Oliver Faehnle1, Matt Balkonis2 and Jessica DeGrote Nelson2
1www.PanPao.ch, St.Gallen, Switzerland, 2www.EdmundOptics.com, USA
摘要： 一種用于小直徑非球面 CCP 拋光的新概念，稱為Pea Puffer非球面，能夠生成那些對于大多數 CCP 拋光方法來說孔徑太小的非球面。Pea Puffer方法能夠在工業中以高質量和低成本制造小型非球面，并已數字化集成到 PanDao 軟件中。
1. 從光學設計到光學制造
在這個創新的黃金時代，全球制造商面臨的無處不在的挑戰是如何應對供應鏈對日益獨特和專業技術要求的需求。具有諷刺意味的是，我們在工業制造業的世界里又轉了一個圈，因為曾經的革命性概念“現成的”已經被技術所取代，即以消費者的價格精心制作、定制的成品。數字世界告訴我們，我們可以“擁有一切”，制造商不得不學習“優化制造鏈”的新語言。誰學得快，誰就能贏得市場。
2. PanDao
一個名為PanDao的瑞士項目掌握了360光學制造技術的數字化，實現了整個制造鏈的建模[1,2,3]。通過光學設計軟件工具（如Opticstudio[4]或CodeV[5]）的軟件接口導入鏡片數據后，PanDao以最小的風險和成本確定最佳的光學制造鏈。從注射成型到磁流變精加工（MRF），從精密玻璃成型（pgm）到單點金剛石車削（SPDT）， 360種不同的光學制造技術中的每一種都有自己特定的程序和技巧。以下，將報告其中兩個專業的PanDao數字化流程：(a)非球面拋光和(b) Pea Puffer拋光程序。
3. 非球面拋光
非球面拋光通常應用于與球面偏差較小的最合適的球面。傳統上，非球面是CNC點接觸地面，然后進行亞孔徑CCP拋光（計算機控制拋光[6]）。對于特定公差和透鏡參數組合，例如，對于小非球面（到最佳擬合包絡球面的距離），首先生成包絡最佳擬合球面，然后僅對最終非球面使用CCP拋光是有利的。圖1顯示了PanDao的分析結果，比較了標準非球面的產生與應用非球面拋光的制造鏈。
圖1.通過(a)直接非球面制造（左）和(b)對最適合的包絡球面進行非球面拋光（右），生成非球面（N-BK7, 3/2(1)，直徑80 mm，非球面6 um）。非球面拋光鏈比直接非球面制造鏈每個透鏡便宜13歐元，并且對非球面生成機器的容量要求更低。
4. Pea Puffer非球面拋光
在其他非球面透鏡的參數中，例如，工件材料的類型，是最小的局部曲率半徑和透明孔徑決定了眾多CCP球體拋光方法中的哪一種適用。Pea Puffer是一種特殊的制造方法，適用于非球面由于其透明孔徑太小而不適合某些CCP精加工方法[7]的情況。Pea Puffer方法通過兩個步驟解決了這種情況。這就像一條河豚，它擴大自己的尺寸，以應付危險的情況，但后來又縮小到原來的大小一樣：(a)非球面的直徑擴大到這樣的程度，以致于可以采用許多額外的CCP拋光方法；(b)這需要一個中心磨削步驟，以最終產生所需的非球面直徑（見圖2）。
Pea Puffer方法已被數字化并添加到PanDao軟件工具中，擴展了360種覆蓋制造技術的性能。圖2顯示了Pea Puffer拋光方法，下表給出了Pea Puffer拋光應用的兩個例子，以優化生產能力和最小化制造成本。
圖2.采用Pea Puffer拋光，擴大了非球面直徑。這使得適用CCP拋光方法的范圍更廣。隨后，Pea Puffer非球面通過中心磨削回到所需的透鏡直徑。
Pea Puffer通常導致更經濟實惠的制造鏈（見下面的 Gudr2 非球面），有時甚至能夠制造出原本無法生產的非球面（見下面的 Gudr1 非球面）。
結論
本文報告了兩種特定的非球面生成方法，它們已被數字化并添加到 PanDao 的可生產性分析中，該分析涵蓋了 360 種光學制造技術：通過非球面化生成具有小非球面度的淺非球面，以及通過Pea Puffer拋光方法生成小直徑非球面，其中非球面以稍大的直徑生成，隨后通過中心磨削回到所需的直徑。這兩種方法都節省了成本并最小化了風險。此外，已經表明，在某些情況下，Pea Puffer可以使得小直徑非球面的生成成為可能。
目前，更多的制造方法正在被數字化并納入 PanDao 軟件工具中，沿著將所有高級光學制造方法和技巧轉移到光學制造鏈的數字化模擬的道路前進。
參考文獻
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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