DE3813258A1 - Verfahren zur beruehrungslosen und zerstoerungsfreien pruefung von absorptionsfaehigen materialien und vorrichtung zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungs­ losen und zerstörungsfreien Prüfung von absorptionsfähigen Materialien auf ihre integre Struktur, insbesondere zur Ober­ flächenprüfung, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung, welche die gattungsgemäßen Merkmale verwirklicht, sind bekannt durch die DE-OS 35 10 314. Dabei wird der sog. fotothermische Effekt auf zweierlei Weise ausgenutzt: Zum einen wird der sog. Mirage-Effekt ausgenutzt, indem bei einer ebenen Materialober­ fläche die vom Lichtstrahl, insbesondere einem Laserlichtstrahl, beeinflußte Zone von einem parallel zur und dicht oberhalb der Materialoberfläche gerichteten Laserstrahl abgetastet wird, wobei die Richtungsänderung des Laserstrahls (aufgrund einer Änderung des Brechungsindexes der Luftschichten in der Nähe der erwärmten Oberfläche) nach der Lichtbestrahlung gemessen wird. Der andere spezielle Effekt, der ausgenutzt wird, ist der, daß sich die beleuchtete Oberfläche aufgrund ihrer Erwärmung ausdehnt und ihr Reflexionsverhalten ändert. Unter Ausnutzung dieses speziellen Effektes wird bei einer unebenen, aber reflektierenden Materialoberfläche die vom Lichtstrahl beeinflußte Zone von einem im spitzen Einfalls­ winkel zum Lichtstrahl gerichteten Laserstrahl abgetastet, wobei die Richtungsänderung des reflektierten Laserstrahls nach der Lichtbestrahlung gemessen wird.

Diese beiden Methoden haben sich an sich bewährt, sind in ihrem Auflösungsvermögen jedoch beschränkt. Hierzu einige grundsätz­ liche Ausführungen. Das Grundprinzip von fotothermischen Meßverfahren basiert auf der periodischen Bestrahlung einer Prüfoberfläche mit Licht und Auswertung der dadurch in den oberflächen-nächsten Schichten erzeugten Wärmesignale. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß ein im Verhältnis zu seiner Umgebung erwärmter Körper immer bestrebt ist, dieses Mehr an Wärme abzugeben: Der Körper strahlt Wärme ab. Dabei entstehen die sog. Wärmewellen. Durch Messung dieser Wärmewellen-Signale können Tiefeninformationen und Informationen über die Materialbeschaffenheit der Oberfläche gewonnen werden, z.B. können ermittelt werden Änderungen der Schichtdicken von Oberflächen, aber auch Risse, Einschlüsse und Delaminationen, dies alles naturgemäß zerstörungs- und berührungsfrei. Beim gattungsgemäßen fotothermischen Oberflächenprüfverfahren bestrahlt eine intensive Lichtquelle, insbesondere ein Laser (Anregungsstrahl) die Oberfläche, wobei der Strahl moduliert, d.h. insbesondere periodisch unterbrochen wird. Das Licht wird an der Oberfläche teilweise in Wärme umgewandelt. Diese Wärme dringt in das Material ein. Entscheidend für das Meßsignal ist, wie weit sie eindringt. Dies hängt zum einen von der periodi­ schen Bestrahlungsdauer ab, die durch die Modulationsfrequenz bestimmt wird, zum anderen von den Materialeigenschaften Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme und Dichte. Die genannten Parameter werden zu einer physikalischen Größe - der thermi­ schen Diffusionslänge zusammengefaßt. Sie gibt direkt die Eindringtiefe der Wärmewellen an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, daß bei den Materialuntersuchungen eine Auflösung im µm-Bereich erreicht werden kann, d.h. es sollen sog. Ungänzen im Material erkennbar sein, welche eine Ausdehnung <1µm bis zu wenigen µm haben. Diese Feinst­ strukturen sollen naturgemäß auf einem Monitor oder auf einem Ausdruck darstellbar sein. Eine Unteraufgabe besteht darin, das Verfahren zur Durchführung mit einem mobilen Gerät geeignet zu machen, insbesondere für den Einsatz in rauher Umgebung und an schwer zugänglichen Stellen. Es soll insbesondere auch eine Messung an Metallen und an unebenen Oberflächen ermöglicht sein. Die Gesamtmeßzeit für einen zu untersuchenden Flächenbereich