DE102011078418A1

DE102011078418A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reflexions-Ellipsometrie im Millimeterwellenbereich

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Publication number: DE102011078418A1
Application number: DE201110078418
Authority: DE
Inventors: Hue Phat Tran; Sebastian Methfessel; Frank Gumbmann; Amir Cenanovic; Prof. Dr. Schmidt Lorenz-Peter
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Smiths Heimann GmbH
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Smiths Heimann GmbH
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften durch Millimeterwellen und Vorrichtung mit einer Sendeeinheit (11), die ein beliebig polarisiertes Millimeterwellensignal (22, 22´) unter einem bestimmten Einfallswinkel auf ein zu untersuchendes Objekt (15) abstrahlt und einer Empfangseinheit (12), die ein vom zu untersuchenden Objekt (15) reflektiertes Signal bezüglich der Intensität und/oder Phasenlage detektiert. Eine Verarbeitungseinheit (20) bestimmt aus einem parallel polarisieten und einem senkrecht polarisierten Anteil des reflektierten Signals (23, 23´) mittels einer ellipsometrischen Auswertung die Permittivität und/oder Schichtdicke des untersuchten Objekts (15). Die Sende- und Empfangseinheit (11, 12) sind dabei so vor dem zu untersuchenden Objekt (15) angeordnet, dass sie eine Aperturfläche (10) aufspannen, und/oder die Verarbeitungseinheit (20) erstellt durch Änderung der Fokussierungsstelle (17) aus den empfangenen Signalen (23, 23´) eine ortsaufgelöste Abbildung des untersuchten Objekts (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften durch Millimeterwellenstrahlung und deren ellipsometrischen Auswertung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 13.
Millimeterwellen-Messverfahren finden im zunehmenden Maße Anwendung im Bereich der Sicherheitstechnik und in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Der Millimeterwellenbereich bietet den Vorteil, dass sowohl metallische als auch nicht-metallische Objekte aufgrund ihrer materialspezifischen, dielektrischen Eigenschaften detektierbar sind. Die dielektrischen Eigenschaften sind dabei durch die Permittivität gekennzeichnet.
K. Sato et al. beschreiben im Artikel "Measurement of the Complex Refractive Index of Concrete at 57.5 GHz", veröffentlicht im Januar 1996 im IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 44, No. 1, Seiten 35–40, eine Messung des Reflexions-Koeffizienten eines flachen Messobjekts mit homogener dielektrischer Konstante mit Millimeterwellen bei 57,5GHz. Eine Sendeantenne strahlt dazu abwechselnd parallel und senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Signale auf das Messobjekt. Die Signale werden an der Grenzfläche zwischen der umgebenden Luft und dem flachen Messobjekt, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und vom komplexen Brechungsindex, mit unterschiedlicher Intensität reflektiert. Eine Empfängerantenne empfängt den Betrag des reflektierten parallel polarisierten sowie den Betrag des reflektierten senkrecht polarisierten Signals unter einem dem Einfallswinkel entsprechenden Ausfallswinkel. Das Messobjekt wurde bei unterschiedlichen Winkeln zwischen 6° und 75° in einer Einfallsebene vermessen. Die Strahlbreite der Sende-/Empfangsantenne betrug jeweils etwa 5°. Auf dem Messobjekt betrug der Strahlquerschnitt ca. 13cm. Aus der Abhängigkeit des Betrages des parallel bzw. senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Signals, mit der genauen Kenntnis über die Messobjekt-Schichtdicke und unter Zuhilfenahme einer skalaren Transmissionsmessung wird mithilfe der Fresnel´schen Formeln der komplexe Brechungsindex bzw. der komplexe Reflexions-Koeffizient berechnet. Daraus kann wiederum die Permittivität des untersuchten Gegenstandes abgeleitet werden. Die Bestimmung dieser Daten aus der Winkelabhängigkeit des Betrags der reflektierten Signale wird als winkelvariierende ellipsometrische Auswertung bezeichnet.
Nachteilig an der ellipsometrischen Auswertung mit der beschriebenen Messanordnung ist es, dass lediglich eine mittlere Permittivität des angestrahlten Bereichs des Messobjekts bestimmt werden kann. Zur Erkennung von unterschiedlichen Materialien auf einer beliebigen Oberfläche und insbesondere zur Erkennung ihrer Konturen ist es notwendig die Materialeigenschaften ortsaufgelöst zu bestimmen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine Bestimmung der Materialeigenschaften und somit eine Anomaliedetektion, eine Detektion isotroper, anisotroper, zwei- und mehrschichtiger dielektrischer Objekte mit hoher Ortsauflösung und mit einer kurzen Messdauer ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Verfahren dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Sendeeinheit, die ein beliebig polarisiertes Millimeterwellensignal unter einem bestimmten Einfallswinkel auf ein zu untersuchendes Objekt abstrahlt. Eine Empfangseinheit empfängt die vom bestrahlten Objekt reflektierten Signale und detektiert deren Intensität und/oder Phasenlage. Eine Verarbeitungseinheit bestimmt aus einem parallel zur Einfallsrichtung polarisierten und einem senkrecht zur Einfallsrichtung polarisierten Anteil des reflektierten Signals mittels einer ellipsometrischen Auswertung die Permittivität und/oder die Schichtdicke des untersuchten Objekts. Die Sende- und Empfangseinheit sind dabei so vor dem zu untersuchenden Objekt angeordnet, dass sie eine Aperturfläche aufspannen, und/oder die Verarbeitungseinheit erstellt durch Änderung der Fokussierungsstelle aus den empfangenen Signalen eine ortsaufgelöste Abbildung des untersuchten Objekts.
