WO1997018459A1 - Vorrichtung zum erzeugen und erfassen von induzierter wärmestrahlung - Google Patents

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Harald Petry
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Phototherm Dr. Petry Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for generating and detecting induced heat radiation with an excitation radiation source with the output radiation of which an object can be exposed, with a detector with which heat radiation induced by the output radiation of the excitation radiation source can be detected, and with one in the beam path between the Excitation radiation source, the object and the detector arranged beam deflecting device, the output radiation and the heat radiation between the object and the beam deflecting device being collinear in an overlay section, and wherein the beam deflecting device has at least one mirror element connected to a drive unit, which delimits the superposition section with the drive unit.
  • Such a device is known from DE-OS 23 00 436.
  • a tilting mirror is provided which is inclined with respect to a pulsed and focused output beam of a laser as an excitation radiation source, with which an object to be examined can be directed to the output beam and, on the other hand, after tilting, the object emitted from the irradiated area is emitted by the object.
  • collinear infrared radiation to the detector can be directed to the output beam.
  • this device it is possible to carry out examinations on the object with regard to heat dissipation in response to the pulsed, focused radiation, but this embodiment is suitable for series examinations in industrial quality monitoring due to the tilt angle to be observed precisely, it is unsuitable for the output beam and the detector and the resulting susceptibility to interference.
  • additional devices must be provided so that when the infrared radiation is detected, the output radiation is kept away from the moving tilting mirror in order to prevent the highly sensitive detector from being exposed to stray scattered radiation.
  • Another consequence of the tilting of the mirror is that the end positions with the deflection angles that can be precisely reached are only stable after a relatively long time.
  • the reflected infrared radiation can be separated from the excitation beam by passing through a dichroic beam splitter also acted upon by the excitation beam and is directed onto a detector.
  • a dichroic beam splitter also acted upon by the excitation beam and is directed onto a detector.
  • DE 43 43 076 A1 discloses a device for photo-thermal testing of a surface, in which excitation radiation falls on a surface to be tested through a recess in a converging lens. The reflected heat radiation is fed to a detector via the converging lens.
  • the individual components can be optimally adapted to the individual wavelengths and, in particular, rejected heat radiation in the spectral range close to the excitation radiation can be utilized without the optical components acting on the two beams being superimposed on the measurement signal guide the excitation beam, in which either the excitation beam strikes the detector with a noticeable intensity or the heat radiation is blocked by the detector.
  • this device has the disadvantage that the size of the optical Elements for a particular beam geometry must be precisely matched to one another in order to achieve a minimum amount of losses through the recess in the converging lens.
  • the invention is based on the object of providing a device of the type mentioned at the outset which is stable in its optical accuracy during rapid series examinations and is less susceptible to interference.
  • the at least one mirror element can be completely inserted into the beam path and can be completely removed from the beam path and has a fixed deflection angle with respect to the superimposition section.
  • the deflection or absorption of the output beam which is easy to control, can be carried out by introducing it into the beam path at an angle or removing the mirror element from the beam path. A low positioning accuracy with respect to the beam path during insertion and removal is sufficient for the mirror element.
  • At least two mirror elements are on one Axis of rotation of a stepper motor attached, which can be rotated into the beam path at a fixed deflection angle for the radiation for the reflection position and can be rotated out of the beam path for the transmission position.
  • a mirror element can be pushed into the beam path at a fixed deflection angle and pushed out of the beam path.
  • either the output radiation or the heat radiation is reflected.
  • the respective mirror element has a high speed upon entry into the beam path and exit from the beam path, so that disadvantageous uneven radiation of the object and only partial exposure of the detector to heat radiation and an overlay of the radiation and emission phase are minimized. This can be achieved in a technically simple manner both when screwing in or unscrewing or pushing in or pushing out, in that the mirror elements are accelerated when the radiation in question is applied before the reflection is terminated, so that the interruption of the irradiation or measuring pause before the change to the transmission position is minimized.
  • FIG. 1 shows a device for generating and detecting induced heat radiation with two in and out of the beam path.
  • rotatable mirror elements in which a mirror element is acted upon by output radiation from an excitation radiation source for generating induced heat radiation
  • FIG. 2 shows the device according to FIG. 1 with mirror elements rotated out of the beam path for detecting the induced heat radiation by a detector
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a device for generating and detecting induced heat radiation with a device that can be pushed into and out of the beam path
  • FIG. 4 shows the device according to FIG. 3 with a mirror element pushed out of the beam path for detecting the induced heat radiation by a detector.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the basic structure of an exemplary embodiment of a device for generating and detecting induced heat radiation according to the invention.
  • a broadband excitation radiation source has a continuously radiating white light source 1, for example a halogen lamp with a few 10 watt power consumption, with which after passing through a beam shaping optics (not shown in FIG. 1) and shielding diaphragms, a slightly divergent broadband output beam 2 is also present a divergence angle of a few degrees can be generated.
  • the output beam 2 acts on a mirror element 3 which is inclined with respect to the output beam 2 in the form of a circular segment in an edge region 4.
  • the mirror element 3 is part of a beam deflection device 5 which has a further circular segment-shaped mirror element 6 which opposite mirror element 3 in the same mirror plane.
  • the mirror elements 3, 6 are attached to an axis of rotation 7 of a stepping motor 8, which is partially covered in the illustration according to FIG. 1, by means of which the mirror elements 3, 6 can be rotated at the same fixed deflection angle.
  • the mirror elements 3, 6 each have a segment angle 9 which corresponds at most to half the full angle of 360 degrees divided by the number of mirror elements 3, 6.
