1 光机工程基础
1.1 简介
本手册由在光学机械实际应用方面具有丰富经验的作者撰写，涵盖了广泛的相关主题。在这一章中，我们将介绍一般的背景资料，技术和概念，这些可能对光学机械的实践者有用。这些主题包括定义、几何光学基础、绘图标准、公差概念和环境影响。
1.1.1 什么是光学机械？
我们将光学机械定义为保持光学系统功能元件的适当形状和位置以满足系统性能要求的科学、工程和/或艺术。
原始哈勃太空望远镜（HST）的问题被归因于用于测试主镜的零位校正器中两个镜面相对定位的光机误差。HST的设计和建造无疑付出了巨大的努力，这是光学机械领域的一项重大成就。除了广为人知的技术问题外，它仍然是光学机械应用的一个很好的例子。功能元件（如主镜和次镜）的形状和位置必须非常精确地保持，以便仪器获得以前没有达到的结果。1993年对HST的修复使大部分原始的科学目标得以实现，并继续为我们的宇宙提供至今为止的惊人图像。
另一个极端的光学机械例子是我们很多人戴的眼镜。镜框必须固定镜片，使其主要点和像散校正相对于用户眼睛处于正确的位置和方向，在适当的公差范围内。框架还必须以舒适可靠的方式与用户的头部连接，整个系统必须在各种环境中运行和生存。
1.1.2 光机设计的作用及其意义
光学仪器的光学设计通常不到设计工作的一半。元件的机械设计及其支撑和定位也至少同样重要。如果我们看一看由两个或三个反射镜组成的典型天文望远镜，在机械结构中还有更多的部件支撑和定位反射镜，并试图在不扭曲功能表面的情况下实现这一点。可以看出，机械设计或光学机械在任何光学仪器的发展中都起着重要的作用，特别是在光学和机械接口处。
从前面给出的HST和眼镜的例子可以看出，从平凡到崇高，光学机械对我们的生活有着重要的意义。眼镜的超差会引起头痛和其他不适。HST中的类似情况引起了科学界的情绪和财政痛苦。另一方面，合适的眼镜增强了我们的个人能力和舒适度，合适的HST扩展了我们对宇宙的认识。
图1‑1开发和生产新光学产品的全过程
图1‑2光学产品的详细设计和分析过程。
读者自己的想象力可以为光机设计的作用和意义提供无数其他示例。这些可能包括汽车中的可调节后视镜或用于瞄准和监视应用的非常复杂的军事光学系统。
到目前为止，仪器的光学和机械设计师对仪器的最终成本和性能影响最大。所有其他学科，包括制造操作，都不能像设计师那样对改变用户的潜在满意度和生产商的盈利能力产生影响。因此，一旦仪器的功能得到满足，其经济性在光机设计中具有重要意义。图1.1和1.2说明了这些影响，并显示了光学仪器开发过程中的一些典型步骤。
1.2 几何光学基础
1.2.1 基本术语
在本节中，我们将讨论光学机械设计工程师经常需要的一些更相关的光学术语和定义。在下面的讨论中，这些术语首先出现的地方将以斜体突出显示。如果需要的话，有很多好的文本，比如史密斯的研究1，可以了解更多的细节。我们将在这里提供一些对设计者有用的工具和概念。
1.2.2 几何光学和系统布局中的图形工具
1.2.2.1 图像位置和放大倍数
在许多情况下，透镜的组合，例如35毫米照相机镜头、望远镜、放大镜等，可以被视为只有三个光学系统参数已知的黑匣子。
图1‑3定义黑盒透镜的三个参数：EFL和两个主点（P1和P2）。
这三个参数是有效焦距（EFL）和前后主点（P1和P2）在框中的位置。图1.3说明了这种黑匣子光学系统。在整个讨论过程中，我们将假设光学系统围绕穿过两个主要点的光轴旋转对称，并且在透镜系统的两侧都有空气或真空。利用这些信息，我们可以找到光学系统可以成像的任何物体的位置、大小或放大率。这是光学系统中的第一个主要关注领域，光学机械设计师可以很容易地解决。第二个方面是关于有多少光可以通过系统，作为相对于光轴的角度的函数。我们随后将处理这些问题。
我们这里要讨论的一切都称为一阶光学。偏离一阶计算给出的答案是畸变或偏离这些答案。这些都是高阶的影响，镜头设计师试图减少到实际价值在他们的详细设计过程。我们将不在这里详细讨论像差，因为它们不是光学机械设计过程中需要改进的东西。不过，我们将简要介绍这个主题。著名科学家汉密尔顿认为光学像差有三种类型。第一个像差是由导致尖锐点（污点）物体的图像不是尖锐点的效应组成的。他把这称为散光。第二个哈密顿象差是垂直于光轴的平面的像不是在平面上而是在曲面上。他称之为曲率场。三是物体平面到图像平面的映射存在失真。这将使一个矩形看起来像一个枕形或桶。光学设计师现在倾向于将散光分为几种类型，称为球差、彗差、散光、纵向和横向色差。后一种定义远没有汉密尔顿散光那么全面。这些细节大多只是光学机械设计工程师的学术兴趣。
光学中的一阶项可描述为简化方程，其仅使用角的正弦级数展开式的第一项和球面透镜表面的坐标导出，如下所示：
在球面方程中，y是光轴与透镜表面或其顶点相交处的分带半径。R是透镜表面的曲率半径。z是从包含顶点且垂直于光轴的平面到光轴方向的矢状距离或高度。如果我们在每种情况下只使用等号右边的第一项，我们就得到了一阶光学。如果我们在每种情况下都包含下一项，我们就有了三阶光学的基础和相关的像差。赛德尔算出了三阶关系式，据此可以计算出前面提到的所有像差。下一项给出五阶像差等。随着现代计算能力的提高，我们发现只有一阶和严格的计算才有用；高阶像差主要具有学术价值。就我们目前的目的而言，不需要计算；只需要基于一阶原理的图形构造。
参考图1.3，我们定义了一个包含一个主点并垂直于光轴的平面作为主平面。按照惯例，如果光从左向右移动，它就会以正方向通过透镜。第一主平面是光首先到达的平面，其主点是P1。类似地，第二主平面和点P2是光经过第一主平面后到达的位置。当光在到达第一个主平面之前被处理时，它被称为在物体空间中，因为要成像的物体在那个空间中。当光线穿过透镜离开第二个主平面后，它就会进入图像空间。第一焦点（F1）位于距离P1左侧的EFL处，第二焦点（F2）位于光轴上P2右侧的EFL处。焦平面是包含焦点并且垂直于光轴的平面。只有这些数据，我们才能构造出由任何中心光学系统形成的图像的位置和大小。尽管我们将用简单的例子来说明这一点，但是几乎所有的图像形成系统都可以缩小到一个有效焦距及其两个主要点，从而用相同的技术来处理。
