O.Resnik1, O.Faehnle2 and Y.Arazi1
1JOYA Team, Ramat Yishai, Israel
2 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland,
本文在光学设计流程的早期阶段动态应用PanDao软件，对整个流程中会对生产制造产生影响的因素进行了评估考量。
简介
尽管光学设计能够将光学系统的应用参数（如调制传递函数MTF、图像分辨率等）转化为定义明确的技术图纸，但其可生产性评估往往只能事后进行，例如通过人工分析，或者使用近年来出现的PanDao软件[1,2]）。未来下一步发展应该就是在光学设计阶段就集成生产制造分析功能，甚至是将其直接嵌入光学设计软件中。本文首次尝试在光学设计的早期阶段动态应用PanDao软件，探索在早期光学设计流程中集成生产制造分析功能的可能性。
成本影响分析
针对特定光学设计，我们通过公差分析确定公差范围，并将其分配到光学元件及机械结构（包括元件定位与壳体配合）中。本文提出在光学设计流程的早期阶段动态运用PanDao软件，在了解设备精度能力的基础上，评估光学元件公差的级别对制造工艺与成本的影响，然后评估主动对准和校准的需求及其对装配时间和成本的潜在影响，从而在光学设计过程中动态应用PanDao；这与在光学设计完成后对其进行标准判断和比较是恰恰相反的。
图1.两种光学系统可生产性方案示例
如图2所示，展示了两种通过PanDao软件进行评估的设计方案，可以从中评估出光学元件的生产成本。通过此方法，在早期设计阶段就可以将机加工、镀膜、定心、模具、设备调试与维护等成本因素纳入评估考量中，并将其用于指导设计决策。换言之，我们能够量化不同公差等级对成本的影响，并评估不同良率水平对应的成本差异。
基于上述信息，结合其它组装环节的成本数据与专业知识，我们可最终量化各方案的总成本，并据此选择最适合特定产品的优化路径。此外，组装流程规划、工装设计、校准与测试设备开发可并行于光学元件生产阶段，从而大幅缩短元件制造周期。该流程的另一优势在于：通过真实数据驱动的决策链，可以实现对全流程的精准控制，并评估每项决策的实际影响。
光学设计到制造可行性的整个过程是一个高度复杂的课题，其难点在于需统筹考量众多因素，并且光学设计师往往难以获取全面、透明的关于制造能力的许多信息。我们可通过附图2所示的图表来解析这一复杂设计，其中不同颜色的区域代表光学和机械的制造风险；此外，还可以评估不同类型的装配过程（沙质和大理石区域）。
图2.可生产性空间图表：光学系统制造与装配评估坐标图。图中光学公差（X轴）与机械公差（Y轴）数值增大代表公差放宽。通过PanDao划定的最优工作区（图中标出的区域），能够在满足系统性能要求的前提下，实现制造成本与风险最小化，并支持即装即用的装配模式
在整个设计中存在一条恒定性能曲线，其核心目标是找到“性能-可生产性-成本”的最优平衡点。该曲线的形态会受到系统整体复杂度的影响，但通常需穿越不同制造风险与成本区域（如附图2所示）。尽管这是一个简化模型，但它清晰展示了设计过程中需统筹的多层信息与多维考量。越早在设计阶段厘清此图，就越容易做出系统级最优决策，最终确保产品具备可控良率、盈利潜力与可扩展性的量产可行性。
PanDao可完整覆盖该图表中的"光学元件公差"，识别不可制造区域以及制造成本和风险高、低的区域。更重要的是，借助PanDao，光学设计师可以自己评估制造成本和风险，而无需在每次更改设计时咨询专门的专家。传统模式下，各家制造商仅掌握部分数据，而PanDao首次构建了全局化的制造能力图谱。PanDao通过整合340余种制造工艺类型与加工能力数据，能够输出光学元件的生产成本以及计算不同公差对应的成本，精准量化总生产成本。该成本模型可表述为以下公式：
成本=光学器件生产+外壳生产+装配工具+装配人工+成品成本
图1所示的两种工艺流程的成本（成本X与Y）主要取决于光学元件生产成本，其他成本随之动态调整，并最终形成产品总成本。可以直观、轻松地对不同成本项进行定性比较，但总成本要到整个工艺结束后才能进行比较。
为找到成本效益最大化点，我们可以在可生产性空间图（附图2）基础上构建成本曲面模型（如图3所示）。借助PanDao，可以在机械公差范围内与目标装配流程约束下，动态的调整光学公差工作点，从而推导出光学元件的最低可能成本，此为总成本的核心驱动因素。该过程可针对每种装配流程迭代执行，最终实现总体可生产性工作点的优化（即图2所示的"最优工作区"）。
图3.在图2的可生产性空间图表基础上增加成本作为第三维度，直观展示了当光学元件公差（X轴）与机械公差（Y轴）放宽时成本的下降趋势；阶梯状下降表征即装即用（drop-in assembly）装配工艺的优化效应。基于PanDao的光学系统生产成本评估，可精准定位最优工作区内的成本效益最大化点
结论
综上所述，研究团队已初步探索出在光学设计早期阶段动态运用PanDao软件的方法。通过该方法，可以将特定的光学设计的制造成本与公差信息纳入设计决策考量中，从而实现成本可控且具备可量产性的光学产品开发。
参考文献
1. www.PanDao.ch
2. O.Fähnle and I.Livshits, "Optical Fabrication Process Modeling", OSA's Optical Fabrication and Testing conference (OF&T), part of the Optical Design and Fabrication congress (ODF), Rode Island, NY, USA, June 2021
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