von z.B. 5×5 mm soll nicht zu lange dauern und z.B. 10 bis 20 Minuten betragen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des gattungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, mit welcher es ermöglicht ist, den vor­ stehend aufgeführten Merkmalen der Aufgabe und der Unteraufgabe Rechnung zu tragen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem gattungs­ gemäßen Verfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die Aufgabe der Schaffung einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 8 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Vorrichtungs- Hauptanspruchs 8 sind in den Unteransprüchen 9 bis 11 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß das Auflösungsvermögen gegenüber nach der klassi­ schen Thermographie arbeitenden Meßverfahren vergrößert ist. Die klassische Thermographie ist passiv, d.h., die von einem Prüfling abgegebene Wärme führt zu einem Auflösungsvermögen, das durch die Emissionswellenlänge begrenzt ist. Diese beträgt bei Zimmertemperatur etwa 10µm. In der Praxis führt dies zur dreifachen der Emissionswellenlänge, also 20 bis 30µm. Beim "Wärmemikroskop" nach der Erfindung ist die - extern aufge­ brachte - Wärme durch die Fokusgröße des Lichtflecks lokal nach unten begrenzt. Es können Strukturen bis unter 1µm aufgelöst werden. Die Passivität der klassischen Thermographie läßt weiterhin auch keine Aussage darüber zu, wie sich das Meßsig­ nal zusammensetzt. Es ist vielmehr ein Integral aus Oberflä­ chenanteilen und Anteilen aus dem Materialinneren. Das Wärme­ mikroskop nach der Erfindung bietet die Möglichkeit, die Ein­ dringtiefe der "Wärmewellen" über eine externe und interne Mo­ dulation zu variieren. Damit läßt sich ein Tiefenprofil des Prüflings erstellen. Die meßbare Eindringtiefe ist allerdings begrenzt auf bis zu einigen Millimetern bei guten und bis zu einigen Zehntelmillimetern bei schlechten Wärmeleitern.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung, in welcher ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, das Verfahren nach der Erfindung und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung noch näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit den einzelnen Komponenten Laser, Scanner, Verstärker und Rechner sowie einem vor dem Scanner-Kopf angeordneten zu untersuchenden Werkstück;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Scanner-Kopf mit den zentral angeordneten lichtleitenden Optiken für den Anregungs-Lichtstrahl und den konzentrisch um die Längs­ achse angeordneten IR-Lichtleitern, von denen nur einer dargestellt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen kontinuier­ lich abstrahlenden Laser 1 (cw-Laser) mit einer Dauerleistung von z.B. 10 bis 10³ mW auf. Es kann sich dabei um einen Argon- Laser handeln. Weil auch Metalle untersucht werden, darf die Leistung des Lasers 1 nicht zu klein sein (Metalle haben in dem gegebenen Spektralbereich eine sehr geringe Absorption). Wegen seiner Größe ist der Laser 1 relativ stationär angeord­ net, d.h. relativ zum bewegten Scanner 2; das Laserlicht (An­ regungsstrahl 1.0) wird dem Scanner 2 über ein flexibles Licht­ leiterkabel 3 zugeführt, nachdem es moduliert wurde. Schema­ tisch dargestellt ist das Flügelrad 1.1 eines mechanischen Choppers (sog. externe Modulation). Es ist aber auch eine interne Modulation möglich, wie weiter unten noch erläutert.

Der Scanner 2 ist sowohl ein Beleuchtungs-Scanner (B-Scanner 2 a), welcher mittels (in Fig. 1 nicht ersichtlichen, jedoch in Fig. 2 dargestellten) Kollimatoren 4 und fokussierender Optiken 5 das aus den Sende-Endflächen 3.1 der Lichtleiter 3 austreten­ de Laserlicht 1.0 in einen fokussierten, auf den Prüfling 6 längs einer Scanner-Bahn 7 a bzw. 7 b geworfenen Strahl 100 umformt. Die Scanner-Bahn 7 a besteht aus zueinander konzen­ trischen Kreisen, die Scanner-Bahn 7 b aus einem mäanderförmigen Abtastmuster.

