ISO 10110 - Optik und Photonik - Erstellung von Zeichnungen für optische Elemente und Systeme © 2003 Kurt Salzmann, Wienp 1 Zeichnungen optischer Systeme

ISO 10110 - Optik und Photonik - Erstellung von Zeichnungen für optische Elemente und Systeme

© 2003 Kurt Salzmann, Wienp 1

Zeichnungen optischer Systeme

festgelegt in der Norm DIN ISO 10110 Teile -1 bis -12 • Allgemeines (Ansichten, Bemaßungen, Durchmesser) Teil 1• Materialfehler; Spannungsdoppelbrechung (Code 0) Teil 2• Materialfehler; Blasen und Einschlüsse (Code 1) Teil 3• Materialfehler; Inhomogenitäten und Schlieren (Code 2) Teil 4• Passfehler (Code 3) Teil 5• Zentriertoleranzen (Code 4) Teil 6• Oberflächenfehler (Code 5) Teil 7• Oberflächengüte Teil 8• Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen Teil 9

• Asphärische Oberflächen Teil 12

• Allgemeintoleranzen für Werte ohne Toleranzangabe Teil 11

• Darstellung in Tabellenform Teil 10

• Stichwortverzeichnis, Beispielzeichnungen Beiblätter 1,2



Zeichnungen optischer Systeme (ISO 10110-1)

a) Konturen (Seitenriss, Schraffur)

b) Optische Achse (Rotationssymmetrie)

c) Bezugslinien

e) Bemaßung

e1) Krümmungsradien R

e2) Dicke (Durchstoßpunkte an opt. Achse)

e3) Durchmessere4) Kanten, Maß- und Schutzfasene5) Längen (Prisma)

e6) Winkel (Prisma)

d) Prüfräume

f) Materialspezifikationg) Toleranzangabe

Allgemeines: Darstellung und Bemaßung

(frei: e)

e1)

e1)

b)

c)

d)

e2)

e4)

e3)

e4)



Materialfehler; Spannungsdoppelbrechung (ISO 10110-2)

Ebene Welle - Huygens‘sches Prinzip

Doppelbrechung – Ursache: Brechungsindex n ist örtlich nicht konstant; Änderung hervorgerufen durch Spannungen beim Abkühlen des Glases oder im Kunststoff

n1 n2

Das Licht sieht verschiedene optische Dicken, d.h. die Wellenfront wird „verbogen“

Ks

Δs …optische Weglängendifferenz (OPD) in [nm]

... Weglänge der Probe in [cm]

…vorhandene Spannung in [N/mm2]

K .. Differenz der photoelastischen Konstanten

Angabe: 0 / A

A … max. zulässige Spannungsdoppelbrechung in nm/cm optische Weglänge0 … Codenummer für Spannungsdoppelbrechung

Beispiel: 0 / 10 … maximal zulässige Spannungsdoppelbrechung von 10 nm/cm



Materialfehler; Blasen und Einschlüsse (ISO 10110-3) (1)Blasen – Hohlräume im Material von üblicherweise kreisförmigem Querschnitt (Folge des Fertigungsprozesses)

Andere Einschlüsse – Alle lokalen Defekte im Material mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt (Verschmutzungen etc.)

Schädliche Auswirkung ~ proportional zur projizierten Querschnittsfläche (Streuung – Sichtbarkeit in der Nähe der Bildebene)

Angabe: 1 / N x A

N … Anzahl der Blasen und Einschlüsse mit einer maximal zulässigen Größe

A … Stufenzahl in [mm]

1 … Codenummer für Blasen und Einschlüsse

BlasegrößtenderFlächeeprojiziertAStufenzahlen A in [mm] sind in Tabellen angegeben (geometrische Normzahl-Reihe) mit Multiplikationsfaktoren 1 - 2,5 - 6,3 - 16

Beispiele:1 / 2 x 0,25 … zulässig sind 2 Blasen der Stufenzahl 0,25 ist gleichwertig:1 / 5 x 0,16 bzw. 1 / 12 x 0,10 bzw. 1 / 32 x 0,063(blaue Werte aus Tabelle)



