Marco Tinnera, Irina Livshitsb and Oliver Faehnlea
a 瑞士圣加侖市的PanDao 有限公司，b 用于光信息與節(jié)能系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”，圣彼得堡國立信息技術(shù)、機(jī)械與光學(xué)研究大學(xué)、俄羅斯圣彼得堡
摘要. 本文介紹了一款名為“PanDao”的新軟件工具，專為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員打造。該工具能夠在設(shè)計(jì)階段模擬出最佳的制造流程和所需技術(shù)，并對設(shè)計(jì)參數(shù)和公差的制造成本影響進(jìn)行分析。
在光學(xué)系統(tǒng)的生成過程中，會依次涉及三個不同的實(shí)體:
(a) 最開始，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會將性能參數(shù)轉(zhuǎn)化為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，例如所用玻璃的類型、透鏡的幾何構(gòu)型、面型精度、粗糙度和中頻誤差以及所使用的鍍膜類型。
(b) 接下來，光學(xué)制造設(shè)計(jì)師將光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)轉(zhuǎn)化為一套精心設(shè)計(jì)的制造流程，采用配備有優(yōu)化制造參數(shù)（如所用磨料、加工運(yùn)動學(xué)、共振頻率或?yàn)R射速率等）的機(jī)器。
(c) 最后，生產(chǎn)經(jīng)理們開始利用現(xiàn)有配置的光學(xué)制造鏈，采用優(yōu)化后的批量規(guī)模和訓(xùn)練有素的操作人員來進(jìn)行高自動化水平地光學(xué)系統(tǒng)生產(chǎn)。
傳統(tǒng)習(xí)慣上，光學(xué)設(shè)計(jì)師會與客戶就產(chǎn)品的“光學(xué)系統(tǒng)”進(jìn)行磋商，討論內(nèi)容包括規(guī)格、價格以及有關(guān)產(chǎn)品的制造、鍍膜、安裝和交付等問題。
雖然光學(xué)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)最佳光學(xué)元件組合方面得到了軟件工具的有力幫助，但目前還沒有工具能夠幫助他們設(shè)計(jì)出生產(chǎn)所需的最佳制造流程。就光學(xué)制造而言，光學(xué)設(shè)計(jì)師的決策僅限于他們之前與公司內(nèi)部或供應(yīng)商光學(xué)研討會磋商所積累的個人經(jīng)驗(yàn)。這是因?yàn)楣鈱W(xué)制造技術(shù)并非光學(xué)設(shè)計(jì)師培訓(xùn)內(nèi)容的一部分，尤其是化學(xué)工程、材料科學(xué)、機(jī)床計(jì)量學(xué)、機(jī)械工程、磨料加工、制造工藝參數(shù)控制以及“光學(xué)工程師的黃金之手”對背后科學(xué)原理的深刻理解。
最近，在PanDao軟件項(xiàng)目中1，開發(fā)出了這樣一款工具�；跀�(shù)十年來在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界最先進(jìn)的制造技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)，PanDao專家系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。PanDao軟件已在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境以及位于研究機(jī)構(gòu)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了壓力測試，這些實(shí)驗(yàn)室用于生成用于航天、醫(yī)療和國防領(lǐng)域的高端光學(xué)系統(tǒng)。
PanDao 能讀取市面上流行的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件工具生成的鏡片參數(shù)和公差，并且還會考慮諸如“需生產(chǎn)的鏡片總數(shù)”和“交付的批次大小”等商業(yè)訂單信息。在設(shè)計(jì)階段，PanDao 會綜合考慮所有已知的光學(xué)制造技術(shù)（如SPDT2、研磨拋光3、離子束拋光IBF4、液體噴射拋光FJP5 等），生成有關(guān)制造的信息。這樣一來，光學(xué)設(shè)計(jì)師就能在設(shè)計(jì)階段測試其光學(xué)設(shè)計(jì)的可生產(chǎn)性以及生產(chǎn)所需的必要光學(xué)制造技術(shù)。此外，還能基于光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行制造成本影響分析，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最低制造成本。因此，在光學(xué)設(shè)計(jì)過程中，PanDao 會描述整個制造鏈，包括制造成本、鍍膜成本、測試成本和中心成本。
接下來，將展示PanDao對一款直徑為220 毫米的平凸非球面鏡片（見圖1）的制造成本和技術(shù)分析，該鏡片計(jì)劃生產(chǎn)500 件。
PanDao（圖2）確定采用亞孔徑數(shù)控磨削并以最終的CCP 研磨拋光作為最佳的加工流程。每片透鏡的總加工成本約為185 歐元（以中等規(guī)模的中歐公司為例：不包括公司管理費(fèi)用和材料成本）；總訂單的加工成本為92500 歐元。接下來給出三個示例，展示光學(xué)設(shè)計(jì)調(diào)整如何影響加工成本。
• 將鏡片直徑從220 毫米改為210 毫米（并用例如金屬環(huán)填充空出的空間），使每片鏡片的成本降至176.8 歐元，從而整體上使制造成本降低4.4%（即4100 歐元）（圖3）。
• 將透鏡的非球面度（從最佳去除球面到要生成的非球面的最大距離）從4 微米減小到2 微米，可使每片透鏡的制造成本降低至155.5 歐元，從而整體降低15.9%（即14750 歐元）的制造成本（圖4）。在這種情況下，先研磨和拋光去除球面，然后再使用非球面拋光技術(shù)，比直接研磨和拋光非球面更經(jīng)濟(jì)。
• 最后，引入更嚴(yán)格的中間容差，例如將允許的最小中波誤差（MSW）從5 毫米減小到0.2 毫米，會導(dǎo)致制造成本增加16.6%（即15355 歐元），因?yàn)樾枰M(jìn)行最終的IBF 成型步驟（圖5）。
總之，已開發(fā)出的名為“PanDao”的新型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件工具，能夠根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)和公差來設(shè)計(jì)出
最佳的制造流程。這樣一來，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就能將制造成本降至最低。
圖1. 擬生產(chǎn)500片平面-非球面BK7透鏡，用PanDao軟件工具分析
圖2. PanDao分析了平面-非球面BK7透鏡（圖1），每個透鏡的制造成本為185歐元，不包括8.7歐元的中心研磨成本，18.5歐元的鍍膜成本和18.2歐元的測試成本。
圖3. PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將透鏡直徑從220毫米減小到210毫米，總制造成本降低4.4%.
圖4. PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將非球面度從4 μm降低到2 μm，總制造成本降低15.9%。
圖5. 對PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將中間波長精度從5mm降低到0.2 mm，制造成本提高16.6%。
參考文獻(xiàn)：
1. Webside: https://www.PanDao.ch
2. Jiwang Yan, J. Tamaki, K. Syoji, T. Kuriyagawa, “Single-point diamond turning of CaF2 for nanometric surface”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 24, Issue 9, pp 640- 646, 2004
3. David Walker ; A. T. Beaucamp ; David Brooks ; Richard Freeman ; Andrew King ; Gerry McCavana ; Roger Morton ; David Riley ; John Simms; Novel CNC polishing process for control of form and texture on aspheric surfaces. Proc. SPIE 4767, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering III, 2002;
4. Franz Thomas, and Thomas Hänsel, "Ion beam figuring (IBF) solutions for the correction of surface errors of small high performance optics." Optical Fabrication and Testing. Optical Society of America, 2008;
5. Oliver Faehnle, H. van Brug and H. Frankena, "Fluid Jet Polishing of optical surfaces", Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998;
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