เครื่องวัดความขรุขระของพื้นผิวแบบออปติคัลทำงานอย่างไร?

มองเห็นความหยาบของพื้นผิวโดยไม่ใช้หัววัดแบบสัมผัส

มานับสิบปีแล้วที่การวัดความหยาบของพื้นผิวหมายถึงการลากเข็มเพชรผ่านชิ้นงานเพื่อรับรู้ความสูงต่ำของยอดและหุบเขาทุกจุด พร้อมหวังว่าจะไม่ขีดข่วนชิ้นงานที่บอบบางระหว่างกระบวนการ โปรไฟโลเมตรแบบสัมผัสยังคงเป็นมาตรฐานทองคำในโรงงานหลายแห่ง แต่ก็มีข้อจำกัดอยู่ คือ ทำงานช้า ต้องสัมผัสพื้นผิวโดยตรง และมีปัญหาในการวัดวัสดุที่นุ่ม สารเคลือบที่เหนียวติด หรือพื้นผิวที่เรียบเนียนมากเป็นพิเศษ นี่คือจุดที่เครื่องวัดความหยาบของพื้นผิวด้วยแสงเข้ามามีบทบาท โดยแทนที่จะใช้เข็มลากผ่านพื้นผิว เครื่องนี้ใช้แสงในการสร้างแผนที่โครงสร้างพื้นผิว และสามารถทำได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องสัมผัสชิ้นงานเลย

หลักการพื้นฐาน: การแทรกสอดของแสง

เครื่องวัดความหยาบของพื้นผิวแบบออปติคัลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดนั้นออกแบบขึ้นโดยอาศัยหลักการของการแทรกสอด (interferometry) แนวคิดพื้นฐานมีดังนี้ ลำแสงหนึ่งลำจะถูกแบ่งออกเป็นสองเส้นทาง โดยลำแสงหนึ่งสะท้อนกลับจากกระจกอ้างอิงที่เรียบสนิทภายในเครื่องมือ ส่วนอีกลำหนึ่งจะผ่านเลนส์วัตถุ (objective lens) ไปยังพื้นผิวตัวอย่าง จากนั้นสะท้อนกลับขึ้นมา เมื่อลำแสงทั้งสองรวมกันอีกครั้ง จะเกิดปรากฏการณ์การแทรกสอดร่วมกัน ถ้าพื้นผิวตัวอย่างเรียบสมบูรณ์แบบ รูปแบบการแทรกสอดที่ได้จะสม่ำเสมอ แต่หากพื้นผิวตัวอย่างมีส่วนที่นูนสูงและส่วนที่เว้าลึก ความแตกต่างของความสูงในระดับจิ๋วนั้นจะทำให้ระยะทางที่แสงเดินทางเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้เกิดรูปแบบของแถบสว่างและมืดซึ่งคล้ายกับแผนที่ภูมิประเทศ (topographic map) ซอฟต์แวร์จะถอดรหัสรูปแบบแถบเหล่านี้ และแปลงให้เป็นแผนที่พื้นผิวสามมิติความละเอียดสูง

เทคนิคคอนโฟคัลและเทคนิคการแปรผันของจุดโฟกัส

การวัดแบบอินเทอร์เฟอโรเมตรีไม่ใช่วิธีเดียวที่ใช้ได้ วิธีอื่นที่ใช้ในเครื่องวัดความหยาบของพื้นผิวด้วยแสงคือ กล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคัล (confocal microscopy) หรือการเปลี่ยนจุดโฟกัส (focus variation) ในระบบเหล่านี้ แสงจะผ่านรูเข็มขนาดเล็กมาก หรือชุดกระจกไมโคร (micro mirrors) ตัวเครื่องจะสแกนแนวตั้งผ่านจุดโฟกัส โดยถ่ายภาพที่ระดับความสูงต่าง ๆ หลายระดับ สำหรับแต่ละพิกเซล ซอฟต์แวร์จะคำนวณหาความสูงที่แน่นอนซึ่งจุดนั้นอยู่ในภาวะโฟกัสที่คมชัดที่สุด เมื่อนำความสูงที่โฟกัสได้ดีที่สุดทั้งหมดเหล่านี้มาเรียงซ้อนกัน ก็จะได้ภาพจำลองพื้นผิวสามมิติที่ละเอียดอ่อน วิธีนี้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับพื้นผิวที่มีความชันสูงหรือพื้นผิวหยาบที่อาจทำให้เครื่องวัดแบบอินเทอร์เฟอโรเมตรีเกิดความสับสน ทั้งสองวิธีนี้มีข้อได้เปรียบสำคัญร่วมกันประการหนึ่ง คือ สามารถเก็บรวบรวมข้อมูลได้หลายล้านจุดภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที ทำให้ได้ภาพรวมเชิงสถิติของพารามิเตอร์ความหยาบ เช่น Ra, Rz และ Sa ครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมด แทนที่จะวัดเฉพาะเส้นเดียว

