RU2073851C1

RU2073851C1 - Device for remote non-destructive flaw detection

Info

Publication number: RU2073851C1
Application number: RU92007704A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Берников; С.С. Гапонов; В.И. Туринов
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Исток"
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: manufacturing of electronic devices. SUBSTANCE: device has laser, reflector, infrared receiver, converging thin lens and long- wave optical filter. Reflector is designed as extended rotation ellipsoid, which is cut in its focuses by planes which are orthogonal to its major optical axis at which lens is located. Angular lens aperture, sight angle of infrared receiver, distance between first focus of ellipsoid and lens, distance between lens and second focus of ellipsoid depend on characteristics of converging lens according to general equation for thin lenses. Inner surface of ellipsoid is rough, so that it scatters reflected shot-wave laser beam and reflects heat from heated point of sampled material in spectral range of infrared receiver. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам неразрушающего контроля материалов преимущественно в твердотельной микроэлектронике. The invention relates to measuring technique, and in particular to methods of non-destructive testing of materials mainly in solid-state microelectronics.

Известно устройство для неразрушающего контроля материалов, содержащее источник модулированного излучения и два термодатчика, установленные на образце на некотором расстоянии друг от друга [1] действующее на основе эффекта сдвига фазового угла тепловой поверхности волны, создаваемой модулированным световым пучком, который измеряют термодатчиками на фиксированном расстоянии от светового пятна в зависимости от частоты либо на фиксированной частоте в зависимости от расстояния. По сдвигу фазового угла тепловой волны, который зависит от толщины поверхностного слоя, а также от наличия дефектов в поверхностном слое, определяют толщину поверхностного слоя либо глубину залегания дефектов. A device for non-destructive testing of materials is known, containing a modulated radiation source and two temperature sensors mounted on the sample at a certain distance from each other [1] acting on the basis of the phase angle shift of the thermal surface of the wave created by the modulated light beam, which is measured by temperature sensors at a fixed distance from light spot depending on frequency or at a fixed frequency depending on distance. The phase angle of the heat wave, which depends on the thickness of the surface layer, as well as on the presence of defects in the surface layer, determines the thickness of the surface layer or the depth of the defects.

Недостатками данного технического решения являются
низкая пространственная разрешающая способность из-за необходимости контакта термодатчиков с поверхностью образца, что ограничивает минимальные размеры объектов, которые могут быть исследованы;
низкая температурная разрешающая способность, так как в области контакта термодатчика с образцом тепловая поверхностная волна неизбежно претерпевает искажение;
ограниченная область применения, так как распространение тепловой поверхностной волны во все стороны от зондирующего светового пучка, вследствие чего высокая доля тепловой энергии бесполезно рассеивается, требует большой оптической мощности облучения образца и нагрева его до высокой температуры.The disadvantages of this technical solution are
low spatial resolution due to the need for thermal sensors to contact the surface of the sample, which limits the minimum size of objects that can be examined;
low temperature resolution, since in the contact area of the temperature sensor with the sample, the thermal surface wave inevitably undergoes distortion;
limited scope, since the propagation of a thermal surface wave in all directions from the probing light beam, as a result of which a high fraction of thermal energy is uselessly dissipated, requires a large optical power to irradiate the sample and heat it to a high temperature.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) изобретения является устройство для определения степени очистки металлической поверхности [2] включающее осветитель, состоящий из лампы накаливания, объектива и плоского зеркала, приемник и отражатель в виде вытянутого эллипсоида вращения, усеченного плоскостями, ортогональными большой оптической оси и проходящими через его фокусы, в одном из которых расположен исследуемый образец, а в другом приемник излучения, на который эллипсоидальной поверхностью концентрируется диффузно отраженное излучение, несущее информацию о качестве очистки поверхности образца. The closest technical solution (prototype) of the invention is a device for determining the degree of cleaning of a metal surface [2] including a illuminator consisting of an incandescent lamp, a lens and a flat mirror, a receiver and a reflector in the form of an elongated rotation ellipsoid, truncated by planes orthogonal to the major optical axis and passing through its foci, in one of which the sample under study is located, and in the other, a radiation detector, on which the diffusely reflects an ellipsoidal surface read only radiation that carries information about the quality of cleaning of the sample surface.

