iso10110中文国际光学制图标准.pdf

1 国际国际10110光学制图标准的执行光学制图标准的执行 适用于国家点火装置适用于国家点火装置 此文件为国际讨论会第44届年会之 光学科学、工程学、仪器学会专供材料 1999年7月 2 国际国际10110光学制图标准的执行光学制图标准的执行 适用于国家点火装置适用于国家点火装置 摘要摘要 1996年，国家点火装置（nif）工程决定选取iso-10110标准作为nif光学制图标准。7000个 大型nif光学器件和20000多个小型nif光学器件都将依照iso-10110标准生产制造。 iso-10110标准满足nif光学规范中的所有要求。 它为光学工程师统计、 交流光学规范提供了 平台。当没有单独的制图标准能够满足高能量激光系统所需时，iso-10110标准（及详细备注） 解决了这一问题，它成功的将国际制图标准应用到了nif激光系统当中。 本文将简述利弗莫尔国家实验室的研究结果和iso-10110制图标准的实施， 并列举nif光学制 图的某些案例，以及应用iso-10110标准的正反意见。本文重点是nif光学器件的表面缺陷规格， 称为5/。 3 1. 序言序言 1996 年，经 172 个 iso 技术委员会和 1 个分技术委员会批准并颁布了 iso-10110 文件，文 件第 1-13 章的总标题为“光学和光学仪器适用于光学元件和光学系统制图” 。iso-10110 标 准具体说明了设计情况，以及技术图纸（生产制造和检测中的技术图纸）中对光学元件的功能要 求。此标准已被国际光学供应社团所广泛认可，同时也引起了越来越多美国商家的注意。 在 nif 早期作业的准备过程中，采购 7000 个大型光学器件（孔径尺寸40cm）和 20000 多 个小型光学器件（孔径尺寸15cm），这将大大超过未来几年的采购量。在 nif 工程未来 30 年 的运作中， 美国光学制造业将继续提供返修和更换的器件。 我们试图购买能够满足 nif 高端技术、 生产安排及成本需求的光学器件。为研发成功，我们为每个光学器件寻找合适的标准，以便可以 向光学供应商清晰的表述要求。 三年半前， 当着手为 nif 光学器件制定规格时， 我们需要一份能够满足光学规范和制图需要 的标准。我们有三个选择。 【1】继续我们现行的方法，即：使用美国军用标准及其它多种美国标 准。这种方式在新星激光工程上已成功应用，但由于老式标准存在很多不足，美国光学供应商对 标准的解释也各不相同，因此在某些情况下老式的军用标准具有一定的不一致性。 【2】去创建属 于利弗摩尔国家实验室自己的标准。 【3】执行一份可接受的、合理的国际标准。这是最后确定的 选择。我们根据 iso-10110 标准（1996 年）着手制定了所有的光学图纸。 在执行任何一项新标准时都遇到很多的实际问题， 这是我们需要说明的。 首先是我们的员工 和光学供应商对标准本身的理解。 我们通过内部培训、 沟通供应商以及联系实践的方法去理解标 准及其内在含义。还有一个同样重要的问题，那就是 iso-10110 标准在实践中的应用。根据 iso-10110 标准制定图纸是一回事，根据图纸采购材料和精加工零部件却是另一回事。这个工程 在很大程度上促进了供应商的反馈，一有机会我们就将这些建议融入到图纸中。 2. iso-10110 标准及执行标准及执行 iso-10110 标准是 nif 光学制图的规范标准。iso-10110 标准覆盖了光学制图中所有惯用的 4 光学元件及系统的规格。表格 1 提供了 iso-10110 标准的结构。标准采用了十进制单位，所有标 注尺寸单位均为 mm。 章节 题 目 标注 1 概述 n/a 2 材料缺陷应力双折射 0/ 3 材料缺陷气泡和杂质 1/ 4 材料缺陷不均匀性和条纹 2/ 5 表面结构公差 3/ 6 中心偏差 4/ 7 表面缺陷公差 5/ 8 表面结构 9 表面处理和镀膜 10 透镜元件的表格数据 n/a 11 无公差数据 n/a 12 非球面 n/a 13 激光辐射损坏阈 6/ 表 1 iso-10110 标准结构 我们依照 iso-10110 标准起草每一份光学图纸。 根据供应商的反馈信息， 我们对 iso-10110 标准做了两种特殊处理。 【1】我们使用小数点而非逗号代表十进制（如“3.45” ，不是“3，45” ） 。 