国 际 10110 光 学 制 图 标 准 的 执 行 适 用 于 国 家 点 火 装 置 此 文 件 为 国 际 讨 论 会 第 44 届 年 会 之 光 学 科 学 工 程 学 仪 器 学 会 专 供 材 料 1999 年 7 月 1
国 际 10110 光 学 制 图 标 准 的 执 行 适 用 于 国 家 点 火 装 置 摘 要 1996 年, 国 家 点 火 装 置 (NIF) 工 程 决 定 选 取 ISO-10110 标 准 作 为 NIF 光 学 制 图 标 准 7000 个 大 型 NIF 光 学 器 件 和 20000 多 个 小 型 NIF 光 学 器 件 都 将 依 照 ISO-10110 标 准 生 产 制 造 ISO-10110 标 准 满 足 NIF 光 学 规 范 中 的 所 有 要 求 它 为 光 学 工 程 师 统 计 交 流 光 学 规 范 提 供 了 平 台 当 没 有 单 独 的 制 图 标 准 能 够 满 足 高 能 量 激 光 系 统 所 需 时,ISO-10110 标 准 ( 及 详 细 备 注 ) 解 决 了 这 一 问 题, 它 成 功 的 将 国 际 制 图 标 准 应 用 到 了 NIF 激 光 系 统 当 中 本 文 将 简 述 利 弗 莫 尔 国 家 实 验 室 的 研 究 结 果 和 ISO-10110 制 图 标 准 的 实 施, 并 列 举 NIF 光 学 制 图 的 某 些 案 例, 以 及 应 用 ISO-10110 标 准 的 正 反 意 见 本 文 重 点 是 NIF 光 学 器 件 的 表 面 缺 陷 规 格, 称 为 5/ 2
1. 序 言 1996 年, 经 172 个 ISO 技 术 委 员 会 和 1 个 分 技 术 委 员 会 批 准 并 颁 布 了 ISO-10110 文 件, 文 件 第 1-13 章 的 总 标 题 为 光 学 和 光 学 仪 器 适 用 于 光 学 元 件 和 光 学 系 统 制 图 ISO-10110 标 准 具 体 说 明 了 设 计 情 况, 以 及 技 术 图 纸 ( 生 产 制 造 和 检 测 中 的 技 术 图 纸 ) 中 对 光 学 元 件 的 功 能 要 求 此 标 准 已 被 国 际 光 学 供 应 社 团 所 广 泛 认 可, 同 时 也 引 起 了 越 来 越 多 美 国 商 家 的 注 意 在 NIF 早 期 作 业 的 准 备 过 程 中, 采 购 7000 个 大 型 光 学 器 件 ( 孔 径 尺 寸 40cm) 和 20000 多 个 小 型 光 学 器 件 ( 孔 径 尺 寸 15cm), 这 将 大 大 超 过 未 来 几 年 的 采 购 量 在 NIF 工 程 未 来 30 年 的 运 作 中, 美 国 光 学 制 造 业 将 继 续 提 供 返 修 和 更 换 的 器 件 我 们 试 图 购 买 能 够 满 足 NIF 高 端 技 术 生 产 安 排 及 成 本 需 求 的 光 学 器 件 为 研 发 成 功, 我 们 为 每 个 光 学 器 件 寻 找 合 适 的 标 准, 以 便 可 以 向 光 学 供 应 商 清 晰 的 表 述 要 求 三 年 半 前, 当 着 手 为 NIF 光 学 器 件 制 定 规 格 时, 我 们 需 要 一 份 能 够 满 足 光 学 规 范 和 制 图 需 要 的 标 准 我 们 有 三 个 选 择 1 继 续 我 们 现 行 的 方 法, 即 : 使 用 美 国 军 用 标 准 及 其 它 多 种 美 国 标 准 这 种 方 式 在 新 星 激 光 工 程 上 已 成 功 应 用, 但 由 于 老 式 标 准 存 在 很 多 不 足, 美 国 光 学 供 应 商 对 标 准 的 解 释 也 各 不 相 同, 因 