这种构造所需的原理很简单，如图1.4所示。首先，当物体空间中平行于光轴的光线以给定高度与第一主平面相交时，它将以相同高度离开第二主平面并通过图像空间中的第二焦点F2。类似地，在图像空间中平行于光轴的光线必须首先通过第一焦点F1。第二，通过第一个主点的任何光线都将以相同的方向（平行于第一条光线）从第二个主点离开。这些实际上是节点，只要透镜的两边被同一介质（通常是空气或真空）束缚，它们就与主点相对应。
在图1.4中，通过使用从平行于轴的点O的光线和从O到F1的光线上提到的规则，可以找到对象点O的像点I。通过节点的光线也显示（虚线）作为替代或检查。这些原理可以应用于任何对象点。注意，一个主平面上的点被成像为另一主平面上的单位放大倍数。
图1‑4构造一个图像点，从一个一般的物体点上找出图像的大小和位置。
有些情况下，主平面是“交叉”的，这样第一个平面就在第二个平面的右边。在这种情况下，光线仍然从物体点追踪到第一个主平面，并以相同的高度从第二个平面发出。主平面也可以在物理透镜系统之外。这是特别真实的一些长焦镜头，根据定义，镜头系统是短于其有效焦距。因此，我们有简单的工具，我们需要找到任何物体的位置和图像大小。
对于一个无焦望远镜作为一个整体，前面提到的规则没有明确的意义，因为焦距是无限的。然而，一个无焦系统可以处理时，打破了前面和后面的部分有限焦距的焦平面重合。
1.2.2.2 通过透镜系统的一组光
从光轴以给定角度通过透镜系统的光量由瞳孔、光圈和渐晕决定。我们将忽略系统中透镜的透射率和反射镜的反射率的影响，只讨论离轴角度与轴上光的相对差。透镜的入射光瞳是从物体空间观察到的光圈，它可以将光传递到图像空间。出射光瞳是在图像空间中观察到的通过物体空间的光的光圈。这两个瞳孔都是从物体和图像空间观察到的同一光圈光阑的图像。在摄影镜头中，光圈光圈通常是一个光圈光圈，光圈光圈可调，用于控制光的亮度。透镜的F数是有效焦距除以入射光瞳直径。数值孔径是相同数量的另一种表述，其中它是1/（2）×当物体处于无穷大且处于空气或真空中时。数值孔径越大，通过透镜的光就越多。
现在我们将用一个简单的镜头来说明瞳孔和使用前面的原理来寻找出瞳孔。图1.5显示了一个弯月面透镜，其光圈光阑位于透镜前面，并给出了主焦点和焦点（称为基点）。在这种情况下，光圈光阑也是入口光瞳，因为前面没有其他透镜。我们想通过构造来找到出瞳孔的大小和位置，这就是这个站的图像。我们使用停止点的顶部作为对象点来找到它在图像空间中的位置。穿过该点和前焦点F1的光线被延伸，直到它与第一主平面相交，然后从第二主平面的该高度向第二焦平面上画一条平行于光轴的线。注意这条线从负到正无穷远，我们会发现它与镜头左边的下一条光线相交。下一条光线是通过平行于对象空间中的轴的光阑的光线，该光阑通过图像空间中的第二焦点F2。当通过F2的图像空间光线向后向左延伸时，它与图像空间中止点顶部的图像处的第一条光线相交。通过对称，这给出了出射光瞳的位置和大小。即使它在镜头的左侧，它仍然在图像空间中，因为它由穿过镜头的光组成。因此，该出射光瞳比出射光瞳大，并且更靠近左侧，但请注意，数值孔径或F数仍然正确。
图1‑5通过构造光圈光阑的图像来寻找系统的出瞳。
如图1.6所示，我们现在跟踪光线，光线平行于从物体到前节点（P1）的一条线，从出瞳的顶部和底部到第一个主平面。然后，从第二主平面上与第一主平面上的交点相同的高度，我们将光线绘制到成像点（由从第二节点[P2]到焦平面的线确定，焦平面与从对象到第一节点的线平行）。这显示了离轴光束在透镜上的位置。注意，光线（虚线）穿过镜头的节点到达离轴图像时，不会穿过光阑；它是渐晕图。这不是一个问题，因为节点射线只是用来从输入角度找到图像位置，反之亦然。如图1.7所示，如果离轴角度较大，透镜本身的光圈会限制光线通过；这就是一个极限光圈。这个限制光圈和出瞳的相互作用产生了一个渐晕模式，如图1.7所示。唯一能通过的光是两个光圈重叠的地方，在这种情况下大约是轴上值的50%。更复杂的镜头通常会有前后限制光圈，与出瞳孔相互作用，产生渐晕。当这些光阻挡了所有到达焦平面的光时，我们就达到了视野的绝对极限。渐晕有时用来阻挡高度畸变的光线，使图像更清晰，即使离轴相应地变暗。在许多摄影或电视系统中，胶片或探测器（电荷耦合器件）的尺寸通常是视场的限制，而不是渐晕。在诸如双筒望远镜或望远镜等视觉仪器中，在最终或中间焦平面上可能有一个物理孔径，它限制了视场，称为视场光阑。
光圈渐晕的显示可以很容易地构造。在图1.8中，我们将限制光圈投射到出瞳平面上。这是通过从图像点穿过限制光阑中心到出瞳平面的第一光线来实现的。这将定义投影圆的中心。第二光线从像点经过限制光阑的顶部或底部追踪到出瞳平面。这定义了圆心位于上面的圆的圆周上的一点。此圆和出瞳圆（或光圈光阑图像）的公共重叠区域图案给出了系统对此的渐晕
图1‑6从离轴物体通过光圈光阑或瞳孔到像平面的光线路径的构造。
图1‑7离轴光束部分被限制光阑阻挡，显示其渐晕效应并限制最终视野。
图1‑8在图像空间中以给定的视场角（图像位置）构建渐晕图案。
图像点如图1.8中左侧所示。同样的结果可以通过将出射光瞳投影到限制光阑平面上获得。整个过程同样可以很好地应用于对象空间而不是图像空间。在后一种情况下，从目标点观察渐晕光瞳。
1.2.3 用于设计和光线跟踪的附加CAD技术
现在，使用计算机辅助设计（CAD）工具来追踪严格正确的光线是可行的。在光线追踪和透镜设计方面，这一点已经持续了40多年，其中方程用于计算三维空间中的光线路径。事实上，光学设计可能是那个时期最活跃的CAD过程。但是，今天的绘图CAD工具允许在图形设置中相对轻松地进行额外的光线跟踪。这将不会取代通常意义上的光学设计，但它允许光机设计师在需要时找到特定光线的确切路径。所需的数据与镜头设计师的处方相同。这包括三维中的曲面位置、其半径、曲面每侧的折射率以及传入的光线坐标。我们将用图形表示的关系是斯奈尔定律，如下所示
(1.3)
光线入射一侧的折射率为n。在光线与曲面相交的点处，入射光线与曲面法线的角度为i。折射后，光线处于折射率为n′的介质中，与表面法线成r角。折射光线位于由入射光线和曲面法线定义的平面上。
如图1.9所示，追踪折射光线的步骤如下：