  • the position of the mirror elements 3, 6 can be detected as a position detector with a fixed angle light barrier 11 arranged on the outer edge 10 of a mirror element 3, 6.
  • the output beam 2 After reflection on the mirror element 3, the output beam 2 impinges on an object 12, on which, for example, the thickness of a coating applied to the surface, in particular a lacquer layer, is to be determined.
  • the device shown in FIG. 1 has a detector 13 which is highly sensitive to the thermal radiation in the spectral range at room temperature and with which, as explained in more detail below, the decay of the thermal radiation induced by the output beam 2 can be detected by means of imaging optics 14.
  • the detector 13 has a spectral sensitivity characteristic, which is based on the spectrum of the induced thermal radiation for maximum signal yield in this embodiment. for example at room temperature or in modifications even at higher or lower natural temperature of the object 12. As a result, a relatively low-intensity white light source 1 is sufficient to obtain satisfactory measurement signals.
  • a shielding wheel 16 which can be rotated via a shielding wheel drive 15 is provided.
  • the shielding wheel 16 each has two opposing shielding segments 17, 18 which are impermeable to the spectral range of the output beam 2 and two transmission segments 19, 20 which are at least permeable to heat radiation.
  • the shielding segment 18 is for protecting the highly sensitive detector 13 from being overdriven or even destroyed by possibly much more intense scattered radiation from the white light source 1 in front of the input window of the detector 13 in comparison with the heat radiation to be detected turned.
  • an electronic rotation control unit 21 is provided, to which the stepper motor 8, the angle light barrier 11 and the shielding wheel drive 15 are connected.
  • FIG. 2 shows the device according to FIG. 1 with the mirror element 3, which is made up of the beam path 23 formed by the output beam 2 and a heat beam 22 generated during and after irradiation with the output beam 2 by thermo-optical processes on the surface of the object 12 Control signals is turned out of the rotary control unit 21.
  • the output beam 2 crosses the heat beam 22 in the arrangement according to 1 and 2 are substantially rectangular and are absorbed, for example, in an absorber, not shown in FIGS. 1 and 2.
  • the output beam 2 and the heat beam 22 run collinearly to one another in an overlay section 24 between the reflection in the edge region 4 of the mirror elements 3, 6 and the object 12, so that a largely independent of the distance ensures the measurement is.
  • the shielding wheel 16 is in a position in which the transmission segment 20 is rotated via control signals from the rotary control unit 21 in front of the input window of the detector 13, so that the heat radiation 22 detects the Detector 13 is applied.
  • the broadband nature results in a relatively high spectral independence from the color composition of the materials of the object 12 that generate the thermal radiation.
  • the stepper motor 8 is controlled by the rotary control unit 21 via signals with increasing frequency, so that the mirror element 3 after the greatest possible angle of acceleration between the near one
  • the leading edge 25 arranged, acted upon by the output beam 2 edge area 4 and one of the leading edge 25 opposite leading edge 26 of the mirror element 3 has reached a maximum speed when unscrewing from the beam path 23.
  • the beam path 23 is typically cut through in a few milliseconds. This is a very short uneven Illumination of the object 12 and only a very brief partial exposure of the detector 13 by the heat beam 22 and only a brief superimposition of the radiation and emission phases with correspondingly only insignificantly influenced measurement values when measuring the decay of the intensity of the heat beam 22, in particular also when short measuring times of a few milliseconds.
  • the stepping motor 8 After unscrewing the mirror element 3 from the beam path 23, the stepping motor 8 is braked with control signals of decreasing frequency from the rotary control unit 21 and rotated into a central position for the unhindered passage of the output beam 2 and the heat beam 22 between the mirror elements 3, 6.
  • the rotary axis 7 rotates slowly without hindering the passage of the heat ray 22 between the mirror elements 3, 6 during the transmission phase.
  • the stepper motor 8 is accelerated again, with an entry edge 27 of the other mirror element 6 now cutting through the output beam 2 at the highest speed in the same direction of rotation.
  • the mirror element 6 is rotated by means of control signals from the rotary control unit 21 so that the output beam 2 corresponds to the mirror element 6 in accordance with the 1 in an edge region 4 adjacent to the leading edge 27.
  • the shielding wheel 16 is rotated so far by means of control signals from the rotary control unit 21 that the Shielding segment 17 protects the detector 13.
  • the angle light barrier 11 is used to detect the passage of an entry edge 25, 27, so that on the one hand the position of the axis of rotation 7 of the stepping motor 8 can be determined and on the other hand the number of control signals of the rotation control unit 21 can be corrected to the extent that any rotational displacements can be compensated for.
  • a distance-independent irradiation of the object 12 is achieved on the one hand by the rotatable mirror elements 3, 6 arranged in one plane with a fixed deflection angle by the collinear alignment of the output beam 2 and the heat beam 22 in the superposition section 24, and on the other hand by the temporal Beam separation prevents mixing of beam components of the same frequency ranges of the output beam 2 with the heat beam 22, so that the detector 13 can even be supplied with heat radiation in a frequency range in which there is also an intensive emission from the broadband light source, for example the white light source 1.
  • FIG. 3 shows a perspective view of the basic structure of a further exemplary embodiment of a device for generating and detecting induced heat radiation according to the invention.
  • the parts corresponding to the device according to FIGS. 1 and 2 are provided with the same reference numerals and are not explained in more detail below.
  • the device according to FIG. 3 has a translating beam deflecting device 29 as a beam deflecting device, which has a translation mirror 31 driven by a translation motor 30.
