O.Faehnle1 and I.Livshits2
1 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland,
2ITMO University, St. Petersburg, Russia
O·費(fèi)恩勒1與I·利夫希茨2
1瑞士布克斯應(yīng)用科學(xué)大學(xué),
2圣彼得堡國(guó)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：本文系統(tǒng)闡述為特定光學(xué)元件確定最佳光學(xué)制造技術(shù)（OFT）組合的策略，并將應(yīng)用到光學(xué)制造鏈的構(gòu)建中。為此，研究團(tuán)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了分類，并將其與光學(xué)加工技術(shù)的關(guān)鍵特性聯(lián)系起來(lái)——這些關(guān)鍵特性是通過(guò)對(duì)其加工參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析確定的。
1. 簡(jiǎn)介
在光學(xué)制造技術(shù)中，可預(yù)測(cè)且穩(wěn)定的制造工藝對(duì)成本與質(zhì)量進(jìn)行可靠管理至關(guān)重要。本文闡述了針對(duì)特定光學(xué)元件與系統(tǒng)，如何來(lái)確定光學(xué)制造鏈中應(yīng)采用的最佳光學(xué)制造技術(shù)（OFT）組合的策略。
2.光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)生和分類
人類一直將光作為一種工具，用于解決日常生活中的一些挑戰(zhàn)，如探測(cè)、照明與信息傳輸。而要將光作為工具應(yīng)用，則需依賴光學(xué)系統(tǒng)。因此，光學(xué)系統(tǒng)（例如物鏡、干涉儀、光學(xué)鼠標(biāo)、內(nèi)窺鏡、望遠(yuǎn)鏡或激光器等）正是如今我們用以滿足核心需求的“光學(xué)工具”典范。在光學(xué)系統(tǒng)的生成過(guò)程中（即由多種光學(xué)元件經(jīng)合理裝配并協(xié)同運(yùn)作構(gòu)成的系統(tǒng)），需依次涉及三個(gè)核心環(huán)節(jié)：首先是“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，其次是“光學(xué)制造設(shè)計(jì)”，最后是實(shí)際“制造”（見(jiàn)表1）。
表1.光學(xué)系統(tǒng)的生成過(guò)程
“光學(xué)設(shè)計(jì)師”的職責(zé)在于將客戶需求轉(zhuǎn)化為一個(gè)公差設(shè)計(jì)良好的光學(xué)系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)需包含各類光學(xué)元件（如透鏡、反射鏡、分光鏡等），并確保這些元件能按需調(diào)制透射光的特性。
隨后，由“光學(xué)制造設(shè)計(jì)師”將已完成的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)格及所采用光學(xué)元件的公差要求，轉(zhuǎn)化為最佳的制造流程鏈。這一流程鏈由一系列后續(xù)制造步驟組成，需綜合考慮現(xiàn)有設(shè)備與技術(shù)條件，確保在最低制造成本下實(shí)現(xiàn)最佳性能。此外，還需綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性，以及制造商、終端用戶和環(huán)境的安全性。在優(yōu)化后的制造流程中，每個(gè)加工步驟（例如拋光1）均需選用特定的光學(xué)制造工藝（如氣囊拋光2、碗式進(jìn)給拋光3、磁流變拋光4、離子束修形5、超精密成形拋光6、單點(diǎn)金剛石車削7或流體噴射拋光8），具體選擇何種工藝，取決于質(zhì)量、制造成本與生產(chǎn)數(shù)量之間的最佳平衡。
最終，光學(xué)系統(tǒng)將按照制定的制造流程和工藝進(jìn)行生產(chǎn)，確保所有加工環(huán)節(jié)均不超過(guò)設(shè)計(jì)公差范圍，從而制造出完全符合客戶需求的功能性光學(xué)工具。光學(xué)系統(tǒng)可采用多種分類策略，例如：按應(yīng)用領(lǐng)域（如天文、醫(yī)療、照明、光刻）；按儀器類型（如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、內(nèi)窺鏡、干涉儀）。
