DE19907804C1 - Vorrichtung zur Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften von Prüfkörpern - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften von Prüfkörpern auf der Grundlage des photothermischen Effekts ist vorgesehen, Quotienten aus mittels Integraltransformation durch ein Integraltransformationsglied (25) bestimmten Frequenzmeßamplituden zu gemessenen zeitlichen Meßsignalen und auf der Grundlage einer Modellierung berechneten Frequenzmodellamplituden durch ein Optimierglied (32) über Parametervariation aneinander anzupassen. Dadurch lassen sich unbekannte, die thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers bestimmende, insbesondere auch gekoppelte Parameter ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von thermo­ sensitiven und optosensitiven Eigenschaften von Prüfkörpern mit einem Meßsignalspeichermodul, in dem ein zu induzierter Wärme­ strahlung zugeordnetes periodisches Meßsignal abspeicherbar ist, mit einem Modulationssignalspeichermodul, in dem ein einem Intensitäts­ modulator eingespeistes Ansteuersignal zur Intensitätsmodulation einer Anregungsstrahlung zugeordnetes Modulationssignal ein­ speicherbar ist, und mit einem Auswertemodul, mit dem über eine Integraltransformation des Meßsignals thermosensitive und opto­ sensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers bestimmbar sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel "Quantitative Photo­ thermal Radiometric and FT-IR Photoacoustic Measurements of Specialty Papers" von J. A. Garcia, A. Mandelis, M. Marinova et al. , erschienen in der Zeitschrift Applied Spectroscopy, Vol. 52, Nummer 9, Seiten 1222 bis 1229, aus dem Jahr 1998 bekannt. In diesem Artikel ist eine Einrichtung zur Untersuchung eines als Spezialpapier beispielsweise für Banknoten ausgebildeten Prüfkörpers auf der Grundlage des photothermischen Effekts beschrieben, bei der zur Bestimmung von thermischen Diffusivitäten und Leitfähigkeiten sowie Absorptions- und Emissionskoeffizienten als thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des Spezialpapiers ein als akusto­ optischer Modulator ausgebildeter Intensitätsmodulator vorgesehen ist, mit dem Anregungsstrahlung über eine sinusförmige Ansteuerung harmonisch intensitätsmodulierbar ist. Ein induziertes, durch die Anregungsstrahlung hervorgerufener Wärmestrahlung zugeordnetes, durch eine Detektionsanordnung gewonnenes periodisches Meßsignal ist in einem Meßsignalspeichermodul einer als Signalverarbeitungs­ einheit ausgebildeten Vorrichtung zur Bestimmung der oben ge­ nannten thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften ab­ speicherbar. Weiterhin verfügt die vorbekannte Signalverarbeitungs­ einheit über ein Modulationssignalspeichermodul, dem ein dem Intensitätsmodulator eingespeisten Ansteuersignal zugeordnetes Modulationssignal einspeicherbar ist. Mit einem Auswertemodul der Signalverarbeitungseinheit sind über eine Integraltransformation des Meßsignals die oben genannten thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften bei verhältnismäßig genauer Kenntnis experimenteller Parameter wie beispielsweise der Dicke des Spezialpapiers, der Ausgestaltung der Optik sowie des Frequenzgangs der Detektions­ anordnung bestimmbar. Diese experimentellen Parameter müssen allerdings verhältnismäßig aufwendig insbesondere auch bei jeder Veränderung im Aufbau der Einrichtung bestimmt werden.

Aus dem Artikel "Laser photothermal diagnostics of genuine and counterfeit British and Unites States banknotes" von A. Othonos, A. Mandelis; M. Nestoros et al. , erschienen in Opt. Eng. 36 (2), Februar 1997, Seiten 400 bis 407, ist bekannt, zur Eliminierung der optischen und elektrischen Eigenschaften einer Einrichtung zur Untersuchung eines als Banknote ausgebildeten Prüfkörpers auf der Grundlage des photothermischen Effekts bestimmenden Parameter ein normiertes Meßsignal aus der Division der Meßsignale von einer Banknote und einer als Stahlplatte ausgebildeten Referenzprobe zu bilden. Nunmehr sind unter Eliminierung der Einflüsse gleichbleibender Geräte­ parameter sowie Umgebungsbedingungen die hier interessierenden thermischen Diffusivitäten und Leitfähigkeiten sowie Absorptions- und Emissionskoeffizienten als thermosensitive und optosensitive Eigen­ schaften bestimmbar. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist allerdings, daß der Aufbau verhältnismäßig aufwendig ist sowie schwankende Umgebungsbedingungen nicht erfaßbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der thermosensitive und optosensitive Eigenschaften, insbesondere die Schichtdicke einer Deckschicht eines Prüfkörpers, ohne aufwendige Kalibrierarbeiten bei einem einfachen Aufbau einer mit der Vorrichtung ausgestatteten Einrichtung zur Untersuchung von Prüfkörpern auf der Grundlage des photothermischen Effekts auch bei unvollständiger Kenntnis anderer, nicht zu bestimmender thermosensitiver und optosensitiver Eigen­ schaften verhältnismäßig genau bestimmbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Auswertemodul über ein mit dem Modulationssignalspeichermodul und dem Meßsignal­ speichermodul verbundenes Integraltransformationsglied, mit dem ein wenigstens zwei Frequenzkomponenten aufweisendes Meßsignal in einen Frequenzraum als Frequenzmeßamplituden integraltrans­ formierbar ist, über ein dem Integraltransformationsglied nach­ geordnetes Transformiertendivisionsglied, mit dem wenigstens ein Quotient aus zwei Frequenzmeßamplituden bestimmbar ist, und über ein dem Transformiertendivisionsglied nachgeordnetes Optimierglied verfügt, mit dem durch eine Parametervariation wenigstens ein einem Quotienten aus Frequenzmeßamplituden zugeordneter Quotient von entsprechenden Frequenzmodellamplituden, die auf der Grundlage eines parametrisierten Prüfkörpermodells berechnet worden sind, so veränderbar ist, daß innerhalb vorbestimmter Fehlergrenzen durch Vergleich der jeweiligen Quotienten ein Satz von thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers repräsen­ tierender Parameter bestimmbar ist.