Плоское зеркало расположено между приемником и образцом на большой оптической оси эллипсоида под углом к ней и служит для подачи от лампы накаливания излучения на образец и вывода из эллипсоида зеркально отраженной от образца составляющей излучения обратно в осветитель. A flat mirror is located between the receiver and the sample on the large optical axis of the ellipsoid at an angle to it and serves to supply radiation from the incandescent lamp to the sample and to output the radiation component reflected from the sample from the ellipsoid back into the illuminator.

Внутренняя поверхность эллиптического отражателя полирована и алюминирована. The inner surface of the elliptical reflector is polished and aluminized.

Недостатками данного технического решения являются
перекрывание плоским зеркалом основной составляющей диффузно отраженного от образца излучения (несущего информацию), так как диаграмма направленности диффузно отраженного излучения, а также теплового излучения подчиняется закону косинуса Ламберта, имеет максимальную величину по нормали к поверхности образца, то есть на оптической оси отражателя;
ограничение области применения образцами с относительно гладкой поверхностью;
невысокая помехозащищенность из-за того, что в конструкции не предусмотрена защита приемника от зеркального излучения, отраженного у образцов с углами разориентации участков поверхности, превышающими угловые размеры плоского зеркала, под какими оно видно из фокуса отражателя, где установлен образец. В этом случае не исключены попадание на образец переотраженного в отражателе зеркального излучения и появление ложного сигнала.The disadvantages of this technical solution are
overlapping by a flat mirror the main component of radiation (carrying information) diffusely reflected from the sample, since the radiation pattern of diffusely reflected radiation, as well as thermal radiation, obeys the Lambert law of cosine, has a maximum value normal to the surface of the sample, that is, on the optical axis of the reflector;
limiting the scope to samples with a relatively smooth surface;
low noise immunity due to the fact that the design does not provide for the protection of the receiver from specular radiation reflected in samples with misorientation angles of surface areas exceeding the angular dimensions of a flat mirror, under which it is visible from the focus of the reflector where the sample is installed. In this case, hit on the specimen of specularly reflected radiation in the reflector and the appearance of a false signal are not excluded.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение температурной чувствительности и пространственной разрешающей способности, а также повышение помехозащищенности, тем самым расширение области применения. An object of the present invention is to increase the temperature sensitivity and spatial resolution, as well as to increase the noise immunity, thereby expanding the scope.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактного неразрушающего контроля материалов, содержащее осветитель, оптическую фокусирующую систему в виде вытянутого эллипсоида вращения, усеченного плоскостями, ортогональными его большой оптической оси и проходящими через его фокусы, в первом из которых расположен исследуемый образец, во втором - ИК-приемник, содержит собирающую тонкую линзу и длинноволновой оптический фильтр, установленный перед ИК-приемником, причем собирающая линза установлена на большой оптической оси эллипсоида между оптическим фильтром и первым фокусом эллипсоида так, что ее главная оптическая ось совпадает с большой оптической осью эллипсоида, а апертурный угол линзы, угол обзора ИК-приемника, расстояние от первого фокуса эллипсоида до линзы и расстояние от линзы до второго фокуса эллипсоида связаны с параметрами собирающей линзы общей формулой тонкой линзы, луч осветителя проходит вне апертурного угла линзы, край полосы поглощения длинноволнового оптического фильтра больше длинноволновой границы спектра излучения осветителя, но меньше коротковолновой границы спектральной чувствительности ИК-приемника. This object is achieved in that a device for non-destructive non-destructive testing of materials, containing a illuminator, an optical focusing system in the form of an elongated ellipsoid of revolution, truncated by planes orthogonal to its major optical axis and passing through its foci, in the first of which the sample under study is located, in the second The IR receiver comprises a collecting thin lens and a long wavelength optical filter mounted in front of the IR receiver, wherein the collecting lens is mounted on a large optical the axis of the ellipsoid between the optical filter and the first focus of the ellipsoid so that its main optical axis coincides with the large optical axis of the ellipsoid, and the aperture angle of the lens, the viewing angle of the IR receiver, the distance from the first focus of the ellipsoid to the lens and the distance from the lens to the second focus of the ellipsoid with the parameters of the collecting lens with the general formula of a thin lens, the illuminator beam passes outside the aperture angle of the lens, the edge of the absorption band of the long-wavelength optical filter is larger than the long-wavelength border of the radiation spectrum For, but less than the short-wavelength limit of the spectral sensitivity of the IR receiver.

