DE4015893C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings, bei dem der Prüfling von einem Anregungsstrahl abgetastet wird und bei dem ein äußere Inhomogenitäten beinhaltendes Bildsignal, das von dem vom Prüfling zurückreflektierten Anregungsstrahl herrührt, und ein innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltendes, thermisches Infrarotsignal, das vom Anregungsstrahl im Prüfling erzeugt wird, erfaßt und ausgewertet werden, und betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Ein derartiges Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind aus der DE 30 34 944 A1 bekannt, bei der zur Überwachung des Meßpunktes auf der Oberfläche des Prüflings im Anregungsstrahl ein Strahlteiler und im abgelenkten Teilstrahl ein Fernrohr vorgesehen sind. Damit ist es einem menschlichen Benutzer möglich, über das Fernrohr den mit dem Lichtstrahl beaufschlagten Punkt des Prüflings zu überwachen. Die derart optisch erfaßte Information schafft die Möglichkeit, die aus der Rückseite des Prüflings heraustretende und über einen fokussierenden Spiegel auf einen Detektor geleitete Wärmeabstrahlung einem bestimmten Punkt des Prüflings zuzuordnen. Es ist nicht möglich, aus der erfaßten Strahlungsinformation darauf zu schließen, ob eventuell erfaßte Defekte im Innern des Prüflings oder an seiner Oberfläche auftreten.

Das Prinzip der Messung des durchgetretenen photothermischen Signals beruht auf einer notwendigen Modulation des Anregungsstrahles. Dabei ist von Nachteil, daß aufgrund der zur Auswertung nötigen Lock-In-Technik an jedem Meßpunkt zur Einstellung des Signals eine Zeit gewartet werden muß, die etwa dem Fünffachen der Schwingungsdauer entspricht, bevor zum nächsten Meßpunkt übergegangen werden kann. Zudem ist das photothermische Signal nur dann zu messen und das Verfahren einsetzbar, wenn die Dicke des Prüflings vergleichbar mit der thermischen Diffusionslänge des untersuchten Materials ist.

Aus dem Artikel "Photothermal Spektroscopy on a Microscopic Scale" von D. R. Petts und H. K. Wickramasinghe aus 1981 Ultrasonics Symposium, Seite 832 bis 836 ist ein photothermisches Mikroskop bekannt, das ebenfalls das gleichzeitige Erfassen von zwei Reflexionsbildern zuläßt. Der Prüfling selbst wird zur Abtastung seiner Oberfläche durch eine X-Y-Verschiebeeinrichtung in der Ebene senkrecht zu ihn beaufschlagenden Lichtstrahl verschoben. An dem sich verändernden thermischen Signal ist nicht festzustellen, ob die Veränderung nur auf thermische Inhomogenitäten innerhalb des Prüflings zurückgeführt werden können.

Beim Einsatz der bekannten photothermischen Meßgeräte ergeben sich Schwierigkeiten bei der Justage auf die zu prüfende Fläche, insbesondere bei der Verwendung von Lasern und anderen Lichtquellen im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich. Weiterhin ist es von Nachteil, daß die heizende thermische Lichtquelle nicht überwacht wird, so daß hier auftretende Schwankungen das Meßsignal verfälschen.

Der Artikel von G. Busse in IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics Vol. SU-32, S. 355-364 (1985), lehrt eine Vielzahl von photothermischen Verfahren und Vorrichtungen, insbesondere ein in "Reflexion" arbeitendes photothermisches Verfahren, bei dem ein mit einem Zerhacker modulierter Laserstrahl eine verschiebliche Probe beaufschlagt. Ein Infrarot-Detektor mißt die thermische Rückstrahlung von dem angeregten Punkt. Das von ihm aufgenommene Signal wird über einen Lock-In-Verstärker aufbereitet und aufgezeichnet. Dabei kann nun aus der Phase des aus dem Inneren der Probe zurückgeworfenen Signals auf innere Strukturen geschlossen werden. Diese Phasenmessung ist von der Frequenz des zerhackten Anregungsstrahls abhängig. Dabei ergibt sich insbesondere, daß bei großer Frequenz des Zerhackers das Signal, welches innere Stukturen anzeigt, schwächer wird und schließlich im Oberflächensignal verschwindet. Daraus resultiert eine Begrenzung der Tiefenmessung bei Verfahren, die die Signale auf der dem Anregungsstrahl entsprechenden Seite aufnehmen und verwerten.