Dadurch, daß mittels des Optimierglieds über Vergleich von einander entsprechenden Quotienten aus Frequenzmeßamplituden und Frequenzmodellamplituden ein Satz von thermosensitive und opto­ sensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers repräsentierender Parameter unter Eliminierung von Geräteparametern und schwanken­ den Umgebungsbedingungen bestimmbar ist, lassen sich bei einer Messung unbekannte, insbesondere auch gekoppelte Parameter bestimmen und zu Zwecken der Bestimmung anderer unbekannter Parameter bei einer anderen Messung gleichen Typs als bekannte Größen verwenden.

Beispielsweise ist bei einer Meßaufgabe, eine unbekannte Schicht­ dicke einer als Lackschicht mit unbekannten thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften hinsichtlich der Absorption und Emission ausgebildeten Deckschicht eines Prüfkörpers zu bestimmen, in einem Kalibriermodus zunächst eine Kalibrierprobe mit bekannter Schichtdicke der Deckschicht zur Bestimmung der die Absorption und Emission bestimmenden thermosensitiven und optosensitiven Eigen­ schaften, insbesondere die Diffusivitäten, die optische Eindringtiefe und die Effusivitätskontraste vermeßbar. Anschließend ist in einem Prüfmodus der Vorrichtung eine Meßprobe mit einer unbekannten Schichtdicke der Deckschicht als Prüfkörper zur Bestimmung dieser Schichtdicke unter Verwendung der im Kalibriermodus bestimmten Parameter vermeßbar.

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil liegt darin, daß bei Änderungen an einer die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Einrichtung zur Untersuchung eines Prüfkörpers auf der Grundlage des photo­ thermischen Effekts, beispielsweise bei Austausch von optischen oder elektronischen Bauelementen, die unter Umständen eine herkömm­ liche Auswertung des Meßsignals ohne aufwendige Nachkalibrierung nachhaltig beeinflussen würden, keinerlei Nachkalibrierung aufgrund geänderter Geräteparameter erforderlich ist, da sich diese bei der Quotientenbildung selbst aufheben.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung weist das Auswertemodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Statistikglied auf, mit dem für eine Anzahl von Perioden der Intensitätsmodulation während eines Meßzyklus aus den oder jeden Quotienten von Frequenzmeß­ amplituden jeweils eine Varianz berechenbar ist, die jeweils dem Optimierglied einspeisbar ist. Durch die damit erzielte Gewichtung der experimentell bestimmten Quotienten hinsichtlich ihrer Fehler wird die Stabilität bei der Bestimmung der Parameter verbessert.

Weiterhin ist bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise der oben ge­ nannten Weiterbildung vorgesehen, daß Mittel zum Schalten zwischen einem Kalibriermodus einem Prüfmodus vorgesehen sind. Dadurch ist ein verhältnismäßig einfacher Aufbau zur Durchführung einer Be­ stimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften einerseits einer Kalibrierprobe als Prüfkörper zur Ermittlung eines Satzes von unbekannten Parametern und andererseits einer Meß­ probe als Prüfkörper zur Ermittlung eines anderen Satzes von un­ bekannten Parametern unter Berücksichtigung der mit der Kalibrier­ probe ermittelten Parameter ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten Aus­ gestaltung verfügt das Auswertemodul über einen Kalibrierparameter­ speicher, in dem Parameter und Schätzwerte einer Kalibrierprobe als Prüfkörper abspeicherbar sind. Der Kalibrierparameterspeicher ist im Kalibriermodus mit dem Optimierglied verbindbar. Dadurch ist im Kalibriermodus in verhältnismäßig einfacher und stabiler Weise eine Bestimmung der bei der Kalibrierprobe unbekannten Parameter erreicht.

