DE3710323C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photothermi­ schen Untersuchung eines Materials auf Inhomogenitäten durch Ausnutzen des Mirage-Effektes, bei dem die Oberfläche des zu untersuchenden Materials mit einem in seiner Intensität modulierten, fokussierten Anregungsstrahl zur Erzeugung einer Wärmewelle im zu untersuchenden Material bestrahlt wird und über den bestrahlten Bereich parallel und dicht zur Oberfläche des zu untersuchenden Materials ein Abtaststrahl geführt wird, dessen Ablenkung infolge einer Bre­ chungsindexänderung des den bestrahlten Bereich umgebenden Mediums durch die periodische Erwärmung bezüglich ihrer Amplitude und Phase zur Amplitude und Phase des Anregungsstrahls als Meßsignal ausgewertet wird.

Aus der DE 35 10 314 A1 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem es erforderlich ist, daß die Mate­ rialoberfläche eben und frei von Rauhigkeiten ist, um ein reproduzierbares genaues Meßsignal zu erhalten. Vertiefungen in der Materialoberfläche führen bei dem bekannten Verfahren zu Meßfehlern, da durch diese Vertiefungen der Abstand zwischen dem Abtaststrahl und der Materialoberfläche größer wird.

Dies führt zu einem Fehler, der sich dadurch ergibt, daß in einem größer werdende Abstand von der Mate­ rialoberfläche die horizontale Ausdehnung des Bereichs mit einem vergrößerten Brechungsindex kleiner wird. Da der Abtaststrahl dann einen kürzeren Weg durch einen Bereich mit verändertem Brechungsindex zurücklegt, ergibt sich eine kleinere Ablenkung.

Ein zweiter Meßfehler entsteht dadurch, daß bei ver­ größertem Abstand zwischen dem Abtaststrahl und der Materialoberfläche eine zusätzliche Phasenverzögerung auftritt, da die Wärmewelle einen größeren Weg im Medium oberhalb der Materialoberfläche zurücklegen muß.

Aus der DE 33 13 784 A1 ist ein Optikkopf mit einer Objektivlinse bekannt, die zur genauen Einstellung ihres Brennpunktes in Ausbreitungsrichtung eines Laserlichtbündels mit Hilfe einer von einem Steuer­ strom durchflossenen und einem Permanentmagneten zugeordneten Spule bewegbar ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Prüfverfahren der eingangs genannten Art auch für unebene und rauhe Oberflächen verfügbar zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Messen der durch Rauhheit oder Unebenheit zwischen der Oberfläche des zu untersuchenden Materials und dem Abtaststrahl verursachten Abstandsänderung in dem bestrahlten Bereich, Zuordnen der durch die Abstands­ änderung verursachten Änderung der Amplitude und der Phase des Meßsignals zu dieser Abstandsänderung und Korrigieren des erfaßten Wertes für die Amplitude und Phase der Ablenkung des Abtaststrahles mit dem durch die Abstandsänderung verursachten Anteil des Meßsi­ gnals zur Bestimmung der Inhomogenitäten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, die in einer einzigen Figur ein Prinzipschaltbild einer für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung zeigt.

Ein Laser 1 sendet einen parallelen Lichtstrahl aus, der durch einen teildurchlässigen Spiegel 5 hin­ durchtritt und auf ein Motorobjektiv 2 fällt. Das Motorobjektiv 2 fokussiert den Lichtstrahl als Anregungsstrahl auf die Oberfläche einer Probe 3, die hier übertrieben uneben gezeichnet ist.

Der auf das absorptionsfähige Material der Probe 3 fokussierte Lichtstrahl ist moduliert (periodisch unterbrochen). Der absorbierte Anteil dieses Lichts pflanzt sich als Wärmewelle mit gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Phase im Material der Probe 3 fort. Inhomogenitäten im Material, sowohl eingebrachte wie ungewollte, wirken sich dabei charakteristisch auf diese Ausbreitung aus. Ein Teil der Wärmewelle gelangt wieder an die Oberfläche der Probe 3 in unmittelbarer Nähe der Bestrahlungsstelle. Hier erwärmt sie das um­ gebende Medium periodisch. Im allgemeinen handelt es sich bei dem umgebenden Medium um Luft. Die Erwärmung führt zu einer Änderung des Brechungsindexes des Me­ diums, das zu der Ausbildung einer thermischen Linse führt.