Die Sende- und Empfangseinheit bilden somit eine Aperturfläche, d.h. eine zweidimensionale ebene oder gekrümmte Sende- und Empfangsfläche auf. Durch die Größe der Aperturfläche wird die laterale Auflösung bestimmt, wobei bei größerer Aperturfläche die laterale Auflösung verbessert wird. Die zweidimensionale Sende- und Empfangsfläche ermöglicht eine Änderung der Fokussierungsstelle in drei Dimensionen, sodass die Materialeigenschaften des untersuchten Objekts an jeder Fokussierungsstelle und somit ortsaufgelöst in x-, y- und z-Richtung bestimmbar ist. Vorteilhaft aber nicht zwangsläufig werden beide Maßnahmen miteinander kombiniert.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sende- und Empfangseinheit mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangsantennen aufweist, die linear und/oder beliebig zueinander versetzt angeordnet sind. Über Rotation um eine Achse und/oder über eine sequentielle Bewegung der Anordung in eine beliebige Raumrichtung wird die Aperturfläche aufgespannt. Mit einer solchen Antennenanordnung und dem Verschieben der Antennenanordnung ist es möglich aus nur wenigen Sende- bzw. Empfangsantennen eine große Aperturfläche zu bilden. Damit kann eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden. Eine solche lineare Sende- und Empfangseinheit ist technisch weniger komplex aufgebaut und somit kostengünstig in der Anschaffung und im Betrieb.
Von Vorteil ist es aber ebenso, wenn die Sende- und Empfangseinheit mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen aufweist, die ein beliebig angeordnetes zweidimensionales Antennen-Array ausbilden. Dies ermöglicht eine sehr kurze Messdauer und daher die Anwendung auf bewegte Messobjekte. Durch die kurze Messdauer kann der Durchsatz an Messobjekten erhöht werden.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Empfangseinheit zusätzlich den kreuzpolarisierten Anteil des reflektierten Signals empfängt und der Verarbeitungseinheit zur ellipsometrischen Auswertung zuführt. Die Verarbeitungseinheit ermittelt aus dem Verhältnis des parallel zur Einfallsebene reflektierten elektrischen Feldes E^r _p zum senkrecht zur Einfallsebene eingestrahlten elektrischen Feld Eⁱ _s bzw. dem Verhältnis des senkrecht zur Einfallsebene reflektierten elektrischen Feldes E^r _s zum parallel zur Einfallsebene eingestrahlten elektrischen Feld Eⁱ _p die Reflexions-Koeffizienten R_ps und R_sp und führt daraus eine Anomaliedetektion mittels ellipsometrischer Auswertung durch. Durch die Auswertung der Kreuzpolarisation können anisotrope Medien, die also in x- bzw. y-Richtung eine unterschiedliche Permittivität aufweisen, vermessen werden. Günstig wirkt sich die Messung der Kreuzpolarisation zur Detektion von Anomalien in der Permittivität aus, so dass insbesondere Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien und somit deren Kontur zuverlässiger erkannt werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Sende- bzw. Empfangseinheit Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich und/oder in bestimmten Frequenzschritten abstrahlt bzw. empfängt und somit eine spektrometrische Ellipsometrie-Auswertung erfolgt.
Ebenso von Vorteil ist es, wenn die Sendeeinheit Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das zu untersuchende Objekt abstrahlt und/oder die Empfangseinheit reflektierte Millimeterwellensignale bei verschiedenen Ausfallswinkeln empfängt. Somit kann eine winkelvariierende Ellipsometrie-Auswertung durchgeführt werden. Alle genannten Varianten ermöglichen eine genauere Anomaliedetektion, Detektion dielektrischer Schichten und eine genauere Bestimmung der Permittivität und/oder Schichtdicke und erhöhen somit die Genauigkeit der Vorrichtung. Die Varianten können vorteilhaft aber nicht zwangsläufig miteinander kombiniert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Sendeeinheit gleichzeitig oder im Wechsel ein senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Signal und ein parallel zur Einfallsebene polarisiertes Signal abstrahlt und die Empfangseinheit gleichzeitig oder im gleichen Wechsel ein reflektiertes senkrecht polarisiertes Signal und reflektiertes parallel polarisiertes Signal empfängt. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Sendeeinheit ein beliebig polarisiertes Signal mit einem elektrischen Feld Eⁱ, das zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht Eⁱ _s und parallel Eⁱ _p zur Einfallsebene ist, gleichzeitig oder sequentiell abstrahlt und die Empfangseinheit ein reflektiertes Signal mit einem elektrischen Feld E^r, das zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht E^r _s und parallel E^r _p zur Einfallsebene ist, gleichzeitig oder sequentiell empfängt, aus dem die Verarbeitungseinheit einen Reflexions-Koeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals bzw. einen Reflexions-Koeffizienten R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals, die durch das Verhältnis des reflektierten elektrischen Feldes E^r _s bzw. E^r _p zum eingestrahlten elektrischen Feld Eⁱ _s bzw. Eⁱ _p bestimmt sind, ermittelt und aus dem Verhältnis des Reflexions-Koeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals zum Reflexions-Koeffizienten R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals die dielektrischen Schichten detektiert und die Permittivität und/oder die Schichtdicke ermittelt.