Materialfehler; Blasen und Einschlüsse (ISO 10110-3) (2)

Bsp: 1 / 2 x 0,25 … zulässig sind 2 Blasen der Stufenzahl 0,25 gleichwertig:2 x 2,5 = 5 x 0,16 bzw. 2 x 6,3 12 x 0,10 bzw. 2 x 16 = 32 x 0,063

Multiplikationsfaktoren - Vorzugswerte

1 2.5 6.3 16

Stufenzahlen Ain mm

0,006

0,010 0,006

0,016 0,010 0,006

0,025 0,016 0,010 0,006

0,040 0,025 0,016 0,010

0,063 0,040 0,025 0,016

0,10 0,063 0,040 0,025

0,16 0,10 0,063 0,040

0,25 0,16 0,10 0,063

. . . . . . . . . . . .

4,0 2,5 1,6 1,0



Materialfehler; Inhomogenitäten / Schlieren (ISO 10110-4)Inhomogenitäten – Änderung der Brechzahl im optischen Bauteil, definiert als Differenz zwischen maximalem und minimalem Brechwert(verursacht durch chemische Zusammensetzung)

Klasse 1: ≤ 10 % … 2: ≤ 5 … 3: ≤ 2 … 4: ≤ 1Klasse 5: extreme Schlierenfreiheit, keine Angabe

Einteilung in 5 Klassen: Schlierendichte, die eine optische Weglängendifferenz von ≥ 30 nm ausmacht (in %)

charakterisiert durch 6 Klassen (maximal zulässige Abweichung der Brechzahl):

Klasse 0: ± 50.10-6 … 1 / ± 20 … 2 / ± 5 … 3 / ± 2 … 4 / ± 1 … Klasse 5: ± 0,5.10-6

Schlieren – Inhomogenität kleiner räumlicher Ausdehnung („fadenförmig“)

Angabe: 2 / A ; B

A … Inhomogenitätsklasse

B … Schlierenklasse

2 … Codenummer für Inhomogenitäten und Schlieren

Beispiel: 2 / 3 ; 1 … Inhomogenitätsklasse 3 (max. Brechzahlabweichung ± 2.10-6)Schlierenklasse 1 (≤ 10 % Schlierendichte mit ≥ 30 nm opt. Weglängendifferenz)



Passfehler (ISO 10110-5)

Probeglas

„Interferenz an dünnen Schichten“Interferenzstreifen (ähnlich Benzin in Wasserlacke)

Interferometer : liefert Interferenzstreifen zwischen 2 Flächen

Anzahl Interferenz-streifen bestimmt Ab-weichung von Kugel- bzw. Ebenenform



Zentrierfehler (1) (ISO 10110-6)Es werden verschiedene Winkel bzw. der Versatz eines Teilsystems bzw. einer Fläche zu einer Bezugsachse angegeben:



Zentrierfehler (2) (ISO 10110-6)• Kippwinkel von sphärischer / asphärischer Fläche / Element – System

Angabe: 4 / oder4 / (L) oder4 /

… maximal zulässiger Kippwinkel

L … maximal zulässiger seitlicher Versatz

4 … Codenummer für Zentrierfehler

Beispiel: 4 / 10‘ (0,05) (asphärische Fläche)• maximal zulässiger Kippwinkel = 10‘• maximal zulässiger Versatz L = 0,05 mmBezugsachse gebildet durch:• Gerade senkrecht zu Fläche A• Durch Mittelpunkt des Querschnitts bei B

• Seitlicher Versatz einer asphärischen Fläche / eines Elements – Systems

t … maximal zulässiger Kittkeilwinkel (nach Dreieckszeichen )



Oberflächenfehler (1) (ISO 10110-7)Oberflächenfehler: lokale Fehler innerhalb der optisch wirksamen Öffnung:

Kratzer, Löcher, angeschnittene Blasen, Haarrisse, Wischer, Glockenabdrücke(Belagfehler) graue Flecken, farbige Stellen

Kratzer beliebiger Länge: dünne Oberflächenfehler mit einer Länge > 2 mm

Randaussprünge: lokale Fehler im Bereich der Außenkante des Elementes

Angabe: 5 / N x A ; CN‘ x A‘ ; LN“ x A“ ; EA‘‘‘

5 … Codenummer für Oberflächenfehler

N x A … Anzahl N der Oberflächenfehler mit max. zul. Größe der Stufenzahl A

CN‘ x A‘ C (Belag) - Anzahl N‘ der erlaubten Fehler mit max. zul. Fläche undStufenzahl A

LN“ x A“ L (Kratzer) - Anzahl N“ der erlaubten Kratzer – A“ max. zugelasseneBreite der Kratzer in [mm]

EA‘‘‘ E (Randaussprünge) – max. erlaubte Ausdehnung A‘‘‘ der Aussprüngeparallel vom Rand der Oberfläche in [mm]

Methode I: Verwendung einer Größenvergleichsplatte mit künstlichen Fehlern

bei



Oberflächenfehler (2) (ISO 10110-7)Stufenzahlen A in [mm] sind in Tabellen angegeben (geometrische Normzahl-Reihe) von 0,006 / 0,010 / 0,016 / 0,025 / 0,040 / 0,063 / 0,10 ( ) … bis 4,0 (mit Multiplikationsfaktoren (exakt wie bei „Blasen und Schlieren“)

Beispiele:5 / 2 x 0,25 … 2 Oberflächenfehler der Stufenzahl 0,25 – sind gleichwertig:5 / 5 x 0,16 bzw. 5 / 12 x 0,10 bzw. 5 / 32 x 0,063

Methode II: Sichtbarkeitsmethode mit Prüfstation

1x 2,5 x 6,3 x 16 x

0,25 0,16 0,10 0,063

0,40 0,25 0,16 0,10

0,63 0,40 0,25 0,16

Multiplikationsfaktor ->

Stufenzahlen A in [mm] ->

58,1105

Licht, das von Oberflächenfehlern gestreut wird, wird mit einer Bezugs-Hintergrundbeleuchtung verglichen; Lichtleitfasern, Lichtfallen, Strahlenteiler etc. notwendig



Oberflächengüte (ISO 10110-8)beschreibt die Eigenschaften matt – spiegelnd (optisch glatt) – Mikrodefekte

matt: Höhendifferenz des Oberflächenprofils ≈ Wellenlänge sichtbares Licht (VIS)

spiegelnd: Höhendifferenz des Oberflächenprofils << Wellenlänge (VIS)

Mikrodefekte: kleine Unregelmäßigkeiten (< 1 µm) auf spiegelnder Oberfläche

Angabe: Rq (quadratischer Mittenrauwert)

Angabe: Anzahl N der Abweichungen der Nadel eines Profilometers von der ansonsten glatten Oberfläche auf 10 mm Prüfstrecke

matt(G … „ground“)

spiegelnd(P … „polished“)

Mikrodefekte(P2 … 16 ≤ N ≤ 80

auf 10 mm)

Rq 2

G5

P P2



Oberflächenbehandlungen / Beschichtungen(ISO 10110-9)

sind hauptsächlich für Glaslinsen maßgeblich; es werden aber heutzutage schon Kunststoff-linsen mit Beschichtungen überzogen

Angabe für optische Schichten:

tangential an die zu beschichtende

Fläche mit Bezugslinie zu einem Rechteck

mit Beschichtungsbeschreibung

... Durchlässigkeit von Strahlungflüssen

Man unterscheidet:

... Reflexion von Strahlungflüssen

... Absorption von Strahlungflüssen

opt. Element

z.B. Bezugswellenlänge in [nm] = 546,1 nm wenn keine Angabe)



Darstellung in Tabellenform (1) (ISO 10110-10)