•在包含曲率中心和入射光线的平面上定义（绘制）折射曲面。
•将入射光线绘制到与折射面相交的点，并在该点绘制曲面法线。这是一条穿过该点和圆心的线。
•围绕入射光线和折射面的交点绘制两个圆，其半径为n和n′的相同倍数。使用1.000〃表示索引为1.000，使用1.517〃表示索引为1.517或可能是这些值的两倍可能比较方便。
•通过入射光线与n′圆相交的点，画一条平行于与n′圆相交的表面法线的线。这可能是一个从入射光线与折射表面的截距偏移到与n圆的光线相交的复制命令。
•从该平行线与n′圆的交点处，画一条穿过入射光线与折射面相交点的线。这条线，当延伸到那一点之后，就是我们想要构造的折射光线。
•修剪掉多余的线条，光线折射的过程就完成了。
图1‑9通过构造折射光线进行严格的光线追踪。
可以证明这种结构满足方程1.3。由于现代CAD绘图系统的严格性，这将提供与系统所能绘制的一样精确的真实光线。
如果可以使用精确的光线跟踪，则可以通过连接曲面上的截距点来绘制光线。这可能比前面描述的图解法更精确。
如果我们需要找到反射光线的路径，这个过程在CAD中就更简单了。CAD的“镜像”功能将通过在交点处围绕曲面法线镜像入射光线来提供反射光线。
如果需要的话，光线可以通过这种方式在整个系统中传播。最可能的用途可能只是偶尔使用，例如检查透镜安装单元边缘附近的光线路径。
前面描述的所有工具和概念都是通用的，可以与CAD一起应用，也可以不与CAD一起应用，但是CAD的可用性使它们变得更加简单和有用。
1.3 光学元件和系统图纸
1.3.1 计量单位
美国的光学工业是使用公制的领导者之一。大多数光学商店的工作单位是英寸或毫米，设备几乎相同。美国政府最近签订的一些军事合同甚至要求图纸采用公制单位，这与过去的做法有所不同。计量单位的选择可能会在一段时间内继续由客户和合同规范决定。以下所述绘图标准的目的是使规范更加统一，并减少整个光学行业的模糊性。
1.3.2 ISO和ANSI起草标准
有许多国际（国际标准化组织[ISO]）和国家（美国国家标准协会[ANSI]）自愿性机械和光学技术制图标准可用。本节简要介绍了这些标准，解释了为什么现在的趋势是使用ISO标准，以及在其中可以获得这些标准的副本。
我们正越来越多地与全球经济打交道，使用一致的标准使国际贸易更加容易，从而提高生产力。标准化促进了设计师和制造商之间以及不同国家讲不同语言的人之间的交流。图纸标准的主要目的是在图纸上标明成品的特征和尺寸。一般来说，这些标准并没有说明应该为各种组件特征使用哪些值。从这个意义上说，本节仅仅是下一节和第7章公差的导言，在这里讨论了图纸上使用的实际数值。
然而，应该指出的是，ISO标准确实为某些特性的建议值提供了一些指导，这在ANSI标准中并不常见。例如，在绘制图形时应考虑的几乎所有特征都会列出，以提醒是否需要指定此项。此外，ISO光学绘图标准包含列出默认公差的部分。例如，如果图纸上没有调出倒角，则本标准的这一部分将控制成品光学元件上倒角的默认宽度。
人们齐心协力，使ISO光学绘图几乎不受关注，这与美国过去的做法有很大的不同。图纸上的大多数ISO指示使用字母数字符号，表示某些特征或特征参数。一旦了解了这些特性和参数的代码或符号，以及设计师或制造商的任何语言，就可以由具有几乎任何语言背景的技术人员解释图纸，而无需翻译。因此，在日本或俄罗斯使用ISO符号绘制的光学图纸应在美国易于使用，无需翻译，反之亦然。
1.3.2.1 机械制图标准
涵盖机械制图实践的主要美国国家标准是美国机械制图学会
机械工程师（ASME）Y14.5:2009，2尺寸和公差。ASMEY14.5标准经ANSI批准，是美国几何尺寸和公差标准（GD&T）。GD&T是一种符号语言，用于指定零件缺陷的允许限度，以保证其操作性、可装配性、可制造性和可检验性。本标准说明了如何在图纸上表示设计意图，如所需的形式、配合、功能和互换性。除了定义表达这些设计思想所需的符号外，本标准还举例说明了当图纸上指定了一组给定的符号和尺寸时，人们对成品零件的期望。Sigmetrix3中的图1.10显示了符合ASMEY14.5的GD&T几何符号。
以下是符合ASME定义的几何术语和公差的详细说明：
•直线度：直线度是指表面或轴的一个元素是一条直线的情况。
•平整度：平面度是一个平面上所有元素的表面状态。
•圆度：圆度是一种适用于以下情况的表面状态：
1.对于球体以外的特征，与垂直于轴的任何平面相交的曲面的所有点与该轴的距离相等。
2.对于球体，与通过公共中心的任何平面相交的曲面的所有点与该中心的距离相等。
图1‑10ASMEY14.5GD&T符号(来自Sigmetrix，GD&T符号参考指南，Sigmetrix，
麦克金尼，德克萨斯州，2012年。）
•圆柱度：圆柱度是旋转曲面的一种状态，其中曲面的所有点与公共轴的距离相等。
•线条轮廓：由线公差轮廓建立的公差带是二维的，沿所考虑的特征长度延伸。
•表面轮廓：由表面公差轮廓确定的公差带是三维的，沿所考虑的一个或多个特征的长度和宽度（或周长）延伸。
•棱角性：倾斜度是指表面、中心面或轴以指定角度（90度除外）的状态°)从基准面轴线。
•垂直度：垂直度是指表面、中心面或轴线与基准面或轴线成直角的状态。
•平行度：平行度是指表面或中心面与基准面或轴的所有点等距，沿其长度与一个或多个基准面或基准轴等距。
•位置公差：位置公差定义如下：
1.允许尺寸特征的中心、轴线或中心平面偏离真实（理论上准确）位置的区域
2.（当在最大实体条件或最小实体条件的基础上指定时）一个边界，定义为虚拟条件，位于真实（理论上精确）位置，该位置可能不会被所考虑特征的一个或多个表面破坏
•同心度：同心度是指旋转图形的所有截然相反元素（或两个或多个径向布置特征的相应位置元素）的中点与基准特征的轴（或中心点）一致的条件。
•位置公差：对称关系的位置公差是指一个或多个特征的实际配合包络线的中心面在规定范围内与基准特征的轴或中心面一致的条件。对称关系的
•圆跳动：圆形跳动控制表面的圆形元素。当零件旋转360度时，公差独立应用于每个圆形测量位置°.
•全跳动：总跳动为所有表面元素提供综合控制。当零件旋转360度时，公差同时应用于所有圆形和轮廓测量位置°.