Die Verwendung der genannten gesendeten und empfangenen Signale ermöglicht die direkte Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz zwischen dem Reflexions-Koeffizienten des reflektierten senkrecht polarisierten Signals und des Reflexions-Koeffizienten des reflektierten parallel polarisierten Signals und vereinfacht den Auswerte-Algorithmus zur Detektion dielektrischer Schichten und zur Berechnung des Wertes der Permittivität und der Schichtdicke. Dies hält den Prozessoraufwand und die Berechnungsdauer gering. Zusätzlich erlaubt das Senden eines senkrecht zur Einfallsebene polarisierten und das Empfangen eines parallel zur Einfallsebene polarisierten Signals und umgekehrt eine ellipsometrische Auswertung anisotroper Objekte und eine Detektion polarisationsdrehender Objekte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bleibt somit kostengünstig und das Verfahren in der Bearbeitungsdauer überschaubar. Durch eine Messung der Intensitätsverhältnisse anstatt der Intensitäten ist die Messung wenig anfällig gegenüber Intensitätsschwankungen, was ebenfalls zu einer hohen Zuverlässigkeit der Messung bei geringer Messdauer beiträgt.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn eine Fokussierungsstelle rekonstruiert wird, indem die reflektierten Signale mit einem Phasenterm gewichtet und kohärent summiert werden, so dass lediglich diejenigen reflektierten Signale, die von einem betrachteten Objektpunkt reflektiert wurden, einen Beitrag liefern. Somit können bekannte Algorithmen zur Strahlformung bzw. der Apertursynthese zur Berechnung der Fokussierungsstelle verwendet werden.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn der Fokus durch eine Änderung des Phasenterms sendeseitig und/oder empfangsseitig einstellbar ist bzw. im Verfahren eingestellt wird. Dabei kann die Änderung und Gewichtung des Phasenterms zur Fokussierung hardwarebasiert oder softwarebasiert ausgebildet sein.
Vorteil ist es ebenfalls, wenn die Sende- bzw. Empfangseinheit Signale mit unterschiedlichen Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich abstrahlt und die Verarbeitungseinheit daraus eine Fokussierung in die Tiefe, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Mikrowellensignale ermittelt. Durch die entsprechende Änderung der Wellenlänge des Signals kann auf verschiedene Ebenen des Objekts scharf gestellt werden und eine Tiefenauflösung erreicht werden.
Die genannten Vorteile gelten analog für das erfindungsgemäße Verfahren.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des physikalische Prinzip der Ellipsometrie-Messung;
2 eine schematische Darstellung des Rekonstruktionsprinzips einer Fokussierungsstelle;
3a ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ebener Aperturfläche in schematischer Darstellung;
3b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zylindrischer Aperturfläche in schematischer Darstellung;
4a ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Sende- und Empfangseinheit;
4b ein zweites Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Sende- und Empfangseinheit;
4c ein drittes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Sende- und Empfangseinheit;
5a ein Beispiel eines Messobjekts mit unterschiedlichen angebrachten Materialien;
5b eine bildliche Darstellung einer ortsaufgelösten Messung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anhand von 1 und 2 sollen zuerst das Ellipsometrie-Messprinzip sowie die Fokussierung auf eine Stelle des zu untersuchenden Objekts kurz erläutert werden.
Fällt, wie in 1 dargestellt, ein elektromagnetisches Signal 5 mit beliebig polarisiertem elektrischen Feld Eⁱ _ges, zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht Eⁱ _s und parallel Eⁱ _p zur Einfallsebene 3, auf eine ebene oder gekrümmte Oberfläche einer Probe 2, wird ein Teil des Signals 6 unter einem Ausfallswinkel α₀, der dem Einfallswinkel α₀ des einfallende Signal 5 entspricht, reflektiert. Der senkrecht zur Einfallsebene 3 orientierte Anteil des einfallenden elektrischen Feldes Eⁱ _s regt dabei Ladungsträger in der Probe 3 in Richtung senkrecht zur Einfallsebene zu Schwingungen an, sodass diese ihrerseits ein elektrisches Feld E^r _s abstrahlen. Der parallel zur Einfallsebene 3 orientierte Anteil des einfallenden elektrischen Feldes Eⁱ _p regt dabei Ladungsträger in der Probe 2 in Richtung parallel zur Einfallsebene zu Schwingungen an, sodass diese ihrerseits ein elektrisches Feld E^r _p abstrahlen. Abhängig von den elektrischen Eigenschaften der bestrahlten Probe 2 und vom Einfallswinkel α₀ ändert sich dabei der Betrag der reflektierten senkrecht polarisierten Komponente des reflektierten elektrischen Feldes E^r _s und der reflektierten parallel polarisierten Komponente E^r _p. Bei ein- oder mehrlagigen dielektrischen Proben 2 mit bestimmter Schichtdicke d₁, ..., d_n entsteht zwischen den beiden Polarisationskomponenten zusätzlich eine Phasendifferenz. So würde bei der Bestrahlung einer Probe 2 bestimmter Schichtdicke d₁, ..., d_n und elektrischer Eigenschaften mit einem zirkular polarisierten elektrischen Feld Eⁱ _ges ein elliptisch polarisiertes Signal 6 mit dem elektrisches Feld E^r _ges reflektiert werden.