Es wäre grundsätzlich möglich, den Beleuchtungs-Scanner 2 a ge­ trennt von einem Abtast-Scanner 2 b auszubilden; besonders vor­ teilhaft ist jedoch die dargestellte Ausführungsform, bei der der Abtast-Scanner 2 b mit dem Beleuchtungs-Scanner 2 a zu einem einzigen Scanner 2 baulich vereinigt ist, wobei beide Scanner 2 a, 2 b einen gemeinsamen Antriebskopf 2.1 zum Vorschub des An­ regungs-Lichtstrahls 100 und der Empfangsflächen 8.1 der IR- Lichtleiter 8 (vgl. Fig. 2) längs der vorgegebenen Prüfbahnen 7 a bzw. 7 b aufweisen. Infolgedessen ist ein gemeinsamer Meßkopf 9 für Beleuchtungs- und Abtast-Scanner 2 a, 2 b vorgesehen (vgl. Fig. 2). An diesem Meßkopf 9 enden, wie bereits erwähnt, die IR-Lichtleiter 8 mit ihren Empfangs-Endflächen 8.1; mit ihren anderen Enden sind die IR-Lichtleiter 8 an wenigstens einen im Scanner 2 untergebrachten IR-Detektor 10 angeschlossen. Dieser formt die IR-Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale um, welche über eine Signalleitung 11 einer Verstärker-Baueinheit 12 zugeführt werden. In dieser werden die im IR-Detektor 10 gewonnenen, dem Wärmewellen-Bild analogen elektrischen Signale verstärkt und über ein Kabel 13, das ebenso wie das Kabel 11 abgeschirmt ist, in die elektroni­ sche Auswerte-Einheit 14 eingespeist. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine elektronische Datenverarbeitungs-Anlage in Form eines Tischrechners bzw. Personal Computers, der 16 Bit bzw. 32 Bit-Klasse mit Monitor 14.1 und Tastatur (Keyboard) 14.2. Der zugehörige Drucker ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es kann sich dabei insbesondere um einen Vielfar­ bendrucker handeln, auf dessen Farbdrucken die Fehlstellen durch eine geeignete Farbkennung sehr gut hervorgehoben werden können.

Der Antriebskopf 2.1 weist in seinem Inneren Mittel zum Vorschub in x- und y-Richtung auf, wie durch das perspektivische Koordi­ natenkreuz 15 angedeutet ist. Zum Zwecke der Adaption des Meß­ kopfes 9 (Fig. 2) an rauhere Oberflächen des Prüflings 6 weist der Antriebskopf 2.1 bevorzugt auch einen Antrieb zum Vorschub in z-Richtung auf.

Den in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellten Meßkopf muß man sich als einen kleinen "Rüssel" vorstellen, der wegen der kleinen Baugröße in Fig. 1 nicht dargestellt werden konnte; er ragt gewissermaßen aus dem Antriebskopf 2.1 heraus. Der Meß­ kopf 9 ist in einer konisch verjüngten Hülse 16 untergebracht und zentriert, welche mit ihrem Ringflansch 16.1 mittels einer Überwurfmutter 17 gegen das Joch 18 des Antriebskopfs 2.1 des Scanners 2 verspannt ist. Mit 19 sind Pass-Stücke im Inneren des Scanners 2 bezeichnet, welche der genauen, schwingungs­ sicheren Führung des zentralen Lichtleiterkabels 3 und der kranzförmig konzentrisch um diesen zentralen Lichtleiter 3 gruppierten Anordnung der IR-Lichtleiter 8 dienen. Das zen­ trale Pass-Stück 19.1 fixiert den Lichtleiter 3 und dessen Sende-Endfläche, von dem der Lichtkegel 20 auf die Kollimator- Lichtlinse 4 geworfen wird. Diese formt den Lichtkegel 20 in ein paralleles Strahlenbündel 21 um, welches von der nachge­ schalteten Konvex-Linse 5 zum eigentlichen Beleuchtungsstrahl 100 fokussiert wird. Bei dem Kollimator-Halteteil 22 und dem in dieses eingesetzten Linsen-Halteteil 23 handelt es sich ebenso wie bei der Hülse 9 um Präzisionsteile des Feinwerkbaus. Der Antriebskopf 2.1 kann mittels einer Präzisions-Pendellagerung innerhalb des Scanners 2 gelagert sein, mit welcher es möglich ist, den Beleuchtungsstrahl 100 und entsprechend die Empfangs­ flächen 8.1 auf Kreisbahnen um die Zentralachse z-z zu führen oder aber längs der mäanderförmigen Bahnen 7 b. Der z-Vorschub kann mittels Fein-Spindel und zugehöriger Wandermutter erfolgen (die Antriebselemente sind im einzelnen nicht dargestellt).