与ASMEY14.5一起使用的其他两个相关标准是ASMEY14.36M:1996（2008年再次确认），表面纹理符号和ASMEB46.1:2009，表面纹理，涉及机加工零件的光洁度。
我们应该提到两本书是关于ASMEY14.5:2009的教程。这些是几何的尺寸和公差手册：应用、分析和测量，4作者JamesD。MeadowsforASME，andTheUltimateGD&TPocketGuide，5这本书写得像一本教科书，如果你对ASMEY14.5知之甚少，这是一个很好的开始。
类似于ASMEY14.5的ISO标准是ISO1101:2012，产品几何技术规范（GPS）-形状、方向、位置和跳动的几何公差。ASMEY14.5和ISO1101标准基本相同。
前面提到的ISO制图标准与近120个与几何产品规范相关的其他标准一起装订在一起，这本书叫做ISO几何产品规范手册
1.3.2.2 光学制图标准
ISO技术委员会172成立于1978年，从那时起一直在编写光学标准。现在大约有300个标准被公布。光学工程师最感兴趣的两个标准是ISO10110,7光学元件和系统图纸的制备和ISO9211,8光学涂层。目前，美国还没有现行的光学制图标准。提供光学绘图指南的MILSTD-34标准《光学元件图纸的编制》于1995年被取消，取而代之的是ASMEY14.18M:1986《光学零件》。ASMEY14.18M从未更新，被认为已过时。如今，ISO标准在工业中的应用越来越普遍。图1.11显示了ISO标准在透镜绘图中的应用。
本图纸上使用的符号和数字在以下描述ISO10110各部分的章节中进行了说明。表1.1显示了由15个部分组成的ISO10110标准的结构。
图1‑11使用ISO标准的镜头绘图示例。
表1‑1ISO10110标准15部分清单
| 标准 | 零件 | 职务 | | ISO10110-1:2006标准 | 第1部分 | 总则 | | ISO10110-2:1996 | 第2部分 | 材料缺陷应力双折射 | | ISO10110-3:1996 | 第三部分 | 材料缺陷气泡和夹杂物 | | ISO10110-4:1997 | 第四部分 | 材料缺陷不均匀性和条纹 | | ISO10110-5:2015标准 | 第五部分 | 表面形状公差 | | ISO10110-6:2015标准 | 第六部分 | 对中公差 | | ISO10110-7:2008标准 | 第七部分 | 表面缺陷公差 | | ISO10110-8:2010标准 | 第8部分 | 表面结构；粗糙度和波纹度 | | ISO10110-9:1996标准 | 第9部分 | 表面处理和涂层 | | ISO10110-10:2004标准 | 第10部分 | 光学元件和胶合组件数据表 | | ISO10110-11:1996标准 | 第11部分 | 非公差数据 | | ISO10110-12:2007标准 | 第12部分 | 非球面 | | ISO10110-14:2007标准 | 第14部分 | 波前变形容限 | | ISO10110-17:2004标准 | 第17部分 | 激光辐照损伤阈值 | | ISO10110-19:2015标准 | 第19部分 | 表面和部件的一般说明 |
第1部分涵盖了光学图纸的机械方面，这些图纸是特定于光学的，并且尚未包含在ISO机械图纸标准中。本标准的这一部分还规定优先采用公制尺寸。允许使用英制尺寸，因此需要在图纸上注明。此外，小数维度使用逗号代替句点。使用第一角度投影法，而不是第三角度投影法。按照ASMEY14.5中的相同方式，将基准指定为方框中的字母。另一个重要点是，在22℃时，光学数据的默认波长为546.07nm（水银e线）±2°C.如果需要，必须在注释中指定备用波长。
第二部分讨论了应力双折射。冷却过程会在玻璃内部产生应力，导致偏振效应。应力双折射公差在图纸中以0/A表示，其中A是允许的光程差，单位为纳米/厘米。
第3部分是关于允许气泡和夹杂物的数量和大小。气泡是玻璃中被截留的气体。这些缺陷导致光的吸收和散射与面积成正比。此外，靠近表面的气泡会降低机械强度并导致应力集中，从而可能导致断裂。气泡和夹杂物用1/N表示×A、其中N是允许的气泡或夹杂物数量，A是允许的最大缺陷横截面积的平方根。
第4部分包括不均匀性和条纹。不均匀性是由于化学成分的变化而引起的玻璃折射率的变化，从而导致波前畸变。条纹是由于玻璃熔体的不完全混合而引起的折射率的局部变化，通常呈细丝或线状。条纹会导致图像退化、杂散光或传输损失。不均匀性和条纹用2/A表示；B、其中A是不均匀性等级，B是条纹等级。
第5部分涉及图形（表面形状）测量，并区分用试板目测的图形和用相位测量干涉仪测量的图形。曲面形状误差会导致点图像失真，降低其清晰度。表面形状公差在图纸上用3/a（B/C）表示。变量A是功率的矢状公差（最佳拟合球体与标称半径球体的峰谷[P–V]偏差）。如果半径公差是尺寸，则可以用破折号代替。变量B是最大不规则度（相对于最佳拟合球体的P–V误差）。最后，C是最大旋转对称不规则度（最佳非球面的P–V误差）。
第6部分处理定心误差，并允许一个完全机械的公差方法或一个光学机械方法。定心公差规定为4/σ或4/σ(五十）或4/Δτ,其中σ是最大允许倾斜，单位为arcmin或arcsec，L是最大允许横向位移，单位为毫米，以及Δτ是允许的最大水泥楔角。
第7部分包括表面缺陷公差，如划痕和凹陷。表面缺陷反映出工艺差并导致光散射。表面缺陷公差在图纸上以5/N表示×A、其中N是允许的缺陷数量，A是缺陷面积的平方根。涂层缺陷前面是C，长划痕前面是L，边缘缺口前面是E（5/CN）×一个；5/英寸×A、5/个）。
第8部分涉及地面和抛光表面纹理。光学表面的粗糙度引起散射，特别是在X射线、紫外线和高功率激光光学中。磨削表面的粗糙度以微米为单位，抛光表面的粗糙度以埃为单位，表示均方根（RMS）值。
第9部分定义了如何指示将要涂层的表面，而不是涂层的规格。后者包含在ISO9211中。
第10部分定义了如何以表格形式描述光学元件的参数。这张桌子有三个区域。一个是包含制造商、零件号、零件名称、版本、图纸比例等信息的标题栏。第二个区域专用于光学数据，有三个字段。左字段属于左表面，中心字段列出玻璃的特性和规格，右字段属于右表面。第三个区域包含光学元件图，如图1.11所示。
第11部分是光学参数的默认公差表，因此，如果图纸上未规定特定参数，则应按照本表中给出的公差进行。
第12部分定义了如何描述非球面，如曲面形状、中心公差、坐标系、基准面等。对于非球面，需要在图纸上明确指出曲面类型，并在注释中给出描述曲面的方程式。此外，还应规定检查的斜率公差（表面凹陷变化率）和取样长度。
