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DE102011003719A1 - Method for determining depth of irregularities of object within dielectric workpiece, involves generating inversions of image based on point spread and evaluating inversions, so that depth of irregularities of object is determined - Google Patents

Method for determining depth of irregularities of object within dielectric workpiece, involves generating inversions of image based on point spread and evaluating inversions, so that depth of irregularities of object is determined Download PDF

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DE102011003719A1
DE102011003719A1 DE201110003719 DE102011003719A DE102011003719A1 DE 102011003719 A1 DE102011003719 A1 DE 102011003719A1 DE 201110003719 DE201110003719 DE 201110003719 DE 102011003719 A DE102011003719 A DE 102011003719A DE 102011003719 A1 DE102011003719 A1 DE 102011003719A1
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Abstract

The method involves providing a microwave emitter with a gap in a direction of z coordinate of varying point spread. A region of workpiece containing object is imaged, by irradiation of area with microwave emitters and measurement of reflection. The inversions of image is generated (106) based on the point spread and is evaluated, so that depth of irregularities of object is determined (110). Independent claims are included for the following: (1) computer program product for determining depth of irregularities of object within dielectric workpiece; and (2) device for determining depth of irregularities of object within dielectric workpiece.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Tiefenlage von Unregelmäßigkeiten in Materialien bzw. zur Erkennung und Erfassung von tiefliegenden Materialdefekten und entsprechende Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft sie die Tiefenlage-Bestimmung von Objekten wie Einschlüssen von Fremdkörpern, Lufteinschlüssen, Materialunregelmäßigkeiten, Delaminationen und dergleichen in vergleichsweise flachen Werkstücken mit großen lateralen Abmessungen aus dielektrischen Materialien.The present invention relates to methods for determining the depth of irregularities in materials or for detecting and detecting low-lying material defects and corresponding devices for carrying out the method. In particular, it relates to the depth determination of objects such as inclusions of foreign bodies, air inclusions, material irregularities, delaminations and the like in relatively flat workpieces with large lateral dimensions of dielectric materials.

Hochfrequente, elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von ca. 300 MHz bis ca. 300 GHz, sogenannte Mikrowellen, besitzen die Eigenschaft, in nicht oder nur schwach leitende Materialien, sogenannte Dielektrika, eindringen zu können. Diese Wechselwirkung zwischen Welle und Material hängt von der Permittivität des Materials ab. Je geringer die Permittivität ist, desto „durchlässiger” stellt sich das Material für elektrische Felder dar. Eine sehr große Anzahl von Kunststoffen, darunter auch glasfaserverstärkte oder naturfaserverstärkte Kunststoffe, sind dielektrisch und damit grundsätzlich transparent für Mikrowellen.High-frequency, electromagnetic waves in the frequency range from about 300 MHz to about 300 GHz, so-called microwaves, have the property of being able to penetrate into non-conductive or only weakly conductive materials, so-called dielectrics. This interaction between shaft and material depends on the permittivity of the material. The lower the permittivity, the more "permeable" is the material for electric fields. A very large number of plastics, including glass fiber reinforced or natural fiber reinforced plastics, are dielectric and therefore generally transparent to microwaves.

Trifft eine Mikrowelle auf eine Grenzfläche zwischen zwei dielektrischen Materialen, so kommt es zu Reflexionen, deren Stärke vom Permittivitätsunterschied der beiden dielektrischen Materialen abhängt (siehe 1). Je größer bzw. kleiner der Unterschied ist, desto stärker bzw. geringer fallen die Reflexionen aus. Entsprechend geringer bzw. stärker ist auch die Transmission.If a microwave encounters an interface between two dielectric materials, reflections occur whose strength depends on the permittivity difference of the two dielectric materials (see 1 ). The larger or smaller the difference is, the more or less the reflections will fall out. The transmission is correspondingly lower or stronger.

Dieses Phänomen macht man sich in der mikrowellenbasierten, zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken zunutze. Objekte wie Einschlüsse von Fremdkörpern oder Lufteinschlüsse durch Risse oder Delaminationen weisen eine Permittivität auf die sich von der Permittivität des Wirtsmaterials bzw. umgebenden Materials unterscheidet. In der Folge kann die Änderung von Reflexion und Transmission dort gemessen werden, wo die Mikrowellenstrahlung mit dem Objekt in Wechselwirkung tritt.This phenomenon is exploited in the microwave-based, nondestructive testing of workpieces. Objects such as inclusions of foreign bodies or air pockets by cracks or delaminations have a permittivity which differs from the permittivity of the host material or surrounding material. As a result, the change in reflection and transmission can be measured where the microwave radiation interacts with the object.

Um die laterale Position eines Objekts innerhalb eines Werkstücks zu bestimmen, kann ein Mikrowellenstrahler als Sender über einen Prüfling geführt werden und mit den folgenden Verfahren kann:

  • a) die Reflexion monostatisch,
  • b) die Reflexion mit einer weiteren Mikrowellenstrahler bistatisch, oder
  • c) die Transmission mit einem weiteren Mikrowellenstrahler
ortsabhängig gemessen werden.In order to determine the lateral position of an object within a workpiece, a microwave emitter can be guided as a transmitter over a test object and with the following methods:
  • a) the reflection is monostatic,
  • b) the reflection bistatically with another microwave radiator, or
  • c) the transmission with another microwave radiator
be measured depending on location.

In der Praxis werden vorrangig die Anordnungen a) und c) verwendet. In beiden Fällen kann die laterale Position des Objekts anhand lokaler Variationen des über dem Ort aufgetragenen Reflexionsfaktors bzw. Transmissionsfaktors abgelesen werden (siehe 2).In practice, the arrangements a) and c) are used with priority. In both cases, the lateral position of the object can be read by means of local variations of the reflection factor or transmission factor plotted over the location (see 2 ).

Führt man den bzw. die Mikrowellenstrahler in zwei Dimensionen über den Prüfling, so kann das Objekt hinsichtlich seiner beiden lateralen Koordinaten, hier als x- und y-Koordinate bezeichnet, lokalisiert werden. Die Tiefenlage, die mit der z-Koordinate bezeichnet wird, kann so jedoch nicht eindeutig bestimmt werden. Die Ursache kann man sich veranschaulichen, wenn man die Position des Mikrowellenstrahlers fixiert und das Objekt in seiner Tiefenlage variiert. Es ergibt sich dabei ein oszillierendes Verhalten des Reflexionsfaktors (siehe 3 für den Fall einer Reflexionsmessung).If the microwave emitter (s) is guided over the specimen in two dimensions, then the object can be localized with respect to its two lateral coordinates, here referred to as x and y coordinates. The depth position, which is called the z-coordinate, can not be determined unambiguously. The cause can be illustrated by fixing the position of the microwave radiator and varying the depth of the object. This results in an oscillating behavior of the reflection factor (see 3 in the case of a reflection measurement).

Ein bestimmter Wert des Reflexionsfaktors kann durch Objekte in unterschiedlichen Tiefenlagen erzeugt werden, d. h. es existieren Mehrdeutigkeiten. Für das Transmissionsverfahren ergibt sich ein analoges Verhalten.A certain value of the reflection factor can be generated by objects in different depths, i. H. there are ambiguities. For the transmission method results in an analogous behavior.

Im Folgenden soll das Transmissionsverfahren nicht weiter betrachtet werden, da es in der Praxis gegenüber dem Reflexionsverfahren erhebliche Nachteile besitzt. Der Prüfling muss von zwei Seiten zugänglich sein, um sende- und empfangsseitige Mikrowellenstrahler installieren zu können. Die doppelte Anzahl an Mikrowellenstrahlern gegenüber dem Transmissionsverfahren ist erforderlich. Darüber hinaus müssen die beiden Mikrowellenstrahler optimal zueinander ausgerichtet werden und ihre relative Position auch bei einer lateralen Verschiebung der Mikrowellenstrahler beibehalten.In the following, the transmission method should not be considered further, since it has considerable disadvantages in practice compared to the reflection method. The test object must be accessible from two sides in order to install transmit and receive microwave radiators. The double the number of microwave radiators compared to the transmission method is required. In addition, the two microwave emitters must be optimally aligned with each other and maintain their relative position even with a lateral displacement of the microwave emitters.

Zur Tiefenlage-Bestimmung könnte man eine hier als geometrisches Verfahren bezeichnete Methode verwenden. Bestünde die Möglichkeit, den Reflexionsfaktor eines Prüflings nicht nur in der lateralen xy-Ebene, sondern auch in der xz- oder yz-Ebene zu messen, so ließe sich sehr einfach die Tiefenlage eines Objekts bestimmen.For depth determination, one could use a method referred to herein as a geometric method. If it were possible to measure the reflection factor of a specimen not only in the lateral xy plane but also in the xz or yz plane, it would be very easy to determine the depth of an object.

Allerdings hat man in der Praxis meist nur die Möglichkeit, in einer Ebene messen zu können. Viele Prüflinge liegen darüber hinaus als Platten vor, die große laterale Abmessungen haben und im Verhältnis dazu geringe Dicken. Objekte liegen dann oft sehr weit von den Kanten entfernt und können, weil die elektromagnetischen Felder umgekehrt proportional zum Abstand abnehmen, dann nicht mehr detektiert werden.However, in practice one usually only has the possibility of being able to measure in one plane. Many specimens are also available as plates that have large lateral dimensions and in relation to small thicknesses. Objects are then very far away from the edges and can, because the electromagnetic fields inversely proportional to the distance decrease, then no longer be detected.

Eine alternative Möglichkeit ergibt sich, wenn man davon ausgehen kann, dass der Mikrowellenstrahler eine starke Richtwirkung besitzt. Dann nimmt das Mess-System Objekte nur dann wahr, wenn sie sich in der in 4 gezeigten Strahltaille befinden (der Einfachheit halber soll hier die Brechung am Übergang von Materialien unterschiedlicher Permittivität gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz nicht berücksichtigt werden).An alternative possibility arises, if it can be assumed that the microwave radiator has a strong directivity. Then take the measuring system objects only true if they are in the in 4 (For the sake of simplicity, the refraction at the transition from materials of different permittivity according to the Snellius law of refraction should not be considered here).

Verfährt man nun den Mikrowellenstrahler Str1 und den um den Winkel φ verkippten Mikrowellenstrahler Str2 über den Prüfling, so werden sich Reflexionsfaktormaxima im Abstand d voneinander ergeben. Mit Kenntnis des Winkels φ und des Abstands d kann die Tiefenlage des Objekts berechnet werden. Dies wird auch als trigonometrisches Verfahren bezeichnet.If one then moves the microwave radiator Str1 and the microwave radiator Str2 tilted by the angle φ over the test object, then reflection maximum maxima at a distance d from one another will result. With knowledge of the angle φ and the distance d, the depth of the object can be calculated. This is also called a trigonometric method.

