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 לייזרים 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 הַתְּקָנִים 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 (ראו בהמשך) 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.

 סוגי פגמים 
הַתְּקָנִים השונים מפרידים בין שתי 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 הַתְּקָנִים 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. ערך גבוה יותר משמעותו משטח מחוספס יותר. הטקסטורה חשובה בעיקר במקרים בהם הליטוש מתבצע בשיטות עיבוד חדשות כמו עיבוד בחוד יהלום 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.

 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. 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 סובייקטיבית 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 מילימטר (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 לייזר 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 במילימטרים 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.

סטים כאלו עשויים פלסטיק או זכוכית וזמינים בשוק מיצרנים כמו דוידסון, ברייסן, וג'נאופטיק שנמכר על ידי אדמונד אופטיק ותורלאבס.

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

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.

 MIL-C-48497A ו-MIF-F-48616 
אלו תקנים פופולריים כמעט כמו MIL-PRF-13830B אבל השימוש 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.

 ANSI OP1.002 
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  פחות תובעניים.
 מדד הממדיות לשריטות מתבסס על תקן MIL-C-48497A הנחשב קל לשימוש ופונקציונלי. 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.
+טבלת תרגום ממדי שריטות וחפירות על פי OP1.002מדד החפירהמכסימום קוטר החפירה, במיקרומטרמדד השריטהמכסימום רוחב השריטה, במיקרומטרG700G120F500F80E400E60D300D40C200C20B100B10A50A5AnnAnn
במדד OP1.002 ניתן להשתמש במיקרוסקופ על מנת להשוות למאסטר.

מדד זה מאפשר גם תרגום קל יחסית מרמת הפיזור המבוקשת לאפיון איכות פני השטח.

 סוגי תקנים - חיספוס 
 תקן צבאי אמריקאי MIL-STD-10A 
תקן מקורי זה היה כללי, לא יועד לאפיון של משטחים מלוטשים פֶּר סֶה, ואפיין פרמטרים שאינם בשימוש באפיון אלמנטים אופטיים כמו חיספוס ממוצע.
ממוזער|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) 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.

 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.

 ראו גם 
 חספוס משטחים
 ביקורת איכות
 בדיקה ויזואלית

 קישורים חיצוניים 
 סקירת רוחב של התקנים השונים, בהתמקדות בשריטות וחפירות
 סיכום תמציתי של ISO 10110

 הערות שוליים 

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