ISO 10110-122019 光学和光子学.光学元件和系统绘图的制备.第12部分非球面标准立项发展报告

*光学和光子学光学元件和系统绘图的制备第12部分：非球面标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part12:Asphericsurfaces摘要本报告旨在全面阐述ISO10110-12:2019《光学和光子学光学元件和系统绘图的制备第12部分：非球面》标准的立项背景、发展历程、核心技术内容、国际应用现状及未来展望。非球面光学元件因其在像差校正、系统轻量化、性能提升等方面的显著优势，已广泛应用于精密光学、航空航天、高端制造、生物医疗及消费电子等领域。然而，非球面设计的多样性与制造复杂性对工程图样表达提出了极高要求，统一、规范的标注体系成为行业迫切需求。ISO10110-12作为国际光学绘图标准系列的重要组成部分，为非球面的参数定义、公差标注、图形表示及检验要求提供了权威技术规范。本标准基于ISO10110系列框架，详细规定了非球面方程、顶点曲率半径、圆锥常数、高阶非球面系数等关键参数的标准化表达方式，并提出了表面形状公差、位置公差及表面质量要求。本报告通过分析标准的核心技术架构、对比其前版及国内外相关标准，揭示了本标准在促进国际技术交流、降低设计制造壁垒、提升产品互换性方面的关键作用。结论指出，随着自由曲面、衍射光学等新兴技术的发展，本标准将持续演进，为下一代光学系统的工程实现奠定坚实基础。关键词ISO10110-12；光学绘图；非球面；标准化；公差标注；光学设计；工程图样Keywords:ISO10110-12;Opticaldrawing;Asphericsurface;Standardization;Toleranceindication;Opticaldesign;Engineeringdrawing一、引言随着现代光学系统对高性能、小型化、轻量化要求的不断提升，非球面光学元件已从早期的高端科研仪器逐步渗透至工业激光、车载光学、智能手机镜头乃至虚拟现实（VR）/增强现实（AR）设备等大众化产品中。非球面通过偏离球面的连续曲面设计，能够在不增加镜片数量的前提下有效校正多种像差，从而大幅提升系统分辨率并压缩光学体积。然而，非球面的设计自由度与制造难度呈正相关，其曲面形状由复杂的数学方程定义，传统的球面曲率半径标注方式无法准确描述。因此，建立一套国际通用的非球面图样表达与公差标注标准，对于确保设计意图的精确传递、指导精密加工与检测、促进全球供应链协作具有至关重要的战略意义。ISO10110标准系列是全球光学行业在元件图纸制备领域最权威的国际规范。该系列由国际标准化组织（ISO）下设的“光学和光子学”技术委员会（ISO/TC172）负责制定。ISO10110-12:2019是该系列中专注非球面部分的专项标准，发布于2019年11月，替代了旧版标准。它的发布，标志着非球面元件从设计到生产的信息传递有了更为严谨、统一和可操作的国际语言，极大地推动了全球光学制造业的标准化进程。二、标准修订背景与核心单位介绍2.1修订背景与动因在ISO10110-12标准建立之前，不同国家、不同企业甚至不同设计师对非球面图纸的表述方式五花八门。常见的方法包括直接给出离散点坐标列表、标注非球面方程各系数但未定义参考坐标系、或采用不同格式的表面容差带描述。这种混乱状况导致了以下关键问题：1.设计意图歧义：加工方可能误解设计方对非球面形状的精确要求，尤其是高阶非球面系数和参考轴的定义。2.检测标准不一：缺乏统一的表面形状公差（如PV值、RMS值，以及相对于最佳拟合球的偏差）和位置公差（如偏心、倾斜）标注方法。3.数据交换障碍：不同计算机辅助设计（CAD）及光学设计软件之间缺乏标准化的数据接口，导致非球面参数在跨平台传递时出现信息丢失或格式错误。4.国际贸易壁垒：各国/地区标准（如美国ASMEY14.18M、德国DIN3140等）之间的差异，增加了国际采购和转包加工的合规成本与风险。此次修订工作的核心目标是对标技术进步，引入更精确的公差定义方式，明确非球面方程的标准数学形式，并增强与光学系统评价指标（如波像差）的关联。同时，针对近年来快速发展的自由曲面（Freeformoptics）技术，标准也保持了框架上的开放性，为未来可能的扩展奠定了基础。2.2核心参与单位详细介绍：德国蔡司公司（CarlZeissAG）在本标准的制修订过程中，德国蔡司公司（CarlZeissAG）作为全球光学与光电领域的百年领军企业，发挥了关键的引领和推动作用。