DE19907804C9

DE19907804C9 - Thermosensitive and optosensitive measuring device, e.g. to check banknotes; uses integral transformation of induced heat radiation measuring signal

Info

Publication number: DE19907804C9
Application number: DE1999107804
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. 66130 Saarbrücken Petry; Alfred K. Prof. Dr. 66121 Saarbrücken Louis; Peter 66111 Saarbrücken Dörr; Christian Dr. Esch Alzette Gruss
Original assignee: Phototherm Dr. Petry GmbH, 66115 Saarbrücken
Filing date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2019-02-25

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. In a device for determining thermosensitive and optosensitive properties of test bodies on the basis of the photothermal effect, quotients from frequency measurement amplitudes determined by means of integral transformation by an integral transformation element (25) to measured temporal measurement signals and frequency model amplitudes calculated on the basis of modeling by an optimization element (32 ) to be adapted to each other via parameter variation. This makes it possible to determine unknown, in particular also coupled, parameters that determine the thermosensitive and optosensitive properties of the respective test body.

Description

Beschreibungdescription

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften von Prüfkörpern mit einem Meßsignalspeichermodul, in dem ein zu induzierter Wärmestrahlung zugeordnetes periodisches Meßsignal abspeicherbar ist, mit einem Modulationssignalspeichermodul, in dem ein einem Intensitätsmodulator eingespeistes Ansteuersignal zur Intensitätsmodulation einer Anregungsstrahlung zugeordnetes Modulationssignal einspeicherbar ist, und mit einem Auswertemodul, mit dem über eine Integraltransformation des Meßsignals thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers bestimmbar sind. [0001] The invention relates to a device for the determination of thermosensitive and opto-sensitive properties of test specimens with a Meßsignalspeichermodul in which a mapped to induced heat radiation periodic measurement signal can be stored, with a modulation signal storage module in which a signal fed to an intensity modulator drive signal for intensity modulation of an excitation radiation associated modulation signal can be stored, and with an evaluation module with which thermosensitive and optosensitive properties of the respective test body can be determined via an integral transformation of the measurement signal.

[0002] Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel "Quantitative Photothermal Radiometrie 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 akustooptischer 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 Signalverarbeitungseinheit ausgebildeten Vorrichtung zur Bestimmung der oben genannten thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften abspeicherbar. Weiterhin verfügt die vorbekannte Signalverarbeitungseinheit 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 Detektionsanordnung bestimmbar. Diese experimentellen Parameter müssen allerdings verhältnismäßig aufwendig insbesondere auch bei jeder Veränderung im Aufbau der Einrichtung bestimmt werden. [0002] Such a device is known from the article "Quantitative Photothermal radiometry and FT-IR Photoacoustic Measurements of Specialty Papers" from JA Garcia, A. Mandelis, M. Marinova et al., Published in the journal Applied Spectroscopy, Vol. 52, Number 9, pages 1222 to 1229, from 1998. This article describes a device for examining a test piece designed as a special paper, for example for banknotes, on the basis of the photothermal effect, in which an acousto-optical modulator designed as an acousto-optical modulator to determine thermal diffusivities and conductivities as well as absorption and emission coefficients as thermosensitive and optosensitive properties of the special paper Intensity modulator is provided with which the excitation radiation can be harmonically intensity-modulated via a sinusoidal control. An induced periodic measurement signal associated with the excitation radiation and obtained by a detection arrangement can be stored in a measurement signal storage module of a device designed as a signal processing unit for determining the above-mentioned thermosensitive and optosensitive properties. Furthermore, the known signal processing unit has a modulation signal storage module, to which a modulation signal assigned to the intensity modulator can be stored. With an evaluation module of the signal processing unit, the above-mentioned thermosensitive and optosensitive properties can be determined via an integral transformation of the measurement signal with relatively precise knowledge of experimental parameters such as the thickness of the special paper, the design of the optics and the frequency response of the detection arrangement. However, these experimental parameters have to be determined in a relatively laborious manner, especially each time there is a change in the structure of the device.

[0003] 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 elektrisehen 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 Geräteparameter sowie Umgebungsbedingungen die hier interessierenden thermischen Diffusivitäten und Leitfähigkeiten sowie Absorptions- und Emissionskoeffizienten als thermosensitive und optosensitive Eigenschaften bestimmbar. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist allerdings, daß der Aufbau verhältnismäßig aufwendig ist sowie schwankende Umgebungsbedingungen nicht erfaßbar sind. [0003] From the article "Laser photo thermal diagnostics of genuine and counterfeit British and Unites States banknotes" by A. Othonos, A. Mandelis, M. Nestoros et al., Published in Opt. Eng. 36 (2), February 1997, pages 400 to 407, is known to eliminate the optical and electrical properties of a device for examining a test specimen designed as a banknote on the basis of the photothermal effect determining parameters a standardized measurement signal from the division of the measurement signals from a Bank note and a steel plate designed as a reference sample. The thermal diffusivities and conductivities of interest here as well as absorption and emission coefficients as thermosensitive and optosensitive properties can now be determined while eliminating the influences of constant device parameters and ambient conditions. The disadvantage of this device, however, is that the structure is relatively complex and fluctuating environmental conditions cannot be detected.