  • the translation mirror 31 is on a running rail 32 at a fixed deflection angle relative to that Output beam 2 is displaceable between a reflection position and a transmission position, the output beam 2 of the white light source 1 being reflected onto the object 12 in the reflection position, which is almost assumed in the position of the translation mirror 31 according to FIG. 3.
  • the two positions of the translation mirror 31 can be detected as position detectors by means of a reflection light barrier 33 and a transmission light barrier 34, the reflection light barrier 33 and the transmission light barrier 34 being attached at the end to the running rail 32.
  • the end position for reflection is almost reached after a beam edge 35 of the transmission mirror 31 facing the output beam 2 has cut through the output beam 2.
  • a translation control unit 36 can be fed with a signal emitted by the reflection light barrier 33, with which the displacement controlled by the translation control unit 36 can be braked via the translation motor 30 connected to it and in the event of a reflection near one of the beam edges 35 opposite reflection side 37 of the translation mirror 31 comes to a standstill.
  • the detector 13 is protected against overload by the shielding wheel 16, which can be rotated via control signals from the translation control unit 36, with the shielding segment 18 in front.
  • FIG. 4 shows the device according to FIG. 3 with the translation mirror 31 moved into the transmission position after the object 12 has been adequately irradiated by the output beam 2
  • a portion of the heat radiation as heat radiation 22 now passes past the translational mirror 31 pushed out through the optical path 23 via the imaging optics 14 and, after rotation of the shielding wheel 16, the transmission segment 20 upstream for measurement to the detector 13, the output signal of the translation control unit 36 can be fed to evaluate the decaying intensity of the heat beam 22.
  • the translation of the translation mirror 31 is controlled by the translation control unit 36 in such a way that the beam edge 35 typically cuts through the output beam 2 at maximum speed within a few milliseconds, so that here too the measurement errors resulting from uneven irradiation of the object 12 and only partial transmission of the heat beam 22 and from superimposition of the irradiation and emission phases are minimized.
  • the translation mirror 31 By moving the translation mirror 31 at a fixed deflection angle, the collinear alignment of the output beam 2 and the heat beam 22 for the required distance independence is also achieved.
  • the positions of the white light source 1 and the detector 13 are interchanged with the imaging optics 14 and the shielding wheel 16, so that the output beam is in the transmission positions 2 strikes the object 12 and is reflected in the reflection positions of the heat ray 22 on the detector 13.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung wird vorgeschlagen, in einem gekreuzten Strahlengang (23) über einen Schrittmotor (8) bewegbare Spiegelelemente (3, 6) winkeltreu in den Strahlengang (23) herein- und herauszubewegen. Dabei ist der Schrittmotor (8) so angesteuert, daß bei Eintritt und Austritt der Spiegelelemente (3, 6) in den Strahlengang (23) die Geschwindigkeit maximal ist. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Spiegelelement in den Strahlengang (23) unter festem Ablenkwinkel herein- und herausgeschoben. Durch diese Ausgestaltungen sind zum einen die Meßfehler aufgrund nur kurzzeitiger ungleichmäßiger Bestrahlung eines Objektes (12) und partieller Beaufschlagung eines Detektors (13) sowie durch Überlagerung von Bestrahlungs- und Emissionsphase minimiert sowie die Kollinearität eines Ausgangsstrahles (2) einer Strahlungsquelle (1) und induzierter Wärmestrahlung (22) zum Erzielen einer weitestgehend abstandsunabhängigen Messung sichergestellt.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung mit einer Anregungsstrahlungsquelle, mit deren Ausgangs¬ strahlung ein Objekt beaufschlagbar ist, mit einem Detektor, mit dem durch die Ausgangsstrahlung der Anregungsstrahlungsquelle induzierte Wärmestrahlung detektierbar ist, und mit einer in dem Strahlengang zwischen der Anregungsstrahlungsquelle, dem Objekt und dem Detektor angeordneten Strahlablenk¬ einrichtung, wobei die Ausgangsstrahlung und die Wärmestrahlung zwischen dem Objekt und der Strahl¬ ablenkeinrichtung in einem Uberlagerungsabschnitt kollinear verlaufen und wobei die Strahlablenk¬ einrichtung über wenigstens ein mit einer Antriebs¬ einheit verbundenes Spiegelelement verfugt, das mit der Antriebseinheit den Uberlagerungsabschnitt be¬ grenzt.
Eine derartige Vorrichtung ist aus DE-OS 23 00 436 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein gegenüber einem gepulsten und fokussierten Ausgangsstrahl eines Lasers als Anregungsstrahlungsquelle geneigter Kipp- spiegel vorgesehen, mit dem zürn einen der Ausgangs¬ strahl auf em zu untersuchendes Objekt lenkbar ist und zum anderen nach Verkippen von dem Objekt aus dem bestrahlten Bereich abgegebene, zu dem Ausgangsstrahl kollineare Infrarotstrahlung auf einen Detektor lenk¬ bar ist.
Mit dieser Vorrichtung sind zwar an dem Objekt Unter- suchungen bezuglich der Warmedissipation als Reaktion auf die gepulste, fokussierte Bestrahlung durchfuhr¬ bar, allerdings ist diese Ausfuhrung für Reihenunter¬ suchungen in der industriellen Qualitatsuberwachung aufgrund der genau einzuhaltenden Kippwinkel einmal gegenüber dem Ausgangsstrahl sowie zum anderen gegenüber dem Detektor und der dadurch bedingten Störanfälligkeit wenig geeignet. Zudem müssen zusatzliche Einrichtungen vorgesehen sein, damit beim Erfassen der Infrarotstrahlung die Ausgangsstrahlung von dem sich bewegenden Kippspiegel ferngehalten wird, um eine Bestrahlung des hochempfindlichen Detektors mit vagabundierender Streustrahlung zu ver- hindern. Weiterhin ist eine Folge der Verkippung des Spiegels, daß die Endstellungen mit den präzise zu erreichenden Ablenkwinkeln erst nach verhältnismäßig langer Zeit stabil eingenommen sind.