（1）单位背景与行业地位蔡司公司成立于1846年，总部位于德国奥伯科亨，是全球顶尖的光学与光电技术解决方案供应商。其业务涵盖半导体制造技术、工业质量与研究、医疗技术与消费光学四大领域。在精密光学制造领域，蔡司致力于非球面、自由曲面等复杂光学元件的设计、加工与测量技术，其技术积累代表全球最高水准。蔡司不仅在镜头产品（如摄影镜头、电影镜头、光刻机镜头）中广泛应用非球面，更开发了如AFM（原子力显微镜）探针扫描、多波长干涉仪等为精密曲面检测服务的高端计量设备。（2）在标准制定中的技术贡献蔡司公司长期深度参与ISO/TC172/SC1（基础标准）及ISO/TC172/SC3（光学材料和元件）的工作。在ISO10110-12:2019的修订过程中，蔡司的核心贡献包括：*提供了精密非球面制造与测量的实践数据：基于数十年来在显微镜、半导体光刻物镜、眼科医疗设备中的非球面应用经验，蔡司提出了极具可操作性的公差框格标注范例，特别针对大口径、高数值孔径（NA）非球面的制造可行性进行公差分析。*定义了高度精细的非球面方程格式：蔡司协助委员会明确了标准中推荐的非球面方程的标准数学形式，并积极推动使用“Q”型多项式（如ForbesQ-con和Q-bf多项式）作为替代经典偶次非球面系的选项。Q多项式的正交性避免了经典多项式各系数之间的强相关性，使得加工与检测数据的拟合和评估更为稳定可靠，这一贡献显著提升了标准的科学性和实用性。*统一了参考坐标系与基准面定义：蔡司强调非球面图纸必须清晰定义参考轴（通常为系统的光轴）和基准面（安装参考面），并率先在其内部图纸规范中应用了严格的坐标系定义方法，最终被采纳到标准文本中，有效解决了因坐标系不同导致的安装错位问题。蔡司的深度参与，确保了ISO10110-12:2019不仅是一份理论指导文件，更是一份经过大规模、高水平工业实践检验的实用技术规范，真正做到了“源于实践，指导实践”。三、标准核心技术内容分析ISO10110-12:2019标准正文主要规定了在光学元件图纸上标注非球面所需遵循的规则，其核心内容可归纳为以下几个方面：3.1非球面方程的标准表达形式标准明确了非球面数学公式的标准格式。通常采用带有偶次非球面系数的旋转对称非球面方程，其形式如下：\[z(s)=\frac{Cs^2}{1+\sqrt{1-(1+K)C^2s^2}}+\sum_{i=1}^{n}\alpha_is^{2i}\]其中：-`z(s)`：矢高（Sag），即非球面上某点相对于参考球面顶点的轴向高度。-`s`：径向坐标（\(\sqrt{x^2+y^2}\)），即光轴垂直平面上点到旋转轴中心的距离。-`C`：顶点曲率（Curvature），即顶点曲率半径R的倒数（\(C=1/R\)）。-`K`：圆锥常数（ConicConstant）。不同的K值对应抛物面（K=-1）、双曲面（K<-1）、椭球面（-1<K<0）、球面（K=0）等基础二次曲面类型。-\(\alpha_i\)：第i阶偶次非球面系数（Higher-orderasphericcoefficients），用于对基础圆锥曲面进行进一步的高阶修正。该标准不仅列出了方程形式，还详细解释了每个参数的物理含义和单位，并规定了在图纸上如何以清晰、紧凑的形式排列这些参数（通常放在图纸的“光学数据”或“表面数据”表中）。例如，图纸上会明确标注“Surface:Asphere”、“R=xx.xxmm”、“K=-1.234E-03”，并随后列出\(\alpha_1,\alpha_2,...,\alpha_n\)的数值及其单位（通常\(s\)用mm，\(z\)用mm，系数有量纲）。3.2非球面公差标注体系这是标准最具实用价值的部分。标准提出了几个关键的公差种类及其标注方法：1.表面形状公差：*不规则度（Irregularity）：通常以光圈数（Numberofinterferencefringes）表示，分为局部不规则度、旋转对称不规则度等。标准将其细化为“不规则度光圈”(\(\DeltaN\))和“局部光圈”(\(\DeltaN_{loc}\))，在图纸上以\(5(1)\)或\(5/0.4\)等格式表示，其中第一个数字代表总的不规则度光圈数，括号内或斜杠后的数字代表局部不规则度。*均方根公差（RMS公差）：随着高精度光学系统（如光刻物镜）的发展，标准引入了RMS值公差标注。例如“RMSi<0.01µm”（不规则度均方根）、“RMSa<0.005µm”（非对称像差均方根）。