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung verwirklicht nun das gattungsgemäße Verfahren, wobei als Abtastsignale die von der beleuchteten Materialoberfläche 6.1 abgestrahlten Infra­ rotlicht-Signale verwendet werden. Diese werden mittels wenig­ stens einer Empfangssonde (Meßkopf 9) eines Scanners 2 abge­ tastet und in die IR-lichtleitenden IR-Lichtleiter 8 über deren Empfangsflächen 8.1 eingekoppelt. Diese Infrarotlich-Signale werden über die IR-Lichtleiter 8 wenigstens einem Detektor 10 zugeführt, welcher die IR-Signale in entsprechende elektrische Signale umformt und dann verstärkt. Beim Beleuchtungs- und Ab­ tastvorgang wird der Scanner 2, in welchen sowohl ein Beleuch­ tungs-Scanner 2 a als auch ein Abtast-Scanner 2 b integriert sind, bewegt, wogegen die Materialprobe (Prüfling 6) stillsteht. Als Anregungs-Lichtstrahl 100 wird insbesondere Laserlicht verwendet. Das von einem relativ stationären Laser 1 mittels Lichtleiter 3 und lichtleitenden Optiken 4, 5 abgenommene, weitergeleitete und fokussierte Laserlicht wird vom Scanner 2 auf die Prüfling-Oberfläche 6.1 geworfen. Das Laserlicht wird entweder extern moduliert, z.B. durch den Chopper 1.2. Es ist jedoch auch eine interne Modulation möglich. Die von der Modulationsfrequenz abhängige Eindring­ tiefe bei vorgegebenem Material ist auch durch eine definierte Verschiebung des Lichtstrahles mit festgelegter Geschwindigkeit über dem Prüfling zu erzielen. Es läßt sich dann aus Fokus­ größe und Scan-Geschwindigkeit eine mittlere Verweildauer pro Flächenelement ermitteln. Der Rechner 14 wird sowohl zur Steue­ rung des Antriebskopfes 2.1 des Scanners 2 verwendet, als auch zur Auswertung der Meßsignale. Um eine hohe Meßgeschwindigkeit zu erreichen, muß die träge Masse des Meßkopfes 9 ("Rüssel") möglichst klein sein. Deshalb ergeben sich auch hohe Anforderungen an die Miniaturisierung der Fokussieroptik und der Übertragungselemente für die IR-Strahlung. Der aus dem Laserlichtleiter 3 austretende Strahl 20 ist divergent. Wie er­ wähnt, macht der Kollimator 4 das Strahlenbündel parallel. (Strahlabschnitt 21). Die Fokussierlinse 5 bündelt den Strahl auf die erforderliche minimale Fleckgröße. Um z.B. mehrere Linien eines Argon-Lasers nutzen zu können (die Laserleistung kann dann kleiner gewählt werden), muß die Optik chromatisch korrigiert werden; daher werden auf einen Durchmesser von z.B. 1,8 mm geschliffenen kurzbrennweitige Achromate verwendet. Der hiermit erreichbare Fokusdurchmesser beträgt 5µm.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Verfahrens ergibt sich dadurch, daß es zur Härteprüfung bis zu ≈ 1000µm Tiefe ein­ setzbar ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung von absorptionsfähigen Materialien auf ihre integre Struktur, insbesondere zur Oberflächenprüfung, wobei das Material örtlich einer Bestrahlung mit einem insbesondere modulierten Licht­ strahl ausgesetzt wird, der aufgrund des sog. fotothermischen Effektes im Material absorptions-bedingt einen Temperatur­ anstieg und eine strukturelle Veränderung bewirkt, welche abge­ tastet und so zur Gewinnung von Abtastsignalen herangezogen werden, wobei die örtlich und zeitlich phasenverschoben zu dem auftreffenden Anregungs-Lichtstrahl gewonnenen Abtastsignale zu einem den Gefügezustand des untersuchten Flächenbereiches wiedergebenden Abbild (Wärmewellenbild) verarbeitet werden, mit den weiteren Merkmalen,

• - daß als Abtastsignale die von der beleuchteten Materialober­ fläche abgestrahlten Infrarotlicht-Signale verwendet werden,
