איכות פני שטח (אופטיקה)

ארבע מראות מסוגים שונים. בפינה הימנית התחתונה מצולמת מראה עם שריטה קרובה למרכז ושפע של שבבי-קצה (edge chips)
איכות פני שטח הוא מדד לפגמים על פני השטח של משטחים אופטיים כמו עדשות או מראות, שמקורם ביצור החלק או לעיתים במגע וטיפול (handling). פגמים אלו הם חלק מפני השטח ואינם ניתנים להסרה על ידי ניקוי. פעמים רבות משתמשים באפיון שנשמע סטנדרטי, כמו 60-40 ו-RMS (שורש ממוצע הריבועים) של 3 אנגסטרום, בלי לתת את הדעת לעלות השגתו או לנזק שיגרם אם לא יושג.<ref name=":4" /> תקן תובעני גורם כמובן לעלות גבוהה יותר של הרכיבים האופטיים, לכן חשוב להבין מה דרוש ולהימנע מאפיון-יתר.<ref name=":1"></ref><ref name=":0"></ref>

פגמים אלו נקראים בשם ההיסטורי "פגמים קוסמטיים", אבל הם לא תמיד קוסמטיים בלבד: אופטיקה המיועדת לאפליקציות ליזרים נוטה להיות רגישה יותר לאיכות פני שטח כי פגמים אלו יכולים להיות נקודות התחלה להתפתחות נזקים מושרי קרינת ליזר (laser-induced damage). סיבה נוספת לחשיבות הפגמים היא, כי במקרים מסוימים, פגמים באלמנטים אופטיים יודמו ישירות כפגמים במישור התמונה. בנוסף, מערכות אופטיות שעבורן עצמת קרינה מרבית היא הכרחית, נוטות להיות רגישות לאבדן עצמה כתוצאה מפיזור מפני השטח שנגרם מפגמים כאלו. באופן כללי, מערכות הפועלות בתחום העל-סגול דורשות תקן תובעני יותר מאשר מערכות באור נראה או בתת-אדום, כיוון שאורך הגל הקצר יותר של הקרינה העל-סגולה מושפע יותר מפיזור.

ישנם תקנים רבים ושונים הנמצאים בשימוש על ידי קהילת יצרני האלמנטים האופטיים, המתכננים והמשתמשים. כל התקנים מגדירים כיצד לאפיין וכיצד לבדוק את האלמנטים האופטיים השונים. אולם אזורים גאוגרפיים שונים ותעשיות שונות נוטים להשתמש בתקנים שונים, למשל יצרנים גרמניים ידועים בחיבתם ל-ISO 10110 בעוד הצבא האמריקאי פיתח את MIL-PRF-13830 והשתמש בו לאורך עשורים רבים, מה שהפך אותו לסטנדרד העולמי, דה פקטו.<ref name=":0" /> נושא השריטות סבוך במיוחד כי לא בכל מקרה ניתן לתרגם את רמת השריטות מתקן אחד למישנהו ולעיתים התרגום הוא סטטיסטי (תוך בדיקה על מדגם של פגמים כדי להבטיח שסטטיסטית, אחוז האלמנטים שיפסלו בשתי השיטות יהיה דומה).<ref name=":6"></ref>

בחינת איכות פני שטח בהיבט שריטות וחפירות של אלמנטים אופטיים היא מיומנות והתמחות שלוקח זמן לא מבוטל כדי לפתח אותה. השימוש המקובל הוא תוך השוואת אלמנט נבדק עם מאסטר (רפרנס) סטנדרטי.<ref name=":0" /> כיום יש מערכות אוטומטיות שמחליפות את הטכנאי האנושי, בעיקר עבור אופטיקה שטוחה אבל לאחרונה גם לעדשות קמורות וקעורות.<ref name=":0" /><ref></ref>

אפיון חיספוס מתבצע באמצעים מדויקים וקלים יותר לכימות.

== סוגי פגמים ==
התקנים השונים מפרידים בין שני קטגוריות עיקריים לאיכות פני השטח: שריטה וחפירה (Scratch and Dig) וחיספוס (roughness).<ref></ref><ref name=":4" />

שריטה (scratch) מוגדרת כפגם ארוך וצר הקורע את פני השטח של הזכוכית או הציפוי.<ref name=":2"></ref> ישנם תקנים המתייחסים למידת הניראות, שהיא הבהירות היחסית של השריטה. במקרים אלו ישנו תקן גם לתנאי התאורה המשמשים לבחינה. תקנים אחרים מאפינים שריטות לפי ממדיהן.