Ein Abtaststrahl 4 in der Gestalt eines Laserstrahls wird parallel und dicht zur Oberfläche der Probe 3 geführt. Der Abtaststrahl 4 kreuzt den fokussierten Anregungsstrahl. In diesem Bereich ist die thermische Linse ausgebildet, die den Abtaststrahl 4 von der Probe 3 weg ablenkt. Diesen Effekt bezeichnet man als photothermischen Mirage-Effekt in Anlehnung an Luftspiegelungen an heißen Tagen. Mit geeigneten in der Zeichnung nicht dargestellten Sensoren, wie sie z. B. in der DE 35 10 314 A1 beschrieben sind, läßt sich diese Ablenkung messen. Sowohl die Signalamplitude als auch die Phasendifferenz zwischen dem Anregungsstrahl und der Wärmewelle hängen von Abstand X des Abtast­ strahls 4 zur bestrahlten Probenstelle der Probe 3 ab.

Die exakte mathematische Beziehung zwischen Entfer­ nungsänderungen einerseits und Amplituden- bzw. Phasen­ änderung andererseits ist aber nur von den Eigenschaf­ ten des das Materials umgebenden Mediums, im allge­ meinen Luft, und von der Modulationsfrequenz abhängig. Damit ist diese Beziehung durch eine einmalige Versuchsmessung unter bekannten Versuchsbedingungen ermittelbar.

Ein Teil des von der Probe 3 reflektierten Abtast­ strahls wird vom Objektiv des Motorobjektivs 2 erfaßt. Es fällt durch das Motorobjektiv 2 hindurch und wird über den teildurchlässigen Spiegel 5 zu einer Photo­ diode 6 geleitet. Das aufgenommene Meßsignal der Photodiode 6 wird von einer Elektronik und einem Rechner 7 ausgewertet. Dem Detektorsignal der Photo­ diode 6 läßt sich ein definierter Abstand des Motorob­ jektivs 2 von der Probe 3 zuordnen, da die vom bestrahlten Material der Probe 3 reflektierten Strahlen im Querschnitt sich in Abhängigkeit vom Lichtfleckdurchmesser an der bestrahlten Stelle ändern.

Diese Zuordnung gilt jedoch nur für unveränderte Reflexionseigenschaften an jeder Prüfstelle, was auf die meisten Materialien gerade nicht zutrifft. Außerdem werden durch die Vergrößerung des Licht­ fleckes auf der Probe 3 sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Bestrahlungsbedingungen nachteilig verändert.

Der kleinste Lichtfleck zeichnet sich durch einen Extremwert der von der Photodiode 6 empfangenen Intensität oder eine besondere Symmetrie für die bestrahlte Stelle aus. Er ist hiermit unabhängig vom Absolutwert der Intensität, also auch von den Reflexionseigen­ schaften der Probe.

Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Motorob­ jektiv 2 und der Probe 3 verändert sich das Detektor­ signal der Photodiode 6. Bei einem zweiten Meßpunkt, der z. B. um eine Strecke δ X weiter zum Abtaststrahl liegt, erfolgt eine optoelektronische Registrierung dieser Änderung. Die Fokussierlinse wird elektro­ motorisch zur Erzeugung des kleinsten Lichtfleckes nachgefahren. Da die Strahlführung des Abtaststrah­ les 4 starr mit dem Anregungsstrahl gekoppelt ist, ist die festgestellte Abstandsänderung δ X des Motor­ objektivs 2 von der Probe 3 identisch mit der Ab­ standsänderung bezüglich des Abtaststrahles 4.