Bei der oben genannten Ausgestaltung beziehungsweise deren vorteilhaften Weiterbildung ist vorteilhafterweise ein Kalibrierfrequenz­ speicher vorgesehen, in dem zur Ansteuerung eines Intensitäts­ modulators im Kalibriermodus vorgesehene Kalibrierfrequenzen abspeicherbar sind. Dadurch erfolgt die Bestimmung der bei der Kalibrierprobe unbekannten Parameter nach einem repetitiven Schema. Dabei ist insbesondere bei in ihren thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften verhältnismäßig wenig variierenden Prüfkörpern vorgesehen, daß in dem Kalibrierfrequenzspeicher feste Kalibrierfrequenzen abspeicherbar sind. Variieren voraussichtlich die thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften der Prüfkörper verhältnismäßig stark, ist zweckmäßig, daß ein dem Kalibrierfrequenz­ speicher vorgeschaltetes Kalibrierintervallbestimmungsmodul vor­ gesehen ist, mit dem im Kalibriermodus iterativ ein Frequenzbereich bestimmbar ist, in dem die Kalibrierfrequenzen liegen. Vorzugsweise weist dabei der in dem letzten Iterationsschritt festgelegte Frequenz­ bereich ein Extremum und einen Wendepunkt in wenigstens einer aus Quotienten von Frequenzmeßamplituden gebildeten Quotientenkurve auf.

Besonders vorteilhaft ist es im Hinblick auf eine einfache Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften, wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise einer der oben genannten Weiterbildungen beziehungsweise Ausgestaltungen das Integraltransformationsglied zur Durchführung einer Fouriertrans­ formation eingerichtet ist.

Für ein gutes Signal/Rauschverhältnis ist zweckmäßig, daß wenig­ stens die Quotienten aus Frequenzmeßamplituden beziehungsweise Frequenzmodellamplituden bei der Grundfrequenz sowie einem niedrigen Vielfachen der Grundfrequenz mit intensiven Frequenz­ amplituden bildbar sind. Bei einer rechteckförmigen Intensitäts­ modulation sind hierzu zweckmäßigerweise Quotienten aus Frequenz­ meßamplituden beziehungsweise Frequenzmodellamplituden bei der Grundfrequenz sowie dem Dreifachen, dem Fünffachen beziehungs­ weise dem Siebenfachen der Grundfrequenz bildbar.

Bei der Vorrichtung erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise einer der zweckmäßigen Weiterbildungen beziehungsweise Aus­ gestaltungen ist im Hinblick auf möglichst genaue Ergebnisse in einem Prüfmodus vorteilhafterweise ein Prüffrequenzbestimmungs­ modul vorgesehen, mit dem aus dem minimalen Wert von Be­ stimmungswerten auf der Grundlage von Ableitungen von Quotienten von Frequenzmeßamplituden eine optimale Prüffrequenz zur Be­ stimmung der Schichtdicke einer Deckschicht des Prüfkörpers be­ stimmbar ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung zur Untersuchung von Prüfkörpern auf der Grundlage des photothermischen Effekts mit einer als Signal­ verarbeitungseinheit ausgebildeten Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einem Blockschaubild den Aufbau einer Signal­ verarbeitungseinheit für eine Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 in einem Blockschaubild eine Weiterbildung der Signal­ verarbeitungseinheit gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung zur Untersuchung eines Prüfkörpers auf der Grundlage des photo­ thermischen Effekts. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 verfügt über eine vorzugsweise als sogenannter Laser ausgebildete Lichtquelle 1 als Wärmequelle, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel konti­ nuierliche Anregungsstrahlung 2 emittiert. Die kontinuierliche Anregungsstrahlung 2 beaufschlagt einen Intensitätsmodulator 3, mit dem die Intensität der kontinuierlichen Anregungsstrahlung 2 bei ein­ stellbaren Modulationsfrequenzen so modulierbar ist, daß den Inten­ sitätsmodulator 3 passierende intensitätsmodulierte Anregungs­ strahlung 4 im Frequenzraum wenigstens zwei dominante Frequenz­ komponenten aufweist.

Beispielsweise ist der Intensitätsmodulator 3 als sogenannter chopper, das heißt eine Drehscheibe mit regelmäßigen Aus­ nehmungen, ausgebildet, mit dem intensitätsmodulierte Anregungs­ strahlung 4 mit einem im wesentlichen rechteckförmigen zeitlichen Intensitätsverlauf generierbar ist. In anderen Ausführungen ist der Intensitätsmodulator 3 als elektrooptisch arbeitendes Bauelement ausgeführt, mit dem beispielsweise intensitätsmodulierte Anregungs­ strahlung 4 mit einem sägezahnartigen zeitlichen Intensitätsverlauf erzeugbar ist.