חפירה (dig) מוגדרת כבור, אזור מחוספס או מכתש קטן על פני הזכוכית (או כל חומר אופטי אחר).<ref name=":2" /> כל סוגי התקנים מודדים את גודלה הפיזי של החפירה.

חיספוס, טקסטורה או גימור (optical finish) הוא פגם שמקורו בצורת יצור האלמנט. טקסטורה היא תופעה מחזורית ב גבוה (או במילים אחרות, בממדים קטנים), המשפיעה על כל המשטח וגורמת לפיזור הקרינה.<ref name=":5" /> ערך גבוה יותר משמעותו משטח מחוספס יותר.<ref name=":5"></ref> הטקסטורה חשובה בעיקר במקרים בהם הליטוש מתבצע בשיטות עיבוד חדשות כמו diamond turning, המשאירות חתימה מחזורית שיורית על פני השטח המשפיעה על איכות התמונה המושגת או על רמת הפיזור מפני השטח. כמות האור המפוזר פרופורציונלית לריבוע ה-RMS של החיספוס.<ref name=":4" />

== סוגי תקנים - שריטה וחפירה ==
=== תקן צבאי אמריקאי MIL-PRF-13830B ===
זהו התקן הנפוץ ביותר, שמקורו בתקן שהוצע במקור על ידי מקלאוד ושרווד מחברת קודאק ב־1945, והתגלגל ב-1954 לתקן הצבאי MIL-O-13830A.<ref name=":0" /><ref name=":4" /> הוא מגדיר את איכות פני השטח על ידי צמד מספרים, הראשון הוא מדד לניראות השריטה והשני הוא גודל החפירה.

מדדי נראות השריטה מתוארים על ידי סדרת מספרים שרירותיים: 10,20,40,60,80 כאשר השריטות הבהירות ביותר, שקל ביותר לראותן בעיין בלתי מזוינת, הן ברמה 80, והקשות ביותר לאבחנה הן ברמה 10. המספר משמש להשוואה עם סטנדרד תעשייתי או צבאי (מאסטר) שעליו שריטות בדרגות ניראות שונות וההשוואה מתבצעת בעיין בלתי מזוינת תחת תנאי תאורה מבוקרים.<ref name=":1" /> חשוב להכיר בעובדה שזו בדיקה סוביקטיבית ותוצאותיה יכולות להשתנות בין בודקים שונים.<ref name=":1" /> הניראות של שריטות תלויה במידה רבה בצורה שלהן, ובניגוד לאמונה הרווחת, יש קורלציה מעטה בין דרגת ניראות השריטה לרוחב שלה.<ref name=":0" /> חשוב לחזור ולהדגיש: אין אפשרות למדוד את רוחב השריטה כדי לקבוע את מדד הניראות שלה.<ref name=":0" />

לעומת זאת, גודל החפירה הוא מדד מדויק ומדיד. זהו הקוטר של החפירה הגדולה ביותר המופיעה על האלמנט הנבדק, ביחידות של מאית מ"מ. מקובל להשתמש ב־5, 10, 20, 40 או 50, כאשר כמובן המספרים הגדולים יותר מתארים פגמים גדולים יותר.

בתקן ישנן הגדרות ברירת מחדל רבות, למשל המדד שיש לדרוש מחוץ למפתח הנקי - "free aperture" (חלק העדשה שעליו חל התקן, קרוי גם "clear aperture","effective diameter" או CA) הוא, בהיעדר הגדרה אחרת, 80-50.<ref name=":3"></ref> 80-50 הוא אפיון פני שטח מאד בסיסי וקל ליצור, והוא מתאר שריטה שבהירותה פחותה מזו של שריטה ברמת נראות 80 וחפירה בקוטר של עד 0.5 מ"מ (50/100=0.5). מדד שנחשב מסחרי הוא 60-40 בעוד שעבור אפליקציות ליזר תובעניות משתמשים ב-20-10 או אפילו ב־10-5.<ref name=":2" /> שני האחרונים, 10-5 ו-20-10, לא מומלצים כיום לשימוש כי הנראות שלהם מאד נמוכה.<ref name=":4"></ref> עובדה נוספת שמקשה על השימוש בתקן של נראות השריטות היא שהציפוי האופטי יכול לשנות את הנראות. לדוגמה אלמנט שעובר 40-20 לפני ציפוי יכול להכשל ב-60-40 לאחר הציפוי.<ref name=":4" />

