ISO 10110-162023 光学和光子学.光学元件和系统图纸的制备.第16部分衍射表面标准立项发展报告

光学和光子学光学元件和系统图纸的制备第16部分：衍射表面标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:OpticsandPhotonics—PreparationofDrawingsforOpticalElementsandSystems—Part16:DiffractiveSurfaces摘要随着现代光学系统在成像、激光加工、生物医学检测及增强现实等领域的广泛应用，衍射光学元件凭借其独特的光波调控能力已成为光学系统工程化应用中的关键组成部分。然而，长期以来，国际上缺乏统一的衍射表面工程图纸表达规范，导致设计、制造与检验环节之间的信息传递不畅，严重制约了衍射光学元件的产业化进程。在此背景下，国际标准化组织于2023年7月正式发布ISO10110-16:2023《光学和光子学光学元件和系统图纸的制备第16部分：衍射表面》，填补了衍射光学元件制图标准化的国际空白。本标准系统规定了衍射表面的标注要求、图形符号、尺寸公差、面形表征、扭曲率及微结构参数等技术要素，构建了设计意图向制造与检验环节准确传递的标准化语言体系。本报告围绕该标准的立项背景、编制原则、技术内容框架及预期应用价值展开深入分析，旨在为国内光学制造企业、科研机构及标准化工作者提供系统的技术参考和实施指引，并为我国参与相关国际标准制修订工作及开展对应的国家标准转化提供决策依据。关键词：光学和光子学；衍射表面；光学制图；国际标准；ISO10110；标准化；衍射光学元件Keywords:Opticsandphotonics;Diffractivesurfaces;Opticaldrawings;Internationalstandard;ISO10110;Standardization;Diffractiveopticalelements1引言1.1研究背景衍射光学元件是一种基于光的衍射原理，通过表面微结构对光波的振幅、相位或偏振进行调控的光学器件。与传统折射式光学元件相比，衍射光学元件具有重量轻、体积小、设计自由度大及可实现多功能集成等显著优势，已广泛应用于激光光束整形、红外成像系统、光谱分析仪器、光纤通信器件、增强现实显示以及精密测量设备等技术领域。近年来，随着微纳加工技术的快速发展，衍射光学元件的制造精度和工程应用规模均实现了跨越式提升，已从实验室研究阶段全面迈入产业化应用阶段。然而，一个显著的技术瓶颈长期制约着衍射光学元件的工程化协作与产业链协同：即国际上缺乏一套统一的衍射表面制图规范。工程图纸是光学设计、制造与检验环节之间传递技术信息的基本载体，在缺乏统一标注规则的情况下，同一衍射表面的设计参数在不同企业之间存在不同的表达方式，经常引发因理解歧义导致的质量争议和交付延误。以非球面衍射元件为例，其表面同时包含基底非球面面形和表面衍射微结构两类信息，如何在图纸中准确区分并清晰表达这两类信息，长期以来没有统一的国际规范可供遵循。1.2标准立项的必要性ISO10110系列标准是国际光学领域最为核心的制图标准体系，规定了光学元件和系统图纸制备的一系列统一规则。该系列标准已涵盖光学材料的标注、表面形貌公差、表面缺陷公差、镀膜要求、光学系统装配要求等多个重要方面。然而，在ISO10110-16发布之前，该系列标准尚未覆盖衍射表面这一快速增长的技术领域，导致衍射光学元件的图纸表达缺乏国际公认的规范依据。具体而言，制订衍射表面制图标准的必要性主要体现在以下四个方面：第一，市场需求迫切，全球衍射光学元件市场规模持续增长，供应链上下游企业亟需统一的图纸表达规则以促进国际分工与协作；第二，技术需求明确，衍射表面涉及基底面形、微结构参数及衍射效率等多维度技术信息的综合表达，需要专门的标准化解决方案；第三，现有标准存在空白，ISO10110系列中的其他部分仅适用于传统折射式和反射式光学表面，无法直接适用于衍射表面特有的技术特征；第四，国际协调需求突出，各主要光学工业国家在衍射光学元件领域的制造能力日趋均衡，迫切需要统一的技术语言以消除贸易技术壁垒。1.3标准基本信息ISO10110-16:2023《光学和光子学光学元件和系统图纸的制备第16部分：衍射表面》由国际标准化组织发布，标准状态为现行，发布日期为2023年7月10日，标准语言为英文。该标准归属于ISO/TC172（光学和光子学技术委员会）的SC1（基础标准分技术委员会）归口管理，是ISO10110系列标准的最新扩展部分。标准的发布标志着国际光学制图标准体系向衍射光学领域的重要延伸，对于推动衍射光学元件的全球化协作具有里程碑式的意义。2标准编制背景与工作过程2.1ISO10110标准体系概述ISO10110系列标准是国际光学领域关于光学元件和系统图纸制备的基础性标准文件系统，其历史可追溯至20世纪90年代中期。该系列标准首次于1996年前后陆续发布，为光学工程图纸的制备提供了从材料选择、几何公差到表面质量标注的系统性规范。