O.Faehnle1 and I.Livshits2
1 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland,
2ITMO University, St. Petersburg, Russia
O·費恩勒1與I·利夫希茨2
1瑞士布克斯應用科學大學,
2聖彼德堡國立資訊技術、機械與光學研究大學，俄羅斯聖彼德堡
摘要.本文系統闡述為特定光學元件確定最佳光學製造技術（OFT）組合的策略，並將應用到光學製造鏈的構建中。為此，研究團對光學系統進行了分類，並將其與光學加工技術的關鍵特性聯繫起來——這些關鍵特性是通過對其加工參數進行系統分析確定的。
1. 簡介
在光學製造技術中，可預測且穩定的製造工藝對成本與品質進行可靠管理至關重要。本文闡述了針對特定光學元件與系統，如何來確定光學製造鏈中應採用的最佳光學製造技術（OFT）組合的策略。
2. 光學系統的產生和分類
人類一直將光作為一種工具，用於解決日常生活中的一些挑戰，如探測、照明與資訊傳輸。而要將光作為工具應用，則需依賴光學系統。因此，光學系統（例如物鏡、干涉儀、光學滑鼠、內窺鏡、望遠鏡或雷射器等）正是如今我們用以滿足核心需求的“光學工具”典範。在光學系統的生成過程中（即由多種光學元件經合理裝配並協同運作構成的系統），需依次涉及三個核心環節：首先是“光學系統設計”，其次是“光學製造設計”，最後是實際“製造”（見表1）。
表1.光學系統的生成過程
“光學設計師”的職責在於將客戶需求轉化為一個公差設計良好的光學系統方案，該系統需包含各類光學元件（如透鏡、反射鏡、分光鏡等），並確保這些元件能按需調製透射光的特性。
隨後，由“光學製造設計師”將已完成的光學系統設計規格及所採用光學元件的公差要求，轉化為最佳的製造流程鏈。這一流程鏈由一系列後續製造步驟組成，需綜合考慮現有設備與技術條件，確保在最低製造成本下實現最佳性能。此外，還需綜合考慮系統的穩定性、耐久性，以及製造商、終端使用者和環境的安全性。在優化後的製造流程中，每個加工步驟（例如拋光1）均需選用特定的光學製造工藝（如氣囊拋光2、碗式進給拋光3、磁流變拋光4、離子束修形5、超精密成形拋光6、單點金剛石車削7或流體噴射拋光8），具體選擇何種工藝，取決於品質、製造成本與生產數量之間的最佳平衡。
最終，光學系統將按照制定的製造流程和工藝進行生產，確保所有加工環節均不超過設計公差範圍，從而製造出完全符合客戶需求的功能性光學工具。光學系統可採用多種分類策略，例如：按應用領域（如天文、醫療、照明、光刻）；按儀器類型（如顯微鏡、望遠鏡、內窺鏡、干涉儀）。
然而，如果想要確定這些特定光學元件的最優製造工藝，必須根據其四大核心製造特性對其進行表徵（詳見表2）。這些特性在表2中進行了總結。
表2.光學元件的分類
3. 光學製造技術分類
儘管有少數光學製造技術已存在數千年，但自1670年荷蘭代爾夫特首次工業化生產列文虎克（Leeuwenhoek）顯微鏡以來，光學製造技術的多樣性開始顯著提升；加之此後應用領域與品質要求的持續攀升（見圖1），如今光學製造技術已激增至逾300種，使得針對特定光學元件如何選擇最優工藝成為了一大挑戰。
圖1. 光學製造技術數量發展示意圖：從克裡特島發現的古代透鏡起源，經1670年首次工業化光學製造，直至當今的技術演進歷程。
從方法論角度分析光學製造技術，我們發現其核心僅基於約11種拋光技術：新鮮進給拋光（FFP）、延性加工（DG）、化學拋光（CP）、碗式進給拋光（BFP）、彈性發射加工（EEM）、磁流變拋光（MRF）、雷射火焰拋光（LP）、離子束修形（IBF）、磨料漿射流加工（ASJ）、等離子體輔助化學蝕刻（PACE）、雷射誘導背面濕法刻蝕（LIBWE）。
若分析不同拋光技術與加工表面間的相互作用，可識別出5種基於以下原理的磨損機制（詳見圖2）：兩體磨損（Two-body abrasion）、三體磨損（Three-body abrasion）、動能磨損（Kinetic abrasion）、能量傳遞（Energy transmission）、化學反應（Chemical reaction）。每種機制在性能與適用性上均存在特定優劣勢（圖2中以“+”和“-”標注）。進一步地，這5種機制可基於圖3所示的5類磨損過程進行組合，包括：(a) 脆性破裂（Brittle cracking）、(b) 延性流動（Ductile flow）、(c) 化學反應（Chemical reactions）、(d) 熱效應（Heat）、(e) 濺射（Sputtering）。
圖2. 光學拋光技術的五大磨損機制應用示意圖，每種機制在生成光學元件時均具備特定優勢（“+”）與短板（“-”）特性
基於上述分析，可依據磨損機制類型及其所涉及的磨損過程組合，對現有的11種拋光技術進行分類（詳見表3）。
表3.光學拋光技術的分類
4. 光學元件與製造技術的匹配
通過綜合考慮光學元件的四大關鍵特性（詳見表2），並將拋光技術的分類方法（表3總結）拓展至加工運動學特性及工具-工件接觸類型（如點接觸、線接觸、面接觸），即可構建光學製造技術的系統性分類與建模框架。
因此，在光學系統的設計階段，就可基於資料驅動為特定光學元件製造匹配最優製造技術。
圖3與圖4示例展示了如何運用光學製造技術的方法論分析，為球面透鏡確定最優製造流程鏈，從而實現生產風險最小化。
圖3. 玻璃製成的球面雙凸透鏡
圖4. 對圖3所示雙凸透鏡製造流程的建模：識別實現最低成本製造鏈所需的最優光學製造技術。
參考文獻：
1. Cook, Lee M. "Chemical processes in glass polishing." Journal of non-crystalline solids 120.1, pp. 152-171, 1990;
2. 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;
3. J.van Wingerden, H.J. Frankena and B.A. van der Zwan, “Production and measurement of superpolished surfaces”, Optical Engineering 31, 1086-1092, 1992;
4. William I. Kordonski and Stephen D. Jacobs, “Magnetorheological finishing”, Int. J. Mod. Phys. B 10, 2837, 1996;
5. 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;
6. Edd Fess ; J. Schoen ; M. Bechtold ; D. Mohring, “UltraForm finishing”, Proc. SPIE 5786, Window and Dome Technologies and Materials IX, 305, doi:10.1117/12.606468, 2005;
7. 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
8. O. Fähnle, H. van Brug and H. Frankena, "Fluid Jet Polishing of optical surfaces", Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998;
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