Klasse plus massa

Door een nieuwe productiemethode kan LIMO hoogprecisie FAC-lenzen in zeer grote aantallen vervaardigen. (Beeldbron: LIMO) / A new production method allows LIMO to fabricate high-precision FAC lenses in extremely large quantities. (Image: LIMO)

LIMO is wereldwijd de enige fabrikant die FAC-lenzen van glas kan produceren op wafers van 140 mm x 140 mm. (Beeldbron: LIMO) / LIMO is de enige fabrikant ter wereld die FAC-lenzen van glas kan produceren op wafers van 140 mm x 140 mm. (Afbeelding: LIMO)

De LIMO GmbH, fabrikant van uiterst precieze micro-optieken voor lasersystemen, heeft een technologische doorbraak bereikt bij de productie van FAC-lenzen voor alle soorten diode-gestarte laserbronnen. Het bedrijf uit Dortmund is erin geslaagd om de productie van de lenzen op de meest nauwkeurige wijze geschikt te maken voor massaproductie.

FAC-lenzen voor lasersystemen zijn een essentieel onderdeel voor veel innovatieve technologieën. Ze worden al toegepast in de lucht- en ruimtevaart, medische technologie, fotovoltaïek, displayproductie en materiaalkunde. De verwachte aantallen zullen door het gebruik in additieve productie (3D-printen) en voor LIDAR-systemen (Laser-gebaseerde "Light Detection and Ranging") aanzienlijk toenemen. De LIDAR-systemen voor autonoom rijden vormen een bijzonder veiligheidskritisch onderdeel en worden bovendien in ruwe omgevingen ingezet. Ze vereisen naast hoge kwaliteit ook een veilige en langdurige stabiele werking. Deze eisen kunnen uitsluitend worden vervuld door lasersystemen met high-end glas-micro-optieken.

De belangrijkste component voor de kwaliteit van de systemen is de "Fast-Axis-Kollimator"-lens (FAC-lens). De lens wordt vervaardigd uit hoogwaardig glas en heeft een azylindrisch oppervlak. De momenteel beschikbare fabricagemethoden moeten nog bewijzen dat ze in staat zijn om op grote schaal, met een constante hoge optische kwaliteit en tegen aantrekkelijke prijzen, miljoenen stuks te produceren. LIMO is er nu in geslaagd om het productieproces voor de FAC-lenzen in de vereiste kwaliteit geschikt te maken voor grootschalige productie.

140-mm-wafers voor de productie van FAC-lenzen

De LIMO GmbH produceert de FAC-lenzen op waferbasis, zodat meerdere duizenden lenzen uit hoogwaardige glazen in één stap kunnen worden vervaardigd. De uitdagingen bij de massaproductie van zeer complexe glasoptieken liggen in het verwerken van grote wafer-oppervlakken met onveranderd hoge precisie. De fabrikant uit Dortmund heeft met een wafer-grootte van 140 mm x 140 mm nu de doorbraak bereikt voor een proces met zeer grote aantallen. Volgens eigen zeggen bereidt LIMO zich al voor op de volgende generatie wafers.

Bij de gebruikelijke glasvormgevingsprocedures worden de glazen lenzen bij hoge temperaturen van circa 600-800°C verwerkt. Voor een hoge optische kwaliteit mogen de glazen echter slechts langzaam worden verwarmd en afgekoeld. Vooral het koelproces moet nauwkeurig worden ingesteld om ongewenste spanningen in het materiaal te voorkomen. Daarnaast ontstaan bij het verwarmen van grotere glasoppervlakken temperatuurschommelingen die alleen met de hoogste procestechnische inspanningen kunnen worden geminimaliseerd. Door deze beperkingen heeft het "hete" fabricageproces bij grote series enkele nadelen en is het slechts beperkt schaalbaar.

Het bijzondere aan het LIMO-proces is dat de glaslenzen bij kamertemperatuur worden vervaardigd. Het bedrijf heeft de wafer-grootte kunnen vergroten en tegelijkertijd de cyclustijd per wafer weten te verlagen tot onder de 60 minuten. Het voordeel van het "koude" proces: door de verwerking van het glas bij kamertemperatuur is een hogere productiesnelheid voor de kwaliteit van de lenzen niet kritisch. LIMO is wereldwijd de enige fabrikant die dit proces in grootschalige productie beheerst.

Het geheim van de kwaliteit: een hoogprecisie slijpproces

"Wij zijn in staat om 140 mm grote en nog grotere wafer-glasplaten spanningsvrij in grote series te verwerken. Hiervoor maken wij alle gereedschappen en bijna alle machines voor het productieproces zelf. Zo bereiken we maximale flexibiliteit in geometrieën en ontwerp van de lenzen. Voor de uiterst hoge kwaliteit van de lenzen in massaproductie hebben we een geautomatiseerd hoogprecisie slijpproces ontwikkeld. Dit is wereldwijd uniek," aldus Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) bij de LIMO GmbH.

Met de door LIMO ontwikkelde koude slijp- en polijstmethoden voor reeksen cilinderlenzen kunnen bij een wafer-randlengte van 140 mm in één doorloop tot wel 20.000 lenzen tegelijk worden verwerkt. De methode maakt het mogelijk om vrij te kiezen uit refractieve azylindrische lensvormen, die zowel symmetrisch als asymmetrisch kunnen zijn, evenals golflijnige of niet-periodieke optische elementen.

In één slijpproces moeten tot enkele millimeters van het glasoppervlak worden weggenomen met een nauwkeurigheid van enkele nanometers. Daarnaast worden de lenzen in een afsluitend proces nogmaals eindgepolijst. De hoogwaardige oppervlakken worden bereikt door een vlakke polijsting. Door deze polijsting worden de glasoppervlakken nog duurzamer en stabieler. Met het hoogprecisie slijpproces behaalt LIMO voor de FAC-lenzen prestatiewaarden aan de grens van de fysieke haalbaarheid (zie infokast onderaan).

Het doel voor 2019: de productie van meer dan 5 miljoen FAC-lenzen

De verwerking van de 140-mm-glaswafers gebeurt in een 24/7-bedrijf. Hiervoor is de machinepark aangepast aan het grotere formaat en de productiecapaciteit verhoogd. Nu kunnen jaarlijks tot 3 miljoen FAC-lenzen worden vervaardigd, het doel voor 2019 is meer dan 5 miljoen FAC-lenzen te produceren. De capaciteit moet tot 2020 verder worden verhoogd tot meer dan 10 miljoen lenzen per jaar. "Door de verwerking van het glas bij kamertemperatuur is het productieproces goed beheersbaar en kunnen wij de hoge kwaliteit betrouwbaar garanderen. De capaciteit zullen wij naar behoefte verder uitbreiden," aldus Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO), die het bereikte productiestandaard samenvat.

Infokast: FAC-lenzen voor single emitter diodes

"Fast-Axis-Kollimator"-lenzen (FAC-lenzen) worden vooral gebruikt voor single emitter diodes. De lenzen zijn ontworpen voor een kleine stralingsbreedte (collimatiebreedte) en geoptimaliseerd voor materiaalbewerking en pumptoepassingen van diode-lasers.

De FAC-lenzen van LIMO, zoals de FAC 300, bereiken prestatiewaarden aan de grens van de fysieke haalbaarheid:

- Standaard brandpuntsafstand van ≤160µm tot 3000µm
- Coating (VIS tot FIR) met lage absorptie
- Lage restdivergentie met hoog vermogensrendement
- Hoogbrekingsindex-materialen (> 1,8)
- Transmissie > 99% over een breed spectrum (bijvoorbeeld 770-1070 nm)