Praktisch ist die Erzeugung einer schmalen Strahltaille, die sich möglichst wenig mit zunehmendem Abstand vom Mikrowellenstrahler verändert, allerdings aufwendig. Aperturstrahler und Antennenarrays benötigen einen sehr großen Bauraum und funktionieren nur im Fernfeld. Linsen fokussieren Mikrowellen zwar bereits im Nahfeld, der Strahler wird durch die Linsen jedoch schwer, so dass, wie bei den vorher genannten Mikrowellenstrahlern, ein vergleichsweise hoher mechanischer Aufwand erforderlich ist.Practically, the generation of a narrow beam waist, which changes as little as possible with increasing distance from the microwave radiator, but consuming. Aperturstrahler and antenna arrays require a very large amount of space and work only in the far field. Although lenses already focus microwaves in the near field, the spotlight becomes heavy as a result of the lenses, so that, as in the case of the previously mentioned microwave radiators, comparatively high mechanical complexity is required.

Frequency modulated continuous wave (FMCW) Verfahren mit ihrer Fähigkeit, Distanzen zu Objekten zu messen, haben sich nicht nur in der Luftfahrt (z. B. Höhenmesser) und im Automobilbereich (z. B. Adaptive Cruise Control) verbreitet, sondern auch im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung. Ohne näher auf die technischen Merkmale des spezifischen FMCW-Radars einzugehen, gilt prinzipbedingt die Entfernungsauflösung ΔR = c/(2B), wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und B die Bandbreite des Systems.Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) methods with their ability to measure distances to objects have spread not only in aviation (eg altimeter) and automotive (eg Adaptive Cruise Control) but also in the field nondestructive testing. Without going into detail about the technical features of the specific FMCW radar, the distance resolution ΔR = c / (2B) applies, where c is the speed of light and B is the bandwidth of the system.

Demnach benötigen diese Systeme große Bandbreiten, um gute Ortsauflösungen zu erreichen. Dies gelingt in der Praxis nur in Frequenzbereichen jenseits von 75 GHz, wo die Komponenten zur Erzeugung und Messung von Mikrowellen vergleichsweise teuer sind. Deshalb beschränkt sich der Einsatz derartiger Systeme vorrangig auf den Forschungs- und großindustriellen Bereich.Thus, these systems require large bandwidths to achieve good spatial resolution. This is possible in practice only in frequency ranges beyond 75 GHz, where the components for generating and measuring microwaves are relatively expensive. Therefore, the use of such systems is primarily restricted to the research and large-scale industrial sectors.

Bei der Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry) wird der Prüfling mit einem zeitlich sehr schmalen Mikrowellen-Impuls angeregt. Trifft der Impuls im Prüfling auf einen Permittivitätssprung, z. B. zwischen Wirtsmaterial und Objekt, so wird ein Teil der Mikrowellenenergie reflektiert und nach einer Laufzeit Δt als Impulsantwort detektiert. Kennt man die Permittivität des Wirtsmaterials, so kann man die Ausbreitungsgeschwindigkeit v im Wirtsmaterial ermitteln. Der Weg s, den der Mikrowellenimpuls zum Objekt und zurück durchlaufen hat, ist dann s = v/Δt. Die Tiefenlage des Objekts entspricht schließlich dem halben Laufweg s/2.In time domain reflectometry, the specimen is excited with a temporally very narrow microwave pulse. If the impulse in the test specimen meets a permittivity jump, z. B. between host material and object, so a part of the microwave energy is reflected and detected after a delay .DELTA.t as an impulse response. Knowing the permittivity of the host material, one can determine the propagation velocity v in the host material. The path s which the microwave pulse has traveled to and from the object is then s = v / Δt. The depth of the object finally corresponds to half the path s / 2.

Diese Darstellung der Zeitbereichsreflektometrie vereinfacht sehr stark, und verbirgt den technischen notwendigen Aufwand, um mit realen Impulsen gute Ortsauflösungen generieren zu können. So ergibt sich für ein praktisches, kabelgebundenes Mess-System eine Ortsauflösung von nur 8 mm bei einer Bandbreite von 18 GHz. Eine Halbierung der Ortsauflösung macht eine Verdoppelung der Bandbreite erforderlich. Mikrowellenquellen mit derart breiten Frequenzbereichen sind vornehmlich in hochwertigen Netzwerkanalysatoren zu finden, deren hohe Kosten den praktischen Einsatz bei Prüfdienstleistern verhindern.This representation of the time domain reflectometry simplifies very much and hides the technical effort required to be able to generate good spatial resolutions with real impulses. Thus, for a practical, wired measuring system results in a spatial resolution of only 8 mm at a bandwidth of 18 GHz. Halving the spatial resolution requires doubling the bandwidth. Microwave sources with such broad frequency ranges can be found primarily in high-quality network analyzers whose high costs prevent the practical use of test service providers.

Anhand der Randbedingungen der letztgenannten beiden Verfahren kann man ableiten, dass eine genaue Tiefenlagebestimmung durch große Mikrowellen-Bandbreiten und einen damit verbundenen großen apparativen Aufwand sowie hohe Kosten erkauft wird. Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein schmalbandiges oder sogar monofrequentes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung vorzuschlagen, die kostengünstig realisiert werden können.On the basis of the boundary conditions of the latter two methods, it can be deduced that an exact depth determination is achieved by large microwave bandwidths and associated large expenditure on equipment and high costs. Therefore, the object of the present invention is to propose a narrowband or even monofrequent method and a corresponding device for carrying out, which can be realized inexpensively.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Tiefen-Bestimmung eines Objekts mit abweichender Permittivität innerhalb eines dielektrischen Werkstücks bereitgestellt, umfassend:

  • – Bereitstellen des Werkstücks;
  • – Bereitstellen eines Mikrowellenstrahlers mit eindeutig in Richtung der z-Koordinate variierender Punktspreizfunktion, wobei die jeweilige Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks bekannt ist;
  • – Abbilden eines Bereichs des Werkstücks, der das Objekt enthält, durch Bestrahlung des Bereichs mit dem Mikrowellenstrahler und Messen der Reflexion;
  • – Bilden von n Inversionen des Abbildes basierend auf den n Punktspreizfunktionen PSFn und Bewerten der n Inversionen; und
  • – Bestimmen der Tiefe des Objekts als die Tiefe zn, deren zugehörige Punktspreizfunktion PSFn die wahrscheinlichste bzw. am besten bewertete Inversion liefert.
According to a first aspect of the invention, there is provided a method of depth-determining an object of differing permittivity within a dielectric workpiece, comprising:
  • - Providing the workpiece;
  • - Providing a microwave radiator with clearly in the direction of the z-coordinate varying point spread function, wherein the respective point spread PSF n for at least n different depths z n of the workpiece is known;
  • Imaging an area of the workpiece containing the object by irradiating the area with the microwave radiator and measuring the reflection;
  • Forming n inversions of the image based on the n point spread functions PSF n and evaluating the n inversions; and
  • Determining the depth of the object as the depth z n , whose associated point spread function PSF n provides the most probable or best valued inversion.

Ein Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens ist darin begründet, dass das Verfahren ohne Frequenz-Sweep auskommt. Es kann monofrequent genutzt werden. Dadurch lassen sich die notwendige Komplexität der Mikrowellenschaltung und damit die Kosten für die Schaltung minimieren.An advantage of the method described here is that the method requires no frequency sweep. It can be used monofrequently. As a result, the necessary complexity of the microwave circuit and thus the cost of the circuit can be minimized.

Die Information über die Tiefenlage eines Objekts wird indirekt über die Kenntnis der PSFs des verwendeten Mikrowellenstrahlers für unterschiedliche z-Koordinaten gewonnen (wobei die z-Koordinate die Entfernung vom Mikrowellenstrahler parallel zur Abstrahlungsachse angibt, also z. B. der Hohlleiterachse bei einem Hohlleiter-Strahler). Bei vorgegebener Geometrie des Mikrowellenstrahlers und fester Frequenz müssen die z-abhängigen PSFs nur einmal vorab bestimmt werden.The information about the depth of an object is indirectly determined by the knowledge of the PSFs of the microwave radiator used for obtained different z-coordinates (where the z-coordinate indicates the distance from the microwave radiator parallel to the radiation axis, ie, for example, the waveguide axis in a waveguide radiator). Given a given geometry of the microwave radiator and fixed frequency, the z-dependent PSFs need only be determined once in advance.

Das Verfahren ist rechnerisch nicht zu anspruchsvoll, so dass es auf kostengünstiger Hardware ausgeführt werden kann. Unter diesen günstigen Randbedingungen werden durch die Erfindung auch kleinere und mittlere Unternehmen in die Lage versetzt, Mikrowellenprüfsysteme bei der Qualitätssicherung von Werkstücken einzusetzen.The method is computationally not too demanding, so that it can be carried out on inexpensive hardware. Under these favorable conditions, the invention also enables smaller and medium-sized companies to use microwave testing systems in the quality assurance of workpieces.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter:

  • – Bestimmen der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks.
According to one embodiment, the method further comprises:
  • Determining the respective point spread function PSF n for at least n different depths z n of the workpiece.

Unter Tiefen zn des Werkstücks sind erfindungsgemäß die Abstände zu dem Mikrowellenstrahler zu verstehen, in denen das Werkstück am Mikrowellenstrahler vorbeigeführt werden soll (oder umgekehrt). Die Dicke z des Werkstücks soll dabei zumindest im Wesentlichen und in einer ausreichenden Genauigkeit (Anzahl der Tiefen zn) umfasst werden, wobei die oberflächennahen Bereiche gegebenenfalls vernachlässigt werden können, da hier eine visuelle Prüfung auf Störstellen etc. erfolgen kann. Dies gilt etwa für Defekte, die sich in sichtbarer Weise auf die Beschaffenheit der Oberfläche des Materials auswirken, wobei dies dann grundsätzlich sogar für wenig transparente oder gänzlich intransparente Materialien möglich ist. Manche Materialien wie etwa glasfaserverstärkter Kunststoff GFK sind so ausreichend transparent, dass beispielsweise die obersten 2 mm des Materials visuell geprüft werden können.The depths z n of the workpiece according to the invention are to be understood as the distances to the microwave radiator in which the workpiece is to be guided past the microwave radiator (or vice versa). The thickness z of the workpiece should thereby at least substantially and in a sufficient accuracy (number of depths z n ) are included, wherein the near-surface areas may be neglected, as here a visual inspection for impurities etc. can take place. This applies, for example, to defects that have a visible effect on the condition of the surface of the material, and this is possible in principle even for less transparent or completely non-transparent materials. Some materials, such as glass fiber reinforced plastic GRP, are sufficiently transparent that, for example, the top 2 mm of the material can be visually inspected.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Bilden einer Inversion:

  • – Fouriertransformieren des Abbildes h(x), um die Fouriertransformation H(kx) zu erhalten;
  • – Fouriertransformieren der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn g(x), um die Fouriertransformation G(kx) zu erhalten;
  • – Dividieren der Fouriertransformation des Abbildes H(kx) durch die Fouriertransformation der Punktspreizfunktion PSFn G(kx), um die Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten; und
  • – Fourier-Rücktransformieren der Fouriertransformation F(kx), um die Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten.
According to one embodiment, forming an inversion includes:
  • Fourier transforming the image h (x) to obtain the Fourier transform H (kx);
  • Fourier transforming the respective point spread function PSF n g (x) to obtain the Fourier transform G (kx);
  • Dividing the Fourier transform of the image H (kx) by the Fourier transform of the point spread function PSF n G (kx) to obtain the Fourier transform F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; and
  • Fourier inverse transform of the Fourier transform F (kx) to obtain the spatial function f (x) of the permittivity of the object.

