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读懂光学零件图及工艺卡

2021-12-20 10:39| 发布者：Davis| 查看：13055| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了光学加工中常用的光学零件图和工艺卡，以及它们上面各符号所代表的含义。同时也详细规定了《光学制图》（GB13323—1991）中的技术要求和术语解释，包括表面形状公差、光圈数和局部光圈数等。此外，文章还提到了新旧标准的共存期和修改情况。

1. 零件图和工艺卡上各符号所代表的含义

光学加工中所使用的图纸，通常有光学零件图、胶合图、工艺图（如毛坯图、粗磨工艺卡、精磨抛光工艺卡、检验工艺卡等）。其中光学零件图是最基本的图纸资料，光学零件加工的技术条件首先是通过光学零件图来表达的。在光学零件图中，不仅反映出零件的几何形状、结构参数和公差，而且还包括对光学材料质量等级的要求、对零件加工精度和表面质量的要求及其他需说明的各项内容，其他工艺图纸均是以光学零件图为基础来给出的。因此，光学零件图是选择光学材料、制订工艺规程和进行光学加工与检验的依据。

光学零件图的绘制应符合光学制图和机械制图国家标准的规定。

大家比较熟悉和常见到的是国家标准《光学制图》（GB13323—1991）。为与国际标准接轨，我国已对该标准进行了修改，从2010年2月1日起应执行新国家标准《光学制图》（GB/T13323—2009）。由于目前来看新旧标准应该还会有较长一段时间的共存期，尤其是与之相关和配套的一些标准并未全部随之进行变更，因此本文先按1991版的标准给大家进行介绍，再专门介绍2009版的光学制图标准。

1.1 《光学制图》（GB13323—1991）基本要求

《光学制图》（GB13323—1991）规定了光学部件图和光学零件图必须标注的技术要求，并以专用表格在图纸右上角位置显著标识。

典型的透镜零件图、棱镜零件图、胶合透镜部件图分别如图1、图2、图3所示。

图1 1991版国家标准规定透镜零件图

图2 1991版国家标准规定棱镜零件图

图3 1991版国家标准规定透镜胶合部件图

《光学制图》（GB13323—1991）规定：光学零件的光轴一般水平放置，用点画线表示，光线方向一般由左至右，零件先遇到光线的表面通常放在左边，圆零件只画出沿光轴剖开的剖面图。

图中，标注尺寸应符合国家机械制图标准，光学零件图要求标注允许的公差范围，而不标注公差代号。

尺寸标注通常有三种表示方法：一是公称值，即不带公差的名义值，加工中此值不作为验收的依据；二是实际值，名义值并加注公差，此值于验收时必须检验，所注公差范围即为验收依据；三是参考值，不加注公差，一般将数字用括弧括住表示，此值仅作为加工或了解性能的参考，不进行检验，亦不作为验收的依据。

光学零件图上一般用图形和文字标明倒角要求，如果倒角尺寸小于2 mm，可以不画出倒角图形，只需要在倒角处引出细实线，标注倒角尺寸或用文字说明。对屋脊棱镜这样不允许倒角的应该用细实线引出，并注明“尖棱”或“不允许倒角”字样。

透镜的球面曲率半径过大时，在光学零件图上其曲率允许夸大绘制，如果透镜的表面为平面时，应标注“R∞”。

如果是非球面透镜，在光学零件图上允许用球面绘制，但是应注明“非球面”，并列出曲线方程式，并标明方程式的系数。

在光学部件图中，要标明图中零件彼此的相对位置，如果是胶合件，在图的右上角位置应列出“对胶合件的要求”专用表格。胶合件的部件图中必须用文字标注技术要求，说明胶合所用的胶和对胶合面的要求。

1.2 《光学制图》（GB13323—1991）常见技术要求术语及其符号说明

1）表面形状公差

被加工的光学表面和标注的理论表面总会存在偏差，表面形状公差就是对这种偏差的限制，表面形状公差常常称为面形偏差。

国家标准《光学制图》（GB13323—1991）和《光学零件的面形偏差检验方法（光圈识别）》（GB2831—1981）中规定，面形偏差用光圈数N和局部光圈数ΔN两个参数表示。

光圈数N是指用工作样板检验光学表面时，在有效孔径内的牛顿环数目，通常称为光圈数。

如果被检验表面是平面，则光圈数N就表示被检表面不是理想的平面，而是半径非常大的球面，因此，从这点来看，无论球面和平面，光圈数N都是表示实际表面和理想表面在面形上的规则误差，也就是它们在整体上偏离理想半径的程度。

