Oliver Faehnle1, Matt Balkonis2 and Jessica DeGrote Nelson2
1www.PanPao.ch, St.Gallen, Switzerland, 2www.EdmundOptics.com, USA
摘要： 一种用于小直径非球面 CCP 抛光的新概念，称为Pea Puffer非球面，能够生成那些对于大多数 CCP 抛光方法来说孔径太小的非球面。Pea Puffer方法能够在工业中以高质量和低成本制造小型非球面，并已数字化集成到 PanDao 软件中。
1. 从光学设计到光学制造
在这个创新的黄金时代，全球制造商面临的无处不在的挑战是如何应对供应链对日益独特和专业技术要求的需求。具有讽刺意味的是，我们在工业制造业的世界里又转了一个圈，因为曾经的革命性概念“现成的”已经被技术所取代，即以消费者的价格精心制作、定制的成品。数字世界告诉我们，我们可以“拥有一切”，制造商不得不学习“优化制造链”的新语言。谁学得快，谁就能赢得市场。
2. PanDao
一个名为PanDao的瑞士项目掌握了360光学制造技术的数字化，实现了整个制造链的建模[1,2,3]。通过光学设计软件工具（如Opticstudio[4]或CodeV[5]）的软件接口导入镜片数据后，PanDao以最小的风险和成本确定最佳的光学制造链。从注射成型到磁流变精加工（MRF），从精密玻璃成型（pgm）到单点金刚石车削（SPDT）， 360种不同的光学制造技术中的每一种都有自己特定的程序和技巧。以下，将报告其中两个专业的PanDao数字化流程：(a)非球面抛光和(b) Pea Puffer抛光程序。
3. 非球面抛光
非球面抛光通常应用于与球面偏差较小的最合适的球面。传统上，非球面是CNC点接触地面，然后进行亚孔径CCP抛光（计算机控制抛光[6]）。对于特定公差和透镜参数组合，例如，对于小非球面（到最佳拟合包络球面的距离），首先生成包络最佳拟合球面，然后仅对最终非球面使用CCP抛光是有利的。图1显示了PanDao的分析结果，比较了标准非球面的产生与应用非球面抛光的制造链。
图1.通过(a)直接非球面制造（左）和(b)对最适合的包络球面进行非球面抛光（右），生成非球面（N-BK7, 3/2(1)，直径80 mm，非球面6 um）。非球面抛光链比直接非球面制造链每个透镜便宜13欧元，并且对非球面生成机器的容量要求更低。
4. Pea Puffer非球面抛光
在其他非球面透镜的参数中，例如，工件材料的类型，是最小的局部曲率半径和透明孔径决定了众多CCP球体抛光方法中的哪一种适用。Pea Puffer是一种特殊的制造方法，适用于非球面由于其透明孔径太小而不适合某些CCP精加工方法[7]的情况。Pea Puffer方法通过两个步骤解决了这种情况。这就像一条河豚，它扩大自己的尺寸，以应付危险的情况，但后来又缩小到原来的大小一样：(a)非球面的直径扩大到这样的程度，以致于可以采用许多额外的CCP抛光方法；(b)这需要一个中心磨削步骤，以最终产生所需的非球面直径（见图2）。
Pea Puffer方法已被数字化并添加到PanDao软件工具中，扩展了360种覆盖制造技术的性能。图2显示了Pea Puffer抛光方法，下表给出了Pea Puffer抛光应用的两个例子，以优化生产能力和最小化制造成本。
图2.采用Pea Puffer抛光，扩大了非球面直径。这使得适用CCP抛光方法的范围更广。随后，Pea Puffer非球面通过中心磨削回到所需的透镜直径。
Pea Puffer通常导致更经济实惠的制造链（见下面的 Gudr2 非球面），有时甚至能够制造出原本无法生产的非球面（见下面的 Gudr1 非球面）。
结论
本文报告了两种特定的非球面生成方法，它们已被数字化并添加到 PanDao 的可生产性分析中，该分析涵盖了 360 种光学制造技术：通过非球面化生成具有小非球面度的浅非球面，以及通过Pea Puffer抛光方法生成小直径非球面，其中非球面以稍大的直径生成，随后通过中心磨削回到所需的直径。这两种方法都节省了成本并最小化了风险。此外，已经表明，在某些情况下，Pea Puffer可以使得小直径非球面的生成成为可能。
目前，更多的制造方法正在被数字化并纳入 PanDao 软件工具中，沿着将所有高级光学制造方法和技巧转移到光学制造链的数字化模拟的道路前进。
参考文献
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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