• - daß diese Infrarotlicht-Signale mittels wenigstens einer Empfangssonde eines Abtast-Scanners (2 b) abgetastet und in IR-Licht leitende Lichtleiterfasern (IR-Lichtleiter (8)) einge­ koppelt werden,
• - und daß die in die IR-Lichtleiter (8) eingekoppelten Infrarot-Lichtsignale einem Infrarotlicht-Detektor (10) zuge­ führt und verstärkt werden, wobei der Infrarotlicht-Detektor (10) die Infrarotlicht-Signale in entsprechende elektrische Signale umformt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anre­ gungs-Lichtstrahl (100) und der Abtast-Scanner (2 b) bewegt werden und die Materialprobe (6) still steht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anre­ gungs-Lichtstrahl (1.0; 100) Laserlicht verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser­ licht (1.0) von einem feststehenden Laser (1) mittels Lichtleitern (3) und lichtleitender Optiken (4, 5) abgenommen und fokussiert wird und einem das Laserlicht auf die Oberfläche (6.1) der Materialprobe (6) werfenden Scanner (2) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser­ licht (1.0) den Lichtleitern (3) über einen Modulator (1.1) zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur exter­ nen Modulation ein mechanischer Chopper (1.1) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine externe Modulation des Laserstrahls, indem der Laserstrahl (100) mit festgelegter Geschwindigkeit über den Prüfling (6) verschoben wird, wobei durch die Fokusgröße und Scangeschwindigkeit eine mittlere Verweildauer pro Flächenelement definiert ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bestehend aus:

• - wenigstens einem Laser (1), der relativ zu einem bewegten Beleuchtungs-Scanner (2 a) feststeht und diesem über flexible Lichtleiter-Kabel (3) das Laserlicht (1.0) zuleitet;
• - dem genannten Beleuchtungs-Scanner (2 a), welcher mittels Kollimatoren (4) und fokussierender Optiken (5) das aus den Sende-Endflächen (3.1) der Lichtleiter (3) austretende Laser­ licht (20) in einen fokussierten, auf den Prüfling (6) längs einer Scanner-Bahn (7 a; 7 b) geworfenen Lichtstrahl (100) umformt;
• - einem Abtast-Scanner (2 b), an dessen Meßkopf (9) die IR-Licht­ leiter (8) mit ihren Empfangs-Endflächen (8.1) enden, wobei die IR-Lichtleiter (8) an wenigstens einen, im Abtast-Scanner (2 b) untergebrachten IR-Detektor (10) angeschlossen sind;
• - einer Verstärker-Baueinheit (12), die dem IR-Detektor (10) nachgeschaltet ist und die im IR-Detektor (10) gewonnenen, dem Wärmewellen-Bild analogen elektrischen Signale verstärkt und
• - einer der Verstärker-Baueinheit (12) nachgeschalteten elektronischen Auswerte-Einheit (14), welcher die verstärkten elektrischen Wärmewellen-Signale vom Verstärker (12) zugeleitet werden, bevorzugt in Form eines Tischrechners mit Tastatur (14.2), Monitor (14.1) und Drucker.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtungs- und Abtast-Scanner (2 a; 2 b) zu einem einzigen Scanner (2) baulich miteinander vereinigt sind und einen gemeinsamen Antriebskopf (2.1) zum Vorschub des Anregungs- Lichtstrahls (100) und der IR-Lichtleiter-Empfangsflächen (8.1) längs der vorgegebenen Prüfbahn (7 a; 7 b) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ triebskopf (2.1) Mittel zum Vorschub in x- und y-Richtung und - zum Zwecke der Adaption an rauhere Oberflächen des Prüf­ lings - auch in z-Richtung aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Meß­ kopf (9) des Scanners (2) ein Kranz von IR-Lichtleiterfasern oder -Kabeln (8) um einen zentralen Beleuchtungskanal (z-z) konzentrisch gruppiert ist.