Es versteht sich, daß insbesondere elektrooptisch arbeitende Inten­ sitätsmodulatoren 3 auch innerhalb der Lichtquelle 1 angeordnet sein können, so daß die Lichtquelle 1 unmittelbar intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 emittiert. Weiterhin kann die Intensitäts­ modulation durch eine Strommodulation bei der Energieversorgung der Lichtquelle 1 erzeugt werden.

Die intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 beaufschlagt bei der in Fig. 1 dargestellten bestimmungsgemäßen Verwendung der Ein­ richtung einen Prüfkörper 5. Der Prüfkörper 5 ist beispielsweise aus einem verhältnismäßig dicken Substrat 6, einer Zwischenschicht 7 sowie einer der intensitätsmodulierten Anregungsstrahlung 4 zu­ gewandten und von dieser beaufschlagten Deckschicht 8 aufgebaut. Bei einem weiteren typischen Aufbau eines Prüfkörpers 5 ist lediglich ein verhältnismäßig dickes Substrat 6 sowie eine Deckschicht 8 vorgesehen. Eine typische Meßaufgabe besteht nunmehr darin, auf der Grundlage des photothermischen Effekts die Dicke der beispiels­ weise als Lackschicht von Automobilkarossen oder zugehörigen Anbauteilen ausgebildeten Deckschicht 8 zu bestimmen.

Hierzu ist die Einrichtung gemäß Fig. 1 mit einer im infraroten Spektralbereich sensitiven Detektionseinheit 9 ausgestattet, mit der die Intensität von von dem Prüfkörper 5 rückgeworfener induzierter Wärmestrahlung 10 erfaßbar und als zeitliche Meßsignale über einen Verstärker 11 in einer Intensitätssignalleitung 12 einer als Signal­ verarbeitungseinheit 13 ausgebildeten erfindungsgemäßen Vor­ richtung zur Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften eines Prüfkörpers 5 einspeisbar ist. Die Signal­ verarbeitungseinheit 13 ist weiterhin über eine Triggerleitung 14 an den Intensitätsmodulator 3 angeschlossen, über die der Signal­ verarbeitungseinheit 13 für den Intensitätsverlauf der intensitäts­ modulierten Anregungsstrahlung 4 charakteristische Triggersignale beispielsweise jeweils bei Beginn einer neuen Periode einspeisbar sind. Über eine Frequenzleitung 15 ist die Signalverarbeitungseinheit 13 an eine mit dem Intensitätsmodulator 3 in Verbindung stehende Modulatoransteuereinheit 16 angeschlossen. Mit der Modulator­ ansteuereinheit 16 ist die Modulationsfrequenz des Intensitäts­ modulators 3 einstellbar. Schließlich steht die Signalverarbeitungs­ einheit 13 über eine Ein/Ausgabeleitung 17 mit einer Ein/Ausgabeeinheit 18 in Verbindung.

Fig. 2 zeigt in einem Blockschaubild den Aufbau einer Signal­ verarbeitungseinheit 13 für eine Einrichtung gemäß Fig. 1. Die Signalverarbeitungseinheit 13 verfügt über einen Analog/Digital- Wandler 19, an dessen Eingang die Intensitätssignalleitung 12 gelegt ist. Mit dem Analog/Digital-Wandler 19 sind die zeitlichen Meßsignale aus dem an die Detektionseinheit 9 angeschlossenen Verstärker 11 digitalisierbar. Der Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 19 ist an ein erstes Meßsignalschaltglied 20 gelegt, mit dem von einer in Fig. 2 nicht dargestellten Zentralsteuereinheit gesteuert die digitalisierten zeitlichen Meßsignale bei Stellung in einem Kalibriermodus in einen Kalibriersignalspeicher 21 oder bei Stellung in einem Prüfmodus gemäß Fig. 2 in einen Prüfsignalspeicher 22 einspeicherbar sind, die ein Meßsignalspeichermodul bilden. Die jeweiligen Ausgänge des Kalibriersignalspeichers 21 beziehungsweise des Prüfsignalspeichers 22 sind über ein ebenfalls von der Zentralsteuereinheit gesteuertes zweites Meßsignalschaltglied 23 auf einen ersten Eingang eines Auswertemoduls 24 schaltbar.

