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(xiàng)目作為全球首款同類軟件工具，其最新進(jìn)展報(bào)告顯示：該工具能夠在設(shè)計(jì)階段確定所需的最佳光學(xué)制造鏈，對透鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)最低成本與最佳可生產(chǎn)性的雙重目標(biāo)。
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(dá)到有效觀測，需要構(gòu)建不同層級的光學(xué)系統(tǒng)——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(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的生成是一個(gè)四階段多方協(xié)同的過程：始于 (a)終端客戶（以光為工具的應(yīng)用需求方，定義MTF、圖像分辨率、信噪比等應(yīng)用參數(shù)），繼由 (b)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將應(yīng)用參數(shù)轉(zhuǎn)化為光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)，并依據(jù)ISO10110標(biāo)準(zhǔn)明確光學(xué)元件參數(shù)（如玻璃類型、面形精度、公差等級）。隨后，(c)光學(xué)制造鏈設(shè)計(jì)師將光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)與公差轉(zhuǎn)化為優(yōu)化后的制造工藝鏈，并最終移交給(d)生產(chǎn)部門，負(fù)責(zé)設(shè)備配置、工藝實(shí)施、人員培訓(xùn)，并依據(jù)客戶與設(shè)計(jì)師在成本、產(chǎn)能及質(zhì)量方面的要求進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)制造。雖然光學(xué)設(shè)計(jì)軟件工具可以很好地支持客戶和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師之間的交流，但光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和光學(xué)制造鏈設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)制造過程中最后的主要障礙之一，因?yàn)樗趥�(gè)人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決于人的經(jīng)驗(yàn)和談判。與所有設(shè)計(jì)和生產(chǎn)系統(tǒng)一樣，大部分生產(chǎn)成本是在設(shè)計(jì)階段確定的。特別是在光學(xué)制造中，設(shè)計(jì)參數(shù)對生產(chǎn)成本的影響是巨大的，因?yàn)橛懈鞣N各樣的制造技術(shù)可供選擇。因此，在工業(yè)上，強(qiáng)烈需要一種方式能夠通過調(diào)控光學(xué)制造鏈，以構(gòu)建確定的、可預(yù)測的且成本與交付時(shí)間最優(yōu)化的制造鏈布局。
2. 調(diào)制
目前存在超過360多種已知的光學(xué)制造技術(shù)（OFT）和解決方案可供選擇，這些技術(shù)和解決方案必須被編排成僅部分取決于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的透鏡參數(shù)和公差的優(yōu)化制造鏈：特別是，優(yōu)化的光學(xué)制造鏈必須能應(yīng)對以下技術(shù)“六足”的相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)：（a）幾何形狀（例如形狀、局部曲率半徑、光學(xué)表面的中心及其外圍圓柱體設(shè)計(jì)），（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(dǎo)體材料和晶體），（d）質(zhì)量（如ISO10110標(biāo)準(zhǔn)所述的參數(shù)和公差，例如形狀、半徑、直徑、中間空間）和（e）生產(chǎn)量（從原型到批量生產(chǎn)）。在最近的一個(gè)瑞士研究項(xiàng)目中，PanDao開發(fā)了第一個(gè)用于光學(xué)制造鏈調(diào)控的軟件解決方案。為此，我們采用了一種最近開發(fā)的專門用于光學(xué)制造的新型分析和優(yōu)化工具[1]，對加工和處理進(jìn)行了嚴(yán)格區(qū)分。因此，盡管制造鏈還是由互相適當(dāng)平衡的后續(xù)單個(gè)過程組成，但已經(jīng)能夠?qū)⒅圃戽溡暈橐粋�(gè)整體過程，從而產(chǎn)生新的見解和解決方案。因此，在加工層面進(jìn)行了方法論分析，將OFT系統(tǒng)地、模塊化地進(jìn)行分解，將其分解為一個(gè)個(gè)部分功能，例如，通過將表面平滑過程劃分為五個(gè)物理和化學(xué)子機(jī)制，僅：（a）脆性開裂，（b）延性流動(dòng)，（c）化學(xué)反應(yīng)，（d）熱和（e）噴射。在這5種分類機(jī)制中，我們可以建立所有現(xiàn)有的平滑過程，從而更好地理解現(xiàn)有的約400種OFT，例如：進(jìn)給拋光（=a+c）、延展磨削（=B）、化學(xué)蝕刻（=c）、浮動(dòng)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(dǎo)背面蝕刻（=c+d）和等離子拋光（=c+d）。基于一種獨(dú)特的、類似專家系統(tǒng)的算法，以及從數(shù)十年的學(xué)術(shù)和工業(yè)制造項(xiàng)目中獲得的專業(yè)知識，PanDao考慮了所有已知的OFT，以最小的成本和風(fēng)險(xiǎn)為給定的透鏡設(shè)計(jì)確定最佳的光學(xué)制造鏈。因此，PanDao能夠在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率，最小成本和交付時(shí)間，并提供替代或支持光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和光學(xué)制造鏈設(shè)計(jì)師之間的人機(jī)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(shù)據(jù)，圖2顯示了PanDao分析的結(jié)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(shí)間）的詳細(xì)信息。此外，PanDao還提供了有關(guān)建立生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)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(fù)雜性和準(zhǔn)確性。它描述了在沿著這個(gè)特定的制造鏈運(yùn)行過程中，機(jī)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(yīng)用該工藝所需的加工水平的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在能力為100%的情況下，機(jī)器必須使用最先進(jìn)的加工水平。如果將該透鏡的“六足”更改為不太嚴(yán)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(shè)備不必是最先進(jìn)水平。PanDao可以提供的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)是“鏈唯一性”，這是一個(gè)衡量在最佳制造鏈以上20%的商業(yè)公差帶內(nèi)存在多少制造鏈的指標(biāo)：對于圖1中給出的透鏡，我們發(fā)現(xiàn)side0的“鏈唯一性”為2條鏈，side1的“鏈唯一性”為4條鏈。
圖1.根據(jù)10110 ISO標(biāo)準(zhǔn)將透鏡數(shù)據(jù)輸入到PanDao軟件工具
圖2.PanDao的報(bào)告：每個(gè)鏡頭的總制造成本為63歐元，第一批交付周期為20.3天，產(chǎn)能為100%
參考文獻(xiàn)：
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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