Die optoelektronische Registrierung der Änderung führt zum Nachfokussieren des Objektiv, indem der Rechner 7 den dazu erforderlichen Strom für das Verfahren des Objektivs des Motorobjektivs 2 liefert. Der hierzu notwendige Strom ist ein Maß für die Abstandsänderung.

In einem Eichschritt unter Laborbedingungen wird eine Materialstelle konstant bei Veränderung des Abstandes dieser Probenstelle vom Abtaststrahl bestrahlt, indem die auf einem Feinmeßtisch befestigte Probe 3 defi­ niert verfahren wird, während die Strahlführung des Abtaststrahles 4 starr mit der Anregungseinheit gekoppelt ist. Die jeweilige Änderung des photo­ thermischen Signals in Amplitude und Phase wird dabei mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt.

Beim Meßvorgang wird von einem definierten Abstand Probe 3 - Abtaststrahl 4 ausgegangen. Das hierbei gemessene photothermische Signal wird mit der will­ kürlich gewählten Entfernungsänderung 0 in Beziehung gesetzt. Bei einer auftretenden Entfernungsänderung δ X ändert sich die Größe des Lichtfleckes. Das Objektiv im Motorobjektiv 2 wird deswegen elektromotorisch verfahren, so daß bei einem um eine Strecke δ X größeren Abstand des Motorobjektivs 2 von der Proben­ oberfläche der Probe 3 der Lichtstrahl des Lasers 1 auf die Probenoberfläche fokussiert wird. Diese ist schematisch mit dem Motorobjektiv 2′ dargestellt, bei dem das Objektiv im Verhältnis zum Objektiv des Motorobjektivs 2 um die vorbenannte Strecke δ X näher an die Probe 3 herangefahren ist. Der hierzu erforder­ liche Strom wird gleichzeitig als Meßwert an den Rechner übergeben, dort in eine entsprechende Ampli­ tuden- bzw. Phasenänderung des photothermischen Meßwertes umgerechnet und vom Meßsignal subtrahiert. Es bleibt die reine, von einer Abstandsänderung befreite, material-spezifische photothermische Meßgröße übrig.

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

Claims (3)

1. Verfahren zur photothermischen Untersuchung eines Materials auf Inhomogenitäten durch Ausnutzen des Mirage-Effektes, bei dem die Oberfläche des zu untersuchenden Materials mit einem in seiner Intensität modulierten, fokussierten Anregungs­ strahl zur Erzeugung einer Wärmewelle im zu untersuchenden Material bestrahlt wird und über den bestrahlten Bereich parallel und dicht zur Oberfläche des zu untersuchenden Materials ein Abtaststrahl geführt wird, dessen Ablenkung infolge einer Brechungsindexänderung des den bestrahlten Bereich umgebenden Mediums durch die periodische Erwärmung bezüglich ihrer Amplitude und Phase zur Amplitude und Phase des Anregungs­ strahles als Meßsignal ausgewertet wird, ge­ gekennzeichnet durch Messen der durch Rauhheit oder Unebenheit zwischen der Oberfläche des zu untersuchenden Materials und dem Abtaststrahl verursachten Abstandsänderung in dem bestrahlten Bereich, Zuordnen der durch die Abstandsänderung verursachten Änderung der Amplitude und der Phase des Meßsignals zu dieser Abstandsänderung und Korrigieren des erfaßten Wertes für die Amplitude und Phase der Ablenkung des Abtaststrahles mit dem durch die Abstandsän­ derung verursachten Anteil des Meßsignals zur Bestimmung der Inhomogenitäten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erfassung der Abstandsänderung ein Nachfokussieren des Anregungsstrahles durchge­ führt wird und der zur Nachführung einer Fokus­ sierlinse erforderliche Steuerstrom erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anregungsstrahl nach seiner Re­ flexion an der Oberfläche des zu untersuchenden Materials über einen teildurchlässigen Spiegel zu einem optoelektronischen Sensor ausgekoppelt wird, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Lichtfleckgröße des Anregungsstrahls in dem be­ strahlten Bereich ist und zur Nachführung der Fokussierlinse verwendet wird.