DE69828873T2

DE69828873T2 - Verfahren und Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung eines Materials

Info

Publication number: DE69828873T2
Application number: DE69828873T
Authority: DE
Inventors: Laurent Legrandjacques; Christophe Dehan; Jean-Claude Krapez; François LE POUTRE
Original assignee: Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales; Framatome ANP SAS
Current assignee: Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales; Areva NP SAS
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: EP0965037A1; ES2235325T3; FR2760528A1; WO1998039640A1; US6419387B1; DE69828873D1; FR2760528B1; EP0965037B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung eines Materials.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur photothermischen Untersuchung bekannt, die beispielsweise die zerstörungsfreie Kontrolle von Teilen erlauben, um Fehler, Veränderungen der Beschaffenheit oder der Eigenschaften des Materials des Teils oder Unterschiede in der Dicke einer Beschichtung des Teils festzustellen. Diese Verfahren und Vorrichtungen können auch eingesetzt werden, um lokale Veränderungen der Thermodiffusions- oder der Wärmeleitfähigkeit an oder unter der Oberfläche eines aus dem Material bestehenden Teils zu charakterisieren. Das untersuchte Teil kann aus Metall sein und aus einem eisenhaltigen Material bestehen, beispielsweise aus legiertem Stahl wie rostfreiem Stahl, oder aus nicht eisenhaltigem Material. Das Material kann auch ein Verbundmaterial, eine Keramik oder ein Kunststoff sein.
Das Verfahren zur photothermischen Untersuchung, das an einem Teil oder einer Probe aus dem untersuchten Material angewandt wird, macht sich das Phänomen der Diffusion einer thermischen Störung zunutze, die durch eine lokale Erwärmung des Teils oder der Probe erzeugt wird. Die Untersuchung und Kennzeichnung der thermischen Diffusion und ihrer Veränderungen auf der Oberfläche des Teils erlauben es, das Teil durch Feststellen lokaler Veränderungen der thermischen Diffusion zu erfassen oder zu kennzeichnen.
Für gewöhnlich umfasst die verwendete Vorrichtung oder photothermische Kamera einen Laser, der in einem Heizbereich auf die Oberfläche des untersuchten Teils oder der untersuchten Probe fokussiert wird. Die von dem Teil in einem Erfassungsbereich in der Nähe des Heizbereichs ausgehende Infrarotstrahlung erlaubt die Messung oder Bewertung der durch das Erwärmen im Heizbereich bedingten Temperaturerhöhung im Erfassungsbereich. Die Verschiebung zwischen dem Heizbereich und dem Erfassungsbereich wird im Allgemeinen als „Offset" bezeichnet. Die ausgehende Strahlung oder die Temperaturerhöhung kann ohne Kontakt mithilfe eines Sensors, beispielsweise eines Infrarotsensors, gemessen werden. Die vom Erfassungsbereich ausgehende Wärmestrahlung oder die Temperaturerhöhung wird von den lokalen Eigenschaften der untersuchten Materialien beeinflusst. Insbesondere hängt die Diffusion der Wärme zwischen dem Heizbereich und dem Erfassungsbereich, welche die Temperaturerhöhung im Erfassungsbereich verursacht, von Materialfehlern wie Rissen im Heiz- oder Erfassungsbereich oder in der Nähe dieser beiden Bereiche ab.
Um das aus dem Material bestehende Teil zu untersuchen, ohne es zu zerstören, oder um die thermische Diffusion im Material zu messen, wird eine Oberfläche des Teils oder der Probe abgetastet, indem auf der Oberfläche des Teils oder der Probe ein Wärmezufuhrmittel bewegt wird, das im Allgemeinen von einem Laserstrahl gebildet wird, der auf einen Abschnitt der Oberfläche des Teils, welcher einen Heizbereich bildet, fokussiert wird.
Die Temperaturerhöhung oder die ausgehende Wärmestrahlung werden in einem Erfassungsbereich bestimmt, dessen Position beim Abtasten mit der Position des Heizbereichs variiert, wobei die Heizbereiche und die Erfassungsbereiche durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der den Offset bildet.
So wird ein zweidimensionales Bild der Oberfläche der Probe erhalten, das repräsentativ ist für die Veränderungen der Wärmediffusion in der Probe oder auch für die Fehler innerhalb der Probe. Das Ab tasten kann erfolgen, indem ein festes Teil verwendet wird, auf dessen Oberfläche das Wärmezufuhrmittel synchron mit dem Erfassungsbereich bewegt wird; im Allgemeinen wird das Abtasten durch Ablenken eines auf die Oberfläche fokussierten Laserstrahls durchgeführt, wobei motorgesteuerte Spiegel eingesetzt werden, die auch verwendet werden, um die vom Erfassungsbereich ausgehende Strahlung zu einem Sensor, beispielsweise einem Infrarotsensor, zu senden, der die Messung der Temperaturerhöhung erlaubt.
Es ist auch möglich, das Teil, an dem die Untersuchung vorgenommen wird, gegenüber einer festen Vorrichtung zum Heizen und Erfassen zu verschieben.
Das Abtasten der Oberfläche des Teils erfolgt im Allgemeinen, indem Zeile für Zeile auf der Oberfläche ein Paar von punktuellen Heiz- und Erfassungsbereichen verschoben werden, wobei die Heiz- und Erfassungsbereiche beispielsweise kreisförmig und klein sind. Wie weiter oben angegeben, kann eine im Wesentlichen punktuelle Erwärmung durch Fokussieren eines Laserstrahls mittels sphärischer Linsen auf die Oberfläche des Teils oder der Probe erhalten werden. Ebenso wird die in einem kleinen Erfassungsbereich in der Nähe des Heizbereichs ausgehende Infrarotstrahlung an einen Infrarot-Monosensor in Form eines Strahls übertragen, der auf die sensible Oberfläche des Sensors fokussiert wird, welcher im Allgemeinen rechteckig und klein ist.
Die Offset genannte Verschiebung zwischen Heiz- und Erfassungsbereich wird durch eine feinmechanische Regelung der Position des Infrarotsensors oder seiner Fokussierungsoptik in einer Ebene eingestellt, die parallel zur Oberfläche des untersuchten Teils verläuft.
Ein solches Verfahren oder eine solche Vorrichtung, die punktuelle Heiz- und Erfassungsbereiche verwenden, bringen bestimmte Nachteile mit sich.
Dieses Verfahren und diese Vorrichtung können ziemlich leicht auf Materialien angepasst werden, die wenig wärmeleitfähig oder optisch stark absorbierend oder emittierend sind. Denn die Leistungen der bei der aktiven Thermografie eingesetzten Laserquellen gehen von Milliwatt bis zu einigen Watt. Diese Leistungen reichen bei Materialien, welche die oben erwähnten Eigenschaften nicht besitzen, und insbesondere bei den meisten Metallen nicht aus.
Außerdem ist die Messproduktivität bei diesen Verfahren und Vorrichtungen gering, da es nötig ist, die Oberfläche des Teils oder der Probe komplett abzutasten, indem die punktuellen Heiz- und Erfassungsbereiche verschoben werden.