Aus der US-PS 45 89 783 ist ebenfalls bekannt, photothermische Messungen in Reflexion durchzuführen, wobei der Mirage-Effekt benutzt wird.

Die DE 33 38 611 A1 lehrt eine Oberflächenprüfvorrichtung mit einer Lichtquelle, die Lichtbündel verschiedener Wellenlängen liefert, womit eine größere Auflösung von kleinen Oberflächenmerkmalen erzielt werden kann. Informationen über die innere Struktur der Prüflinge werden dabei aber nicht erhalten.

Aus der DE 36 10 530 A1 ist ein Oberflächenstrukturmeßgerät bekannt, welches eine Justieroptik aufweist, um den Meßlichtstrahl auf den Prüfling zu justieren.

Schließlich ist aus der DE 38 13 258 A1 eine Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung von absorptionsfähigen Materialien bekannt, bei der ein infraroter Laserstrahl ein Werkstück abtastet, wobei die reflektierende infrarote Strahlung über Wellenleiter auf einen Infrarotdetektor abgebildet wird. Bei dieser Anordnung ist von Nachteil, daß die zu prüfende Stelle nicht ohne zusätzliche externe Hilfsmittel einjustiert werden kann. Auch kann durch die Auswertung des Meßsignals nicht festgestellt werden, ob Defekte an der Oberfläche oder in der Tiefe des Materials auftreten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, thermische Signale in einem schnellen Abtastvorgang aufzunehmen und gleichzeitig daraufhin zu überprüfen, ob die Effekte vom Materialinnern oder von der Materialoberfläche herrühren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß das von dem Anregungsstrahl in dem Prüfling erzeugte Infrarotsignal auf der dem Anregungsstrahl zugewandten Seite des Prüflings gemessen wird, nachdem es nach Durchlaufen des der Abtastung dienenden Abschnitts des Strahlengangs des Anregungsstrahls aus diesem ausgekoppelt wurde, daß das innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltende thermische Infrarotsignal und das äußere Inhomogenitäten beinhaltende Bildsignal derart verarbeitet und ausgewertet werden, daß ein nur innere Inhomogenitäten beinhaltendes Ausgangssignal erhalten wird, und daß die Abtastgeschwindigkeit des Anregungsstrahls in Abhängigkeit von der vom Material des Prüflings vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des thermischen Infrarotsignals im Prüfling eingestellt wird.

Dadurch, daß das mit dem Anregungsstrahl in dem Prüfling erzeugte thermische Infrarotsignal auf der dem auftreffenden Anregungsstrahl zugewandten Seite gemessen wird, sind Messungen bei unterschiedlichsten Materialdicken möglich. Da die Modulation des Anregungsstrahls in seiner Beaufschlagung des zu prüfenden Abschnitts des Prüflings liegt, ist die Auswertung nicht von der thermischen Diffusionslänge des untersuchten Materials abhängig.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Anregungsstrahls, einer Abtasteinrichtung mit einer Steuereinrichtung zur Abtastung des Prüflings mit dem Anregungsstrahl, einem Ortsdetektor, ein am Strahlenteilerelement zur Auskopplung des von der Oberfläche des Prüflings reflektierten Strahls aus dem Strahlengang des Anregungsstrahlengangs und zur Lenkung auf den Ortsdetektor zur Erzeugung eines äußeren Inhomogenitäten beinhaltenden Bildsingnals, einem Infrarotdetektor zur Erzeugung eines inneren und äußeren Inhomogenitäten beinhaltenden Infrarotsignals, und mit einer Auswerteschaltung dadurch gelöst, daß die Abtasteinrichtung zwischen dem Strahlenteilerelement und dem Prüfling angeordnet ist, der Infrarotdetektor im ausgekoppelten Strahlengang nach dem Strahlteilerelement angeordnet ist, daß die Auswerteschaltung mit dem Bildsignal und dem thermischen Infrarotsignal beaufschlagbar ist und derart zur Verarbeitung und Auswertung des Bildsignals und des thermischen Infrarotsignals ausgelegt ist, daß ein nur die inneren Inhomogenitäten enthaltendes Ausgangssignal erzeugbar ist, und daß die Steuereinrichtung zur Einstellung der Abtastgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung in Abhängigkeit von der vom Material des Prüflings vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des thermischen Infrarotsignals im Prüfling ausgebildet ist.