【2】我们允许以表格形式输入数据从而缩小光学图纸的总数。 我们通过对每份光学图纸添加详细备注来完善内容。 备注详尽的解释了具体的条目， 覆盖了 iso-10110 范围之外的必要条件，并帮助消除利弗摩尔国家实验室与供应商之间的歧义。备注共 有 5 节。 第 1 节覆盖了对所有光学器件的一般要求。 （如： 条纹的波长、波峰的测量、序列号等） 。 第 2 节介绍材料规格。第 3 节叙述 iso-10110 标准中的某些表面特征（如透射波峰误差、波峰误 差有效值、波峰变化有效值以及功率谱密度等） 。第 4 节介绍镀膜要求。第 5 节为光学器件的包 装处理。我们依照 asme y14.5-1994 尺寸和形位公差标准来绘制所有光学图纸。这一标准的引用 使我们可以更好的描述所需，同时还优化了公差规格，降低了生产成本，并确保了光学机械的性 5 能。 3. 翻译案例翻译案例 这一章通过回顾三个案例来说明怎样将典型的光学规范翻译成 iso-10110 标准， 参考材料 6 还附加了案例。 通常认为 iso-10110 标准具有一定的权威性， 它可以量化精加工部件的光学必要 条件。 3.1 材料缺陷应力双折射材料缺陷应力双折射 光学材料内部的应力产生了均等的折射率。 应力对光学透镜的影响最为显著， 它对功能性操 作可以造成严重的影响。通过玻璃每厘米最大允许光径差异来说明应力双折射的情况，单位为 nm/cm。 目前， 大多数供应商已经接受了对应力双折射的不同表述。 iso-10110 标准表示为 0/a。 “0/” 表示应力双折射的标头，a 表示可允许的光径差异（nm/cm） 。表 2 为利弗摩尔国家实验室对肖特 玻璃规格以及 iso-10110 标准的分析比较。 在这个案例中， 如果肖特玻璃规格满足 160mm160mm 100mm，则其适用于所有玻璃类型。本文使用肖特规格仅用于例证。类似的表格经改善可以作 为双折射规格提供给其他光学供应商。 每厘米玻 璃允许的 光径差异 iso-10110 标准 肖特玻璃规格 典型应用 nif 应用 【nm/cm】 2 0/2 偏振仪 干涉仪 注入式激光系统 激光棒 法拉第旋转玻璃 4 0/4 nssk， pssk(精密光学装置 6 4) 5 0/5 nsk(6) 精密光学装置 天文光学装置 注入式激光系统 望远镜 偏光镜 主要激光系统 三维滤光透镜 放大板 校准侦错系统 望远镜 分光镜 10 0/10 精密退火后 正常质量 光学摄影装置 光学显微镜 光源校准 瞄准仪 20 0/20 放大镜 光学取景器 无要求 0/- 光学照明器 光源校准 光学聚光器 表 2 应力双折射规格肖特规格和 iso-10110 的对比 nsk 为特殊退火后的正常质量或精密质量。 nssk 为附加特殊退火后的正常质量。 pssk 为附加特殊退火后的精密质量。 3.2 材料缺陷气泡和杂质材料缺陷气泡和杂质 光学规范通常将气泡和杂质视作等量的材料缺陷处理。 材料缺陷可以造成散射损耗和光束强 度波动。与绝大部分材料相比，杂质区域的激光损伤阀值要明显低很多。这里有两个典型因素可 以说明杂质的规格。 所有横断面都被杂质覆盖。 任一杂质的最大允许尺寸。 7 大多数供应商表示每 100cm玻璃都存在上述情况。 玻璃供应商还表示加工车间自己预定玻璃 会很方便，但在某些情况下可能会限制竞争。iso-10110 标准表示为 1/na。 “1/”表示气泡和 杂质的标头。a 表示最大允许杂质尺寸的测量（单位：mm） ，n 表示最大尺寸可允许杂质的数量。 当我们需要借助通光孔径来计算覆盖杂质的区域时，iso-10110 具有一定的直观易懂性。 表 3 为利弗摩尔国家实验室对熔融石英杂质的粒化规格分类（02 级）以及 iso-10110 标 准中对每 100cm光学器件的分析比较。在这个案例中，任何横截面0.08mm 的杂质都可以忽略 不计。 本文使用粒化规格仅用于例证。 类似的表格经改善可以作为气泡和杂质规格提供给其他光 学供应商。 杂质类别 编 号 每 100cm熔融石英 总杂质横截面 每 100cm熔融石英的 最大杂质尺寸 iso-10110 （假定体积=100cm） 【mm】 【mm】 0 0.00 0.03 0.10 1/3 0.1 1 0.03 0.10 0.25 1/2 0.25 2 0.10 0.25 0.50 1/1 0.5 表 3 气泡和杂质规格粒化规格 表 4 为利弗摩尔国家实验室对 iso-10110 标准的分析。 