[0004] 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 Eigenschaften verhältnismäßig genau bestimmbar sind. [0004] The invention has the object to provide a device of the type mentioned, with the thermo sensitive and opto-sensitive properties, in particular the layer thickness of a coating layer of a test piece without extensive calibrations with a simple structure of an equipped with the device means for testing of test specimens can be determined relatively precisely on the basis of the photothermal effect even with incomplete knowledge of other, non-determinable thermosensitive and optosensitive properties.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Auswertemodul über ein mit dem Modulationssignalspeichermodul und dem Meßsignalspeichermodul verbundenes Integraltransformationsglied, mit dem ein wenigstens zwei Frequenzkomponenten aufweisendes Meß signal in einen Frequenzraum als Frequenzmeß amplituden integraltransformierbar ist, über ein dem Integraltransformationsglied nachgeordnetes Transformiertendivisionsglied, mit dem wenigstens ein Quotient aus zwei Frequenzmeß amplituden bestimmbar ist, und über ein dem Transformiertendivisionsglied nachgeordnetes Optimierglied 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 Fehlergrenzen durch Vergleich der jeweiligen Quotienten ein Satz von thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers repräsentierender Parameter bestimmbar ist. [0005] This object is achieved in a device of the type mentioned according to the invention in that the evaluation module is integraltransformierbar a connected to the modulation signal storage module and the Meßsignalspeichermodul integral transformation member to which an at least two frequency components exhibiting measuring amplitude signal in a frequency space as Frequenzmeß via a transform division element arranged downstream of the integral transformation element, with which at least one quotient from two frequency measurement amplitudes can be determined, and an optimizing element arranged downstream of the transformed division element with which, by means of a parameter variation, at least one quotient of corresponding frequency model amplitudes assigned to a quotient from frequency measurement amplitudes based on a parameterized test body model have been calculated, can be changed so that within predetermined error limits by comparing the respective quotas ienten a set of thermosensitive and optosensitive properties of the respective test body representing parameters can be determined.

[0006] Dadurch, daß mittels des Optimierglieds über Vergleich von einander entsprechenden Quotienten aus Frequenzmeßamplituden und Frequenzmodellamplituden ein Satz von thermosensitive und optosensitive Eigenschaften des jeweiligen Prüfkörpers repräsentierender Parameter unter Eliminierung von Geräteparametern und schwankenden 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.
[0007] Beispielsweise ist bei einer Meßaufgabe, eine unbekannte Schichtdicke 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 Eigenschaften, 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. [0006] Due to the fact that by means of the optimization member over comparison of corresponding quotient of Frequenzmeßamplituden and frequency model amplitudes, a set of thermo-sensitive and opto-sensitive properties of the respective test specimen parameter representing elimination of device parameters and varying ambient conditions can be determined, can be unknown for a measurement, in particular also Determine coupled parameters and use them as known quantities for the purpose of determining other unknown parameters in another measurement of the same type.
[0007] For example, to determine when a measuring task, an unknown layer thickness of the lacquer layer with unknown thermosensitive and opto-sensitivity characteristics in terms of absorption and emission formed coating layer of a test piece in a calibration mode, first a calibration sample having a known film thickness of the outer layer to determine the absorption and Emission-determining thermosensitive and optosensitive properties, in particular the diffusivities, the optical penetration depth and the effusivity contrasts can be measured. Subsequently, in a test mode of the device, a test sample with an unknown layer thickness of the cover layer can be measured as a test body for determining this layer thickness using the parameters determined in the calibration mode.

[0008] Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil liegt darin, daß bei Änderungen an einer die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Einrichtung zur Untersuchung eines Prüfkörpers auf der Grundlage des photothermischen Effekts, beispielsweise bei Austausch von optischen oder elektronischen Bauelementen, die unter Umständen eine herkömmliche Auswertung des Meßsignals ohne aufwendige Nachkalibrierung nachhaltig beeinflussen würden, keinerlei Nachkalibrierung aufgrund geänderter Geräteparameter er- [0008] Another notable advantage is that, with changes in a device according to the invention comprising means for examining a specimen on the basis of the photo-thermal effect, for example during exchange of optical or electronic components, the complex may a conventional evaluation of the measurement signal without Would have a lasting effect on recalibration, no recalibration whatsoever due to changed device parameters

forderlich ist, da sich diese bei der Quotientenbildung selbst aufheben.is necessary, since these cancel themselves out when forming the quotient.

[0009] 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 Frequenzmeßamplituden 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. [0009] In an expedient development of the evaluation module of the device according to the invention comprises a statistics member with which each have a variance is calculated for a number of periods of the intensity modulation during a measurement cycle of the or each ratio of Frequenzmeßamplituden, each of which is fed to the optimization member. The weighting of the experimentally determined quotients with regard to their errors achieved in this way improves the stability in the determination of the parameters.

[0010] Weiterhin ist bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise der oben genannten Weiterbildung vorgesehen, daß Mittel zum Schalten zwischen einem Kalibriermodus und einem Prüfmodus vorgesehen sind. Dadurch ist ein verhältnismäßig einfacher Aufbau zur Durchführung einer Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften einerseits einer Kalibrierprobe als Prüfkörper zur Ermittlung eines Satzes von unbekannten Parametern und andererseits einer Meßprobe als Prüfkörper zur Ermittlung eines anderen Satzes von unbekannten Parametern unter Berücksichtigung der mit der Kalibrierprobe ermittelten Parameter ermöglicht. [0011] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung verfügt das Auswertemodul über einen Kalibrierparameterspeicher, 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. [0010] Furthermore it is provided in a further expedient embodiment of the device according to the invention or the abovementioned development, that means are provided for switching between a calibration mode and a test mode. This enables a relatively simple structure for determining thermosensitive and optosensitive properties, on the one hand, of a calibration sample as a test body to determine a set of unknown parameters and, on the other hand, of a test sample as a test body to determine another set of unknown parameters, taking into account the parameters determined with the calibration sample . [0011] In an advantageous refinement of the last embodiment, the evaluation module of a calibration sample has a Kalibrierparameterspeicher in which parameters and estimated values than test specimens are storable. The calibration parameter memory can be connected to the optimizing element in the calibration mode. As a result, in the calibration mode, a determination of the parameters unknown in the calibration sample is achieved in a relatively simple and stable manner.