经过近三十年的不断修订和扩展，ISO10110系列迄今已发展成为涵盖光学制图全部关键要素的标准族。该系列标准的主要组成部分包括：第1部分（总则）、第2部分（光学材料缺陷）、第3部分（气泡和夹杂物）、第4部分（不均匀性和条纹）、第5部分（表面形貌公差）、第6部分（中心偏差公差）、第7部分（表面缺陷公差）、第8部分（表面纹理）、第9部分（表面处理和镀膜）、第10部分（光学元件透镜形式和图样标注）、第11部分（非球面表面公差）、第12部分（非球面表面）、第14部分（波前畸变公差）以及第17部分（激光辐射损伤阈值）等。其中，第11部分和第12部分为非球面光学表面的标注提供了规范依据，与本标准关于衍射表面的规定存在技术关联。2.2标准立项与编制历程ISO10110-16的编制工作是在光学衍射技术快速发展、产业需求日益增长的背景下启动的。在标准预研阶段，ISO/TC172/SC1工作组对全球主要光学企业和研究机构进行了系统调研，总结了衍射光学元件在工程图纸表达方面面临的主要问题和已有的行业实践。在此基础上，工作组明确了标准的总体框架和技术路线，确定了以衍射表面功能参数为核心、兼顾制造可行性和检验可实现性的编制原则。在标准编制过程中，多国专家围绕衍射表面的定义范围、标注方法、公差体系和图形符号等关键技术问题展开了深入讨论。其中，关于衍射表面微结构参数的标注方式（如衍射微结构的特征尺寸、深度、占空比等参数的表达方法）、衍射表面与基底表面之间几何关系的图面表达方式，以及衍射效率这一功能性参数的标注要求等重要议题，经过多轮协商和技术论证最终达成共识。该标准于2023年完成全部编制程序，经ISO成员体投票通过后正式发布实施。2.3与国内外相关标准的关系在国际标准层面，ISO10110-16:2023的发布填补了ISO10110系列在衍射表面领域的空白。虽然ISO10110-11和ISO10110-12已对非球面表面的标注进行了规范，但衍射表面因其微结构特征而具有独特的标注需求，无法完全沿用传统的面形公差标注方法。本标准的发布既是对现有ISO10110系列标准的补充和扩展，也是对该系列标准体系的进一步完善。3标准主要技术内容3.1标准范围与适用对象ISO10110-16:2023规定了在光学元件和系统图纸中标注衍射表面要求的方法和规则。标准明确了其适用范围包括所有具有衍射功能表面的光学元件，涵盖基底表面直接加工衍射微结构的元件以及通过薄膜复制等方式在基底表面形成衍射结构的元件。标准涉及在光学图纸中表达衍射表面的功能要求、结构参数和制造允许偏差，为光学设计人员、制造工程师和检验人员提供了统一的沟通语言。标准中特别明确了衍射表面的定义边界：衍射表面是指具有周期性或准周期性微结构、能够通过衍射效应对光波的相位或振幅进行调制的表面区域。该定义既包括典型的闪耀光栅、二元光学元件等周期性结构，也包括谐衍射透镜、计算全息图等准周期或非周期结构，但排除了仅以减反射为目的的亚波长随机表面结构。3.2衍射表面的标注要求衍射表面的标准化标注方法，要求设计者在图纸上清晰地表达基底面形参数与衍射微结构参数。基底面形通常指衍射元件所依附的光学表面形状，即基底表面的几何形式，如平面、球面或非球面形状，相关面形参数按照ISO10110-5和ISO10110-12的规则进行标注。衍射微结构参数则包括特征尺寸、结构深度、周期/空间频率/节距、占空比及闪耀角等，直接决定衍射元件光学性能的结构参数。标注采用分层表达的思路，通过扩展的符号系统和规范化标识实现衍射表面技术信息的系统传达。在图形表达上多采用截面示意或局部放大视图的方式，辅助以精确的参数数值标注，在不干扰其他制图信息表达的前提下，将衍射表面信息以统一的形式标注于图纸中。3.3衍射表面的公差标注公差标注是衍射表面图纸的核心内容之一。标准规定了衍射表面与基底面形之间的位置关系公差和形状公差，包括衍射表面相对于基底表面的位置偏移、倾斜和面形偏差等。同时，标准还规定了衍射微结构的深度公差、特征尺寸公差、周期偏差等制造过程中的关键工艺参数允许偏差范围。值得关注的是，标准引入了以衍射效率为指标的功能性公差表达方式，直接标定衍射表面在特定波长和衍射级次下的衍射效率最低允许值。这种以功能为导向的公差体系在衍射表面工程化表达方面具有示范意义，对生产的指导更具操作性和可验证性。3.4表面形貌表征与检验为确保衍射表面标注要求能够在制造和检验环节得到有效落实，标准还对衍射表面形貌表征和检验方法的选用给出了指导性意见。对于衍射微结构几何参数的测量，推荐采用原子力显微镜、扫描电子显微镜、白光干涉仪等微纳测量手段；对于衍射效率等光学功能参数的验证，推荐采用激光衍射效率测量系统或分光光度计等光学测量方法。对衍射表面面形误差与基底面形误差的区分表征方式，在检验中可采用干涉测量结合计算衍射建模的方法进行分析处理；对衍射表面疵病等质量要求，规定按ISO10110-7的缺陷标注体系执行，但对于微结构区域内的缺陷判定则可依据元件功能要求进行适应性调整。4标准实施价值与应用前景4.1对行业的提升作用作为国际标准化组织正式发布的标准文件，ISO10110-16:2023的发布实施将有力地推动衍射光学元件的全球化协作与产业链高效协同，为行业内不同国家、不同企业之间的技术合作清除制图规则不一致的障碍。