Oliver Faehnle1,
OST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland,
摘要：本文描述了對給定的光學設計進行調控和模擬的策略，以及沿製造鏈應用的最佳光學製造技術集（OFT）。這樣，就可以在光學設計階段進行成本影響分析，從而優化設計，降低製造成本和風險。
1. 簡介
在現代光學系統中，隨著技術的快速多樣化和專業化，我們面臨著在高度專業化的個人、過程和機器之間進行可靠通信的需要。從最初的想法到最終的光學系統，一般會涉及四個方面：從（a）想要將光用作工具的客戶開始，然後是（b）將應用參數轉化為光學系統佈局的光學系統設計師，到（c）將光學系統的參數和公差轉化為優化製造鏈的光學製造鏈設計師，最終將其移交給（d）生產製造。雖然光學設計軟體工具可以很好地支援客戶和光學系統設計師之間的交流，但光學系統設計師和光學製造鏈設計師之間的交流至今仍然完全基於人與人的交互。這種對話模式是光學系統製造過程中最後的主要障礙之一，因為它基於個人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決於人的經驗和談判。與所有設計和生產系統一樣，大部分生產成本是在設計階段確定的。特別是在光學製造中，設計參數對生產成本的影響是巨大的，因為有各種各樣的製造技術可供選擇。因此，在工業上，強烈需要能夠通過調控光學製造鏈，以實現確定性、可預測性和優化的製造鏈佈局、成本和交付時間。
2. 調控與模擬
光學製造鏈調控的問題在於，目前存在超過360多種已知的光學製造技術（OFT）和解決方案可供選擇，這些技術和解決方案必須被編排成僅部分取決於光學系統設計者的透鏡參數和公差的優化製造鏈：特別是，優化的光學製造鏈必須能應對以下技術“六足”的相互關聯的挑戰：（a）幾何形狀（例如形狀、局部曲率半徑、光學表面的中心及其週邊圓柱體設計），（b）尺寸（直徑和矢高從微米到米不等），（c）材料（從塑膠到玻璃，再到半導體材料和晶體），（d）品質（如ISO10110標準所述的參數和公差，例如形狀、半徑、直徑、中間空間）和（e）生產量（從原型到批量生產）。在最近的一個瑞士研究項目中，PanDao開發了第一個用於光學製造鏈調控的軟體解決方案。為此，我們採用了一種最近開發的專門用於光學製造的新型分析和優化工具[1]，對加工和處理進行了嚴格區分。因此，儘管製造鏈還是由互相適當平衡的後續單個過程組成，但已經能夠將製造鏈視為一個整體過程，從而產生新的見解和解決方案。因此，在加工層面進行了方法論分析，將OFT系統地、模組化地進行分解，將其分解為一個個部分功能，例如，通過將表面平滑過程劃分為五個物理和化學子機制，僅：（a）脆性開裂，（b）延性流動，（c）化學反應，（d）熱和（e）噴射。在這5種分類機制中，我們可以建立所有現有的平滑過程，從而更好地理解現有的約400種OFT，例如：進給拋光（=a+c）、延展磨削（=B）、化學蝕刻（=c）、浮動拋光（= B + c）、MRF（=B+ c）、離子束精加工（=e）、流體拋光（=b+c）、雷射拋光（=b+d）、雷射誘導背面蝕刻（=c+d）和等離子拋光（=c+d）。基於一種獨特的、類似專家系統的演算法，以及從數十年的學術和工業製造專案中獲得的專業知識，PanDao考慮了所有已知的OFT，以最小的成本和風險為給定的透鏡設計確定最佳的光學製造鏈。因此，PanDao能夠在設計階段優化光學設計，以實現生產率，最小成本和交付時間，並提供替代或支援光學系統設計師和光學製造鏈設計師之間的人機交互的可能性。圖1顯示了輸入到PanDao軟體中的非球面透鏡資料，圖2顯示了PanDao分析的結果，其中包含了沿最佳製造鏈所需的OFT、製造成本以及第一批交付週期（收到訂單後交付第一批所需的時間）的詳細資訊。此外，PanDao還提供了有關建立生產的風險相關的資訊，例如，通過新的能力因素。能力取決於被分析鏡頭的“六足”的複雜性和準確性。它描述了在沿著這個特定的製造鏈運行過程中，機器、工具和操作員必須具備的所需能力水準。也就是說，它是應用該工藝所需的加工水準的衡量標準。在能力為100%的情況下，機器必須使用最先進的加工水準。如果將該透鏡的“六足”更改為不太嚴格的要求（例如，最小凹曲率半徑為80 mm，3/6（3），Sq 3 nm 的rms，5/0.064），則性能收益率為99.4596%，表明所使用的設備不必是最先進水準。PanDao可以提供的另一個風險參數是“鏈唯一性”，這是一個衡量在最佳製造鏈以上20%的商業公差帶記憶體在多少製造鏈的指標：對於圖1中給出的透鏡，我們發現side0的“鏈唯一性”為2條鏈，side1的“鏈唯一性”為4條鏈。
圖1 根據10110 ISO標準將透鏡資料登錄到PanDao軟體工具
圖2 PanDao的報告：每個鏡頭的總製造成本為63歐元，第一批交付週期為20.3天，產能為100%
參考文獻
1. Oliver Faehnle, “Process optimization in optical fabrication”, SPIE Journal on Optical Engineering doi:10.1117/1.OE.55.3.035106., 2016 OThA1B-03 (Invited) CLEO-PR2022/ISOM'22/ODF'22
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