Aus DE-PS 12 91 533 ist eine Vorrichtung zur Trennung und Wiedervereinigung optischer Strahlung bekannt, bei der sich mittels rotierender Spiegelscheiben mit spiegelnden, absorbierenden und durchlassigen Sektoren, die unterschiedliche Sektorenwinkel aufweisen, unabhängig vom Weg der Strahlung in zwei Armen mit einer Vergleichs- und einer Meßsubstanz gleich lange und genau reproduzierbare Dunkelpausen erzeugen lassen. Dabei sind gewisse Toleranzen in der relativen Phase der Spiegelscheiben und der Kongruenz zwischen den Strahlquerschnitten im Trenn- und Vereinigungsbereich zulassig, ohne daß es zu fehlerhaften Messungen kommt.
Aus GB 1 484 181 ist ein Verfahren und eine Vor- richtung zur Kontrolle beim Herstellen von Schwei߬ nahten bekannt, bei der beidseitig der aufgebrachten Schweißnaht austretende Infrarotstrahlung in zwei Strahlbundel über ein Sektorenrad mit spiegelnden und durchbrochenen Sektoren auf einen Detektor gelenkt wird. Dadurch ist die Qualität der Schweißnaht zu¬ verlässig zu überwachen. Aus DE 40 15 893 AI ist eine Vorrichtung zur berύhrungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung der inneren und/oder äußeren Struktur absorptions¬ fähiger Prüflinge bekannt, wo bei mit einem intensitatsmodulierten Anregungsstrahl ortlich eine induzierte Temperaturmodulation erzeugbar ist. Die zurückgeworfenen Infrarotstrahlung ist mittels Durch¬ tritt durch einen von dem Anregungsstrahl ebenfalls beaufschlagten dichroitischen Strahlteiler von dem Anregungsstrahl abtrennbar und wird auf einen Detek¬ tor gelenkt. Mit dieser Vorrichtung ist zwar fest¬ stellbar, ob detektierte Effekte aus dem Material- innern oder von der Materialoberflache kommen, aller¬ dings ergibt sich bei insbesondere nahe der Wellen- lange des Anregungsstrahles vorgenommener Auswertung ein hoher Streulichtanteil, der sich nachteilig auf das Signal/Rauschverhaltnis auswirkt und Messungen bei schwachen Signalen verhindert.
Aus DE 43 43 076 AI ist eine Vorrichtung zum photo¬ thermischen Prüfen einer Oberflache bekannt, bei der durch eine Ausnehmung in einer Sammellinse Anregungs¬ strahlung auf eine zu prüfende Oberflache fallt. Die rückgeworfene Wärmestrahlung wird über die Sammel- linse einem Detektor zugeführt. Durch die Trennung von Anregungsstrahl und Warmestrahl ohne gemeinsame optische Bauelemente lassen sich die einzelnen Komponenten optimal an die einzelnen Wellenlangen anpassen und insbesondere auch ruckgeworfene Wärmestrahlung im Spektralbereich nahe der An- regungsstrahlung verwerten, ohne daß von beiden Strahlungen beaufschlagte optische Bauelemente zu einer Überlagerung des Meßsignales mit dem An¬ regungsstrahl fuhren, bei der entweder der An- regungsstrahl mit merklicher Intensität auf den Detektor treffen oder die Wärmestrahlung von dem Detektor abgehalten wurde. Diese Vorrichtung weist aber den Nachteil auf, daß die Große der optischen Elemente für eine bestimmte Strahlgeometrie genau aufeinander abgestimmt sein muß, um ein Mindestmaß an Verlusten durch die Ausnehmung in der Sammellinse zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor¬ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei schnellen Reihenuntersuchungen in ihrer optischen Genauigkeit stabil und wenig störanfällig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, daß das wenigstens eine Spiegelelement vollständig in den Strahlengang einbringbar sowie vollständig aus dem Strahlengang entfernbar ist und bezuglich des Uberlagerungsabschnittes einen festen Ablenkwinkel aufweist.
Durch das winkeltreue Einbringen und vollständige Entfernen des Spiegelelementes aus dem Strahlengang ist zum einen eine hohe Geschwindigkeit bei Wechsel zwischen Beaufschlagen des Objektes mit Ausgangs- strahlung sowie der Erfassung der Wärmestrahlung und zum anderen eine hohe optische Genauigkeit der Kollinearitat zwischen der Ausgangsstrahlung der Anregungsstrahlungsquelle und der Wärmestrahlung erzielt, so daß eine hohe Abstandstoleranz gegeben ist. Weiterhin ist durch das winkeltreue Einbringen in den Ξtrahlengang beziehungsweise Entfernen des Spiegelelementes aus dem Strahlengang eine einfach zu kontrollierende Ablenkung beziehungsweise Absorption des Ausgangsstrahles durchfuhrbar. Dabei ist für das Spiegelelement eine geringe Positioniergenauigkeit bezuglich des Strahlenganges bei Einbringen und Entfernen ausreichend.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind wenigstens zwei Spiegelelemente beispielsweise mit kreissegment- artiger, kreisförmiger oder ovaler Gestalt an einer Drehachse eines Schrittmotors angebracht, die unter einem festen Ablenkwinkel für die Strahlungen für die Reflexionsstellung in den Strahlengang hereindrehbar und für die Transmissionsstellung aus dem Strahlengang herausdrehbar sind. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Spiegelelement unter einem festen Ablenkwinkel in den Strahlengang herein- schiebbar und aus dem Strahlengang herausschiebbar.