Dadurch, daß der vom Prüfling zurückgeworfene Infrarot-Lichtstrahl ausblendbar ist und auf einen Infrarotdetektor geleitet wird, kann zugleich das innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltende Bild des Infrarotdetektors mit dem nur die äußeren Inhomogenitäten beinhaltenden Bild des Ortsdetektors ausgewertet werden. Dabei werden in der Auswerteschaltung die einzelnen zeitlich gleichzeitig vorliegenden Bilder zu einem kombinierten, nur die inneren Inhomogenitäten beinhaltenden Bild verbunden.

Die Verwendung einer Fokussierungsoptik im Anregungsstrahl gestattet es, diesen auf einem Quadratmikrometer-großen Punkt der Oberfläche des Prüflings abzubilden, so daß kleinste Inhomogenitäten durch benachbarte Bildpunkte genau eingegrenzt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Erfassung der äußeren und inneren Strukturen eines flachen Prüflings,

Fig. 2 ein Optikmodul der Vorrichtung nach Fig. 1 zum Einsatz bei verschiedenen thermischen Meßvorrichtungen, und

Fig. 3 drei verschiedene thermische Meßvorrichtungen mit einem Optikmodul nach Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung eines absorptionsfähigen und in seiner Oberfläche im wesentlichen flachen Materials. Insbesondere kann es sich bei dem Prüfling 1 um eine flache Platte handeln.

Ein Heizlaser 2 als Strahlungsquelle sendet einen kollimierten Laserstrahl 3 mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser und Strahlprofil aus. Der Heizlaser 2 ist eventuell mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz moduliert, die insbesondere zu einem Pulsbetrieb des Heizlasers 2 führt. Ein für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vergüteter Umlenkspiegel 4 lenkt den Laserstrahl 3 in einen Meßstrahl 5 um. In dem Lichtweg des Meßstrahls 5 ist ein für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vorgesehenes Strahlteilerelement, z. B. ein Strahlteilerspiegel 6, angeordnet, das zum Beispiel eine Strahlteilung von 90 : 10 aufweist. 10% der Lichtintensität des Meßstrahls 5 wird in einen Eichstrahl 7 herausgelenkt und beaufschlagt eine Photodiode 8, die insbesondere zur Leistungsüberwachung vorgesehen ist.

Die Photodiode 8 ist über eine Datenleitung 9 mit einer Regel- und Steuerschaltung 16 verbunden, die über eine Steuerleitung 11 den Heizlaser 2 mit einem Regelsignal beaufschlagt. Mit dem so geschlossenen Regelkreis kann mit Hilfe der Regel- und Steuerschaltung 16 insbesondere die Wellenlänge des Heizlasers 2, seine Strahl-Intensität, seine Modulationsfrequenz, der Modulationsgrad, die Modulationstiefe und die Modulationsart geregelt werden.

Die durch das Strahlteilerelement transmittierten 90% der Intensität des Meßstrahls 5 werden von einem insbesondere nur für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vergüteten Umlenkspiegel 12 in einen Justierstrahl 13 umgelenkt. Der Justierstrahl 13 wird mit Hilfe des dichroitischen Umlenkspiegels 15 in den Abtast-Eingangsstrahl 20 umgelenkt. Der dichroitische Umlenkspiegel 15 ist für die Wellenlänge des Heizlasers und kleinere Wellenlängen reflektierend ausgebildet, während er für in der Wellenlänge größere, infrarote Strahlung transmittierend ist.

Der Abtast-Eingangsstrahl 20 wird über zwei, um jeweils eine rechtwinklig zueinander stehende Achse bewegliche Abtast-Spiegel 21 und 22 in einen Anregungsstrahl 25 umgelenkt. Die Abtast-Spiegel 21 und 22 sind über jeweils eine Steuerleitung 26 und 27 mit der Regel- und Steuerschaltung 16 verbunden. Diese steuert die Abtast-Spiegel 21 und 22 derart an, daß der Anregungsstrahl 25 die Oberfläche des Prüflings 1 abtastet und zeilenweise bzw. spaltenweise jeden vorbestimmten Punkt auf dem Prüfling beaufschlagt. Insbesondere kann eine Fokussierungsoptik 30 vorgesehen sein, die den Anregungsstrahl 25 auf einen Bereich von zum Beispiel einem µm² auf der Prüflingsoberfläche bündelt. Der Prüfling 1 aus dem zu untersuchenden Material ist insbesondere absorptionsfähig und für die Wellenlänge des Anregungsstrahls im wesentlichen undurchlässig.