חוקי הצטברות וריכוז (accumulation and concentration rules) מסדירים את המצבים השכיחים, בהם יש יותר מפגם אחד על פני השטח של אלמנט אופטי, ומבהירים כיצד יש לסכם אותם.<ref name=":1" /><ref name=":3" /> למשל, אם נמצאה שריטה אחת או יותר בנראות המקסימלית המותרת, כדי לעבור את הבדיקה, סכום אורך השריטות הללו מוגבל לרבע קוטר האלמנט.<ref name=":1" /><ref name=":3" /> מספר החפירות ברמה המקסימלית המותרת נקבע על ידי חלוקת קוטר המפתח הנקי המדוד המילימטר ב-20, ועיגול כלפי מעלה. למשל, עבור מפתח נקי של 81 מ"מ, מותרות 5 חפירות ברמה המרבית.<ref name=":6" />

כיוון שהמאסטר שמשמש להשוואה מצוי רק ברשות הצבא האמריקאי, פותחו מספר מאסטרים מסחריים שנועדו להיות תואמים, אבל בגלל מורכבות הגורמים לנראות שריטה מאסטרים אלו לא תמיד תואמים למקור ואין דרך להתאים סט אחד למשנהו.<ref name=":0" /> לדוגמה, שריטה בנראות 10 במאסטר אחד יכולה להראות בהירה יותר משריטה בנראות 60 במאסטר אחר.<ref name=":4" /> מסיבה זו מומלץ לציין על השרטוט גם את סוג המאסטר אליו יש להשוות בזמן הבדיקה.<ref name=":4" />

דוגמאות לסטים כאלו העשויים פלסטיק או זכוכית הן דוידסון, ברייסן, וג'נאופטיק שנמכר על ידי אדמונד אופטיק ותורלאבס.<ref name=":0" /><ref name=":4" />

=== ISO 10110-7 ===
תקן זה נמצא בשימוש בארצות הברית, סין, יפן, רוסיה וכל אירופה. הסימון המקובל החל מ-2007 הוא:

כאשר N ו-A מיצגים את מספר הפגמים ואת גודל הפגם המרבי, 'N ו-'A מספר הפגמים על הציפוי וגודלם המרבי, "N ו-"A מיצגים את מספר השריטות המותר וגודלן המרבי ו-<nowiki></nowiki>A מייצג את גודלו המרבי של שבב קצה (פגם על שפת האלמנט האופטי, edge chip). שריטה במקרה זה מוגדרת בפגם ארוך מ-2 מ"מ. רק החלק הראשון של האפיון, N x A הוא הכרחי, ויתר הפרטים ניתנים להשמטה, לפי הצורך. A ו-'A נתונים כשורש ריבועי של שטח הפגם ומצוין על ידי מספרים מהסדרה: 4,2.5,1.6,1,0.63,0.4,0.25.<ref name=":6" />

בנוסף למגבלה על כמות הפגמים וגודלם, השטח הכולל של כל הפגמים אסור שיעלה על A2*N. פגמים ארוכים (שריטות) מוגבלים על ידי רוחבם, ללא תלות באורך. אין כל מגבלה על כמות שבבי הקצה, וריכוז פגמים מוגבל על ידי הכלל שלכל היותר 20% מהפגמים יכולים להיות מרוכזים בשטח של 5% מהמפתח הנקי.