Das Auswertemodul 24 verfügt über ein Integraltransformationsglied 25, dem über einen ersten Eingang die digitalisieren zeitlichen Meß­ signale aus dem Kalibriersignalspeicher 21 beziehungsweise dem Prüfsignalspeicher 22 einspeisbar sind. Über einen zweiten Eingang sind dem Integraltransformationsglied 25 die in einem als Modula­ tionssignalspeichermodul dienenden Periodenlängenspeicher 26 abspeicherbaren, für den Intensitätsverlauf der intensitätsmodulierten Anregungsstrahlung 4 charakteristischen Triggersignale aus dem Intensitätsmodulator 3 einspeisbar, die die Periodenlänge bei der Intensitätsmodulation der kontinuierlichen Anregungsstrahlung 2 beinhalten. Mit dem Integraltransformationsglied 25 sind beispiels­ weise unter Verwendung der Fouriertransformation die zeitlichen Meßsignale für jede Periode der Intensitätsmodulation in als Frequenzmeßamplituden in einen Frequenzraum integraltransformier­ bar. Dem Integraltransformationsglied 25 ist ein Transformierten­ speicher 27 nachgeordnet, im dem die Frequenzmeßamplituden für jede Periode abspeicherbar sind.

Nach einem Meßzyklus bei einer Modulationsfrequenz mit einer bestimmten Anzahl von Perioden ist von der Zentralsteuereinheit gesteuert der Inhalt des Transformiertenspeichers 27 einem Trans­ formiertendivisionsglied 28 des Auswertemoduls 24 einspeisbar. Mit dem Transformiertendivisionsglied 28 sind Maxima der Frequenzmeßamplituden an für die Intensitätsmodulation der inten­ sitätsmodulierten Anregungsstrahlung 4 und damit der induzierten Wärmestrahlung 10 charakteristischen Frequenzwerten unter Bildung von Quotienten dividierbar. Im Hinblick auf ein gutes Signal/Rauschverhältnis finden vorzugsweise bei jeder Quotienten­ bildung die Frequenzmeßamplitude bei der Grundfrequenz, das heißt die Frequenz der Intensitätsmodulation durch den Intensitäts­ modulator 3, sowie weiterhin Frequenzmeßamplituden bei niedrigen Vielfachen der Grundfrequenz Berücksichtigung. Bei einer im wesent­ lichen rechteckförmigen Intensitätsmodulation sowie einer Fouriertransformation durch das Integraltransformationsglied 25 werden somit beispielsweise Quotienten aus der Frequenzmeß­ amplitude bei der Grundfrequenz sowie die Frequenzmeßamplitude bei dem Dreifachen, dem Fünffachen und dem Siebenfachen der Grundfrequenz gebildet.

Die ermittelten Quotienten sind von dem Transformiertendivisionsglied 28 zum einen unter Mittelung gleichartiger Quotienten einem Quo­ tientenspeicher 29 zur Abspeicherung und zum anderen einzeln einem Statistikglied 30 einspeisbar. Mit dem Statistikglied 30 sind für die Anzahl von Perioden während eines Meßzyklus aus den oder jeden gleichartigen Quotienten von Frequenzmeßamplituden jeweils eine Varianz berechenbar und einem Varianzenspeicher 31 einspeisbar.

Das Auswertemodul 24 verfügt weiterhin über ein Optimierglied 32, dem der oder jeder Quotient aus dem Quotientenspeicher 29 sowie zur Berücksichtigung der Fehler aufgrund des Rauschens die oder jede Varianz aus dem Varianzenspeicher 31 einspeisbar sind. Mit dem Optimierglied 32 ist beispielsweise auf der Grundlage des Gauß- Newton-Algorithmus bei einem sogenannten multi-parameter fitting, das heißt einer Vielparameteroptimierung, unter Berechnung von für die bei dem photothermischen Effekt ablaufenden physikalischen Prozesse sowie für den Meßvorgang charakteristischen Parametern ein Funktional minimierbar, das entsprechend der Anzahl von Quotienten in dem Quotientenspeicher 29 Differenzen aus einem Quotient von Frequenzmeßamplituden und einem entsprechenden Quotient von Frequenzmodellamplituden enthält. Dabei sind die Frequenzmodellamplituden auf der Grundlage einer mathematisch- physikalischen Modellierung der bei dem photothermischen Effekt ablaufenden physikalischen Prozesse sowie des Meßvorgangs bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 berechnet worden.

An das Optimierglied 32 sind von der Zentralsteuereinheit gesteuert über ein Parameterschaltglied 33 an einem Eingang ein Kalibrier­ parameterspeicher 34 beziehungsweise ein Prüfparameterspeicher 35 zuschaltbar. Weiterhin sind an das Optimierglied 32 die Ein/Ausgabeleitung 17 sowie an einem Ausgang weiterhin ein Opti­ mierschaltglied 36 angeschlossen, das im Kalibriermodus dem Prüf­ parameterspeicher 35 die von dem Optimierglied 32 bei der Opti­ mierung berechneten Parameter einspeist.

