DE102024111850A1 - METHOD AND SYSTEM FOR MATERIAL TESTING - Google Patents
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Abstract
Verfahren und Systeme zur Werkstoffuntersuchung sind eingerichtet, um eine optische Kohärenztomographie (OCT) an einem Werkstoff auszuführen. Dabei wird von einer Steuerlogik (40) eine Leistungsregulierungseinrichtung (21) in einem Referenzarm (20) gesteuert. Erzeugte OCT-Bilddaten werden rechnergestützt ausgewertet, um Defekte im Werkstoff zu identifizieren und/oder zu klassifizieren. Methods and systems for material testing are set up to perform optical coherence tomography (OCT) on a material. A control logic unit (40) controls a power regulation device (21) in a reference arm (20). The generated OCT image data are evaluated using computer processing to identify and/or classify defects in the material.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zur Werkstoffuntersuchung. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren und Systeme, mit denen oberflächennahe Defekte eines Werkstoffs detektiert und optional klassifiziert werden können.The invention relates to methods and systems for material testing. In particular, the invention relates to methods and systems with which near-surface defects of a material can be detected and optionally classified.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Oberflächennahe Defekte, die auch als SSDs („Sub Surface Damages“) bezeichnet werden, sind strukturelle Beeinträchtigungen, die sich knapp unterhalb der Oberfläche eines Materials befinden. Diese Defekte können die Materialeigenschaften erheblich beeinflussen. Daher ist ihre Untersuchung in vielen Bereichen wie der Halbleiterindustrie, bei optischen Werkstoffen oder in der Präzisionsmechanik von großer Bedeutung.Subsurface defects, also known as SSDs (“subsurface damage”), are structural impairments located just below the surface of a material. These defects can significantly affect material properties. Therefore, their investigation is of great importance in many fields, such as the semiconductor industry, optical materials, and precision mechanics.
Im industriellen Umfeld für Werkstoffe, also nicht-biologische Komponenten, beinhalten herkömmliche SSD-Messverfahren beispielsweise das Keilpolieren und Anätzen, röntgenographische Messverfahren oder Rissprüfung mit Eindring-Lacken und UV-Beleuchtung. Alle diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie die Oberflächen kontaminieren, die Materialeigenschaften ändern und/oder sogar die Komponenten zerstören.In industrial settings for materials, i.e., non-biological components, conventional solid surface detection (SSD) methods include, for example, wedge polishing and etching, X-ray diffraction, or crack testing with penetrant varnishes and UV illumination. All these methods have the disadvantage of contaminating surfaces, altering material properties, and/or even destroying components.
Somit besteht weiter ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Systemen zur Werkstoffuntersuchung.Therefore, there remains a need for improved methods and systems for materials testing.
Die
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Es besteht somit weiterhin ein Bedarf in der Technik an Verfahren und Systemen, die zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen eingerichtet sind. Insbesondere besteht ein Bedarf an derartigen Verfahren und Systemen, mit denen wenigstens optische Werkstoffe, beispielsweise Komponenten für optische Systeme aus Glas und/oder einem optischen Kunststoff, untersucht werden können.There is therefore a continued need in the field of technology for methods and systems designed for the non-destructive testing of materials. In particular, there is a need for such methods and systems that can be used to test at least optical materials, for example, components for optical systems made of glass and/or an optical polymer.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Systeme bereitzustellen, die zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen eingerichtet sind. Es ist insbesondere eine Aufgabe, Verfahren und Systeme bereitzustellen, die zur Untersuchung von wenigstens optischen Werkstoffen eingerichtet sind, beispielsweise von Komponenten für optische Systeme aus Glas und/oder einem optischen Kunststoff. Es ist auch eine Aufgabe, Verfahren und Systeme bereitzustellen, mit denen eine Messung an einem Werkstoff so zerstörungsfrei ausführbar ist, dass oberflächennahe Defekte zuverlässig im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erkannt und optional klassifiziert werden können.It is an object of the present invention to provide methods and systems designed for the non-destructive testing of materials. In particular, it is an object to provide methods and systems designed for testing at least optical materials, for example, components for optical systems made of glass and/or an optical polymer. It is also an object to provide methods and systems with which measurements on a material can be performed so non-destructively that near-surface defects can be reliably detected and optionally classified compared to conventional techniques.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren ein System angegeben, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsbeispiele.According to the invention, a method and a system are specified as defined in the independent claims. The dependent claims define preferred and advantageous embodiments.
Nach einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Werkstoffuntersuchung angegeben, das Folgendes aufweist: Ausführen einer optischen Kohärenztomographie (OCT) an einem Werkstoff mit einer OCT-Anordnung, um OCT-Bilddaten zu erzeugen; und Auswerten der OCT-Bilddaten. Dabei weist die OCT-Anordnung Folgendes auf: einen Messarm, der zum Scannen des Werkstoffs eingerichtet ist; einen Referenzarm; eine Strahlungsquelle zum Erzeugen kohärenter Strahlung für den Messarm und den Referenzarm; und einen Detektor zum Erfassen einer kohärenten Überlagerung der kohärenten Strahlung aus dem Referenzarm und dem Messarm. Der Referenzarm weist wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung auf, die beim Erfassen der OCT-Bilddaten von einer Steuerlogik gesteuert wird.According to one aspect, the invention relates to a method for material testing, which comprises: performing optical coherence tomography (OCT) on a material using an OCT array to generate OCT image data; and evaluating the OCT image data. The OCT array comprises: a measuring arm configured for scanning the material; a reference arm; a radiation source for generating coherent radiation for the measuring arm and the reference arm; and a detector for detecting a coherent superposition of the coherent radiation from the reference arm and the measuring arm. The reference arm includes at least one power control device, which is controlled by a control logic during the acquisition of the OCT image data.
Durch das Verfahren werden verschiedene technische Effekte erreicht. Durch die Verwendung einer OCT-Anordnung kann das Verfahren zur Werkstoffuntersuchung an optischen Werkstoffen eingesetzt werden. Die OCT- Anordnung kann dabei 2-dimensionale oder 3-dimensionale OCT-Bilddaten erzeugen, die die Identifizierung und optional auch die Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs ermöglichen. Durch die Steuerung der Leistungsregulierungseinrichtung im Referenzarm der OCT-Anordnung, die von der Steuerlogik automatisch ausgeführt werden kann, kann die OCT-Bildgebung so erfolgen, dass die zuverlässige Identifizierung und optional Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs möglich ist.The process achieves various technical effects. By using an OCT setup, the method can be applied to the material analysis of optical materials. The OCT setup can generate 2D or 3D OCT image data, enabling the identification and, optionally, the classification of near-surface defects within the material. Through the control By adjusting the power control device in the reference arm of the OCT arrangement, which can be executed automatically by the control logic, OCT imaging can be performed in such a way that reliable identification and optional classification of near-surface defects within the material is possible.
Die Steuerlogik kann die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung basierend auf einer Intensitätsvarianz eines von dem Detektor erfassten Interferenzmusters steuern.The control logic can control at least one power regulation device based on an intensity variance of an interference pattern detected by the detector.
Dadurch ist die OCT-Anordnung so ausgestaltet, dass durch Steuerung der Leistungsregulierungseinrichtung die Intensitätsvarianz automatisch derart optimiert wird, dass gute OCT-Ergebnisse erzielt werden können. Dadurch wird die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs mit höherer Genauigkeit ermöglicht.The OCT setup is designed so that the intensity variance is automatically optimized by controlling the power regulation device to achieve good OCT results. This enables the identification and/or classification of near-surface defects within the material with higher accuracy.
Die Steuerlogik kann die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung basierend auf einem Gleichlichtanteil und einem Mischlichtanteil eines von dem Detektor erfassten Interferenzmusters steuern.The control logic can control at least one power regulation device based on a uniform light component and a mixed light component of an interference pattern detected by the detector.
Dadurch ist die OCT-Anordnung so ausgestaltet, dass OCT automatisch derart optimiert wird, dass gute OCT-Ergebnisse erzielt werden können. Dadurch wird die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs mit höherer Genauigkeit ermöglicht.The OCT setup is designed to automatically optimize OCT to achieve good results. This enables the identification and/or classification of near-surface defects within the material with higher accuracy.
Die Steuerlogik kann die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung basierend auf dem Intensitätsvarianz und basierend auf Detektoreigenschaften, insbesondere basierend auf einem dynamischen Bereich des Detektors, steuern.The control logic can control at least one power regulation device based on the intensity variance and based on detector properties, in particular based on a dynamic range of the detector.
Dadurch ist die OCT-Anordnung so ausgestaltet, dass durch Steuerung der Leistungsregulierungseinrichtung die Intensitätsvarianz automatisch unter Berücksichtigung der Detektoreigenschaften derart optimiert wird, dass gute OCT-Ergebnisse erzielt werden können. Dadurch wird die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs mit höherer Genauigkeit ermöglicht.The OCT setup is designed so that the intensity variance is automatically optimized by controlling the power regulation device, taking the detector characteristics into account, to achieve good OCT results. This enables the identification and/or classification of near-surface defects within the material with higher accuracy.
Die Steuerlogik kann die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung sowie eine Ausgangsleistung der Strahlungsquelle so steuern, dass die Intensitätsvarianz den dynamischen Bereich des Detektors weitgehend oder vollständig ausnutzt.The control logic can control at least one power regulation device and one output power of the radiation source in such a way that the intensity variance largely or completely utilizes the dynamic range of the detector.