Der den Prüfling 1 beaufschlagende Anregungsstrahl 25 wird zum Teil reflektiert bzw. gestreut. Dieses Licht wird über die Spiegel 22, 21,15 auf dem Lichtweg mit den Bezugszeichen 25, 20 und 13 bis zum Strahlteilerelement zurückreflektiert. Ein Großteil des zurückreflektierten und gestreuten Lichts tritt durch den Umlenkspiegel, den Strahlteilerspiegel 6, hindurch, während bei dem genannten Strahlteilungsverhältnis von 90 : 10 10% in den Positionserfassungsstrahl 35 umgelenkt werden, der über ein Filter 36 einen Photodetektor 37 beaufschlagt.

Das Filter 36 kann insbesondere als Polarisationsfilter oder als Interferenzfilter ausgestaltet sein. Bei dem Einsatz eines Polarisationsfilters wird der Polarisationsgrad der von dem zu prüfenden Material zurückreflektierten und gestreuten Laserstrahlung erfaßt, so daß der Depolarisationsgrad der reflektierten polarisierten Strahlung erfaßt wird, dessen Änderung insbesondere von eventuellen äußeren Oberflächenunebenheiten beeinflußt wird.

Bei dem Einsatz eines Interferenzfilters wird nur die dann gewünschte und durch die Vergütung des Filters vorbestimmte Wellenlänge zum Photodetektor 37, z. B. einer Photodiode, durchgelassen, so daß z. B. nur eine oder mehrere vorbestimmte Farb-Wellenlängen eines Mehrfarblasers die Photodiode beaufschlagen können.

Der Photodetektor 37 besteht aus einem oder mehreren diskreten Photoelementen. Insbesondere kann ein CCD-Detektor mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Fokussierungsoptik vorgesehen sein. Mit einem CCD-Detektor sind auch außerhalb vom direkten mit den Bezugszeichen 25 und 20 versehenen Strahlweg zurückreflektierte und gestreute Lichtbestandteile in ihrer Lage, Intensität und räumlichen Verteilung erfaßbar. Dadurch ist es möglich, auf die Oberflächenstruktur des Prüflings Rückschlüsse zu ziehen. Das von dem Photodetektor 37 erfaßte und im wesentlichen sichtbare oder im nahen infraroten Wellenlängenbereich liegende Licht beaufschlagt über die Datenleitung die Regel- und Steuerschaltung 16. Insbesondere kann im Zusammenhang mit den Regeldaten des Heizlasers 2 auf der Steuerleitung 11 sowie den Stelldaten der Abtast-Spiegel 21 und 22 auf den Steuerleitungen 26 und 27 ein zweidimensionales Helligkeitsbild der auf den Photodetektor 37 zurückreflektierten und gestreuten Intensität erstellt werden. Dieses Helligkeitsbild ist in seiner Entstehungsgeschwindigkeit nur von der Stellgeschwindigkeit der Abtast-Spiegel 21 und 22 und von der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Regel- und Steuerschaltung 16 abhängig.

Insbesondere ist es auch möglich, ein von der Fokussierungsoptik 30 auf einer CCD-Detektormatrix erzeugtes Bild auf einem direkt an die Matrix angeschlossenen Monitor zu betrachteen und in einer Auswerteschaltung entsprechend auszuwerten.

Anstelle der Bewegung der Abtast-Spiegel 21 und 22 kann auch die in der Fig. 1 dargestellte Prüfvorrichtung als ganzes auf einem X-Y-Verschiebetisch bewegt werden, so daß der zu der Vorrichtung ortsfeste abtastende Strahl über die Oberfläche des Prüflings bewegt wird.

Der Anregungsstrahl 25, der den Prüfling beaufschlagt, wird zum anderen Teil vom Prüfling absorbiert, wobei eine Wärmewelle auftritt, die nach einer gewissen Laufzeit in dem Prüfling auf der der Fokussierungsoptik 30 zugewandten Seite aus dem Prüfling heraustritt und über die durch Schrittmotoren angesteuerte Abtast-Spiegel 21 und 22 den dichroitischen Umlenkspiegel 15 beaufschlagt. Die Abtast-Spiegel 21 und 22 und eventuelle in der Fig. 1 nicht gezeichnete Justierspiegel sind breitbandig vergütet, so daß sie sowohl für sichtbares Licht als auch für infrarote Strahlung hochreflektierend sind.