Der Reflexions-Koeffizient R_pp, R_ss, d.h. das Verhältnis des reflektierten elektrischen Feldes E^r _p bzw. E^r _s zum eingestrahlten elektrischen Feld Eⁱ _p bzw. Eⁱ _s, ist durch die Fresnel´schen Gleichungen jeweils für die parallel sowie senkrecht zur Einfallsebene 3 liegende Komponente des Signals zur Einfallsebene 3 gegeben. Ebenso sind die Reflexions-Koeffizienten R_ps, R_sp, d.h. das Verhältnis des reflektierten elektrischen Feldes E^r _p bzw. E^r _s zum eingestrahlten elektrischen Feld Eⁱ _s bzw. Eⁱ _p, durch die Fresnel´schen Gleichungen gegeben. Die Reflexions-Koeffizienten R_pp, R_ss R_ps und R_sp sind dabei eine Funktion der Frequenz, des Einfallswinkels α₀, der komplexen Permittivität des umgebenden Mediums, sowie der Schichtdicke d₁, ..., d_n und der relativen komplexen Permittivität ε₁, ..., ε_n jeder einzelnen Schicht der Probe 2.
Die Reflexions-Ellipsometrie basiert auf der Messung der Änderung der Polarisation eines einfallenden polarisierten elektrischen Feldes Eⁱ _ges nach seiner Reflexion an einer Medium-Proben-Oberfläche bei einem festen Einfallswinkel α₀. Durch den unterschiedlichen Betrag und die unterschiedliche Phase der Fresnel´schen Reflexions-Koeffizienten R_pp, R_ss für die parallel bzw. senkrecht polarisierten Signale 5 verändert sich die Polarisation des reflektierten elektrischen Felds E^r _ges des reflektierten Signals 6. Die Änderung des Polarisationszustands kann durch das komplexe Verhältnis ρ der Reflexions-Koeffizienten R_pp und R_ss beschrieben werden. Damit ergibt sich:
Aus der Messung der Phasendifferenz ∆ kann direkt eine automatische Anomaliedetektion und die Detektion dielektrischer Schichten erfolgen. Ebenso können durch ein numerisches oder analytisches Verfahren mit einer modellbasierten Optimierung als Materialparameter die Permittivitäten ε₁, ... ε_n und Schichtdicken d₁, d_n einzelner Schichten der Probe 2 bestimmt werden. Dabei wird lediglich elektromagnetische Strahlung einer einzigen gewählten Frequenz zur Messung benötigt, sodass eine monofrequente Materialparameterbestimmung möglich ist.
Zusätzlich zur Messung der parallel bzw. senkrecht polarisierten Strahlung E^r _p bzw. E^r _s können durch die Messung der Kreuzpolarisation die Reflexionskoeffizienten R_ps, R_sp in Betrag und Phase bestimmt werden. Mit den Reflexionskoeffizienten R_ps, R_sp können anisotrope Materialien, d.h. Materialien mit einer inhomogenen Permittivität, vermessen werden. Die Messung der Kreuzpolarisation liefert ebenfalls Information bei Übergängen in der Permittivität, die beispielsweise durch das Angrenzen unterschiedlicher Stoffe aneinander hervorgerufen werden.
Um eine ortsaufgelöste Materialbestimmung durch Reflexions-ellipsometrische Messungen zu erreichen, muss das zu untersuchende Objekt Punkt für Punkt bestrahlt und das reflektierte Signal ausgewertet werden. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit erreicht, die so vor dem zu untersuchenden Objekt angeordnet sind, dass sie eine Aperturfläche aufspannen und/oder es wird durch Änderung der Fokussierungsstelle aus den empfangenen Signalen eine ortsaufgelöste Abbildung des untersuchten Objekts erstellt. Beide Maßnahmen können, müssen aber nicht, kombiniert eingesetzt werden.
In 2 ist schematische eine Sendeeinheit 11 mit mehreren Sendeantennen 13 sowie eine Empfangseinheit 12 mit mehreren Empfangsantennen 14 dargestellt, die in einer Ausdehnungsrichtung einer Aperturfläche 10 linear angeordnet sind und in eine Richtung senkrecht zur linearen Anordnung bewegt werden, siehe Pfeil mit Bezugszeichen 16. Neben der Richtung senkrecht zur linearen Anordnung kann die Anordnung rotiert werden, z.B. um eine Achse durch den Mittelpunkt M der Sende- und Empfangseinheit 11, 12 in Längsausdehnung, und/oder eine Bewegung in eine beliebige Raumrichtung vollziehen, um eine Aperturfläche aufzuspannen.
Die Sende- und Empfangseinheit 11, 12 kann aber auch als zweidimensionales Antennen-Array ausgebildet sein, siehe 4a, 4b und 4c, in denen eine Vielzahl Sendeantennen 13 beliebig über einen Bereich, beispielsweise über einen Randbereich der Aperturfläche 10, 10´, 10´´ und eine Vielzahl von Empfangsantennen 14 beliebig über die gesamte Aperturfläche 10, 10´, 10´´ verteilt angeordnet sind. Die Sendeinheit 11 strahlt im Wechsel senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Signale bzw. parallel zur Einfallsebene polarisierte Signale auf das zu untersuchende Objekt 15. Die vom zu untersuchenden Objekt 15 reflektierte senkrecht bzw. parallel polarisierte Strahlung wird an jeder einzelnen Empfangsantenne der Empfangseinheit 12 empfangen und ausgewertet. Ebenso kann die Sendeeinheit 11 ein beliebig polarisiertes Signal, zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht und parallel zur Einfallsebene, gleichzeitig oder sequentiell auf das zu untersuchende Objekt 15 abstrahlen und die Empfangseinheit 12 ein Signal, zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht und parallel zur Einfallsebene, gleichzeitig oder sequentiell empfangen.