Im Kalibriermodus sind mit dem Optimierglied 32 auf der Grundlage der im dem Kalibrierparameterspeicher 34 abgelegten Parameter, beispielsweise der Anzahl der Schichten sowie Schätzwerte für eine optische Eindringtiefe, thermischen Schichtdicken sowie Effusivitäts­ kontrasten bei bekannter Schichtdicke der Deckschicht 8 einer Kali­ brierprobe als Prüfkörper 5, für das mathematisch-physikalische Modell sowie der mit der Kalibrierprobe bei verschiedenen Kalibrier­ frequenzen aufgenommenen Meßsignalen in der Vielparameter­ optimierung die freien Parameter verhältnismäßig genau berechenbar. Als verhältnismäßig gute Schätzungen haben sich Parameter her­ ausgestellt, die denen von Polyvinylchlorid (PVC) angenähert sind. Die optimierten freien Parameter sind abschließend dem Optimier­ parameterspeicher 35 einspeisbar.

Im Prüfmodus sind mit dem Optimierglied 32 auf der Grundlage von bei einer bestimmten Prüffrequenz aufgenommenen zeitlichen Meß­ signalen sowie der zuvor in dem Kalibriermodus optimierten freien Parametern nunmehr unbekannte Schichtdicken von Deckschichten 8 von Meßproben als Prüfkörper 5 bestimmbar und beispielsweise der Ein/Ausgabeeinheit 18 einspeisbar.

Die Signalverarbeitungseinheit 13 weist weiterhin ein Prüffrequenz­ bestimmungsmodul 37 auf, das eingangsseitig mit dem Varianzen­ speicher 31 und dem Optimierparameterspeicher 35 in Verbindung steht. Mit dem Prüffrequenzbestimmungsmodul 37 ist in einer weiter unten näher erläuterten Art und Weise eine optimale Prüffrequenz zur Bestimmung von unbekannten Schichtdicken berechenbar. Diese Prüffrequenz ist einem Prüffrequenzspeicher 38 einspeisbar.

Neben dem Prüffrequenzspeicher 38 weist die Signalverarbeitungs­ einheit 13 einen Kalibrierfrequenzspeicher 39 auf, in dem eine Anzahl von im Kalibriermodus einzustellenden Kalibrierfrequenzen ab­ gespeichert sind.

Der Ausgang des Prüffrequenzspeichers 38 und der Ausgang des Kalibrierfrequenzspeichers 39 sind Eingängen eines Modulations­ frequenzschaltglieds 40 zugeführt, mit dem von der Zentralsteuer­ einheit gesteuert einem Modulationsfrequenzgeber 41 der Signal­ verarbeitungseinheit 13 entweder die Prüffrequenz oder die Kali­ brierfrequenzen einspeisbar sind. Der Modulationsfrequenzgeber 41 ist über die Frequenzleitung 15 an die Modulatoransteuereinheit 16 zur Steuerung der Modulationsfrequenz des Intensitätsmodulators 3 angeschlossen.

Im Kalibriermodus wird von der Zentralsteuereinheit gesteuert der Intensitätsmodulator 3 mit einer Abfolge von beispielsweise 30 Kali­ brierfrequenzen mit Werten beispielsweise zwischen 1 Hertz und 300 Hertz beaufschlagt. Über wenigstens etwa 20 Perioden werden bei jeder Kalibrierfrequenz Meßsignale aufgenommen und in dem Kali­ briersignalspeicher 21 zwischengespeichert. Bei entsprechender Synchronisation erfolgt im Kalibriermodus vorzugsweise bereits noch während der Aufnahme von zeitlichen Meßsignalen die bereits oben erläuterte Weiterverarbeitung in dem Auswertemodul 24.

Am Ende des Kalibriermodus erfolgt die oben bereits erwähnte Be­ stimmung der Prüffrequenz. Hierzu wird bei den Kalibrierfrequenzen jeweils die Ableitung eines Quotienten von Frequenzmeßamplituden, beispielsweise aus dem Wert der Frequenzmeßamplitude bei der Grundfrequenz zu dem Wert der Frequenzmeßamplitude bei dem je nach Intensitätsmodulation auftretenden nächsthöheren Vielfachen der Grundfrequenz, nach dem Parameter der bei der Kalibrierprobe bekannten und bei den Meßproben zu bestimmenden Schichtdicke multipliziert mit der Varianz des Quotienten bei der betreffenden Kalibrierfrequenz als Bestimmungswert berechnet. Die optimale Prüffrequenz liegt bei dem niedrigsten Bestimmungswert, der vorzugs­ weise durch Interpolation zwischen den tatsächlich ermittelten Be­ stimmungswerten ermittelt wird.

Als Randbedingung ist bei bewegten Meßproben als Prüfkörper 5 zu beachten, daß als Prüffrequenz nur Frequenzen in Betracht kommen, bei denen während einer Periode der Intensitätsmodulation der von der Detektionseinheit 9 erfaßte Bereich vollständig innerhalb eines durch die intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 beaufschlagten Bereichs liegt. Liegt die ermittelte Prüffrequenz unterhalb einer ent­ sprechenden Minimalfrequenz, wird die Prüffrequenz als niedrigster Bestimmungwert aus den Frequenzen ermittelt, die größer als die Minimalfrequenz sind.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaubild eine Weiterbildung der Signal­ verarbeitungseinheit 13 gemäß Fig. 2, die zweckmäßigerweise in Fällen zum Einsatz kommt, in denen die Materialien und/oder Dicken insbesondere der oder jeder Zwischenschicht 7 beziehungsweise der Deckschicht 8 von Prüfkörpern 5 variieren. Bei den Signal­ verarbeitungseinheiten 13 sind sich entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 3 nicht näher erläutert. Die Signal­ verarbeitungseinheit 13 gemäß Fig. 3 verfügt zusätzlich über ein Kalibrierintervallschaltglied 42 und ein Kalibrierintervallbestimmungs­ modul 43, die zwischen dem Quotientenspeicher 29 und dem Kali­ brierfrequenzspeicher 39 angeordnet sind. Das Kalibrierintervallschalt­ glied 42 und das Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 dienen im Kalibriermodus zur Bestimmung eines durch eine niedrigste Modula­ tionsfrequenz und eine höchste Modulationsfrequenz für die An­ regungsstrahlung 4 gekennzeichneten optimierten Kalibrierintervalls. Dabei ist ein optimiertes Kalibrierintervall dadurch definiert, daß es ein Extremum und einen Wendepunkt in wenigstens einer aus Quotienten von Frequenzmeßamplituden gebildeten Quotientenkurve mit be­ stimmten, über die Frequenzwerte bei dem Extremum beziehungs­ weise bei dem Wendepunkt hinausgehenden Frequenzabschnitten aufweist.

Im Kalibriermodus erfolgt zunächst eine iterative Bestimmung des Kalibrierintervalls. Ausgehend von in dem Kalibrierintervall­ bestimmungsmodul 43 abgelegten Schätzwerten für eine niedrigste Modulationsfrequenz und eine höchste Modulationsfrequenz erfolgt zunächst die Ansteuerung des Intensitätsmodulators 3 mit einer Abfolge von Kalibrierfrequenzen, die vorzugsweise äquidistant zwischen den Schätzwerten für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise für die höchste Modulationsfrequenz liegen. An­ schließend werden wie oben beschrieben die Quotienten aus den Frequenzmeßamplituden bestimmt.

Mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 ist nunmehr bestimm­ bar, ob innerhalb des durch die Schätzwerte für die niedrigste Modula­ tionsfrequenz beziehungsweise für die höchste Modulationsfrequenz begrenzten Frequenzbereichs in wenigstens einer Quotientenkurve ein Extremum und ein Wendepunkt liegen. Ist dies der Fall, wird mit der Kalibrierung gemäß der in Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Vorgehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren.

Liegen hingegen kein Extremum und kein Wendepunkt innerhalb des durch die Schätzwerte für die niedrigste Modulationsfrequenz be­ ziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz bestimmten Frequenzbereichs, so sind mit dem Kalibrierintervallbestimmungs­ modul 43 in einem ersten Iterationsschritt erste Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modula­ tionsfrequenz beispielsweise durch Vergrößerung des Frequenz­ bereichs über die bei dem vorgenannten Schritt verwendeten Schätz­ werte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz hinaus bestimmbar. Anschließend erfolgt die Ansteuerung des Intensitätsmodulators 3 mit einer Abfolge von dem Kalibrierfrequenzspeicher 39 einspeisbaren Kalibrier­ frequenzen, die vorzugsweise äquidistant zwischen den ersten Itera­ tionswerten für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise für die höchste Modulationsfrequenz liegen. In dem ersten Iterations­ schritt ist nunmehr mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 die Prüfung auf das Vorhandensein eines Extremums sowie eines Wendepunkts in wenigstens einer Quotientenkurve zwischen den ersten Iterationswerten für die niedrigste Modulationsfrequenz be­ ziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz durchführbar. Ist dies der Fall, wird nunmehr mit der Kalibrierung gemäß der in Zusammen­ hang mit Fig. 2 erläuterten Vorgehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren.

Liegen hingegen auch nach dem ersten Iterationsschritt kein Ex­ tremum und kein Wendepunkt innerhalb des durch die ersten Itera­ tionswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz bestimmten Frequenzbereichs, so sind mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 in weiteren Iterationsschritten weitere Iterationswerte für die niedrigste Modula­ tionsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz beispielsweise jeweils durch Vergrößerung des Frequenzbereichs über die bei dem jeweils vorangehenden Iterationsschritt verwendeten Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungs­ weise die höchste Modulationsfrequenz hinaus bestimmbar, bis entweder innerhalb eines Frequenzbereichs ein Extremum sowie ein Wendepunkt in wenigstens einer Quotientenkurve vorliegen und in der im Zusammenhang mit der Erläuterung zu Fig. 2 beschriebenen Vor­ gehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren werden kann oder ein vorbestimmter Minimalwert beziehungsweise ein vor­ bestimmter Maximalwert für die Modulationsfrequenzen überschritten sind.