此 在 某 些 情 况 下 老 式 的 军 用 标 准 具 有 一 定 的 不 一 致 性 2 去 创 建 属 于 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 自 己 的 标 准 3 执 行 一 份 可 接 受 的 合 理 的 国 际 标 准 这 是 最 后 确 定 的 选 择 我 们 根 据 ISO-10110 标 准 (1996 年 ) 着 手 制 定 了 所 有 的 光 学 图 纸 在 执 行 任 何 一 项 新 标 准 时 都 遇 到 很 多 的 实 际 问 题, 这 是 我 们 需 要 说 明 的 首 先 是 我 们 的 员 工 和 光 学 供 应 商 对 标 准 本 身 的 理 解 我 们 通 过 内 部 培 训 沟 通 供 应 商 以 及 联 系 实 践 的 方 法 去 理 解 标 准 及 其 内 在 含 义 还 有 一 个 同 样 重 要 的 问 题, 那 就 是 ISO-10110 标 准 在 实 践 中 的 应 用 根 据 ISO-10110 标 准 制 定 图 纸 是 一 回 事, 根 据 图 纸 采 购 材 料 和 精 加 工 零 部 件 却 是 另 一 回 事 这 个 工 程 在 很 大 程 度 上 促 进 了 供 应 商 的 反 馈, 一 有 机 会 我 们 就 将 这 些 建 议 融 入 到 图 纸 中 2. ISO-10110 标 准 及 执 行 ISO-10110 标 准 是 NIF 光 学 制 图 的 规 范 标 准 ISO-10110 标 准 覆 盖 了 光 学 制 图 中 所 有 惯 用 的 3
光 学 元 件 及 系 统 的 规 格 表 格 1 提 供 了 ISO-10110 标 准 的 结 构 标 准 采 用 了 十 进 制 单 位, 所 有 标 注 尺 寸 单 位 均 为 mm 章 节 题 目 标 注 1 概 述 N/A 2 材 料 缺 陷 应 力 双 折 射 0/ 3 材 料 缺 陷 气 泡 和 杂 质 1/ 4 材 料 缺 陷 不 均 匀 性 和 条 纹 2/ 5 表 面 结 构 公 差 3/ 6 中 心 偏 差 4/ 7 表 面 缺 陷 公 差 5/ 8 表 面 结 构 9 表 面 处 理 和 镀 膜 10 透 镜 元 件 的 表 格 数 据 N/A 11 无 公 差 数 据 N/A 12 非 球 面 N/A 13 激 光 辐 射 损 坏 阈 6/ 表 1 ISO-10110 标 准 结 构 我 们 依 照 ISO-10110 标 准 起 草 每 一 份 光 学 图 纸 根 据 供 应 商 的 反 馈 信 息, 我 们 对 ISO-10110 标 准 做 了 两 种 特 殊 处 理 1 我 们 使 用 小 数 点 而 非 逗 号 代 表 十 进 制 ( 如 3.45, 不 是 3,45 ) 2 我 们 允 许 以 表 格 形 式 输 入 数 据 从 而 缩 小 光 学 图 纸 的 总 数 我 们 通 过 对 每 份 光 学 图 纸 添 加 详 细 备 注 来 完 善 内 容 备 注 详 尽 的 解 释 了 具 体 的 条 目, 覆 盖 了 ISO-10110 范 围 之 外 的 必 要 条 件, 并 帮 助 消 除 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 与 供 应 商 之 间 的 歧 义 备 注 共 有 5 节 第 1 节 覆 盖 了 对 所 有 光 学 器 件 的 一 般 要 求 ( 如 : 条 纹 的 波 长 波 峰 的 测 量 序 列 号 等 ) 第 2 节 介 绍 材 料 规 格 第 3 节 叙 述 ISO-10110 标 准 中 的 某 些 表 面 特 征 ( 如 透 射 波 峰 误 差 波 峰 误 差 有 效 值 波 峰 变 化 有 效 值 以 及 功 率 谱 密 度 等 ) 第 4 节 介 绍 镀 膜 要 求 第 5 节 为 光 学 器 件 的 包 装 处 理 我 们 依 照 ASME Y14.5-1994 尺 寸 和 形 位 公 差 标 准 来 绘 制 所 有 光 学 图 纸 这 一 标 准 的 引 用 使 我 们 可 以 更 好 的 描 述 所 需, 同 时 还 优 化 了 公 差 规 格, 降 低 了 生 产 成 本, 并 确 保 了 光 学 机 械 的 性 4
