通过在光学设计过程中分析透镜数据，可以确定最佳的光学制造链
Oliver Fähnle, Rolf Rascher, and Marco Tinner
要将光作为工具加以利用，例如在黑暗中看清事物、探测外太空的岩石或人体肾脏中的结石，就需要借助精密的光学系统，如复杂的汽车前灯、望远镜或内窥镜。随着光学工具使用精度的迅速提升，光学系统的质量也必须随之提高。因此，在制造光学系统的整个过程中，必须对其进行优化，以确保从最初的构想到最终的验收测试，所有后续环节都能实现精度和质量的最佳传递。
图1.借助在线工具，光学制造链设计触手可及
光学系统生成
光学系统的生成一般是一个涉及四方的过程（如图2a所示）：从（a）客户开始，他们希望将光作为工具使用，并因此定义了应用参数（例如，MTF、图像分辨率、信噪比dB），接着是（b）光学系统设计者，他们将应用参数转化为符合ISO10110标准的光学系统布局和元件参数（例如，玻璃类型、形状和精度）。随后是（c）光学制造链设计师，他们将光学系统的参数和公差转化为优化的制造工艺链，该优化的制造工艺链最终被移交给（d）生产部门，根据光学系统客户和设计者的要求（成本、产量和质量），安装设备和自动化系统，培训人员并制造光学系统。
在所有的设计和生产系统中，大部分生产成本都在设计阶段确定的。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，每种技术都有其特定的能力。因此，在工业上，强烈需要能够通过调控光学制造链，在设计阶段优化光学设计，以实现生产效率和最小成本。
图2.光学系统的生产：最新技术（a）和PanDao光学制造链设计介绍（b）
制造链调控
尽管光学设计软件工具为用户和光学系统设计者之间的交互提供了良好的支持，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。在瑞士的一个名为PanDao[1,2]的研究项目中，开发了一种新型的软件工具，可以将可生产性分析和制造链优化集成到光学设计过程中（见图2b）。PanDao通过读取ISO 10110标准中描述的透镜参数和公差，并考虑360多种光学制造技术，以最低成本生成输出最佳制造链。因此，PanDao可用于设计阶段的成本影响分析以及供应链管理的优化，例如确定最佳供应商。
非球面透镜的成本影响分析
下文将展示PanDao关于一款直径220毫米、计划生产500件的平凸非球面镜头的制造成本及技术分析[2]。非球面侧的形状精度存在两个条纹的不规则性。在平的一面，平面度要求为五分之一波长，而两侧均需达到1纳米均方根（RMS）的表面粗糙度级别，并且缺陷尺寸需小于0.064毫米（根据ISO 10110标准）。
PanDao（图3）确定了以子孔径 CNC 磨削配合最终的 CCP-Bonnet 抛光作为最优制造流程。每片镜头的制造成本约为 185 欧元（以一家中等规模的中欧公司为例：不含公司管理费用和材料成本），整批订单的总制造成本为 92,500 欧元。以下是两个示例，展示了光学设计调整如何影响制造成本。
图3.展示了PanDao对平非球面BK7镜头的分析，每片镜头的制造成本为185欧元（其中8.70欧元的中心磨削成本、18.50欧元的涂层成本以及18.20欧元的测试成本）。
将透镜直径从220 mm改变为210 mm（修改外壳设计），使每个透镜的成本降至176. 80欧元，导致总体制造成本降低4. 4%（或4，100欧元）
将镜头的非球面程度（从最佳拟合球面到待生成非球面的最大距离）从4微米降低到2微米，每片镜头的制造成本可降至155.50欧元，整体制造成本减少15.9%（或14,750欧元）（见图4）。在这种情况下，先磨削和抛光拟合球面（采用全孔径接触），然后再使用子孔径非球面抛光技术进行后续加工，比直接磨削和抛光非球面表面更为经济。
图4.展示了PanDao对平非球面BK7透镜（图1）的分析：将非球面度从4微米减少到2微米，总制造成本可以降低15.9%。
制造链风险分析
通过应用PanDao，可以建立满足设计参数和公差要求的最佳制造链。随后，确定了以下三个新型PanDao参数，这些参数能够对所选制造链进行风险评估：
(a) “链唯一性”（Chain Uniqueness）：这是衡量在最优制造流程成本基础上20%的商业公差范围内，存在多少种可能的制造链。
(b) “链能力”（Chain Capability）：这是衡量光学制造技术在其指定制造链中必须达到的性能水平。当“链能力”为100%时，该制造流程必须以最先进的加工水平进行加工。
(c) “链快速性”（Chain Quickness）：这是关于最优制造流程的生产速度的信息（由PanDao根据最低成本和风险确定），并与最快的、可能的制造链路进行比较。（这被称为快速链，并在合理的风险下优化速度，同时忽略成本问题）
通过对这三个参数进行综合分析，可以全面评估选定制造链的成本、风险和技术可行性。
针对上面分析的平凸非球面透镜，可以得到以下值：
链唯一性：在20%的商业范围内有八条制造链，
链能力：所选制造链达到最先进水平的99.92%
链快速性：存在更昂贵但快6.2%的制造链。
从制造成本角度比较竞争性光学设计
为了完成特定的光学设计任务，需要设计一个单色准直器，要求在5.2 mm的全视场处的波前精度为1个波长。如图5所示，设计了两个竞争的光学系统，其性能处于相同的质量水平：一种是双球面透镜系统，另一种是单非球面透镜系统。经过PanDao分析，得出以下结论：虽然非球面系统在制造成本上大约是球面系统的1.7倍，但球面系统在材料成本上却高出约4倍。因此，总体结论是采用非球面解决方案，其成本仅为球面物镜的一半左右。
图5.展示了两个光学系统，一个双球面系统和一个非球面系统，在相同的光学质量水平下（即在全视场位置时波前精度为1个波长）。通过PanDao分析发现，非球面系统相较于球面系统成本高出约1.7倍。然而，若将材料成本纳入考量，非球面系统的整体价格仅为球面系统的约一半。
总结
综上所述，一种名为PanDao的新光学制造链设计软件工具已被开发，它支持光学设计与制造之间进行人机交互。该工具在设计阶段实现了成本影响分析，并能优化光学设计以提高可制造性；从而，对于性能相当的竞争性设计方案，可以依据制造成本和风险进行评判。
参考文献
1. O. Fähnle: Optical Fabrication Process Modeling, OSA’s Optical Design and Fabrication congress, Rode Island, NY, USA , June 2021
2. M. Tinner, O. Faehnle, and I. Livshits: PanDao fabrication cost impact analysis software tool for optical designers, EOSAM20 conference on “Optical system design tolerancing an fabrication“, European Optical Society (EOS), September 2020
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