ΔN称为局部光圈数，它表示被检光学零件面形局部偏离标准球面或平面的程度。通常把局部光圈数分成两种：一种是像散偏差，它是被检光学表面在两个相互垂直方向上光圈数允许最大差值，以Δ1N表示；第二种是局部偏差，它表示相对于平滑干涉条纹的不规则程度的允许最大值，以Δ2N表示。

如果标注时不区分这两种局部光圈数，则表示这两种局部光圈均应同样要求。设计时，N和ΔN间应当协调，一般ΔN取N的0.1～0.2。

ΔN、N的常用精度情况和等级如表1所示。

2）表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面上的较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特征。它反映了零件表面的加工质量。峰、谷越小，其表面越光滑，反之，表面越粗糙。表面粗糙度国家标准（GB/T1031—1995）规定，评定表面粗糙度的主要参数从轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廊最大高度Ry等三个参数中选取，并优先推荐使用轮廊算术平均偏差Ra。图4、图5、图6分别给出了轮廊最大高度Ry、微观不平度十点高度Rz和轮廓算术平均偏差Ra的轮廓示意图。表2给出了4个常用的粗糙度参数的定义和计算公式；表3给出了光学加工工序能达到的表面粗糙度。

图4 轮廓最大高度Ry示意图

图5 微观不平度十点高度Rz示意图

图6 轮廓算术平均偏差Ra示意图

标注时，对于抛光表面，通常选择微观不平度十点高度Rz，在图纸的右上角用其余Rz 0.05来标注所有的抛光表面。

3）表面疵病

表面疵病是对光学零件表面粗糙度在高标准要求下的特殊补充。它是光学零件在加工过程中或之后，因为不适当的处置而在光学表面的有效孔径内产生的局部瑕疵，它主要的形式是擦痕、麻点、开口气泡、破点及破边，而开口气泡和破点可以视为麻点，所以表面疵病主要是标注擦痕、麻点及破边。按照《光学零件表面疵病》（GB/T1185—2006），光学零件表面疵病在图纸上用字母“B”表示，但按最新制图标准《光学制图》（GB/T13323—2009），应用数字代码“5”来表示。

4）透镜中心偏差

透镜中心偏差是用来表征透镜的基准轴和光轴之间的偏差，其定义为光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量，定心顶点就是该光学表面和基准轴的交点。这个偏离量以光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，称为面倾角，用希腊字母“χ”表示，如图7所示。

图7 透镜中心误差的定义

透镜的中心偏差还可采用球心差a、偏心差c及透镜边厚最大差值Δt等参量来表征，相应地测量这些参量也可检测“中心偏差”。球心差是被检光学表面球心到基准轴的距离；偏心差是被检光学零件或组件的几何轴在后节面上的交点与后节点的距离（在数值上等于透镜绕几何轴旋转时焦点像跳动圆半径）。

5）曲率半径

透镜的曲率半径不允许随意给定，应符合行业标准《光学零件球面半径数值系列》（JB/T 10570—2006，原国家标准为GB3158—1982）的规定，曲率半径的数值系列是根据公比为n10并将数值化整的几何级数构成，根据实际经验将半径数值划分为七个疏密程度不同的区域，各区域的划分和根指数n的取值如表4所示。

光学设计工作者在确定曲率半径的数值时，比如在200～1000 mm范围内，不能任意确定，必须从标准中规定的349个数值中，根据像差平衡的需要来选择。选择时，要优先选择n的数值小的系列中的曲率半径，这样的规范是为了方便生产企业建立自己的系列球面磨具和对样板，从而减少制造成本。

6）标准样板等级ΔR

曲率半径的公差不标注在曲率半径处，而是通过标准样板的等级→工作样板间的光圈误差→工作样板与工件被检表面间光圈数N，这样的误差传递表示。

按照《光学样板》（JB/T10568—2006）（原国家标准为GB1240—1976），标准样板分为A、B两级，其具体的精度指标如表5所示。对曲率半径的公差要求严格的透镜，ΔR应选择A级。