Der Abschnitt der Oberfläche, der dem Erfassungsbereich entspricht, und die Abtastgeschwindigkeiten, die eingesetzt werden, um messbare Signale zu erhalten, sind im Allgemeinen zu klein beziehungsweise zu niedrig, als dass die Messungen wirklich von wirtschaftlichem Interesse wären; das gilt insbesondere bei der Untersuchung von Metallen und Materialien, bei denen die Verläufe der zu bestimmenden Diffusionsfähigkeit, beispielsweise bedingt durch kleine Fehler schwach sind.
Es kann langwierig und schwierig sein, den Offset zwischen den Heiz- und Erfassungsbereichen durch eine genaue Positionierung und eine feine Regelung der optischen Elemente zum Erwärmen und Erfassen oder des Sensors einzustellen. Die Einstellung muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden, wenn eine gute Reproduzierbarkeit der Untersuchungsleistungen erhalten werden soll. Insbesondere ist es praktisch nötig, mit konstantem Offset zu arbeiten, was jede Optimierung des aufgenommenen Signals unmöglich macht, und mit Offset null zu arbeiten, wenn man ein doppeltes Abtasten des Teils durchführen möchte, um die Wirkung des Oberfächenzustands des Teils zu beseitigen; da der Offset parallel zur Bewegungsrichtung des Heizbereichs und des Erfassungsbereichs sein muss, ist außerdem das Abtasten auf eine einzige Richtung begrenzt.
Die Untersuchungsvorrichtung kann aufgrund der Größe der nötigen Laserquelle sehr sperrig sein, was den Einsatz von Vorrichtungen zur Kontrolle von Teilen vor Ort, wenn die Oberflächen dieser Teile schwer zugänglich sind, unmöglich macht.
Mit den üblicherweise verwendeten optischen Systemen zum Heizen und Erfassen erhält man „Feldtiefen" von bestenfalls einigen Millimetern, wobei diese „Feldtiefen" aus den Intervallen der Veränderung des Abstands zwischen der Untersuchungsvorrichtung und der Oberfläche des Teils bestehen, in denen es möglich ist, garantierte Leistungen der Untersuchungsvorrichtung zu erhalten. Aufgrund der geringen Feldtiefe können nur Teile untersucht werden, die vollkommen ebene Oberflächen besitzen, was bei den meisten Teilen, auf die die thermografische Untersuchung anwendbar ist, nicht der Fall ist.
Es wurde vorgeschlagen, bei einer thermografischen Untersuchung mehrere, parallel arbeitende Sensoren, eventuell in Form eines Gitters, zu verwenden (WO 8700632). Allein durch die Verwendung einer Einheit von Sensoren lassen sich die oben erwähnten Nachteile der Methode der thermografischen Untersuchung eines Materials aber noch nicht beheben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur photothermischen Untersuchung eines Materials vorzuschlagen, das darin besteht, einen Heizbereich auf der Oberfläche eines aus dem Material bestehenden Teils mit einem Wärmezufuhrmittel zu erhitzen und in einem Erfassungsbereich in einem bestimmten Abstand vom Heizbereich einen von der Oberfläche des Teils ausgehenden Strahlungsfluss zu erfassen und den Heizbereich und den Erfassungsbereich entlang eines festgelegten Abtastweges auf der Oberfläche relativ zu verschieben, wobei die oben beschriebenen Nachteile der Verfahren aus dem Stand der Technik behoben sind.
Zu diesem Zweck wird zum Erfassen des vom Erfassungsbereich ausgehenden Strahlungsflusses, dessen Position mit der Position des Heizbereichs variiert, durch elektronische Mittel aus einer Einheit von Sensoren, die von einer Matrix von Sensoren in Form eines quadratischen oder rechteckigen Gitters mit Zeilen und Spalten von Sensoren gebildet ist, eine Gruppe von Sensoren gewählt, die von mindestens einem Teil einer Zeile, Spalte oder Diagonale geeigneter Neigung der Einheit von Sensoren gebildet wird, dessen Position so gewählt ist, dass ein vom Erfassungsbereich der Oberfläche des Teils ausgehender Strahlungsfluss aufgenommen und der Rauschabstand der photothermischen Untersuchung erhöht wird, und es werden elektronische Mittel zum Auswerten der Signale verwendet, sodass die Signale von jedem der Sensoren der Gruppe von Sensoren unabhängig voneinander verarbeitet werden können.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun als Beispiele mehrere Ausführungsarten eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung nach der Erfindung beschrieben und einem Verfahren und einer Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung nach der bekannten Technik gegenübergestellt.
1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Teils aus einem Material, das photothermisch untersucht wird.
2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung, beispielsweise einer photothermischen Kamera.
3 ist ein Schema, das den Einsatz eines Verfahrens zur photothermischen Untersuchung nach dem Stand der Technik zeigt, bei dem eine Oberfläche eines Teils an punktartigen Bereichen abgetastet wird.
4 ist ein zur Ansicht von 3 analoges Schema, das den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur photothermischen Untersuchung zeigt.
Die 5A und 5B sind schematische Ansichten des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Regelung des Offset zwischen Heiz- und Erfassungsbereich.
Die 6A, 6B und 6C beziehen sich auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Oberfläche eines Teils mit Regelung des Offset zwischen den Heiz- und Messbereichen abhängig von der Abtastrichtung abgetastet wird.
Die 7A und 7B beziehen sich auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Offset zwischen punktuellen Heiz- und Messbereichen, dessen Richtung sich von der Abtastrichtung unterscheidet.
8 bezieht sich auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schrägem Abtasten und der Verwendung einer schrägen Reihe an Sensoren der Sensorenmatrix.
Die 9A, 9B, 9C, 9D und 9E beziehen sich auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im punktuellen Modus mit Regelung des Offset zwischen den punktuellen Heiz- und Erfassungsbereichen in Richtung, Größe und Vorzeichen.
10 ist eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die es erlaubt, das zu untersuchende Teil in einem länglichen Bereich zu erhitzen.
11 zeigt einen optischen Aufbau zur Ausrichtung der Heiz- und Erfassungsstrahlung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
12 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Einstellen der Fokussierung eines Strahls zum Heizen eines Teils und des erfassten Flusses, während das Teil abgetastet wird.
13 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit internem Abtasten zur Kontrolle von fest positionierten Teilen.
Die 14A und 14B sind schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bei denen das Abtasten durch Verschieben des zu untersuchenden Teils erfolgt.
15 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit internem und externem Abtasten zur Kontrolle von Teilen mit beliebiger Geometrie.
16 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit internem und externem Abtasten zur Kontrolle von festen Rotationsteilen.
Die 17A und 17B sind schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit internem und externem Abtasten, die mit Mitteln zum Verschieben der zu untersuchenden Teile versehen sind.
Die 18A und 18B beziehen sich auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit nur einer Abfolge von Sensoren.
