JP2002523739A - 熱波測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
高速に無接触に、幾何学的並びに熱的に特徴付けることに関する。これに関する
測定は例えば、オート・マルチレイヤラッカー塗布ないし塗装において需要があ
る。熱波測定方法のカテゴリーは例えば熱波、ホトサーマルおよびホトアコース
チック法またはロック・イン・サーモグラフィーとして周知である。
イン・サーモグラフィー」という名称で実施されている方法がある。そこでは、
表面に層構造を有する検査すべき材料が熱源によって周期的におよび領域毎に加
熱される。この加熱は変調可能でなければならないので、振幅変調が行われる。
これにより加熱の変調周波数をシーケンシャルに掃引同調することができ、かつ
サンプルから派生するホトサーマル信号は振幅についておよび殊に位相について
周波数の関数として測定される。その際評価は2つまたは複数の未知数(例えば
層厚)に関して一般に閉じられた解析的な形で実施することができない。という
のは、この場合「逆問題」があるからである。このことは、連立方程式を1つの
未知数について解くのは直ちには可能ではないことと同じ意味である。
ンシャルな掃引同調が非常に長く続く点にある。
波測定法を提供することである。重要な目標は、高速の熱波測定法を今日の生産
において層構造体を監視するために使用することにある。
周波数によって同時に制御可能であり、かつ放出された赤外線が制御周波数に対
応付けられて同時に評価可能であるという認識に基づいている。このようにして
、熱源のシーケンシャルな掃引同調のための特性曲線から周波数を介して所定の
支持点を確定することができ、そこから所定数の種々異なった離散的な周波数が
生じる。これらは熱源を制御するために同時に使用されるので、周波数を介する
熱源の本来の掃引同調はもはや実施されず、このことから著しい時間の節約が実
現される。
を有利に使用することができる。というのはこれらは、電気的に振幅変調可能で
あるからである。基本的に、電気的な変調の可能性を提供する全部の熱源を使用
することができるので、マルチ周波数励振を実施することができる。
周波数の物体に関連した調整設定を行うことができる。熱源における変調周波数
が低ければ低い程、層構造に対する侵入深度は大きくなるという関係が成り立つ
。制御周波数の選択は、既知の層構造に相応して有利に調整設定することができ
る。
た回帰分析を行って、目標量、例えば個々の層厚を数字的に求めることができる
。その際実験によるまたは理論的/解析的な支持値を較正値として使用すること
ができる。
基準および検出器信号を示し、 図4は、2つのチョッパ1,2に対する変調を10Hzとした場合の基準および
位相信号を示し、 図5は、変調を40Hzおよび20Hzとした場合の基準および検出器信号を示
し、 図6は、変調を40Hzおよび20Hzとした場合の基準および位相信号を示す
。
のマルチ周波数励振および同時の並列評価によって、測定時間は劇的に短縮され
る。その際熱源が制御される周波数測定領域の個別周波数成分の適当な選択によ
って測定課題に正確に整合させることができる。電気的に変調可能な熱源に対す
る2つまたはそれ以上の複数の個別周波数を用いた同時の強度変調により、相応
の数のロック・イン増幅器における並列な評価が可能になる。これに代わって、
FETまたは、相関をとったりまたはサイン関数に合わせるなど類似の評価方法
による信号評価も、デジタルオシロスコープを使用して行うことができる。
される。相応の数のロック・イン増幅器または高速フーリエ変換による評価のた
めに、回帰分析またはニューラルネットワークを使用することができる。
例えば3つの周波数が選択されたのであれば、その合計が、熱源を変調するアン
ログ信号を供給する。評価側において、それぞれの周波数に対して相応に評価さ
れる。このことは同時に行われる。
7が測量される。その際レーザ3から放射された熱線がサンプルを領域毎に加熱
する。熱線はレーザから出た後で分割され、その際2つの線のそれぞれが機械的
なチョッパ1,2に供給される。チョッパ1,2を通過する際に、2つの線は異
なった変調周波数f1,f2によって変調されかつ引き続いて共通に収束されか
つサンプル7に配向される。これにより機械的な変調によっても、サンプルを2
つの変調周波数によって同時に励振することができる。異なった周波数の電子的
な用意の方が有利である。検出器信号8が異なったロック・イン増幅器10,2
0に供給された後、結果として2つの位相11,21に相応するものが得られ、
これらはメモリオシログラフ13に表示されるようになっている。ロック・イン
増幅器10,20のそれぞれの基準入力側12,21にはチョッパ1ないし2の
変調周波数が加えられるようになっている。2つのビーム路を相次いで同調する
ために、まず。位相周波数曲線が検出され、すなわち2つのチョッパ1,2の周
波数が同時に同調される。結果は図2に示されている。図2では、約20Hzよ
り上の比較的高い周波数によって周波数ずれは約−45゜において生じているこ
とが分かる。このことはチョッパ1に対してもチョッパ2に対しても同じ程度に
当てはまる。
信号8が測定されるときに結果が示される。図3ないし6の波形図ではそれぞれ
、それぞれの信号経過の左隣に、3つのデータを有する囲みが示されている。そ
こで、第1の2つのデータはメモリオシログラフの軸上のスケーリングを意味し
ている。第1の値は、時間が示されている横軸上のボックスの中で2つのマーキ
ング間に何ミリ秒に当たるかを表している。第2の値は、電圧が示されている縦