Da der dichroitische Umlenkspiegel 15 für infrarote Strahlung transmittierend ausgelegt ist, tritt diese Wärmestrahlung 45 durch ihn hindurch und wird von einem im Infrarot-Bereich vergüteten Umlenkspiegel 46 über eine Infrarot-Optik 47 auf einen Infrarotdetektor 48 abgebildet, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 49 die Regel- und Steuerschaltung 16 beaufschlagt. Damit ist es möglich, ein zweidimensionales Wärmebild des Prüflings zu erzeugen, das in einem anderen Wellenlängenbereich dem Auslesen der optischen Informationen des Photodetektors 37 über die Leitung 38 entspricht. Die Abtastrate zur Erzeugung des Wärmebildes muß auf die durch das Material vorgegebene Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewellen im Material des Prüflings Rücksicht nehmen. Die Wärmewellen entstehen nach Bestrahlung der Materialoberfläche durch den Anregungsstrahl 25 mit einer bestimmten Bestrahlungsdauer (Modulation) infolge von Energieumwandlung über Absorption und strahlungslose Desaktivierung. Zur Abtastung der thermischen Anregung wird bei einer Meßfläche von ungefähr 1 mm² und einer Auflösung von ca. 8 Mikrometern eine Meßzeit von einigen Minuten benötigt.

Mit Hilfe der Bildverarbeitung kann aus den zwei einzelnen Bildern des Photodetektors 37 und des Infrarotdetektors 48 ein einziges Bild erstellt werden, das einzig die Information über innere, in dem Prüfling vorliegende Defekte enthält. Parallel dazu wird das optisch abgetastete Bild des Photodetektors 37 ausgegeben, das einzig die äußere Oberflächenstruktur und insbesondere auch Defekte anzeigt. Insbesondere kann in der Auswerteschaltung zur Erzeugung des die inneren Defekte zeigenden Bildes die vom Infrarotdetektor 48 erhaltene zurückgeworfene Intensität rechnerisch für die Stellen der Prüflingsoberfläche erhöht werden, für die das optische Bild des Photodetektors 37 ein höheres Reflexionssignal und damit eine niedrigere Absorption des Anregungsstrahls 25 anzeigt. Umgekehrt wird die innere Defekte zeigende Intensität des vom Infrarotdetektor 48 aufgenommenen Strahlung rechnerisch erniedrigt, wenn das Reflexionssignal des Photodetektors 37 kleiner ist und damit eine erhöhte Absorption des Anregungsstrahls 25 anzeigt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Gesamtenergie des Anregungsstrahls in einen absorbierten und in einen direkt reflektierten Anteil aufgeteilt wird.

Ein in seiner Leistung schwacher und die thermische Abtastung nicht beeinflussender Justierlaser 52 im sichtbaren Wellenlängenbereich ist in Verlängerung des Justierstrahls 13 angeordnet, so daß der Ausgangsstrahl 53 des Justierlasers 52 über den dichroitischen Umlenkspiegel 15 auf dem Prüfling abgebildet werden kann. Der Umlenkspiegel 12 ist nur für die Wellenlänge des Heizlasers (2) vergütet, so daß das sichtbare Licht des Justierlasers 52 durch den Umlenkspiegel 12 ungehindert hindurchtritt. Damit ist es insbesondere möglich, von einer thermischen Messung den abzutastenden Bereich durch ein schnelles Verstellen der Abtastspiegel 21 und 22 für einen Benutzer deutlich sichtbar darzustellen.

In einer schnellen Messung ist das optische Bild der Materialoberfläche mit Hilfe des reflektierten Signals des Heizlasers 2 erfaßbar, das über die Leitung 28 aus dem CCD-Detektor ausgelesen werden kann, da alle optischen Vorgänge mit Lichtgeschwindigkeit ablaufen.