[0012] Bei der oben genannten Ausgestaltung beziehungsweise deren vorteilhaften Weiterbildung ist vorteilhafterweise ein Kalibrierfrequenzspeicher vorgesehen, in dem zur Ansteuerung eines Intensitätsmodulators 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 Kalibrierfrequenzspeicher vorgeschaltetes Kalibrierintervallbestimmungsmodul vorgesehen ist, mit dem im Kalibriermodus iterativ ein Frequenzbereich bestimmbar ist, in dem die Kalibrierfrequenzen liegen. Vorzugsweise weist dabei der in dem letzten Iterationsschritt festgelegte Frequenzbereich ein Extremum und einen Wendepunkt in wenigstens einer aus Quotienten von Frequenzmeß amplituden gebildeten Quotientenkurve auf. [0012] In the above embodiment or its advantageous development is advantageously a Kalibrierfrequenzspeicher provided in which provided for controlling an intensity modulator in the calibration calibration frequencies can be stored. As a result, the parameters unknown in the calibration sample are determined according to a repetitive scheme. Particularly in the case of test bodies which vary relatively little in terms of their thermosensitive and optosensitive properties, it is provided that fixed calibration frequencies can be stored in the calibration frequency memory. If the thermosensitive and optosensitive properties of the test specimen are likely to vary relatively strongly, it is advisable that a calibration interval determination module is provided upstream of the calibration frequency memory, with which a frequency range can be determined iteratively in the calibration mode in which the calibration frequencies are located. The frequency range defined in the last iteration step preferably has an extremum and a turning point in at least one quotient curve formed from quotients of frequency measurement amplitudes.

[0013] 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 Fouriertransformation eingerichtet ist. [0013] It is particularly advantageous in view of a simple determination of thermosensitive and opto-sensitive properties when or any of the above embodiments or further developments is set up, the integral transformation member for performing a Fourier transformation in the inventive device.

[0014] Für ein gutes Signal/Rauschverhältnis ist zweckmäßig, daß wenigstens die Quotienten aus Frequenzmeß amplituden beziehungsweise Frequenzmodellamplituden bei der Grundfrequenz sowie einem niedrigen Vielfachen der Grundfrequenz mit intensiven Frequenzamplituden bildbar sind. Bei einer rechteckförmigen Intensitätsmodulation sind hierzu zweckmäßigerweise Quotienten aus Frequenzmeßamplituden beziehungsweise Frequenzmodellamplituden bei der Grundfrequenz sowie dem Dreifachen, dem Fünffachen beziehungsweise dem Siebenfachen der Grundfrequenz bildbar. [0014] For a good signal / noise ratio is desirable that at least the quotient of the amplitude or frequency Frequenzmeß model amplitudes at the fundamental frequency and a low multiple of the fundamental frequency with intense frequency amplitudes are formable. In the case of rectangular intensity modulation, quotients from frequency measurement amplitudes or frequency model amplitudes at the basic frequency and three times, five times and seven times the basic frequency can expediently be formed for this purpose.

[0015] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise einer der zweckmäßigen Weiterbildungen beziehungsweise Ausgestaltungen ist im Hinblick auf möglichst genaue Ergebnisse in einem Prüfmodus vorteilhafterweise ein Prüffrequenzbestimmungsmodul vorgesehen, mit dem aus dem minimalen Wert von Bestimmungswerten auf der Grundlage von Ableitungen von Quotienten von Frequenzmeßamplituden eine optimale Prüffrequenz zur Bestimmung der Schichtdicke einer Deckschicht des Prüfkörpers bestimmbar ist. [0015] In the inventive device, or one of the expedient developments or embodiments in view of accurate results in a test mode is advantageously a Prüffrequenzbestimmungsmodul provided, with which from the minimum value of determination values based on derivatives of the quotient of Frequenzmeßamplituden optimal test frequency for Determination of the layer thickness of a top layer of the test specimen can be determined.

[0016] Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
[0017] Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung zur Untersuchung von Prüfkörpern auf der Grundlage des photothermischen Effekts mit einer als Signalverarbeitungseinheit ausgebildeten Vorrichtung gemäß der Erfindung, [0016] Further expedient embodiments of the invention are subject of the subclaims and the following description of an embodiment with reference to the figures of the drawing. Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of a device for examining test specimens on the basis of the photothermal effect with a device designed as a signal processing unit according to the invention,

[0018] Fig. 2 in einem Blockschaubild den Aufbau einer Signalverarbeitungseinheit für eine Einrichtung gemäß Fig. 1 und [0018] FIG. 2 shows a block diagram of the structure of a signal processing unit for a device according to FIGS. 1 and

[0019] Fig. 3 in einem Blockschaubild eine Weiterbildung der Signalverarbeitungseinheit gemäß Fig. 2.
[0020] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung zur Untersuchung eines Prüfkörpers auf der Grundlage des photothermischen Effekts. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 verfügt über eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 1 als Wärmequelle, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel kontinuierliche Anregungsstrahlung 2 emittiert. Die kontinuierliche Anregungsstrahlung 2 beaufschlagt einen Intensitätsmodulator 3, mit dem die Intensität der kontinuierlichen Anregungsstrahlung 2 bei einstellbaren Modulationsfrequenzen so modulierbar ist, daß den Intensitätsmodulator 3 passierende intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 im Frequenzraum wenigstens zwei dominante Frequenzkomponenten aufweist.
[0021] Beispielsweise ist der Intensitätsmodulator 3 als Chopper, das ist eine Drehscheibe mit regelmäßigen Ausnehmungen, ausgebildet, mit dem intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 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 Anregungsstrahlung 4 mit einem sägezahnartigen zeitlichen Intensitätsverlauf erzeugbar ist. FIG. 3 shows a further development of the signal processing unit according to FIG. 2 in a block diagram.
Fig. 1 shows a schematic representation of a device for examining a test body on the basis of the photothermal effect. The device according to FIG. 1 has a light source 1, preferably embodied as a laser, as a heat source which, in the exemplary embodiment shown, emits continuous excitation radiation 2. The continuous excitation radiation 2 acts on an intensity modulator 3 with which the intensity of the continuous excitation radiation 2 can be modulated at adjustable modulation frequencies so that intensity-modulated excitation radiation 4 passing through the intensity modulator 3 has at least two dominant frequency components in the frequency space.
For example, the intensity modulator 3 is designed as a chopper, that is a turntable with regular recesses, with which the intensity-modulated excitation radiation 4 can be generated with an essentially rectangular intensity curve over time. In other embodiments, the intensity modulator 3 is designed as an electro-optically operating component with which, for example, intensity-modulated excitation radiation 4 with a sawtooth-like intensity profile can be generated.

[0022] Es versteht sich, daß insbesondere elektrooptisch arbeitende Intensitätsmodulatoren 3 auch innerhalb der Lichtquelle 1 angeordnet sein können, so daß die Lichtquelle 1 unmittelbar intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 emittiert. Weiterhin kann die Intensitätsmodulation durch eine Strommodulation bei der Energieversorgung der Lichtquelle 1 erzeugt werden. It goes without saying that in particular electro-optically operating intensity modulators 3 can also be arranged within the light source 1, so that the light source 1 directly emits intensity-modulated excitation radiation 4. Furthermore, the intensity modulation can be generated by a current modulation when supplying energy to the light source 1.

[0023] Die intensitätsmodulierte Anregungsstrahlung 4 beaufschlagt bei der in Fig. 1 dargestellten bestimmungsgemäßen Verwendung der Einrichtung einen Prüfkörper 5. Der Prüfkörper 5 ist beispielsweise aus einem verhältnismäßig dicken Substrat 6, einer Zwischenschicht 7 sowie einer der intensitätsmodulierten Anregungsstrahlung 4 zugewandten und von dieser beaufschlagten Deckschicht 8 aufgebaut. Bei einem weiteren typischen Aufbau eines Prüfkörpers 5 ist Ie- [0023] The intensity-modulated excitation radiation 4 loaded in the shown in Fig. 1 intended use of the device a specimen 5. The test piece 5 is, for example, facing of a relatively thick substrate 6, an intermediate layer 7 and one of the intensity-modulated excitation radiation 4 and is acted upon by this top layer 8 built. In another typical structure of a test body 5, Ie-

diglich 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 beispielsweise als Lackschicht von Automobilkarossen oder zugehörigen Anbauteilen ausgebildeten Deckschicht 8 zu bestimmen.
[0024] 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 Signalverarbeitungseinheit 13 ausgebildeten Vorrichtung zur Bestimmung von thermosensitiven und optosensitiven Eigenschaften eines Prüfkörpers 5 einspeisbar ist. Die Signalverarbeitungseinheit 13 ist weiterhin über eine Triggerleitung 14 an den Intensitätsmodulator 3 angeschlossen, über die der Signalverarbeitungseinheit 13 für den Intensitätsverlauf der intensitätsmodulierten 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 Modulatoransteuereinheit 16 ist die Modulationsfrequenz des Intensitätsmodulators 3 einstellbar. Schließlich steht die Signalverarbeitungseinheit 13 über eine Ein/Ausgabeleitung 17 mit einer Ein/Ausgabeeinheit 18 in Verbindung.
[0025] Fig. 2 zeigt in einem Blockschaubild den Aufbau einer Signalverarbeitungseinheit 13 für eine Einrichtung gemaß 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 Meßsignalschaltglied20 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 Zentral-Steuereinheit gesteuertes zweites Meßsignalschaltglied 23 auf einen ersten Eingang eines Auswertemoduls 24 schaltbar. Only a relatively thick substrate 6 and a cover layer 8 are provided. A typical measurement task now consists in determining, on the basis of the photothermal effect, the thickness of the cover layer 8, which is embodied, for example, as a paint layer on automobile bodies or associated add-on parts.
For this purpose, the device according to FIG. 1 is equipped with a detection unit 9 that is sensitive in the infrared spectral range, with which the intensity of the induced thermal radiation 10 reflected back by the test body 5 can be detected and as temporal measurement signals via an amplifier 11 in an intensity signal line 12 as a signal processing unit 13 designed device for determining thermosensitive and optosensitive properties of a test body 5 can be fed. The signal processing unit 13 is also connected to the intensity modulator 3 via a trigger line 14, via which the signal processing unit 13 can feed trigger signals characteristic of the intensity profile of the intensity-modulated excitation radiation 4, for example at the beginning of a new period. The signal processing unit 13 is connected via a frequency line 15 to a modulator control unit 16 connected to the intensity modulator 3. The modulation frequency of the intensity modulator 3 can be set with the modulator control unit 16. Finally, the signal processing unit 13 is connected to an input / output unit 18 via an input / output line 17.
Fig. 2 shows a block diagram of the structure of a signal processing unit 13 for a device according to FIG. 1. The signal processing unit 13 has an analog / digital converter 19, at the input of which the intensity signal line 12 is connected. The time measurement signals from the amplifier 11 connected to the detection unit 9 can be digitized with the analog / digital converter 19. The output of the analog / digital converter 19 is applied to a first measurement signal switching element 20 with which, controlled by a central control unit, not shown in FIG. 2 can be stored in a test signal memory 22, which form a measurement signal memory module. The respective outputs of the calibration signal memory 21 or the test signal memory 22 can be switched to a first input of an evaluation module 24 via a second measurement signal switching element 23, which is also controlled by the central control unit.