Mathematisch lässt sich die Transformation der tatsächlichen, lokalen Materialeigenschaften in den messbaren Reflexionsfaktor durch eine Faltungsoperation darstellen. Dabei wird das Objekt durch eine rechteckförmige Ortsfunktion f(x) beschrieben, die der örtlichen Änderung der Permittivität entspricht. Die messbare Reflexionssignatur, das sogenannte Abbild, wird mit h(x) bezeichnet.Mathematically, the transformation of the actual, local material properties into the measurable reflection factor can be represented by a convolution operation. In this case, the object is described by a rectangular spatial function f (x), which corresponds to the local change of the permittivity. The measurable reflection signature, the so-called image, is designated h (x).

Der Zusammenhang zwischen f(x) und h(x) erfolgt durch eine Faltung im Ortsbereich mit der sogenannten Punktspreizfunktion (PSF) g(x). Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass der in der Optik übliche Begriff Punktspreizfunktion hier als Analogon verwendet wird, obwohl er in der Mikrowellentechnik nicht exakt ist, da ein gegenüber der Wellenlänge kleines Objekt tatsächlich keine Systemantwort erzeugt.The relationship between f (x) and h (x) is achieved by a convolution in the spatial domain with the so-called point spread function (PSF) g (x). It should be pointed out here that the term dot scattering function which is customary in optics is used here as an analog, although it is not exact in microwave technology, since an object which is small in relation to the wavelength does not actually produce a system response.

Da in der Praxis h(x) gemessen und g(x) als bekannt vorausgesetzt wird, ließe sich das gesuchte f(x) durch eine Inversion der Faltung bestimmen. Diese Operation ist im Ortsbereich allerdings äußerst aufwendig und schwierig. Alternativ lässt sich daher die Faltungsoperation im Ortsbereich nach Fourier-Transformation in den Ortsfrequenzbereich durch eine einfache Multiplikation ersetzen.Since in practice h (x) is measured and g (x) is assumed to be known, the desired f (x) could be determined by an inversion of the convolution. However, this operation is extremely expensive and difficult in the local area. Alternatively, it is therefore possible to replace the convolution operation in the spatial domain after Fourier transformation in the spatial frequency domain by a simple multiplication.

Das gesuchte Objekt f(x) wird dann folgendermaßen ermittelt: Das Abbild h(x) wird mit Hilfe einer Fouriertransformation aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich transformiert. Das Ergebnis H(kx) wird dann mit der Fouriertransformierten der PSF G(kx) dividiert: F(kx) = H(kx)/G(kx). Durch Rücktransformation in den Ortsbereich erhält man schließlich das Objekt f(x). Dieser Vorgang wird erfindungsgemäß als Inversionsverfahren bezeichnet.The desired object f (x) is then determined as follows: The image h (x) is transformed by means of a Fourier transformation from the spatial domain into the spatial frequency domain. The result H (kx) is then divided by the Fourier transform of the PSF G (kx): F (kx) = H (kx) / G (kx). By back-transformation into the local area one finally obtains the object f (x). This process is referred to as inversion process according to the invention.

Gemäß einer Ausführungsform beruht das Bewerten einer Inversion auf der Basis von ein oder mehreren der folgenden Kriterien:

  • – Schärfe der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts;
  • – Breite des Spektrums der Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts;
  • – Vorliegen unzulässiger Werte der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts;
  • – Größe des Imaginärteils der Ortsfunktion f(x) des Objekts;
und wobei Inversionen als wahrscheinlicher bzw. besser bewertet werden, die eine schärfere Ortsfunktion f(x) ergeben und/oder deren Fouriertransformation F(kx) ein breiteres Spektrum aufweisen und/oder die eine Ortsfunktion f(x) mit weniger unzulässigen Werten und/oder eine Ortsfunktion f(x) mit einem kleineren Imaginärteil ergeben.According to one embodiment, the evaluation of an inversion is based on one or more of the following criteria:
  • - sharpness of the spatial function f (x) of the permittivity of the object;
  • Width of the spectrum of the Fourier transformation F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object;
  • - presence of impermissible values of the spatial function f (x) of the permittivity of the object;
  • Size of the imaginary part of the spatial function f (x) of the object;
and where inversions which give a sharper spatial function f (x) and / or whose Fourier transformation F (kx) have a broader spectrum and / or which have a spatial function f (x) with less impermissible values and / or are judged to be more likely or better give a location function f (x) with a smaller imaginary part.

Gemäß der Erfindung ist „besser bewertet” zu verstehen als größere Wahrscheinlichkeit, dass die „richtige” bzw. unter den gegebenen Umständen naheliegendste Punktspreizfunktion bei der Inversion verwendet wurde. Unzulässige Werte umfassen beispielsweise negative Werte in der Ortsfunktion. Inversionen mit keinen oder weniger unzulässigen Werten sind als besser zu bewerten. Für die meisten verlustarmen Objekte gilt der Spezialfall, dass das wahrscheinlichste Inversionsergebnis einen möglichst kleinen oder keinen Imaginärteil besitzen wird, da dieser für reale Objekte Null sein sollte.According to the invention, "better rated" is to be understood as greater probability that the "right" or, under the given circumstances, most obvious point spreading function in the case of the Inversion was used. Illegal values include, for example, negative values in the location function. Inversions with no or less forbidden values are considered to be better. For most low-loss objects, the special case is that the most likely inversion result will have as little or no imaginary part as it should be zero for real objects.

Durch die Eigenschaften der verwendeten Fouriertransformation entsprechen breite Spektren im Ortsfrequenzbereich umgekehrt schmalen Spektren im Ortsbereich, was wiederum einer scharfen Abbildung des Objekts entspricht. Daher sind Inversionen mit breitem Ortsfrequenz-Spektrum als besser zu bewerten.By virtue of the properties of the Fourier transformation used, broad spectrums in the spatial frequency range conversely correspond to narrow spectrums in the spatial domain, which in turn corresponds to a sharp image of the object. Therefore, inversions with a wide spatial frequency spectrum are to be rated as better.

Sollte sich der Fall ergeben, dass zwei Inversionen vergleichbar gut oder sogar identisch bewertet werden, so kann alternativ die Tiefe als (gegebenenfalls anhand der Güte der Übereinstimmung gewichteter) Mittelwert zwischen den jeweiligen Tiefen zn bestimmt werden.Should the case arise that two inversions are comparably good or even identical rates, so the depth average between the respective depths can be determined for n, alternatively, as (optionally weighted on the basis of the quality of the match).

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Abbilden des Bereichs des Werkstücks:

  • – Verfahren des Mikrowellenstrahlers und des Werkstücks relativ zu einander, um den Bereich abzubilden.
In one embodiment, mapping the area of the workpiece comprises:
  • - Moving the microwave radiator and the workpiece relative to each other to image the area.

Je nach Anwendungsfall kann das Verfahren des Mikrowellenstrahlers über das Werkstück oder das Verfahren des Werkstücks vorbei an dem Mikrowellenstrahler bevorzugt werden. Für spezielle Anwendungen ist auch eine Kombination möglich, d. h. Mikrowellenstrahler und Werkstück werden gemeinsam verfahren, um die gewünschte Relativbewegung zu erzeugen.Depending on the application, the method of the microwave radiator on the workpiece or the method of the workpiece passing the microwave radiator may be preferred. For special applications a combination is also possible, i. H. Microwave and workpiece are moved together to produce the desired relative movement.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das relative Verfahren entlang eines im Wesentlichen linienförmigen Weges innerhalb des Bereichs.According to one embodiment, the relative process is along a substantially linear path within the region.

Das Werkstück kann so beispielsweise in parallelen Streifen mehrfach abgetastet werden.The workpiece can thus be repeatedly scanned in parallel strips, for example.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Tiefen-Bestimmung des Objekts mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge, wobei die mindestens zwei im Wesentlichen linienförmigen Wege einen Winkel größer Null einschließen, und wobei die Tiefe des Objekts als Mittelwert der jeweils bestimmten Tiefen der mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge bestimmt wird.According to one embodiment, the depth determination of the object comprises at least two depth-determining operations, wherein the at least two substantially linear paths include an angle greater than zero, and wherein the depth of the object as an average of the respective determined depths of the at least two depth-determining Operations is determined.

Alternativ zum Abtasten in parallelen Streifen kann auch eine Abtastung mit gekreuzten Wegen erfolgen, die sich vorzugsweise am vermuteten Ort (in x/y-Richtung) des Objekts kreuzen. Das Objekt kann so noch genauer in der z-Richtung lokalisiert werden, etwa wenn die gekreuzten Abtastungen leicht abweichende Tiefen ergeben, wobei dann gemittelt werden kann. Dabei kann die Position des Objekts in x/y-Richtung im Prinzip auf beliebige Weise bestimmt werden, etwa durch eines der vorstehend beschrieben Verfahren. In beispielhaften Ausführungsformen kann dies etwa durch die Abtastung in parallelen Streifen erfolgen.As an alternative to scanning in parallel stripes, it is also possible to carry out scanning with crossed paths which preferably intersect at the presumed location (in the x / y direction) of the object. The object can thus be localized even more precisely in the z-direction, for example if the crossed samples give slightly different depths, in which case it is possible to average. In this case, the position of the object in the x / y direction can in principle be determined in any desired manner, for example by one of the methods described above. In exemplary embodiments, this may be done by scanning in parallel stripes, for example.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Programm-Produkt bereitgestellt, umfassend computerlesbare Anweisungen, die bei Ausführung auf einer Computervorrichtung ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren ausführen. Das Programm-Produkt kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein.In another aspect, there is provided a program product comprising computer-readable instructions that, when executed on a computing device, perform a method as described above. The program product may be stored on a computer readable medium.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Tiefen-Bestimmung eines Objekts mit abweichender Permittivität innerhalb eines dielektrischen Werkstücks bereitgestellt, umfassend:In another aspect, there is provided an apparatus for depth-determining an object of differing permittivity within a dielectric workpiece, comprising:

  • – einen Mikrowellenstrahler mit eindeutig in Richtung der z-Koordinate variierender Punktspreizfunktion;A microwave radiator having a point spread function that varies uniquely in the direction of the z coordinate;
  • – einen Speicher, der die jeweilige Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks speichert;A memory which stores the respective point spreading function PSF n for at least n different depths z n of the workpiece;
  • – eine Verfahr-Anordnung, die angepasst ist, den Mikrowellenstrahler und das Werkstück relativ zu einander zu verfahren, um einen Bereich abzubilden, der das Objekt enthält;A traverse device adapted to move the microwave emitter and the workpiece relative to each other to image an area containing the object;
  • – einen Sensor, der angepasst ist, die Reflexion des Mikrowellenstrahlers zu messen; undA sensor adapted to measure the reflection of the microwave radiator; and
  • – eine Prozessoreinheit, die mit dem Speicher und dem Sensor verbunden und angepasst ist, umA processor unit connected to the memory and the sensor and adapted to
  • – n Inversionen des Abbildes basierend auf den n Punktspreizfunktionen PSFn zu bilden und die n Inversionen zu bewerten; undForm n inversions of the image based on the n point spread functions PSF n and evaluate the n inversions; and
  • – die Tiefe des Objekts als die Tiefe zn zu bestimmen, deren zugehörige Punktspreizfunktion PSFn die wahrscheinlichste bzw. am besten bewertete Inversion liefert.To determine the depth of the object as the depth z n , whose associated point spread function PSF n provides the most probable or best valued inversion.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Prozessoreinheit angepasst, das Bilden einer Inversion auszuführen durch:

  • – Fouriertransformieren des Abbildes h(x), um die Fouriertransformation H(kx) zu erhalten;
  • – Fouriertransformieren der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn g(x), um die Fouriertransformation G(kx) zu erhalten;
  • – Dividieren der Fouriertransformation des Abbildes H(kx) durch die Fouriertransformation der Punktspreizfunktion PSFn G(kx), um die Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten; und
  • – Fourier-Rücktransformieren der Fouriertransformation F(kx), um die Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten.
According to one embodiment, the processor unit is adapted to execute the forming of an inversion by:
  • Fourier transforming the image h (x) to obtain the Fourier transform H (kx);
  • Fourier transforming the respective point spread function PSF n g (x) to obtain the Fourier transform G (kx);
  • Dividing the Fourier transform of the image H (kx) by the Fourier transform of the point spread function PSF n G (kx) to obtain the Fourier transform F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; and
  • Fourier inverse transform of the Fourier transform F (kx) to obtain the spatial function f (x) of the permittivity of the object.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Prozessoreinheit angepasst, das Bewerten einer Inversion auf der Basis von ein oder mehreren der folgenden auszuführen:

  • – Schärfe der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts;
  • – Breite des Spektrums der Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts;
  • – Vorliegen unzulässiger Werte der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; Größe des Imaginärteils der Ortsfunktion f(x) des Objekts;
und wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, Inversionen als wahrscheinlicher bzw. besser zu bewerteten, die eine schärfere Ortsfunktion f(x) ergeben und/oder deren Fouriertransformation F(kx) ein breiteres Spektrum aufweisen und/oder die eine Ortsfunktion f(x) mit weniger unzulässigen Werten und/oder eine Ortsfunktion f(x) mit einem kleineren Imaginärteil ergeben.According to one embodiment, the processor unit is adapted to perform the evaluation of an inversion based on one or more of the following:
  • - sharpness of the spatial function f (x) of the permittivity of the object;
  • Width of the spectrum of the Fourier transformation F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object;
  • - presence of impermissible values of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; Size of the imaginary part of the spatial function f (x) of the object;
and wherein the processor unit is adapted, inversions which are more likely to be evaluated and which yield a sharper spatial function f (x) and / or whose Fourier transformation F (kx) have a broader spectrum and / or which have a spatial function f (x) with less result in impermissible values and / or a spatial function f (x) with a smaller imaginary part.

Das Bewerten der Inversionen umfasst in einer beispielhaften Ausführungsform insbesondere auch die Betrachtung des Imaginärteils der Ortsfunktion f(x), der für reale Objekte meist Null sein sollte. Daher können Inversionen, deren zugehörige Ortsfunktion f(x) einen kleinen oder gar keinen Imaginärteil aufweisen, als wahrscheinlicher angesehen werden.In an exemplary embodiment, the evaluation of the inversions also includes, in particular, consideration of the imaginary part of the spatial function f (x), which should usually be zero for real objects. Therefore, inversions whose associated location function f (x) has little or no imaginary part can be considered more probable.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Verfahr-Anordung angepasst, das relative Verfahren des Mikrowellenstrahlers und des Werkstücks entlang eines im Wesentlichen linienförmigen Weges innerhalb des Bereichs auszuführen.According to one embodiment, the travel arrangement is adapted to perform the relative movement of the microwave emitter and the workpiece along a substantially linear path within the area.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung angepasst ist, die Tiefen-Bestimmung des Objekts mit mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgängen entlang von im Wesentlichen linienförmiger Wege auszuführen, die einen Winkel größer Null einschließen, und wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, die Tiefe des Objekts als Mittelwert der jeweils bestimmten Tiefen der mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge zu bestimmen.According to one embodiment, the device is adapted to perform the depth determination of the object with at least two depth-determining operations along substantially linear paths that include an angle greater than zero, and wherein the processor unit is adapted, the depth of the object as Determine average of the particular depths of the at least two depth-determining operations.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Mikrowellenstrahler ein Hohlleiter-Strahler, bevorzugt ein Rechteckhohlleiter-Strahler mit Flansch.According to one embodiment, the microwave radiator is a waveguide radiator, preferably a rectangular waveguide radiator with flange.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts innerhalb eines dielektrischen Werkstücks bereitgestellt, wobei die Permittivität des Objektes von der des Werkstücks abweicht, umfassend:

  • – Bereitstellen des Werkstücks;
  • – Bereitstellen mindestens eines fokussierenden Mikrowellenstrahlers;
  • – erstes Abbilden eines Bereichs des Werkstücks, der das Objekt enthält, durch Bestrahlung des Bereichs mit dem mindestens einen Mikrowellenstrahler in einem ersten Winkel φ1 und Messen der Reflexion;
  • – zweites Abbilden des Bereichs des Werkstücks durch Bestrahlung des Bereichs mit dem mindestens einen Mikrowellenstrahler in einem zweiten Winkel φ2, der von dem ersten Winkel φ1 verschieden ist, und Messen der Reflexion;
  • – Bestimmen der jeweiligen Reflexionsmaxima des ersten und des zweiten Abbildens und des Abstands d der Reflexionsmaxima; und
  • – Bestimmen der Tiefe des Objekts basierend auf dem Abstand d und der Winkeldifferenz zwischen φ1 und φ2.
According to another aspect of the invention, there is provided a method of determining a depth of an object within a dielectric workpiece, wherein the permittivity of the object is different than that of the workpiece, comprising:
  • - Providing the workpiece;
  • - Providing at least one focusing microwave radiator;
  • First imaging a region of the workpiece containing the object by irradiating the region with the at least one microwave emitter at a first angle φ 1 and measuring the reflection;
  • Second imaging the region of the workpiece by irradiating the region with the at least one microwave emitter at a second angle φ 2 different from the first angle φ 1 and measuring the reflection;
  • Determining the respective reflection maxima of the first and second imaging and the distance d of the reflection maxima; and
  • Determining the depth of the object based on the distance d and the angular difference between φ 1 and φ 2 .

Zur Ausführung des Verfahrens ist die Verwendung eines fokussierenden Mikrowellenstrahlers nötig, d. h. eines Mikrowellenstrahlers mit einer ausgeprägten Strahltaille. Bevorzugt beträgt der erste Winkel φ1 ca. 90° zur Oberfläche des Werkstücks. Der zweite Winkel φ2 kann bevorzugt ca. 45° betragen. Andere Winkel sind ebenfalls möglich. Das hier beschriebene Verfahren wird erfindungsgemäß auch als „trigonometrisches Verfahren” bezeichnet.To carry out the method, it is necessary to use a focusing microwave radiator, ie a microwave radiator with a pronounced beam waist. Preferably, the first angle φ 1 is approximately 90 ° to the surface of the workpiece. The second angle φ 2 may preferably be about 45 °. Other angles are also possible. The method described here is also referred to as "trigonometric method" according to the invention.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts innerhalb eines dielektrischen Werkstücks bereitgestellt, wobei die Permittivität des Objektes von der des Werkstücks abweicht, umfassend:

  • – mindestens einen fokussierenden Mikrowellenstrahler;
  • – eine Verfahr-Anordnung, die angepasst ist, den mindestens einen Mikrowellenstrahler und das Werkstück relativ zu einander zu verfahren, um einen Bereich abzubilden, der das Objekt enthält;
  • – einen Sensor, der angepasst ist, die Reflexion des Mikrowellenstrahlers zu messen; und
  • – eine Prozessoreinheit, die mit dem Speicher und dem Sensor verbunden ist;
  • – wobei die Verfahr-Anordnung angepasst ist, mindestens einen ersten Verfahr-Vorgang mit einem ersten Auftreffwinkel φ1 des Mikrowellenstrahls und einen zweiten Verfahr-Vorgang mit einem zweiten Auftreffwinkel φ2 des Mikrowellenstrahls auszuführen, der von dem ersten Winkel φ1 verschieden ist;
  • – wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, um
  • – die jeweiligen Reflexionsmaxima des ersten und des zweiten Abbildens und des Abstands d der Reflexionsmaxima zu bestimmen; und
  • – die Tiefe des Objekts basierend auf dem Abstand d und der Winkeldifferenz zwischen φ1 und φ2 zu bestimmen.
According to yet another aspect of the invention, there is provided an apparatus for determining the depth of an object within a dielectric workpiece, wherein the permittivity of the object is different than that of the workpiece, comprising:
  • - At least one focusing microwave radiator;
  • A traverse arrangement adapted to move the at least one microwave emitter and the workpiece relative to each other to image a region containing the object;
  • A sensor adapted to measure the reflection of the microwave radiator; and
  • A processor unit connected to the memory and the sensor;
  • - wherein the traversing arrangement is adapted to perform at least a first traversing operation with a first incidence angle φ 1 of the microwave beam and a second traversing operation with a second angle of incidence φ 2 of the microwave beam, which is different from the first angle φ 1 ;
  • - The processor unit is adapted to
  • To determine the respective reflection maxima of the first and the second mapping and the distance d of the reflection maxima; and
  • To determine the depth of the object based on the distance d and the angular difference between φ 1 and φ 2 .

