איכות פני שטח (אופטיקה)

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. תקן תובעני גורם כמובן לעלות גבוהה יותר של הרכיבים האופטיים, לכן חשוב להבין מה דרוש ולהימנע מאפיון-יתר. 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. 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). 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. כיום יש מערכות אוטומטיות שמחליפות את הטכנאי האנושי, בעיקר עבור אופטיקה שטוחה אבל לאחרונה גם לעדשות קמורות וקעורות. אפיון חיספוס מתבצע באמצעים מדויקים וקלים יותר לכימות. התקנים השונים מפרידים בין שני קטגוריות עיקריים לאיכות פני השטח: שריטה וחפירה (Scratch and Dig) וחיספוס (roughness). שריטה (scratch) מוגדרת כפגם ארוך וצר הקורע את פני השטח של הזכוכית או הציפוי. 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). 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 בתדר מרחבי (אנ') גבוה (או במילים אחרות, בממדים קטנים), המשפיעה על כל המשטח וגורמת לפיזור הקרינה. ערך גבוה יותר משמעותו משטח מחוספס יותר. 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. זהו התקן הנפוץ ביותר, שמקורו בתקן שהוצע במקור על ידי מקלאוד ושרווד מחברת קודאק ב־1945, והתגלגל ב-1954 לתקן הצבאי MIL-O-13830A. 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. חשוב להכיר בעובדה שזו בדיקה סוביקטיבית ותוצאותיה יכולות להשתנות בין בודקים שונים. הניראות של שריטות תלויה במידה רבה בצורה שלהן, ובניגוד לאמונה הרווחת, יש קורלציה מעטה בין דרגת ניראות השריטה לרוחב שלה. חשוב לחזור ולהדגיש: אין אפשרות למדוד את רוחב השריטה כדי לקבוע את מדד הניראות שלה. 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. 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. שני האחרונים, 10-5 ו-20-10, לא מומלצים כיום לשימוש כי הנראות שלהם מאד נמוכה. 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. 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. למשל, אם נמצאה שריטה אחת או יותר בנראות המקסימלית המותרת, כדי לעבור את הבדיקה, סכום אורך השריטות הללו מוגבל לרבע קוטר האלמנט. 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. 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. לדוגמה, שריטה בנראות 10 במאסטר אחד יכולה להראות בהירה יותר משריטה בנראות 60 במאסטר אחר. מסיבה זו מומלץ לציין על השרטוט גם את סוג המאסטר אליו יש להשוות בזמן הבדיקה. דוגמאות לסטים כאלו העשויים פלסטיק או זכוכית הן דוידסון, ברייסן, וג'נאופטיק שנמכר על ידי אדמונד אופטיק ותורלאבס. תקן זה נמצא בשימוש בארצות הברית, סין, יפן, רוסיה וכל אירופה. הסימון המקובל החל מ-2007 הוא: 5/ N x A; C N' x A'; L N" x A"; E A''' 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-'''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. 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: Scatter % = 4 x [(N x A2)+(N' x A'2)+ N" x A" x Φ]/(π x Φ2) 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. 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. במאמר שפרסם דייוויד אייקנס, דירקטור תקינה באופטיקה ואלקטרואופטיקה, 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. 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. 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. יש אפשרות להרחיב ולסמן פגמים על ציפוי ושבבי קצה באופן דומה לזה שהוגדר לתקן הממדי: 5 / S - D; C S' - D'; E A''' כאשר S ו-D הם ההגדרות לשריטה ולחפירה, 'S ו-'D לפגמים אלו על הציפוי ו-'''A מאפיין שבב קצה כפי שהוגדר למעלה. כפי שהוסבר לגבי התקן הצבאי, חשוב לציין מפורשות לפי איזה מאסטר מבצעים את השוואת בהירות השריטות. 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). 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. תקן אמריקאי זה פורסם לראשונה ב-2006. 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 טולרנסים (אנ') פחות תובעניים. מדד הממדיות לשריטות מתבסס על תקן MIL-C-48497A הנחשב קל לשימוש ופונקצונלי. 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. במדד OP1.002 ניתן להשתמש במיקרוסקופ על מנת להשוות למאסטר. מדד זה מאפשר גם תרגום קל יחסית מרמת הפיזור המבוקשת לאפיון איכות פני השטח. תקן מקורי זה היה כללי, לא יועד לאפיון של משטחים מלוטשים פר סה, ואפיין פרמטרים שאינם בשימוש באפיון אלמנטים אופטיים כמו כמו חיספוס ממוצע. 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) 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. בכל המקרים, חשוב להקפיד לציין את תחום הממדים שעליו מתבצע החישוב כי ללא הגדרת תחום התדר המרחבי עליו מתבצעת המדידה, התקן חסר משמעות. 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. חספוס משטחים ביקורת איכות בדיקה ויזואלית סקירת רוחב של התקנים השונים, בהתמקדות בשריטות וחפירות סיכום תמציתי של ISO 10110 David M. Aikens, Meaningful Roughness & Quality IODC - Savvy Optics, www.savvyoptics.com, [ברשימה שנפתחת אחרי לחיצה על הלינק, יש ללחוץ על שם המאמר], ‏2010 (באנגלית) Understanding Surface Quality Specifications, www.edmundoptics.ca (באנגלית) Dave Aikens, Optics Surface Quality Solutions:The scratch and dig revolution, www.savvyoptics.com, ‏מאי 2019 (באנגלית) Dave Aikens, New Options for Optical Quality Tolerances, www.savvyoptics.com (באנגלית) Scratch/Dig Measurement - Optics Metrology - Metrology & Microscopy, www.lambdaphoto.co.uk תקן איכות משטח זכוכית - תקן שריטה וחפירה, באתר https://www.saidaglass.com/, ‏11 ספטמבר 2019 Optical Surfaces, www.newport.com Understanding Surface Roughness, www.edmundoptics.ca (באנגלית) MIL-PRF-13830B, eksmaoptics.com, תקן צבאי אמריקאי, בשימוש חופשי, ‏9 January 1997 (באנגלית) OEOSC Officers, Directors & Sponsors – OEOSC, www.oeosc.org