In 1 ist ein Teil 1 dargestellt, das aus einem Material besteht, welches photothermisch untersucht werden soll. Das Teil ist im Wesentlichen parallelepipedförmig-rechteckig und weist eine ebene Oberfläche 1a auf, an der das Material des Teils 1 in einem Bereich 2 der Oberfläche 1a durch Zufuhr von Wärme, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, erhitzt wird, wie schematisch durch den Pfeil 4 dargestellt ist. Mithilfe eines Sensors wird der von einem Erfassungsbereich 3 der Oberfläche 1a ausgehende Strahl erfasst, der schematisch durch den Pfeil 5 dargestellt ist. Der Heizbereich 2 und der Erfassungsbereich 3 sind auf der Oberfläche 1a gegeneinander verschoben und durch einen Offset genannten Abstand voneinander getrennt.
Zur Untersuchung des Teils 1 wird die Oberfläche 1a abgetastet, indem der Heizbereich 2 und der Erfassungsbereich 3 synchron auf der Oberfläche 1a – parallel oder nicht parallel zur Verschiebung zwischen dem Heizbereich und dem Erfassungsbereich – verschoben werden, wie durch den Pfeil 6 angegeben. Das Abtasten erfolgt zeilenweise, wobei sich die Bewegungsrichtung bei jeder der aufeinan der folgenden Zeilen umkehrt (Rechteckverfahren) oder gleich (Kammverfahren) bleibt.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung des Teils 1 mit Abtasten der Oberfläche 1a des Teils nach aufeinander folgenden Abtastzeilen, wie beispielsweise beim Rechteckverfahren durch die Pfeile 7 auf der Fläche 1a des Teils 1 dargestellt.
Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle 8, die Fokussierungslinsen 9 und ein Abtastsystem 10, bestehend aus motorgesteuerten Schwenkspiegeln, zugeordnet ist.
Die Fokussierungslinsen 9 fokussieren den von der Laserquelle 8 kommenden Laserstrahl 11 auf der Höhe des Heizbereichs 2 auf die Oberfläche 1a des Teils 1. Das Abtastsystem 10, bestehend aus den motorgesteuerten Schwenkspiegeln, kann den Heizbereich 2 entlang des Abtastweges 7 an der Oberfläche 1a des Teils 1 verschieben. Außerdem kann das Abtastsystem einem Infrarot-Monosensor 12 in jedem Moment über ein optisches Infrarot-Sammel- und Fokussiersystem 13 die von einem Erfassungsbereich 3 ausgehende Infrarotstrahlung zukommen lassen, wobei der Erfassungsbereich gegenüber dem Heizbereich 2 leicht verschoben sein kann.
Am Ausgang des Infrarot-Monosensors 12 werden die vom Monosensor erzeugten Signale, die für die vom Erfassungsbereich ausgehende Infrarotstrahlung charakteristisch sind, von einem Verstärker 14 verstärkt und dann an eine Einheit 15 zum Erfassen und Synchronisieren der Signale und zum Konstruieren eines Bildes übertragen, welches die Veränderungen der lokalen thermischen Eigenschaften der Oberfläche 1a zeigt.
Das von der Einheit 15 ausgearbeitete Bild wird an einem Bildschirm 16 angezeigt. Im Fall eines Fehlers 17 oder einer Veränderung der thermischen Eigenschaften im Material des Teils 1 wird der Fehler 17 in 17' auf dem Bildschirm 16 der photothermischen Vorrichtung oder photothermischen Kamera angezeigt.
Die Einheit 15 ist mit einer Einheit 18 zum Steuern des Abtastsystems 10 so verbunden, dass das Abtastsystem mit dem System zum Erfassen der Signale synchronisiert wird.
In 3 ist schematisch die Oberfläche 1a des Teils dargestellt, das abgetastet wird, indem ein punktueller Heizbereich 2, der dem Fokussierungsbereich eines Laserstrahls entspricht, und ein punktueller Erfassungsbereich 3, dessen Infrarotstrahlung vom Monosensor 12 erfasst wird, verschoben werden.
Wie in 3 zu sehen, erfolgt das Abtasten zeilenweise, sodass nach und nach die gesamte Oberfläche 1a des Teils abgetastet wird. Jede der Positionen des Heizbereichs 2 und des Erfassungsbereichs 3 entspricht einem Pixel des photothermischen Bildes der Oberfläche 1a. Wie weiter oben angegeben, ist die Messleistung bei den Anordnungen nach dem Stand der Technik sehr gering, da es nötig ist, die Oberfläche 1a des zu überprüfenden Teils, vollständig abzutasten und da die Abtastgeschwindigkeiten, mit denen am Ausgang des Monosensors 12 akzeptable Signale erhalten werden, begrenzt sein können.
Darüber hinaus muss der Offset, das heißt die Verschiebung zwischen den Bereichen 2 und 3, durch eine feinmechanische Regelung der Position des Sensors 12 oder des optischen Systems 13 in einer zur Oberfläche 1a parallelen Ebene genau eingestellt werden, bevor mit der Untersuchung der Oberfläche 1a begonnen wird. Der Offset zwischen den Bereichen 2 und 3 kann nicht während der Untersuchung eingestellt und angepasst werden, um möglichst charakteristische Signale für die Veränderungen der thermischen Eigenschaften zu erhalten, die es festzuhalten gilt.
In 4 ist schematisch ein Beispiel für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur thermografischen Untersuchung einer Oberfläche 1a eines Teils aus einem Material eingesetzt, an dem man eine zerstörungsfreie Kontrolle oder eine Messung der thermischen Eigenschaften durchführt.
Im Unterschied zum Beispiel für den Einsatz eines Verfahrens zur thermografischen Untersuchung nach dem Stand der Technik, das in 3 dargestellt ist, verwendet man zur Erfassung einer von einem Erfassungsbereich der Oberfläche 1a ausgehenden Strahlung anstelle eines Monosensors wie des in 3 dargestellten Monosensors 12 eine Sensorenmatrix 20, das heißt eine Einheit an Infrarotsensoren mit quadratischer oder rechteckiger sensibler Oberfläche, die in einem Gitter mit rechtwinkligen Maschen mit N Spalten und M Zeilen angeordnet sind.
Die Anzahl an Spalten N und die Anzahl an Zeilen M der Matrix 20 können zwischen 1 und mehreren Hunderten (beispielsweise 512) betragen. Die Zahlen können unabhängig voneinander festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht wie bei den Verfahren nach dem Stand der Technik darin, auf der Oberfläche 1a des Teils, das untersucht wird, einen Heizbereich 22 und einen Erfassungsbereich 23 so zu verschieben, dass die gesamte Oberfläche 1a abgetastet und die vom Erfassungsbereich 23 ausgehende Strahlung mithilfe von Infrarotsensoren erfasst und gemessen wird.
Wie weiter oben angegeben, ist es bekannt, die Erfassung mit einem Monosensor und punktuellen Heiz- und Erfassungsbereichen durchzuführen. Es ist weiter bekannt, eine ganze Sensorenmatrix zu verwenden, um die Entwicklung der Temperatur auf der gesamten Oberfläche eines Teils zu beobachten, das einer Wärmequelle ausgesetzt wird.
