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(yīng)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(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，研究團對光學(xué)系統(tǒng)進行了分類，并將其與光學(xué)加工技術(shù)的關(guān)鍵特性聯(lián)系起來——這些關(guān)鍵特性是通過對其加工參數(shù)進行系統(tǒng)分析確定的。

1.簡介

在光學(xué)制造技術(shù)中，可預(yù)測且穩(wěn)定的制造工藝對成本與質(zhì)量進行可靠管理至關(guān)重要。本文闡述了針對特定光學(xué)元件與系統(tǒng)，如何來確定光學(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、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、內(nèi)窺鏡、望遠鏡或激光器等）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)的生成過程中（即由多種光學(xué)元件經(jīng)合理裝配并協(xié)同運作構(gòu)成的系統(tǒng)），需依次涉及三個核心環(huán)節(jié)：首先是“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”，其次是“光學(xué)制造設(shè)計”，最后是實際“制造”（見表1）。

表1.光學(xué)系統(tǒng)的生成過程

“光學(xué)設(shè)計師”的職責(zé)在于將客戶需求轉(zhuǎn)化為一個公差設(shè)計良好的光學(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)計師”將已完成的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計規(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行生產(chǎn)，確保所有加工環(huán)節(jié)均不超過設(shè)計公差范圍，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其進行表征（詳見表2）。這些特性在表2中進行了總結(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，光學(xué)制造技術(shù)的多樣性開始顯著提升；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(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)：新鮮進給拋光（FFP）、延性加工（DG）、化學(xué)拋光（CP）、碗式進給拋光（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，可識別出5種基于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(xué)反應(yīng)（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）。進一步地，這5種機制可基于圖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(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)的五大磨損機制應(yīng)用示意圖，每種機制在生成光學(xué)元件時均具備特定優(yōu)勢（“+”）與短板（“-”）特性

基于上述分析，可依據(jù)磨損機制類型及其所涉及的磨損過程組合，對現(xiàn)有的11種拋光技術(shù)進行分類（詳見表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

通過綜合考慮光學(xué)元件的四大關(guān)鍵特性（詳見表2），并將拋光技術(shù)的分類方法（表3總結(jié)）拓展至加工運動學(xué)特性及工具-工件接觸類型（如點接觸、線接觸、面接觸），即可構(gòu)建光學(xué)制造技術(shù)的系統(tǒng)性分類與建模框架。

因此，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計階段，就可基于數(shù)據(jù)驅(qū)動為特定光學(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，從而實現(xiàn)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：識別實現(xiàn)最低成本制造鏈所需的最優(yōu)光學(xué)制造技術(shù)。

參考文獻：

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