Anschließend ist eine zeitmäßig länger dauernde thermische Messung durchführbar, bei der in Abhängigkeit von dem Material selbst und der Dicke des Prüflings jeweils auf die zurücklaufende Wärmewelle gewartet wird, bevor die Abtast-Spiegel 21 und 22 die nächste vorbestimmte Position anfahren können, die der Beaufschlagung eines anderen räumlichen Punkts auf der Prüflingsoberfläche mit der Strahlung des Heizlasers 2 entspricht. Damit ist es insbesondere bei den üblicherweise sehr kleinen Meßflächen von weniger als 1 mm² möglich, vor Beginn der eigentlichen thermischen Messung zu wissen, ob das Gerät auf die gewünschte Meßfläche auf dem Prüfling eingestellt ist. Dabei bietet das vom Justierlaser 52 auf dem Prüfling erzeugte Signal eine weitere Einstellhilfe.

Die Fig. 2 zeigt ein Optikmodul 60, dessen Ausgangsstrahl 61 über einen Umlenkspiegel 62 in den Lichtweg 63 einer thermischen Materialprüfvorrichtung einkoppelbar ist. Der Heizlaser 2 beaufschlagt direkt den Strahlteilerspiegel 6, der in einem Strahlteilungsverhältnis von 50 : 50 bis über 90 : 1 ausgelegt sein kann. Das direkt reflektierte Signal 7 beaufschlagt die Photodiode 8 deren Ausgangssignal über eine Datenleitung 9 die Regel- und Steuerschaltung 16 beaufschlagt. Hiermit ist über die Regelleitung 11 die Intensität und Modulation des Heizlasers 2 regel- und einstellbar. Der durch den Strahlteilerspiegel 6 hindurchtretende Strahl 61 wird über den Umlenkspiegel 62 in den Lichtweg 63 der thermischen Prüfungsvorrichtung eingekoppelt. Dabei ist es auch möglich, daß nicht der Heizlaser 2, sondern eine in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellte weitere Heiz-Lichtquelle den Anregungsstrahl 25 erzeugt. Das vom Prüfling 1 zurückreflektierte Lichtsignal wird über den vorzugsweise dichroitischen und nur für die Wellenlänge des Heizlasers 2 und kleinere Wellenlängen vergüteten Umlenkspiegel 62 in den Anregungsstrahl 61 umgelenkt und vom auskoppelnden Strahlteilerspiegel 6 über eine Blende 65, den Filter 36 und eine abbildende Linse 66 auf den Photodetektor 37 geleitet. Der Photodetektor 37 erfaßt wie in der Fig. 1 das reflektierte und das gestreute optische Signal und führt es über die Leitung 38 der Regel- und Steuerschaltung 16 zu.

Die Fig. 3 zeigt drei thermische Materialprüfvorrichtungen 70, 71 und 72, bei denen ein Optikmodul aus Fig. 2 einsetzbar ist. Die Materialprüfvorrichtung 70 umfaßt eine in der Fig. 1 dargestellte Scan-Vorrichtung, bei der der abbildende Anregungsstrahl 25 über zwei Abtastspiegel 21 und 22 derart abgelenkt wird, daß er jeden Punkt der Prüflings- Oberfläche des Prüflings 1 abtastet. Die Fokussierungsoptik 30, die für alle auftretenden Wellenlängen vergütet und insbesondere korrigiert ist, bildet dabei den Lichtstrahl auf die Prüflingsoberfläche ab. Die Verwendung einer für alle verwendeten Wellenlängen achromatischen Fokussierungsoptik 30 gestattet die verzerrungsfreie Abbildung des Anregungsstrahles 25, des Ausgangsstrahls 53 Mirage-Effekt-Abtast-Strahl und ebenfalls des zurückgeworfenen Infrarot-Lichtstrahles.

Andererseits ist es gemäß der Materialprüfvorrichtung 72 möglich, den abbildenden Anregungsstrahl 25, der über die Fokussierungsoptik 30 auf die Prüflingsoberfläche abgebildet wird, durch Bewegen der Materialprüfvorrichtung 71 als ganzes zu verschieben.