[0026] Das Auswertemodul 24 verfügt über ein Integraltransformationsglied 25, dem über einen ersten Eingang die digitalisierten zeitlichen Meßsignale aus dem Kalibriersignalspeicher 21 beziehungsweise dem Prüfsignalspeicher 22 einspeisbar sind. Über einen zweiten Eingang sind dem Integraltransformationsglied 25 die in einem als Modulationssignalspeichermodul 26 dienenden Periodenlängenspeieher 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 beispielsweise unter Verwendung der Fouriertransformation die zeitlichen Meßsignale für jede Periode der Intensitätsmodulation als Frequenzmeßamplituden in einen Frequenzraum integraltransformierbar. Dem Integraltransformationsglied 25 ist ein Transformiertenspeicher 27 nachgeordnet, im dem die Frequenzmeßamplituden für jede Periode abspeicherbar sind. [0027] Nach einem Meßzyklus bei einer Modulationsfrequenz mit einer bestimmten Anzahl von Perioden ist von der Zentralsteuereinheit gesteuert der Inhalt des Transformiertenspeichers 27 einem Transformiertendivisionsglied 28 des Auswertemoduls 24 einspeisbar. Mit dem Transformiertendivisionsglied 28 sind Maxima der Frequenzmeß amplituden für die Intensitätsmodulation der intensitätsmodulierten 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 Quotientenbildung die Frequenzmeß amplitude bei der Grundfrequenz, das heißt die Frequenz der Intensitätsmodulation durch den Intensitätsmodulator 3, sowie weiterhin Frequenzmeßamplituden bei niedrigen Vielfachen der Grundfrequenz Berücksichtigung. Bei einer im wesentlichen rechteckförmigen Intensitätsmodulation sowie einer Fouriertransformation durch das Integraltransformationsglied 25 werden somit beispielsweise Quotienten aus der Frequenzmeßamplitude bei der Grundfrequenz sowie die Frequenzmeßamplitude bei dem Dreifachen, dem Fünffachen und dem Siebenfachen der Grundfrequenz gebildet.
[0028] Die ermittelten Quotienten sind von dem Transformiertendivisionsglied 28 zum einen unter Mittelung gleichartiger Quotienten einem Quotientenspeicher 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.The evaluation module 24 has an integral transformation element 25, to which the digitized temporal measurement signals from the calibration signal memory 21 or the test signal memory 22 can be fed via a first input. Via a second input, the integral transformation element 25 can be fed the trigger signals from the intensity modulator 3, which are characteristic of the intensity profile of the intensity-modulated excitation radiation 4 and which can be stored in a period length storage device serving as a modulation signal storage module 26 and which contain the period length for the intensity modulation of the continuous excitation radiation 2. With the integral transformation element 25, for example using the Fourier transformation, the temporal measurement signals for each period of the intensity modulation can be integrally transformed as frequency measurement amplitudes into a frequency space. The integral transformation element 25 is followed by a transform memory 27 in which the frequency measurement amplitudes can be stored for each period. After a measuring cycle at a modulation frequency with a certain number of periods, controlled by the central control unit, the content of the transform memory 27 can be fed to a transform division element 28 of the evaluation module 24. With the transform division element 28 maxima of the frequency measurement amplitudes for the intensity modulation of the intensity-modulated excitation radiation 4 and thus the induced thermal radiation 10 characteristic frequency values can be divided by forming quotients. With regard to a good signal / noise ratio, the frequency measurement amplitude at the fundamental frequency, i.e. the frequency of the intensity modulation by the intensity modulator 3, as well as frequency measurement amplitudes at low multiples of the fundamental frequency are preferably taken into account with each formation of the quotient. In the case of an essentially rectangular intensity modulation and a Fourier transformation by the integral transformation element 25, for example, quotients are formed from the frequency measurement amplitude at the fundamental frequency and the frequency measurement amplitude at three, five and seven times the fundamental frequency.
The quotients determined can be fed from the transformed division element 28, on the one hand, to a quotient memory 29 for storage by averaging similar quotients, and, on the other hand, individually to a statistics element 30. With the statistic element 30, a variance can be calculated for the number of periods during a measuring cycle from the or every similar quotient of frequency measuring amplitudes and can be fed into a variance memory 31.

[0029] 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 Frequenzmeß amplituden 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.The evaluation module 24 also has an optimizing element 32 to which the or each quotient from the Quotient memory 29 and to take into account the errors due to the noise, the or each variance from the Variance memory 31 can be fed. The optimizer 32 is based, for example, on the Gauss-Newton algorithm in the case of a so-called multi-parameter fitting, i.e. a multi-parameter optimization, under Calculation of the physical processes taking place during the photothermal effect as well as for the measuring process characteristic parameters, a functional can be minimized, which corresponds to the number of quotients in the quotient memory 29 differences from a quotient of frequency measurement amplitudes and a corresponding one Contains quotient of frequency model amplitudes. The frequency model amplitudes are based on a Mathematical-physical modeling of the physical processes occurring in the photothermal effect and the measuring process in the device according to FIG. 1 has been calculated.