Um eine Ortsauflösung zu erhalten, werden die Empfangssignale mit einem Phasenterm gewichtet und kohärent summiert, so dass lediglich die Empfangsdaten, die von einem gewünschten Objektpunkt r₀ bzw. dem Fokussierungspunkt 17, ausgehen, konstruktiv interferieren, alle Empfangsdaten von anderen Objektpunkten aber destruktiv interferieren. Somit kann genau das Signal, das vom Fokussierungspunkt 17 reflektiert wird und von jeder der Empfangsantennen 14 empfangen wird, berücksichtigt und ausgewertet werden. Dies wird auch als empfangsseitige Fokussierung bezeichnet. Die Implementierung der Phasentermgewichtung kann hardwarebasiert oder softwarebasiert erfolgen. Somit erhält man Informationen über den Materialparameter genau dieses Fokussierungspunktes 17. Eine entsprechende Auswertung wird nun für jeden gewünschten Objektpunkt des Objekts 15 durchgeführt.
Die Ortsauflösung kann auch sendeseitig durch eine Gewichtung des Sendesignals mit einem Phasenterm oder durch eine Kombination aus sende- und empfangsseitiger Fokussierung durchgeführt werden. Die Implementierung der Phasentermgewichtung kann hardwarebasiert oder softwarebasiert erfolgen.
Die Ortsauflösung wird dabei umso höher, je größer die Aperturfläche ist. Durch die beschriebene Auswertung der einzelnen reflektierten Signale kann nicht nur eine Ortsauflösung in x- und y-Richtung erreicht werden, sondern auch der betrachtete Abstand zwischen Aperturfläche 10, 10´ und dem zu untersuchenden Objekt 15 variiert werden und somit eine Tiefenfokussierung erreicht werden. Ebenso kann durch Abstrahlen und Empfangen unterschiedlicher Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich die Separierung der Streuzentren oder unterschiedlicher Materialschichten in der Tiefe erzielt werden.
3a zeigt ein zu untersuchendes Objekt 15 sowie eine Sendeeinheit 11 und eine Empfangseinheit 12, bei der mehrere Sendeantennen 13 bzw. Empfangsantennen 14 linear übereinander in y-Richtung angeordnet sind. Die Sende- bzw. Empfangsantennen 13, 14 sind dabei beispielsweise nicht fokussierende Antennen. Eine Fokussierung erfolgt erst nachträglich durch die vorher beschriebene Signalverarbeitung in einer Verarbeitungseinheit 20, beispielsweise in digitaler Form. Dabei wird beispielsweise in y-Richtung die Strahlfokussierung durch eine digitale Strahlformung, auch Digital Beam Forming genannt, erreicht.
Die Aperturfläche 10, 10´, die in 3a eben, in 3b zylindrisch, zu dem zu untersuchenden Objekt 15 angeordnet ist, wird durch Verschieben der Sende- und Empfangseinheit 11, 12 senkrecht zur linearen Ausdehnung der Sende- bzw. Empfangseinheit 11, 12 entlang dem Pfeil 16 aufgespannt. Dabei wird an einer Vielzahl von Positionen in Richtung 16 die oben beschrieben Messung durchgeführt, sodass die Sende- und Empfangseinheit ein multistatisches Array bildet. Die Fokussierung in x-Richtung wird nach dem gleichen Grundprinzip wie zu 2 beschrieben durchgeführt. Als ein mögliches Fokussierungs-Verfahren wird beispielsweise das Apertursynthese-Radar verwendet.
Die Fokussierung wird in einer Verarbeitungseinheit 20 durchgeführt. Eine optische Darstellung des vermessenen Objekts 15 mit den ermittelten Materialparametern wird in einer Darstellungseinheit 21 durchgeführt.
Um die Genauigkeit der Materialbestimmung weiter zu erhöhen, können die ellipsometrischen Messungen mit Signalen (22, 22´, 23, 23´) unterschiedlicher Frequenz aus einem Frequenzbereich z. B. in vorbestimmten Frequenzschritten durchgeführt werden. Zum gleichen Zweck ist es vorteilhaft, Messungen mit einfallenden Signalen (22, 22´) bei unterschiedlichen Einfallswinkeln α₁, α₂ und den entsprechenden reflektierten Signalen (23, 23´) bei gleichen Ausfallswinkel β₁ = α₁ und β₂ = α₂ durchzuführen. Ebenso kann bei einem bestimmten Einfallswinkel α₁ das reflektierte Signal (23, 23´) bei unterschiedlichen Ausfallswinkeln β₁, β₂ ungleich dem Einfallswinkel z.B. α₁ gemessen werden.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Antennen-Arrays 25, das in einer beliebig geformten Aperturfläche 10´´ angeordnet ist. Mehrere Sende- und Empfangsantennen 13 sind hier beispielsweise statistisch verteilt in der Aperturfläche 10´´ angeordnet. Die so angeordneten Empfangsantennen 14 ermöglichen die Auswertung des reflektierten Signals unter verschiedenen Ausfallswinkeln β₁, β₂ und ergeben somit genauere Werte der Materialparameter durch das Ellipsometrie-Verfahren. Ein solches zweidimensionales Antennen-Array 25 ermöglicht eine Aufnahme der reflektierten Signale in Echtzeit, erfordert jedoch eine hohe Rechenkapazität für die Signalauswertung.