Внутренняя поверхность отражателя выполнена шероховатой, диффузно рассеивающей излучение осветителя и зеркальной в спектральном диапазоне чувствительности ИК-приемника. The inner surface of the reflector is made of a rough, diffusely scattering radiation from the illuminator and a mirror in the spectral sensitivity range of the IR receiver.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 дана оптическая схема устройства, где показаны лазер 1, отражатель 2, выполненный в форме вытянутого эллипсоида вращения, усеченного в фокусах плоскостями, ортогональными его большой оптической оси, отверстие для ввода луча лазера 3, ИК-приемник 4, установленный во втором фокусе эллипсоида, собирающая тонкая линза 5 (в крайнем верхнем положении показана 5'), длинноволновой оптический фильтр 6, установленный непосредственно перед ИК-приемником, образец 7, расположенный в первом фокусе эллипсоида, луч теплового излучения 8, разогретая излучением лазера точка на поверхности образца A, крайняя верхняя точка на отражающей поверхности эллипсоида B, крайняя нижняя точка на отражающей поверхности эллипсоида C, расстояние от первого фокуса эллипсоида до линзы M, расстояние от линзы до второго фокуса эллипсоида N, апертурный угол линзы β, линейный угол обзора ИК-приемника q, фокусное расстояние эллипсоида D, малая ось эллипсоида 2b. Figure 1 is an optical diagram of a device showing a laser 1, a reflector 2, made in the form of an elongated ellipsoid of revolution, truncated in foci by planes orthogonal to its large optical axis, an opening for inputting a laser beam 3, an IR receiver 4, mounted in the second focus of the ellipsoid, collecting a thin lens 5 (in the extreme upper position, 5 'is shown), a long-wave optical filter 6, mounted directly in front of the IR receiver, sample 7, located in the first focus of the ellipsoid, the heat radiation beam 8, heated from by laser training, a point on the surface of sample A, an extreme upper point on the reflective surface of an ellipsoid B, an extreme lower point on the reflective surface of an ellipsoid C, a distance from the first focus of the ellipsoid to lens M, a distance from the lens to the second focus of the ellipsoid N, the lens aperture angle β, linear viewing angle of the IR receiver q, focal length of the ellipsoid D, small axis of the ellipsoid 2b.

На фиг. 2 дана схема концентрации теплового излучения эллипсоидальным отражателем на ИК-приемник. Обозначения аналогичны фиг.1. In FIG. Figure 2 gives a diagram of the concentration of thermal radiation by an ellipsoidal reflector on an IR receiver. Designations are similar to figure 1.

Введение в известное устройство собирающей тонкой линзы и расположение ее согласно формулы, а также выполнение отражателя в виде целого вытянутого эллипсоида вращения дают возможность собрать полностью излучение от точечного теплового источника, находящегося в одном фокусе отражателя, на ИК-приемник, установленный в другом фокусе, что приведет к увеличению температурной чувствительности и пространственной разрешающей способности устройства, вследствие чего расширяется его область применения. The introduction into the known device of a collecting thin lens and its arrangement according to the formula, as well as the design of the reflector in the form of a whole elongated ellipsoid of revolution, make it possible to collect completely the radiation from a point heat source located in one focus of the reflector onto an IR receiver mounted in a different focus, which will lead to an increase in temperature sensitivity and spatial resolution of the device, thereby expanding its scope.

