Klasa plus masa

Dzięki nowej metodzie produkcji LIMO może wytwarzać wysokiej precyzji soczewki FAC w bardzo dużych ilościach. (Źródło obrazu: LIMO) / A new production method allows LIMO to fabricate high-precision FAC lenses in extremely large quantities. (Image: LIMO)

LIMO jest jedynym na świecie producentem, który może produkować soczewki FAC ze szkła na waflach o wymiarach 140 mm x 140 mm. (Źródło obrazu: LIMO) / LIMO is the world's only manufacturer capable of producing FAC lenses from glass on wafers measuring 140mm x 140mm. (Image: LIMO)

Die LIMO GmbH, producent wysokoprecyzyjnych mikrooptyk dla systemów laserowych, osiągnęła przełom technologiczny w produkcji soczewek FAC dla wszystkich rodzajów diodowych źródeł laserowych. Firma z Dortmundu zdołała uczynić masową produkcję soczewek o najwyższej precyzji opłacalną.

Soczewki FAC dla systemów laserowych są kluczowym elementem wielu innowacyjnych technologii. Już teraz są wykorzystywane w lotnictwie i kosmonautyce, medycynie, fotowoltaice, produkcji wyświetlaczy oraz obróbce materiałów. Przewidywana liczba sztuk znacznie wzrośnie dzięki zastosowaniu w druku addytywnym (druk 3D) oraz w systemach LIDAR (Laser-based "Light Detection and Ranging"). Systemy LIDAR do autonomicznej jazdy są szczególnie istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa i są używane w trudnych warunkach środowiskowych. Oprócz wysokiej jakości, wymagają one także bezpiecznej i długotrwałej pracy. Te wymagania mogą spełnić wyłącznie systemy laserowe z wysokiej klasy mikrooptyką szklaną.

Najważniejszym elementem decydującym o jakości systemów jest soczewka "Fast-Axis-Kollimator" (FAC). Soczewka jest wykonana z wysokiej jakości szkła i posiada powierzchnię azylindryczną. Obecnie dostępne metody produkcji muszą jeszcze udowodnić, że są w stanie masowo, w ilościach rzędu od kilku do setek milionów sztuk, produkować soczewki o stabilnej wysokiej jakości optycznej w atrakcyjnych cenach. LIMO udało się teraz uczynić proces produkcji soczewek FAC masowo wykonalnym w wymaganej jakości.

Wafer 140 mm do produkcji soczewek FAC

Firma LIMO GmbH produkuje soczewki FAC na bazie waferów, dzięki czemu w jednym kroku można wyprodukować kilka tysięcy soczewek z wysokiej jakości szkła. Wyzwania w masowej produkcji bardzo skomplikowanych optyk szklanych polegają na obróbce dużych powierzchni waferów przy zachowaniu niezmiennie wysokiej precyzji. Dortmundzki producent osiągnął przełom, korzystając z waferów o rozmiarze 140 mm x 140 mm, co jest krokiem naprzód w produkcji dużych ilości. Według własnych informacji, firma jest już w przygotowaniach do produkcji następnej generacji waferów o jeszcze większym rozmiarze.

W dotychczasowych metodach formowania szkła (metoda prasowania) soczewki szklane są przetwarzane w wysokich temperaturach około 600-800°C. Aby zapewnić wysoką jakość optyczną soczewek, szkła mogą być podgrzewane i chłodzone tylko powoli. Szczególnie proces chłodzenia musi być precyzyjnie ustawiony, aby zapobiec niepożądanym naprężeniom w materiale. Dodatkowo, podczas podgrzewania dużych powierzchni szkła występują wahania temperatury, które można zminimalizować jedynie przy użyciu najnowocześniejszych technologii. Ze względu na te ograniczenia, "gorąca" metoda produkcji w dużych seriach ma wiele wad i jest ograniczona skalowalnością.