Schließlich ist das in der Fig. 2 dargestellte Modul auch bei einer auf dem Mirage-Effekt beruhenden Materialprüfvorrichtung 72 einsetzbar, bei der ein Mirage-Effekt-Abtast-Strahl 75 parallel zur Oberfläche des Prüflings verläuft und der abbildende Anregungsstrahl 25 rechtwinklig zu diesem Mirage-Effekt-Abtast-Strahl 75 die Oberfläche des Prüflings beaufschlagt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings, bei dem der Prüfling von einem Anregungsstrahl abgetastet wird und bei dem ein äußere Inhomogenitäten beinhaltendes Bildsignal, das von dem vom Prüfling zurückreflektierten Anregungstrahl herrührt, und ein innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltendes, thermisches Infrarotsignal, das vom Anregungsstrahl im Prüfling erzeugt wird, erfaßt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Anregungsstrahl in dem Prüfling erzeugte Infrarotsignal auf der dem Anregungsstrahl zugewandten Seite des Prüflings gemessen wird, nachdem es nach Durchlaufen des der Abtastung dienenden Abschnitts des Strahlengangs des Anregungsstrahls aus diesem ausgekoppelt wurde, daß das innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltende thermische Infrarotsignal und das äußere Inhomogenitäten beinhaltende Bildsignal derart verarbeitet und ausgewertet werden, daß ein nur innere Inhomogenitäten beinhaltendes Ausgangssignal erhalten wird, und daß die Abtastgeschwindigkeit des Anregungsstrahls in Abhängigkeit von der vom Material des Prüflings vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des thermischen Infrarotsignals im Prüfling eingestellt wird.

2. Vorrichtung zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Anregungsstrahls, einer Abtasteinrichtung mit einer Steuereinrichtung zur Abtastung des Prüflings mit dem Anregungsstrahl, einem Ortsdetektor, einem Stahlteilerelement zur Auskopplung des von der Oberfläche des Prüflings reflektierten Strahls aus dem Strahlengang des Anregungsstrahlengangs und zur Lenkung auf den Ortsdetektor zur Erzeugung eines äußere Inhomogenitäten beinhaltenden Bildsignals, einem Infrarotdetektor zur Erzeugung eines innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltenden Infrarotsignals, und mit einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (Abtastspiegel 21, 22) zwischen dem Strahlteilerelement (dichroitischer Umlenkspiegel 15; Umlenkspiegel 62) und dem Prüfling (1) angeordnet ist, der Infrarotdetektor (48) im ausgekoppelten Strahlengang nach dem Strahlteilerelement (dichroitischer Umlenkspiegel 15; Umlenkspiegel 62) angeordnet ist, daß die Auswerteschaltung Regel- und Steuerschaltung (16) mit dem Bildsignal und dem thermischen Infrarotsignal beaufschlagbar ist und derart zur Verarbeitung und Auswertung des Bildsignals und des thermischen Infrarotsignals ausgelegt ist, daß ein nur die inneren Inhomogenitäten enthaltendes Ausgangssignal erzeugbar ist, und daß die Steuereinrichtung (Regel- und Steuerschaltung 16) zur Einstellung der Abtastgeschwindigkeit der Abtasteinrichtung (Abtastspiegel 21, 22) in Abhängigkeit von der vom Material des Prüflings (1) vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des thermischen Infrarotsignals im Prüfling (1) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anregungsstrahl (25) eine Fokussierungsoptik (30) angeordnet ist, die den Anregungsstrahl (25) auf eine im Bereich von Quadratmikrometern liegende Teilfläche der Oberfläche des Prüflings (1) abbildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsoptik (30) für den Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis zum infraroten Lichtbreitband vergütet und achromatisch korrigiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justierlichtquelle (Justierlaser 52) im sichtbaren Bereich durch ein Strahlteilerelement (Umlenkspiegel 15) in den Lichtweg des Anregungsstrahls (25) einkoppelbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung Abtast-Spiegel (21, 22) und die Steuereinrichtung eine Ansteuerschaltung aufweist, mit denen der Anregungsstrahl (25) auf jeden Punkt der Oberfläche des Prüflings (1) abbildbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein X-Y-Verschiebetisch vorgesehen ist, auf dem das Optikmodul der Vorrichtung zum Untersuchen der inneren Struktur (Materialprüfvorrichtung 71) angeordnet ist, so daß der Anregungsstrahl (25) über eine Ansteuerschaltung auf jeden Punkt der Oberfläche des Prüflings (1) abbildbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines rechtwinklig und raumfest zu dem abbildenden Anregungsstrahl (25) und im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Prüflings (1) ausgerichteten Mirage-Effekt-Abtast-Strahls (75) vorgesehen ist.