Gegenüber diesen bekannten Verfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Oberfläche 1a des Teils mithilfe von Heizbereichen 22 und Erfassungsbereichen 23 abgetastet und die vom Erfassungsbereich 23 ausgehende Strahlung, welcher sich auf der Oberfläche des Teils 1a verschiebt, von einer Gruppe nebeneinander liegender Sensoren 21 der Sensorenmatrix 20 erfasst.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsart bildet die Gruppe 21 von nebeneinander liegenden Sensoren der Sensorenmatrix 20 einen Teil einer Spalte dieser Sensorenmatrix 20 mit n nebeneinander liegenden Sensoren. Wie später noch erklärt wird, wird die Position der Spalte von Sensoren innerhalb der Matrix 20 sorgfältig gewählt, um die Erfassung unter idealen Bedingungen durchzuführen.
Die Einheit der gewählten Sensoren kann ebenso gut in einer Spalte, Zeile oder Diagonale beliebiger Neigung angeordnet sein.
Die Signale jedes der gewählten Sensoren können unabhängig voneinander verarbeitet werden.
Da eine Einheit von Sensoren verwendet wird, ist es möglich, mit länglichen anstelle von punktuellen Heizbereichen 22 und Erfas sungsbereichen 23 zu arbeiten. Diese länglichen Bereiche 22 und 23 decken eine bestimmte Länge der Oberfläche der Probe 1a ab, die dem durch Auswertung der Signale der Sensoren in Form von n Pixeln gelieferten Bild entspricht.
Das Abtasten der Oberfläche 1a anhand von länglichen Bereichen 22 und 23, wie vom Pfeil 24 schematisch dargestellt, erlaubt bei jedem Verschieben in Richtung des Pfeils 24 an der Länge der Oberfläche 1a einen Streifen 25 der Oberfläche abzudecken, dessen Breite n Pixeln des Bildes entspricht. So lässt sich die Oberfläche 1a des Teils durch aufeinander folgende Streifen 25 vollständig abtasten, deren Grundfläche mehrere hundert Male größer sein kann als die Grundfläche einer Abtastzeile, wenn ein punktueller Bereich 2, 3 und ein Monosensor 12 eingesetzt werden.
Die Länge der Gruppe 21 von Sensoren der Matrix 20, welche die vom Erfassungsbereich 23 ausgehende Strahlung erfassen, wird abhängig von den Charakteristiken des untersuchten Teils gewählt. Bei einem großen Teil wird man eine lange Reihe von Sensoren 21 wählen und bei einem kleinen Teil oder einem Teil mit komplexer Geometrie eine kurze Reihe.
In den 5A und 5B sind schematisch zwei Varianten des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstellen des Offset zwischen dem Heizbereich 22 und dem Erfassungsbereich 23 dargestellt, das heißt des Abstands zwischen diesen beiden Bereichen in der Richtung der Abtastzeile oder des Abtaststreifens 25, ohne das Wärmezufuhrmittel, das Erfassungsmittel oder ihre Optiken mechanisch einstellen zu müssen.
In 5A wird zur Erfassung der vom Bereich 23 ausgehenden Strahlung eine erste Spalte von Sensoren 21 der Sensorenmatrix 20 verwendet, sodass die Verschiebung zwischen den Bereichen 22 und 23 einen ersten positiven Wert aufweist, wenn als positive Richtung die Richtung des Pfeils 24 genommen wird.
5B zeigt, dass durch Verwendung einer zweiten Spalte an Sensoren 21', die von der Spalte 21 der Sensorenmatrix 20 verschieden ist, die Verschiebung zwischen den Bereichen 22 und 23 auf einen anderen, negativen Wert festgelegt wird, wenn als positive Richtung die Richtung des Pfeils 24 genommen wird.
Die Einstellung der Verschiebung lässt sich somit durch einfache elektronische Steuerung oder Software der Erfassungsvorrichtung sofort optimieren, sodass bei Einstellungen vor der Untersuchung eines Teils oder einer Reihe von Teilen der bestmögliche Rauschabstand erzielt wird.
Wie in den 6A, 6B und 6C gezeigt, ist es auch möglich, ein Verfahren mit doppeltem Abtasten der Oberfläche 1a einzusetzen, das heißt ein Verfahren, bei dem nacheinander jeder der Streifen 25 in einer ersten Richtung (Richtung des Pfeils 24) und in einer entgegengesetzten zweiten Richtung (Richtung des Pfeils 24') abgetastet wird.
Ein solches Verfahren mit doppeltem Abtasten, das Gegenstand einer am gleichen Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereichten Anmeldung ist, erlaubt durch Subtraktion Punkt für Punkt der Signale oder der durch Thermografie erhaltenen Bilder für die erste und zweite Abtastrichtung, die Abweichungen des Emissions- oder Absorptionsvermögens der Oberfläche 1a zu beseitigen, mit dem Risiko, dass die Abweichungen der thermischen Diffusion im Material des Teils überdeckt werden, auf denen die photothermische Untersuchung oder Kontrolle des Teils beruht.
In 6A sieht man, dass die Wahl einer ersten Spalte von Sensoren 21a der Sensorenmatrix 20 es ermöglicht, den Offset zwischen den Bereichen 22 und 23 beim Verschieben der Bereiche 22 und 23 in Richtung des Pfeils 24 oder des Vorlaufs des Abtastens auf einen ersten Wert festzulegen.
Wie in 6B zu sehen, ist es möglich, beim Verschieben der Bereiche 22 und 23 in der zweiten, vom Pfeil 24' angegebenen Verschieberichtung, die der Rücklaufrichtung des Abtastens entspricht, den Offset auf einen Wert festzulegen, der in Größe und Vorzeichen dem Wert beim Verschieben in der Vorlaufrichtung entspricht, indem eine zweite Spalte von Sensoren 21b in der Sensorenmatrix 20 gewählt wird. Eine solche Veränderung des Offset zwischen Vorlauf und Rücklauf dient dazu, die Beseitigung von unerwünschten Informationen zu vervollkommnen oder den Rauschabstand der Kontrolle zu erhöhen.
Wie in 6C zu sehen, ist es möglich, beim Verschieben in der Rücklaufrichtung 24' sowohl die Größe als auch das Vorzeichen der Verschiebung zwischen Vor- und Rücklauf zu verändern, indem eine dritte Spalte von Sensoren 21c der Sensorenmatrix 20 gewählt wird.
Wie in den 7A und 7B zu sehen, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Oberfläche 1a des Teils im punktuellen Modus zu untersuchen, das heißt so, dass der Erfassungsbereich 23 einem einzigen Pixel des durch Abtasten der Oberfläche erhaltenen thermografischen Bildes entspricht, indem ein einzelner Sensor der Sensorenmatrix gewählt wird. Ein Pixel entspricht einem Element der Matrix.
Die Verwendung einer Sensorenmatrix und die Wahl eines einzelnen Sensors in der Sensorenmatrix erlaubt, wie in den 7A und 7B zu sehen, das Abtasten in der Richtung 24 mit einem Erfassungsbereich 23, der so platziert ist, dass der Offset zwischen den Bereichen 22 und 23 in einer Richtung verläuft, die einen Winkel θ mit der Abtastrichtung 24 einschließt. Diese Ausführungsart der thermografischen Untersuchung, die bei Verwendung eines Monosensors nicht möglich ist, verbessert das thermografische Bild, wenn der Zustand der Oberfläche 1a des Teils so beschaffen ist, dass die Kontrollmethode durch doppeltes Abtasten weniger effizient ist.
