DIN德国工业标准光学元件公差.docx
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DIN德国工业标准光学元件公差
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。
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)
0.0010
0.010
0.10
1.0
0.0016
0.016
0.16
1.6
0.0025
0.025
0.25
2.5
0.0040
0.040
0.40
4.0
0.0063
0.063
0.63
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。
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、3条带状条纹和1条环状条纹
明亮界面
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。
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:
★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。
★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。
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;
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
473887
26mm
5/8×0.4
K/5×0.016
996497
25mm
5/3×0.1
K/3×0.004
996498
25mm
5/3×0.1
K/3×0.004
996299
8mm
5/3×0.016
K/2×0.0025
526304
46mm
5/3×0.16
K/2×0.01
526305
46mm
5/3×0.16
K/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=0.42
0.004×25=0.1
0.0025×8=0.02
0.01×46=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。