Bei beiden Ausfuhrungsformen kann vorgesehen sein, daß entweder die Ausgangsstrahlung oder die Wärmestrahlung reflektiert wird. Zweckmäßig ist insbesondere, daß das jeweilige Spiegelelement bei Eintritt in den Strahlengang und Austritt aus dem Strahlengang eine hohe Geschwindigkeit aufweist, so daß eine nachteilige ungleichmäßige Bestrahlung des Objektes und nur partielle Beaufschlagung des Detektors mit Wärmestrahlung sowie einer Überlagerung der Bestrahlungs- und Emissionsphase minimiert ist. Dies ist sowohl bei dem Hereindrehen beziehungsweise Herausdrehen oder Hineinschieben beziehungsweise Herausschieben in technisch einfacher Weise dadurch realisierbar, daß die Spiegelelemente bei Beaufschlagen mit der betreffenden Strahlung vor Abbruch der Reflexion beschleunigt werden, so daß die Bestrahlungsunterbrechung beziehungsweise Meßpause vor dem Wechsel in die Transmissionsstellung minimiert ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs¬ beispielen unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung mit zwei in den Strahlengang hinein- und heraus- drehbaren Spiegelelementen, bei der ein Spiegelelement von Ausgangsstrahlung einer Anregungsstrahlungsquelle zum Erzeugen von induzierter Wärmestrahlung beaufschlagt ist,
Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit aus dem Strahlengang herausgedrehten Spiegel¬ elementen zum Erfassen der induzierten Wärmestrahlung durch einen Detektor,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vor¬ richtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung mit einem in den Strahlengang hinein- und herausschiebbaren
Spiegelelement in einer Stellung, bei der es von Ausgangsstrahlung einer Anregungs¬ strahlungsquelle zum Erzeugen der induzierten Wärmestrahlung beaufschlagt ist, und
Fig. 4 die Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit aus dem Strahlengang herausgeschobenem Spiegel¬ element zum Erfassen der induzierten Wärmestrahlung durch einen Detektor.
Fig. 1 zeigt in einer Perspektiven Ansicht den grund¬ legenden Aufbau eines Ausfuhrungsbeispieles einer Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 verfugt als breitbandige Anregungs¬ strahlungsquelle über eine kontinuierlich strahlende Weißlichtquelle 1, beispielsweise eine Halogenlampe mit einigen 10 Watt Leistungsaufnahme, mit der nach Durchtritt durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte Strahlformungsoptik sowie Abschirmblenden ein leicht divergenter breitbandiger Ausgangsstrahl 2 mit einem Divergenzwinkel von einigen Grad erzeugbar ist. Der Ausgangsstrahl 2 beaufschlagt in der in Fig. 1 dargestellten Reflexionsstellung ein gegenüber dem Ausgangsstrahl 2 schräggestelltes Spiegelelement 3 in Gestalt eines Kreissegmentes in einem Randbereich 4. Das Spiegelelement 3 ist Teil einer Strahlablenk¬ einrichtung 5, die ein weiteres kreissegmentförmiges Spiegelelement 6 aufweist, das dem erstgenannten Spiegelelement 3 in der gleichen Spiegelebene gegen¬ überliegt. Die Spiegelelemente 3, 6 sind an einer Drehachse 7 eines in der Darstellung gemäß Fig. 1 teilweise verdeckt gezeigten Schrittmotors 8 angebracht, mit dem die Spiegelelemente 3, 6 bei gleichem festen Ablenkwinkel drehbar sind. Die Spiegelelemente 3, 6 weisen jeweils einen Segmentwinkel 9 auf, der höchstens der Hälfte des durch die Anzahl der Spiegelelemente 3, 6 geteilten Vollwinkels von 360 Grad entspricht. Die Stellung der Spiegelelemente 3, 6 ist mit einer feststehenden, an dem Außenrand 10 eines Spiegelelementes 3, 6 angeordneten Winkellichtschranke 11 als Positions¬ detektor detektierbar.
Nach Reflexion an dem Spiegelelement 3 beaufschlagt der Ausgangsstrahl 2 ein Objekt 12, an dem beispielsweise die Dicke einer auf der Oberflache aufgebrachten Beschichtung, insbesondere einer Lackschicht, zu bestimmen ist.
Weiterhin verfugt die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung über einen im Spektralbereich bei Raumtemperatur für die Wärmestrahlung hoch¬ empfindlichen Detektor 13, mit dem, wie weiter naher erläutert, über eine Abbildungsoptik 14 das Abklingen der durch den Ausgangsstrahl 2 induzierten Wärmestrahlung erfaßbar ist. Der Detektor 13 weist eine spektrale Empfindlichkeitscharakteristik auf, die an das Spektrum der induzierten Wärmestrahlung auf maximale Signalausbeute in diesem Ausführungs- beispiel bei Raumtemperatur oder in Abwandlungen auch bei höherer beziehungsweise niedrigerer Eigen¬ temperatur des Objektes 12 angepaßt ist. Dadurch iεt eine verhältnismäßig wenig intensive Weißlichtquelle 1 ausreichend, um zufriedenstellende Meßsignale zu erhalten.
