Oliver Faehnle1, Matt Balkonis2 and Jessica DeGrote Nelson2
1www.PanPao.ch, St.Gallen, Switzerland, 2www.EdmundOptics.com, USA
摘要： 一種用于小直徑非球面 CCP 拋光的新概念，稱為Pea Puffer非球面，能夠生成那些對于大多數(shù) CCP 拋光方法來說孔徑太小的非球面。Pea Puffer方法能夠在工業(yè)中以高質(zhì)量和低成本制造小型非球面，并已數(shù)字化集成到 PanDao 軟件中。
1. 從光學(xué)設(shè)計(jì)到光學(xué)制造
在這個創(chuàng)新的黃金時代，全球制造商面臨的無處不在的挑戰(zhàn)是如何應(yīng)對供應(yīng)鏈對日益獨(dú)特和專業(yè)技術(shù)要求的需求。具有諷刺意味的是，我們在工業(yè)制造業(yè)的世界里又轉(zhuǎn)了一個圈，因?yàn)樵?jīng)的革命性概念“現(xiàn)成的”已經(jīng)被技術(shù)所取代，即以消費(fèi)者的價格精心制作、定制的成品。數(shù)字世界告訴我們，我們可以“擁有一切”，制造商不得不學(xué)習(xí)“優(yōu)化制造鏈”的新語言。誰學(xué)得快，誰就能贏得市場。
2. PanDao
一個名為PanDao的瑞士項(xiàng)目掌握了360光學(xué)制造技術(shù)的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了整個制造鏈的建模[1,2,3]。通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件工具（如Opticstudio[4]或CodeV[5]）的軟件接口導(dǎo)入鏡片數(shù)據(jù)后，PanDao以最小的風(fēng)險(xiǎn)和成本確定最佳的光學(xué)制造鏈。從注射成型到磁流變精加工（MRF），從精密玻璃成型（pgm）到單點(diǎn)金剛石車削（SPDT）， 360種不同的光學(xué)制造技術(shù)中的每一種都有自己特定的程序和技巧。以下，將報(bào)告其中兩個專業(yè)的PanDao數(shù)字化流程：(a)非球面拋光和(b) Pea Puffer拋光程序。
3. 非球面拋光
非球面拋光通常應(yīng)用于與球面偏差較小的最合適的球面。傳統(tǒng)上，非球面是CNC點(diǎn)接觸地面，然后進(jìn)行亞孔徑CCP拋光（計(jì)算機(jī)控制拋光[6]）。對于特定公差和透鏡參數(shù)組合，例如，對于小非球面（到最佳擬合包絡(luò)球面的距離），首先生成包絡(luò)最佳擬合球面，然后僅對最終非球面使用CCP拋光是有利的。圖1顯示了PanDao的分析結(jié)果，比較了標(biāo)準(zhǔn)非球面的產(chǎn)生與應(yīng)用非球面拋光的制造鏈。
圖1.通過(a)直接非球面制造（左）和(b)對最適合的包絡(luò)球面進(jìn)行非球面拋光（右），生成非球面（N-BK7, 3/2(1)，直徑80 mm，非球面6 um）。非球面拋光鏈比直接非球面制造鏈每個透鏡便宜13歐元，并且對非球面生成機(jī)器的容量要求更低。
4. Pea Puffer非球面拋光
在其他非球面透鏡的參數(shù)中，例如，工件材料的類型，是最小的局部曲率半徑和透明孔徑?jīng)Q定了眾多CCP球體拋光方法中的哪一種適用。Pea Puffer是一種特殊的制造方法，適用于非球面由于其透明孔徑太小而不適合某些CCP精加工方法[7]的情況。Pea Puffer方法通過兩個步驟解決了這種情況。這就像一條河豚，它擴(kuò)大自己的尺寸，以應(yīng)付危險(xiǎn)的情況，但后來又縮小到原來的大小一樣：(a)非球面的直徑擴(kuò)大到這樣的程度，以致于可以采用許多額外的CCP拋光方法；(b)這需要一個中心磨削步驟，以最終產(chǎn)生所需的非球面直徑（見圖2）。
Pea Puffer方法已被數(shù)字化并添加到PanDao軟件工具中，擴(kuò)展了360種覆蓋制造技術(shù)的性能。圖2顯示了Pea Puffer拋光方法，下表給出了Pea Puffer拋光應(yīng)用的兩個例子，以優(yōu)化生產(chǎn)能力和最小化制造成本。
圖2.采用Pea Puffer拋光，擴(kuò)大了非球面直徑。這使得適用CCP拋光方法的范圍更廣。隨后，Pea Puffer非球面通過中心磨削回到所需的透鏡直徑。
Pea Puffer通常導(dǎo)致更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的制造鏈（見下面的 Gudr2 非球面），有時甚至能夠制造出原本無法生產(chǎn)的非球面（見下面的 Gudr1 非球面）。
結(jié)論
本文報(bào)告了兩種特定的非球面生成方法，它們已被數(shù)字化并添加到 PanDao 的可生產(chǎn)性分析中，該分析涵蓋了 360 種光學(xué)制造技術(shù)：通過非球面化生成具有小非球面度的淺非球面，以及通過Pea Puffer拋光方法生成小直徑非球面，其中非球面以稍大的直徑生成，隨后通過中心磨削回到所需的直徑。這兩種方法都節(jié)省了成本并最小化了風(fēng)險(xiǎn)。此外，已經(jīng)表明，在某些情況下，Pea Puffer可以使得小直徑非球面的生成成為可能。
目前，更多的制造方法正在被數(shù)字化并納入 PanDao 軟件工具中，沿著將所有高級光學(xué)制造方法和技巧轉(zhuǎn)移到光學(xué)制造鏈的數(shù)字化模擬的道路前進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
1. O.Fähnle, Jens Bliedtner, “Modeling of Freeform Optical Fabrication Chains during Optics Design”, International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication (ODF), JSAP (The Japan Society of Applied Physics), July 2024, Tucson, USA
2. J Bliedtner: chapter «optics fabrication design », in the OFT standard werk, book “Optics Technologies”, pp721- 725, ISBN 978-3-446-45850-5 (2022)
3. D.Walker, O.Faehnle, et al. “Bridging the Divide Between Iterative Optical Polishing and Automation”, Journal of Nanomanufacture and Metrology 6, 26 (2023), https://doi.org/10.1007/s41871-023-00197-3
4. https://www.ansys.com/products/optics/ansys-zemax-opticstudio
5. https://www.synopsys.com/optical-solutions/codev.html
6. Robert A. Jones, "Optimization of computer controlled polishing," Appl. Opt. 16, 218-224 (1977)
7. Oliver Faehnle, “Abrasive Jet Polishing Approaches to the Manufacture of Micro-optics with Complex Shapes”, OSA Optical Fabrication and Testing Conference, Monterey, CA, USA , June 2012
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