din3140_德国工业标准-光学元件公差

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光学元件公差★光学元件公差本文所有提及的光学公差都涉及到DIN3140标准，DIN3140是历经15年的调查研究，并于1958年10月发表的一项德国标准。这些绘图标准主要有以下用途：a)在绘图前期可降低产品的拒收。b)消除光学图像中不必要的近似公差。c)消除检测中的主观判断。d)若产品说明界定明确，可减少意外情况发生。下表提供了典型缺陷的规范。当给出缺陷在允许范围内时，公差编号后附加“-”，如3-。★公差规范编号缺陷解释1/-杂质（气泡）包括气泡、内部杂质等。通过（最多允许数量）×（最大尺寸单位：mm）来判断缺陷等级。2/-光学均匀性（纹理）缺乏光学性能、纹理等一致性。将其分类以便重新检测时无缺陷产生。i)点光源。ii)明亮/黑暗界面。iii)明亮背景。3/-结构误差表面结构偏离几何结构为结构误差。对照样板比较最大偏离情况（以半径为单位），并根据这个数值分类。11 4/-中心偏差对于透镜而言，当光学轴和机械轴不在一条直线上时，根据最大偏心距离（mm）或弧度分类。5/-表面质量表面缺陷、刮痕、道子等。通过（表面缺陷允许数量）×（最大尺寸单位：mm）判断缺陷等级。光学元件公差可以分为两大类，即：i)材料缺陷。即材料本身引起的缺陷（比如：气泡、条纹）。ii)工艺缺陷。这一缺陷取决于工作人员本身的技能，也可能通过拿取不慎造成（比如：划痕、破边等）。★材料缺陷根据材料不同的光学影响，将其再分成两类。杂质，如：气泡、内部杂质等；光学均匀性，如：条纹等。他们界定为不同的公差。编号【1】涉及可允许的杂质，编号【2】涉及可允许的光学均匀性。★1/-…杂质杂质，特指气泡，即材料中含有气囊，其截面为圆形。可允许杂质的数量和尺寸取决于光学元件在系统中的位置。通常气泡并不会造成干扰，但如果将其应用到通光路径上，可能由于缺少光线而造成阻碍。除气泡外还有一种所谓的内部杂质。内部杂质与气泡结构相同，但尺寸要更小，呈点状。即使不同属性的玻璃内部也都可能含有这种杂质。通常这种杂质会遍布光学元件的整个体内，但只要是分散开来的，那么在特定区域内此类元件是允许使用的。★公差尺寸可允许杂质的数量和尺寸是通过因数和级别数判定的（最大允许尺寸：直径）。这个因数表示指定级别所允许的最大杂质数量。杂质的公差尺寸要11 通过DIN标准判定，仅使用以下表格提供的尺寸。允许杂质等级（直径mm）等级——杂质直径（mm）0.00100.0100.101.00.00160.0160.161.60.00250.0250.252.50.00400.0400.404.00.00630.0630.63等级表示可允许杂质的最大直径。大面积的气泡或内部杂质是不允许的。最大允许杂质公差范围内的元件，经常在指定区域内应用。此外仅仅小气泡是可允许在指定区域出现的，即使小气泡的数量很多也是可以的。也就是说，一个大气泡不能取代总尺寸相同的大量小气泡。举例：某杂质在光学图纸中描述为：1/3×0.63释义：1/为杂质编号，0.63表示特殊元件可允许杂质的等级数，因数3×表示可允许杂质的数量为3。用大量的小气泡来替代直径为0.63mm的大气泡，使其总面积不超过给定的公差。也就是对于给定的公差3×0.63来说，允许用2×0.4、19×0.25等替换。此外，还可以将公差细分，如1×0.63+2×0.40+1×0.25。如果公差有括号限制，如1/（5×0.16），那么只允许指定范围内的杂质直径存在，这里公差不可以细分。在某些特定的情况下，控制区还可按区域细分。11 如上图所示，中部允许范围为1×0.04，而外部允许范围为5×0.063。★2/…光学均匀性光学均匀性指元件总体纹理中的条纹或带状物，这些条纹或带状物会形成光学元件不同的物理属性。条纹缺陷对图像构成所造成的取决于它们的形状、尺寸和反射率。当条纹与玻璃的折射率在不同范围内时，条纹是可见的。条纹结构：a)带状条纹（长而细）。b)含块状杂质的带状条纹。c)环状条纹。当元件含有杂质时，除另行要求外，光学均匀性公差同样遵守元常规要求。即允许细分公差（也可以按区域细分）。可允许条纹的数量和类型也通过等级表明。见下表，等级可允许条纹解释1不可见条纹明亮/黑暗界面2不可见条纹明亮界面3分散纤维状条纹、1条带状条纹明亮界面4分散纤维状条纹、3条带状条纹明亮界面5很多纤维状条纹、明亮界面11 3条带状条纹和1条环状条纹6不限制条纹明亮界面某杂质在光学图纸中描述为：2/3释义：2/为光学均匀性编号。数字3表示可允许条纹的等级，在这种情况下，只允许存在分散纤维状条纹和1条带状条纹。★实际（工艺）缺陷这种缺陷可以分为三类，即：i)光学有效表面偏离几何图形——结构误差。ii)光学轴和机械轴偏差——中心偏差。iii)光学有效表面缺陷——表面质量。