Marco Tinnera, Irina Livshitsb and Oliver Faehnlea
a 瑞士圣加仑市的PanDao 有限公司，b 用于光信息与节能系统的计算机辅助设计”，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. 本文介绍了一款名为“PanDao”的新软件工具，专为光学系统设计人员打造。该工具能够在设计阶段模拟出最佳的制造流程和所需技术，并对设计参数和公差的制造成本影响进行分析。
在光学系统的生成过程中，会依次涉及三个不同的实体:
(a) 最开始，光学系统设计人员会将性能参数转化为光学系统参数，例如所用玻璃的类型、透镜的几何构型、面型精度、粗糙度和中频误差以及所使用的镀膜类型。
(b) 接下来，光学制造『设计师』将光学系统的参数转化为一套精心设计的制造流程，采用配备有优化制造参数（如所用磨料、加工运动学、共振频率或溅射速率等）的机器。
(c) 最后，生产经理们开始利用现有配置的光学制造链，采用优化后的批量规模和训练有素的操作人员来进行高自动化水平地光学系统生产。
传统习惯上，光学『设计师』会与客户就产品的“光学系统”进行磋商，讨论内容包括规格、价格以及有关产品的制造、镀膜、安装和交付等问题。
虽然光学『设计师』在设计最佳光学元件组合方面得到了软件工具的有力帮助，但目前还没有工具能够帮助他们设计出生产所需的最佳制造流程。就光学制造而言，光学『设计师』的决策仅限于他们之前与公司内部或供应商光学研讨会磋商所积累的个人经验。这是因为光学制造技术并非光学『设计师』培训内容的一部分，尤其是化学工程、材料科学、机床计量学、机械工程、磨料加工、制造工艺参数控制以及“光学『工程师』的黄金之手”对背后科学原理的深刻理解。
最近，在PanDao软件项目中1，开发出了这样一款工具。基于数十年来在学术界和工业界最先进的制造技术以及经验，PanDao专家系统应运而生。PanDao软件已在工业生产环境以及位于研究机构的光学实验室中进行了压力测试，这些实验室用于生成用于航天、医疗和国防领域的高端光学系统。
PanDao 能读取市面上流行的光学设计软件工具生成的镜片参数和公差，并且还会考虑诸如“需生产的镜片总数”和“交付的批次大小”等商业订单信息。在设计阶段，PanDao 会综合考虑所有已知的光学制造技术（如SPDT2、研磨抛光3、离子束抛光IBF4、液体喷射抛光FJP5 等），生成有关制造的信息。这样一来，光学『设计师』就能在设计阶段测试其光学设计的可生产性以及生产所需的必要光学制造技术。此外，还能基于光学设计参数进行制造成本影响分析，从而优化设计参数以实现最低制造成本。因此，在光学设计过程中，PanDao 会描述整个制造链，包括制造成本、镀膜成本、测试成本和中心成本。
接下来，将展示PanDao对一款直径为220 毫米的平凸非球面镜片（见图1）的制造成本和技术分析，该镜片计划生产500 件。
PanDao（图2）确定采用亚孔径数控磨削并以最终的CCP 研磨抛光作为最佳的加工流程。每片透镜的总加工成本约为185 欧元💶（以中等规模的中欧公司为例：不包括公司管理费用和材料成本）；总订单的加工成本为92500 欧元💶。接下来给出三个示例，展示光学设计调整如何影响加工成本。
• 将镜片直径从220 毫米改为210 毫米（并用例如金属环填充空出的空间），使每片镜片的成本降至176.8 欧元💶，从而整体上使制造成本降低4.4%（即4100 欧元💶）（图3）。
• 将透镜的非球面度（从最佳去除球面到要生成的非球面的最大距离）从4 微米减小到2 微米，可使每片透镜的制造成本降低至155.5 欧元💶，从而整体降低15.9%（即14750 欧元💶）的制造成本（图4）。在这种情况下，先研磨和抛光去除球面，然后再使用非球面抛光技术，比直接研磨和抛光非球面更经济。
• 最后，引入更严格的中间容差，例如将允许的最小中波误差（MSW）从5 毫米减小到0.2 毫米，会导致制造成本增加16.6%（即15355 欧元💶），因为需要进行最终的IBF 成型步骤（图5）。
总之，已开发出的名为“PanDao”的新型光学设计软件工具，能够根据光学设计参数和公差来设计出
最佳的制造流程。这样一来，在光学系统的设计阶段就能将制造成本降至最低。
图1. 拟生产500片平面-非球面BK7透镜，用PanDao软件工具分析
图2. PanDao分析了平面-非球面BK7透镜（图1），每个透镜的制造成本为185欧元💶，不包括8.7欧元💶的中心研磨成本，18.5欧元💶的镀膜成本和18.2欧元💶的测试成本。
图3. PanDao分析平面-非球面BK7透镜（图1）：将透镜直径从220毫米减小到210毫米，总制造成本降低4.4%.
图4. PanDao分析平面-非球面BK7透镜（图1）：将非球面度从4 μm降低到2 μm，总制造成本降低15.9%。
图5. 对PanDao分析平面-非球面BK7透镜（图1）：将中间波长精度从5mm降低到0.2 mm，制造成本提高16.6%。
参考文献：
1. Webside: https://www.PanDao.ch
2. 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
3. David Walker ; A. T. Beaucamp ; David Brooks ; Richard Freeman ; Andrew King ; Gerry McCavana ; Roger Morton ; David Riley ; John Simms; Novel CNC polishing process for control of form and texture on aspheric surfaces. Proc. SPIE 4767, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering III, 2002;
4. 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;
5. Oliver Faehnle, H. van Brug and H. Frankena, "Fluid Jet Polishing of optical surfaces", Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998;