能 3. 翻 译 案 例 这 一 章 通 过 回 顾 三 个 案 例 来 说 明 怎 样 将 典 型 的 光 学 规 范 翻 译 成 ISO-10110 标 准, 参 考 材 料 6 还 附 加 了 案 例 通 常 认 为 ISO-10110 标 准 具 有 一 定 的 权 威 性, 它 可 以 量 化 精 加 工 部 件 的 光 学 必 要 条 件 3.1 材 料 缺 陷 应 力 双 折 射 光 学 材 料 内 部 的 应 力 产 生 了 均 等 的 折 射 率 应 力 对 光 学 透 镜 的 影 响 最 为 显 著, 它 对 功 能 性 操 作 可 以 造 成 严 重 的 影 响 通 过 玻 璃 每 厘 米 最 大 允 许 光 径 差 异 来 说 明 应 力 双 折 射 的 情 况, 单 位 为 nm/cm 目 前, 大 多 数 供 应 商 已 经 接 受 了 对 应 力 双 折 射 的 不 同 表 述 ISO-10110 标 准 表 示 为 0/A 0/ 表 示 应 力 双 折 射 的 标 头,A 表 示 可 允 许 的 光 径 差 异 (nm/cm) 表 2 为 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 肖 特 玻 璃 规 格 以 及 ISO-10110 标 准 的 分 析 比 较 在 这 个 案 例 中, 如 果 肖 特 玻 璃 规 格 满 足 160mm 160mm 100mm, 则 其 适 用 于 所 有 玻 璃 类 型 本 文 使 用 肖 特 规 格 仅 用 于 例 证 类 似 的 表 格 经 改 善 可 以 作 为 双 折 射 规 格 提 供 给 其 他 光 学 供 应 商 每 厘 米 玻 璃 允 许 的 光 径 差 异 nm/cm ISO-10110 标 准 肖 特 玻 璃 规 格 典 型 应 用 NIF 应 用 2 0/2 偏 振 仪 干 涉 仪 注 入 式 激 光 系 统 激 光 棒 法 拉 第 旋 转 玻 璃 4 0/4 NSSK,PSSK( 精 密 光 学 装 置 5
4) 5 0/5 NSK( 6) 精 密 光 学 装 置 天 文 光 学 装 置 注 入 式 激 光 系 统 望 远 镜 偏 光 镜 主 要 激 光 系 统 三 维 滤 光 透 镜 放 大 板 校 准 侦 错 系 统 望 远 镜 分 光 镜 10 0/10 精 密 退 火 后 正 常 质 量 光 学 摄 影 装 置 光 学 显 微 镜 光 源 校 准 瞄 准 仪 20 0/20 放 大 镜 光 学 取 景 器 无 要 求 0/- 光 学 照 明 器 光 源 校 准 光 学 聚 光 器 表 2 应 力 双 折 射 规 格 肖 特 规 格 和 ISO-10110 的 对 比 NSK 为 特 殊 退 火 后 的 正 常 质 量 或 精 密 质 量 NSSK 为 附 加 特 殊 退 火 后 的 正 常 质 量 PSSK 为 附 加 特 殊 退 火 后 的 精 密 质 量 3.2 材 料 缺 陷 气 泡 和 杂 质 光 学 规 范 通 常 将 气 泡 和 杂 质 视 作 等 量 的 材 料 缺 陷 处 理 材 料 缺 陷 可 以 造 成 散 射 损 耗 和 光 束 强 度 波 动 与 绝 大 部 分 材 料 相 比, 杂 质 区 域 的 激 光 损 伤 阀 值 要 明 显 低 很 多 这 里 有 两 个 典 型 因 素 可 以 说 明 杂 质 的 规 格 所 有 横 断 面 都 被 杂 质 覆 盖 任 一 杂 质 的 最 大 允 许 尺 寸 6