4b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Antennen-Arrays 30, das eine ebene Aperturfläche 10 bildet. Mehreren Sendeantennen 13 sind hier beispielsweise in den Ecken der Aperturfläche 10 angeordnet. Die Sendeeinheit 11 besteht aus einer Vielzahl von Empfangsantennen 14, die z. B. gleichmäßig über die Aperturfläche verteilt angeordnet sind. Im Gegensatz dazu wird bei der linearen Anordnung der Empfangs- bzw. Sendeantennen entsprechend 3a und 3b an jeder Position der Sende- 11 bzw. Empfangseinheit 12 eine Messung durchgeführt. Dies erfordert mehr Zeit für die Durchführung der Vielzahl an Einzelmessungen, ist jedoch mit einer geringeren Rechenleistung pro Einzelmessung verbunden.
4c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein zweidimensionales Antennen-Array 40 mit versetzt angeordneten Antennen-Elementen 41. Diese Vielzahl an Antennenelementen 41 ist dabei in einem Streifen am Rand einer Leiterplattenanordnung 43 angeordnet. Die Mitte der Leiterplatte ist durch eine Dämpfungsmatte 48 abgedeckt. Jedes Antennenelement 41 ist entweder mit einem Sender oder mit einem Empfänger verbunden. Beispielsweise können jeweils vier Antennenelemente 41, die in dem Bereich 42 angeordnet sind, mit je einem Sender verbunden werden, wohingegen ebenfalls z. B. jeweils vier Antennenelemente 41, die nicht in dem 42 liegen mit je einem Empfänger verbunden werden.
Eine Steuereinheit kann dabei festlegen, dass zu jedem Zeitpunkt nur ein mit einem Sender verbundenes Antennenelement 41 ein elektromagnetisches Signal aussendet und das gleichzeitig das reflektierte elektromagnetische Signal, das von den Antennenelementen 41 empfangen werden, die mit einem Empfänger verbunden sind, durch eine Verarbeitungseinrichtung 20 ausgewertet werden. Im nächsten Schritt wird derselbe Vorgang für ein anderes Antennenelement 41, welches ebenfalls mit einem Sender verbunden ist, wiederholt. Vorteilhafterweise können auch mehrere der dargestellten zweidimensionalen Antennen-Anordnungen 40 zueinander benachbart angeordnet und zusammen betrieben werden und somit eine größere Aperturfläche bilden.
In 5a ist ein zu untersuchendes Objekt in Form einer Messpuppe 50 gezeigt, an der unterschiedliche Objekte aus verschiedenen Materialien angeordnet sind. Zur Messung eignen sich Signale in einem beliebigen Wellenlängenbereich. Signale im Wellenlängenbereich zwischen 1GHz und 1000GHz, bevorzugt zwischen 50 GHz und 150 GHz, besonders bevorzugt zwischen 75 GHz und 110 GHz werden verwendet, da diese eine gute laterale Auflösung und eine gute Tiefenauflösung bei ausreichender Eindringtiefe gewährleisten. Das befestigte Objekt 51 umfasst eine metallische Komponente, das Objekt 52 ist beispielsweise ein Wachsstreifen, Objekt 53 ist z.B. aus einem Keramik-Kunststoff, Objekt 54 ist ein Keramikmesser und bei Objekt 55 handelt es sich um eine Flasche mit einer Flüssigkeit.
In 5b ist eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erstellte Abbildung der Messpuppe 50 dargestellt. Die angebrachten Objekte 51 bis 55 sind deutlich als Objekt 51', 52', 53', 54' und 55' zu erkennen. Die unterschiedlichen Permittivitäten der verschiedenen Materialien können z.B. farblich unterschiedlich dargestellt werden und lassen gut auf die Form des dazugehörenden Objekts schließen. Die Messungen wurden mit einer Antenneneinheit aus z.B. zwei Sendeantennen und beispielsweise etwa 300 Empfangsantennen gemessen, in einer Verarbeitungseinheit 20, siehe 3a bzw. 3b ausgewertet und über eine Bildgebungseinheit 21 optisch aufbereitet und dargestellt.