★3/…结构误差结构误差是指通过样板或测量仪检测，判定光学有效面偏离了几何图形。它可以通过数量和干涉环（牛顿环）的流动表示，干涉环是在光学元件表面允许存在的一种图样。不同的工件、不同的检测面会产生大于半个波长的差异。最好使用单色光源检测。如果使用日光灯检测，那么应当通过干扰环中的同一颜色进行判断。一般来说，红色明显易见，所以使用红色。在可允许环数的后面添加括号，通常用来表示牛顿环。检测点要尽可能与待测面垂直。利用样板辨别是中心接触还是边缘接触。光带（条纹）从中心到边缘移动——中心接触，光带（条纹）从边缘到中心移动——边缘接触。11 根据偏离情况，结构误差可以分为三类：i)粗纹结构误差ii)规则结构误差iii)精密结构误差★i)粗纹结构误差某杂质在光学图纸中描述为：3/20(ur)释义：3为结构误差编号。20表示可允许牛顿环的数量。(ur)表示没有固定的结构或是对表面没有规律性的要求。在任何结构中，只要光带总数不超过20，牛顿环即是可见的。★ii)规则结构误差当干涉环的图样为延伸到两个方向的曲线时，称作规则结构误差。末端偏差m1、m2是从两端量取的垂直距离。如图所示：11 ★iii)精密结构误差精密结构误差只是在很小程度上偏离了实际的半径，图像呈条纹状而非环状。可以通过测量条纹的位置来判断偏离。条纹的稀疏对测量并不发生影响，但如果排列疏松，测量会更加有效灵敏。无规则结构较容易观察。某杂质在光学图纸中描述为：3/0.5(0.1)释义：3/为结构误差编号。数字0.5表示可允许的光环数，（0.1）表示光学元件中可允许的“非圆形”或“像散”。这由是否从正确角度检测所决定。以上为规则结构误差的样图，编号在插入图中已标识。11 ★中心偏差只有透镜会出现中心偏差问题。它是指光学有效面的中心点（光学轴）和参照轴（机械轴）不一致。中心点为光学有效面上的一点，通过这一点和参照轴相交。透镜的参照轴由装置中能确定透镜位置的表面所决定。透镜的光学轴是连接光学两有效曲面中心所得到的轴。透镜的最高点是光学有效面上的一点，它和光学轴相交。接着将透镜的光学轴和指定的参照轴聚焦在一条直线上。中心偏差的尺寸是曲面法线（过中心点）和参照轴之间夹角的大小。设这个角为X，角的大小和有效面距理想位置的倾斜角相等。11 某杂质在光学图纸中描述为：4/0.8’释义：4为中心偏差编号。数字0.8表示表面倾斜角可允许的最大偏差（单位为弧度）。如果杂质以4/0.05形式给出，那么在这种情况下0.05表示最大的可允许中心偏差（单位mm）。距离“a”为测得偏差（参照图表），即参照轴和过曲面法线光学轴的距离。★5/…表面质量光学表面缺陷理解为光学表面质量，如破边、刮痕、毛道子、污点、晦暗点都属于表面质量。当材料由于暴露而导致了表面弊病时，像气泡这种材料缺陷也可以归属于表面缺陷。可允许缺陷的数量和尺寸仅仅取决于元件在光学系统中的位置。★公差尺寸可允许表面偏差的数量和尺寸同杂质一样，也是通过因数和级数判定（最大允许尺寸）。级别数要参照DIN标准，仅使用指定表格中尺寸。同气泡有所不同，表面偏离不常是圆形，因此只要不超过指定公差，其他结构的表面偏离也许允许存在的。不允许的情况有：直径大于0.63mm；11 刮痕宽度大于0.63mm。某晦暗点在光学图纸中描述为：5/3×0.63释义：5/为表面质量编号。因数3表示可允许表面偏差总数（这里级数为0.63）。同杂质情况相同，一处大面积的划痕可以被大量小刮痕取代，只要它们的总面积不大于指定公差。如果公差有括弧修饰，则给定公差不允许细分。在某些特定的情况下，控制区还可按区域细分。（参阅杂质）对于某些存在破边、划痕的光学元件来说，只要缺陷不是十分明显或者对图像构成及工件的牢固性无影响，都是可接受的。★研究成果目前，几乎不存在只有划痕而没有其他表面缺陷的光学元件。见下表：零件号码直径表面缺陷公差任意长度划痕公差47388726mm5/8×0.4K/5×0.01699649725mm5/3×0.1K/3×0.00499649825mm5/3×0.1K/3×0.0049962998mm5/3×0.016K/2×0.002552630446mm5/3×0.16K/2×0.0152630546mm5/3×0.16K/2×0.01现在，使用可允许划痕的宽度乘以透镜的直径，结果将和表面缺陷的级数相等。举例：0.016×26=0.4211 0.004×25=0.10.0025×8=0.020.01×46=0.46结果表明，“任意长度划痕”必须小于等于级数。★划痕公差的判定★I.图纸说明表面缺陷（包含长条划痕）在图纸中是这样说明的5/A×s：KN×b,5=表面缺陷的数值编号；A=可允许缺陷的数量；S=表面缺陷尺寸的级数（单位mm）；K=标记为长条划痕；N=可允许划痕的数量；b=长条划痕尺寸的级数（最大可允许宽度，单位mm）。★表面缺陷A×s和长条划痕KN×b的区别如果表面缺陷的长度L比s²/b大很多的话（对L没有向上限制），则这个表面缺陷是一个长条划痕。11