יתרון מהותי של ISO הוא תרגום פשוט יחסית בין אחוז האור המפוזר ממשטח לבין אפיון פני השטח שלו, על פי הנוסחה:<ref name=":6" />

Scatter % = 4 x [(N x A<sup>2</sup>)+(N' x A'<sup>2</sup>)+ N" x A" x Φ]/(π x Φ<sup>2</sup>)

בניגוד ל-MIL-PRF-13830B שהשימוש בו זול ומהיר, אבל לוקה באי דיוקים, השימוש בתקן הממדי של ISO 10110-7 מדויק יותר אבל גוזל זמן בדיקה ארוך ולכן יקר.<ref name=":1" /> זמן הבדיקה הארוך יחסית נגזר מכך שבדיקה על פי תקן זה מתבצעת בשימוש במיקרוסקופ, בהשוואת גדלים ביחס לפגמים על מאסטר, ובגלל ההגדלה הגדולה ושדה הראיה הקטן שהיא מכתיבה, נדרשות מספר מדידות כדי למפות כל אלמנט אופטי.<ref name=":1" />

במאמר שפרסם דייוויד אייקנס, דירקטור תקינה באופטיקה ואלקטרואופטיקה,<ref></ref> הוא מציג טבלת המרה מומלצת המשמרת את רמת בקרת האיכות, או אחוז הנפל, בבדיקת שריטות וחפירות לפי ISO לעומת התקן הצבאי. לדוגמה 5/2x0.40; L 3 x0.010 הוא תקן מקביל סטטיסטית ל-60-40 של התקו הצבאי המחמיר, על פני מיפתח של 20 מ"מ.<ref name=":6" />

החיסרון הלוגי של תקן ממדי זה הוא בהגדרת שריטה על פי רוחבה בלבד. למשל, אם על עדשה בקוטר 100 מ"מ ישנה דרישה של L 1 x 0.025, מותרת שריטה יחידה בעובי של עד 25 מיקרון, גם אם היא משתרעת לאורך של 100 מ"מ. אם היצרן ילטש את פני השטח ויסיר את השריטה מ-95 המילימטרים המרכזיים של העדשה, תיוותרנה שתי שריטות כל אחת באורך של 2.5 מ"מ ועכשיו העדשה תיכשל בבדיקות הקבלה, כי האפיון מתיר שריטה אחת בלבד. חוסר ההגיון פה ברור כי לא מקובל לפסול רכיב בעקבות תהליך שמשפר את איכותו.<ref name=":6" />

כדי לתמוך גם במדידות מהירות המיועדות למשטחים פחות רגישים, החל משנת 2017 ISO 10110-7 מאפשר גם הגדרת שריטות על פי מידת ניראותן, והגדרת חפירות על פי קוטרן, בדיוק כמו MIL-PRF-13830B, תוך שימוש באותם סימונים, למשל 60-40.<ref name=":1" /><ref name=":6" /> יש אפשרות להרחיב ולסמן פגמים על ציפוי ושבבי קצה באופן דומה לזה שהוגדר לתקן הממדי:

כאשר S ו-D הם ההגדרות לשריטה ולחפירה, 'S ו-'D לפגמים אלו על הציפוי ו-<nowiki></nowiki>A מאפיין שבב קצה כפי שהוגדר למעלה. כפי שהוסבר לגבי התקן הצבאי, חשוב לציין מפורשות לפי איזה מאסטר מבצעים את השוואת בהירות השריטות.<ref name=":6" />

=== MIL-C-48497A ו-MIF-F-48616 ===
אלו תקנים פופולריים כמעט כמו MIL-PRF-13830B אבל חשוב לציין שהשימוש בהם הולך ופוחת.

תקנים אלו מגדירים שריטות וחפירות על פי גודלם הפיזי ומסמנים את רמתן באותיות: A, B, C, D, E, F, G (ו-H שמשמשת רק לחפירות).<ref name=":0" /> האות A מיצגת את השריטה הצרה ביותר, שרוחבה 0.005 מ"מ ואת החפירה הקטנה ביותר, שקוטרה 0.05 מ"מ ומצד שני האות G מיצגת שריטה שרוחבה 0.12 מ"מ וחפירה שקוטרה 0.7 מ"מ. לבדיקה משתמשים במיקרוסקופ או זכוכית מגדלת, או בהשוואה למאסטר בעין בלתי מזוינת.

=== ANSI OP1.002 ===
תקן אמריקאי זה פורסם לראשונה ב-2006.<ref name=":0" /> הוא מגדיר חפירות על פי קוטרן, בדיוק כמו בתקן MIL-PRF-13830B.