Запишем несколько математических соотношений, поясняющих работу устройства. We write some mathematical relations explaining the operation of the device.

В эллипсоидальном отражателе луч 8, выйдя из одного фокуса, попадает в другой фокус по большой оптической оси либо отразившись от эллипсоидальной поверхности. При любом конструктивном исполнении эллипсоидального отражателя, собирающего излучение от точечного теплового источника A, находящегося в одном фокусе отражателя, на ИК-приемник, установленный в другом фокусе, имеется "мертвая зона" (заштрихована на фиг.2), излучение в которой теряется, а в силу ламбертовости приемника и источника оно составляет существенную долю полного излучения источника. С целью повышения чувствительности и разрешающей способности устройства в "мертвую зону" введена фокусирующая линза 3 для сбора излучения из "зоны" на ИК-приемник. Параметры линзы, эллипсоида и приемника связаны следующими соотношениями, которые вытекают из законов геометрической оптики (фиг.1):

где Δ расстояние между фокусами эллипсоида; n, D_o, R₁ и R₂ показатель преломления, диаметр и радиусы кривизны линзы; f_o фокусное расстояние линзы; q линейный угол обзора приемника; b угловая апертура линзы; e эксцентриситет линзы.In an ellipsoidal reflector, beam 8, coming out of one focus, falls into another focus along the large optical axis or is reflected from the ellipsoidal surface. For any design of an ellipsoidal reflector that collects radiation from a point heat source A, located in one focus of the reflector, there is a "dead zone" (shaded in figure 2), the radiation in which is lost, and due to the Lambertian nature of the receiver and source, it constitutes a significant fraction of the total radiation of the source. In order to increase the sensitivity and resolution of the device, a focusing lens 3 was introduced into the "dead zone" to collect radiation from the "zone" to the IR receiver. The parameters of the lens, ellipsoid and receiver are connected by the following relations, which follow from the laws of geometric optics (figure 1):

where Δ is the distance between the foci of the ellipsoid; n, D _o , R ₁ and R ₂ refractive index, diameter and radius of curvature of the lens; f _{o the} focal length of the lens; q linear viewing angle of the receiver; b angular aperture of the lens; e lens eccentricity.

Соотношения (1) и (2) справедливы для оптимального устройства, в котором все указанные выше параметры взаимозависимы и достигается максимальный сбор излучения теплового источника на приемник. Угловая апертура линзы b, угол обзора ИК-приемника q, расстояние M от первого фокуса эллипсоида до линзы и расстояние N от линзы до второго фокуса эллипсоида связаны с параметрами собирающей линзы общей формулой тонкой линзы (1). В таком устройстве потоки излучения, преобразуемые отдельно линзой и отражателем, в сумме дают постоянный поток, равный полному потоку, излучаемому источником A в телесный угол 2π (исключая неизбежные незначительные потери на поглощение в линзе, оптическом фильтре, а также при отражении от реальной поверхности эллипсоида). Положение линзы 5' на большой оптической оси ограничено малой осью эллипсоида 2b, случай, который имеет место только для предельного угла q=π (фиг.1): линза не затеняет отраженный от точки С скользящий луч (не учитываем окантовку линзы). Для углов q<π и конкретного e эллипсоида предельное верхнее положение линзы можно определить из фиг.1 согласно законам геометрической оптики. Например, для θ=60^° и f_o/D_o 1 необходим эллипсоид с ε 0,89. Для этих параметров угловая апертура линзы β=48^°, а предельное верхнее положение линзы M/Δ = 0,14..Relations (1) and (2) are valid for an optimal device in which all of the above parameters are interdependent and the maximum collection of radiation from a heat source to a receiver is achieved. The angular aperture of the lens b, the viewing angle of the IR receiver q, the distance M from the first focus of the ellipsoid to the lens, and the distance N from the lens to the second focus of the ellipsoid are related to the parameters of the collecting lens by the general formula of a thin lens (1). In such a device, the radiation fluxes, converted separately by the lens and the reflector, in total give a constant flux equal to the total flux emitted by the source A to the solid angle 2π (excluding the inevitable slight absorption losses in the lens, the optical filter, and also when reflected from the real surface of the ellipsoid ) The position of the lens 5 'on the large optical axis is limited by the small axis of the ellipsoid 2b, a case that occurs only for the limit angle q = π (Fig. 1): the lens does not obscure the sliding beam reflected from point C (we do not take into account the edging of the lens). For angles q <π and a specific e of the ellipsoid, the maximum upper position of the lens can be determined from Fig. 1 according to the laws of geometric optics. For example, for θ = 60 ^° and f _o / D _o 1, an ellipsoid with ε 0.89 is required. For these parameters, the angular aperture of the lens is β = 48 ^° , and the maximum upper position of the lens is M / Δ = 0.14 ..

Предложенное устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Ультракороткий импульс (≈10^-8c) сфокусированного до ≈15-20 мкм излучения лазера 1 с длиной волны λ_o в видимой (например, лазер на парах меди с λ_o 0,51 мкм) или ближней ИК-области спектра, достаточной мощности поступает через отверстие 3 в отражатель 2 и падает на поверхность непрозрачного образца 7 (например, металлическая пленка на подложке). Часть излучения лазера, поглотившись в образце, приводит к локальному нагреву (мгновенный источник тепла) поверхности в области A до температуры Т (х 0, τ=0). Тепловое излучение ИК-диапазона от области A, модулированное (при охлаждении) временным изменением температуры Т (x=0,τ), скорость изменения которой зависит от неоднородностей подповерхностного слоя образца и его теплофизических констант, уходящее от поверхности внутри угла β, cобирается линзой и фокусируется на приемник. Другая часть излучения области A, излучаемого под углом больше b/2 от нормали к поверхности образца, отразившись зеркально от поверхности эллипсоида, собирается тоже на приемник. Излучение, падающее на приемник 4, вызывает в его цепи изменение сигнала синхронно с изменением температуры в области A. Сигнал усиливается, преобразуется, подается на ЭВМ и после сканирования исследуемой поверхности образца на дисплее получается видеоизображение дефектов подповерхностного слоя.An ultrashort pulse (≈10 ^-8 s) of laser radiation 1 focused at ≈15-20 μm with a wavelength of λ _o in the visible (for example, a copper vapor laser with λ _o 0.51 μm) or near infrared spectrum of sufficient power enters through the hole 3 in the reflector 2 and falls on the surface of an opaque sample 7 (for example, a metal film on a substrate). Part of the laser radiation, absorbed in the sample, leads to local heating (instantaneous heat source) of the surface in region A to a temperature T (x 0, τ = 0). The thermal radiation of the IR range from region A, modulated (upon cooling) by a temporary change in temperature T (x = 0, τ), the rate of change of which depends on the inhomogeneities of the subsurface layer of the sample and its thermophysical constants, leaving the surface inside angle β, is collected by the lens and focuses on the receiver. Another part of the radiation of region A emitted at an angle greater than b / 2 from the normal to the surface of the sample, reflected specularly from the surface of the ellipsoid, is also collected at the receiver. The radiation incident on the receiver 4 causes a signal change in its circuit synchronously with a temperature change in region A. The signal is amplified, converted, fed to a computer, and after scanning the surface of the sample to be examined, a video image of the defects of the subsurface layer is displayed.