Dadurch ist die OCT-Anordnung so ausgestaltet, dass die Steuerlogik die Leistungsregulierungseinrichtung automatisch derart angesteuert, dass der dynamische Bereich des Detektors weitgehend oder vollständig ausgenutzt wird. Dadurch wird die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs mit höherer Genauigkeit ermöglicht. Da die OCT-Anordnung zur Messung an einem Werkstoff, bei dem es sich um eine nichtbiologisches Objekt handelt, eingesetzt wird, muss bei der Steuerung der Ausgangsleistung der Strahlungsquelle nicht auf physiologische Gegebenheiten Rücksicht genommen werden. Insbesondere kann die Steuerlogik so eingerichtet sein, dass sie die Ausgangsleistung der Strahlungsquelle bis auf eine Leistung erhöht, die für biologische und insbesondere medizinische Anwendungen nicht akzeptabel ist, aber zur Werkstoffprüfung verwendbar ist.The OCT setup is designed so that the control logic automatically adjusts the power regulation device to utilize the detector's dynamic range to a large extent or completely. This enables the identification and/or classification of near-surface defects within the material with higher accuracy. Since the OCT setup is used for measurements on a material that is not a biological object, physiological factors do not need to be considered when controlling the radiation source's output power. In particular, the control logic can be configured to increase the radiation source's output power to a level that is unacceptable for biological and especially medical applications, but is suitable for materials testing.
Die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung kann eingerichtet sein, eine optische Strahlungsleistung im Referenzarm stufenweise in mehreren Stufen oder kontinuierlich zu dämpfen.At least one power control device can be configured to attenuate optical radiation power in the reference arm stepwise in several stages or continuously.
Dadurch kann die Steuerlogik die Leistungsregulierungseinrichtung, optional auch die Ausgangsleistung der Strahlungsquelle, kontinuierlich oder stufenweise in den mehreren Stufen einstellen, um eine gewünschte Intensitätsvarianz am Detektor zu erreichen. Die Steuerlogik kann dabei eingerichtet sein, abhängig von einem am zu prüfenden Werkstoff erhaltenen Ausgangssignal oder Ausgangsdaten des Detektors die Leistungsregulierungseinrichtung, optional auch die Ausgangsleistung der Strahlungsquelle, anzusteuern. Sobald die Intensitätsvarianz ein gewünschtes Gütekriterien erfüllt, beispielsweise den dynamischen Bereich des Detektors wenigstens weitgehend oder vollständig überdeckt, kann die OCT-Bildgebung durchgeführt werden.This allows the control logic to continuously or stepwise adjust the power regulation device, and optionally the output power of the radiation source, in several stages to achieve a desired intensity variance at the detector. The control logic can be configured to control the power regulation device, and optionally the output power of the radiation source, depending on an output signal obtained from the material under test or output data from the detector. Once the intensity variance meets a desired quality criterion, for example, by at least largely or completely covering the dynamic range of the detector, OCT imaging can be performed.
Die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung kann eine Iris-Blende und einen Blendenantrieb zum Verstellen der Iris-Blende aufweisen. Die Steuerlogik kann den Blendenantrieb steuern.At least one power control device can include an iris diaphragm and an diaphragm drive for adjusting the iris diaphragm. The control logic can control the diaphragm drive.
Dadurch wird eine automatisierte Anpassung der optischen Dämpfung im Referenzarm unter Kontrolle der Steuerlogik ermöglicht. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Techniken OCT-Ergebnisse, mit denen die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs zerstörungsfrei und mit höherer Genauigkeit ermöglicht.This enables automated adjustment of the optical attenuation in the reference arm under the control of the control logic. Compared to conventional techniques, this allows for OCT results that enable the identification and/or classification of near-surface defects within the material non-destructively and with higher accuracy.
Der Referenzarm kann eine Strahlaufweitungsoptik aufweisen, die einen von der Strahlungsquelle erzeugten Strahl der kohärenten Strahlung im Referenzarm vor Auftreffen auf die Iris-Blende aufweitet.The reference arm may include beam expansion optics that expand a beam of coherent radiation generated by the radiation source in the reference arm before it strikes the iris aperture.
Dadurch wird eine feinere Anpassung der optischen Dämpfung im Referenzarm unter Kontrolle der Steuerlogik ermöglicht. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Techniken OCT-Ergebnisse, mit denen die Identifizierung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte innerhalb des Werkstoffs zerstörungsfrei und mit höherer Genauigkeit ermöglicht.This allows for finer adjustment of the optical attenuation in the reference arm under the control of the control logic. Compared to conventional techniques, this enables OCT results that allow for the non-destructive and more accurate identification and/or classification of near-surface defects within the material.
Die OCT kann eine polarisationssensitive OCT aufweisen oder sein. Die OCT-Anordnung kann einen Polarisator aufweisen, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Referenzarm sowie dem Messarm angeordnet ist.The OCT may be polarization-sensitive. The OCT setup may include a polarizer positioned between the radiation source and the reference arm, as well as the measurement arm.
Dadurch ist das Verfahren zur Detektion polarisationsabhängiger Effekte eingerichtet. Dies bietet Untersuchungsmöglichkeiten mit erhöhter Genauigkeit, beispielsweise im Hinblick auf die Detektion polarisationsabhängiger Effekte, die durch einen Defekt verursacht werden können.This establishes the procedure for detecting polarization-dependent effects. This offers investigation possibilities with increased accuracy, for example, with regard to the detection of polarization-dependent effects that may be caused by a defect.
Die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung kann für eine Lichtpolarisations-basierte Leistungsregulierung im Referenzarm eingerichtet sein.At least one power regulation device can be set up for light polarization-based power regulation in the reference arm.
Dadurch kann eine Polarisation der kohärenten Strahlung, die für eine polarisationssensitive OCT genutzt wird, in effizienter Weise auch für die Leistungsregulierung im Referenzarm genutzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die OCT-Anordnung für eine polarisationssensitive OCT eingerichtet ist, um Defekte basierend auf polarisationsabhängigen, mit der OCT-Anordnung erfassten Streueigenschaften zu detektieren und/oder zu klassifizieren.This allows the polarization of the coherent radiation used for polarization-sensitive OCT to be efficiently used for power regulation in the reference arm as well. This is particularly advantageous when the OCT array is configured for polarization-sensitive OCT to detect and/or classify defects based on polarization-dependent scattering properties acquired by the OCT array.
Die OCT-Anordnung kann einen Strahlteiler aufweisen, über den die von der Strahlungsquelle erzeugte kohärente Strahlung in den Referenzarm und den Messarm eintritt. Die OCT-Anordnung kann einen Polarisator aufweisen, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlteiler vorgesehen ist.The OCT setup can include a beam splitter through which the coherent radiation generated by the radiation source enters the reference arm and the measurement arm. The OCT setup can also include a polarizer positioned between the radiation source and the beam splitter.
Dadurch wird eine Polarisation der kohärenten Strahlung, die für polarisationsabhängige (beispielsweise polarisationssensitive) OCT genutzt wird, in effizienter Weise auch für die Leistungsregulierung im Referenzarm genutzt. Oberflächennahe Defekte können basierend auf den mit der OCT-Anordnung polarisationsabhängig erfassten OCT-Bilddaten im Vergleich zu herkömmlichen Techniken zuverlässiger erkannt und/oder klassifiziert werden.This allows the polarization of the coherent radiation, which is used for polarization-dependent (e.g., polarization-sensitive) OCT, to also be efficiently used for power regulation in the reference arm. Based on the polarization-dependent OCT image data acquired with the OCT array, near-surface defects can be detected and/or classified more reliably compared to conventional techniques.
Die Steuerlogik kann eingerichtet sein, den Polarisator zu steuern.The control logic can be set up to control the polarizer.
Dadurch wird eine polarisationsabhängige (beispielsweise polarisationssensitive) OCT unter Steuerung der Steuerlogik implementiert, wobei die Leistungsregulierung im Referenzarm durch die Steuerlogik koordiniert mit der Einstellung des Polarisators, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlteiler vorgesehen ist, erfolgen kann.This allows for the implementation of a polarization-dependent (e.g., polarization-sensitive) OCT under the control of the control logic, whereby the power regulation in the reference arm can be coordinated by the control logic with the setting of the polarizer, which is provided between the radiation source and the beam splitter.
Die wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung kann einen ersten Polarisationsfilter im Referenzarm aufweisen. Die Steuerlogik kann zum Beeinflussen des ersten Polarisationsfilters eingerichtet sein, beispielsweise durch Ansteuern eines den ersten Polarisationsfilter mechanisch verstellenden ersten Polarisationsfilterantriebs.At least one power control device can include a first polarization filter in the reference arm. The control logic can be configured to influence the first polarization filter, for example by controlling a first polarization filter drive that mechanically adjusts the first polarization filter.
Dadurch wird eine polarisationsabhängige (beispielsweise polarisationssensitive) OCT unter Steuerung der Steuerlogik implementiert, wobei eine Leistung im Referenzarm durch Beeinflussen des ersten Polarisationsfilters, beispielsweise durch seine automatische mechanische Drehung unter Kontrolle der Steuerlogik, reguliert werden kann.This implements a polarization-dependent (e.g., polarization-sensitive) OCT under control of the control logic, whereby power in the reference arm can be regulated by influencing the first polarization filter, for example by its automatic mechanical rotation under control of the control logic.