Erfindungsgemäß ist es möglich, nur einen Mikrowellenstrahler zu verwenden, wobei dann die zwei Verfahrvorgänge nacheinander durchgeführt werden, und vor jedem Verfahrvorgang der gewünschte Auftreffwinkel (φ1 bzw. φ2) eingestellt wird. Alternativ werden zwei Mikrowellenstrahler vorgesehen, die in den gewünschten Winkeln angeordnet sind, und die gemeinsam verfahren werden, um das Abbilden in einem gleichzeitigen Vorgang auszuführen. According to the invention, it is possible to use only one microwave radiator, in which case the two traversing operations are carried out successively, and the desired angle of incidence (φ 1 or φ 2 ) is set before each traversing operation. Alternatively, two microwave radiators are provided, which are arranged at the desired angles, and which are moved together to perform the imaging in a simultaneous operation.

Der Mikrowellenstrahler kann bevorzugt ein Rechteckhohlleiter mit einer Linse sein, andere Mikrowellenstrahler mit einer ausreichend fokussierten Strahltaille können aber ebenfalls verwendet werden. Denkbar sind etwa Anordnungen („Arrays”) von mehreren Strahlern.The microwave radiator may preferably be a rectangular waveguide with a lens, but other microwave radiators with a sufficiently focused beam waist may also be used. Conceivable, for example, arrangements ("arrays") of multiple emitters.

In alternativen Ausführungsformen können auch mehr als zwei Mikrowellenstrahler bzw. Verfahrvorgänge pro Bestimmung eingesetzt werden. Die vorstehend beschriebene Variante auch hiermit verwendet werden, bei der zwei oder mehr linienförmige Wege abgefahren werden, die das Objekt überschneiden, und wobei die Tiefenbestimmung durch Mittelung verbessert wird.In alternative embodiments, more than two microwave radiators or traverses per determination can be used. The variant described above can also be used here, in which two or more linear paths are traversed, which overlap the object, and wherein the depth determination is improved by averaging.

In einer beispielhaften Anordnung werden drei Mikrowellenstrahler verwendet, wobei diese jeweils die Winkel –45°, 90° und +45° zur Werkstück-Oberfläche einnehmen.In an exemplary arrangement, three microwave radiators are used, each occupying the angles -45 °, 90 ° and + 45 ° to the workpiece surface.

Die Vorrichtung kann einen (Zwischen-)Speicher zur Speicherung der Daten bezüglich der Abbildung bzw. Messung enthalten, auf den die Prozessoreinheit zur Tiefenlage-Bestimmung zugreifen kann.The apparatus may include an (intermediate) memory for storing the data relating to the mapping or measurement which the processor unit may access for depth determination.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

1 zeigt schematisch die Verhältnisse bei einer Mikrowellenbestrahlung; 1 shows schematically the conditions in a microwave irradiation;

2 zeigt zwei Beispiele eine Mikrowellenprüfung; 2 shows two examples of a microwave test;

3 veranschaulicht die Mehrdeutigkeit einer Tiefenmessung; 3 illustrates the ambiguity of a depth measurement;

4 zeigt ein alternatives geometrisches Mess-Verfahren; 4 shows an alternative geometric measuring method;

5 zeigt schematisch die Grundkonfiguration einer Ausführungsform; 5 schematically shows the basic configuration of an embodiment;

6 zeigt die Darstellung eines Objekts im Reflexionsfaktorbetrag; 6 shows the representation of an object in the reflection factor amount;

7 zeigt die Beziehung zwischen Objekt und Abbild; 7 shows the relationship between object and image;

8 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; 8th shows a flowchart of an embodiment of the method according to the invention;

9 zeigt das Beispiel eines Abbilds im Ortsbereich h(x) nach Real- und Imaginärteil; 9 shows the example of an image in the local area h (x) after real and imaginary part;

10 zeigt das Inversionsergebnis für das Abbild aus 10 unter Verwendung einer PSF, die einer Tiefe von 15 mm zugeordnet ist. 10 shows the inversion result for the image 10 using a PSF assigned to a depth of 15 mm.

11 zeigt das Inversionsergebnis für das Abbild aus 10 unter Verwendung einer PSF, die einer Tiefe von 20 mm zugeordnet ist; 11 shows the inversion result for the image 10 using a PSF assigned to a depth of 20 mm;

12 zeigt das Inversionsergebnis für das Abbild aus 10 unter Verwendung einer PSF, die einer Tiefe von 21 mm zugeordnet ist; 12 shows the inversion result for the image 10 using a PSF assigned to a depth of 21 mm;

13 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 13 shows schematically the construction of a device according to an embodiment of the invention;

14 zeigt ein Abtastmuster gemäß einer Ausführungsform in einer Aufsicht; und 14 shows a scanning pattern according to an embodiment in a plan view; and

15 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Messung des komplexen Reflexionsfaktors. 15 shows a block diagram of a circuit for measuring the complex reflection factor.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Wie in 5 dargestellt, wird ein Mikrowellenstrahler über ein Objekt gefahren oder umgekehrt ein Objekt im elektrischen Feld eines Mikrowellenstrahlers verfahren. Besonders einfach gestalten sich die Verhältnisse dann, wenn man annimmt, dass das Wirtsmaterial aus Luft mit der Permittivität ε = ε0 besteht und das Objekt als dünner Streifen der Breite b mit einer Permittivität von ε = εr·ε0 vorliegt. Als Mikrowellenstrahler wird hier ein Rechteckhohlleiter mit Flansch angenommen. Das Objekt befindet sich im Abstand z vor dem Flansch des Rechteckhohlleiters. Es ergibt sich die in 5 gezeigte Anordnung.As in 5 represented, a microwave radiator is driven over an object or vice versa an object in the electric field of a microwave radiator. The conditions are particularly simple if it is assumed that the host material consists of air with the permittivity ε = ε 0 and the object exists as a thin strip of the width b with a permittivity of ε = ε r · ε 0 . As a microwave radiator, a rectangular waveguide with flange is assumed here. The object is located at a distance z in front of the flange of the rectangular waveguide. It results in the 5 shown arrangement.

Eine Veränderung der Reflexion des Rechteckhohlleiters stellt sich dann ein, wenn die Feldverteilung des Rechteckhohlleiters durch das Objekt verändert wird. Nach Maßgabe von D = εE (D ist die elektrische Verschiebungsdichte und E die elektrische Feldstärke) wechselwirkt die Permittivität des Objekts mit dem elektrischen Feld des Rechteckhohlleiters (das hier nur schematisch gestrichelt dargestellt ist). Eine Wechselwirkung wird daher bereits dann auftreten, wenn sich das Objekt noch fern ab der Hohlleiterachse befindet. Die Feldverteilung des Rechteckhohlleiters ist nicht fokussiert, sondern sehr divergent.A change in the reflection of the rectangular waveguide occurs when the field distribution of the rectangular waveguide is changed by the object. In accordance with D = εE (D is the electric shift density and E is the electric field strength), the permittivity of the object interacts with the electric field of the rectangular waveguide (which is shown here only schematically by dashed lines). An interaction will therefore already occur when the object is still far away from the waveguide axis. The field distribution of the rectangular waveguide is not focused, but very divergent.

Folglich wird das Objekt in einem Mikrowellen-Scan dann nicht mit scharfer Kontur, sondern vergleichsweise breit mit verschliffenen Konturen dargestellt. 6 zeigt, wie sich ein Objekt mit εr = 3,5 mit b = 20 mm und 1 mm Dicke im Abstand von z = 5 mm vor dem Rechteckhohlleiter im Reflexionsfaktorbetrag darstellt.As a result, in a microwave scan, the object will not be sharply contoured but comparatively wide with blurred contours shown. 6 shows how an object with ε r = 3.5 with b = 20 mm and 1 mm thickness at a distance of z = 5 mm in front of the rectangular waveguide represents the reflection factor amount.

Mathematisch lässt sich diese Transformation der tatsächlichen, lokalen Materialeigenschaften in den messbaren Reflexionsfaktor durch eine Faltungsoperation darstellen. Dabei wird das Objekt durch eine rechteckförmige Ortsfunktion f(x) beschrieben, die der örtlichen Änderung der Permittivität entspricht. Die messbare Reflexionssignatur bzw. das Abbild, wird mit h(x) bezeichnet. Der Zusammenhang zwischen f(x) und h(x) erfolgt durch eine Faltung im Ortsbereich mit der sogenannten Punktspreizfunktion g(x) (PSF).Mathematically, this transformation of the actual, local material properties into the measurable reflection factor can be represented by a convolution operation. In this case, the object is described by a rectangular spatial function f (x), which corresponds to the local change of the permittivity. The measurable reflection signature or the image is denoted by h (x). The relationship between f (x) and h (x) is achieved by a convolution in the spatial domain with the so-called point spread function g (x) (PSF).

Da in der Praxis h(x) gemessen und g(x) als bekannt vorausgesetzt wird, ließe sich das gesuchte f(x) durch eine Inversion der Faltung bestimmen. Alternativ lässt sich die Faltungsoperation im Ortsbereich, wie in 7 dargestellt, nach Transformation in den Ortsfrequenzbereich durch eine einfache Multiplikation ersetzen.Since in practice h (x) is measured and g (x) is assumed to be known, the desired f (x) could be determined by an inversion of the convolution. Alternatively, the convolution operation may be in the spatial domain, such as in 7 shown, after transformation into the spatial frequency range by a simple multiplication replace.

Das gesuchte Objekt f(x) wird dann folgendermaßen ermittelt: Das Abbild h(x) wird mit Hilfe einer Fouriertransformation aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich transformiert. Das Ergebnis H(kx) wird dann mit der Fouriertransformierten der PSF G(kx) dividiert: F(kx) = H(kx)/G(kx). Durch Rücktransformation in den Ortsbereich erhält man schließlich das Objekt f(x).The desired object f (x) is then determined as follows: The image h (x) is transformed by means of a Fourier transformation from the spatial domain into the spatial frequency domain. The result H (kx) is then divided by the Fourier transform of the PSF G (kx): F (kx) = H (kx) / G (kx). By back-transformation into the local area one finally obtains the object f (x).

Betrachtet man die Feldverteilung in 6 in unterschiedlichen Abständen z vom Hohlleiterflansch, so wird ersichtlich, dass diese Feldverteilung für den jeweiligen Abstand z charakteristisch ist. Folglich wird auch die Punktspreizfunktion des Rechteckhohlleiters in Abhängigkeit von z variieren (tatsächlich ist die Punktspreizfunktion eine Funktion aller drei Raumkoordinaten x, y und z).Looking at the field distribution in 6 at different distances z from the waveguide flange, it is apparent that this field distribution for the respective distance z is characteristic. Consequently, the point spread function of the rectangular waveguide will also vary as a function of z (in fact, the point spread function is a function of all three space coordinates x, y and z).