Wie in 8 zu sehen, ist es möglich, die Richtung der Abtastachse 24 und damit die Richtung der Streifen 25 auf der Oberfläche des Teils 1a zu verändern und eine Gruppe von Sensoren 21 aus der Sensorenmatrix 20 auszuwählen, die aus Sensoren besteht, welche gerade Linien bilden, die auf beliebige Weise in der Sensorenmatrix angeordnet sind. Die Abtastrichtung kann jederzeit in einer beliebigen Richtung der Oberfläche 1a festgelegt oder verändert werden. So lässt sich die Abtastrichtung über einen Spielraum von 360° einstellen.
Die Einstellung oder Veränderung der Abtastrichtung ist sowohl bei einem Betrieb im Zeilenmodus möglich, das heißt mit länglichen Heizbereichen 22 und Erfassungsbereichen 23 und unter Verwendung einer Reihe von Sensoren, als auch im punktuellen Modus, das heißt mit Heizbereichen und Erfassungsbereichen, die einem einzigen Pixel des thermografischen Bildes entsprechen.
In den 9A bis 9E sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, die Richtung 24 des Abtastens der Oberfläche des Teils und des Offset zwischen den Heizbereichen 22 und den Erfassungsbereichen 23 bei einem Betrieb im punktuellen Modus einzustellen.
Wie in den 9A und 9B zu sehen, können die punktuellen Bereiche 22 und 23 an einer Richtung ausgerichtet sein, die einen Winkel θ mit der Abtastrichtung einschließt. In diesem Fall lässt sich der Offset in Richtung und Größe einstellen.
Wie in den 9C und 9D zu sehen ist, kann der Offset in die vom Pfeil 24 angegebene Abtastrichtung oder in die entgegengesetzte Richtung geführt werden.
Wie in 9E zu sehen, können die punktuellen Bereiche 22 und 23 in einer Richtung ausgerichtet werden, die praktisch senkrecht zur Abtastrichtung 24 verläuft.
In jedem Fall kann neben der Richtung auch die Größe des Offset eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt also dank der Verwendung einer Sensorenmatrix und eines Abtastens einer Oberfläche des zu untersuchenden Teils, zahlreiche Mittel anzuordnen, die den Rauschabstand verbessern, unabhängig davon, ob das Verfahren im Zeilen- oder im Punktmodus, mit einfachem oder doppeltem Abtasten durchgeführt wird. Diese Mittel stellen insbesondere den Offset zwischen den Heiz- und Erfassungsbereichen in Vorzeichen, Wert und Winkel ein.
Wie weiter oben angegeben, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch die Untersuchung unter Einsatz einer anderen Verteilung der Intensität des Heizlasers als bei einer kreisförmigen Gauß-Zone. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Sensorenmatrix und Abtasten der Oberfläche erlauben den Einsatz eines linearen Heizbereichs, der beispielsweise die Form einer Linie oder Ellip se besitzt. Man kann auch einen ringförmigen Heizbereich verwenden.
10 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Abtasten der Oberfläche 1a des Teils oder der Probe mit einem Heizbereich 22' in Form einer gestreckten Ellipse.
Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle 26, optische Mittel 27 zum Fokussieren des Laserstrahls 28, optische Mittel zum Bilden eines linearen Bereichs 29, der die Laserstrahlung aufnimmt, auf einem Träger 30, der um 180° um die optische Achse 31 der Vorrichtung gedreht werden kann, sowie eine Blende 32 zum Einstellen der Öffnung.
Die optischen Mittel 27 zum Fokussieren und Bilden der Linie 29 auf dem Träger 30 können an verschiedenen Trägern montiert sein und wenn dies der Fall ist, wird der Träger des optischen Mittels zur Fokussierung 27 fest gehalten, während der Träger der Mittel zur Bildung der Linie 29 drehbeweglich montiert ist, wie vom Pfeil 33 angegeben. Sie können auch auf einem gemeinsamen Träger montiert sein, der dann drehbeweglich um die optische Achse 31 montiert ist.
So kann man den linearen Heizbereich 22' in einer beliebigen Richtung um die Achse 31 ausrichten, wobei die Richtung abhängig von der Richtung des Abtastens der Oberfläche 1a gewählt wird.
Dank der Blende 32 lässt sich auch die Länge des Heizbereichs 22' vom Wert null bis zu einem Maximalwert einstellen, der von der maximalen Öffnung der Blende 32 bestimmt wird.
Wenn man die Länge des Heizbereichs 22' auf einen Wert einstellt, der im Wesentlichen der Breite der Heizlinie entspricht, kann man eine Untersuchung im punktuellen Modus durchführen. Um die Leistungsdichte für das Heizen bei einem Betrieb im punktuellen Modus zu erhöhen, können die optischen Mittel zur Bildung der Linie 29 entfernt werden. Selbstverständlich können die Mittel zum Einstellen der Ausrichtung der Linie 29 und zum Einstellen der Blendenöffnung motorgetrieben sein.
In 11 ist ein optischer Aufbau dargestellt, der einen sehr guten Wirkungsgrad beim Übertragen des Heizstrahls 35 und beim Rückgewinnen des Erfassungsstrahls 36 auf der Oberfläche der Probe 1a ermöglicht und bei dem die Strahle auf dem Abschnitt ihres optischen Wegs, der auf das zu untersuchende Teil trifft, kollinear sind.
Die Vorrichtung umfasst einen halb reflektierenden Strahlteiler oder ein dichroitisches Blättchen 34, das auf dem Weg des von einer Laserquelle kommenden Heizstrahls 35 zwischengeschaltet ist, sodass der Strahl mit einem hohen Reflexionskoeffizient auf die Oberfläche 1a des zu untersuchenden Teils reflektiert wird. Das dichroitische Blättchen 34 ermöglicht es auch, die Infrarotstrahlung 36 oder den von der Oberfläche der Probe 1a ausgehenden Erfassungsstrahl mit einem hohen Übertragungskoeffizienten zu übertragen, wobei die Strahle 35 und 36 einen gemeinsamen optischen Weg zwischen der Oberfläche 1a des Teils oder der Probe und dem dichroitischen Blättchen 34 haben.
Das dichroitische Blättchen könnte auch den Laserstrahl übertragen und den Infrarot-Erfassungsstrahl reflektieren. In diesem Fall ist die Anordnung des Lasers und des Sensors umgekehrt.
Wenn das Teil 1 eine komplexe Form besitzt, kann die Oberfläche 1a des Teils, das abgetastet wird, aufeinander folgende Bereiche aufweisen, deren Abstand zu den optischen Mitteln zum Heizen und Erfas sen stark variieren kann. In diesem Fall muss während des Abtastens die Einstellung oder die Position der Heiz- und Erfassungsvorrichtungen variiert werden.