最大杂质尺寸 每部分可存在的 1 个最大杂质尺寸 每部分可存在的 5 个最大杂质尺寸 【mm】 0.05 1/1 0.05 1/5 0.05 0.10 1/1 0.10 1/5 0.10 0.25 1/1 0.25 1/5 0.25 表 4 气泡和杂质规格iso-10110 标准 3.3 表面缺陷表面缺陷 8 表面缺陷定位为瑕疵，如光学元件表面的道子、麻点。表面缺陷可导致外观和功能问题。外 观要求指定了光学表面道子和麻点的可见度。普通消费者认为外观缺陷就意味着工程质量低劣， 因此光学制造商应关注到这一点。对照功能要求，性能降低是由道子、麻点分散光源所引起的。 首先，相对光学通光孔径，光经图像发生分散的情况视缺陷区域而定。由于斯特列尔比表示艾里 斑的中心亮度， 可以将它看作完好系统中相对亮度的一部分， 因此表面缺陷也会影响斯特列尔比。 其次，分散光会穿透艾里斑的外部区域，进一步降低了系统的对比度。 目前，大多数美国供应商已接受 mil-o-13830a 标准的部分类型，及 mil-o-13830b 标准中 对道子和麻点的检验。mil-o-13830a 标准第 3 章第 5 节讨论了表面缺陷，这一节是道子、麻点 的常见规范。美国军用制图 c7641866 限定了道子对比样品的尺寸。非常遗憾的是，光栅制图多 次被修改，这导致道子物理尺寸和麻点给定数量的混淆。 通常使用线性尺寸标注麻点，即直径（单位：1/100mm）。通过可见度判定道子，并非道子 的尺寸。据经验表明，在美国光学供应商之间对道子规格的解释并不一致，原因是道子的可见度 取决于检测员的个人解释、对照样板的新旧、光源特点以及观察情况。 iso-10110 标准提供了两种判定道子和麻点的方法。【1】判定被影响的区域，即说明功能 要求。iso-10110 规范为 5/n a; ln a;ea。“5/”为表面缺陷的标头。n 为 最大允许尺寸的麻点数量。a 为每个麻点的最大尺寸（mm）。“l”为道子的标头。n为道子的 数量。a表示每条道子的最大宽度（mm）。e 为破边的标头。a为物理边缘的最大破边 尺寸（mm）。【2】基于表面可见度、表述外观要求，判定检测“通过/不能通过”，。 当借助通光孔径想要计算表面缺陷区域的数量时， 我们发现 iso-10110 标准具有一定的清晰 明确性。表 5 为利弗摩尔国家实验室对 mil-o-13830a 和 iso-10110（方法【1】）两标准关于麻 点规格的分析比较，。 mil-o-13830a iso-10110 方法【1】 最大麻点尺寸 （mm） 每部分可存在 1 个最大尺寸麻点 每部分可存在 5 个最大尺寸麻点 0.05 5 5/1 0.05 5/5 0.05 0.10 10 5/1 0.10 5/5 0.10 9 0.20 20 5/1 0.25 5/5 0.25 表 5mil-o-13830a 和 iso-10110 关于麻点规格的对比 表 6 为利弗摩尔国家实验室对 mil-o-13830a 和 iso-10110（方法【1】）关于麻点规格的对 比分析。我们假定美国军方图纸 c7641866, rev. l 为讨论标准。 mil-o-13830a iso-10110 方法【1】 最大道子宽度 （mm） 美国军方图纸 c7641866, rev. l 道子标准 可见度对比测试 每部分可存在 1 个最大宽度道子 每部分可存在 5 个最大宽度道子 0.001 10 5/l1 0.001 5/l5 0.001 0.002 20 5/l1 0.002 5/l5 0.002 0.004 40 5/l1 0.004 5/l5 0.004 表 6mil-o-13830a 和 iso-10110 关于道子规范的对比 4. nif 规范规范 举例举例 本次会议的其他文件讨论了 nif 光学规范的起源和技术基础。 参阅 iso-10110 标准具有一定 的启发性。 表 7 提供了透镜元件的部分规格。 透镜是传输空间滤波器同轴中继系统当中的一部分， 它从 nif 源头接收信号， 再将信号传到遥感器组件外部的校准望远镜中。 这种透镜是具有低激光 损伤阀的典型 nif 小型光学器件。 规格 实用值 备注 半径 r1 806.64c 利弗摩尔国家实验室将为供应商 提供合适的设计图。 半径 r2