Unmittelbar vor dem Eingangsfenster des Detektors 13 ist ein über einen Abschirmradantrieb 15 drehbares Abschirmrad 16 vorgesehen. Das Abschirmrad 16 weist je zwei sich gegenüberliegende, für den Spektral¬ bereich des Ausgangsstrahles 2 undurchlässige Abschirmsegmente 17, 18 und zwei wenigstens für die Wärmestrahlung durchlässige Transmissionssegmente 19, 20 auf. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Abschirmrades 16 ist das Abschirmsegment 18 zum Schutz des hochempfindlichen Detektors 13 vor Übersteuerung oder gar Zerstörung durch im Vergleich zu der zu erfassenden Wärmestrahlung möglicherweise sehr viel intensiveren Streustrahlung der Weißlicht¬ quelle 1 vor das Eingangsfenster des Detektors 13 gedreht.
Weiterhin ist eine elektronische Drehsteuereinheit 21 vorgesehen, an die der Schrittmotor 8, die Winkel- lichtschranke 11 und der Abschirmradantrieb 15 an¬ geschlossen sind.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit dem Spiegelelement 3, das aus dem durch den Ausgangs¬ strahl 2 und einem bei und nach Bestrahlung mit dem Ausgangsstrahl 2 durch thermooptische Prozesse an der Oberflache des Objektes 12 erzeugten Warmestrahl 22 gebildeten Strahlengang 23 über Steuersignale aus der Drehsteuereinheit 21 herausgedreht ist. Nach Heraus¬ drehen des Spiegelelementes 3 aus dem Strahlengang 23 in die Transmissionsstellung kreuzt der Ausgangs¬ strahl 2 den Warmestrahl 22 in der Anordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 im wesentlichen rechtwinklig und ist beispielsweise in einem in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellten Absorber absorbiert. In der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Vorrichtung verlaufen der Ausgangsstrahl 2 und der Warmestrahl 22 zwischen der Reflexion im Randbereich 4 der Spiegelelemente 3, 6 und dem Objekt 12 in einem Uberlagerungsabschnitt 24 zueinander kollinear, so daß eine weitgehende Abstandsunabhangigkeit der Messung gewahrleistet ist.
Weiterhin ist in der in Fig. 2 dargestellten Trans¬ missionsstellung der Spiegelelemente 3, 6 das Abschirmrad 16 in einer Stellung, in der das Transmissionssegment 20 über Steuersignale aus der Drehsteuereinheit 21 vor das Eingangsfenster des Detektors 13 gedreht ist, so daß der Warmestrahl 22 den Detektor 13 beaufschlagt. Neben einer breit¬ bandigen Energieausnutzung der Weißlichtquelle 1 ergibt sich durch die Breitbandigkeit eine relativ hohe spektrale Unabhängigkeit von der Farbzusammen- setzung der die Wärmestrahlung erzeugenden Materia¬ lien des Objektes 12.
Um zuverlässige Meßwerte bei der Bestimmung der Schichtdicke einer auf die Oberflache des Objektes 12 aufgebrachten Beschichtung zu erhalten, ist der Schrittmotor 8 von der Drehsteuereinheit 21 über Signale mit zunehmender Frequenz angesteuert, so daß das Spiegelelement 3 nach der größtmöglichen Beschleunigungswinkelstrecke zwischen dem nahe einer
Eintrittskante 25 angeordneten, von dem Ausgangs¬ strahl 2 beaufschlagten Randbereich 4 und einer der Eintrittskante 25 gegenüberliegenden Austrittskante 26 des Spiegelelementes 3 bei Herausdrehen aus dem Strahlengang 23 eine maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Das Durchschneiden des Strahlenganges 23 erfolgt typischerweise in wenigen Millisekunden. Dadurch ist eine nur sehr kurze ungleichmäßige Ausleuchtung des Objektes 12 sowie ein nur sehr kurzzeitiges partielles Beaufschlagen des Detektors 13 durch den Wärmestrahl 22 und nur kurzzeitige Über¬ lagerung von Bestrahlungs- und Emissionsphase mit dementsprechend nur unwesentlich beeinflußten Me߬ werten bei dem Messen des Abklingens der Intensität des Wärmestrahles 22 insbesondere auch bei kurzen Meßzeiten von einigen Millisekunden sichergestellt.
Nach dem Herausdrehen des Spiegelelementes 3 aus dem Strahlengang 23 ist der Schrittmotor 8 mit Steuer¬ signalen abnehmender Frequenz aus der Drehsteuer¬ einheit 21 abgebremst und in eine Mittelstellung zum ungehinderten Durchtritt des Ausgangsstrahles 2 und des Warmestrahles 22 zwischen den Spiegelelementen 3, 6 gedreht. In einer Abwandlung dreht sich die Dreh¬ achse 7 langsam weiter, ohne wahrend der Trans- missionsphase den Durchtritt des Warmestrahles 22 zwischen den Spiegelelementen 3 , 6 zu behindern.
Für den Beginn einer neuen Messung wird der Schrittmotor 8 erneut beschleunigt, wobei bei gleicher Drehrichtung nunmehr eine Eintrittskante 27 des anderen Spiegelelementes 6 den Ausgangsstrahl 2 mit höchster Geschwindigkeit durchschneidet. Nach Abbremsen des Schrittmotors 8 bei ständiger Reflexion des Ausgangsstrahles 2 an dem Spiegelelement 6 vor Erreichen einer der Eintrittskante 27 gegenüber¬ liegenden Austrittskante 28 wird das Spiegelelement 6 mittels Steuersignalen aus der Drehsteuereinheit 21 so gedreht, daß der Ausgangsstrahl 2 das Spiegel¬ element 6 entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Anordnung in einem der Eintrittskante 27 benachbarten Randbereich 4 beaufschlagt.