Sind der Minimalwert sowie der Maximalwert für die Modulations­ frequenzen überschritten, wird mittels des Kalibrierintervall­ bestimmungsmoduls 43 der durch Randwerte begrenzte Frequenz­ bereich so festgelegt, daß an den Randwerten wenigstens eine Quotientenkurve jeweils ein Extremum aufweist. Anschließend wird mit der im Zusammenhang mit der Beschreibung zu Fig. 2 erläuterten Vorgehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung von thermosensitiven und opto­ sensitiven Eigenschaften von Prüfkörpern (5) mit einem Meßsignalspeichermodul, in dem ein zu induzierter Wärme­ strahlung (10) zugeordnetes periodisches Meßsignal ab­ speicherbar ist, mit einem Modulationssignalspeichermodul, in dem ein einem Intensitätsmodulator (3) eingespeistes An­ steuersignal zur Intensitätsmodulation einer Anregungs­ strahlung (2, 4) zugeordnetes Modulationssignal einspeicher­ bar ist, und mit einem Auswertemodul, mit dem über eine Integraltransformation des Meßsignals thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers (5) bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ wertemodul (24) über ein mit dem Modulationssignalspeicher­ modul (26) und dem Meßsignalspeichermodul (21, 22) ver­ bundenes Integraltransformationsglied (25), mit dem ein wenigstens zwei Frequenzkomponenten aufweisendes Meß­ signal in einen Frequenzraum als Frequenzmeßamplituden integraltransformierbar ist, über ein dem Integraltrans­ formationsglied (25) nachgeordnetes Transformierten­ divisionsglied (27), mit dem wenigstens ein Quotient aus zwei Frequenzmeßamplituden bestimmbar ist, und über ein dem Transformiertendivisionsglied (27) nachgeordnetes Optimier­ glied (32) verfügt, mit dem durch eine Parametervariation wenigstens ein einem Quotienten aus Frequenzmeß­ amplituden zugeordneter Quotient von entsprechenden Frequenzmodellamplituden, die auf der Grundlage eines parametrisierten Prüfkörpermodells berechnet worden sind, so veränderbar ist, daß innerhalb vorbestimmter Fehler­ grenzen durch Vergleich der jeweiligen Quotienten ein Satz von thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers (5) repräsentierender Parameter be­ stimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemodul (24) ein Statistikglied (30) aufweist, mit dem für eine Anzahl von Perioden der Intensitätsmodulation während eines Meßzyklus aus den oder jeden Quotienten von Frequenzmeßamplituden jeweils eine Varianz berechenbar ist, die jeweils dem Optimierglied (32) einspeisbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel (20, 23, 33, 36, 40) zum Schalten zwischen einem Kalibriermodus einem Prüfmodus vor­ gesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemodul (24) über einen Kalibrierparameter­ speicher (34) verfügt, in dem Parameter und Schätzwerte einer Kalibrierprobe als Prüfkörper (5) abspeicherbar sind, und daß der Kalibrierparameterspeicher (34) im Kalibrier­ modus mit dem Optimierglied (32) verbindbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kalibrierfrequenzspeicher (39) vorgesehen ist, in dem zur Ansteuerung eines Intensitätsmodulators (3) im Kalibriermodus vorgesehene Kalibrierfrequenzen abspeicher­ bar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kalibrierfrequenzspeicher (39) feste Kalibrier­ frequenzen abspeicherbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Kalibrierfrequenzspeicher (39) vorgeschaltetes Kalibrierintervallbestimmungsmodul (43) vorgesehen ist, mit dem im Kalibriermodus iterativ ein Frequenzbereich bestimm­ bar ist, in dem die Kalibrierfrequenzen liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem letzten Iterationsschritt festgelegte Frequenz­ bereich ein Extremum und einen Wendepunkt in wenigstens einer aus Quotienten von Frequenzmeßamplituden gebildeten Quotientenkurve aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Integraltransformationsglied (25) zur Durchführung einer Fouriertransformation eingerichtet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Quotienten aus Frequenzmeßamplituden beziehungsweise Frequenzmodell­ amplituden bei der Grundfrequenz sowie einem niedrigen Vielfachen der Grundfrequenz mit intensiven Frequenz­ amplituden bildbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer rechteckförmigen Intensitätsmodulation Quotienten aus Frequenzmeßamplituden beziehungsweise Frequenz­ modellamplituden bei der Grundfrequenz sowie dem Drei­ fachen, dem Fünffachen beziehungsweise dem Siebenfachen der Grundfrequenz bildbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüffrequenzbestimmungsmodul (37) vorgesehen ist, mit dem aus dem minimalen Wert von Bestimmungswerten auf der Grundlage von Ableitungen von Quotienten von Frequenzmeßamplituden eine optimale Prüf­ frequenz zur Bestimmung der Schichtdicke einer Deckschicht (8) des Prüfkörpers (5) bestimmbar ist.