Linke Fläche………………………..Material………………………..rechte FlächeKennung Beschreibung

Material (Glastyp) - Art des Kunststoffs

n

Brechzahl

Abbe‘sche Zahl (inkl. Toleranzen)

R Krümmungsradius (ggf. mit Toleranz) - CX – konvex / CC – konkav

e Optisch wirksamer Durchmesser

Schutzfase Minimal / maximal zulässige Größe

Oberflächenbehandlung / -beschichtung

Spannungsdoppelbrechung

zulässige Blasen und Einschlüsse

Inhomogenitäten und Schlieren

Toleranz der Oberflächenform

Zentrierfehler

Oberflächenfehler

Zerstörschwelle durch Laserstrahlung

Die Werkzeichnung des Teils enthält oberhalb des Schriftfelds folgende Tabelle:



Darstellung in Tabellenform (2-1) (ISO 10110-10)

Beispiel: Asphäre

Zeichnungsfeld

5

2

22

2

2

2

)1(11

i

ii hA

Rhk

R

hZ



Darstellung in Tabellenform (2-2) (ISO 10110-10)



Allgemeintoleranzen (ISO 10110-11)

Die vollständigen funktionalen Eigenschaften eines optischen Elementes, Maße und Toleranzen wie auch Materialeigenschaften sollten auf der Optikzeichnung angegeben werden.

Wenn solche Eigenschaften nicht angegeben sind, gelten die zulässigen Abweichungen und Materialfehler nach in dieser Norm angegebenen Tabelle

Die Abweichungen sind in Bezug auf die maximalen (diagonalen) Abmessungen des Elements gestuft [mm]: ≤ 10 / > 10 – 30 / > 30 – 100 / > 100 – 300

Bei Verwendung gröberer Toleranzen ist dies in der Zeichnung zu vermerken



Asphärische Oberflächen (ISO 10110-12)Allgemein haben Linsen die Form eines Kugelabschnitts bzw. Kugelkappe (oder Kalotte); leicht zu fertigen mit Poliermaschinen -> Sphärische Linsen

Asphäre – Linsen, die von der Kugelgestalt abweichen; sehr schwer aus Glas zu fertigen -> Vorteil des Spritzgussverfahrens bei Kunststofflinsen Warum Asphären ? – Sphärische Linsenfehler können ausgeschaltet werden

Sphärische Aberration: Strahlen haben je nach Durchstoßhöhe unterschiedliche Schnittweiten

Doppelt hyperbolische Linse: Fehlerfreie Abbildung für Objektpunkt O auf optischer Achse, abgebildet in O‘



Asphärische Oberflächen (ISO 10110-12)

Asphärische Oberflächen werden mittels eines (mehr oder weniger komplizierten) mathematischen Zusammenhangs beschrieben:

)( 22 yxfz

Im y-z-Schnitt erhalten wir eine Kurve, welche bei Rotation um die z-Achse die gesuchte asphärische Fläche erzeugt.

(Kreisgleichung)

Allgemeine Gleichungen für Oberflächen 2.Grades:

2

2

2

2

2

2

2

2

11by

axby

ax

cz

Je nachdem, welche Konstanten a, b, c gewählt werden, ergeben sich als Schnittkurven folgende Kegelschnitte:

Ellipse, Kreis, Parabel, Hyperbel, Torus (allgemein)



Asphärische Oberflächen (ISO 10110-12)Angaben auf der Zeichnung

5

2

22

2

2

2

)1(11

i

ii hA

Rhk

R

hcz

Mathematische Kurvenform(bitte nicht schrecken!)

22 yxh -> rotationssymmetrisch um z

… Krümmungsradius bei z = 0031,56R

Potenzreihe

1310

118

086

054

1012284,0

1010852,0

1097614,0

1043264,0

A

A

A

A

Documents

ISO 10110 - Optik und Photonik - Erstellung von Zeichnungen für optische Elemente und Systeme © 2003 Kurt Salzmann, Wienp 1 Zeichnungen optischer Systeme