12 zeigt eine Vorrichtung mit Mitteln zum Regeln der Position der optischen Heiz- oder Anregungsmittel 39 und mit optischen Mitteln 40 zum Erfassen des Abstands zwischen dem Bereich der Oberfläche 1a, der abgetastet wird, und den optischen Mitteln. Der Abstand wird von einem Messgerät 37 gemessen, das ein Telemeter, ein Interferometer oder ein Triangulations-Abstandssensor sein kann. Die optische Achse des Distanzmessers 37 wird mit der optischen Achse der Anregungsoptik 39 und der optischen Achse der Erfassungsmittel 40 kollinear gemacht.
Die Information bezüglich des vom Distanzmesser 37 gemessenen Abstands wird an elektronische Steuermittel 38 übertragen, die eine Platte 39' zum Verschieben der optischen Anregungsmittel 39 und eine Platte 40' zum Verschieben der Mittel 40 zur Infraroterfassung steuern.
Das Regeln der Fokussierung der optischen Heizmittel 39 und der Erfassungsmittel 40 kann in Echtzeit erfolgen, das heißt, dass der Distanzmesser 37 für jede der Positionen der Heiz- und Messbereiche eine Abstandsmessung durchführt, die in einen Positionierungsbefehl übertragen wird, um für die Verschiebung der Heizmittel 39 und der Erfassungsmittel 40 durch die entsprechenden Verschiebeplatten 39' und 40' in Echtzeit zu sorgen. Die Regelung kann auch zeitversetzt erfolgen, wobei bei einem ersten Abtasten, bei dem nur der Abstandsmesser 37 eingesetzt wird, eine Topologie der Oberfläche 1a des Teils gespeichert wird. Die beim ersten Abtasten erhaltene Information wird gespeichert und von den Platten 39' und 40' bei einem zweiten Abtasten verwendet, das der thermografischen Untersuchung dient.
Beim Regeln der Fokussierung in Echtzeit wird der Strahl des Distanzmessers über ein dichroitisches Blättchen, das fest am Strahldurchgang installiert ist, an den optischen Achsen der Heizmittel 39 und der Erfassungsmittel 40 ausgerichtet. Bei einer zeitversetzten Messung erfolgt das Ausrichten durch einen einfachen Spiegel, der am Weg des Messstrahls während des ersten Abtastens platziert wird, das die topografische Vermessung der Oberfläche 1a erlaubt, wobei der Spiegel dann während der thermografischen Messung entfernt wird.
Die Position der optischen Heiz- und Erfassungsmittel kann auch auf der Basis einer theoretischen Information über die Form der Oberfläche 1a des Teils, beispielsweise in Form von CAO-Daten, geregelt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die oben beschrieben wurden, dienen prinzipiell der Untersuchung von Materialien völlig unterschiedlicher Beschaffenheit und insbesondere mit sehr unterschiedlichem Wärmeverhalten. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind auch auf Teile anwendbar, die beliebige Oberflächenzustände und damit stark abweichende Absorptions- und Emissionsvermögen auf den untersuchten Oberflächen aufweisen.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im punktuellen Modus können die Heizbereiche im Wesentlichen quadratisch, rechteckig, kreis- oder ringförmig sein. In diesem Fall weist die Seite des Quadrats oder der Durchmesser des kreisförmigen Bereichs eine Länge L auf, die zwischen 20 μm und 10 mm betragen kann.
Der Offset zwischen Heiz- und Erfassungsbereich kann von -5L bis +5L in einer Richtung betragen, die einen Winkel von 0 bis 360° mit der Abtastrichtung einschließt. Die Geschwindigkeit des Verschiebens der Heiz- und Erfassungsbereiche während des Abtastens kann zwischen 0,1 und 100 mm/s betragen. Die Länge der Abtastzeile kann zwischen L und 50 mm betragen. Die dem untersuchten Material zugeführte Leistungsdichte kann in der Größenordnung von 0,1 bis 200 W/mm² betragen, je nach optischem Absorptionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit des Materials und Abtastgeschwindigkeit.
Die 13, 14A, 14B, 15, 16, 17A und 17B zeigen beispielhaft verschiedene Ausführungsarten einer Vorrichtung zum Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Elemente, die denen der anderen Figuren entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Allgemein umfassen die Vorrichtungen folgende Elemente:

– eine Laserstrahlungsquelle 26,
– optische Heizmittel 39, die der Laserquelle zugeordnet sind, und Mittel zum Verschieben 39' der Heizmittel 39,
– eine Sensorenmatrix 20,
– optische Infrarot-Erfassungsmittel 40 und Mittel 40' zum Verschieben der optischen Infrarotmittel,
– einen Distanzmesser 37,
– ein dichroitisches Blättchen 34 und einen einziehbaren Spiegel 34',
– eine Blende 32 und
– einen Spiegel 41 zum Reflektieren des Heizstrahls.

Der Heizstrahl trägt das Bezugszeichen 35 und der Erfassungsstrahl das Bezugszeichen 36.
Der Behälter 43 mit einem transparenten Ausgangsfenster 44 schützt zumindest einen Teil der optischen Vorrichtung.
In 13 ist die Laserstrahlungsquelle 26 außerhalb des Behälters 43 angeordnet und über einen Lichtwellenleiter 45 mit den optischen Heizmitteln 39 verbunden.
Das Abtasten der Oberfläche 1a der Probe 1 in zwei zueinander senkrechten Richtungen X und Y erfolgt durch eine Einheit von Schwenkspiegeln 42, die von einer Steuerelektronik gesteuert werden.
Bei den in den 14A und 14B dargestellten Vorrichtungen erfolgt das Abtasten der Oberfläche 1a der Probe 1 mithilfe einer Platte 46 oder 47 zum Verschieben der Probe, wobei die gesamte, innerhalb des Behälters 43 platzierte optische Einheit vollständig fest ist und einen Heizstrahl 35 auf die Oberfläche 1a der Probe sendet und einen Erfassungsstrahl 36 fester Richtung aufnimmt.
In 14A ist die Oberfläche 1a der Probe im Wesentlichen plan und die Platte 46 verschiebt die Probe 1 und ihre Oberfläche 1a in zwei zueinander senkrechten Richtungen X und Y, die zur Oberfläche 1a der Probe parallel sind.
Bei der Vorrichtung von 14B ist die Oberfläche 1a der Probe im Wesentlichen zylindrisch und die Platte 47 verschiebt die Probe zum Abtasten in Rotation Ω um die Achse der zylindrischen Oberfläche 1a und in Translation in der Richtung X der Erzeugenden der Oberfläche 1a.
In 15 ist die Strahlungsquelle 26 außerhalb des Behälters 43 angeordnet und über einen Lichtwellenleiter 45 mit den optischen Heizmitteln 39 verbunden.
Der Behälter 43 enthält eine Einheit von Schwenkspiegeln 42, die von einer Steuerelektronik gesteuert wird und das Bewegen der Strahle 35 und 36 in einer ersten Richtung X der Oberfläche 1a der Probe erlaubt.
Der Behälter 43 ist auf einer Platte 49 montiert, die das Verschieben des Behälters 43 und der Strahle 35 und 36 parallel zu einer Richtung Y der Oberfläche 1a der Probe erlaubt, die senkrecht zur Richtung X verläuft.
16 zeigt eine Vorrichtung zur Untersuchung der Innenfläche 1a eines rohrförmigen Teils 1.