大 多 数 供 应 商 表 示 每 100cm³ 玻 璃 都 存 在 上 述 情 况 玻 璃 供 应 商 还 表 示 加 工 车 间 自 己 预 定 玻 璃 会 很 方 便, 但 在 某 些 情 况 下 可 能 会 限 制 竞 争 ISO-10110 标 准 表 示 为 1/N A 1/ 表 示 气 泡 和 杂 质 的 标 头 A 表 示 最 大 允 许 杂 质 尺 寸 的 测 量 ( 单 位 :mm), N 表 示 最 大 尺 寸 可 允 许 杂 质 的 数 量 当 我 们 需 要 借 助 通 光 孔 径 来 计 算 覆 盖 杂 质 的 区 域 时,ISO-10110 具 有 一 定 的 直 观 易 懂 性 表 3 为 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 熔 融 石 英 杂 质 的 粒 化 规 格 分 类 (0 2 级 ) 以 及 ISO-10110 标 准 中 对 每 100cm³ 光 学 器 件 的 分 析 比 较 在 这 个 案 例 中, 任 何 横 截 面 0.08mm 的 杂 质 都 可 以 忽 略 不 计 本 文 使 用 粒 化 规 格 仅 用 于 例 证 类 似 的 表 格 经 改 善 可 以 作 为 气 泡 和 杂 质 规 格 提 供 给 其 他 光 学 供 应 商 杂 质 类 别 每 100cm³ 熔 融 石 英 每 100cm³ 熔 融 石 英 的 ISO-10110 编 号 总 杂 质 横 截 面 最 大 杂 质 尺 寸 ( 假 定 体 积 =100cm³) mm² mm 0 0.00 0.03 0.10 1/3 0.1 1 0.03 0.10 0.25 1/2 0.25 2 0.10 0.25 0.50 1/1 0.5 表 3 气 泡 和 杂 质 规 格 粒 化 规 格 表 4 为 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 ISO-10110 标 准 的 分 析 最 大 杂 质 尺 寸 mm 每 部 分 可 存 在 的 1 个 最 大 杂 质 尺 寸 每 部 分 可 存 在 的 5 个 最 大 杂 质 尺 寸 0.05 1/1 0.05 1/5 0.05 0.10 1/1 0.10 1/5 0.10 0.25 1/1 0.25 1/5 0.25 表 4 气 泡 和 杂 质 规 格 ISO-10110 标 准 3.3 表 面 缺 陷 7
表 面 缺 陷 定 位 为 瑕 疵, 如 光 学 元 件 表 面 的 道 子 麻 点 表 面 缺 陷 可 导 致 外 观 和 功 能 问 题 外 观 要 求 指 定 了 光 学 表 面 道 子 和 麻 点 的 可 见 度 普 通 消 费 者 认 为 外 观 缺 陷 就 意 味 着 工 程 质 量 低 劣, 因 此 光 学 制 造 商 应 关 注 到 这 一 点 对 照 功 能 要 求, 性 能 降 低 是 由 道 子 麻 点 分 散 光 源 所 引 起 的 首 先, 相 对 光 学 通 光 孔 径, 光 经 图 像 发 生 分 散 的 情 况 视 缺 陷 区 域 而 定 由 于 斯 特 列 尔 比 表 示 艾 里 斑 的 中 心 亮 度, 可 以 将 它 看 作 完 好 系 统 中 相 对 亮 度 的 一 部 分, 因 此 表 面 缺 陷 也 会 影 响 斯 特 列 尔 比 其 次, 分 散 光 会 穿 透 艾 里 斑 的 外 部 区 域, 进 