统一的制图语言可显著降低因技术交流不畅导致的加工差错和质量争议，切实提升衍射光学元件供应链的运行效率和交付质量。标准确立了一套国际社会普遍接受的衍射表面技术表达范式，其在保证技术严谨性的同时兼顾了工程实用性，为衍射光学行业的技术沟通确立了统一的规范框架。通过规范标注内容和标注方法，使供应链上下游对衍射表面的技术要求达成一致理解，有效减少因理解偏差导致的制造失误和资源浪费。这种确定性不仅有助于单个企业降低质量成本，更有利于整个行业制造良率的提升和产品一致性的改善。4.2对国际贸易的促进在国际贸易层面，ISO10110-16:2023的实施有利于消除技术性贸易壁垒，促进衍射光学元件及含有衍射表面的光学系统在各国之间的贸易流通。采用国际标准作为技术合同的基础文件，可大幅简化贸易各方的技术协商过程，降低交易成本与不确定风险。对国内企业而言，积极采用ISO10110-16:2023标准将有助于与国际市场接轨，提升国产衍射光学元件的国际竞争力。在国内标准的转化实施过程中，建议在等效采用国际标准技术内容的基础上，适度补充适用于国内产业链实际情况的应用指南和实施建议，更好地服务于国内企业的技术升级和市场拓展。4.3对未来技术发展的支撑从技术发展的长远视角来看，该标准的发布也为未来衍射光学技术的迭代升级预留了充分的扩展空间。衍射光学元件在增强现实显示、车载激光雷达、生物医学成像、半导体制造光学系统及空间光学载荷等前沿应用领域正在不断拓展其技术边界。随着制造工艺的持续进步和设计方法的不断创新，新的衍射表面类型和表征需求将持续涌现，ISO10110-16:2023所确立的标准化框架将作为衍射光学技术体系持续演进的重要制度性基础设施，为未来深度扩展和持续修订提供基础。5标准主要起草单位介绍ISO10110-16:2023由国际标准化组织ISO/TC172/SC1（光学和光子学技术委员会基础标准分技术委员会）归口，由来自多个成员体的光学标准化专家共同参与制定。在各国标准化技术机构中，德国标准化协会（DIN）下属的光学标准化委员会（NA027）在标准编制过程中发挥了重要的技术牵头作用。德国作为全球精密光学制造强国，拥有蔡司（ZEISS）、莱卡（Leica）等世界顶尖光学企业，在衍射光学元件设计制造领域积累深厚，其专家团队在本标准的技术框架构建和技术内容论证中作出了突出贡献。与此同时，美国国家标准学会（ANSI）、日本工业标准调查会（JIS）、中国国家标准化管理委员会（SAC）等成员体也深入参与了标准的讨论和投票工作，从各自国家的产业实践出发，对标准的适用范围、标注方法和公差体系提出了建设性意见。其中，中国专家结合国内衍射光学元件的研究成果和制造经验，在衍射效率标注方法及微结构公差表达等方面提出了有价值的建议，体现了中国在衍射光学领域日益增强的技术实力和国际参与度。在全国层面，全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）具体负责跟踪和研究该国际标准的技术内容，组织开展国内意见的征集和反馈工作，为后续开展国家标准转化奠定了工作基础。6结论与展望ISO10110-16:2023《光学和光子学光学元件和系统图纸的制备第16部分：衍射表面》的正式发布，填补了国际光学制图标准体系在衍射光学领域的空白，为衍射光学元件的设计表达、制造传递和质量验证提供了统一的标准化语言。该标准的实施将有效提升衍射光学元件在设计、制造和检验各环节之间的信息传递准确性，降低供应链协作成本和技术壁垒，对于推动衍射光学元件的产业化进程和国际贸易便利化具有重要的现实意义。展望未来，随着衍射光学技术的持续进步和应用领域的不断拓展，该标准也将在实践中接受检验并不断完善。建议国内相关标准化技术机构加快推动该标准的转化工作，尽早发布对应的国家标准或行业标准，同步组织开展标准的宣贯培训和技术咨询活动，帮助国内企业准确理解和有效应用标准要求。同时，建议国内科研机构和企业积极参与ISO/TC172/SC1后续的标准维护和修订工作，在国际标准制修订中贡献中国智慧和中国方案，提升我国在国际光学标准化领域的话语权和影响力。参考文献[1]ISO10110-16:2023,Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part16:Diffractivesurfaces[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ISO10110-1:2019,Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part1:General[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2019.[3]ISO10110-5:2015,Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—