| infotek | 2025-07-16 08:04 |
光學設計中的制造風險管理1. 簡介 在光學制造技術中，可預測且穩(wěn)定的制造工藝對成本與質量進行可靠管理至關重要。本文闡述了針對特定光學元件與系統(tǒng)，如何來確定光學制造鏈中應采用的最佳光學制造技術（OFT）組合的策略。 2.光學系統(tǒng)的產(chǎn)生和分類 人類一直將光作為一種工具，用于解決日常生活中的一些挑戰(zhàn)，如探測、照明與信息傳輸。而要將光作為工具應用，則需依賴光學系統(tǒng)。因此，光學系統(tǒng)（例如物鏡、干涉儀、光學鼠標、內窺鏡、望遠鏡或激光器等）正是如今我們用以滿足核心需求的“光學工具”典范。在光學系統(tǒng)的生成過程中（即由多種光學元件經(jīng)合理裝配并協(xié)同運作構成的系統(tǒng)），需依次涉及三個核心環(huán)節(jié)：首先是“光學系統(tǒng)設計”，其次是“光學制造設計”，最后是實際“制造”（見表1）。  表1.光學系統(tǒng)的生成過程 “光學設計師”的職責在于將客戶需求轉化為一個公差設計良好的光學系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)需包含各類光學元件（如透鏡、反射鏡、分光鏡等），并確保這些元件能按需調制透射光的特性。 隨后，由“光學制造設計師”將已完成的光學系統(tǒng)設計規(guī)格及所采用光學元件的公差要求，轉化為最佳的制造流程鏈。這一流程鏈由一系列后續(xù)制造步驟組成，需綜合考慮現(xiàn)有設備與技術條件，確保在最低制造成本下實現(xiàn)最佳性能。此外，還需綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性，以及制造商、終端用戶和環(huán)境的安全性。在優(yōu)化后的制造流程中，每個加工步驟（例如拋光1）均需選用特定的光學制造工藝（如氣囊拋光2、碗式進給拋光3、磁流變拋光4、離子束修形5、超精密成形拋光6、單點金剛石車削7或流體噴射拋光8），具體選擇何種工藝，取決于質量、制造成本與生產(chǎn)數(shù)量之間的最佳平衡。 最終，光學系統(tǒng)將按照制定的制造流程和工藝進行生產(chǎn)，確保所有加工環(huán)節(jié)均不超過設計公差范圍，從而制造出完全符合客戶需求的功能性光學工具。光學系統(tǒng)可采用多種分類策略，例如：按應用領域（如天文、醫(yī)療、照明、光刻）；按儀器類型（如顯微鏡、望遠鏡、內窺鏡、干涉儀）。 然而，如果想要確定這些特定光學元件的最優(yōu)制造工藝，必須根據(jù)其四大核心制造特性對其進行表征（詳見表2）。這些特性在表2中進行了總結。  表2.光學元件的分類 3. 光學制造技術分類 盡管有少數(shù)光學制造技術已存在數(shù)千年，但自1670年荷蘭代爾夫特首次工業(yè)化生產(chǎn)列文虎克（Leeuwenhoek）顯微鏡以來，光學制造技術的多樣性開始顯著提升；加之此后應用領域與質量要求的持續(xù)攀升（見圖1），如今光學制造技術已激增至逾300種，使得針對特定光學元件如何選擇最優(yōu)工藝成為了一大挑戰(zhàn)。  圖1. 光學制造技術數(shù)量發(fā)展示意圖：從克里特島發(fā)現(xiàn)的古代透鏡起源，經(jīng)1670年首次工業(yè)化光學制造，直至當今的技術演進歷程。 從方法論角度分析光學制造技術，我們發(fā)現(xiàn)其核心僅基于約11種拋光技術：新鮮進給拋光（FFP）、延性加工（DG）、化學拋光（CP）、碗式進給拋光（BFP）、彈性發(fā)射加工（EEM）、磁流變拋光（MRF）、激光火焰拋光（LP）、離子束修形（IBF）、磨料漿射流加工（ASJ）、等離子體輔助化學蝕刻（PACE）、激光誘導背面濕法刻蝕（LIBWE）。 若分析不同拋光技術與加工表面間的相互作用，可識別出5種基于以下原理的磨損機制（詳見圖2）：兩體磨損（Two-body abrasion）、三體磨損（Three-body abrasion）、動能磨損（Kinetic abrasion）、能量傳遞（Energy transmission）、化學反應（Chemical reaction）。每種機制在性能與適用性上均存在特定優(yōu)劣勢（圖2中以“+”和“-”標注）。進一步地，這5種機制可基于圖3所示的5類磨損過程進行組合，包括：(a) 脆性破裂（Brittle cracking）、(b) 延性流動（Ductile flow）、(c) 化學反應（Chemical reactions）、(d) 熱效應（Heat）、(e) 濺射（Sputtering）。  圖2. 光學拋光技術的五大磨損機制應用示意圖，每種機制在生成光學元件時均具備特定優(yōu)勢（“+”）與短板（“-”）特性 基于上述分析，可依據(jù)磨損機制類型及其所涉及的磨損過程組合，對現(xiàn)有的11種拋光技術進行分類（詳見表3）。  表3.光學拋光技術的分類 4. 光學元件與制造技術的匹配 通過綜合考慮光學元件的四大關鍵特性（詳見表2），并將拋光技術的分類方法（表3總結）拓展至加工運動學特性及工具-工件接觸類型（如點接觸、線接觸、面接觸），即可構建光學制造技術的系統(tǒng)性分類與建模框架。 | |