Часть излучения лазера, отразившаяся от поверхности образца, поступает в объем эллипсоида и, переотразившись от шероховатой поверхности, рассеивается диффузно. При этом тепловое излучение от нагретой области A образца в спектральном диапазоне чувствительности приемника отражается зеркально. Перед приемником установлен оптический фильтр 6, край полосы поглощения которого больше длины волны лазера λ_o, но меньше коротковолновой границы λ_к спектрального диапазона чувствительности ИК-приемника. Этим самым отраженное от образца излучение лазера сначала рассеивается и устраняется повторное попадание его на образец и появление ложного сигнала от непредусмотренной точки нагрева, а затем рассеянное излучение отрезается оптическим фильтром, т.е. устраняется попадание его на приемник.Part of the laser radiation reflected from the surface of the sample enters the volume of the ellipsoid and, being reflected from the rough surface, is diffusely scattered. In this case, thermal radiation from the heated region A of the sample in the spectral range of the sensitivity of the receiver is reflected specularly. An optical filter 6 is installed in front of the receiver, the edge of the absorption band of which is greater than the laser wavelength λ _o , but less than the short-wavelength boundary λ _{to the} spectral sensitivity range of the IR receiver. Thereby, the laser radiation reflected from the sample is first scattered and its repeated contact with the sample and the appearance of a false signal from an unintended heating point are eliminated, and then the scattered radiation is cut off by an optical filter, i.e. getting it to the receiver is eliminated.

Таким образом, предлагаемое устройство для бесконтактного неразрушающего контроля материалов по сравнению с прототипом увеличивает температурную чувствительность, так как на ИК-приемник концентрируется весь поток, излучаемый тепловым источником A внутрь отражателя, а также повысит помехозащищенность от появления ложного сигнала, так как перед ИК-приемником расположен длинноволновой оптический фильтр, отрезающий рассеянное переотраженное лазерное излучение, а внутренняя поверхность отражателя выполнена шероховатой так, что она диффузно рассеивает переотраженное коротковолновое излучение лазера и отражает зеркально тепловое излучение от источника A в спектральном диапазоне чувствительности ИК-приемника. Указанные преимущества предлагаемого изобретения расширят область применения устройства. Thus, the proposed device for non-destructive non-destructive testing of materials in comparison with the prototype increases the temperature sensitivity, since the entire flux emitted by the heat source A into the reflector is concentrated on the IR detector, and will also increase the noise immunity from the appearance of a false signal, since in front of the IR receiver a long-wavelength optical filter is located, cutting off the scattered re-reflected laser radiation, and the inner surface of the reflector is roughened so that it differs fusno scatters the reflected short-wavelength laser radiation and reflects specularly thermal radiation from source A in the spectral sensitivity range of the IR receiver. These advantages of the invention will expand the scope of the device.

Claims

1. A device for non-destructive non-destructive testing of materials, containing a illuminator, an optical focusing system in the form of an elongated ellipsoid of revolution, truncated by planes orthogonal to its major optical axis and passing through its foci, in the first of which the sample under study is located, in the second, an IR receiver, characterized the fact that the system further comprises a collecting thin lens and a long-wavelength optical filter mounted in front of the IR receiver, the lens being mounted on the large optical axis of the ipsoid between the optical filter and the first focus of the ellipsoid so that its main optical axis coincides with the large optical axis of the ellipsoid, and the aperture angle of the lens, the viewing angle of the IR receiver, the distance from the first focus of the ellipsoid to the lens and the distance from the lens to the second focus of the ellipsoid the parameters of the lens with the general formula of a thin lens, the edge of the absorption band of the long-wavelength optical filter is greater than the long-wavelength border of the emission spectrum of the illuminator, but less than the short-wavelength border of the spectral sensitivity -receiver.

2. A device for non-contact destructive testing of materials according to claim 1, characterized in that the inner surface of the ellipsoid is made rough, diffusely scattering the radiation of the illuminator and specularly reflecting in the spectral sensitivity range of the IR receiver.