Möchte man nun von einem gemessenen Abbild auf das reale Objekt schließen, so muss die Punktspreizfunktion der tatsächlichen Tiefenlage z des Objekts im Inversionsverfahren angesetzt werden. Das Ergebnis wird dann eine scharfe Rekonstruktion des Objekts sein. Verwendet man eine Punktspreizfunktion einer anderen Tiefenlage, so wird das Objekt verschliffen, wellig und unscharf rekonstruiert. Dieses Prinzip macht sich die Erfindung in der Umkehrung zur Tiefenlagebestimmung zunutze, denn in der Praxis ist die Tiefenlage des Objekts unbekannt.If one now wants to conclude from a measured image on the real object, the point spread function of the actual depth position z of the object must be applied in the inversion process. The result will then be a sharp reconstruction of the object. Using a point spread function of another depth, the object is smoothed, wavy and blurred reconstructed. This principle makes use of the invention in the reversal of the depth position determination, because in practice the depth of the object is unknown.

In 8 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm gezeigt. In Schritt 102 wird das Abbild des Bereiches des zu prüfenden Werkstücks gemessen, wobei davon ausgegangen wird, dass der abgebildete Bereich das Fremdobjekt mit der abweichenden Permittivität enthält. Daraus ergeben sich die Funktion h(x) des Abbildes und deren Fouriertransformierte H(kx).In 8th an embodiment of the method according to the invention is shown as a flowchart. In step 102 the image of the area of the workpiece to be tested is measured, it being assumed that the imaged area contains the foreign object with the differing permittivity. This results in the function h (x) of the image and its Fourier transform H (kx).

In Schritt 104 werden für zumindest einige Tiefenlagen des Mikrowellenstrahlers die jeweils zugehörigen PSFs ermittelt. Daraus ergeben sich die PSF gz(x) bzw. die Fouriertransformierte davon Gz(kx). Da dieser Schritt für einen gegebenen Mikrowellenstrahler und eine gegebene Frequenz nur einmal ausgeführt werden muss, kann er bei späteren Tiefenbestimmungen entfallen. In diesem Fall wird auf die zuvor ermittelten und abgespeicherten PSFs zurückgegriffen.In step 104 For at least some depth positions of the microwave radiator, the respectively associated PSFs are determined. This results in the PSF g z (x) or the Fourier transform thereof G z (kx). Since this step has to be performed only once for a given microwave emitter and a given frequency, it can be dispensed with in later depth determinations. In this case, the previously determined and stored PSFs are used.

In Schritt 106 wird, basierend auf allen ermittelten bzw. gespeicherten PSF, ein Inversionsverfahren an dem gemessenen Abbild h(x) bzw. dessen Fouriertransformation H(kx) ausgeführt, wie vorstehend erläutert. Aus der Fourier-Rücktransformation des Ergebnisses Fz(kx) ergibt sich dann die Ortsfunktion fz(x).In step 106 For example, an inversion method is carried out on the measured image h (x) or its Fourier transformation H (kx) based on all determined or stored PSFs, as explained above. From the Fourier inverse transformation of the result F z (kx), the positional function f z (x) is then obtained.

In Schritt 108 erfolgt eine Bewertung des jeweiligen Ergebnisses Fz(kx) bzw. fz(x). Eine Bewertung kann beispielsweise die Kriterien Schärfe von fz(x) und/oder Breite des Frequenz-Spektrums von Fz(kx) und/oder das Vorliegen/die Anzahl von unzulässigen Werten der Ortsfunktion fz(x) umfassen. Dabei werden Ortsfunktionen, die schärfer sind, deren zugehörige Fouriertransformierten Fz(kx) ein breiteres Frequenzspektrum aufweisen, und/oder die keine oder weniger unzulässige Werten aufweisen, bzw. Kombinationen davon, als besser bewertet.In step 108 an evaluation of the respective result F z (kx) or f z (x) takes place. A rating may include, for example, the criteria sharpness of f z (x) and / or width of the frequency spectrum of F z (kx) and / or the presence / number of impermissible values of the spatial function f z (x). In this case, location functions which are sharper, whose associated Fourier transform F z (kx) have a broader frequency spectrum, and / or which have no or less impermissible values, or combinations thereof, are rated as better.

In Schritt 110 erfolgt dann anhand der Bewertung die Zuordnung der wahrscheinlichsten Tiefe. Die Objekt-Tiefe wird als die Tiefe bestimmt, die der PSF entspricht, welche die am besten bewertete bzw. wahrscheinliche Inversion geliefert hat. Im Falle von zwei gleich gut bewerteten PSF bzw. Inversionen kann eine Mittelwertbildung vorgenommen werden.In step 110 then the allocation of the most probable depth is made on the basis of the evaluation. The object depth is determined to be the depth corresponding to the PSF that has delivered the best valued or likely inversion. In the case of two equally well evaluated PSF or inversions, an averaging can be performed.

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen 9 bis 12. 9 zeigt das Abbild h(x) eines Objekts, das mit einem Mikrowellenstrahler aufgenommen wurde, aufgeteilt nach Real- und Imaginärteil davon.To illustrate the operation of the method according to the invention serve 9 to 12 , 9 shows the image h (x) of an object taken with a microwave radiator, divided into real and imaginary parts thereof.

Unter Verwendung der PSFs g(x) des Mikrowellenstrahlers, wie sie für 15 mm, 20 mm und 21 mm Tiefe ermittelt wurden, lassen sich drei Objekte f(x) rekonstruieren, wie sie in den 10 bis 12 dargestellt sind. 10 und 12 zeigen starke Verrundungen und Welligkeiten („Unschärfen”) sowie ungültige negative Werte, die bei einer Ortsfunktion nicht vorkommen dürften. Hier wurde offensichtlich nicht die PSF aus der korrekten Tiefenlage im Inversionsverfahren verwendet.Using the PSFs g (x) of the microwave radiator, as determined for 15 mm, 20 mm and 21 mm depth, three objects f (x) can be reconstructed, as described in the 10 to 12 are shown. 10 and 12 show strong fillets and ripples ("blurs") and invalid negative values, which should not occur in a location function. Here became obvious not used the PSF from the correct depth in the inversion process.

Im Gegensatz dazu ist die Ortsfunktion f(x) aus 11 scharf konturiert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren würde daher im Vergleich der drei rekonstruierten Ortsfunktionen geschlossen, dass sich das Objekt mit rechteckförmigem Permittivitätsverlauf (inklusive zweier lokaler Einbrüche) in 20 mm Tiefe befindet.In contrast, the location function f (x) is off 11 sharply contoured. In accordance with the method according to the invention, it is therefore concluded in comparison of the three reconstructed spatial functions that the object with a rectangular permittivity profile (including two local burglaries) is located at a depth of 20 mm.

Eine automatisierte Bewertung, welches der Inversionsergebnisse das Objekt möglichst korrekt repräsentiert, kann bevorzugt mittels des Frequenzspektrums von Fz(kx) erfolgen. Zu diesem Zweck werden die Ortsfrequenzspektren der für PSFs unterschiedlicher Tiefenlage ermittelten Objekte F(kx) verglichen. Diese Spektren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohnehin berechnet. Die resultierenden Spektren sind umso breiter, je abrupter/sprunghafter das rekonstruierte Objekt im Ortsbereich ist. In dem Beispiel der 9 bis 12 weist das Objekt in 11 das im Vergleich breiteste Spektrum auf und definiert demzufolge am ehesten die Tiefenlage des Objekts.An automated evaluation, which represents the object of the inversion results as correctly as possible, can preferably take place by means of the frequency spectrum of F z (kx). For this purpose, the spatial frequency spectra of the objects F (kx) determined for PSFs of different depths are compared. These spectra are calculated anyway in the method according to the invention. The resulting spectra are the wider, the more abrupt / erratic the reconstructed object is in the local area. In the example of 9 to 12 assigns the object in 11 the broadest spectrum in the comparison and therefore defines the depth of the object most likely.

In 13 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Ein vergleichsweise flaches Werkstück 4 mit einer Störstelle 1 ist bereitgestellt. Ein Mikrowellenstrahler 2 mit eindeutig in Richtung der z-Koordinate variierender Punktspreizfunktion ist bereitgestellt. Ein Sensor 3, der angepasst ist, die Reflexion der vom Mikrowellenstrahler 2 ausgesandten und am Werkstück 4 reflektierten Mikrowelle zu messen, ist mit einer Prozessoreinheit 6 verbunden. Der Sensor 3 kann grundsätzlich auch eine externe Empfangseinheit/-Antenne – d. h. von der Sendeeinheit/-Antenne 2 getrennte Einheit – umfassen, bevorzugt wird aber für das Senden und Empfangen dieselbe Antenne verwendet. Dies ist bei der Beschreibung der 15 noch näher erläutert.In 13 schematically a device according to the invention is shown, which is adapted to carry out the method according to the invention. A comparatively flat workpiece 4 with an impurity 1 is provided. A microwave radiator 2 with unique point spread function varying in the direction of the z coordinate is provided. A sensor 3 which is adapted to the reflection of the microwave radiator 2 emitted and on the workpiece 4 Measuring reflected microwave is with a processor unit 6 connected. The sensor 3 can basically also an external receiver unit / antenna - that of the transmitting unit / antenna 2 separate unit - but preferably the same antenna is used for transmission and reception. This is in the description of 15 explained in more detail.

Die Prozessoreinheit 6 ist mit der Verfahreinrichtung 10 verbunden bzw. ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Werkstücks 4, d. h. Richtung (hier durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet) und Geschwindigkeit des Verfahrvorgangs, zu erkennen, um das Abbilden durch Zuordnen der gemessenen Reflexion zu der jeweiligen Position auf dem Werkstück zu ermöglichen. Dies kann indirekt, etwa durch optisches Bestimmen der Bewegung/Geschwindigkeit der Oberfläche des Werkstücks oder durch eine entsprechende Verbindung mit dem Antrieb der Verfahreinrichtung erfolgen.The processor unit 6 is with the shuttle 10 connected or is adapted to the movement of the workpiece 4 , ie direction (indicated here by the solid arrows) and speed of movement, to enable imaging by associating the measured reflection with the respective position on the workpiece. This can be done indirectly, for example by optically determining the movement / speed of the surface of the workpiece or by a corresponding connection to the drive of the displacement device.

Die Prozessoreinheit 6 ist wiederum mit einer Speichereinheit 8 verbunden, in der für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks die PSF des Mikrowellenstrahlers 2 gespeichert ist. In dieser Ausführungsform wird das Werkstück 4 gegenüber dem Mikrowellenstrahler 2 verfahren, mittels eines schematisch gezeigten Verfahrtisches 10. In alternativen Ausführungsformen kann die Werkstückaufnahme fest sein und der Mikrowellenstrahler 2 demgegenüber bewegt werden. Auch Kombinationen aus sowohl verfahrbarem Mikrowellenstrahler 2 als auch verfahrbarer Werkstückaufnahme sind denkbar.The processor unit 6 is in turn with a storage unit 8th connected, in the at least n different depths z n of the workpiece, the PSF of the microwave radiator 2 is stored. In this embodiment, the workpiece 4 opposite the microwave radiator 2 method, by means of a schematically shown Verfahrisches 10 , In alternative embodiments, the workpiece holder may be fixed and the microwave emitter 2 be moved in contrast. Also combinations of both movable microwave emitters 2 as well as movable workpiece holder are conceivable.