然而，如果想要確定這些特定光學(xué)元件的最優(yōu)制造工藝，必須根據(jù)其四大核心制造特性對(duì)其進(jìn)行表征（詳見(jiàn)表2）。這些特性在表2中進(jìn)行了總結(jié)。
表2.光學(xué)元件的分類
3. 光學(xué)制造技術(shù)分類
盡管有少數(shù)光學(xué)制造技術(shù)已存在數(shù)千年，但自1670年荷蘭代爾夫特首次工業(yè)化生產(chǎn)列文虎克（Leeuwenhoek）顯微鏡以來(lái)，光學(xué)制造技術(shù)的多樣性開(kāi)始顯著提升；加之此后應(yīng)用領(lǐng)域與質(zhì)量要求的持續(xù)攀升（見(jiàn)圖1），如今光學(xué)制造技術(shù)已激增至逾300種，使得針對(duì)特定光學(xué)元件如何選擇最優(yōu)工藝成為了一大挑戰(zhàn)。
圖1. 光學(xué)制造技術(shù)數(shù)量發(fā)展示意圖：從克里特島發(fā)現(xiàn)的古代透鏡起源，經(jīng)1670年首次工業(yè)化光學(xué)制造，直至當(dāng)今的技術(shù)演進(jìn)歷程。
從方法論角度分析光學(xué)制造技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)其核心僅基于約11種拋光技術(shù)：新鮮進(jìn)給拋光（FFP）、延性加工（DG）、化學(xué)拋光（CP）、碗式進(jìn)給拋光（BFP）、彈性發(fā)射加工（EEM）、磁流變拋光（MRF）、激光火焰拋光（LP）、離子束修形（IBF）、磨料漿射流加工（ASJ）、等離子體輔助化學(xué)蝕刻（PACE）、激光誘導(dǎo)背面濕法刻蝕（LIBWE）。
若分析不同拋光技術(shù)與加工表面間的相互作用，可識(shí)別出5種基于以下原理的磨損機(jī)制（詳見(jiàn)圖2）：兩體磨損（Two-body abrasion）、三體磨損（Three-body abrasion）、動(dòng)能磨損（Kinetic abrasion）、能量傳遞（Energy transmission）、化學(xué)反應(yīng)（Chemical reaction）。每種機(jī)制在性能與適用性上均存在特定優(yōu)劣勢(shì)（圖2中以“+”和“-”標(biāo)注）。進(jìn)一步地，這5種機(jī)制可基于圖3所示的5類磨損過(guò)程進(jìn)行組合，包括：(a) 脆性破裂（Brittle cracking）、(b) 延性流動(dòng)（Ductile flow）、(c) 化學(xué)反應(yīng)（Chemical reactions）、(d) 熱效應(yīng)（Heat）、(e) 濺射（Sputtering）。
圖2. 光學(xué)拋光技術(shù)的五大磨損機(jī)制應(yīng)用示意圖，每種機(jī)制在生成光學(xué)元件時(shí)均具備特定優(yōu)勢(shì)（“+”）與短板（“-”）特性
基于上述分析，可依據(jù)磨損機(jī)制類型及其所涉及的磨損過(guò)程組合，對(duì)現(xiàn)有的11種拋光技術(shù)進(jìn)行分類（詳見(jiàn)表3）。
表3.光學(xué)拋光技術(shù)的分類
4. 光學(xué)元件與制造技術(shù)的匹配
通過(guò)綜合考慮光學(xué)元件的四大關(guān)鍵特性（詳見(jiàn)表2），并將拋光技術(shù)的分類方法（表3總結(jié)）拓展至加工運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及工具-工件接觸類型（如點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸），即可構(gòu)建光學(xué)制造技術(shù)的系統(tǒng)性分類與建�？蚣�。
因此，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，就可基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為特定光學(xué)元件制造匹配最優(yōu)制造技術(shù)。
圖3與圖4示例展示了如何運(yùn)用光學(xué)制造技術(shù)的方法論分析，為球面透鏡確定最優(yōu)制造流程鏈，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)最小化。
圖3. 玻璃制成的球面雙凸透鏡
圖4. 對(duì)圖3所示雙凸透鏡制造流程的建模：識(shí)別實(shí)現(xiàn)最低成本制造鏈所需的最優(yōu)光學(xué)制造技術(shù)。
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