DE3710323A1 - Verfahren zur photothermischen materialpruefung mit dem mirage-effekt an proben mit rauhen oder unebenen oberflaechen - Google Patents

Description

Bestrahlt man ein absorptionsfähiges Material mit moduliertem (periodisch unterbrochenem) Licht, so pflanzt sich der absorbierte Teil dieses Lichtes als Wärmewelle mit gleicher Frequenz aber unter­ schiedlicher Phase im Material fort.

lnhomogenitäten (gewollte und ungewollte) im Material wirken sich charakteristisch auf diese Ausbreitung aus.

Ein Teil der Wärmewelle gelangt wieder an die Oberfläche in unmittel­ barer Nähe der Bestrahlungsstelle.

Hier erwärmt sie das umgebende Medium, normalerweise Luft, ebenfalls periodisch.

Dies führt zu einer Änderung des Brechungsindexes der Luft, was man sich als Ausbildung einer thermischen Linse vorstellen kann. Ein parallel und dicht zur Oberfläche geführter Laserstrahl (Abtast­ strahl, wird, wenn er die Linse durchquert, abgelenkt. Dies bezeichnet man als photothermischen Mirage-Effekt in Anlehnung an Luftspiegelungen an heißen Tagen.

Mit geeigneten Sensoren läßt sich diese Ablenkung messen (DE 35 10 314). Da aber sowohl die Signalamplitude als auch die Phasendifferenz (zwischen Anregungsstrahl und Wärmewelle) vom Abstand des Abtast­ strahls zur bestrahlten Probenstelle abhängen, lassen sich bisher nur glatte und ebene Materialien über eine Fläche automatisch messen. Andernfalls kann eine Unebenheit der Oberfläche nicht von einer Inhomogenität im Materialinnern getrennt werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß man die Entfernungsänderung zwischen bestrahlter Stelle und Abtaststrahl mißt und die resultierende Meßgröße in eine entsprechende Amplituden- bzw. Phasenänderung umrechnet.

Die exakte mathematische Beziehung zwischen Entfernungsänderung einer­ seits und Amplituden- bzw. Phasenänderung andererseits ist nur von den Eigenschaften des das Material umgebenden Mediums (normalerweise Luft) und von der Modulationsfrequenz abhängig, also nicht von den Materialeigenschaften selbst, und läßt sich durch eine einmalige Messung unter bekannten Versuchsbedingungen ermitteln.

Nach Anspruch 2 wird zur Entfernungsbestimmung die Tatsache ausge­ nutzt, daß die vom bestrahlten Material reflektierten Strahlen ihren Querschnitt in Abhängigkeit vom Lichtfleckdurchmesser an der bestrahl­ ten Stelle ändern.

Treffen sie auf einen Photodetektor, so läßt sich dem Detektorsignal ein definierter Abstand zuordnen.

Dies gilt jedoch nur für unveränderte Reflexionseigenschaften an jeder Prüfstelle, was auf die hier behandelten Materialien gerade nicht zu­ trifft. Außerdem werden durch Vergrößerung des Lichtfleckes auf der Probe sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Bestrahlungsbedin­ gungen nachteilig verändert.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß nach dem Anspruch 3 dadurch ge­ löst, daß die Fokussierlinse auf den kleinsten Lichtfleck und damit um die gleiche Strecke in Richtung des Anregungsstrahls nachgeführt wird, um die sich der Abstand vom Material wegen einer Rauh- oder Uneben­ heit ändert.

Der kleinste Lichtfleck zeichnet sich je nach optischen Verhältnissen durch einen (für die bestrahlte Stelle) Extremwert der vom Detektor empfangenen Intensität oder eine besondere Symmetrie aus, ist dadurch unabhängig vom Absolutwert der lntensität, also auch von den Reflexions­ eigenschaften der Probe.

Erfolgt die Nachführung elektromotorisch, so ist der dazu benötigte Strom ein Maß für die Abstandsänderung.

