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(xué)大學(xué),
2圣彼得堡國立信息技術(shù)、機械與光學(xué)研究大學(xué)，俄羅斯圣彼得堡
摘要：本文系統闡述為特定光學(xué)元件確定最佳光學(xué)制造技術(shù)（OFT）組合的策略，并將應用到光學(xué)制造鏈的構建中。為此，研究團對光學(xué)系統進(jìn)行了分類(lèi)，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)對其加工參數進(jìn)行系統分析確定的。
1. 簡(jiǎn)介
在光學(xué)制造技術(shù)中，可預測且穩定的制造工藝對成本與質(zhì)量進(jìn)行可靠管理至關(guān)重要。本文闡述了針對特定光學(xué)元件與系統，如何來(lái)確定光學(xué)制造鏈中應采用的最佳光學(xué)制造技術(shù)（OFT）組合的策略。
2.光學(xué)系統的產(chǎn)生和分類(lèi)
人類(lèi)一直將光作為一種工具，用于解決日常生活中的一些挑戰，如探測、照明與信息傳輸。而要將光作為工具應用，則需依賴(lài)光學(xué)系統。因此，光學(xué)系統（例如物鏡、干涉儀、光學(xué)鼠標、內窺鏡、望遠鏡或激光器等）正是如今我們用以滿(mǎn)足核心需求的“光學(xué)工具”典范。在光學(xué)系統的生成過(guò)程中（即由多種光學(xué)元件經(jīng)合理裝配并協(xié)同運作構成的系統），需依次涉及三個(gè)核心環(huán)節：首先是“光學(xué)系統設計”，其次是“光學(xué)制造設計”，最后是實(shí)際“制造”（見(jiàn)表1）。
表1.光學(xué)系統的生成過(guò)程
“光學(xué)設計師”的職責在于將客戶(hù)需求轉化為一個(gè)公差設計良好的光學(xué)系統方案，該系統需包含各類(lèi)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制透射光的特性。
隨后，由“光學(xué)制造設計師”將已完成的光學(xué)系統設計規格及所采用光學(xué)元件的公差要求，轉化為最佳的制造流程鏈。這一流程鏈由一系列后續制造步驟組成，需綜合考慮現有設備與技術(shù)條件，確保在最低制造成本下實(shí)現最佳性能。此外，還需綜合考慮系統的穩定性、耐久性，以及制造商、終端用戶(hù)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(chē)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)數量之間的最佳平衡。
最終，光學(xué)系統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)節均不超過(guò)設計公差范圍，從而制造出完全符合客戶(hù)需求的功能性光學(xué)工具。光學(xué)系統可采用多種分類(lèi)策略，例如：按應用領(lǐng)域（如天文、醫療、照明、光刻）；按儀器類(lèi)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(xué)元件的最優(yōu)制造工藝，必須根據其四大核心制造特性對其進(jìn)行表征（詳見(jiàn)表2）。這些特性在表2中進(jìn)行了總結。
表2.光學(xué)元件的分類(lèi)
3. 光學(xué)制造技術(shù)分類(lèi)
盡管有少數光學(xué)制造技術(shù)已存在數千年，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(zhù)提升；加之此后應用領(lǐng)域與質(zhì)量要求的持續攀升（見(jiàn)圖1），如今光學(xué)制造技術(shù)已激增至逾300種，使得針對特定光學(xué)元件如何選擇最優(yōu)工藝成為了一大挑戰。
圖1. 光學(xué)制造技術(shù)數量發(fā)展示意圖：從克里特島發(fā)現的古代透鏡起源，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，可識別出5種基于以下原理的磨損機制（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（Chemical reaction）。每種機制在性能與適用性上均存在特定優(yōu)劣勢（圖2中以“+”和“-”標注）。進(jìn)一步地，這5種機制可基于圖3所示的5類(lèi)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（Chemical reactions）、(d) 熱效應（Heat）、(e) 濺射（Sputtering）。
圖2. 光學(xué)拋光技術(shù)的五大磨損機制應用示意圖，每種機制在生成光學(xué)元件時(shí)均具備特定優(yōu)勢（“+”）與短板（“-”）特性
基于上述分析，可依據磨損機制類(lèi)型及其所涉及的磨損過(guò)程組合，對現有的11種拋光技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)（詳見(jiàn)表3）。
表3.光學(xué)拋光技術(shù)的分類(lèi)
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(lèi)方法（表3總結）拓展至加工運動(dòng)學(xué)特性及工具-工件接觸類(lèi)型（如點(diǎn)接觸、線(xiàn)接觸、面接觸），即可構建光學(xué)制造技術(shù)的系統性分類(lèi)與建�？蚣�。
因此，在光學(xué)系統的設計階段，就可基于數據驅動(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)現生產(chǎn)風(fēng)險最小化。
圖3. 玻璃制成的球面雙凸透鏡
圖4. 對圖3所示雙凸透鏡制造流程的建模：識別實(shí)現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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