Dabei lassen signifikante Änderungen der Permittivität zwischen benachbarten Objektpunkten auf die Kante bzw. die Kontur eines Gegenstands schließen. Durch die Auswertung der Kreuzpolarisation der reflektierten Signale wird diese Kantendetektion weiter verfeinert. Mittels des Ellipsometrieverfahrens können zusätzlich dielektrische Schichten sichtbar gemacht werden. Über die Bestimmung der dielektrischen Materialeigenschaften kann auf das Material des Objekts und dessen Struktur geschlossen werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des beschriebenen Messverfahrens 60. Im ersten Verfahrensschritt 61 werden polarisierte Millimeterwellensignale unter einem Einfallswinkel α₀ von der Sendeeinheit auf ein zu untersuchendes Objekt abgestrahlt. Im zweiten Verfahrensschritt 62 werden senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene des Signals polarisierte reflektierte Signale von der Empfangseinheit empfangen. Im Verfahrensschritt 63 wird das reflektierte Signal von einer Fokussierungsstelle auf dem untersuchten Objekt ermittelt, indem durch die Gewichtung der Empfangssignale mittels eines Phasenterms und kohärente Summation lediglich die Signale der Fokussierungsstelle konstruktiv interferieren und somit einen Beitrag liefern. In einem Verfahrensschritt 64 werden die an der Fokussierungsstelle einfallenden und reflektierten Signale ellipsometrisch ausgewertet und der Materialparameter bestimmt.
In Verfahrensschritt 65 erfolgt eine Überprüfung, ob alle gewünschten Objektpunkte als Fokussierungsstelle behandelt wurden. Ist dies nicht der Fall, wird als Fokussierungsstelle ein noch nicht behandelter Objektpunkt ausgewählt und für diesen Objektpunkt die Verfahrensschritte 63 und 64 durchlaufen. Wird im Verfahrensschritt 65 ermittelt, dass alle gewünschten Objektpunkte als Fokussierungsstelle behandelt wurden und somit das zu untersuchende Objekt zweidimensional abgescannt und die Permittivität ermittelt wurde, wird das Verfahren im Schritt 66 beendet.
Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Sato et al. beschreiben im Artikel "Measurement of the Complex Refractive Index of Concrete at 57.5 GHz", veröffentlicht im Januar 1996 im IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 44, No. 1, Seiten 35–40 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung von Materialeigenschaften durch Millimeterwellenstrahlung, mit einer Sendeeinheit (11), die ein beliebig polarisiertes Millimeterwellensignal unter einem bestimmten Einfallswinkel auf ein zu untersuchendes Objekt (15) abstrahlt, einer Empfangseinheit (12), die ein vom zu untersuchenden Objekt (15) reflektiertes Signal (23, 23´) bezüglich der Intensität und/oder Phasenlage detektiert, und einer Verarbeitungseinheit (20), die aus einem parallel zur Einfallsebene polarisierten und einem senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteil des reflektierten Signals (23) die Permittivität und/oder Schichtdicke des untersuchten Objekts (15) mittels einer ellipsometrischen Auswertung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (11, 12) so vor dem zu untersuchenden Objekt (15) angeordnet sind, dass sie eine Aperturfläche (10, 10´) aufspannen und/oder dass die Verarbeitungseinheit (20) durch Änderung der Fokussierungsstelle (17) aus den reflektierten Signalen (23) eine ortsaufgelöste Abbildung des untersuchten Objekts (15) erstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (11, 12) mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangsantennen (13, 14) aufweist, die linear und/oder beliebig zueinander versetzt angeordnet sind und um eine Achse rotiert und/oder über eine sequenzielle Bewegung der Anordnung in eine beliebige Raumrichtung bezüglich der linearen und/oder versetzten Anordnung bewegt werden und somit die Aperturfläche (10, 10´) aufspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (11, 12) mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen (13, 14) aufweisen, die ein beliebig angeordnetes 2-dimensionales Antennen-Array (30, 40) ausbilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (12) zusätzlich den kreuzpolarisierten Anteil des reflektierten Signals (23, 23´) empfängt und der Verarbeitungseinheit (20) zur ellipsometrischen Auswertung zuführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- bzw. Empfangseinheit (11, 12) Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich und/oder in bestimmten Frequenzschritten abstrahlt bzw. empfängt, sodass eine spektrometrische ellipsometrische Auswertung bei verschiedenen Frequenzen erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (11) Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Einfallswinkeln (α₁, α₂) auf das zu untersuchende Objekt (15) abstrahlt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (12) reflektierte Millimeterwellensignale bei verschiedenen Ausfallswinkeln (β₁, β₂) empfängt und in der Verarbeitungseinheit daraus eine winkelvariierende ellipsometrische Auswertung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Millimeterwellensignale eine Frequenz in einem Frequenzbereich zwischen 1GHz und 1000GHz, bevorzugt zwischen 50GHz und 150GHz und besonders bevorzugt zwischen 75GHz und 110GHz, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (11) gleichzeitig oder im Wechsel ein senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Signal und ein parallel zur Einfallsebene polarisiertes Signal abstrahlt, die Empfangseinheit (12) gleichzeitig oder im gleichen Wechsel ein reflektiertes senkrecht polarisiertes Signal und ein reflektiertes parallel polarisiertes Signal empfängt oder dass die Sendeeinheit (11) ein beliebig polarisiertes Signal mit einem elektrischen Feld Eⁱ, das zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht Eⁱ _s und parallel Eⁱ _p zur Einfallsebene ist, gleichzeitig oder sequentiell abstrahlt und die Empfangseinheit (12) ein reflektiertes Signal mit einem elektrischen Feld E^r, zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht E^r _s und parallel zur Einfallsebene E^r _p, gleichzeitig oder sequentiell empfängt, aus dem die Verarbeitungseinheit (20) einen Reflexionskoeffizienten R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals bzw. einen Reflexionskoeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals ermittelt und aus dem Verhältnis des Reflexionskoeffizienten R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals zum Reflexionskoeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals eine Detektion dielektrischer Schichten in Verbindung mit einer Anomaliedetektion durchführt und die Permittivität und/oder die Schichtdicke einlagiger, sowie die Permittivitäten und/oder Schichtdicken jeder einzelnen Schicht mehrlagiger untersuchter Objekte ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierungsstelle (17) rekonstruiert wird, indem die reflektierten Signale (23, 23´) mit einem Phasenterm gewichtet und kohärent so summiert werden, dass lediglich diejenigen reflektierten Signale (23, 23´), die von einer betrachteten Fokussierungsstelle (17) reflektiert wurden, einen Beitrag liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus durch eine Änderung des Phasenterms sendeseitig und/oder empfangsseitig einstellbar ist und/oder die Gewichtung des Phasenterms hardwarebasiert oder softwarebasiert erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- bzw. Empfangseinheit (11, 12) Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich abstrahlt und die Verarbeitungseinheit (20) daraus eine Fokussierung in die Tiefe, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Mikrowellensignale, ermittelt.
Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften durch Millimeterwellenstrahlung, bei dem ein beliebig polarisiertes Millimeterwellensignal unter einem Einfallswinkel von einer Sendeeinheit (11), auf ein zu untersuchendes Objekt (15) gerichtet, abstrahlt wird, ein vom zu untersuchenden Objekt (15) reflektiertes Signal (23, 23´) bezüglich der Intensität und/oder Phasenlage von einer Empfangseinheit (12) detektiert wird, und mittels einer ellipsometrischen Auswertung aus einem parallel zur Einfallsebene polarisierten Anteil und einem senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteil des reflektierten Signals eine Permittivität und/oder Schichtdicke des untersuchten Objekts (15) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (12) so vor dem zu untersuchenden Objekt (15) angeordnet werden, dass sie eine Aperturfläche (10) aufspannen und/oder dass die Verarbeitungseinheit (20) so betrieben wird, dass sie durch Änderung der Fokussierungsstelle (17) aus den reflektierten Signalen eine ortsaufgelöste Abbildung des untersuchten Objekts (15) erstellt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der kreuzpolarisierte Anteil des reflektierten Signals (23, 23´) von der Empfangseinheit (12) empfangen wird und in der Verarbeitungeinheit (21) ellipsometrisch ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Millimeterwellensignale mit unterschiedlicher Frequenz aus einem vorbestimmten Frequenzbereich und/oder in bestimmten Frequenzschritten, von der Sende- bzw. Empfangseinheit (11, 12) abstrahlt bzw. empfangen werden, sodass eine spektrometrische ellipsometrische Auswertung bei verschiedenen Frequenzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Millimeterwellensignale mit unterschiedlichem Einfallswinkel (α₁, α₂) auf das zu untersuchende Objekt (15) von der Sendeeinheit (11) abstrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierten Millimeterwellensignale unter verschiedenen Ausfallswinkeln (β₁, β₂) von der Empfangseinheit (12) empfangen werden und eine winkelvariierende ellipsometrische Auswertung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig oder im Wechsel ein senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Signal und ein parallel zur Einfallsebene polarisiertes Signal von der Sendeeinheit (11) abgestrahlt wird und gleichzeitig oder im gleichen Wechsel ein reflektiertes senkrecht polarisiertes Signal und ein reflektiertes parallel polarisiertes Signal von der Empfangseinheit (12) empfangen wird, oder dass ein beliebig polarisiertes Signal mit einem elektrischen Feld Eⁱ, das zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht Eⁱ _s und parallel Eⁱ _p zur Einfallsebene ist, gleichzeitig oder sequentiell von der Sendeeinheit (11) abgestrahlt wird und die Empfangseinheit (12) ein reflektiertes Signal mit einem elektrischen Feld E^r, zerlegbar in jeweils eine Polarisationskomponente senkrecht E^r _s und parallel zur Einfallsebene E^r _p, gleichzeitig oder sequentiell empfängt, aus dem in der Verarbeitungseinheit (20) ein Reflexionskoeffizient R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals bzw. ein Reflexionskoeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals ermittelt wird und aus dem Verhältnis des Reflexionskoeffizienten R_pp des reflektierten parallel polarisierten Signals zum Reflexionskoeffizienten R_ss des reflektierten senkrecht polarisierten Signals eine Detektion dielektrischer Schichten in Verbindung mit einer Anomaliedetektion durchführt und die Permittivität und/oder die Schichtdicke einlagiger, sowie die Permittivitäten und/oder Schichtdicken jeder einzelnen Schicht mehrlagiger untersuchter Objekte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierungsstelle (17) rekonstruiert wird, indem die reflektierten Signale mit einem Phasenterm gewichtet und kohärent summiert werden, sodass lediglich diejenigen reflektierten Signale, die von einem betrachteten Objektpunkt reflektiert wurden, einen Beitrag liefern.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus durch eine Änderung des Phasenterms sendeseitig und/oder empfangsseitig eingestellt wird und/oder die Gewichtung des Phasenterms hardwarebasiert oder softwarebasiert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Millimeterwellensignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus einem vorbestimmten Frequenzbereich von der Sende- bzw. Empfangseinheit (11, 12) abgestrahlt und empfangen werden und daraus eine Fokussierung in die Tiefe, d.h. Ausbreitungsrichtung der Mikrowellensignale in der Verarbeitungseinheit (20), ermittelt wird.