一 步 降 低 了 系 统 的 对 比 度 目 前, 大 多 数 美 国 供 应 商 已 接 受 MIL-O-13830A 标 准 的 部 分 类 型, 及 MIL-O-13830B 标 准 中 对 道 子 和 麻 点 的 检 验 MIL-O-13830A 标 准 第 3 章 第 5 节 讨 论 了 表 面 缺 陷, 这 一 节 是 道 子 麻 点 的 常 见 规 范 美 国 军 用 制 图 C7641866 限 定 了 道 子 对 比 样 品 的 尺 寸 非 常 遗 憾 的 是, 光 栅 制 图 多 次 被 修 改, 这 导 致 道 子 物 理 尺 寸 和 麻 点 给 定 数 量 的 混 淆 通 常 使 用 线 性 尺 寸 标 注 麻 点, 即 直 径 ( 单 位 :1/100mm) 通 过 可 见 度 判 定 道 子, 并 非 道 子 的 尺 寸 据 经 验 表 明, 在 美 国 光 学 供 应 商 之 间 对 道 子 规 格 的 解 释 并 不 一 致, 原 因 是 道 子 的 可 见 度 取 决 于 检 测 员 的 个 人 解 释 对 照 样 板 的 新 旧 光 源 特 点 以 及 观 察 情 况 ISO-10110 标 准 提 供 了 两 种 判 定 道 子 和 麻 点 的 方 法 1 判 定 被 影 响 的 区 域, 即 说 明 功 能 要 求 ISO-10110 规 范 为 5/N A; LN A ;EA 5/ 为 表 面 缺 陷 的 标 头 N 为 最 大 允 许 尺 寸 的 麻 点 数 量 A 为 每 个 麻 点 的 最 大 尺 寸 (mm) L 为 道 子 的 标 头 N 为 道 子 的 数 量 A 表 示 每 条 道 子 的 最 大 宽 度 (mm) E 为 破 边 的 标 头 A 为 物 理 边 缘 的 最 大 破 边 尺 寸 (mm) 2 基 于 表 面 可 见 度 表 述 外 观 要 求, 判 定 检 测 通 过 / 不 能 通 过, 当 借 助 通 光 孔 径 想 要 计 算 表 面 缺 陷 区 域 的 数 量 时, 我 们 发 现 ISO-10110 标 准 具 有 一 定 的 清 晰 明 确 性 表 5 为 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 MIL-O-13830A 和 ISO-10110( 方 法 1 ) 两 标 准 关 于 麻 点 规 格 的 分 析 比 较, MIL-O-13830A ISO-10110 方 法 1 最 大 麻 点 尺 寸 (mm) 每 部 分 可 存 在 1 个 最 大 尺 寸 麻 点 每 部 分 可 存 在 5 个 最 大 尺 寸 麻 点 0.05 5 5/1 0.05 5/5 0.05 0.10 10 5/1 0.10 5/5 0.10 8
0.20 20 5/1 0.25 5/5 0.25 表 5 MIL-O-13830A 和 ISO-10110 关 于 麻 点 规 格 的 对 比 表 6 为 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 MIL-O-13830A 和 ISO-10110( 方 法 1 ) 关 于 麻 点 规 格 的 对 比 分 析 我 们 假 定 美 国 军 方 图 纸 C7641866, Rev. L 为 讨 论 标 准 MIL-O-13830A ISO-10110 方 法 1 美 国 军 方 图 纸 最 大 道 子 宽 度 C7641866, Rev. L 每 部 分 可 存 在 每 部 分 可 存 在 (mm) 道 子 标 准 1 个 最 大 宽 度 道 子 5 个 最 大 宽 度 道 子 可 见 度 对 比 测 试 0.001 10 5/L1 0.001 5/L5 0.001 