[0030] An das Optimierglied 32 sind von der Zentralsteuereinheit gesteuert über ein Parameterschaltglied 33 an einem Eingang ein Kalibrierparameterspeicher 34 beziehungsweise ein Prüfparameterspeicher 35 zuschaltbar. Weiterhin sind an das Optimierglied 32 die Ein/Ausgabeleitung 17 sowie an einem Ausgang weiterhin ein Optimierschaltglied 36 angeschlossen, das im Kalibriermodus dem Prüfparameterspeicher 35 die von dem Optimierglied 32 bei der Optimierung berechneten Parameter einspeist.
[0031] 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 Effusivitätskontrasten bei bekannter Schichtdicke der Deckschicht 8 einer Kalibrierprobe als Prüfkörper 5, für das mathematisch-physikalische Modell sowie der mit der Kalibrierprobe bei verschiedenen Kalibrierfrequenzen aufgenommenen Meßsi-A calibration parameter memory 34 or a test parameter memory 35 can be connected to the optimizing element 32 controlled by the central control unit via a parameter switching element 33 at one input. Furthermore, the input / output line 17 is connected to the optimizing element 32 and an optimizing switching element 36 is also connected to an output, which in the calibration mode feeds the test parameter memory 35 with the parameters calculated by the optimizing element 32 during the optimization.
In the calibration mode, with the optimization element 32 on the basis of the parameters stored in the calibration parameter memory 34, for example the number of layers and estimated values for an optical penetration depth, thermal layer thicknesses and effusivity contrasts with a known layer thickness of the cover layer 8 of a calibration sample as test body 5, for the mathematical-physical model as well as the measurement data recorded with the calibration sample at different calibration frequencies

gnalen in der Vielparameteroptimierung die freien Parameter verhältnismäßig genau berechenbar. Als verhältnismäßig gute Schätzungen haben sich Parameter herausgestellt, die denen von Polyvinylchlorid (PVC) angenähert sind. Die optimierten freien Parameter sind abschließend dem Optimierparameterspeicher 35 einspeisbar.In the multi-parameter optimization, the free parameters can be calculated relatively precisely. As proportionate good estimates have shown that parameters approximate those of polyvinyl chloride (PVC). The optimized Free parameters can then be fed into the optimization parameter memory 35.

[0032] Im Prüfmodus sind mit dem Optimierglied 32 auf der Grundlage von bei einer bestimmten Prüffrequenz aufgenommenen zeitlichen Meßsignalen 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.
[0033] Die Signalverarbeitungseinheit 13 weist weiterhin ein Prüffrequenzbestimmungsmodul 37 auf, das eingangsseitig mit dem Varianzenspeicher 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. [0032] In the test mode are now unknown layer thicknesses of surface layers 8 of measurement samples as test pieces 5 can be determined with the optimization section 32 based on at a particular test frequency recorded time measuring signals as well as the free parameters previously optimized in the calibration mode and, for example, the input / output unit 18 can be fed .
[0033] The signal processing unit 13 further includes a Prüffrequenzbestimmungsmodul 37, and the optimization parameter memory is input side to the memory 31 the variance 35 in connection. With the test frequency determination module 37, an optimal test frequency for determining unknown layer thicknesses can be calculated in a manner explained in more detail below. This test frequency can be fed into a test frequency memory 38.

[0034] Neben dem Prüffrequenzspeicher 38 weist die Signalverarbeitungseinheit 13 einen Kalibrierfrequenzspeicher 39 auf, in dem eine Anzahl von im Kalibriermodus einzustellenden Kalibrierfrequenzen abgespeichert sind.
[0035] Der Ausgang des Prüffrequenzspeichers 38 und der Ausgang des Kalibrierfrequenzspeichers 39 sind Eingängen eines Modulationsfrequenzschaltglieds 40 zugeführt, mit dem von der Zentralsteuereinheit gesteuert einem Modulationsfrequenzgeber 41 der Signalverarbeitungseinheit 13 entweder die Prüffrequenz oder die Kalibrierfrequenzen einspeisbar sind. Der Modulationsfrequenzgeber 41 ist über die Frequenzleitung 15 an die Modulatoransteuereinheit 16 zur Steuerung der Modulationsfrequenz des Intensitätsmodulators 3 angeschlossen. [0034] In addition to the Prüffrequenzspeicher 38 13, the signal processing unit to a Kalibrierfrequenzspeicher 39, are stored in which a number of calibration frequencies to be set in the calibration mode.
[0035] The output of the Prüffrequenzspeichers 38 and the output of Kalibrierfrequenzspeichers 39 are supplied to inputs of a modulation frequency of the switching member 40, with the control of the central control unit to a modulation frequency generator 41 of the signal processing unit 13, either the test frequency or the calibration frequencies can be fed. The modulation frequency generator 41 is connected via the frequency line 15 to the modulator control unit 16 for controlling the modulation frequency of the intensity modulator 3.

[0036] Im Kalibriermodus wird von der Zentralsteuereinheit gesteuert der Intensitätsmodulator 3 mit einer Abfolge von beispielsweise 30 Kalibrierfrequenzen mit Werten beispielsweise zwischen 1 Hertz und 300 Hertz beaufschlagt. Über wenigstens etwa 20 Perioden werden bei jeder Kalibrierfrequenz Meßsignale aufgenommen und in dem Kalibriersignalspeicher 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. [0036] In the calibration mode is controlled by the central control unit of the intensity modulator 3 with a succession of calibration frequencies for example 30, with values for example between 1 Hertz and 300 Hertz applied. Measurement signals are recorded at each calibration frequency over at least about 20 periods and are temporarily stored in the calibration signal memory 21. With appropriate synchronization, the further processing already explained above in the evaluation module 24 takes place in the calibration mode while the temporal measurement signals are being recorded.