軸上で2つのマーキング間ないしボックス内で間隔が何ボルトになるかを表して
いる。第3の値は、本来の結果を表している、すなわち、ボルトまたはミリボル
トで計数される所定の電圧は、例えば振幅信号または位相信号に対して換算する
ことができる。
場合の、基準、位相および検出器信号に対する測定値が図示されている。図5お
よび図6には、図3および図4と同じ表示が使用されるが、第1のチョッパ1の
変調は40Hzでありかつ第2のチョッパ2の変調は20Hzである。
的に調整設定されかつ検出器信号8が測定されることが含まれている。最上段の
矩形の曲線はチョッパ1におけるパルス列の経過を表している。その際完全な振
動には2つのボックスの長さないし2個の50msを必要とするので、ここでは
10Hzの周波数が生じる。同じことは、第2のチョッパ2において生じる真ん
中の曲線に対しも当てはまる。最下段の曲線は検出威信号8を表し、これは最初
アナログ信号である。すべて3つの例において、信号の振幅はそれぞれ、第3の
値として隣にある囲いに示されているが、これらは選択可能な試験パラメータで
ある。
びに位相が示されている。パルス周波数は図3の周波数と同一である。チョッパ
1,2の位相位置は−584mVおよび−591mVとほぼ同一であり、このこ
とは換算すれば60゜の位相ずれにほぼ相応する。その際、10mVが1゜の位
相ずれを表していることが基礎となっている。換言すれば、サンプル7から反射
される赤外線ないし熱波は、レーザ信号の位相の60゜だけ遅れている位相位置
を有している。
こでは第1および第2のチョッパ1,2は異なった周波数に変調されている。第
1のチョッパ1は40Hzのパルス周波数を有しておりかつ第2のチョッパ2は
20Hzのパルス周波数を有している。検出器信号8はここでも、複数の信号か
ら重畳されている結果信号である。これは方法において使用される信号処理を介
して変換される。図5および図6に図示の場合に対して、図6の第2および第4
の信号に相応して、2つの制御周波数に対する位相位置は近似的に同じである。
ャープ)するのではなくて、サンプルを2つの異なった周波数によって同時に変
調するようにしても、位相を正確に得ることができることを実証することができ
る。
数の周波数によって同調することが同時にプラニングされている1つの形態を示
しているにすぎない。更に、相応の装置によりサンプル7の平面的な照明を最適
化しかつカメラ装置を用いて画像記録を最適化することができる。その際依然と
して、同時のマルチ周波数励振によっておよび異なった周波数の同時の並列評価
によって測定時間が短縮されるという原理に基づいている。
ことが要求されるのであれば、このことは状況によっては、従来の計算法によっ
てはできない可能性がある。位相を分析する式を熱的および幾何学的なパラメー
タ、並びに変調周波数に依存して立てることができる。しかしマルチレイヤスト
ラクチャを特徴付ける量について解こうとするのであれば、このことは分析的に
は可能ではない。このことは、「逆問題」が存在していることを意味している。
その場合評価は、例えば回帰分析のような数字的な方法によってまたはニューラ
ルネットワークを用いて行うことができ、このことは材料パラメータの特定の自
動化を表しかつ一層高い精度および時間の節約に結び付いている。更に、任意の
ホトサーマルにより測量される層構造を論理的に記述しかつその熱的なおよび幾
何学的な特性を突き止める可能性が開かれる。
図である。
号を示す線図である。
る。
。
Claims (8)
- 【請求項1】 層構造の幾何学的および/または熱的な特徴を無接触に測定
するための熱波測定方法であって、 変調可能な熱源を異なった周波数によって制御し、かつ 層構造を周期的に加熱し、層構造から放出された、強度が相応に変調された赤外
線を受信しかつ振幅および/または位相に基づいてその都度制御周波数の関数と
して評価し、ここで熱源は同時に少なくとも2つの前以て決められた離散的な周
波数によって振幅変調され、かつ 層構造から放出された赤外線を同時に制御周波数に対応させて評価する 熱波測定方法。 - 【請求項2】 熱源としてレーザないしレーザダイオードまたは発光ダイオ
ード(LED)を使用する 請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 制御周波数の個別周波数成分を測定課題に整合させる 請求項1または2記載の方法。
- 【請求項4】 ロック・イン評価を用いて前以て決められた周波数を検出す
る 請求項1または2記載の方法。 - 【請求項5】 個々の周波数の評価のために、高速フーリエ変化(FET)
を使用するようにする 請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項6】 引き続く評価を回帰分析によってまたはニューラルネットワ
ークを用いて行う 請求項4または5記載の方法。 - 【請求項7】 本方法を較正を用いて、数学的に突き止められた理論値並び
に実験に支えられたデータによって所定の層構造に較正する 請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項8】 層構造の熱的な特徴が既知の場合に幾何学的な特徴を求めま
たは幾何学的な特徴が既知の場合には熱的な特徴を求めるための 請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
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