0.002 20 5/L1 0.002 5/L5 0.002 0.004 40 5/L1 0.004 5/L5 0.004 表 6 MIL-O-13830A 和 ISO-10110 关 于 道 子 规 范 的 对 比 4. NIF 规 范 举 例 本 次 会 议 的 其 他 文 件 讨 论 了 NIF 光 学 规 范 的 起 源 和 技 术 基 础 参 阅 ISO-10110 标 准 具 有 一 定 的 启 发 性 表 7 提 供 了 透 镜 元 件 的 部 分 规 格 透 镜 是 传 输 空 间 滤 波 器 同 轴 中 继 系 统 当 中 的 一 部 分, 它 从 NIF 源 头 接 收 信 号, 再 将 信 号 传 到 遥 感 器 组 件 外 部 的 校 准 望 远 镜 中 这 种 透 镜 是 具 有 低 激 光 损 伤 阀 的 典 型 NIF 小 型 光 学 器 件 规 格 实 用 值 备 注 半 径 R1 806.64C 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 将 为 供 应 商 提 供 合 适 的 设 计 图 半 径 R2-1440.75CX 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 将 为 供 应 商 9
提 供 合 适 的 设 计 图 中 心 厚 度 12±0.5 边 厚 10.8 仅 供 参 考 材 料 BK& 或 同 等 物 透 镜 直 径 (Ф) 70+0/-0.1 同 物 理 直 径 有 效 直 径 (Фe) 62 同 光 学 通 光 孔 径 应 力 双 折 射 0/5 最 大 光 径 差 异 为 5nm/cm 气 泡 和 内 部 杂 质 1/2 0.05 不 均 匀 性 和 条 纹 2/4;5 最 多 允 许 2 个 杂 质, 每 个 尺 寸 不 得 大 于 50μm, 并 覆 盖 通 光 孔 径 均 匀 性 类 别 4: n=+/-2e-6 条 纹 类 别 5: 不 可 见 条 纹 (NVS) 表 面 结 构 误 差 ( 两 面 ) 3/0.5(0.2/0.125) 边 缘 和 光 径 差 异 λ=633nm 垂 度 误 差 :0.5 条 纹 不 规 则 误 差 :0.5 条 纹 对 称 不 规 则 误 差 :0.125 条 纹 中 心 偏 差 4/0.3 0.5 弧 分 最 多 允 许 5 个 麻 点, 每 个 尺 寸 不 得 大 于 50μm, 并 覆 盖 通 光 孔 径 允 许 附 加 1 条 长 条 道 子, 但 宽 度 表 面 结 构 误 差 激 光 损 伤 阀 5/5 0.05;L1 0.001;E0.5 最 大 道 子 长 度 4mm 最 大 麻 点 数 量 1 0.5J/cm² λ=1053cm 3nsFWHM 高 斯 脉 冲 不 得 大 于 1μm, 长 度 不 得 大 于 4mm, 并 覆 盖 通 光 孔 径 针 对 大 多 数 美 国 供 应 商 的 10-5 道 子 / 麻 点 规 格 允 许 一 条 不 大 于 0.5mm 的 破 边 抛 光 修 复 所 有 破 边 AR 镀 膜 R<0.25% 两 面 镀 制 AR 绝 缘 材 料 10
最 小 镀 膜 直 径 : 有 效 直 径 +2mm 5. 结 束 语 本 文 简 述 了 利 弗 摩 尔 国 家 实 验 室 对 ISO-10110 制 图 规 范 的 说 明 经 验 表 明,ISO-10110 标 准 为 光 学 工 程 师 交 流 和 统 计 光 学 需 要 公 差 提 供 了 平 台 当 下, 美 国 工 业 和 世 界 各 地 已 广 泛 使 用 光 学 制 图 标 准, 本 刊 也 有 兴 趣 参 与 到 这 份 标 准 的 修 改 和 完 善 11