7）其他符号

φ表示透镜口径。

d表示透镜中心厚度。

t表示透镜边缘厚度。

D₀表示有效通光口径（注，在《光学制图》（G B/T 13323—2009）中表示为φe）。

θ_I表示棱镜光学平行差，又分为第一光学平行差θⅠ和第二光学平行差θⅡ，其中θⅠ指反射棱镜展开成平行平板后的光楔角，是由棱镜主截面上的角度误差引起的。

θ_Ⅱ指棱镜展开成平行平板后在棱镜主截面的垂直平面内的平行差，由棱镜的位置误差引起的，又称为棱差。

S表示屋脊棱镜双像差，由屋脊角误差所引起。

Q表示加工完后的零件气泡度。

还有各类镀膜符号，如表6所示。

2. 《光学制图》2009版与1991版区别

旧标准《光学制图》（GB13323—1991）主要是以机械制图、技术制图的相关国家标准为依据，增加了光学零组件方面的技术要求和表示方法的说明，在表达方式上较多地使用了文字叙述。从图纸版面设置上来说，是将“对材料的要求”、“对零件的要求”、“对胶合件的要求”以专用表格的形式列于图纸的右上角。

机械制图、技术制图的国际标准相继在1999年至2002年进行了修改，以之为基础的光学制图的国际标准也在2006年进行了修改。我国于2001年加入世界贸易组织后，各项标准也向国际标准看齐，机械制图和技术制图的国家标准对应于国际标准进行了相应的修改。《光学制图》的国家标准也以新的机械制图、技术制图国家标准和光学制图的国际标准为依据，进行了较大幅度的更改。GB/T13323—2009对应《光学与光子仪器——光学元件和系统制图准备第1部分：总则》（ISO10110-1:2006），一致性程度为非等效。GB/T13323—2009与ISO10110-1:2006的主要差异在于：删除了国际标准的序言和前言；根据ISO10110-1:2006及我国标准用语习惯对标准范围及符号作了重新编写；参考并补充了ISO10110-8、ISO10110-10、ISO10110-12相关部分的内容。总体来说，GB/T13323—2009与ISO10110-1:2006是基本一致的，而与GB13323—1991相比，变化十分明显。

图8、图9、图10分别为按国家标准《光学制图》（GB/T13323—2009）绘制的透镜零件图、棱镜零件图及透镜胶合部件图。

图8 2009版国家标准规定透镜零件图

图9 2009版国家标准规定棱镜零件图

图10 2009版国家标准规定透镜胶合部件图

2.1 主要变化内容

新旧标准的明显不同在于1991版中的文字说明较多，2009版则尽量以数字或字母代号来表示各项参数，且各种标注发生了很大变化。其主要变化内容如下。

（1）修改了标准范围：增加了对尺寸、公差标注的规定。

（2）修改了光轴的标注方法：1991版中以单点画线表示光轴，而2009版中为了区别光轴和中心线，特别规定要以双点画线表示光轴，单点画线只是用于表示中心线。

（3）在描述方面，将1991版的毛面修改为非抛光面。

（4）修改了附录A（资料性附录）的示例，并增加了非球面透镜的图样标注方法。

（5）修改了光学零件图样的列表格式及内容：此处变化非常明显，整个图面排版布局都不同了。1991版是在右上角列表，2009版是在图面下方列表或是引线标注，且各项要求的标注方法也不同，后面将详细说明。

（6）修改了对材料要求的标注方法：1991版对材料的各项要求基本都执行《无色光学玻璃》（GB903—1987），在2009版中，“气泡度”执行《光学零件气泡度》（GB/T7661—2009）的最新标准，双折射和非均匀性暂无单独的国家标准与之对应，所做的公差标注方法的修改是在附录B（规范性附录）中详细描述。具体修改内容后续将详细说明。

（7）增加了表面结构的公差的标注方法，并将其内容放入附录C（规范性附录）。2009版将1991版中“对材料的要求”和“对零件的要求”统称为“缺陷公差”，缺陷公差项目的表示方法对比如表7所示。

2.2 材料缺陷标准发生显著变化

GB13323—1991中，材料缺陷公差项目都以文字说明来表示，在“对材料的要求”列表中的左侧显示，列表中的右侧对应的是按《无色光学玻璃》（GB903—1987）执行的等级表示。GB/T13323—2009则取消了所有的文字表示，均以数字码作为不同材料缺陷公差代号。最重要的是，各公差执行的标准发生了显著变化。

1）应力双折射

GB13323—1991中，应力双折射以文字“应力双折射”在“对材料的要求”列表中的左侧显示，列表中的右侧对应的是按《无色光学玻璃》（GB903—1987）执行的等级表示。按照《无色光学玻璃》（GB903—1987），其等级有中部应力和边缘应力两种表示方法，以最长边中部单位长度上的光程差δ（nm/cm）表示时，按表8分为4类；以距边缘5%直径或边长处单位厚度上的最大光程差δmax（nm/cm）表示时，按表9分为4类。