[0037] Am Ende des Kalibriermodus erfolgt die oben bereits erwähnte Bestimmung der Prüffrequenz. Hierzu wird bei den Kalibrierfrequenzen jeweils die Ableitung eines Quotienten von Frequenzmeßamplituden, beispielsweise aus dem Wert der Frequenzmeß amplitude bei der Grundfrequenz zu dem Wert der Frequenzmeß amplitude 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 vorzugsweise durch Interpolation zwischen den tatsächlich ermittelten Bestimmungswerten ermittelt wird. [0037] At the end of calibration, the above mentioned determining the test frequency occurs. For this purpose, the derivation of a quotient of frequency measurement amplitudes, for example from the value of the frequency measurement amplitude at the basic frequency to the value of the frequency measurement amplitude at the next higher multiple of the basic frequency, which occurs depending on the intensity modulation, according to the parameter that is known in the calibration sample and at the layer thickness to be determined from the test samples multiplied by the variance of the quotient at the relevant calibration frequency is calculated as the determination value. The optimal test frequency is at the lowest determination value, which is preferably determined by interpolation between the determination values actually determined.

[0038] 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 entsprechenden Minimalfrequenz, wird die Prüffrequenz als niedrigster Bestimmungwert aus den Frequenzen ermittelt, die größer als die Minimalfrequenz sind.
[0039] 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 Signalverarbeitungseinheiten 13 sind sich entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 3 nicht näher erläutert. Die Signalverarbeitungseinheit 13 gemäß Fig. 3 verfügt zusätzlich über ein Kalibrierintervallschaltglied 42 und ein KaIibrierintervallbestimmungsmodul 43, die zwischen dem Quotientenspeicher 29 und dem Kalibrierfrequenzspeicher 39 angeordnet sind. Das Kalibrierintervallschaltglied 42 und das Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 dienen im Kalibriermodus zur Bestimmung eines durch eine niedrigste Modulationsfrequenz und eine höchste Modulationsfrequenz für die Anregungsstrahlung 4 gekennzeichneten optimierten Kalibrierintervalls. Dabei ist ein optimiertes Kalibrierintervall dadurch definiert, daß es ein Extremum und einen Wendepunkt in wenigstens einer aus Quotienten von Frequenzmeß amplituden gebildeten Quotientenkurve mit bestimmten, über die Frequenzwerte bei dem Extremum beziehungsweise bei dem Wendepunkt hinausgehenden Frequenzabschnitten aufweist. In the case of moving test specimens as test specimens 5, it should be noted as a boundary condition that only frequencies are considered as test frequencies at which the area detected by the detection unit 9 lies completely within an area acted upon by the intensity-modulated excitation radiation 4 during a period of intensity modulation. If the determined test frequency is below a corresponding minimum frequency, the test frequency is determined as the lowest determination value from the frequencies that are greater than the minimum frequency.
[0039] FIG. 3 is a block diagram of a development of the signal processing unit 13 of FIG. 2, which is conveniently used in cases for use, in which the materials and / or thicknesses and in particular the or each intermediate layer 7 and the layer 8 of test specimens 5 vary. In the signal processing units 13, corresponding components are provided with the same reference numerals and are not explained in more detail in connection with the description of FIG. 3. The signal processing unit 13 according to FIG. 3 additionally has a calibration interval switching element 42 and a calibration interval determination module 43, which are arranged between the quotient memory 29 and the calibration frequency memory 39. The calibration interval switching element 42 and the calibration interval determination module 43 are used in the calibration mode to determine an optimized calibration interval characterized by a lowest modulation frequency and a highest modulation frequency for the excitation radiation 4. An optimized calibration interval is defined in that it has an extremum and a turning point in at least one quotient curve formed from quotients of frequency measurement amplitudes with certain frequency segments exceeding the frequency values at the extremum or at the turning point.

[0040] Im Kalibriermodus erfolgt zunächst eine iterative Bestimmung des Kalibrierintervalls. Ausgehend von in dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 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. Anschließend werden wie oben beschrieben die Quotienten aus den Frequenzmeß amplituden bestimmt.
[0041] Mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 ist nunmehr bestimmbar, ob innerhalb des durch die Schätzwerte für die niedrigste Modulationsfrequenz 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. In the calibration mode , an iterative determination of the calibration interval takes place first. Starting from the estimated values for a lowest modulation frequency and a highest modulation frequency stored in the calibration interval determination module 43, the intensity modulator 3 is first activated with a sequence of calibration frequencies which are preferably equidistant between the estimated values for the lowest modulation frequency and for the highest modulation frequency. Then, as described above, the quotients are determined from the frequency measurement amplitudes.
[0041] With the Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 is now determined whether an extremum and a turning point within the area bounded by the estimated values for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency in the frequency range of at least one quotient curve. If this is the case, the calibration is continued in accordance with the procedure for determining the test frequency explained in connection with FIG. 2.

[0042] Liegen hingegen kein Extremum und kein Wendepunkt innerhalb des durch die Schätzwerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz bestimmten Frequenzbereichs, so sind mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 in einem ersten Iterationsschritt erste Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz beispielsweise durch Vergrößerung des Frequenzbereichs über die bei dem vorgenannten Schritt verwendeten Schätzwerte 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 Kalibrierfrequenzen, die vorzugsweise äquidistant zwischen den ersten Iterationswerten für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise für die höchste Modulationsfrequenz liegen. In dem ersten Iterationsschritt ist nunmehr mit dem Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 die Prüfung auf das Vorhan- [0042] If, however, no extremum and no inflection point determined within the by the estimated values for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency frequency range, are connected to the Kalibrierintervallbestimmungsmodul 43 in a first iteration step the first iteration values for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency, for example, by increasing the Frequency range can be determined beyond the estimated values used in the aforementioned step for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency. The intensity modulator 3 is then controlled with a sequence of calibration frequencies which can be fed in from the calibration frequency memory 39 and which are preferably equidistant between the first iteration values for the lowest modulation frequency or for the highest modulation frequency. In the first iteration step, the calibration interval determination module 43 is now used to check whether there is