เหตุใดการตรวจสอบแบบไม่สัมผัสจึงเปลี่ยนเกมการตรวจสอบ

ลักษณะการวัดแบบไม่สัมผัสของเครื่องวัดความหยาบผิวด้วยแสงเปิดโอกาสให้ใช้งานในหลายแอปพลิเคชันที่เครื่องวัดแบบเข็มสัมผัส (contact stylus) ไม่สามารถทำได้เลย ตัวอย่างเช่น โพลิเมอร์ชนิดนุ่ม สารเคลือบทางการแพทย์และชีวภาพ ฟิล์มกาว หรือพื้นผิวที่เพิ่งทาสีเสร็จใหม่ๆ ซึ่งหัววัดแบบเข็มจะกดแทรกเข้าไปและทำลายโครงสร้างพื้นผิวที่คุณกำลังพยายามวัด ในทางกลับกัน แสงจะสะท้อนกลับออกมาโดยไม่ทิ้งร่องรอยใดๆ คุณยังสามารถวัดภายในลักษณะรูปทรงขนาดเล็กได้อีกด้วย เช่น บริเวณก้นของช่องไมโครฟลูอิดิกส์ (microfluidic channel) หรือด้านข้างของฟันเฟืองขนาดเล็กมาก ซึ่งเป็นตำแหน่งที่หัววัดแบบเข็มไม่สามารถเข้าถึงได้จริงด้วยข้อจำกัดเชิงกายภาพ นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีการสแกนด้วยการเคลื่อนที่เชิงกลบนพื้นผิว ความเร็วในการวัดจึงเร็วกว่ามากอย่างเห็นได้ชัด พื้นที่หนึ่งแห่งที่อาจใช้เวลาหลายนาทีสำหรับเครื่องวัดแบบเข็มในการสแกนทีละเส้น จะสามารถจับภาพได้โดยระบบวัดแบบแสงภายในไม่กี่วินาที

พารามิเตอร์ที่ข้อมูลให้คุณ

เมื่อเครื่องวัดความหยาบของผิวแบบออปติคัลจับข้อมูลพื้นผิวสามมิติได้แล้ว ซอฟต์แวร์จะคำนวณพารามิเตอร์ต่างๆ ที่ครอบคลุมทั้งชุด ผู้ใช้ส่วนใหญ่มักเริ่มต้นด้วยค่าความหยาบในสองมิติที่คุ้นเคย เช่น Ra และ Rz ซึ่งซอฟต์แวร์คำนวณโดยการลากเส้นโปรไฟล์เสมือนผ่านชุดข้อมูลสามมิติ อย่างไรก็ตาม ศักยภาพที่แท้จริงของการวัดแบบออปติคัลอยู่ที่พารามิเตอร์เชิงพื้นที่ (areal parameters) ที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน ISO 25178 พารามิเตอร์เช่น Sa จะให้ค่าเทียบเคียงกับ Ra แต่ในรูปแบบพื้นที่ ส่วน Sdq บ่งบอกถึงความชันของพื้นผิว Sdr อธิบายอัตราส่วนของพื้นที่ผิวที่พัฒนาขึ้น (developed interfacial area ratio) และ Svk, Spk และ Sk แยกวิเคราะห์ส่วนหลักของความหยาบ ยอดที่ลดลง และหุบเขา สำหรับการวิเคราะห์อัตราส่วนการรับน้ำหนัก (bearing ratio analysis) ความลึกของข้อมูลเช่นนี้มีค่าอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจไม่เพียงแต่ว่าพื้นผิวนั้นมีความหยาบเพียงใด แต่ยังรวมถึงประสิทธิภาพการทำงานของพื้นผิวนั้นในการปิดผนึก การหล่อลื่น การยึดเกาะ และการสึกหรอด้วย

ข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติสำหรับชิ้นส่วนจริง

เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่นๆ เครื่องวัดความหยาบของพื้นผิวด้วยแสงก็มีข้อจำกัดในการใช้งานจริงของตนเอง ผิวที่สะท้อนแสงได้สูงมากอาจก่อให้เกิดปัญหาบางประการ แม้ว่าระบบสมัยใหม่จะสามารถจัดการกับปัญหาส่วนใหญ่เหล่านี้ได้ด้วยกลยุทธ์การให้แสงที่ชาญฉลาด วัสดุที่โปร่งใสจำเป็นต้องตั้งค่าอย่างระมัดระวัง เนื่องจากแสงอาจแทรกผ่านเข้าไปและสะท้อนกลับมาจากชั้นใต้ผิว สำหรับพื้นผิวที่หยาบมากซึ่งมีความชันรุนแรงมากเกินไป อาจเกินมุมรับแสงของเลนส์วัตถุ (objective lens) ที่ใช้ การเข้าใจข้อจำกัดเหล่านี้จะช่วยให้คุณเลือกเลนส์วัตถุที่เหมาะสม ช่วงภาพ (field of view) ที่เหมาะสม และโหมดการวัดที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนเฉพาะของคุณ เมื่อใช้งานอย่างเหมาะสม คุณภาพของข้อมูลและความเร็วในการวัดนั้นน่าประทับใจอย่างยิ่ง และสำหรับการใช้งานหลายประเภทที่หัววัดแบบสัมผัส (contact stylus) นั้นช้าเกินไปหรือรุกรานพื้นผิวมากเกินไป เครื่องวัดความหยาบของพื้นผิวด้วยแสงจึงไม่ใช่เพียงทางเลือกหนึ่งเท่านั้น แต่ยังเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริงเพียงวิธีเดียว