Оптический неразрушающий контроль

Оптический неразрушающий контроль (ОНК) основан на анализе взаимодействия оптического излучения (ОИ) с объектом контроля (ОК).

Оптическое излучение или свет - электромагнитное излучение с длиной волны 10^-3 - 10³ мкм, в котором принято выделять ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра с длинами волн соответственно 10^-3 ... 0,38; 0,38 ... 0,78 и 0,78 ... 10³ мкм.

Возникновение ОИ связано с движением электрически заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней. Энергия фотона E=hv, где h = 6,626 • 10^-34 Дж • с - постоянная Планка; v - частота излучения, Гц.

Скорость распространения ОИ в вакууме с₀= 299792,5 км/с. В реальных средах ОИ распространяется со скоростью V= С_Q/n =λ₀, v/n =λν, где n =√εμ - показатель преломления среды; ε и μ - относительные диэлектрические проницаемости среды; λ₀ и λ, - длина волны света в вакууме и среде соответственно.

Информационными параметрами ОИ являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют изменение этих параметров при взаимодействии ОИ с ОК в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также изменение характеристик самого ОК под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механо-оптических (фотоупругость), магнитооптических, акусто-оптических и других явлений.

Основными информационными параметрами объектов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны.

К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, относятся пустоты (нарушения сплошности), расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т.д.

С помощью оптических методов внутренние дефекты выявляются только в изделиях из материалов, прозрачных в оптической области спектра.

Использование оптического излучения как носителя информации перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позволяет вести многоканальную (многомерную) обработку информации одним устройством с большой скоростью, определяемой скоростью света в данной среде.

Особенно перспективно использование резонансных эффектов взаимодействия ОИ с ОК, в том числе нелинейных, основанных на использовании сверхмощного лазерного излучения.

Основной характеристикой ОИ является поток излучения (мощность светового потока)

Ф = dQ/dt,

где Q — энергия, Дж; t — время, с.

Пространственные характеристики ОИ описываются силой излучения I = dФ/dω (Вт/ср) (лучистый поток в единице телесного угла dω) и лучистостью L = dI/dS cosα (Вт/ср • м²) (отношение силы излучения в направлении α к проекции излучающей поверхности dS на плоскость, нормальную этому направлению) и формой индикатрисе этих величин. Важной характеристикой является плотность лучистого потока по облучаемой поверхности Е = dФ/dS (Вт/м²), где dS — площадь облучаемого элемента.

В видимой области спектра применяют систему световых единиц, соответствующую зрительному ощущению лучистых потоков с учетом спектральной чувствительности глаза. Единицей светового потока является люмен (1 лм = 1/683 Вт для λ - 0,55 мкм), сила света измеряется в канделах (кд), освещенность Е - в люксах (лк), яркость - кд/м² (1кд = лм/ ср, 1лк = 1лм/м²).

Эффективность применения ОНК существенно зависит от правильности выбора геометрических, спектральных, светотехнических и временных характеристик условий освещения и наблюдения ОК. Главное при этом - обеспечить максимальный контраст дефекта подбором углов освещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непрерывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и степени когерентности света. Необходимо учитывать различия оптических свойств дефекта и окружающей его области фона. Контраст определяют по формуле

k=( В₀ - В_ф)/( В₀ + Б_ф),

где В₀ и В_ф — яркости объекта в областях дефекта и фона.

Аналитический расчет контраста дефектов в зависимости от описанных выше факторов представляет сложную задачу, решение которой получено пока только для простейших случаев. Поэтому необходимы экспериментальные спектрогонио-фотометрические и поляризационные исследования оптических свойств ОК и его дефектов.

Основные области применения: контроль двупреломления и других характеристик полупроводниковых материалов, контроль геометрии полупроводниковых структур (эллипсометрия). Контроль качества печатных плат на телевизионных и оптических проекторах, контроль геометрии фотошаблонов и др.