这种标注直接关联光学性能（如波像差），比传统光圈数更科学。2.表面位置公差：*表面中心偏移（Centering）：非球面的对称轴（由方程定义的光轴）与图纸上定义的机械安装基准（如镜片外圆轴线或参考环带）之间的偏差。标准规定了使用“TIR”（TotalIndicatedRunout，总跳动量）或角度公差来表达偏心，例如\(\phi\)50µm或\(\Theta\)0.01°。*顶点与基准面的距离（Vertextoreferencesurfacedistance）：非球面顶点到指定安装参考面的轴向距离，这是保证系统组装后焦面位置准确的关键。公差以\(\DeltaX\)表示。3.表面质量公差：*表面缺陷：包括擦痕、麻点、气泡、包涵物等。标准根据ISO10110-7（表面缺陷公差）进行标注。对于非球面，这些缺陷的存在会严重影响衍射光斑。3.3图形符号与数据表格标准鼓励在图纸上使用标准化的图形符号，例如在表示非球面的图样上直接标注“Asphere”字样，并用引线指向数据表格区域。图纸上必须有清晰的数据块，包含：表面名称、方程类型（如偶次非球面、Q多项式）、所有系数值及其有效位数、参考坐标系定义（原点通常设在顶点）、参考波长（用于曲率半径测量）、被测区域直径或有效口径等。这些信息的规范化，极大提升了图纸的可读性和信息的完整性，避免了口头沟通的误解。3.4与ISO10110系列其他部分的关联ISO10110-12并非孤立存在，它与其他部分紧密相连：-ISO10110-1：规定了通用规则、图纸标题栏和总体格式。-ISO10110-5：规定了表面形状公差标注的基本方法，非球面公差将在此基础上进行扩展。-ISO10110-7：规定了表面缺陷公差，非球面表面的缺陷标注需遵循此部分。-ISO10110-8：规定了表面纹理（粗糙度）的标注。一个完整的非球面图纸，通常需要同时引用ISO10110-1,-5,-7,-8,-12等多个部分，形成一个完整的图样规范体系。例如，一张图纸的标题栏显示“ISO10110-12:2019”，并在技术栏中标注“Surfaceshapetolerance:5/0.5(0.2);RMSi<0.01µm;Surfacedefecttolerance:5/3x0.04”。四、标准应用现状与影响ISO10110-12:2019自发布以来，已成为全球光学元件设计与制造领域事实上的工程语言。其影响力体现在以下方面：1.促进国际贸易与技术合作：欧洲（德国、英国、法国）、美国、日本、韩国等主要精密光学制造国和地区的企业，逐渐将ISO10110-12作为国际采购合同的指定技术标准。中国作为全球光学元件的重要生产基地，越来越多的中国企业在承接国际订单时，被要求必须理解和遵循本标准，这推动了中国光学制造水平的国际化进程。2.推动CAD/CAE软件集成：主流的光学设计软件（如ZemaxOpticStudio,CODEV,LightTools）和机械设计软件（如SolidWorks,Creo,NX）都已将ISO10110-12中的非球面方程格式和公差标注方法内建到软件模块中。工程师在软件中定义非球面，可直接输出符合本标准格式的图纸或数据交换文件（如IGES,STEP），实现了从设计到制造的“无误差”数据流。3.赋能创新技术发展：在自由曲面、微透镜阵列、晶圆级光学（WLO）等前沿领域，尽管这些形状已超越传统旋转对称非球面，但ISO10110-12所建立的公理性框架——如明确参考坐标系、使用数学方程式拟合表面、关联波像差公差等——为这些新技术的标准化提供了基石。未来基于本标准扩展的自由曲面标准（可能在ISO10110-XX系列中）将更易推行。五、结论与展望ISO10110-12:2019《光学和光子学光学元件和系统绘图的制备第12部分：非球面》标准的发布与实施，是全球光学制造业走向精准化、规范化、智能化的重要里程碑。本标准通过统一非球面的数学表达、公差标注体系及信息呈现方式，有效解决了长期困扰行业的“设计-制造”脱节问题，显著降低了沟通成本与产品报废率，为非球面元件在高端领域的规模化、产业化应用扫清了重要障碍。展望未来，该标准的发展将围绕以下几个方向演进：1.向自由曲面及复杂光学表面延伸：随着非旋转对称自由曲面（Freeformoptics）在抬头显示（HUD）、激光雷达（LiDAR）、空间遥感等领域的大规模商用，制定专门针对自由曲面的国际标准已成为迫切需求。ISO10110-12的修订经验将为这一新标准的