GB/T13323—2009参考了国际标准《光学与光学仪器——光学元件和系统制图准备第2部分：材料缺陷应力双折射》（ISO10110-2:1996），一方面不以文字显示“应力双折射”，而是以数字码“0”作为其代号，另一方面不再区分中部应力和边缘应力，直接以样品单位程长内的光程差（OPD）表示，且不再以数字代号作为等级标志，直接以光程差大小表示，即“0/”后面所跟的数字即为允许的OPD值大小（见表10）。GB/T13323—2009附录B中给出了光学仪器中材料可允许的双折射公差及典型应用列表。

2）气泡度

GB13323—1991中，材料的“气泡度”是以文字“气泡度”在“对材料的要求”列表中的左侧显示，列表中的右侧对应的是按《无色光学玻璃》（GB903—1987）执行的等级表示。按照《无色光学玻璃》（GB903—1987）, “气泡度”根据材料最大直径或最大边长及所含气泡的直径分为3类，又根据每100cm3玻璃内允许含有气泡的总截面积（mm2）的大小分为7级，如表11所示。除“对材料的要求”中有气泡度要求外，在“对零件的要求”中也有对光学零件气泡度的要求，以字母“q”表示，执行的是《光学零件气泡度》（GB7661—1987），导致气泡度标注较为混乱。

GB/T13323—2009中，“气泡度”以数学码“1”表示，执行最新标准《光学零件气泡度》（GB/T7661—2009）。该标准对气泡度的要求做了统一规定，不再出现重复标注现象。该标准参考了国际标准《光学与光学仪器——光学元件和系统制图准备第3部分：材料缺陷：气泡与杂质》（ISO10110-3:1996），在图纸上的标注为1/N×A，其中N是气泡和杂质的数目，A是气泡和杂质投影面积的平方根，以mm计。也就是说，只要气泡和杂质投影的最大总面积不超过（N×A2）mm2，即应当被视为允许。

3）非均匀性和条纹

光学零件内部折射率的逐渐变化的最大折射率与最小折射率之差，在GB13323—1991中，称之为“光学均匀性”，而在GB/T13323—2009中，则根据其实际意义改称为“非均匀性”。GB/T13323—2009中，认为“条纹”也是“非均匀性”的一种表现形式，所以“非均匀性”和“条纹”统一用数字码“2”表示，“2/”所跟的两个数字，前者指“非均匀性”，后者指“条纹”。

GB13323—1991中，材料的“光学均匀性”是以文字“光学均匀性”在“对材料的要求”列表中的左侧显示，列表中的右侧对应的是按《无色光学玻璃》（GB903—1987）执行的等级表示。按照《无色光学玻璃》（GB903—1987）, “光学均匀性”有两种分类方法：一是以分辨率的比值表示时的分类法；二是以一块玻璃中各部位间的折射率微差最大值Δnmax表示的分类方法。我们仅按“光学均匀性”的定义列出第二种分类方法，从表12可以看出，类别的数值越小，代表折射率微差越小。这一点与ISO10110-4:1997中的分类方法恰好相反。

GB13323—1991中，材料的“条纹度”是以文字“条纹度”在“对材料的要求”列表中的左侧显示，列表中的右侧对应的是按《无色光学玻璃》（GB903—1987）执行的等级表示。按照《无色光学玻璃》（GB903—1987）, “条纹度”按用投影条纹仪以规定方向观测时的不同光阑孔径大小、不同距离和不同观测结果分为4类，按观察玻璃的方向数再分为3级，具体分类分别如表13、表14所示。从表14可以看出，数字越小或字母越靠前，代表材料的条纹等级越好。

GB/T13323—2009中，认为“条纹”也是“非均匀性”的一种表现形式，所以“非均匀性”和“条纹”统一用数字码“2”表示，即“2/”所跟的两个数字，前者指“非均匀性”，后者指“条纹”。“非均匀性”按零件中折射率允许的最大变化值分为6类，如表15所示。在GB/T13323—2009中，“非均匀性”的分类方法与ISO10110-4的是一致的，与GB13323—1991则正好反过来，这是个非常容易混淆的地方，在看图纸时一定要注意。“条纹”则主要是考虑条纹的有效投影面积与检验面积之比值，技术要求分为5个类别，如表16所示。从表16可以看出，数字越大，代表条纹要求越高，与GB13323—1991恰好相反，此处非常容易混淆，在看图纸时一定要注意，材料的生产方和使用方必须予以特别留心。