densein eines Extremums sowie eines Wendepunkts in wenigstens einer Quotientenkurve zwischen den ersten Iterationswerten für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz durchführbar. Ist dies der Fall, wird nunmehr mit der Kalibrierung gemäß der in Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Vorgehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren.
[0043] Liegen hingegen auch nach dem ersten Iterationsschritt kein Extremum und kein Wendepunkt innerhalb des durch die ersten Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz bestimmten Frequenzbereichs, so sind mit dem KaIibrierintervallbestimmungsmodul 43 in weiteren Iterationsschritten weitere Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise die höchste Modulationsfrequenz beispielsweise jeweils durch Vergrößerung des Frequenzbereichs über die bei dem jeweils vorangehenden Iterationsschritt verwendeten Iterationswerte für die niedrigste Modulationsfrequenz beziehungsweise 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 Vorgehensweise zur Bestimmung der Prüffrequenz fortgefahren werden kann oder ein vorbestimmter Minimalwert beziehungsweise ein vorbestimmter Maximalwert für die Modulationsfrequenzen überschritten sind.
[0044] Sind der Minimalwert sowie der Maximalwert für die Modulationsfrequenzen überschritten, wird mittels des Kalibrierintervallbestimmungsmoduls 43 der durch Randwerte begrenzte Frequenzbereich 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.an extremum and a turning point in at least one quotient curve between the first iteration values for the lowest modulation frequency and the highest modulation frequency can be carried out. If this is the case, the calibration according to the procedure for determining the test frequency explained in connection with FIG. 2 is now continued.
If, on the other hand, after the first iteration step there are no extremum and no turning point within the frequency range determined by the first iteration values for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency, then further iteration values for the lowest modulation frequency or the highest are possible with the calibration interval determination module 43 in further iteration steps Modulation frequency can be determined, for example, by increasing the frequency range beyond the iteration values used in the previous iteration step for the lowest modulation frequency or the highest modulation frequency, until either an extremum and a turning point are present in at least one quotient curve within a frequency range and in the context of the explanation The procedure for determining the test frequency described in relation to FIG. 2 can be continued or a predetermined one r minimum value or a predetermined maximum value for the modulation frequencies are exceeded.
Exceeded [0044] If the minimum value and the maximum value of the modulation frequencies is determined by means of the Kalibrierintervallbestimmungsmoduls 43 of limited by edge values frequency range so that each has at the edge values of at least a quotient curve an extremum. The procedure for determining the test frequency explained in connection with the description of FIG. 2 is then continued.

Claims

1. Device for determining thermosensitive and optosensitive properties of test bodies with a measurement signal storage module in which a periodic measurement signal associated with induced thermal radiation can be stored, with a modulation signal storage module in which a control signal fed to an intensity modulator for intensity modulation of an excitation radiation can be stored, and with a modulation signal associated with it an evaluation module with which thermosensitive and optosensitive properties of the respective test body can be determined via an integral transformation of the measurement signal, characterized in that the evaluation module (24) is connected via an integral transformation element ( 25), with which a measurement signal having at least two frequency components can be integrally transformed into a frequency space as frequency measurement amplitudes, has a transform division element (28) arranged downstream of the integral transformation element (25), with which at least one quotient can be determined from two frequency measurement amplitudes, and an optimizing element (32) arranged downstream of the transformed division element (28), with which at least one of a quotient can be derived from a parameter variation Frequency measurement amplitudes assigned quotient of corresponding frequency model amplitudes, which have been calculated on the basis of a parameterized test body model, can be changed in such a way that a set of parameters representing thermosensitive and optosensitive properties of the respective test body (5) can be determined within predetermined error limits by comparing the respective quotients.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the evaluation module (24) has a statistical element (30) with which for a number of periods of intensity modulation during a measurement cycle a variance can be calculated from the or each quotient of frequency measurement amplitudes, each of which the optimizing element (32) can be fed.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that means (first measuring signal switching element 20, second measurement signal switching element 23, parameter switching element 33, optimizing switching element 36, modulation frequency switching element 40) are provided for switching between a calibration mode and a test mode.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the evaluation module (24) has a calibration parameter memory (34), in the parameters and estimated values of a calibration sample as a test body (5) can be stored, and that the calibration parameter memory (34) is in the calibration mode with the optimizing element (32) is connectable.

5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that a calibration frequency memory (39) is provided in the calibration frequencies provided for controlling the intensity modulator (3) in the calibration mode are storable.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that in the calibration frequency memory (39) fixed calibration frequencies can be stored.

7. Apparatus according to claim 5, characterized in that a calibration frequency memory (39) upstream calibration interval determination module (43) is provided, with which iteratively in the calibration mode a frequency range can be determined in which the calibration frequencies lie.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the determined in the last iteration step Frequency range an extremum and a turning point in at least one of quotients of Frequency measurement has amplitudes formed quotient curve.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the integral transformation element (25) is set up to carry out a Fourier transform.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that with the transform division member (28) at least the quotients from frequency measurement amplitudes or frequency model amplitudes at the basic frequency as well as a low multiple of the basic frequency with intense frequency amplitudes are formable.

11. The device according to claim 10, characterized in that with a rectangular intensity modulation Quotients from frequency measurement amplitudes or frequency model amplitudes at the fundamental frequency as well as three times, five times and seven times the basic frequency are formable.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a test frequency determination module (37) is provided, with which from the minimum value of determination values on the basic

location of derivatives of quotients of frequency measurement amplitudes an optimal test frequency for determining the layer thickness of a top layer (8) of the
Test body (5) can be determined.

For this purpose 3 page (s) of drawings

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