Ebenfalls in dieser 13 angedeutet ist eine Ausführungsform, in der der Bereich der Störstelle 1 mit zwei linienförmigen Wegen abgefahren wird, die einen Winkel größer Null einschließen. Ein bevorzugter Winkel ist 90°, andere sind aber ebenfalls möglich, ebenso wie mehr als zwei linienförmige Abfahrvorgänge. Durch Mittelung der Tiefenlagen, die sich für jeden einzelnen Linienweg ergeben, kann damit die reale z-Position der Störstelle 1 noch genauer ermittelt werden.Also in this 13 indicated is an embodiment in which the area of the impurity 1 is traversed with two linear paths, which include an angle greater than zero. A preferred angle is 90 °, but others are also possible, as are more than two linear descents. By averaging the depths that result for each individual line path, so can the real z-position of the impurity 1 be determined in more detail.

Es wird angemerkt, dass weitere Elemente wie die Energieversorgung/Ansteuerung des Mikrowellenstrahlers 2 sowie eine oder mehrere Schnittstellen der Vorrichtung zu externen Anzeigeeinrichtungen und/oder Datenverarbeitungsanlagen zur Steuerung der Vorrichtung, Anzeige von Messergebnissen bzw. Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten hier nur angedeutet sind. Diese Elemente können in bekannter herkömmlicher Weise ausgeführt sein, etwa in Form eines Bildschirms und einer Standard-Daten-Schnittstelle zu einem Computer.It is noted that other elements such as the power supply / control of the microwave radiator 2 and one or more interfaces of the device to external display devices and / or data processing systems for controlling the device, display of measurement results or further processing of the data obtained are only hinted at here. These elements may be implemented in a known conventional manner, such as in the form of a screen and a standard data interface to a computer.

14 zeigt zwei verschiedene Alternativen für ein Abtastmuster eines Werkstücks. Eine Abtastung kann in dem unter A) gezeigten Muster mit parallelen Streifen erfolgen. In einer unter B) gezeigten Abtastung kann dies noch mit zusätzlichen parallelen Streifen ergänzt werden, so dass sich insgesamt eine Abtastung mit gekreuzten Wegen ergibt. 14 shows two different alternatives for a scanning pattern of a workpiece. Scanning may be done in the parallel stripe pattern shown at A). In a sample shown under B), this can be supplemented with additional parallel stripes, so that overall results in a scan with crossed paths.

15 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Messung des komplexen Reflexionsfaktors, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Reflexionsfaktor elektromagnetischer Wellen ist definiert als das Verhältnis von reflektierter zu hinlaufender Spannungswelle an einem Ort des Wellenleiters. Da die genannten Spannungswellen grundsätzlich komplexer Natur sind, besitzt auch der Reflexionsfaktor einen komplexen Wert. 15 shows a block diagram of a circuit for measuring the complex reflection factor, as it can be used in the present invention. The reflection factor of electromagnetic waves is defined as the ratio of reflected to outgoing voltage wave at a location of the waveguide. Since the voltage waves mentioned are basically of a complex nature, the reflection factor also has a complex value.

Der komplexe Reflexionsfaktor wird dadurch ermittelt, dass die hochfrequenten Signale von hinlaufender und reflektierter Welle getrennt auf die Eingänge von Mischern gegeben und die Signale auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt werden. Der erste Mischer liefert dann ein Signal, das dem Realteil des Reflexionsfaktors entspricht (die sogenannte Inphase bzw. I-Komponente). Der zweite Mischer – dem im Unterschied zum ersten Mischer ein um 90° phasenverschobenes Signal der hinlaufenden Welle zugeführt wird – liefert zusätzlich den Imaginärteil des Reflexionsfaktors (die sogenannte Quadratur bzw. Q-Komponente).The complex reflection factor is determined by separately supplying the high-frequency signals from the traveling and reflected waves to the inputs of mixers and converting the signals to an intermediate frequency. The first mixer then supplies a signal which corresponds to the real part of the reflection factor (the so-called in-phase or I-component). The second mixer - which, in contrast to the first mixer, a 90 ° out of phase signal is supplied to the outgoing wave - also provides the imaginary part of the reflection factor (the so-called quadrature or Q component).

15 zeigt ein Blockschaltbild eines monostatischen Systems zur Messung des komplexen Reflexionsfaktors. Bei dieser monostatischen Antennenkonfiguration wird sowohl für die Bestrahlung der Probe als auch für den Empfang des reflektierten Signals dieselbe Antenne verwendet. Der Oszillator und der Verstärker dienen zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung. Ein Leistungsteiler teilt die Mikrowellenstrahlung auf zwei Pfade auf. Der erste Pfad führt über einen Zirkulator zur Antenne; über diesen Pfad wird die Mikrowellenstrahlung auf die Probe abgestrahlt. 15 shows a block diagram of a monostatic system for measuring the complex reflection factor. In this monostatic antenna configuration, the same antenna is used for both the irradiation of the sample and the reception of the reflected signal. The oscillator and the amplifier are used to generate the microwave radiation. A power divider divides the microwave radiation into two paths. The first path leads via a circulator to the antenna; The microwave radiation is emitted to the sample via this path.

Der zweite Pfad führt die Mikrowellenstrahlung als Referenz in den Mischer. Die von der Probe reflektierte Mikrowellenstrahlung wird von der Antenne empfangen und über den Zirkulator dem I/Q-Mischer zugeführt. Referenzsignal und reflektiertes Mikrowellensignal werden in diesem I/Q Mischer auf die gewünschte Zwischenfrequenz umgesetzt. Damit das Ergebnis sowohl den Realteil (I) als auch den Imaginärteil (Q) des Reflexionsfaktors umfasst, beinhaltet der I/Q-Mischer die folgenden, internen Komponenten:

  • – Zwei separate Mischer, einen für den Realteil, einen für den Imaginärteil;
  • – Einen Leistungsteiler, um das reflektierte Mikrowellensignal beiden Mischern zur Verfügung stellen zu können;
  • – Einen Koppler, der nicht nur das Referenzsignal für beide Mischer aufteilt, sondern einen Pfad mit einer zusätzlichen Phasendrehung von 90° versieht;
The second path guides the microwave radiation into the mixer as a reference. The microwave radiation reflected from the sample is received by the antenna and fed to the I / Q mixer via the circulator. Reference signal and reflected microwave signal are converted to the desired intermediate frequency in this I / Q mixer. For the result to include both the real part (I) and the imaginary part (Q) of the reflection factor, the I / Q mixer includes the following internal components:
  • - Two separate mixers, one for the real part, one for the imaginary part;
  • A power divider to provide the reflected microwave signal to both mixers;
  • - A coupler that not only splits the reference signal for both mixers, but provides a path with an additional phase rotation of 90 °;

Schließlich erfolgt noch sowohl auf dem Inphase- als auch dem Quadratur-Pfad eine Tiefpassfilterung der Zwischenfrequenz.Finally, there is a low-pass filtering of the intermediate frequency on both the in-phase and quadrature paths.

Das Prinzip des Mischens zur Bestimmung des komplexen Reflexionsfaktors wird unabhängig von der Antennenkonfiguration (mono- oder bistatisch) angewendet.The principle of mixing to determine the complex reflection factor is applied regardless of the antenna configuration (mono- or bistatic).

Claims (17)