Da in der Regel die Strahlführung des Abtaststrahls starr mit der Anregungseinheit gekoppelt ist, ist die festgestellte Abstandsänderung identisch mit der Abstandsänderung bezüglich des Abtaststrahls. Bestrahlt man eine Materialstelle konstant und verändert den Abstand dieser Stelle vom Abtaststrahl definiert (indem man beispielsweise die Probe auf einem Feinmeßtisch befestigt und verfährt), so kann die jeweilige Änderung des photothermischen Signals (Amplitude und Phase) mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt werden.

Dies wird zweckmäßigerweise unter Laborbedingungen durchgeführt, da, wie erwähnt, hier keine materialspezifischen Parameter eingehen.

Nach Anspruch 4 wird erfindungsgemäß diese Information dazu genutzt, Signaländerungen, die beim rasterförmigen Abtasten einer Probe ent­ stehen, darauf zu prüfen, ob es sich um materialspezifische Änderungen handelt, oder ob sie von Rauh- bzw. Unebenheiten herrühren. Dabei beginnt man mit der Aufnahme des ersten Meßwertes und setzt hier das gemessene Signal mit der Entfernungsänderung null in Beziehung (da es keinen Meßwert vorher gab, gibt es auch keine Entfernungsände­ rung).

Beim zweiten Meßpunkt, der beispielsweise um die Strecke Δ xoder näher zum Abtaststrahl liegt, erfolgt als erstes eine optoelektronische Registrierung dieser Änderung, die zum Nachfokussieren des Objektives führt; der dazu erforderliche Strom wird gleichzeitig als Meßwert an den Rechner übergeben, dort in eine entsprechende Amplituden- bzw. Phasenänderung des Meßwertes umgerechnet und vom Meßsignal subtrahiert. Es bleibt die reine material-spezifische Meßgröße übrig.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, Rauhigkeiten oder Unebenheiten einer zu prüfenden Fläche von einigen µm bis zu einigen Zehntel Milli­ metern meßtechnisch auszugleichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der Laser 1 sendet paralleles Licht aus, das vom Motorobjektiv 2 auf die Probe 3, die hier bewußt übertrieben uneben gezeichnet ist, fokussiert wird.

Der Abtaststrahl 4 hat einen Abstand x von der bestrahlten Stelle und erfährt hier (nicht dargestellt) durch den photothermischen Effekt eine Ablenkung von der Probe weg.

Wird eine zweite Stelle (nur Motorobjektiv 2′ dargestellt) bestrahlt, die um die Strecke Δ x vom Abtaststrahl entfernt ist, so fokus­ siert das Objektiv um ebenfalls Δ x nach.

Das reflektierte Licht gelangt jeweils zurück durch das Motorobjektiv und wird über einen teildurchlässigen Spiegel 5 zur Photodiode 6 geleitet.

Ihre Signale werden von Elektronik und Rechner 7 ausgewertet.

Claims (4)

1. Verfahren zur photothermischen Materialprüfung mit dem Mirage- Effekt an Proben mit rauhen oder unebenen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Rauhheit oder Unebenheit an der Prüf­ stelle verursachte Entfernungsänderung zwischen ihr und dem Abtast­ strahl gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Entfernungsänderung optisch über die Fokussierung des Anregungs­ strahls erfolgt in der Weise, daß das von der Probe reflektierte Licht zu einem optoelektronischen Sensor gelenkt wird, der sein Signal in Abhängigkeit von der Lichtfleckgröße an der Prüfstelle ändert.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinse in Richtung des Anregungsstrahls beweglich ist und in Abhängigkeit vom optoelektronischen Sensorsignal so nachgeführt wird, daß auf die bestrahlte Stelle immer der kleinste Strahlfleck fällt und das Maß der Nachfokussierung identisch mit der Entfernungsänderung ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Entfernungsänderung einer durch diese Ent­ fernungsänderung verursachten Änderung des Meßsignals (Amplitude und Phase) zugeordnet und von den Signaländerungen, die durch die zu messenden Materialeigenschaften verursacht werden, unter­ schieden werden kann.