第14部分定义了通过光学元件或组件传输或反射光学元件或组件反射的波前允许变形的指示规则。波前的变形是指它偏离了所需的形状。但是，不包括波前相对于给定参考面的倾斜。
第17部分介绍了如何在光学元件上指定激光功率损伤阈值。对于脉冲激光，激光辐照损伤阈值在图纸上用6/Hth表示；λ;pdg公司；计划生育；nTS公司；np，其中Hth是最大能量密度（J/cm2），λ是激光波长，pdg是脉冲持续时间，fp是以赫兹为单位的脉冲重复率，nTS是测试点的数量，np是应用于每个点的激光脉冲的数量。对于连续激光，标注为6/Eth；λ,式中Eth是最大功率密度（W/cm2），以及λ是激光波长。
最后，第19部分规定了用于制造和检验的技术图纸上光学元件和系统的设计和功能要求。本部分提供了描述曲面和组件的一般方法。ISO10110的本部分适用于连续和不连续表面。它不适用于衍射表面、菲涅耳表面、眼科眼镜和微光学表面，也没有规定测试是否符合规范的方法。
ISO9211，光学涂层，由四部分组成。第1部分（2010），定义，涵盖了涂层术语的定义和按功能划分的涂层类型的定义。这些术语分为四类：基本定义、按功能对涂层的定义、常见涂层缺陷的定义和其他定义。它还有一个广泛的涂层缺陷类型表，包括图解说明。
第2部分（2010），光学特性，涵盖了涂层的光学特性，并概述了需要详细说明的涂层特性。它还显示了用于指定涂层的透射或反射特性的图形格式。给出了涂层规范的几个实例。
第3部分（2008），环境耐久性，规定了光学涂层的使用类别，并确定了哪些环境试验是必要的，以证明涂层符合要求的规范。有一份清单列出了14种不同的涂层表面环境测试，从磨损到霉菌生长。
第4部分（2012），具体试验方法，定义了涂料的具体环境试验方法。这些是磨损和溶解度测试。磨损试验包括测试用粗棉布和橡皮擦的规格。
值得一提的是，还有许多其他ISO光学仪器标准涵盖了光学机械的各个方面。例如，有一些小组委员会负责制定望远镜和步枪、显微镜、大地测量仪器、眼压计和内窥镜等医疗仪器以及所有类型的激光和使用激光的仪器的标准。
有关这些国际标准的信息可从多个来源获得。获取信息和标准最新副本的最简单方法是查阅ISO、ANSI和ASME网站。
1.4 尺寸公差和误差预算
本节的重点是设计用于大批量甚至小批量生产的光学仪器公差的实践方面。仪器在使用中需要一定的性能。设计和公差方面对系统的生命周期成本和效率有重大影响。我们将讨论构成镜头成本的因素以及公差和其他因素对成本的影响。我们将从公差的角度描述透镜和透镜单元/支架的相互作用。然后，我们解释了确定系统公差的原则，以使满足性能要求的系统成本最小化。
为光学系统的各种尺寸和参数分配公差是决定系统性能和成本的关键因素。在实践中，许多系统的公差是通过艺术和经验而不是通过科学计算来实现的。在这里，我们试图使工程原理尽可能简单明了，以便以一种直接的方式应用这些原理。我们使用术语工程来暗示基于经验数据的实际近似被用来将问题简化为现实世界中可以处理的实际术语。在光学系统的生产过程中，参数会出现随机误差。这些导致结果在统计上是可预测的，但不完全是可计算的。因此，使用合理的工程近似值是适当和合理的。
有时可以对系统进行公差调整，以确保每个部件的制造精度，从而确保仪器足够精确和对齐，通过简单的装配而无需对齐或调整，从而达到所需的性能。这可能是某些金刚石车削（高精度加工工艺）光学组件的情况，或工艺能力方面性能要求较低的系统的情况。另一个极端是，系统的几乎每个参数都是宽松的公差，但可以通过适当的技能和劳动进行调整，以允许系统提供所需的性能。然而，这两种方法通常都不是满足性能要求的成本最低的方法。接下来，我们将讨论接近最低成本解决方案的哲学原理和实践方法，并举例说明这些技术的应用。
1.4.1 公差对成本的影响
让我们以制造单个透镜为例。对于制造玻璃双凸透镜，我们通常必须经历以下步骤：
•在两侧生成（或铣削）半径。
•将透镜安装在主轴上。
•打磨和抛光透镜的第一面。
•将透镜的另一面重新安装在主轴上，并研磨和抛光第二面。
•镜头边缘。
显然还有一些其他的小步骤，如获得材料和研磨和抛光工具，拆卸，清洁等。我们没有说，这一点上增加其他规格，如直径，半径，厚度和公差。即使没有这些参数，有一个在时间，材料和必要的设备成本最低的双凸玻璃镜头。这就是我们定义的基本成本。随着我们对镜头的要求越来越具体，对参数增加了更多的限制性公差，我们可能需要更多的小心、时间和设备才能使镜头符合新的规格。因此，随着越来越严格的要求/公差/规范，成本将增加。
“可抛光性”因素也应视为成本影响。一般来说，Pyrex®研磨和抛光比BK7需要更多的时间，熔融石英比Pyrex需要更长的时间，等等。有人认为锗（Ge）的抛光时间与BK7相同，也有人认为需要更长的时间。当然，这将因商店和使用的程序而异。通常，锗透镜将在与BK7几乎相同的时间内抛光到规格，但是典型的抛光规格可能是Ge的160/100和BK7的80/50。因此，Ge表面需要更长的时间才能满足要求
表1‑2各种材料的抛光系数%
| BK7 | 100 | | SF56 | 120 | | Pyrex | 125 | | 锗Gemanium | 130 | | 熔融石英fusedsilica | 140 | | Zerofur® | 150 | | 硫化锌Zns、硫化硒ZnSe | 160 | | FK2、BaF2、Amtir | 170 | | LaKN9、LaFN21 | 200 | | 化学镀镍ElectrolessNi | 250 | | 氟化钙CaF2,LiF | 275 | | 二氧化镁，硅MgF2,Si | 300 | | 电解镍ElectrolessNi | 350 | | 红宝石Ruby | 700 | | 蓝宝石Sapphire | 800 |
所有的规格都和BK7一样。表1.2中的数字反映了各种光学材料相对可抛光性的最佳估计。
一旦透镜被制造出来，它们通常被安装在金属镜座中。我们必须协调金属镜座和玻璃镜片的公差，以获得所需的结果。随着公差的收紧，手工操作的劳动强度越来越大。然而，最大的区别在于是否在不将零件从其支架（卡盘）上取下的情况下转动所有单元孔。如果是这样，那么同心度将仅受机器精度的限制。如果必须为其他透镜孔重新装夹电池，则在重新装夹或心轴式操作中需要花费更多时间来保持严格的公差。这表明了设计透镜单元的强烈动机，尽可能多地进行单卡盘操作。镜片制造成本和一部分设置成本实际上与镜片的公差无关。定心和修边操作和公差实际上与研磨和抛光操作和公差无关。透镜的两个半径的操作和公差在大多数情况下是独立的。刮、挖的要求都增加了保持厚度公差的难度，但不影响不规则难度。修边操作受直径公差和楔形或偏差公差的影响。
1.4.1.1 透镜和支架的相互作用
透镜系统通常由金属单元中的透镜组成。该单元具有与透镜直径紧密配合的孔，该孔具有在一个或两个半径和沿光轴方向的金属定位表面之间的接触座或接触环。一个透镜与另一个透镜的关系将由支架的间距尺寸和公差以及定位面之间的同心度和倾斜度确定。安装单元接口的公差必须与玻璃公差兼容。
1.4.1.1.1 镜头定心
图1.12显示了只考虑定心因素而不考虑透镜在镜座中的倾斜度。在大多数镜头设计软件中，很容易评估使镜头偏离预期光轴的效果或灵敏度。系统中的这种偏心是几个因素的总和。
图1‑12单元中透镜的偏心因子。
透镜光轴相对于透镜外径的偏心是光学车间的工作原理。安装孔相对于机械轴的居中是机器车间的工作。装配工将透镜插入单元时，需要有一些配合间隙f。透镜直径d和孔径dM的公差以及这些直径中的误差Δd、以及ΔdM会产生更多的潜在间隙。这些间隙将允许透镜在单元中移动到极限位置，并导致更多的偏心。公式1.4表示可能的总偏心td，作为透镜偏心dc和前面提到的因素的函数：
最小配合间隙系数f必须根据单元的装配方法以及热膨胀差的任何余量来确定。在标称温度下，它将允许在一个完全适合f/2的单元中发生位移。镜座安装孔dM的直径也由该过程确定，如下所示：
1.4.1.1.2 镜头倾斜和滚动
因为金属镜座的定位面倾斜了一个角度，所以一个原本完美的透镜可能会相对于系统的理想光轴倾斜ΔAT，如图1.13a所示。倾斜不受其他因素的限制，如透镜另一侧的固定器或圆柱形透镜直径与圆柱形单元孔的配合，这会阻止如此大的倾斜。如图1.13b所示，完美的镜头也可以在一个超大的孔中滚动。这表明左侧表面倾斜，而右侧表面正确定位在完美单元上。镜头将围绕右侧曲面R2的曲率中心转动。左边的表面，为了清晰起见，我们显示为平面，将倾斜一个角度ΔAR，约为V/R2弧度。我们可以证明这一点
这和系统性能对表面R1倾斜的敏感性将允许我们分配R1倾斜的公差预算。但是请注意，控制它需要控制Δd，这已经由偏心要求决定了！
图1‑13单元中透镜的倾斜和滚动系数。左面板（a）显示了其单元中透镜的倾斜。右面板（b）显示了一个镜头在其单元中的滚动。
一般来说，一个或另一个将是更严格的要求Δd。似乎我们应该找出哪个更严格，并用它来确定公差分配。另一个参数对误差预算仍有一定贡献，但不能独立确定。设计师在考虑灵敏度和安装设计后，在应用倾斜度和滚转时使用一些判断，以决定如何应用这些方程式，可能是合适的。不幸的是，这似乎把我们从工程学带回到了宽容的艺术。
1.4.2 公差分配
术语六西格玛（6σ)近年来在质量和公差功能方面被广泛引用。六西格玛是一种工具和哲学，可以提高产量和减少返工，从而提高成本和客户满意度。它有两大要素。首先是衡量用于实现结果的过程的常规能力。这可能包括镜头直径的部分到部分重复性。如果有一些事情可以做来减少变化，这些将提高能力，因此产量。统计过程控制是这种方法的一部分。第二个主要因素是使公差尽可能大，并且仍然满足系统性能要求。这是6σ的关键要素设计。设计越不复杂，成本、风险、返工等就越低。
另一个设计理念是首先尝试最简单的设计，有机会工作。如果测试表明它一定更复杂，那么它可以改变。如果从一个更复杂的设计开始，我们永远不会知道它是否可以更简单，成本更低。这通常是开发过程中必要的一部分。识别能力链中的薄弱环节并加以改进是非常重要的。即使过程中的其他链接都比6σ好,结果仍然只会和最薄弱的环节一样好。
6σ过程对于将注意力集中在可用于持续改进过程和设计的工具和理念上很有价值。从6σ的角度来看，制造和设计组织通常都在做许多正确的事情，但现在对如何测量和执行过程有了更好的关注和理解。
1.4.2.1 指定公差示例
我们已经描述了以最小成本分配公差的一般原则。Adams9在这方面做了一些重要的补充，我们将在这个例子中应用。如果公差制定过程中必须有一个以上的性能标准，则方程式的求解会有所涉及，但这是可行的。然而，许多系统，包括我们将用作示例的系统，都有一个性能标准，当它与公差相关时，它支配所有其他系统。也就是说，如果选择的公差满足主要性能要求，那么所有其他要求也将得到满足。这大大减少了计算量，使其更易于可视化。为了平衡这一讨论，我们将使用单个需求案例，并理解它可以根据需要扩展到多个标准。
图1.14显示了一个多焦长度跟踪望远镜，我们将使用它作为公差过程的一个例子。它有一个300毫米口径的折反射望远镜截面，焦距约2000毫米，由于副镜的存在，中心有25%的障碍物。然后用聚焦透镜组对望远镜图像进行准直。无焦光束然后由三个成像透镜中的一个成像到最终的焦平面。这些透镜交替放置在光束中，使系统的有效焦距为1000、2000和4000mm。在最终焦平面之前，有一个可变中性密度滤光片的自动光圈系统和一个十字线投影单元。还有一个500毫米的系统，它与其他系统部分分离，以允许更大的视野。500毫米系统通过一个可移动的棱镜折叠成与其他系统相同的光路。望远镜和500毫米镜头前面有密封窗。在这个复杂望远镜系统的例子中，系统最严格的要求是30线对（lp）/mm处的轴上调制传递函数（MTF）。当满足此要求时，30lp/mm处的离轴MTF、10lp/mm处的同轴和离轴MTF以及内孔等要求也将得到满足，无需额外的公差要求。
性能要求可用E表示，表示系统理想值的最大允许误差（MTF）。为了简单起见，我们将把这个E转换成RMS波前误差（WFE）的单位。总E最终将在影响它的每个公差中进行划分(为了给这个讨论提供一个简单的例子，我们将在系统的各个部分中划分总E。）然后根据成本最小化技术将部分E分配给一个部分中的参数公差。这里需要这种分而治之的方法，加上任何合理的简化，一般来说，以减少可能有大量部件公差需要确定的问题的压倒性规模。在最后的分析中，最好是在一次操作中容忍从物体到图像的整个光学序列。这将真正分配公差，以最低成本实现所需的性能。简化分区会导致与理想结果的一些偏差，除非分区中使用的估计是完全正确的。在这里使用的例子中，最好是从端到端容忍4000mm系统，但是数据太繁琐，无法在这里进行很好的说明。
图1‑14示例系统：多焦距跟踪望远镜。
1.4.2.1.1 简化近似值
系统的MTF（theon-axismodulationtransferfunction）通常是使用的最佳性能度量，因为它在许多情况下与使用时整个系统的性能最直接相关。但是，通常无法在生产过程中测量系统的每个组件镜头的MTF效果。前面讨论了容易在镜头上测量的特性，例如不规则性、半径、中心等。我们选择在这里研究每个容差对RMSWFE的影响，因为它可以合理地与系统MTF相关。对于2000mm有效焦距f/8系统，我们通过将误差引入系统并评估MTF和RMSWFE来估计每波RMSWFE的MTF减少量为30lp/mm。由于参数偏差，我们产生了散焦、球差、彗差和散光（defocus，sphericalaberration，coma，andastigmatism）。散焦是通过在与最佳焦点不同的焦平面上评估系统来引入的。通过改变标称值的y4非球面系数来引入球面像差。在等效(f/8,2000mm)抛物面镜系统中评估彗差，其光圈位于焦平面，因此像散为零。该系统被评估为离轴以引入慧差。
最后，在等效（f/82000mm）Ritchey-Chr中引入散光é天安望远镜，彗差和球差为零。对系统进行离轴评估以引入散光。结果如图1.15所示。除了慧差coma，所有的数据都形成了一个相当一致的模式。然而，由于慧差coma的影响没有其他的严重，我们将忽略它们并使用其他的保守数字。因此，我们将使用Δ均方根WFE=ΔMTF/0.60作为MTF的减少量，将伴随相应的RMSWFE。这将允许我们处理公差对均方根WFE的影响，我们将假设在我们应用它们的区域中，均方根WFE是准线性的。这可能是一个保守的估计，但我们想在这方面犯错。我们将利用的另一个近似值来自Smith10，其中
近似于大多数类型错误所期望的均方根WFE。在波前的一小部分上出现的剧烈偏离似乎违反了这一规则，但通常不会遇到这种情况。在示例系统中，在一阶阶段选择光阑以产生所需的MTF，当
图1.15具有不同像差的2000mm，f/8透镜在30lp/mm下的衍射MTF与WFE。
计算中考虑了遮蔽加四分之一波长的设计和制造误差的衍射效应。从物体到焦平面的许多元素的分布并没有太大的误差。一个好处是，由于此类系统的数量不是很大，因此可以在装配时进行某些补偿对准。我们将使用方程式1.7的近似值，从所有来源确定0.071RMSWFE（1/4波P–V）的初步总误差预算。显然，在最终应用中，大气和其他效应可能会进一步影响结果。
1.4.2.1.2 误差预算errorbudgets
接下来，我们需要决定如何在系统的许多方面和公差中分配这个0.071RMSWFE。Smith10描述了如何使用平方根和（RSS）来组合误差影响。McLaughlin11表明RSS倾向于过于悲观，而Smith自己的结论是，它可能是保守派的错误。McLaughlin表明，如果加工误差具有高斯分布，且在2.5%处截断，则系统总误差将趋向于RSS预测的0.42倍σ级别，不过目前在行业内有一个大动作，申请6级σ如前所述的公差。在本例中，我们使用了2σ需要单独调整和测试的地方。因此，我们将使用麦克劳克林的0.42系数来计算制造误差。为了简化这个例子，我们将对系统的4000mm路径进行分区。在图1.14中，我们计算了通过4000mm光路的32个表面。我们选择通过两次计数来强调镜子的灵敏度效应，得到34作为表面计数。在这34个表面中，8个表面在望远镜中，8个表面在聚焦系统中，12个表面在4000毫米继电器中，6个表面在空中。其他路径则不那么复杂。这将是关键路径，并为望远镜、聚焦系统和空气公差设置方法。
我们将把预算分配给4000毫米路径的四个部分（望远镜、聚焦、中继、AIR）（telescope，focus,relay,air），比例为该部分曲面数的平方根除以曲面总数。这是对每个路段的相对影响的工程估算。将系统划分为这些部分也是合乎逻辑的，因为每个部分都可以在生产中独立测试RMSWFE。图1.16显示了按这种方式分解的错误预算。
图1‑15多焦距跟踪望远镜4000mm通道的误差预算分配。
先前确定的顶层要求有效为0.071RMSWFE。我们从设计阶段就知道，该设计已使用了0.030RMSWFE。
另一种分析表明，对准焦点误差和实验室环境的影响应在0.009RMSWFE量级。这将0.0637RMSWFE留给RSS，该预算水平的其他两（三）部分将给出0.071RMSWFE。根据McLaughlin的信息和高斯误差的假设，我们将0.0637的制造预算除以0.42得到0.1517RMSWFE，它可以分布在4000mm系统的四个部分。图1.16中预算的底部四个框显示了当应用前面提到的参数时这些是如何工作的。
1.4.3 公差的当前趋势
大多数透镜设计程序（代码V、Zemax等）可直接用于对MTF和RMSWFE进行公差分析。不需要对WFE执行公差分析，然后使用前面描述的线性关系将其转换为预测结果MTF。MTF和WFE退化可以同时分析，以收集单个光学元件公差影响的统计数据。不同类型的像差和MTF之间的关系已经很清楚了。象差相关的MTF可以用文献中的结构函数法直接计算。一般来说，高阶像差比低阶像差对低空间频率的影响更大（正弦像差可能特别糟糕）。随着像差阶数的增加，与像差相关的MTF逐渐逼近随机相位误差结果。众所周知，RMS与PV之比随高阶像差的增加而增加。
对于所有公差类型，大多数透镜设计代码不使用高斯概率分布函数（PDF）。例如，代码V通常假定标量公差（中心厚度、间距、曲率半径等）的均匀（一维）分布。偏心公差为截断高斯分布，不规则公差为三角形。当然，如果有真实的制造工艺数据，那么就不需要任何假设，可以使用真实的PDF。通常，性能由极少量的公差驱动。公差灵敏度帕累托图可用于确定哪些公差可以变松，哪些公差必须变紧。一旦公差达到特定特性的商业极限，再放宽公差就不会节省额外成本。此外，镜头设计程序现在具有的功能，使设计师可以大大降低灵敏度公差。这些特性只是最近才被快速地开发出来，实际上有一些好处。许多商店有基于他们自己的镜头制造能力和过程的成本建模方法。目前，还没有通用的成本模型金刚石点转向光学或磁流变抛光（MRF）抛光。此外，自由形式的光学现在变得非常普遍，需要更多的工作来根据最新的制造和计量技术提出真实的成本模型。
1.5 环境影响
实验室光学仪器可以在相对良好的环境中工作，但大多数其他仪器都会受到环境影响，这是仪器设计中的一个主要考虑因素。天文仪器必须能在夜间或白天的温度范围内正常工作。个人相机和双筒望远镜可能会经历各种各样的天气状况。军用仪器可能具有最广泛和最严重的温度、湿度、冲击、振动、灰尘、化学品等环境暴露。在光学机械设计和开发过程中，正确处理所有环境要求是非常相关和重要的。接下来的章节将详细介绍其中的许多方面，但我们将在这里讨论一些事情，并就可用的标准和规范提供一些指导。