Kurz vor dem Eindrehen des Spiegelelementes 6 wird mittels Steuersignalen aus der Drehsteuereinheit 21 das Abschirmrad 16 soweit gedreht, daß das Abschirmsegment 17 den Detektor 13 schützend abdeckt. Die Winkellichtschranke 11 dient dem Erfassen des Durchlaufes einer Eintrittskante 25, 27, so daß zum einen die Stellung der Drehachse 7 des Schrittmotors 8 feststellbar und zum anderen die Anzahl der Steuersignale der Drehsteuereinheit 21 dahingehend korrigierbar ist, daß eventuelle Drehverschiebungen ausgleichbar sind.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung wird zum einen durch die in einer Ebene angeordneten drehbaren Spiegelelemente 3 , 6 mit festem Ablenkwinkel durch die kollineare Ausrichtung des Ausgangsstrahles 2 und des Warmestrahles 22 in dem uberlagerungsabschnitt 24 eine abstandsunabhangige Bestrahlung des Objektes 12 erzielt, zum anderen durch die zeitliche Strahl¬ trennung eine Vermischung von Strahlanteilen gleicher Frequenzbereiche des Ausgangsstrahles 2 mit dem Warmestrahl 22 ausgeschlossen, so daß dem Detektor 13 sogar Wärmestrahlung in einem Frequenzbereich zufuhrbar ist, in dem auch eine intensive Emission aus der breitbandigen Lichtquelle, beispielsweise der Weißlichtquelle 1, erfolgt.
Fig. 3 zeigt in einer Perspektiven Ansicht den grundlegenden Aufbau eines weiteren Ausfuhrungs¬ beispieles einer Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung gemäß der Erfindung. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 sind die der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ent¬ sprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und im weiteren nicht mehr naher erläutert. Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 weist als Strahlablenk¬ einrichtung eine Translationsstrahlablenkeinrichtung 29 auf, die über einen von einem Translationsmotor 30 angetriebenen Translationsspiegel 31 verfugt. Der Translationsspiegel 31 ist auf einer Laufschiene 32 unter einem festen Abklenkwinkel gegenüber dem Ausgangsstrahl 2 zwischen einer Reflexionsstellung und einer Transmissionsstellung verschiebbar, wobei in der Reflexionsstellung, die in der Stellung des Translationsspiegels 31 gemäß Fig. 3 nahezu eingenommen ist, der Ausgangsstrahl 2 der Weißlicht¬ quelle 1 auf das Objekt 12 reflektiert ist.
Die beiden Stellungen des Translationsspiegels 31 sind mittels einer Reflexionslichtschranke 33 und einer Transmissionslichtschranke 34 als Positions¬ detektoren detektierbar, wobei die Reflexions¬ lichtschranke 33 und die Transmissionslichtschranke 34 endseitig an der Laufschiene 32 angebracht sind. In der in Fig. 3 dargestellten Stellung des Trans- lationsspiegels 31 ist die Endstellung zur Reflexion nahezu erreicht, nachdem eine zu dem Ausgangsstrahl 2 hingewandte Strahlkante 35 des Transmissionsspiegel 31 den Ausgangsstrahl 2 durchschnitten hat. In der Reflexionsstellung des Translationsspiegels 31 ist einer Translationssteuereinheit 36 ein von der Reflexionslichtschranke 33 abgegebenes Signal ein¬ speisbar, mit der daraufhin die von der Translations¬ steuereinheit 36 über den an sie angeschlossenen Translationsmotor 30 gesteuerte Verschiebung abbremsbar ist und bei einer Reflexion nahe einer der Strahlkante 35 gegenüberliegenden Reflexionsseite 37 des Translationsspiegels 31 zum Stillstand kommt.
In dieser Reflexionsstellung ist der Detektor 13 durch daε über Steuersignale aus der Trans- lationssteuereinheit 36 drehbare Abschirmrad 16 mit vorgelagertem Abschirmsegment 18 vor Überlastung geschützt.
Fig. 4 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit dem in die Transmissionsstellung verschobenen Translations¬ spiegel 31 nach ausreichender Bestrahlung des Objektes 12 durch den Ausgangsstrahl 2. An dem aus dem Ξtrahlengang 23 herausgeschobenen Translations¬ spiegel 31 vorbei gelangt nun ein Teil der Wärme¬ strahlung als Warmestrahl 22 über die Abbildungsoptik 14 und daε nach Drehung des Abεchirmrades 16 vor- gelagerte Transmissionssegment 20 zur Messung auf den Detektor 13, dessen Ausgangssignal der Translations¬ steuereinheit 36 zur Auswertung der zeitlich abklingenden Intensität des Warmestrahles 22 einspeisbar ist.
Auch in dem in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Aus¬ führungsbeispiel erfolgt die Verschiebung des Trans¬ lationsspiegels 31 über die Translationssteuereinheit 36 derart gesteuert, daß die Strahlkante 35 den Ausgangsstrahl 2 mit maximaler Geschwindigkeit innerhalb typischerweise einiger Millisekunden durchschneidet, so daß auch hier die sich aufgrund ungleichmäßiger Bestrahlung des Objektes 12 und nur partieller Transmission des Warmestrahles 22 sowie durch Überlagerung der Bestrahlungs- und Emissionsphase ergebenden Meßfehler minimiert sind. Durch das Verschieben des Translationsspiegels 31 unter einem festen Ablenkwinkel ist ebenfalls die kollineare Ausrichtung des Ausgangsstrahles 2 und des Warmestrahles 22 für die erforderliche Abstands- unabhangigkeit erreicht.