Verfahren zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts innerhalb eines dielektrischen Werkstücks, wobei die Permittivität des Objektes von der des Werkstücks abweicht, umfassend: – Bereitstellen des Werkstücks; – Bereitstellen eines Mikrowellenstrahlers mit eindeutig in Richtung der z-Koordinate variierender Punktspreizfunktion, wobei die jeweilige Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks bekannt ist; – Abbilden eines Bereichs des Werkstücks, der das Objekt enthält, durch Bestrahlung des Bereichs mit dem Mikrowellenstrahler und Messen der Reflexion; – Bilden von n Inversionen des Abbildes basierend auf den n Punktspreizfunktionen PSFn und Bewerten der n Inversionen; und – Bestimmen der Tiefe des Objekts als die Tiefe zn, deren zugehörige Punktspreizfunktion PSFn die wahrscheinlichste Inversion liefert.A method for determining the depth of an object within a dielectric workpiece, wherein the permittivity of the object is different from that of the workpiece, comprising: - providing the workpiece; - Providing a microwave radiator with clearly in the direction of the z-coordinate varying point spread function, wherein the respective point spread PSF n for at least n different depths z n of the workpiece is known; Imaging an area of the workpiece containing the object by irradiating the area with the microwave radiator and measuring the reflection; Forming n inversions of the image based on the n point spread functions PSF n and evaluating the n inversions; and determining the depth of the object as the depth z n , whose associated point spread function PSF n provides the most likely inversion. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: – Bestimmen der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks.The method of claim 1, further comprising: determining the respective point spreading function PSF n for at least n different depths z n of the workpiece. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bilden einer Inversion umfasst: – Fouriertransformieren des Abbildes h(x), um die Fouriertransformation H(kx) zu erhalten; – Fouriertransformieren der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn g(x), um die Fouriertransformation G(kx) zu erhalten; – Dividieren der Fouriertransformation des Abbildes H(kx) durch die Fouriertransformation der Punktspreizfunktion PSFn G(kx), um die Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten; und – Fourier-Rücktransformieren der Fouriertransformation F(kx), um die Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten.Method according to one of the preceding claims, wherein forming an inversion comprises: Fourier transforming the image h (x) to obtain the Fourier transform H (kx); Fourier transforming the respective point spread function PSF n g (x) to obtain the Fourier transform G (kx); Dividing the Fourier transform of the image H (kx) by the Fourier transform of the point spread function PSF n G (kx) to obtain the Fourier transform F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; and Fourier inverse transforming the Fourier transform F (kx) to obtain the spatial function f (x) of the permittivity of the object. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bewerten einer Inversion auf der Basis von einem oder mehreren der folgenden Kriterien beruht: – Schärfe der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Breite des Spektrums der Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Vorliegen unzulässiger Werte der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Größe des Imaginärteils der Ortsfunktion f(x) des Objekts; und wobei Inversionen als wahrscheinlicher bewertet werden, die eine schärfere Ortsfunktion f(x) ergeben und/oder deren Fouriertransformation F(kx) ein breiteres Spektrum aufweisen und/oder die eine Ortsfunktion f(x) mit weniger unzulässigen Werten und/oder eine Ortsfunktion f(x) mit einem kleineren Imaginärteil ergeben.The method of any one of the preceding claims, wherein the rating of an inversion is based on one or more of the following criteria: - sharpness of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; Width of the spectrum of the Fourier transformation F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; - presence of impermissible values of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; Size of the imaginary part of the spatial function f (x) of the object; and wherein inversions which give a sharper spatial function f (x) and / or whose Fourier transformation F (kx) have a broader spectrum and / or a spatial function f (x) with less impermissible values and / or a spatial function f are considered to be more probable (x) with a smaller imaginary part. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbilden des Bereichs des Werkstücks umfasst: – Verfahren des Mikrowellenstrahlers und des Werkstücks relativ zu einander, um den Bereich abzubilden.The method of any one of the preceding claims, wherein mapping the area of the workpiece comprises: - Moving the microwave radiator and the workpiece relative to each other to image the area. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das relative Verfahren entlang eines im Wesentlichen linienförmigen Weges innerhalb des Bereichs erfolgt. The method of claim 5, wherein the relative method is along a substantially linear path within the range. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Tiefen-Bestimmung des Objekts mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge umfasst, wobei die mindestens zwei im Wesentlichen linienförmigen Wege einen Winkel größer Null einschließen, und wobei die Tiefe des Objekts als Mittelwert der jeweils bestimmten Tiefen der mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge bestimmt wird.The method of claim 6, wherein the depth determination of the object comprises at least two depth-determining operations, wherein the at least two substantially linear paths include an angle greater than zero, and wherein the depth of the object as an average of the respective determined depths of the at least two Depth determination operations is determined. Programm-Produkt, umfassend computerlesbare Anweisungen, die bei Ausführung auf einer Computervorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 16 ausführen.A program product comprising computer readable instructions executing a method according to any one of claims 1 to 7 or 16 when executed on a computing device. Programm-Produkt nach Anspruch 8, gespeichert auf einem computerlesbaren Medium.A program product according to claim 8 stored on a computer readable medium. Vorrichtung zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts mit abweichender Permittivität innerhalb eines dielektrischen Werkstücks, umfassend: – einen Mikrowellenstrahler mit eindeutig in Richtung der z-Koordinate variierender Punktspreizfunktion; – einen Speicher, der die jeweilige Punktspreizfunktion PSFn für mindestens n verschiedene Tiefen zn des Werkstücks speichert; – eine Verfahr-Anordnung, die angepasst ist, den Mikrowellenstrahler und das Werkstück relativ zu einander zu verfahren, um einen Bereich abzubilden, der das Objekt enthält; – einen Sensor, der angepasst ist, die Reflexion des Mikrowellenstrahlers zu messen; und – eine Prozessoreinheit, die mit dem Speicher und dem Sensor verbunden und angepasst ist, um – n Inversionen des Abbildes basierend auf den n Punktspreizfunktionen PSFn zu bilden und die n Inversionen zu bewerten; und – die Tiefe des Objekts als die Tiefe zn zu bestimmen, deren zugehörige Punktspreizfunktion PSFn die wahrscheinlichste Inversion liefert.Device for determining the depth of an object with different permittivity within a dielectric workpiece, comprising: a microwave radiator having a point spreading function that varies uniquely in the direction of the z coordinate; A memory which stores the respective point spreading function PSF n for at least n different depths z n of the workpiece; A traverse device adapted to move the microwave emitter and the workpiece relative to each other to image an area containing the object; A sensor adapted to measure the reflection of the microwave radiator; and a processor unit connected to the memory and the sensor and adapted to form inversions of the image based on the n point spread functions PSF n and to evaluate the n inversions; and to determine the depth of the object as the depth z n , whose associated point spread function PSF n provides the most likely inversion. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, das Bewerten einer Inversion auf der Basis von ein oder mehreren der folgenden auszuführen: – Schärfe der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Breite des Spektrums der Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Vorliegen unzulässiger Werte der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts; – Größe des Imaginärteils der Ortsfunktion f(x) des Objekts; und wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, Inversionen als wahrscheinlicher zu bewerteten, die eine schärfere Ortsfunktion f(x) ergeben und/oder deren Fouriertransformation F(kx) ein breiteres Spektrum aufweisen und/oder die eine Ortsfunktion f(x) mit weniger unzulässigen Werten und/oder eine Ortsfunktion f(x) mit einem kleineren Imaginärteil ergeben.The apparatus of claim 10, wherein the processor unit is adapted to perform the evaluation of an inversion based on one or more of the following: - sharpness of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; Width of the spectrum of the Fourier transformation F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; - presence of impermissible values of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; Size of the imaginary part of the spatial function f (x) of the object; and wherein the processor unit is adapted, inversions which are more likely to be evaluated, which yield a sharper spatial function f (x) and / or whose Fourier transformation F (kx) have a broader spectrum and / or which have a spatial function f (x) with less impermissible values and / or give a location function f (x) with a smaller imaginary part. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, das Bilden einer Inversion auszuführen durch: – Fouriertransformieren des Abbildes h(x), um die Fouriertransformation H(kx) zu erhalten; – Fouriertransformieren der jeweiligen Punktspreizfunktion PSFn g(x), um die Fouriertransformation G(kx) zu erhalten; – Dividieren der Fouriertransformation des Abbildes H(kx) durch die Fouriertransformation der Punktspreizfunktion PSFn G(kx), um die Fouriertransformation F(kx) der Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten; und – Fourier-Rücktransformieren der Fouriertransformation F(kx), um die Ortsfunktion f(x) der Permittivität des Objekts zu erhalten.Apparatus according to claim 10 or 11, wherein the processor unit is adapted to perform the formation of an inversion by: Fourier transforming the image h (x) to obtain the Fourier transform H (kx); Fourier transforming the respective point spread function PSF n g (x) to obtain the Fourier transform G (kx); Dividing the Fourier transform of the image H (kx) by the Fourier transform of the point spread function PSF n G (kx) to obtain the Fourier transform F (kx) of the spatial function f (x) of the permittivity of the object; and Fourier inverse transforming the Fourier transform F (kx) to obtain the spatial function f (x) of the permittivity of the object. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Verfahr-Anordnung angepasst ist, das relative Verfahren des Mikrowellenstrahlers und des Werkstücks entlang eines im Wesentlichen linienförmigen Weges innerhalb des Bereichs auszuführen.The apparatus of any one of claims 10 to 12, wherein the traverse assembly is adapted to perform the relative movement of the microwave emitter and the workpiece along a substantially linear path within the range. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vorrichtung angepasst ist, die Tiefen-Bestimmung des Objekts mit mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgängen entlang im Wesentlichen linienförmiger Wege auszuführen, die einen Winkel größer Null einschließen, und wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, die Tiefe des Objekts als Mittelwert der jeweils bestimmten Tiefen der mindestens zwei Tiefen-Bestimmungs-Vorgänge zu bestimmen.The apparatus of any one of claims 10 to 13, wherein the apparatus is adapted to perform the depth determination of the object with at least two depth-determining operations along substantially line-shaped paths including an angle greater than zero, and wherein the processor unit is adapted. determine the depth of the object as an average of the respective determined depths of the at least two depth-determining operations. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Mikrowellenstrahler ein Hohlleiter-Strahler, bevorzugt ein Rechteckhohlleiter-Strahler mit Flansch ist.Device according to one of claims 10 to 14, wherein the microwave radiator is a waveguide radiator, preferably a rectangular waveguide radiator with flange. Verfahren zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts innerhalb eines dielektrischen Werkstücks, wobei die Permittivität des Objektes von der des Werkstücks abweicht, umfassend: – Bereitstellen des Werkstücks; – Bereitstellen mindestens eines fokussierenden Mikrowellenstrahlers; – erstes Abbilden eines Bereichs des Werkstücks, der das Objekt enthält, durch Bestrahlung des Bereichs mit dem mindestens einen Mikrowellenstrahler in einem ersten Winkel φ1 und Messen der Reflexion; – zweites Abbilden des Bereichs des Werkstücks durch Bestrahlung des Bereichs mit dem mindestens einen Mikrowellenstrahler in einem zweiten Winkel φ2, der von dem ersten Winkel φ1 verschieden ist, und Messen der Reflexion; – Bestimmen der jeweiligen Reflexionsmaxima des ersten und des zweiten Abbildens und des Abstands d der Reflexionsmaxima; und – Bestimmen der Tiefe des Objekts basierend auf dem Abstand d und der Winkeldifferenz zwischen φ1 und φ2.A method for determining the depth of an object within a dielectric workpiece, wherein the permittivity of the object is different from that of the workpiece, comprising: - providing the workpiece; - Providing at least one focusing microwave radiator; First imaging a region of the workpiece containing the object by irradiating the region with the at least one microwave emitter at a first angle φ 1 and measuring the reflection; Second imaging the region of the workpiece by irradiating the region with the at least one microwave emitter at a second angle φ 2 different from the first angle φ 1 and measuring the reflection; Determining the respective reflection maxima of the first and second imaging and the distance d of the reflection maxima; and determining the depth of the object based on the distance d and the angular difference between φ 1 and φ 2 . Vorrichtung zur Tiefenlage-Bestimmung eines Objekts innerhalb eines dielektrischen Werkstücks, wobei die Permittivität des Objektes von der des Werkstücks abweicht, umfassend: – mindestens einen fokussierenden Mikrowellenstrahler; – eine Verfahr-Anordnung, die angepasst ist, den mindestens einen Mikrowellenstrahler und das Werkstück relativ zu einander zu verfahren, um einen Bereich abzubilden, der das Objekt enthält; – einen Sensor, der angepasst ist, die Reflexion des Mikrowellenstrahlers zu messen; und – eine Prozessoreinheit, die mit dem Speicher und dem Sensor verbunden ist; – wobei die Verfahr-Anordnung angepasst ist, mindestens einen ersten Verfahr-Vorgang mit einem ersten Auftreffwinkel φ1 des Mikrowellenstrahls und einen zweiten Verfahr-Vorgang mit einem zweiten Auftreffwinkel φ2 des Mikrowellenstrahls auszuführen, der von dem ersten Winkel φ1 verschieden ist; – wobei die Prozessoreinheit angepasst ist, um – die jeweiligen Reflexionsmaxima des ersten und des zweiten Abbildens und des Abstands d der Reflexionsmaxima zu bestimmen; und – die Tiefe des Objekts basierend auf dem Abstand d und der Winkeldifferenz zwischen φ1 und φ2 zu bestimmen.Apparatus for depth determination of an object within a dielectric workpiece, wherein the permittivity of the object differs from that of the workpiece, comprising: - at least one focusing microwave emitter; A traverse arrangement adapted to move the at least one microwave emitter and the workpiece relative to each other to image a region containing the object; A sensor adapted to measure the reflection of the microwave radiator; and a processor unit connected to the memory and the sensor; - wherein the traversing arrangement is adapted to perform at least a first traversing operation with a first incidence angle φ 1 of the microwave beam and a second traversing operation with a second angle of incidence φ 2 of the microwave beam, which is different from the first angle φ 1 ; - wherein the processor unit is adapted to - determine the respective reflection maxima of the first and the second mapping and the distance d of the reflection maxima; and to determine the depth of the object based on the distance d and the angular difference between φ 1 and φ 2 .
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