Die OCT-Anordnung kann einen zweiten Polarisationsfilter im Messarm aufweisen. Die Steuerlogik kann zum Beeinflussen des zweiten Polarisationsfilters eingerichtet sein, beispielsweise durch Ansteuern eines den zweiten Polarisationsfilter mechanisch verstellenden zweiten Polarisationsfilterantriebs.The OCT setup can include a second polarization filter in the measuring arm. The control logic can be configured to influence the second polarization filter, for example, by controlling a second polarization filter drive that mechanically adjusts the second polarization filter.
Dadurch wird eine polarisationsabhängige (beispielsweise polarisationssensitive) OCT unter Steuerung der Steuerlogik implementiert, wobei eine Lichtausgabe im Messarm durch Beeinflussen des zweiten Polarisationsfilters, beispielsweise durch seine mechanische Drehung unter Kontrolle der Steuerlogik, selektiv abgeschaltet werden kann.This implements a polarization-dependent (e.g., polarization-sensitive) OCT under the control of the control logic, whereby a light output in the measuring arm can be selectively switched off by influencing the second polarization filter, for example by its mechanical rotation under the control of the control logic.
Der erste Polarisationsfilter kann zwischen dem Strahlteiler und der Iris-Blende angeordnet sein.The first polarizing filter can be positioned between the beam splitter and the iris diaphragm.
Dadurch wird eine polarisationsabhängige (beispielsweise polarisationssensitive) OCT unter Steuerung der Steuerlogik implementiert, wobei eine Leistung im Referenzarm durch Beeinflussen des ersten Polarisationsfilters, beispielsweise durch seine automatische mechanische Drehung unter Kontrolle der Steuerlogik, reguliert werden kann.This implements a polarization-dependent (e.g., polarization-sensitive) OCT under control of the control logic, whereby power in the reference arm can be regulated by influencing the first polarization filter, for example by its automatic mechanical rotation under control of the control logic.
Der Strahlteiler kann ein polarisierender Strahlteiler sein. Die OCT-Anordnung kann darüber hinaus ein steuerbares optisches Element zwischen der Strahlungsquelle und dem polarisierender Strahlteiler aufweisen, beispielsweise eine λ/2-Platte, die zwischen dem Polarisator und dem polarisierender Strahlteiler angeordnet ist. Die Steuerlogik kann zum Steuern des steuerbaren optischen Elements eingerichtet sein, um eine Intensitätsvarianz des am Detektor erfassten Interferenzsignals zu erhöhen.The beam splitter can be a polarizing beam splitter. The OCT setup can also include a controllable optical element between the radiation source and the polarizing beam splitter, for example, a λ/2 plate positioned between the polarizer and the polarizing beam splitter. The control logic can be configured to control the controllable optical element to increase the intensity variance of the interference signal detected at the detector.
Dadurch kann durch Ansteuerung des steuerbaren optischen Elements, die automatisch unter Kontrolle der Steuerlogik erfolgt, eine Leistungsregulierung im Referenzarm und/oder Messarm derart erfolgen, dass die Intensitätsvarianz am Detektor ein gewünschtes Gütekriterien erfüllt, beispielsweise den dynamischen Bereich des Detektors vollständig oder wenigstens weitgehend nutzt.This allows for power regulation in the reference arm and/or measuring arm by controlling the controllable optical element, which is done automatically under the control of the control logic, such that the intensity variance at the detector meets a desired quality criterion, for example, fully or at least largely utilizing the dynamic range of the detector.
Die Steuerlogik kann eingerichtet sein, sowohl die Iris-Blende als auch das steuerbare optische Element so anzusteuern, dass die Intensitätsvarianz des am Detektor in der erfassten Interferenzsignals ein Gütekriterien erfüllt, beispielsweise den dynamischen Bereich des Detektors vollständig oder weitgehend nutzt.The control logic can be configured to control both the iris aperture and the controllable optical element in such a way that the intensity variance of the interference signal detected at the detector meets a quality criterion, for example, fully or largely utilizing the dynamic range of the detector.
Der Werkstoff kann einen optischen Werkstoff, insbesondere ein Glas und/oder einen optischen Kunststoff aufweisen.The material may consist of an optical material, in particular glass and/or an optical plastic.
Dadurch wird eine zerstörungsfreie Werkstoffuntersuchung für optische Werkstoffe bereitgestellt. OCT-basierte Techniken der Werkstoffuntersuchung eignen sich insbesondere für optische Werkstoffe. Herkömmliche zerstörungsfreie Techniken, die unter Verwendung von magnetischen und/oder elektrischen Messtechniken arbeiten, sind hingegen für derartige Werkstoffe entweder ungeeignet oder wenig sensitiv.This provides a non-destructive testing method for optical materials. OCT-based material testing techniques are particularly suitable for optical materials. Conventional non-destructive techniques that use magnetic and/or electrical measurement methods, on the other hand, are either unsuitable or insufficiently sensitive for such materials.
Der Werkstoff kann ein optisches Werkstück aufweisen.The material may have an optical component.
Dadurch wird eine zerstörungsfreie Werkstoffuntersuchung für optische Werkstücke bereitgestellt. OCT-basierte Techniken der Werkstoffuntersuchung eignen sich insbesondere für optische Werkstoffe. Herkömmliche zerstörungsfreie Techniken, die unter Verwendung von magnetischen und/oder elektrischen Messtechniken arbeiten, sind hingegen für derartige Werkstoffe entweder ungeeignet oder wenig sensitiv.This provides a non-destructive testing method for optical workpieces. OCT-based material testing techniques are particularly suitable for optical materials. Conventional non-destructive techniques that use magnetic and/or electrical measurement methods, on the other hand, are either unsuitable or insufficiently sensitive for such materials.
Das Auswerten der OCT-Bilddaten kann eine automatische Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte basierend auf den OCT-Bilddaten aufweisen.The evaluation of OCT image data can include automatic detection and/or classification of near-surface defects based on the OCT image data.
Dadurch wird eine zerstörungsfreie Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte (d. h. innerhalb des Werkstoffs liegender Defekte, die beispielsweise weniger als 50 µm oder weniger als 30 µm von der Oberfläche entfernt sind) ermöglicht.This enables non-destructive detection and/or classification of near-surface defects (i.e., defects located within the material, for example less than 50 µm or less than 30 µm from the surface).
Bei dem Verfahren kann die Steuerlogik eingerichtet sein, die Leistungsregulierungseinrichtung im Referenzarm abhängig von den Eigenschaften des zu untersuchenden Werkstoffs zu steuern. Die Steuerlogik kann eingerichtet sein, abhängig von einer Intensitätsvarianz der mit dem Detektor erfassten Interferenzsignale zu steuern. Sobald die Intensitätsvarianz der mit dem Detektor erfassten Interferenzsignale eine gewünschtes Gütekriterien erfüllt, beispielsweise den dynamischen Bereich des Detektors weitgehend oder vollständig ausnutzt, kann die OCT-Bildgebung erfolgen, wobei die bestimmten OCT-Bilddaten ausgewertet werden, um oberflächennahe Defekte zu detektieren und/oder zu klassifizieren.The control logic can be configured to regulate the power control unit in the reference arm based on the properties of the material under investigation. Alternatively, the control logic can be configured to operate based on the intensity variance of the interference signals detected. Once the intensity variance of the interference signals meets a desired quality criterion, for example, largely or fully utilizing the detector's dynamic range, OCT imaging can be performed. The resulting OCT image data are then evaluated to detect and/or classify near-surface defects.
Dadurch wird eine zerstörungsfreie Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte (d. h. innerhalb des Werkstoffs liegender Defekte, die beispielsweise weniger als 50 µm oder weniger als 30 µm von der Oberfläche entfernt sind) mit im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erhöhter Zuverlässigkeit ermöglicht.This enables non-destructive detection and/or classification of near-surface defects (i.e., defects located within the material, for example less than 50 µm or less than 30 µm from the surface) with increased reliability compared to conventional techniques.
Die OCT-Anordnung kann eingerichtet sein, eine inverse Dunkelfeldbeleuchtung bereitzustellen.The OCT setup can be configured to provide inverse darkfield illumination.
Dadurch werden starke Oberflächeneffekte, die insbesondere bei optischen Werkstoffen auftreten können, reduziert. Dies ermöglicht die im Vergleich zu herkömmlichen Techniken zuverlässiger Reihe Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte. Insbesondere können dadurch Fresnel-Reflexionen bei senkrechter Beleuchtung verringert werden.This reduces strong surface effects, which can occur particularly with optical materials. This enables more reliable detection and/or classification of near-surface defects compared to conventional techniques. In particular, Fresnel reflections under perpendicular illumination can be reduced.
Die OCT-Anordnung kann für eine TD („Time Domain“)-OCT eingerichtet sein.The OCT configuration can be set up for a TD (“Time Domain”) OCT.
Dadurch kann eine Werkstoffuntersuchung in einfacher Weise durchgeführt werden. Eine längere Messdauer, die durch die mechanische Verstellung eines Reflektors im Referenzarm bei der TD-OCT bedingt ist, ist bei Werkstoffuntersuchung leichter hinnehmbar als beispielsweise in medizinischen OCT-Anwendungen.This allows for simple material analysis. A longer measurement time, caused by the mechanical adjustment of a reflector in the reference arm during TD-OCT, is more acceptable in material analysis than, for example, in medical OCT applications.