In gegenüber den Ausfuhrungsbeispielen gemäß Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 abgewandelten Ausfuhrungs- formen sind die Positionen der Weißlichtquelle 1 und des Detektors 13 mit vorgelagerter Abbildungsoptik 14 und Abschirmrad 16 vertauscht, so daß in den Transmissionsstellungen der Ausgangsstrahl 2 auf das Objekt 12 auftrifft und in den Reflexionsstellungen der Warmestrahl 22 auf den Detektor 13 reflektiert ist.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen von induzierter Wärmestrahlung mit einer Anregungsεtrahlungsquelle, mit deren Ausgangs- strahlung ein Objekt beaufschlagbar iεt, mit einem Detektor, mit dem durch die Ausgangs- Strahlung der Anregungsεtrahlungsquelle indu¬ zierte Wärmestrahlung detektierbar ist, und mit einer in dem Strahlengang zwischen der Anregungsεtrahlungεquelle, dem Objekt und dem Detektor angeordneten Strahlablenkeinrichtung, wobei die Auεgangsstrahlung und die Wärme¬ strahlung zwischen dem Objekt und der Strahl¬ ablenkeinrichtung in einem Uberlagerungsab- εchnitt kollinear verlaufen und wobei die Strahlablenkeinrichtung über wenigεtens ein mit einer Antriebseinheit verbundenes Spiegel¬ element verfugt, das mit der Antriebseinheit den Überlagerungsabεchnitt begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Spie¬ gelelement (3, 6; Translationsspiegel 31) vollständig in den Strahlengang (23) einbring¬ bar sowie vollständig aus dem Strahlengang (23) entfernbar ist und bezuglich des uberla¬ gerungsabschnittes (24) einen festen Ablenk¬ winkel aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Position des wenigstens einen Spiegelelementes (3, 6; Translations¬ spiegel 31) mit wenigstens einem Positions- detektor (Winkellichtschranke 11; Reflexions¬ lichtschranke 33, Transmissionslichtschranke 34) bestimmbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wenistenε eine Spiegelelement (3, 6; Translationsspiegel 31) bei Eintritt in den Strahlengang (23) und bei Austritt aus dem Strahlengang (23) die höchste bei der Bewegung erreichbare Geschwindigkeit aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem wenigstenε einen Spiegelelement (3, 6; Tranεlationsspie- gel 31) die Ausgangsεtrahlung (Auεgangεεtrahl 2) von der Anregungεstrahlungsquelle (Wei߬ lichtquelle 1) auf das Objekt (12) umlenkbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem wenigstenε einen Spiegelelement (3, 6; Translationsεpie- gel 31) die induzierte Wärmestrahlung (Warme¬ strahl 22) von dem Objekt (12) auf den Detek¬ tor (13) umlenkbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebεein- heit einen Schrittmotor (8) mit einer Dreh¬ achse (7) aufweist, an der das wenigstens eine Spiegelelement (3, 6) angebracht ist, wobei das wenigstens eine Spiegelelement (3, 6) in den Strahlengang (23) hereindrehbar und aus dem Strahlengang (23) herausdrehbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung (5) über zwei sich gegenüberliegende Spiegel¬ elemente (3, 6) verfugt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedeε Spiegelelement (3, 6) die Gestalt eines Kreissegmenteε hat.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Segmentwinkel (9) jedes Spiegelelementes (3, 6) höchstens der Hälfte des durch die Anzahl der Spiegelelemente (3, 6) geteilten Vollwinkels von 360 Grad ent- spricht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebε- einheit eine Tranεlationseinrichtung (Trans- lationsmotor 30, Laufschiene 32) aufweist, mit der das wenigstenε eine Spiegelelement (Trans¬ lationsspiegel 31) in den Strahlengang (23) hinein und aus dem Strahlengang (23) herauε verschiebbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zwei Positionsdetektoren (Refle- xionslichtschranke 33, Transmissionslicht¬ schranke 34) vorgesehen sind, mit denen die Endstellungen des wenigstens einen Spiegel¬ elementes (Translationsspiegel 31) detek- tierbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der An- spruche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Spiegelelement (3, 6; Translationsspiegel 31) mit der Antriebs¬ einheit (Schrittmotor 8; Translationsmotor 30) in einer Stellung positionierbar ist, in der es von der Ausgangsstrahlung (Ausgangsεtrahl
2) der Anregungεεtrahlungsquelle (Weißlicht¬ quelle 1) oder der Wärmestrahlung (Warmeεtrahl 22) in einem in Bewegungεrichtung auε dem Strahlengang (23) vorne gelegenen Randbereich (4) beaufεchlagbar ist, εo daß bei Entfernen deε wenigεtens einen Spiegelelementes (3, 6; Translationsspiegel 31) aus dem Strahlengang (23) das wenigstens eine Spiegelelement (3, 6;
Tranεlationsspiegel 31) über einen maximalen Beschleunigungsweg von der Strahlung (Aus¬ gangsstrahl 2, Wärmestrahl 22) beaufschlagt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungs¬ strahlungsquelle eine breitbandige Lichtquel¬ le, vorzugsweiεe eine Weißlichtquelle (1) , ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Detektor (13) mit seiner spektralen Empfindlichkeit bezuglich maximaler Signalauεbeute auf die εpektrale Intensitatε- verteilung der Warmeεtrahlung (Warmestrahl 22) angepaßt ist.
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