光学制造过程建模

Oliver Faehnlea Irina LivshitsbaOST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland, bCAD for Opto-Information & energy saving systems, ITMO University, St. Petersburg, Russia

摘要
PanDao项目作为全球首款同类软件工具，其最新进展报告显示：该工具能够在设计阶段确定所需的最佳光学制造链，对透镜设计进行优化，以此实现最低成本与最佳可生产性的双重目标。
1. 简介

《牛津词典》将光定义为来自太阳、灯具等的能量，使人能够观察到物体。为达到有效观测，需要构建不同层级的光学系统——从袖珍手电筒到航海灯塔，或从简易放大镜到尖端光刻成像系统。光学系统的生成是一个四阶段多方协同的过程：始于 (a)终端客户（以光为工具的应用需求方，定义MTF、图像分辨率、信噪比等应用参数），继由 (b)光学系统设计师将应用参数转化为光学系统架构，并依据ISO10110标准明确光学元件参数（如玻璃类型、面形精度、公差等级）。随后，(c)光学制造链设计师将光学系统参数与公差转化为优化后的制造工艺链，并最终移交给(d)生产部门，负责设备配置、工艺实施、人员培训，并依据客户与设计师在成本、产能及质量方面的要求进行光学系统制造。虽然光学设计软件工具可以很好地支持客户和光学系统设计师之间的交流，但光学系统设计师和光学制造链设计师之间的交流至今仍然完全基于人与人的交互。这种交互方式是光学系统制造过程中最后的主要障碍之一，因为它基于个人判断，不是确定性的，在很大程度上取决于人的经验和谈判。与所有设计和生产系统一样，大部分生产成本是在设计阶段确定的。特别是在光学制造中，设计参数对生产成本的影响是巨大的，因为有各种各样的制造技术可供选择。因此，在工业上，强烈需要一种方式能够通过调控光学制造链，以构建确定的、可预测的且成本与交付时间最优化的制造链布局。

2. 调制

目前存在超过360多种已知的光学制造技术（OFT）和解决方案可供选择，这些技术和解决方案必须被编排成仅部分取决于光学系统设计者的透镜参数和公差的优化制造链：特别是，优化的光学制造链必须能应对以下技术“六足”的相互关联的挑战：（a）几何形状（例如形状、局部曲率半径、光学表面的中心及其外围圆柱体设计），（b）尺寸（直径和矢高从微米到米不等），（c）材料（从塑料到玻璃，再到半导体材料和晶体），（d）质量（如ISO10110标准所述的参数和公差，例如形状、半径、直径、中间空间）和（e）生产量（从原型到批量生产）。在最近的一个瑞士研究项目中，PanDao开发了第一个用于光学制造链调控的软件解决方案。为此，我们采用了一种最近开发的专门用于光学制造的新型分析和优化工具[1]，对加工和处理进行了严格区分。因此，尽管制造链还是由互相适当平衡的后续单个过程组成，但已经能够将制造链视为一个整体过程，从而产生新的见解和解决方案。因此，在加工层面进行了方法论分析，将OFT系统地、模块化地进行分解，将其分解为一个个部分功能，例如，通过将表面平滑过程划分为五个物理和化学子机制，仅：（a）脆性开裂，（b）延性流动，（c）化学反应，（d）热和（e）喷射。在这5种分类机制中，我们可以建立所有现有的平滑过程，从而更好地理解现有的约400种OFT，例如：进给抛光（=a+c）、延展磨削（=B）、化学蚀刻（=c）、浮动抛光（= B + c）、MRF（=B+ c）、离子束精加工（=e）、流体抛光（=b+c）、激光抛光（=b+d）、激光诱导背面蚀刻（=c+d）和等离子抛光（=c+d）。基于一种独特的、类似专家系统的算法，以及从数十年的学术和工业制造项目中获得的专业知识，PanDao考虑了所有已知的OFT，以最小的成本和风险为给定的透镜设计确定最佳的光学制造链。因此，PanDao能够在设计阶段优化光学设计，以实现生产率，最小成本和交付时间，并提供替代或支持光学系统设计师和光学制造链设计师之间的人机交互的可能性。图1显示了输入到PanDao软件中的非球面透镜数据，图2显示了PanDao分析的结果，其中包含了沿最佳制造链所需的OFT、制造成本以及第一批交付周期（收到订单后交付第一批所需的时间）的详细信息。此外，PanDao还提供了有关建立生产的风险相关的信息，例如，通过新的能力因素。能力取决于被分析镜头的“六足”的复杂性和准确性。它描述了在沿着这个特定的制造链运行过程中，机器、工具和操作员必须具备的所需能力水平。也就是说，它是应用该工艺所需的加工水平的衡量标准。在能力为100%的情况下，机器必须使用最先进的加工水平。如果将该透镜的“六足”更改为不太严格的要求（例如，最小凹曲率半径为80 mm，3/6（3），Sq 3 nm 的rms，5/0.064），则性能收益率为99.4596%，表明所使用的设备不必是最先进水平。PanDao可以提供的另一个风险参数是“链唯一性”，这是一个衡量在最佳制造链以上20%的商业公差带内存在多少制造链的指标：对于图1中给出的透镜，我们发现side0的“链唯一性”为2条链，side1的“链唯一性”为4条链。

图1.根据10110 ISO标准将透镜数据输入到PanDao软件工具

图2.PanDao的报告：每个镜头的总制造成本为63欧元，第一批交付周期为20.3天，产能为100%

参考文献：

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

审核编辑 黄宇