Die OCT-Anordnung kann für eine FD („Frequency Domain“)-OCT eingerichtet sein.The OCT configuration can be set up for an FD (“Frequency Domain”) OCT.
Dadurch kann eine Werkstoffuntersuchung mit kurzer Messzeit durchgeführt werden. Dies erlaubt die Prüfung auch größerer Zahlen von Werkstoffen, beispielsweise von optischen Werkstücken, pro Zeit.This allows for material testing with short measurement times. This makes it possible to test larger numbers of materials, such as optical workpieces, per unit of time.
Die Strahlungsquelle kann eine Superkontinuum-Lichtquelle, beispielsweise einen Superkontinuum-Laser oder einen Weißlicht-Laser aufweisen.The radiation source can be a supercontinuum light source, for example a supercontinuum laser or a white light laser.
Dadurch kann eine FD-OCT in besonders effizienter Weise durchgeführt werden. Dies erlaubt die Prüfung auch größerer Zahlen von Werkstoffen, beispielsweise von optischen Werkstücken, pro Zeit.This allows FD-OCT to be performed in a particularly efficient manner. This enables the testing of even larger numbers of materials, such as optical workpieces, per unit of time.
Die Strahlungsquelle kann derart steuerbar sein, dass ein Spektrum der von der Strahlungsquelle ausgegebenen Strahlung kontrolliert beeinflussbar ist.The radiation source can be controlled in such a way that a spectrum of the radiation emitted by the radiation source can be controlled and influenced.
Dadurch kann die das Verfahren die OCT-Datenerfassung basierend auf und in Abhängigkeit von Eigenschaften des zu prüfenden Werkstoffs durchführen.This allows the process to perform OCT data acquisition based on and depending on the properties of the material being tested.
Die Steuerlogik kann eingerichtet sein, die Strahlungsquelle so zu steuern, dass eine Bandbreite und/oder eine Zentralfrequenz der kohärenten Strahlung von dem zu prüfenden Werkstoff abhängt. Die Steuerlogik kann eingerichtet sein, Information über den zu prüfenden Werkstoff über eine Benutzerschnittstelle zu empfangen und/oder abhängig von Ausgangsdaten oder im Ausgangssignal des Detektors automatisch zu ermitteln.The control logic can be configured to control the radiation source such that the bandwidth and/or center frequency of the coherent radiation depends on the material being tested. The control logic can also be configured to receive information about the material being tested via a user interface and/or to determine it automatically based on output data or in the detector's output signal.
Dadurch führt das Verfahren die OCT-Datenerfassung und somit schlussendlich die Erzeugung von OCT-Bilddaten in Abhängigkeit von Eigenschaften des zu prüfenden Werkstoffs durch. Dies erhöht im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren die Genauigkeit, mit der Defekte, insbesondere oberflächennahe Defekte, die diktiert und/oder klassifiziert werden können.This method performs OCT data acquisition and ultimately generates OCT image data based on the properties of the material being tested. Compared to conventional methods, this increases the accuracy with which defects, especially near-surface defects, can be identified and/or classified.
Die OCT-Anordnung kann mehrere optische Leiter, beispielsweise photonische Fasern, aufweisen, um die Strahlung wenigstens im Messarm, optional auch im Referenzarm, zu leiten. Die OCT-Anordnung kann auf diese Weise als hybride OCT-Anordnung ausgestaltet sein, bei der die Strahlung sowohl in einem optischen Leiter als auch als Freistrahl propagiert.The OCT array can include multiple optical conductors, such as photonic fibers, to guide the radiation at least in the measurement arm, and optionally also in the reference arm. In this way, the OCT array can be designed as a hybrid OCT array, in which the radiation propagates both in an optical conductor and as a free beam.
Dadurch kann die OCT-Anordnung mit im Vergleich zu herkömmlichen Techniken kompakter Bauweise realisiert werden. Dies erleichtert den Einsatz im industriellen Umfeld, insbesondere bei der Prüfung optischer Werkstoffe wie optische Werkstücke.This allows the OCT setup to be implemented with a more compact design compared to conventional techniques. This facilitates its use in industrial environments, particularly for testing optical materials such as optical workpieces.
Der Messarm kann ein Objektiv mit einer hohen numerischen Apertur (NA) aufweisen.The measuring arm can have a lens with a high numerical aperture (NA).
Dadurch kann eine zuverlässige Detektion und optional auch Klassifizierung oberflächennaher Defekte selbst dann realisiert werden, wenn herkömmliche Techniken aufgrund geringer Signalintensitäten oberflächennahe Defekte übersehen oder zumindest nicht klassifizieren könnten.This enables reliable detection and optional classification of near-surface defects even when conventional techniques might miss or at least fail to classify near-surface defects due to low signal intensities.
Der Messarm kann ein Teleskop und/oder Alvarez-Platten aufweisen.The measuring arm may include a telescope and/or Alvarez plates.
Dadurch wird eine Scanfähigkeit der Strahlung im Messarm über den zu prüfenden Werkstoff selbst bei Verwendung eines Objektivs mit hoher NA ermöglicht. Die OCT-Anordnung ist dadurch derart eingerichtet, dass einstellbare Beleuchtungsbreiten ermöglicht werden.This enables the radiation in the measuring arm to scan across the material being tested, even when using a high NA lens. The OCT setup is designed to allow for adjustable illumination widths.
Der Referenzarm kann wenigstens ein Axicon aufweisen, um den Referenzstrahl zu erzeugen.The reference arm can have at least one axicon to generate the reference beam.
Dadurch wird die Güte der OCT-Bilddaten verbessert und die Detektion und/oder Klassifizierung von oberflächennahen Defekten des zu prüfenden Werkstoffs erleichtert.This improves the quality of the OCT image data and facilitates the detection and/or classification of near-surface defects of the material being tested.
Die OCT-Anordnung kann wenigstens einen und optional mehrere von der Steuerlogik automatisch angesteuerte Shutter aufweisen, um einen Wechsel zwischen verschiedenen Betriebsarten zu ermöglichen, die beispielsweise zur Vermessung von Schichtdicken und/oder demographischen Effekten und/oder zur Aufbereitung der Signalanpassung ansteuerbar sind. Die OCT-Anordnung kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die Steuerlogik die Shutter automatisch zum Reduzieren oder Eliminieren statischer Signale betätigen kann.The OCT array can have at least one, and optionally several, shutters automatically controlled by the control logic to allow switching between different operating modes. These modes can be used, for example, to measure layer thicknesses and/or demographic effects, and/or to process the signal. In particular, the OCT array can be configured so that the control logic can automatically actuate the shutters to reduce or eliminate static signals.
Dadurch wird die Güte der OCT-Bilddaten verbessert und die Detektion und/oder Klassifizierung von oberflächennahen Defekten des zu prüfenden Werkstoffs erleichtert.This improves the quality of the OCT image data and facilitates the detection and/or classification of near-surface defects of the material being tested.
Das Verfahren kann eine Auswertung der mit dem Detektor erfassten Interferenzsignale aufweisen, bei der rechnergestützten eine simultane Multi-Peak-Auswertung vorgenommen wird.The procedure can include an evaluation of the interference signals detected by the detector, in which a computer-aided simultaneous multi-peak evaluation is performed.
Dadurch wird im Vergleich zu herkömmlichen Techniken die Detektion und/oder Klassifizierung von oberflächennahen Defekten des zu prüfenden Werkstoffs erleichtert, insbesondere bei Vermessung von dünnen Schichten mit einer Dicke von weniger als 10 nm und/oder bei einer Vermessung von nah beieinanderliegenden Schichten, die um weniger als 10 nm voneinander beanstandet sind.This makes it easier to detect and/or classify near-surface defects of the material under test compared to conventional techniques, especially when measuring thin layers with a thickness of less than 10 nm and/or when measuring closely spaced layers that are less than 10 nm apart.
Die Auswertung der mit dem Detektor erfassten Interferenzsignale kann eine rechnergestützte Erzeugung der OCT-Bilddaten sowie eine rechnergestützte Klassifizierung von oberflächennahen Defekten im Werkstoff unter Verwendung eine datengetriebener Auswertungsmethode aufweisen.The evaluation of the interference signals detected by the detector can include computer-aided generation of the OCT image data as well as computer-aided classification of near-surface defects in the material using a data-driven evaluation method.
Dadurch wird im Vergleich zu herkömmlichen Techniken eine automatische Klassifizierung von oberflächennahen Defekten in objektiver (nämlich auf einer datengetriebenen Auswertungsmethode beruhender) Weise erreicht.This allows for an automatic classification of near-surface defects in an objective manner (namely based on a data-driven evaluation method) compared to conventional techniques.
Die OCT-Anordnung kann ein Interferometer aufweisen, das als Michelson-Interferometer, als Mach-Zehnder-Interferometer oder als Mirau-Interferometer ausgestaltet sein kann.The OCT setup can include an interferometer, which may be called a Michelson interferometer, as It can be designed as a Mach-Zehnder interferometer or as a Mirau interferometer.