美国政府在过去一个多世纪的军事采购活动中，制定了一套非常广泛的规范和测试方法，以确保光学仪器（以及他们购买的任何其他仪器）在预期环境中按要求工作。当前美国光学行业的大多数人都致力于满足这些要求，如MIL-STD-810。12本标准可能是一个值得参考的文件，以检查您是否考虑了对正在开发的给定仪器可能重要的所有可能影响以及如何测试它。出于同样的原因，我们还将在下文中介绍现有的新国际标准。
1.5.1 在温度、振动和冲击载荷下的生存能力
图像质量和指向方向是大多数光学仪器的两个主要性能因素。这些也可能被称为分辨率或MTF和瞄准镜。对于35毫米相机，MTF是关键因素，指向通常不是问题。在双筒望远镜中，瞄准是很重要的，这样通过每只眼睛的视野就不会有令人不安的分歧。倾斜和放大倍数相等在双筒望远镜中也很重要。测量仪器或军用瞄准具非常强调瞄准线或瞄准镜的可重复性。
设计师需要确保预期的温度变化、振动和冲击不仅不会损坏或禁用仪器，而且不会将图像质量和视距降低到不可接受的水平。例如，铝外壳中的玻璃镜片在高温下可能会变得太松，在低温下可能会被挤压而破裂。当然，这是由于热膨胀系数（TCEs）的不同。在光学元件的键合过程中，TCE的差异会导致光学元件的变形和玻璃断裂。本手册的其他章节涉及如何处理其中一些问题。可以使用其他材料，但会受到重量、成本和有时性能的影响。在许多仪器中，光学表面（特别是反射镜）形状的热变形会严重影响图像质量。在公差一节中，我们已经讨论了如何处理这些因素的一些例子，后面的章节将详细讨论许多设计技术。光学机械设计师面临的挑战是开发一种能够在所有要求的环境中生存和工作的仪器。
1.5.2 湿度、腐蚀、污染
设计一种不会因湿度、腐蚀和污染而退化的仪器带来了另一类挑战。在可行的情况下，使用干燥氮气等内部空气对仪器进行净化和密封。这可防止低温下水分的内部凝结和光学涂层因湿度而退化。它还可以防止灰尘、污染和腐蚀剂。大型天文望远镜通常不能密封。在这种情况下，后视镜容易积灰，涂层容易降解。当望远镜被明亮的物体照亮时，被污染的光散射会降低对比度（MTF），并且当望远镜被用来观察微弱的物体时会造成灾难性的后果。在大型望远镜中处理污染并设计使其影响最小化是一项重大挑战。
在密封仪器中，腐蚀只是外表面和接口的问题。最困难的环境通常是盐雾。铝和钢等不受保护的金属会迅速变质。通常需要电镀和/或涂漆。除非之前对特定处理进行了充分测试，否则强烈建议对样品进行广泛的耐久性测试。随后的章节包含一些关于腐蚀和污染控制的建议。
1.5.3 环境试验标准
迄今为止，有两个ISO标准涉及环境条件对光学仪器性能的影响，即ISO9022，环境试验方法和ISO10109，环境要求。
ISO9022定义了与光学仪器和包含光学组件和组件的仪器的环境试验有关的术语。此外，它规定了进行环境试验的基本步骤，并定义了许多类型的试验以及这些试验的各种子类别。
ISO10109规定了当暴露于各种适用环境影响时，特定光学仪器可靠性应满足的环境要求。
表1.3列出了ISO9022的各个部分。ISO9022第1部分定义了与进行这些试验有关的基本术语。例如，环境试验被定义为对试样在运输、储存和操作过程中可能发生的（通常是严重的）气候、机械和化学影响的实验室模拟，以便快速确定由于这些影响而引起的试样行为的变化。使标本受到这些影响的行为称为条件作用。
调节被认为是试验过程中作用在试样上的外部影响的总和，包括调节方法（或特定环境试验）、试验的严重程度以及运行状态（如运动和/或温度变化）引起的内部影响。还定义了三种操作状态：存储或运输容器中的状态0；状态1—未受保护，准备运行，但未通电；状态2—未受保护，已通电，正在运行。
为了评估测试或调节过程中发生的情况，有三种类型的测试或检查。第一种是简单的目测检查，例如，观察样本的某些部分在调节过程中是否松动。第二个是功能测试，看看调节后设备是否还能正常工作。最后是测量，通过与指定量的比较，客观地确定一个物理量。
表1.3ISO9022环境试验方法
第1部分定义、试验范围
第2部分冷、热、湿
第3部分机械应力
第四部分盐雾
第六部分粉尘
第七部分抗滴雨
第8部分高内压、低内压、浸没
第9部分太阳辐射和风化
第11部分霉菌生长
第12部分污染
露水，白霜，冰
第17部分综合污染、太阳辐射
第20部分含二氧化硫或硫化氢的潮湿大气
第22部分结合寒冷、干热或温度变化与撞击或随机振动
第23部分低压结合寒冷、环境温度和干湿热
表1.4试验顺序定义
1预处理准备试样进行试验。
2测试前对设备状态进行初始测试检查。
3调节根据严重程度和运行状态采用调节方法。
4中间测试检查是否在状态2下执行其功能。
5把它恢复到环境条件。
6测试后设备状态的最终测试检查。
图1‑16环境试验代码的定义，可根据ISO9022在单线标注中传达。
试验顺序如表1.4所示。虽然这个表看起来很琐碎，但它确实精确地定义了测试序列的含义，并且在应用调节之前必须注意一些重要事项，以便在调节之后可以识别变化。为了指定在特定仪器上执行的测试，每种类型的测试都使用一行环境测试代码。该测试代码如图1.17所示。
1.5.3.1 ISO10109:2015—环境试验选择指南
尽管ISO9022概述了近100种调节方法的细节和严重程度，但ISO10109关注的是这些方法中的哪种以及它们应应用于为特定用途或特定气候区域设计的特定光学仪器的严重程度。
光学和光子仪器在运行过程中会受到许多不同的环境和操作环境的影响，根据其定义的规范，这些环境和操作环境要求它们能够在性能没有显著降低的情况下生存。光学系统仪器可以在受控的实验室条件下暴露于一系列模拟的环境参数中。可以选择这些情况的累积组合、严重程度和顺序，以便在相对较短的时间内获得有意义的结果。
本国际标准表格中给出的技术要求是缩写的，读者必须参考参考标准（即相关的ISO9022部分）了解技术要求的完整规范。
就ISO10109而言，特性或性能特征的标称值应理解为制造商的内部技术数据，并不直接反映制造商的产品规范。本标准包含环境试验和试验参数表，可作为选择环境试验的指南。其中包括根据ISO9022选择标准化测试，以及ISO9022中未描述的光学或光子仪器所需的附加参数。最后，这些表格规定了仪器在暴露于环境影响时，在光学、机械、化学和电气性能或性能特征的可靠性方面应满足的要求。
1.5.4 环境影响概述
可见，光机设计人员在设计过程中通常需要对遇到的环境条件以及在这些环境下如何保持仪器的性能进行广泛的思考。可用的标准提供了一个很好的检查表，以避免忽略相关条件。它们还为如何测试仪器以验证和验证其性能提供了指导。 |
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