Die Gesamtheit der optischen Mittel ist innerhalb des Behälters 43 mit einem transparenten Fenster 44 angeordnet, mit Ausnahme der Laserstrahlungsquelle, die über einen Lichtwellenleiter 45 mit den optischen Heizmitteln 39 verbunden ist, welche innerhalb des Behälters 43 angeordnet sind.
Der Behälter 43 ist auf einer Platte 50 montiert, die sein Verschieben in Rotation um die Achse des rohrförmigen Teils 1 erlaubt, um die Innenfläche 1a des Teils 1 mit einer Einheit von Spiegeln 42, die von einer Steuerelektronik gesteuert werden, abzutasten, sodass die Strahle 36 in der Richtung X der Erzeugenden der Innenfläche 1a des Teils 1 verschoben werden.
In den 17A und 17B sind zwei Vorrichtungen dargestellt, bei denen alle optischen Elemente innerhalb des Behälters 43 mit einem transparenten Ausgangsfenster 44 angeordnet sind. Der Behälter 43 ist fest und enthält eine Einheit gesteuerter Spiegel 52, die es ermöglichen, die Strahle 35 und 36 in einer Richtung X der Oberfläche 1a der Probe 1 zu bewegen, um das Abtasten durchzuführen.
Bei der in 17A dargestellten Vorrichtung erlaubt eine Platte 51, die Probe 1a in einer Richtung Y zu verschieben, die senkrecht zur Richtung X verläuft.
Bei der in 17B dargestellten Vorrichtung besitzt das Teil oder die Probe 1 eine zylindrische Form und eine Platte 53 erlaubt, das Teil 1 um seine Achse zu schwenken, um das Abtasten gemäß Ω mit dem Steuerspiegel-System 52 durchzuführen, welches die Strahle 35 und 36 in der Richtung X verschiebt, die parallel zu den Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche 1a des Teils 1 verläuft.
Obwohl die Verwendung einer Sensorenmatrix ein charakteristisches Element des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, kann sich die Sensorenmatrix in bestimmten Fällen auf eine einfache Reihe von Sensoren reduzieren, die eine Abfolge von Sensoren bilden.
In 18A ist eine erste Ausführungsart einer vereinfachten Vorrichtung dargestellt, die eine einfache Abfolge von Sensoren 19 anstelle einer Sensorenmatrix 20 aufweist.
In diesem Fall kann die Oberfläche 1a des Teils im punktuellen Modus untersucht werden, wobei die Heizbereiche 22 und die Erfassungsbereiche 23 punktuell gebildet werden und in jeder ihrer aufeinander folgenden Positionen ein Pixel des Bildes liefern, das von einem Sensor 19' der Abfolge von Sensoren 19 in einer besonderen Position kommt; die Auswahl des Sensors regelt die Verschiebung zwischen den Bereichen 22 und 23 bei einem zeilenweisen Abtasten, das vom Pfeil 24 schematisch dargestellt ist. In diesem Fall kann nur in einer Richtung abgetastet werden und die Verschiebung zwischen den Heizbereichen 22 und den Erfassungsbereichen 23 kann in dieser Richtung durch Wahl des Sensors 19' aus der Abfolge von Sensoren 19 eingestellt werden, die parallel zu den Abtastzeilen platziert ist.
In 18B ist die Oberfläche 1a eines Teils dargestellt, das mithilfe einer Abfolge von Sensoren 19 im Zeilenmodus thermografisch untersucht wird. Die Heizbereiche 22 und die Erfassungsbereiche 23 besitzen eine längliche Form und das Erfassen erfolgt ausgehend von einer Reihe von Sensoren 19' aus der Abfolge von Sensoren 19, die senkrecht zur Abtastrichtung 24 platziert ist.
In diesem Fall lässt sich die Länge der Zeile, die den Bereichen 22 und 23 entspricht, anhand der Länge der Reihe von Sensoren 19' einstellen, die in der Abfolge von Sensoren 19 gewählt wird. Aber es ist dann nicht möglich, die Größe oder das Vorzeichen der Verschiebung zwischen den Heizbereichen 22 und den Erfassungsbereichen 23 einzustellen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung liefern also thermografische Bilder der Oberflächen von Teilen beliebiger Form mit einer verkürzten Ausführungsdauer, was das Verfahren auf Teile mit großen Oberflächen anwendbar macht.
Darüber hinaus erlauben das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die Verschiebung zwischen dem Heizbereich und dem Erfassungsbereich sowie die Raumverteilung des Lasers anzupassen, sodass abhängig von den geometrischen oder physischen Merkmalen des Teils oder des Vorhandenseins von Fehlern in diesem Teil der günstigste Rauschabstand erhalten wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können auf Teile mit Oberflächen beliebiger Form angepasst werden.
Allgemein ist die Erfindung für die thermografische Untersuchung jedes Teils anwendbar, unabhängig vom Material, aus dem es besteht.

Claims

Verfahren zur photothermischen Untersuchung eines Materials, das darin besteht, einen Heizbereich (2, 22) auf der Oberfläche (1a) eines aus dem Material bestehenden Teils (1) mit einem Wärmezufuhrmittel (11, 35) zu erhitzen und in einem Erfassungsbereich (3, 23) in einem bestimmten Abstand zum Heizbereich (2, 22) einen von der Oberfläche (1a) des Teils (1) ausgehenden Strahlungsfluss (36) zu erfassen und den Heizbereich (2, 22) und den Erfassungsbereich (3, 23) entlang eines festgelegten Abtastweges auf der Oberfläche (1a) des Teils (1) relativ zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen des vom Erfassungsbereich (3, 23) ausgehenden Strahlungsflusses (36), dessen Position mit der Position des Heizbereichs (2, 22) variiert, durch elektronische Mittel aus einer Einheit von Sensoren (19, 20), die von einer Matrix von Sensoren in Form eines quadratischen oder rechteckigen Gitters mit Zeilen und Spalten von Sensoren gebildet ist, eine Gruppe (21) von Sensoren gewählt wird, die von mindestens einem Teil einer Zeile, Spalte oder Diagonale geeigneter Neigung der Einheit aus Sensoren (20) gebildet wird, dessen Position so gewählt ist, dass ein vom Erfassungsbereich (3, 23) der Oberfläche (1a) des Teils (1) ausgehender Strahlungsfluss aufgenommen und der Rauschabstand der photothermischen Untersuchung erhöht wird, und dadurch dass elektronische Mittel (15, 16) zum Auswerten der Signale verwendet werden, sodass die Signale von jedem der Sensoren der Gruppe von Sensoren (21) unabhängig voneinander verarbeitet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbereich (22) und der Erfassungsbereich (23) die Form von Linien besitzen und beim Abtasten in einer senkrecht zu ihnen verlaufenden Richtung (24) verschoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung zwischen dem Heizbereich (22) und dem Erfassungsbereich (23) in der Abtastrichtung (24) gesteuert wird, indem mindestens ein Sensor in einer Abfolge von Sensoren (19) oder einer Reihe von Sensoren (21) in einer Matrix von Sensoren (20) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und die Richtung der Verschiebung zwischen dem Heizbereich (22) und dem Erfassungsbereich (23) elektronisch gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Erfassungsbereichs (23) elektronisch