Dadurch können die aus der OCT-Bildgebung an biologischen Objekten eingesetzten grundsätzlichen interferometrischer-Ausgestaltungen auch bei der erfindungsgemäßen Technik eingesetzt werden.This allows the basic interferometric designs used in OCT imaging of biological objects to also be used in the technique according to the invention.
Die OCT-Anordnung kann für eine polarisationssensitive OCT eingerichtet sein. Entsprechend kann bei dem Verfahren eine polarisationssensitive OCT ausgeführt werden.The OCT setup can be configured for polarization-sensitive OCT. Accordingly, polarization-sensitive OCT can be performed during the procedure.
Dadurch wird eine Kontraststeigerung erreicht, indem Daten aus dem polarisationssensitiven Aufbau verarbeitet werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte.This results in increased contrast by processing data from the polarization-sensitive setup. This improves the reliability of detecting and/or classifying near-surface defects.
Das Verfahren kann ein Verfahren zum Untersuchen oberflächennahe Defekte von Werkstoffen aus nicht-biologischem Material sein.The method can be used to examine near-surface defects in materials made of non-biological material.
Mit dem Verfahren können in einer Randzone des Werkstoffs Defekte messbar gemacht werden. Die Defekte können ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus Rissen, oberflächennahen Defekten, Brechzahlunterschieden, Polarisationsunterschieden und/oder Streuung sowie Reflektion an nicht-biologischen Werkstoffen. Die nicht-biologischen Werkstoffe können Gläser, Salze, Kristalle, Kunststoffe, Keramiken und/oder Halbleiter-Werkstoffe sein.This method allows defects in a material's surface zone to be measured. The defects can be selected from a group consisting of cracks, near-surface defects, refractive index differences, polarization differences, and/or scattering and reflection on non-biological materials. These non-biological materials can be glasses, salts, crystals, plastics, ceramics, and/or semiconductor materials.
Mit dem Verfahren können die Werkstoffe mit einer Eindringtiefe von max. 1 mm bei einem Untersuchungsgebiet von 30 µm oder weniger unter der Oberfläche mit einer Auflösung von 10 µm oder weniger für die Detektion von Defekten untersucht werden. Das Verfahren ermöglicht dabei die Detektion von Defekten unterhalb der Oberfläche in der Oberflächen-Randzone mit einer hohen lateralen und/oder axialen Auflösung.This method allows for the examination of materials with a penetration depth of up to 1 mm and a depth of 30 µm or less below the surface, with a resolution of 10 µm or less, for defect detection. The method enables the detection of subsurface defects in the surface boundary zone with high lateral and/or axial resolution.
Das Verfahren kann ein Verfahren zur Detektion und optional Klassifizierung von Rissen (offen und/oder geschlossen), Lunker, Poren und/oder Material-Inhomogenitäten des Werkstoffs sein.The method can be a method for detecting and optionally classifying cracks (open and/or closed), cavities, pores and/or material inhomogeneities of the material.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Werkstoffuntersuchung angegeben. Das System weist eine OCT-Anordnung zum Ausführen einer OCT an einem Werkstoff aus, um OCT-Bilddaten zu erzeugen. Die OCT-Anordnung weist Folgendes auf: einen Messarm, der zum Scannen des Werkstoffs eingerichtet ist; einen Referenzarm, der wenigstens eine Leistungsregulierungseinrichtung aufweist; eine Strahlungsquelle zum Erzeugen kohärenter Strahlung für den Messarm und den Referenzarm; einen Detektor zum Erfassen einer kohärenten Überlagerung der kohärenten Strahlung aus dem Referenzarm und dem Messarm aufweist; und eine Steuerlogik, die zum Steuern der wenigstens einen Leistungsregulierungseinrichtung eingerichtet. Das System weist ein Rechensystem zum Auswerten der OCT-Bilddaten auf.According to a further aspect of the invention, a system for material analysis is described. The system comprises an OCT arrangement for performing an OCT scan on a material to generate OCT image data. The OCT arrangement includes: a measuring arm configured for scanning the material; a reference arm having at least one power control device; a radiation source for generating coherent radiation for the measuring arm and the reference arm; a detector for detecting a coherent superposition of the coherent radiation from the reference arm and the measuring arm; and control logic configured for controlling the at least one power control device. The system includes a computing system for evaluating the OCT image data.
Das System kann zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Aspekte oder Ausführungsbeispiele eingerichtet sein.The system can be set up to carry out the procedure according to one of the aspects or examples of implementation.
Optionale Merkmale des Systems nach verschiedenen Ausführungsbeispiel und die jeweils damit erreichten technischen Effekte entsprechen den unter Bezugnahme auf das Verfahren beschriebenen Merkmalen und Effekten.Optional features of the system according to different embodiments and the respective technical effects achieved correspond to the features and effects described with reference to the method.
Das System kann ein System zur Untersuchung oberflächennahe Defekte in einer Randzone unterhalb der Oberfläche des Werkstoffs sein, insbesondere in einer Randzone mit einer Dicke von weniger als 1 mm oder 30 µm oder weniger.The system can be a system for investigating near-surface defects in a marginal zone below the surface of the material, particularly in a marginal zone with a thickness of less than 1 mm or 30 µm or less.
Die Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen der Erfindung erzielen verschiedene Wirkungen und Effekte. Insbesondere sind die Verfahren und Systeme zur zerstörungsfreien Untersuchung von optischen Werkstoffen (wie Gläsern, Kristallen, Salzen, optischen Kunststoffen) eingerichtet. Die Verfahren und Systeme können zur zerstörungsfreien Detektion und optional auch Klassifizierung von oberflächennahen Defekten mit im Vergleich zu herkömmlichen Techniken verbesserter Genauigkeit eingesetzt werden.The methods and systems according to exemplary embodiments of the invention achieve various effects. In particular, the methods and systems are designed for the non-destructive testing of optical materials (such as glasses, crystals, salts, and optical plastics). The methods and systems can be used for the non-destructive detection and, optionally, classification of near-surface defects with improved accuracy compared to conventional techniques.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Ausführungsbeispiel der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen ähnliche oder identische Bezugszeichen Elemente mit ähnlicher oder identischer Ausgestaltung und/oder Funktion.
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1 ist eine schematische Darstellung einer OCT-Anordnung eines Systems zur Werkstoffuntersuchung. -
2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems zur Werkstoffuntersuchung. -
3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems nach einem Ausführungsbeispiel. -
4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems zur Werkstoffuntersuchung. -
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Werkstoffuntersuchung. -
6 ist ein Flussdiagramm einer Prozedur, die bei einem Verfahren zur Werkstoffuntersuchung einsetzbar ist. -
7 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der Systeme zur Werkstoffuntersuchung. -
8 ist eine schematische Darstellung von durch einen Detektor der OCT-Anordnung erfassten Intensitätssignalen zur Erläuterung der Funktionsweise der Systeme zur Werkstoffuntersuchung. -
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Werkstoffuntersuchung. -
10 ist eine schematische Blockdarstellung einer Steuerlogik von Systemen zur Werkstoffuntersuchung. -
11 ist eine schematische Blockdarstellung eines Rechensystems von Systemen zur Werkstoffuntersuchung. -
12 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Rechensystem. -
13 ist schematische Darstellung von Komponenten des Systems zur Werkstoffuntersuchung. -
14 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Werkstoffuntersuchung.
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1 is a schematic representation of an OCT setup of a system for materials testing. -
2 This is a schematic representation of another system for materials testing. -
3 is a schematic representation of another system according to an exemplary embodiment. -
4 This is a schematic representation of another system for materials testing. -
5 is a flowchart of a process for materials testing. -
6 is a flowchart of a procedure that can be used in a material testing process. -
7 This is a schematic representation to explain how the systems for materials testing function. -
8 This is a schematic representation of intensity signals detected by a detector of the OCT arrangement to explain the functionality of the systems for materials testing. -
9 is a flowchart of a process for materials testing. -
10 is a schematic block representation of the control logic of systems for materials testing. -
11 is a schematic block representation of a computer system of systems for materials testing. -
12 This is a schematic representation to explain how the computer system works. -
13 is a schematic representation of components of the system for materials testing. -
14 is a flowchart of a process for materials testing.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EXAMPLES OF EXECUTION
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen ähnliche oder identische Bezugszeichen Elemente mit ähnlicher oder identischer Ausgestaltung und/oder Funktion.Exemplary embodiments of the invention are described with reference to the figures. In the figures, similar or identical reference numerals denote elements with similar or identical design and/or function.
Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.The features of the exemplary embodiments can be combined with each other, unless this is expressly excluded in the following description.
Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen sind zur Detektion, optional auch zur Klassifizierung, oberflächennahe Defekte in nicht-biologischen Materialien, insbesondere in optischen Werkstoffen wie optischen Werkstücke, Glas, Salz, Kristalle, optische Kunststoffe oder andere optische Werkstoffe eingerichtet. Die Verfahren und Systeme verwenden eine OCT-Anordnung zur OCT-Datenerfassung, wobei OCT-Bilddaten rechnergestützte aus den mit einem Detektor der OCT-Anordnung erfassten Interferenzsignalen errechnet werden. Die OCT-Datenerfassung wird dabei so von einer Steuerlogik gesteuert, dass eine Leistung im Referenzarm, optional auch im Messarm, der OCT-Anordnung gezielt beeinflusst wird, um eine gewünschte Intensitätsvarianz am Detektor und/oder einen gewünschten Anteil von Mischlicht im Verhältnis zu Gleichlicht zu erreichen. Im Gegensatz so biologischen, insbesondere physiologischen, Proben besteht bei der Werkstoffuntersuchung eine geringere Gefahr der Beschädigung des Prüflings, die eine Optimierung der Leistung im Referenzarm und im Messarm im Hinblick auf möglichst genaue OCT-Messergebnisse ermöglicht.Methods and systems according to the exemplary embodiments are designed for the detection, and optionally also for classification, of near-surface defects in non-biological materials, particularly in optical materials such as optical components, glass, salt, crystals, optical plastics, or other optical materials. The methods and systems utilize an OCT array for OCT data acquisition, whereby OCT image data is calculated computer-aided from the interference signals acquired by a detector of the OCT array. The OCT data acquisition is controlled by a control logic such that the power in the reference arm, and optionally also in the measurement arm, of the OCT array is selectively influenced to achieve a desired intensity variance at the detector and/or a desired proportion of mixed light relative to uniform light. In contrast to biological, especially physiological, samples, there is a lower risk of damage to the test specimen during material analysis, which allows for optimization of the power in the reference and measurement arms with regard to obtaining the most accurate OCT measurement results possible.
Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen sind insbesondere zur Detektion und optional Klassifizierung von oberflächennahen Defekten eingerichtet.Methods and systems according to the exemplary embodiments are designed in particular for the detection and optional classification of near-surface defects.
Als „oberflächennahe Defekte“ werden dabei Defekte (beispielsweise Lunker, Poren, Risse, etc.) im Inneren eines Prüflings bezeichnet, die innerhalb einer Randzone liegen oder sich bis in eine Randzone erstrecken, die beispielsweise eine Tiefe von weniger als 1 mm, weniger als 100 µm, 80 µm oder weniger, 50 µm oder weniger oder 30 µm oder weniger gemessen von der Oberfläche des Prüflings betragen kann.“Near-surface defects” are defined as defects (e.g., cavities, pores, cracks, etc.) within a test specimen that lie within or extend into a boundary zone, which may have a depth of less than 1 mm, less than 100 µm, 80 µm or less, 50 µm or less, or 30 µm or less, measured from the surface of the test specimen.
Der Begriff „Defekte“ beinhaltet dabei Defekte, die in optischen Werkstoffen, insbesondere in optischen Werkstücken, auftreten können. Die Defekte können einen, mehrere oder alle der folgenden Defekte aufweisen: Punktdefekte; Risse (wobei optional eine Unterscheidung in offene und geschlossene Risse möglich ist); Poren; Material-Inhomogenitäten; Lunker; Inhomogenitäten des Brechungsindex und/oder von polarisationsabhängigen.The term "defects" encompasses defects that can occur in optical materials, particularly in optical components. These defects can include one, several, or all of the following: point defects; cracks (optionally distinguishing between open and closed cracks); pores; material inhomogeneities; cavities; and inhomogeneities in the refractive index and/or polarization-dependent properties.
Der Begriff „Werkstoff“, wie er hier verwendet wird, beinhaltet insbesondere Gläser, Salze, Kristalle, Kunststoffe, Keramiken und Halbleiter-Werkstoffe. Der Begriff Werkstoff beinhaltet insbesondere auch optische Werkstücke, die aus einem Glas, einem Salz, einem Kristall, einem optischen Kunststoff, einem Keramikmaterial oder einem Halbleiter-Werkstoff gefertigt sind.The term "material," as used here, includes in particular glasses, salts, crystals, plastics, ceramics, and semiconductor materials. The term "material" also specifically includes optical components made from glass, salt, crystals, optical plastics, ceramics, or semiconductor materials.
Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen können eingerichtet sein, OCT-Bilddaten unter einer inversen Dunkelfeldbeleuchtung auszuführen. Der Begriff „inverse Dunkelfeldbeleuchtung“, der synonym zu dem ebenfalls in der Technik verwendeten Begriff „invertierte Dunkelfeldbeleuchtung“ ist, bezieht sich auf eine Beleuchtungstechnik, mit der bestimmte Kontraste und Details in einer Probe hervorgehoben werden können, die im herkömmlichen Hellfeld schwer zu erkennen sind. Der Begriff „invers“ bezieht sich dabei nicht auf eine Umkehrung der Dunkelfeldmethode an sich, sondern darauf, dass das Beleuchtungssystem und das Beobachtungssystem (Objektiv) geometrisch vertauscht sind im Vergleich zu einem herkömmlichen Dunkelfeldaufbau.Methods and systems according to the exemplary embodiments can be configured to acquire OCT image data under inverse darkfield illumination. The term "inverse darkfield illumination," which is synonymous with the term "inverted darkfield illumination," also used in the technical field, refers to an illumination technique that can highlight certain contrasts and details in a sample that are difficult to discern in conventional brightfield imaging. The term "inverse" does not refer to a reversal of the darkfield method itself, but rather to the fact that the illumination system and the observation system (objective) are geometrically interchanged. compared to a conventional dark field setup.
Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen sind eingerichtet, um mikroskopische Schädigungen unterhalb der Oberfläche des Prüflings mit einer hohen axialen Auflösung, beispielsweise einer axialen Auflösung von 10 µm oder weniger, 5 µm oder weniger oder 3 µm oder weniger zu messen. Alternativ oder zusätzlich sind die Verfahren und Systeme so eingerichtet, dass sie eine hohe laterale Auflösung von 10 µm oder weniger, 5 µm oder weniger oder 3 µm oder weniger erreichen.Methods and systems according to the exemplary embodiments are configured to measure microscopic damage below the surface of the test specimen with high axial resolution, for example, an axial resolution of 10 µm or less, 5 µm or less, or 3 µm or less. Alternatively or additionally, the methods and systems are configured to achieve a high lateral resolution of 10 µm or less, 5 µm or less, or 3 µm or less.
Der Referenzarm 20 weist einen Reflektor 28 auf. Je nach Implementierung der OCT-Anordnung kann der Reflektor 28 mechanisch verstellbar sein, beispielsweise für eine TD-OCT.The reference arm 20 has a reflector 28. Depending on the implementation of the OCT arrangement, the reflector 28 can be mechanically adjustable, for example for a TD-OCT.
Der Messarm 30 weist einen Scanner 37 auf, der eingerichtet sein kann, den Messstrahl in einem eindimensionalen oder bevorzugt in einem zweidimensionalen Muster über den zu prüfenden Werkstoff zu Scannen. Der Scanner 37 kann wenigstens einen, vorteilhaft wenigstens zwei ansteuerbare Reflektoren (beispielsweise Spiegel) aufweisen, um den Messstrahl zu Scannen. Eine Verstellung der Spiegel kann automatisch unter Kontrolle einer noch näher beschriebenen Steuerlogik erfolgen. Der Messarm 30 weist ein Objektiv 38 auf. Das Objektiv 38 kann ein Teleskop und/oder eine oder mehrere Alvarez-Platten aufweisen. Das Objektiv 38 kann ein Objektiv mit einer hohen NA sein.The measuring arm 30 includes a scanner 37, which can be configured to scan the measuring beam in a one-dimensional or, preferably, a two-dimensional pattern across the material to be tested. The scanner 37 can have at least one, and advantageously at least two, controllable reflectors (for example, mirrors) for scanning the measuring beam. Adjustment of the mirrors can be performed automatically under the control of a control logic that will be described in more detail later. The measuring arm 30 includes a lens 38. The lens 38 can include a telescope and/or one or more Alvarez plates. The lens 38 can be a lens with a high NA (numerical aperture).
Der Referenzarm 20 kann einen ersten Shutter 29 aufweisen. Der Messarm 30 kann einen zweiten Shutter 39 aufweisen. Die OCT-Anordnung kann eingerichtet sein, selektiv einen oder beide der Shutter 29, 39 so zu betätigen, dass die Strahlung im entsprechenden Arm blockiert wird. Die OCT-Anordnung kann so eingerichtet sein, dass der erste Shutter 29 und der zweite Shutter 39 eine motorische Betätigung erlauben, um Strahlung im entsprechenden Arm abzublenden.The reference arm 20 can have a first shutter 29. The measuring arm 30 can have a second shutter 39. The OCT arrangement can be configured to selectively actuate one or both of the shutters 29, 39 so that the radiation in the corresponding arm is blocked. The OCT arrangement can be configured so that the first shutter 29 and the second shutter 39 allow motorized actuation to block radiation in the corresponding arm.
Die OCT-Anordnung kann einen hybriden Aufbau aufweisen, bei dem - wie schematisch in
Die OCT-Anordnung kann insbesondere für eine FD-OCT eingerichtet sein. Dazu kann die Strahlungsquelle 11 als breitbandige Strahlungsquelle, beispielsweise als Superkontinuum-Laser-Strahlungsquelle eingerichtet sein. Optional kann die OCT-Anordnung zur Durchführung einer polarisationssensitive OCT eingerichtet sein.The OCT setup can be configured specifically for FD-OCT. For this purpose, the radiation source 11 can be configured as a broadband radiation source, for example, as a supercontinuum laser radiation source. Optionally, the OCT setup can be configured to perform polarization-sensitive OCT.
