Interessanterweise ist die Tiefenreichweite 2m, wenn man die Signalphase verwendet, und m, wenn man die Amplitude nimmt /2-4/. Größere Reichweiten bedingen aber immer tiefere Frequenzen. Konkret bedeutet das, daß die Messung eine Minute dauert, wenn man in Kunststoffen eine Tiefe von mehr als 1 mm erreichen will. Wenn man viele Messungen durchführt, z.B. um ein Rasterbild der Schichtdickenverteilung aufzunehmen, ist der Zeitaufwand unakzeptabel groß. Das war bisher der Grund, warum die berührungslose photothermische Meßtechnik trotz guter Ergebnisse kaum industriellen Einsatz fand. Es stellt sich also die Frage, wie man trotz einer Modulationsdauer im Minutenbereich viele tausend Meßpunkte in kurzer Zeit aufnehmen kann. Die Lösung dieses Problems kennt jede Hausfrau: Wenn man viele Eier simultan kocht, ist die benötigte Zeit nicht länger als bei einem Ei. Die bisherige photothermische Abbildungstechnik entsprach dem zeitaufwendigen "Nacheinander-Kochen". Man muß also an allen Stellen zugleich photothermisch messen ("Multiplex-Photothermik"), das bedeutet flächige optische Anregung und flächige Detektion. Ein tieffrequent modulierter Leistungsstrahler (statt des auf einen Punkt fokussierten Laserstrahls) und eine Thermographiekamera, die die Temperaturmodulation an allen Oberflächenpunkten zugleich verfolgen kann, werden eingesetzt. Die Ermittlung von Amplitude und Phase des zeitlichen Temperaturverlaufs an jedem Bildpunkt übernimmt der Rechner, und zwar durch pixelweise Fourieranalyse der vielen aufeinanderfolgenden Thermographieaufnahmen. Hierbei wird also die Funktion des Lockin-Verstärkers, der bei der Ein-Punkt-Messung der Photothermik eingesetzt wird, durch eine Rechenoperation simuliert. Darum nennt man die Multiplex-Photothermik, auch "phasenempfindliche Modulationsthermographie" oder abkürzend (nach dem ersetzten Meßgerät) "Lockin-Thermographie" /5-7/. Der Meßaufbau ist in Bild 1 dargestellt. Besonders einfach wird diese Fourieranalyse, wenn man die Lampenintensität sinusartig moduliert und geeignete Mittelungsprozesse durchführt, so daß letztlich nur vier Thermographiebilder (S1 bis S4) übrig bleiben, die zeitlich äquidistant in einer Modulationsperiode liegen /7/. Der wesentliche Punkt des Verfahrens liegt in der Synchronisation zwischen Anregung und Detektion der thermischen Wellen. Die Anregungsquelle läßt sich generell mit einem adaptiven Regelkreis auf einen zeitlich sinusartigen Temperaturverlauf auf der Probenoberfläche einstellen /8/.
Bild 2 veranschaulicht die zeitlichen Abläufe und die Rekonstruktion der thermischen Welle aus vier Primärmeßdaten für einen beliebigen Bildpunkt x1: Für jedes x1 ergeben sich vier zeitlich äquidistante Meßdaten (S1 bis S4), aus denen die thermische Welle an diesem Punkt x1 vollständig rekonstruierbar ist. Ihr Phasenwinkel j und Amplitude A sind dann an dieser Stelle gegeben durch /7/
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Bei der Berechnung der Phase kürzen sich alle Effekte, die durch Inhomogenität der Beleuchtung, der optischen Absorption bzw. der infraroten Emission auf der Oberfläche auftreten könnten, weg. Die lokale Phasenverschiebung ist ein störunanfälliger und empfindlicher Indikator für Grenzflächendefekte /9/
Die thermische Anregung erfolgte bisher (Bild 1) durch Absorption elektromagnetischer Strahlung im Prüfobjekt. Die Bilder der Lockin-Thermographie zeigen Amplitude oder Phase des modulierten Wärmetransports, der durch Defekte gestört wird. Solche Bilder zeigen verborgene Defekte aufgrund der durch sie verursachten Änderung von Amplitude und Phase. Der Unterschied zwischen beiden Anregungsarten führt zu unterschiedlichen Bildern: Bei Lampenanregung zeigen die Bilder Wärmeflußstörungen, während die "Ultraschall-Lockin-Thermographie" Bilder der lokalen Hysteresefläche liefert, wobei der Phasenwinkel die Tiefenlage anzeigt und die Amplitude eine Mischung aus Tiefenlage und Hysteresefläche. Diese Bilder sind also mit den Ultraschallverfahren verwandt, zeigen aber statt des Realteils der elastischen Konstanten deren Imaginärteil. |   |
D. Wu, G. Busse