gesteuert wird, indem die Anzahl an Sensoren der Gruppe (21) von Sensoren gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, bei dem das Abtasten nach Abtastzeilen (25) für jede der Abtastzeilen (25) in einer ersten Richtung erfolgt und dann in einer zweiten Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist, und dass die Verschiebung zwischen dem Heizbereich (22) und dem Erfassungsbereich (23) durch die Wahl eines ersten Sensors oder einer ersten Reihe an Sensoren (21a) während des Abtastens in der ersten Abtastrichtung und durch die Wahl eines zweiten Sensors oder einer zweiten Reihe an Sensoren (21b) beim Verschieben des Heizbereichs (22) und des Erfassungsbereichs (23) in der zweiten Abtastrichtung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und die Richtung der Verschiebung zwischen dem Heizbereich (22) und dem Erfassungsbereich (23) zwischen zwei Abtastbewegungen in unterschiedlichen Richtungen verändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung zwischen dem Heizbereich (22) und dem Erfassungsbereich (23) in einer Richtung stattfindet, die einen Winkel θ mit der Abtastrichtung (24) einschließt, wobei der Winkel θ zwischen 0 Grad und 360 Grad beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbereich (22) oder der Erfassungsbereich (23) beim Abtasten in einer Richtung verschoben werden, die nicht parallel zu den Zeilen oder Spalten der Sensoreneinheit verläuft, welche eine Matrix (20) bildet, und dass angrenzende Sensoren der Sensorenmatrix (20) gewählt werden, die in verschiedenen Spalten und Zeilen der Sensorenmatrix (20) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel für die Zufuhr von Wärme auf die Oberfläche (1a) der Probe ein Laserstrahl (35) ist und dass die Fokussierung des Laserstrahls (35) und eines von der Oberfläche (1a) des Teils im Erfassungsbereich (23) ausgehenden Strahls (36) durch optische Heizmittel (39) und Erfassungsmittel (40) abhängig von einer Messung des Abstands zwischen den optischen Heizmitteln (39) und Erfassungsmitteln (40) und dem Erfas sungsbereich (23) der Oberfläche (1a) des Teils (1), in dem die optische Untersuchung durchgeführt wird, während des Abtastens gesteuert wird.
Vorrichtung zur photothermischen Untersuchung eines Materials mit einem Mittel zum Erhitzen (26) eines Heizbereichs (22) der Oberfläche (1a) eines aus dem Material bestehenden Teils (1), Mitteln zum Erfassen (20) eines von der Oberfläche (1a) des Teils (1) in einem Erfassungsbereich (23) ausgehenden Strahlungsflusses (36), Abtastmitteln (10, 42, 46, 47, 49, 50, 51, 52, 53) zum Verschieben des Heizbereichs (2, 22) und des Erfassungsbereichs (3, 23) über die gesamte Oberfläche (1a) des Teils (1) sowie elektronischen Mitteln (15, 16) zum Auswerten von Signalen der Mittel zum Erfassen (20) des ausgehenden Strahlungsflusses, die es erlauben, ein thermografisches Bild der Oberfläche (1a) des Teils (1) zu konstruieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen der Signale aus einer Gruppe (21) von Sensoren bestehen, die aus einer Sensoreneinheit gewählt werden, die eine Matrix (20) oder eine Abfolge (19) von Sensoren bildet, und dass die elektronischen Mittel (15, 16) zum Auswerten der Signale derart beschaffen sind, dass die Signale jedes der Sensoren der Gruppe von Sensoren (21) unabhängig voneinander verarbeitet werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Mittel zum Erhitzen (26) des Heizbereichs (22) eine Laserstrahlungsquelle ist, die optischen Mitteln (39) zugeordnet ist, welche es erlauben, den Laserstrahl (35), der aus der Strahlungsquelle (26) kommt, auf die Oberfläche (1a) des Teils (1) zu fokussieren, und bei welcher der vom Erfassungsbereich (23) der Oberfläche (1a) des Teils ausgehende Strahlungsfluss eine Infrarotstrahlung ist, die von Fokussierungsmitteln (13, 40) fokussiert wird, dadurch gekennzeich net, dass sie außerdem eine Einrichtung (37) zum Messen des Abstands zwischen den optischen Mitteln (9, 39) zum Fokussieren des Laserstrahls und der Oberfläche (1a) des Teils (1) und des Abstands zwischen den Fokussierungsmitteln (13, 40) der Infrarotstrahlung und der Oberfläche (1a) des Teils (1) sowie Mittel zum Steuern der optischen Fokussierungsmittel anhand der Abstandsmessungen in Echtzeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, bei der das Mittel (26) zum Heizen des Heizbereichs (22) eine Laserstrahlungsquelle ist, die optischen Mitteln (39) zugeordnet ist, die den Laserstrahl (35) von der Strahlungsquelle (26) auf die Oberfläche (1a) des Teils (1) fokussieren, und bei welcher der vom Erfassungsbereich (23) der Oberfläche (1a) des Teils ausgehende Strahlungsfluss eine Infrarotstrahlung ist, die von Fokussierungsmitteln (13, 40) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie darüber hinaus eine Einrichtung (37) zum Messen des Abstands zwischen den optischen Mitteln (39) zur Fokussierung des Laserstrahls und der Oberfläche (1a) des Teils (1) und des Abstands zwischen den Fokussierungsmitteln (13, 40) der Infrarotstrahlung und der Oberfläche (1a) des Teils (1) aufweist sowie Mittel zum Speichern der vom Messgerät (37) während des Abtastens der Oberfläche (1a) des Teils (1) gemessenen Abstände und zur zeitversetzten Steuerung der Fokussierungsmittel ausgehend von den gespeicherten Abständen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastmittel optische Mittel und Mittel zum mechanischen Verschieben (46, 47, 51, 53) des Teils (1) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastmittel sowohl optische Mittel (42, 52) als auch Mittel zum mechanischen Verschieben (49, 50) von Mitteln zum Aussenden eines Strahls (35) zum Heizen der Oberfläche (1a) des Teils und zur Aufnahme eines von einem Erfassungsbereich (3, 23) der Oberfläche (1a) des Teils (1) ausgehenden Strahls (36) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen halb reflektierenden Strahlteiler (34) zum Ablenken eines Heizstrahls (35) auf die Oberfläche (1a) des Teils (1) und zum Übertragen eines vom Erfassungsbereich (3, 23) der Oberfläche (1a) der Probe ausgehenden Strahls (36) zu den Erfassungsmitteln (19, 20) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der das Heizmittel eine Strahlungsquelle (26) ist, die optischen Mitteln zum Fokussieren (27) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel zum Fokussieren (27) dazu vorgesehen sind, die Strahlung der Quelle (26) in Form einer Linie oder gestreckten Ellipse (29) abzubilden und dass Mittel (30, 32) vorgesehen sind, um Länge und Ausrichtung der Linie oder gestreckten Ellipse (29) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (26) mit den optischen Mitteln zum Fokussieren (39) über einen Lichtwellenleiter (45) verbunden ist.