Die Strahlungsquelle 11 und der Messarm 30 können eingerichtet sein, um eine inverse Dunkelfeldbeleuchtung bereitzustellen. Dies ermöglicht es, die bei optischen Werkstoffen unter Umständen hohen Oberflächenreflexe (beispielsweise Fresnel-Reflexionen) zu unterdrücken.The radiation source 11 and the measuring arm 30 can be configured to provide inverse dark-field illumination. This makes it possible to suppress the potentially high surface reflections (e.g., Fresnel reflections) that may occur with optical materials.
Der Referenzarm 20 weist eine Leistungsregulierungseinrichtung 21 auf. Eine Steuerlogik 40 ist eingerichtet, die Leistungsregulierungseinrichtung 21, optional auch die Strahlungsquelle 11, so zu steuern, dass eine gewünschte Intensitätsvarianz (beispielsweise eine den dynamischen Bereich des Detektors 18 voll ausnutzen Intensitätsvarianz) des Interferenzsignals am Detektor 18 erreicht wird und/oder dass ein Anteil von Gleichlicht im Vergleich zum Mischlichtanteil (im Idealfall möglichst weitgehend) reduziert wird.The reference arm 20 has a power control device 21. A control logic 40 is set up to control the power control device 21, and optionally also the radiation source 11, in such a way that a desired intensity variance (for example, an intensity variance that fully utilizes the dynamic range of the detector 18) of the interference signal at the detector 18 is achieved and/or that a proportion of direct light is reduced compared to the mixed light component (ideally as much as possible).
Das System 10 kann derart eingerichtet sein, dass die Steuerlogik bei einer initialen Datenerfassung am zu prüfenden Werkstoff die Intensitätsvarianz, die am Detektor 18 resultiert, auswertet, um zu überprüfen, ob diese ein Gütekriterium (beispielsweise einer Ausnutzung des dynamischen Bereichs des Detektors 18, die wenigstens einem Schwellenwert im Verhältnis zum gesamten dynamischen Bereich entspricht) erfüllt. Falls des Gütekriterium nicht erfüllt ist, kann die Steuerlogik die Leistungsregulierungseinrichtung 21, optional auch die Leistung der Strahlungsquelle 11, so steuern, dass die Intensitätsvarianz, die am Detektor 18 resultiert, vergrößert wird. Für optische Werkstoffe ist dabei keine Beschädigung des Prüflings zu erwarten, und selbst eine etwaige Beschädigung aufgrund zur Strahlungsleistung wäre - im Gegensatz zu biologischen (insbesondere physiologischen) Proben - hinnehmbar.System 10 can be configured such that, during initial data acquisition from the material under test, the control logic evaluates the intensity variance resulting at detector 18 to verify whether it meets a quality criterion (for example, utilization of the dynamic range of detector 18 that corresponds to at least a threshold value relative to the total dynamic range). If the quality criterion is not met, the control logic can adjust the power control device 21, and optionally also the power of the radiation source 11, to increase the intensity variance resulting at detector 18. For optical materials, this is No damage to the test specimen is to be expected, and even any damage due to the radiation power would be acceptable - unlike biological (especially physiological) samples.
Vorteilhaft weist der Referenzarm eine Aufweitungsoptik 27 auf. Das Objektiv 27 kann zwischen dem Strahlteiler 19 und der Leistungsregulierungseinrichtung 21 angeordnet sein. Die Leistungsregulierungseinrichtung 21 kann zwischen der Aufwertungsoptik 27 und dem Reflektor 28 des Referenzarms 20 positioniert sein. Der Referenzarm 20 kann mehrere Axicons aufweisen, um eine gewünschte Strahlformung zu erreichen. Der Referenzarm 20 kann insbesondere ein oder mehrere Axicons aufweisen, um einen Strahl im Referenzarm auf einen Strahldurchmesser aufzuweiten, der auf eine (maximale) Lichteintrittsfläche der Lichtregulierungseinrichtung 21 angepasst ist. Beispielsweise kann die Lichtregulierungseinrichtung 21 eine mit einem Antrieb antreibbare Blende aufweisen. Die ein oder mehreren Axicons können so eingerichtet sein, dass der Strahl im Referenzarm auf einen Strahldurchmesser aufgeweitet wird, der wenigstens gleich dem maximalen Blendendurchmesser der antreibbaren Blende ist.Advantageously, the reference arm includes a beam-expanding optic 27. The lens 27 can be arranged between the beam splitter 19 and the power control device 21. The power control device 21 can be positioned between the beam-expanding optic 27 and the reflector 28 of the reference arm 20. The reference arm 20 can have several axicons to achieve a desired beam shaping. In particular, the reference arm 20 can have one or more axicons to expand a beam in the reference arm to a beam diameter that is adapted to a (maximum) light-entry area of the light control device 21. For example, the light control device 21 can have a drive-operated aperture. The one or more axicons can be configured such that the beam in the reference arm is expanded to a beam diameter that is at least equal to the maximum aperture diameter of the drive-operated aperture.
Nach Anpassung der Leistung im Referenzarm 20, optional auch im Messarm 30, kann die OCT-Anordnung die eigentliche OCT-Datenerfassung am Werkstoff vornehmen. Das System 10 weist ein (in
Die Steuerlogik 40, die mit dem Detektor 18 gekoppelt ist, ist eingerichtet, den Iris-Blendenantrieb 23 anzusteuern, um dadurch die an getriebene Iris-Blende 22 zu verstellen. Die Steuerlogik 40 kann eingerichtet sein, den Iris-Blendenantrieb 23, optional auch die Strahlungsquelle 11, so zu steuern, dass am Detektor 18 eine gewünschte Intensitätsvarianz (beispielsweise eine den dynamischen Bereich des Detektors von 0 bis 100 % voll ausnutzen der Intensitätsvarianz) für den jeweils zu prüfenden Werkstoff erreicht wird und/oder dass für den jeweils zu prüfenden Werkstoff ein Gleichlichtanteil am Detektor 18 im Verhältnis zu einem Mischlichtanteil, der aus der Interferenz resultiert, möglichst gering gehalten wird.The control logic 40, which is coupled to the detector 18, is configured to control the iris diaphragm drive 23 in order to adjust the driven iris diaphragm 22. The control logic 40 can be configured to control the iris diaphragm drive 23, and optionally also the radiation source 11, such that a desired intensity variance (for example, fully utilizing the dynamic range of the detector from 0 to 100% of the intensity variance) is achieved at the detector 18 for the respective material being tested, and/or that the proportion of uniform light at the detector 18 is kept as low as possible in relation to the proportion of mixed light resulting from interference for the respective material being tested.
Das System 10 weist einen Shutter 24 im Referenzarm 20 und einen zweiten Shutter 34 im Messarm 30 auf. Der erste Shutter 24 kann mechanisch beweglich sein. Das System 10 kann eine Antriebsvorrichtung 42 zum mechanischen Bewegen des ersten Shutters 24 aufweisen. Der zweite Shutter 34 kann mechanisch beweglich sein. Die Antriebsvorrichtung 42 kann zum mechanischen Bewegen des zweiten Shutters 34 eingerichtet sein. Die Antriebsvorrichtung 42 kann mehrere unabhängig voneinander steuerbare Antriebe aufweisen, um selektiv Strahlung nur im Referenzarm 20, nur im Messarm 30 oder sowohl im Referenzarm 20 als auch im Messarm 30 zu blockieren. Eine weitere Steuerlogik 41, die im selben Gerät mit der Steuerlogik 40 integral ausgebildet sein kann, kann eingerichtet sein, die Antriebsvorrichtung 42 zu steuern, um gewünschte Abblendoperationen zu realisieren. Dies ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi zu realisieren, beispielsweise zur Tiefenmessung, zur Kalibrierung (beispielsweise zur Bestimmung eines Gleichlichtanteil) und zur OCT-Bildgebung.System 10 comprises a shutter 24 in the reference arm 20 and a second shutter 34 in the measuring arm 30. The first shutter 24 can be mechanically movable. System 10 can include a drive device 42 for mechanically moving the first shutter 24. The second shutter 34 can also be mechanically movable. The drive device 42 can be configured to mechanically move the second shutter 34. The drive device 42 can have several independently controllable drives to selectively block radiation only in the reference arm 20, only in the measuring arm 30, or in both the reference arm 20 and the measuring arm 30. A further control logic 41, which can be integrally formed with the control logic 40 in the same device, can be configured to control the drive device 42 to perform desired blocking operations. This makes it possible to implement different operating modes, for example for depth measurement, for calibration (for example to determine a constant light component) and for OCT imaging.