Specyfika metody LIMO polega na produkcji szklanych soczewek w temperaturze pokojowej. Firma zdołała zwiększyć rozmiar waferów i jednocześnie skrócić czas cyklu na wafer do poniżej 60 minut. Zaleta "zimnej" metody: dzięki obróbce szkła w temperaturze pokojowej, wyższa szybkość produkcji nie wpływa negatywnie na jakość soczewek. LIMO jest na świecie jedynym producentem, który opanował tę technologię w masowej produkcji.

Tajemnica jakości: Proces szlifowania o wysokiej precyzji

"Jesteśmy w stanie beznaprężeniowo przetwarzać duże, 140 mm i większe, szklane wafle seryjnie. Do tego sami produkujemy wszystkie narzędzia i niemal wszystkie maszyny do procesu produkcji. Dzięki temu osiągamy maksymalną elastyczność w kształtowaniu i projektowaniu soczewek. Aby zapewnić ekstremalnie wysoką jakość soczewek w masowej produkcji, opracowaliśmy zautomatyzowany proces szlifowania o wysokiej precyzji. To jest unikalne na skalę światową" — mówi Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) w LIMO GmbH.

Za pomocą opracowanych przez LIMO metod chłodnego szlifowania i polerowania dla układów cylindrycznych soczewek, można w jednym przebiegu przetworzyć do 20 tysięcy soczewek z wafera o krawędzi 140 mm. Metoda ta umożliwia swobodny wybór kształtów refrakcyjnych azylindrycznych soczewek, mogą to być zarówno symetryczne, jak i asymetryczne, a także faliste lub nieperiodyczne elementy optyczne.

W tym procesie szlifowania można usunąć nawet kilka milimetrów powierzchni szkła z dokładnością do kilku nanometrów. Dodatkowo, soczewki są końcowo polerowane w ostatnim etapie. Wysoka jakość powierzchni jest osiągana dzięki powierzchniowej polerce. Ta polerka sprawia, że powierzchnie szklane stają się jeszcze bardziej trwałe i stabilne. Dzięki procesowi szlifowania o wysokiej precyzji, LIMO osiąga dla soczewek FAC parametry wydajności na granicy możliwości fizycznych (patrz ramka informacyjna poniżej).

Cel na 2019 rok: produkcja ponad 5 milionów soczewek FAC

Obróbka szklanych waferów o rozmiarze 140 mm odbywa się w trybie 24/7. W tym celu zmodernizowano park maszynowy, dostosowując go do większego formatu, oraz zwiększono moce produkcyjne. Już obecnie można wyprodukować do 3 milionów soczewek FAC rocznie, a celem na 2019 jest przekroczenie 5 milionów. Docelowo, do 2020 roku, moce produkcyjne mają zostać zwiększone do ponad 10 milionów soczewek rocznie. "Dzięki obróbce szklanych waferów w temperaturze pokojowej, proces produkcji jest dobrze kontrolowany, a my możemy niezawodnie gwarantować wysoką jakość. Moce produkcyjne będziemy dalej zwiększać w razie potrzeby" — podsumowuje Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO), osiągnięty standard produkcji.

Ramka informacyjna: Soczewki FAC dla pojedynczych diod emitujących

"Soczewki "Fast-Axis-Kollimator" (FAC) są głównie stosowane w pojedynczych diodach emitujących. Soczewki są zaprojektowane na małą szerokość wiązki (kollimację) i są zoptymalizowane do obróbki materiałów oraz do zastosowań w pompowaniu laserów diodowych.

Soczewki FAC od LIMO, takie jak FAC 300, osiągają parametry wydajności na granicy możliwości fizycznych:

- Standardowa ogniskowa od ≤160µm do 3000µm
- Powłoka (od widzialnego do dalekiej podczerwieni) o niskiej absorpcji
- Niska pozostała dyspersja z wysokim udziałem mocy
- Materiały o wysokim współczynniku załamania (> 1,8)
- Przepuszczalność > 99% w szerokim zakresie spektralnym (np. 770-1070 nm)