement des matériaux et les applications de pompage des lasers à diodes.

Les lentilles FAC de LIMO, comme la FAC 300, atteignent des performances proches des limites de la faisabilité physique :

- Distance focale standard de ≤160µm à 3000µm
- Revêtement (VIS à FIR) avec faible absorption
- Faible divergence résiduelle avec une forte capacité de puissance
- Matériaux à indice de réfraction élevé (> 1,8)
- Transmission > 99% sur un large spectre (par exemple 770-1070 nm)