Oliver Faehnlea Irina Livshitsb
aOST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland,
bCAD for Opto-Information & energy saving systems, ITMO University, St. Petersburg, Russia
摘要
PanDao項目作為全球首款同類軟件工具，其最新進展報告顯示：該工具能夠在設計階段確定所需的最佳光學制造鏈，對透鏡設計進行優化，以此實現最低成本與最佳可生產性的雙重目標。
1. 簡介
《牛津詞典》將光定義為來自太陽、燈具等的能量，使人能夠觀察到物體。為達到有效觀測，需要構建不同層級的光學系統——從袖珍手電筒到航海燈塔，或從簡易放大鏡到尖端光刻成像系統。光學系統的生成是一個四階段多方協同的過程：始于 (a)終端客戶（以光為工具的應用需求方，定義MTF、圖像分辨率、信噪比等應用參數），繼由 (b)光學系統設計師將應用參數轉化為光學系統架構，并依據ISO10110標準明確光學元件參數（如玻璃類型、面形精度、公差等級）。隨后，(c)光學制造鏈設計師將光學系統參數與公差轉化為優化后的制造工藝鏈，并最終移交給(d)生產部門，負責設備配置、工藝實施、人員培訓，并依據客戶與設計師在成本、產能及質量方面的要求進行光學系統制造。雖然光學設計軟件工具可以很好地支持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制造鏈設計師之間的交流至今仍然完全基于人與人的交互。這種交互方式是光學系統制造過程中最后的主要障礙之一，因為它基于個人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決于人的經驗和談判。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。特別是在光學制造中，設計參數對生產成本的影響是巨大的，因為有各種各樣的制造技術可供選擇。因此，在工業上，強烈需要一種方式能夠通過調控光學制造鏈，以構建確定的、可預測的且成本與交付時間最優化的制造鏈布局。
2. 調制
目前存在超過360多種已知的光學制造技術（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于光學系統設計者的透鏡參數和公差的優化制造鏈：特別是，優化的光學制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外圍圓柱體設計），（b）尺寸（直徑和矢高從微米到米不等），（c）材料（從塑料到玻璃，再到半導體材料和晶體），（d）質量（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開發了第一個用于光學制造鏈調控的軟件解決方案。為此，我們采用了一種最近開發的專門用于光學制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，盡管制造鏈還是由互相適當平衡的后續單個過程組成，但已經能夠將制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、模塊化地進行分解，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）、激光拋光（=b+d）、激光誘導背面蝕刻（=c+d）和等離子拋光（=c+d）�；谝环N獨特的、類似專家系統的算法，以及從數十年的學術和工業制造項目中獲得的專業知識，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制造鏈。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，并提供替代或支持光學系統設計師和光學制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軟件中的非球面透鏡數據，圖2顯示了PanDao分析的結果，其中包含了沿最佳制造鏈所需的OFT、制造成本以及第一批交付周期（收到訂單后交付第一批所需的時間）的詳細信息。此外，PanDao還提供了有關建立生產的風險相關的信息，例如，通過新的能力因素。能力取決于被分析鏡頭的“六足”的復雜性和準確性。它描述了在沿著這個特定的制造鏈運行過程中，機器、工具和操作員必須具備的所需能力水平。也就是說，它是應用該工藝所需的加工水平的衡量標準。在能力為100%的情況下，機器必須使用最先進的加工水平。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平。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制造鏈以上20%的商業公差帶內存在多少制造鏈的指標：對于圖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標準將透鏡數據輸入到PanDao軟件工具
圖2.PanDao的報告：每個鏡頭的總制造成本為63歐元，第一批交付周期為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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