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O.Faehnle1 and I.Livshits2 

1 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland, 

2ITMO University, St. Petersburg, Russia

O·费恩勒1与I·利夫希茨2

1瑞士布克斯应用科学大学,

2圣彼得堡国立信息技术、机械与光学研究大学，俄罗斯圣彼得堡

摘要：本文系统阐述为特定光学元件确定最佳光学制造技术（OFT）组合的策略，并将应用到光学制造链的构建中。为此，研究团对光学系统进行了分类，并将其与光学加工技术的关键特性联系起来——这些关键特性是通过对其加工参数进行系统分析确定的。

1. 简介

在光学制造技术中，可预测且稳定的制造工艺对成本与质量进行可靠管理至关重要。本文阐述了针对特定光学元件与系统，如何来确定光学制造链中应采用的最佳光学制造技术（OFT）组合的策略。

2.光学系统的产生和分类

人类一直将光作为一种工具，用于解决日常生活中的一些挑战，如探测、照明与信息传输。而要将光作为工具应用，则需依赖光学系统。因此，光学系统（例如物镜、干涉仪、光学鼠标、内窥镜、望远镜或激光器等）正是如今我们用以满足核心需求的“光学工具”典范。在光学系统的生成过程中（即由多种光学元件经合理装配并协同运作构成的系统），需依次涉及三个核心环节：首先是“光学系统设计”，其次是“光学制造设计”，最后是实际“制造”（见表1）。

表1.光学系统的生成过程

“光学设计师”的职责在于将客户需求转化为一个公差设计良好的光学系统方案，该系统需包含各类光学元件（如透镜、反射镜、分光镜等），并确保这些元件能按需调制透射光的特性。

随后，由“光学制造设计师”将已完成的光学系统设计规格及所采用光学元件的公差要求，转化为最佳的制造流程链。这一流程链由一系列后续制造步骤组成，需综合考虑现有设备与技术条件，确保在最低制造成本下实现最佳性能。此外，还需综合考虑系统的稳定性、耐久性，以及制造商、终端用户和环境的安全性。在优化后的制造流程中，每个加工步骤（例如抛光1）均需选用特定的光学制造工艺（如气囊抛光2、碗式进给抛光3、磁流变抛光4、离子束修形5、超精密成形抛光6、单点金刚石车削7或流体喷射抛光8），具体选择何种工艺，取决于质量、制造成本与生产数量之间的最佳平衡。

最终，光学系统将按照制定的制造流程和工艺进行生产，确保所有加工环节均不超过设计公差范围，从而制造出完全符合客户需求的功能性光学工具。光学系统可采用多种分类策略，例如：按应用领域（如天文、医疗、照明、光刻）；按仪器类型（如显微镜、望远镜、内窥镜、干涉仪）。

然而，如果想要确定这些特定光学元件的最优制造工艺，必须根据其四大核心制造特性对其进行表征（详见表2）。这些特性在表2中进行了总结。

表2.光学元件的分类

3. 光学制造技术分类

尽管有少数光学制造技术已存在数千年，但自1670年荷兰代尔夫特首次工业化生产列文虎克（Leeuwenhoek）显微镜以来，光学制造技术的多样性开始显著提升；加之此后应用领域与质量要求的持续攀升（见图1），如今光学制造技术已激增至逾300种，使得针对特定光学元件如何选择最优工艺成为了一大挑战。

图1. 光学制造技术数量发展示意图：从克里特岛发现的古代透镜起源，经1670年首次工业化光学制造，直至当今的技术演进历程。

从方法论角度分析光学制造技术，我们发现其核心仅基于约11种抛光技术：新鲜进给抛光（FFP）、延性加工（DG）、化学抛光（CP）、碗式进给抛光（BFP）、弹性发射加工（EEM）、磁流变抛光（MRF）、激光火焰抛光（LP）、离子束修形（IBF）、磨料浆射流加工（ASJ）、等离子体辅助化学蚀刻（PACE）、激光诱导背面湿法刻蚀（LIBWE）。

若分析不同抛光技术与加工表面间的相互作用，可识别出5种基于以下原理的磨损机制（详见图2）：两体磨损（Two-body abrasion）、三体磨损（Three-body abrasion）、动能磨损（Kinetic abrasion）、能量传递（Energy transmission）、化学反应（Chemical reaction）。每种机制在性能与适用性上均存在特定优劣势（图2中以“+”和“-”标注）。进一步地，这5种机制可基于图3所示的5类磨损过程进行组合，包括：(a) 脆性破裂（Brittle cracking）、(b) 延性流动（Ductile flow）、(c) 化学反应（Chemical reactions）、(d) 热效应（Heat）、(e) 溅射（Sputtering）。

图2. 光学抛光技术的五大磨损机制应用示意图，每种机制在生成光学元件时均具备特定优势（“+”）与短板（“-”）特性

基于上述分析，可依据磨损机制类型及其所涉及的磨损过程组合，对现有的11种抛光技术进行分类（详见表3）。

表3.光学抛光技术的分类

4. 光学元件与制造技术的匹配

通过综合考虑光学元件的四大关键特性（详见表2），并将抛光技术的分类方法（表3总结）拓展至加工运动学特性及工具-工件接触类型（如点接触、线接触、面接触），即可构建光学制造技术的系统性分类与建模框架。

因此，在光学系统的设计阶段，就可基于数据驱动为特定光学元件制造匹配最优制造技术。

图3与图4示例展示了如何运用光学制造技术的方法论分析，为球面透镜确定最优制造流程链，从而实现生产风险最小化。

图3. 玻璃制成的球面双凸透镜

图4. 对图3所示双凸透镜制造流程的建模：识别实现最低成本制造链所需的最优光学制造技术。

参考文献：

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5. Franz Thomas, and Thomas Hänsel, “Ion beam figuring (IBF) solutions for the correction of surface errors of small high performance optics.” Optical Fabrication and Testing. Optical Society of America, 2008;

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7. Jiwang Yan, J. Tamaki, K. Syoji, T. Kuriyagawa, “Single-point diamond turning of CaF2 for nanometric surface”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 24, Issue 9, pp 640-646, 2004

8. O. Fähnle, H. van Brug and H. Frankena, “Fluid Jet Polishing of optical surfaces”, Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998;