2.3 加工缺陷标注变化

GB13323—1991中，加工缺陷公差在“对材料的要求”列表中的左侧显示公差代号，列表中的右侧对应的是按各相应标准执行的等级标注。在2009版中，主要差别体现在公差项目代号的不同，如表17所示。

需要注意的是，表面疵病所执行的最新标准《光学零件表面疵病》（GB/T1185—2006）中规定是以字母“B”为代号，而新标准《光学制图》中规定是以数字代码“5”表示。绘图标准应按GB/T13323—2009，该标准只是绘图的标准，具体的光学零件表面疵病的要求另有单独的国标GB/T1185—2006。

随着高能激光在军事和民用技术领域越来越广泛地得到应用，抗激光辐射损伤阈值成为激光系统中对光学零件的一项重要技术要求。该指标指的是光学零件受到激光辐射后，导致表面破坏概率为零的最大能量密度或功率密度，它与材料的结构和性能、表面光滑程度、膜层结构与性能以及膜层与材料的结合性能有关。该项指标在1991版中无体现，目前国家标准中也尚无与之相对应的要求和规范，主要参考国际标准《光学与光学仪器——光学元件和光学系统制图准备第17部分：激光辐射损害阈》（ISO10110-17:2004），以代号“6”表示该指标。

2.4 表面结构公差标注变化

表面结构公差即表面粗糙度的标注。在GB13323—1991中，未对光学零件表面粗糙度的标注做专门说明，执行国家标准《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》（GB/T 131—1993）和《表面粗糙度参数及其数值》（GB1031—1983）即可。

光学工作者普遍认为，用机械表面标准表述光学表面是极不充分的，尤其是在超光滑表面、高功率激光光学等方面，表面粗糙度是一个相当重要的参数，不能简单套用机械表面标准。

最新标准《光学制图》（GB/T13323—2009）中对光学零件表面粗糙度的标注参考了国际标准《光学与光学仪器——光学元件和光学系统制图准备第8部分：表面结构》（ISO 10110-8:1997）中对光学零件表面粗糙度的要求，将光学表面分为粗糙表面和抛光表面。

粗糙表面结构用字母G（ground）表示轮廓面，其微观轮廓要求用轮廓均方根偏差Rq来度量。抛光表面结构用字母P（polished）表示轮廓表面，有四种表示方式：①无轮廓微缺陷要求的抛光表面，直接用“P”表示；②带有轮廓微观缺陷要求的抛光表面，字母P的右侧数字表示可允许的轮廓微观缺陷密度等级（P1～P4四级）; ③轮廓均方根偏差Rq; ④功率频谱密度函数（PSD）的定量方法，该项指标对于在高技术强激光应用中确定超光滑表面特性特别有用。

3. 光学零件图一般应标注的内容

光学零件图中，反映透镜形状和结构的主要尺寸有：表面曲率半径R和曲率中心位置；透镜中心厚度d和边缘厚度t；透镜外圆直径D和有效孔径D0；倒角的位置、角度和宽度等。

反映棱镜形状和结构的主要尺寸有：棱镜各面间的夹角；棱镜的厚度和高度；倒角和成型截面的位置、角度和宽度等。

光学设计中对光学材料的质量指标要求和对光学零件加工的要求，应填写在光学零件图的左上角的表格中。

对光学材料质量指标的要求包括：折射率与标准值的允差；同一批玻璃中折射率的一致性、色散系数与标准值的允差；同一批玻璃中色散系数的一致性、光学均匀性、应力双折射、光吸收系数、条纹度和气泡度等。

对透镜光学零件的要求主要包括：光圈数N、局部光圈数ΔN、中心偏差C、样板精度ΔR、表面疵病等级B，此外还有光学零件气泡度q等。

棱镜与透镜最主要区别就在于棱镜特有的角度要求，对棱镜零件除了要求N、ΔN、B、q外，还有光学平行差θ、屋脊棱镜双像差S等角度要求，有时还会视情况标注单角角度误差、两相同角度之差（如δ45°）、塔差π等。

对于光学零件表面处理或其他技术要求也必须在光学零件图上加以标注或说明。

4. 工艺卡一般应标注的内容

工艺卡是指导工人实际生产的最重要文件，因此在编制工艺卡时标注内容应尽可能详实，一般应包括：各面的加工顺序、加工尺寸；各工步所使用设备；各工步所使用的辅料；各工步所使用的工装夹具；上下盘方式；排盘方式及成盘数量等。若加工中有特别要求的，则一定要单独注明。例如，部分玻璃耐腐蚀性差的，就应注明要使用中性保护漆，清洗时要注意不能过碱槽等。