ANSI OP1.002 תומך גם הוא בשתי שיטות נפרדות לגבי שריטות: ניראות (visibility) וממדיות (dimentional).
* מדד הניראות מגדיר שריטות על פי ניראותן, והוא זהה בתכנו ובטרמינולוגיה בה הוא משתמש לתקן MIL-PRF-13830B. בדיוק כמוהו, הוא משתמש בשני מספרים, הראשון לשריטות והשני לחפירות כאשר הוא נאמן למשמעותן בתקן הצבאי. דוגמאות: 80-50, 60-40. שיטה זו מנצלת את המהירות והעלות הנמוכה של הבדיקה הוויזואלית, לאלמנטים עם פחות תובעניים.
* מדד הממדיות לשריטות מתבסס על תקן MIL-C-48497A הנחשב קל לשימוש ופונקצונלי.<ref name=":4" /> הוא משתמש בשתי אותיות, הראשונה לשריטות והשניה לחפירות. לדוגמה: A-A או E-E. מדד זה מיועד לשימושים בעלי טולרנסים הדוקים על איכות פני השטח כמו זכוכיות כיסוי ל-CCD ואפליקציות ליזרים תובעניות.<ref name=":4" />
{| class="wikitable"
|+טבלת תרגום ממדי שריטות וחפירות על פי OP1.002<ref name=":4" />
!מדד החפירה
!מכסימום קוטר החפירה, במיקרומטר
!מדד השריטה
!מכסימום רוחב השריטה, במיקרומטר
|-
!G
!700
!G
!120
|-
!F
!500
!F
!80
|-
!E
!400
!E
!60
|-
!D
!300
!D
!40
|-
!C
!200
!C
!20
|-
!B
!100
!B
!10
|-
!A
!50
!A
!5
|-
!An
!n
!An
!n
|}
במדד OP1.002 ניתן להשתמש במיקרוסקופ על מנת להשוות למאסטר.<ref name=":4" />

מדד זה מאפשר גם תרגום קל יחסית מרמת הפיזור המבוקשת לאפיון איכות פני השטח.<ref name=":4" />

== סוגי תקנים - חיספוס ==
=== תקן צבאי אמריקאי MIL-STD-10A ===
תקן מקורי זה היה כללי, לא יועד לאפיון של משטחים מלוטשים פר סה, ואפיין פרמטרים שאינם בשימוש באפיון אלמנטים אופטיים כמו כמו חיספוס ממוצע.<ref name=":4" />
דוגמה למדידת חיספוס פני שטח. Rq הוא RMS

=== ASME B46.1-2002 ===
תקן זה החליף את MIL-STD-10A ומגדיר יותר מארבעים פרמטרים שונים כולל RMS, שיפוע (slope), צידוד (skew), PSD) power spectral density, שהוא המאפיין המקיף ביותר<ref name=":5" />) ועוד. יש בתקן זה שיפור משמעותי כי הוא מאפשר אפיונים של משטחים מעובדים, בתדרים מרחביים שונים, מה שחשוב במיוחד במקרים בהם האופטיקה יוצרה בטכניקות שמשאירות עקבות מחזוריים כמו בעיבוד בחוד יהלום. יצוין שלמרבית השימושים מספיק להשתמש ב-RMS.<ref name=":4" /> בכל המקרים, חשוב להקפיד לציין את תחום הממדים שעליו מתבצע החישוב כי ללא הגדרת תחום התדר המרחבי עליו מתבצעת המדידה, התקן חסר משמעות.<ref name=":4" />

=== ISO 10110-8 (2010) ===
תקן פופולרי זה, בדומה ל־ASME B46.1, גם תקן זה מגדיר את ה-RMS של פני השטח בסקלת אורכים ספציפית, PSD ועוד, הוא רק משתמש בסמלים במקום במילים.<ref name=":4" /><ref name=":5" />

== ראו גם ==
* חספוס משטחים
* ביקורת איכות
* בדיקה ויזואלית

== קישורים חיצוניים ==
* [https://www.savvyoptics.com/files/Scratch_and_Dig_Primer_2019.pdf סקירת רוחב של התקנים השונים, בהתמקדות בשריטות וחפירות]
* [https://www.savvyoptics.com/iso-10110-decoder-poster.html סיכום תמציתי של ISO 10110]

== הערות שוליים ==

קטגוריה:אופטיקה
קטגוריה:הנדסה
קטגוריה:תקנים
קטגוריה:תקנים של צבא ארצות הברית