Das System 10 weist ein Rechensystem 50 auf. Das Rechensystem 50 kann ein oder mehrere Computer, ein oder mehrere Server, ein oder mehrere tragbaren Computer, ein oder mehrere Kommunikationsendgeräte oder andere Ausgestaltungen aufweisen. Das Rechensystem 50 kann mit der Steuerlogik 40 und optional der weiteren Steuerlogik 41 integral ausgebildet sein. Das Rechensystem 50 ist eingerichtet, aus den mit dem Detektor 18 erfassten OCT-Daten OCT-Bilddaten zu errechnen und diese im Hinblick auf die Anwesenheit von Defekten im Werkstoff auszuwerten. Das Rechensystem 50 kann dazu insbesondere eine datengetriebene Verarbeitung der OCT-Bilddaten durchführen. Die datengetriebene Verarbeitung kann eine Verarbeitung durch wenigstens ein Modell der künstlichen Intelligenz (KI), insbesondere ein trainiertes Maschinenlernmodell, aufweisen. Das Rechensystem kann optional eingerichtet sein, eine Klassifizierung von Defekten auszuführen. Dies kann beispielsweise die Unterscheidung von offenen und geschlossenen Rissen, von Poren, oder von anderen Arten von Defekten beinhalten.System 10 includes a computing system 50. Computing system 50 can comprise one or more computers, one or more servers, one or more portable computers, one or more communication terminals, or other configurations. Computing system 50 can be integrated with control logic 40 and optionally with further control logic 41. Computing system 50 is configured to calculate OCT image data from the OCT data acquired by detector 18 and to evaluate this data with regard to the presence of defects in the material. Computing system 50 can, in particular, perform data-driven processing of the OCT image data. The data-driven processing can include processing by at least one artificial intelligence (AI) model, in particular a trained machine learning model. Optionally, the computing system can be configured to perform a classification of defects. This can include, for example, the differentiation between open and closed cracks, pores, or other types of defects.
Bei dem System 10 von
Die OCT-Anordnung des Systems 10 von
Der Messarm 30 weist einen zweiten Polarisationsfilter 35 auf. Der zweite Polarisationsfilter 35 kann verschwenbkar gelagert sein. Die Antriebsvorrichtung 42 kann zum mechanischen Verschwenken des zweiten Polarisationsfilters 35 eingerichtet sein.The measuring arm 30 has a second polarizing filter 35. The second polarizing filter 35 can be mounted so that it can pivot. The drive device 42 can be configured for mechanically pivoting the second polarizing filter 35.
Die Antriebsvorrichtung 42 kann mehrere unabhängig voneinander steuerbare Antriebe aufweisen, um selektiv nur den ersten Polarisationsfilter 25 im Referenzarm 20, nur den zweiten Polarisationsfilter 35 im Messarm 30 oder beide Polarisationsfilter 25, 35 zu verschwenken, um Strahlung im entsprechenden Arm selektiv zu blockieren oder freizugeben. Dadurch kann bei einer OCT-Anordnung, die zur Detektion von Lichtpolarisations-abhängigen Effekten eingerichtet ist, auch eine Leistungsregulierung im Referenzarm realisiert werden. Abhängig von der jeweiligen Position der Polarisationsfilter 25, 35 kann die Antriebsvorrichtung 23 von der Steuerlogik 40 so angesteuert werden, dass durch die Leistungsregelung im Referenzarm der Intensitätskontrast am Detektor 18 verstärkt wird. Optional kann die Ansteuerung so erfolgen, dass der Intensitätskontrast am Detektor 18 den dynamischen Bereich des Detektors 18 vollständig oder wenigstens weitgehend ausnutzt.The drive device 42 can have several independently controllable drives to selectively pivot only the first polarization filter 25 in the reference arm 20, only the second polarization filter 35 in the measuring arm 30, or both polarization filters 25, 35, in order to selectively block or release radiation in the corresponding arm. This allows power regulation in the reference arm to be implemented in an OCT setup configured for the detection of light polarization-dependent effects. Depending on the respective position of the polarization filters 25, 35, the drive device 23 can be controlled by the control logic 40 such that the intensity contrast at the detector 18 is enhanced by the power regulation in the reference arm. Optionally, the control can be configured so that the intensity contrast at the detector 18 fully or at least largely utilizes the dynamic range of the detector 18.
Bei der Ausgestaltung von
Eine weitere Steuerlogik 41, die im selben Gerät mit der Steuerlogik 40 integral ausgebildet sein kann, kann eingerichtet sein, die Antriebsvorrichtung 42 zu steuern, um gewünschte Abblendoperationen zu realisieren. Dies ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi zu realisieren, beispielsweise zur Tiefenmessung, zur Kalibrierung (beispielsweise zur Bestimmung eines Gleichlichtanteil) und zur OCT-Bildgebung.A further control logic 41, which can be integrally configured with the control logic 40 in the same device, can be configured to control the drive device 42 in order to perform desired aperture operations. This makes it possible to implement different operating modes, for example, for depth measurement, for calibration (e.g., to determine a uniform light component), and for OCT imaging.
Bei dem System 10 von
Die OCT-Anordnung des Systems 10 weist einen Strahlteiler auf, der als polarisierender Strahlteiler 19p ausgestaltet ist.The OCT arrangement of system 10 has a beam splitter designed as a polarizing beam splitter 19p.
Die OCT-Anordnung des Systems 10 von
Im Betrieb des Systems 10 kann die weitere Steuerlogik 43 das steuerbare optische Element 14 ansteuern, um ein Verhältnis von Strahlungsintensitäten im Referenzarm 20 und im Messarm 30 zu beeinflussen. Zusammen mit der motorisierten Iris-Blende 22 kann die Steuerlogik 40 mit der weiteren Steuerlogik 43 so zusammenarbeiten, dass abhängig von einem Ausgangssignalen oder Ausgangsdaten des Detektors 18 die Leistung im Referenzarm 20 und im Messarm 30 gezielt so beeinflusst wird, dass eine OCT-Bildgebung mit hoher Auflösung ermöglicht wird, die die Detektion und optional die Klassifizierung von Defekten ermöglicht.During operation of system 10, the additional control logic 43 can control the controllable optical element 14 to influence the ratio of radiation intensities in the reference arm 20 and the measuring arm 30. Together with the motorized iris diaphragm 22, the control logic 40 can cooperate with the additional control logic 43 in such a way that, depending on an output signal or output data from the detector 18, the power in the reference arm 20 and the measuring arm 30 is selectively influenced to enable high-resolution OCT imaging. light is emitted, enabling the detection and optional classification of defects.
Dadurch kann bei einer OCT-Anordnung, die zur Detektion von Lichtpolarisations-abhängigen Effekten eingerichtet ist, auch eine Leistungsregulierung im Referenzarm realisiert werden. Abhängig von der jeweiligen Ansteuerung des optischen Elements kann die Antriebsvorrichtung 23 von der Steuerlogik 40 so angesteuert werden, dass durch die Leistungsregelung im Referenzarm der Intensitätskontrast am Detektor 18 verstärkt wird. Optional kann die Ansteuerung so erfolgen, dass der Intensitätskontrast am Detektor 18 den dynamischen Bereich des Detektors 18 vollständig oder wenigstens weitgehend ausnutzt.This allows power regulation in the reference arm of an OCT setup designed to detect light polarization-dependent effects. Depending on the specific control of the optical element, the drive device 23 can be controlled by the control logic 40 such that the intensity contrast at the detector 18 is enhanced by the power regulation in the reference arm. Optionally, the control can be configured so that the intensity contrast at the detector 18 fully or at least largely utilizes the dynamic range of the detector 18.
Das System 10 nach
Alternativ oder zusätzlich kann das Rechensystem 50 eingerichtet sein, um automatische Steuervorgänge auszuführen, die von dem Ergebnis der Detektion und/oder Klassifizierung der oberflächennahen Defekte innerhalb des Werkstoffs abhängen. Beispielsweise kann bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennaher Defekte das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der zum automatischen Verwerfen des entsprechenden Werkstoffs führt. Alternativ oder zusätzlich kann bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennaher Defekte an mehreren baugleichen Werkstoffen das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der zum automatischen Anhalten eines Fertigungsprozesses führt, um eine Fehlerbehebung zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennahe Defekte an mehreren baugleichen Werkstoffen das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der den Fertigungsprozess beeinflusst, um die nicht akzeptablen Defekte zu eliminieren.Alternatively or additionally, the computer system 50 can be configured to execute automatic control operations that depend on the result of the detection and/or classification of near-surface defects within the material. For example, if unacceptable near-surface defects are identified, the computer system 50 can execute a control operation that leads to the automatic rejection of the corresponding material. Alternatively or additionally, if unacceptable near-surface defects are identified in several identical materials, the computer system 50 can execute a control operation that leads to the automatic halting of a manufacturing process to allow for troubleshooting. Alternatively or additionally, if unacceptable near-surface defects are identified in several identical materials, the computer system 50 can execute a control operation that influences the manufacturing process to eliminate the unacceptable defects.
Bei 61 erfolgt eine Auswertung von mit einem Detektor einer OCT-Anordnung erfassten Interferenzsignalen. Die Auswertung kann eine Bestimmung einer Intensitätsvarianz und einen Vergleich der Intensitätsvarianz mit dem durch den Detektor erfassbaren Bereich unterschiedliche Intensitäten, der hier auch als dynamische Bereich bezeichnet wird, aufweisen. Die Auswertung kann eine Bestimmung eines Gleichlichtanteils und eines Mischlichtanteils basierend auf den von dem Detektor erfassten Interferenzsignalen erfolgen. Für die Auswertung bei Schritt 61 kann die OCT-Anordnung Messlicht auf den zu prüfenden Werkstoff einstrahlen, um eine anfängliche Intensitätsverteilung am Detektor zu bestimmen und so zu ermitteln, wie Einstellungen der OCT-Anordnung zu ändern sind, um oberflächennahe Defekte möglichst zuverlässig und/oder möglichst genau detektieren, optional auch klassifizieren, zu können. Die bei 61 erfassten Interferenzsignale werden nicht zur Bestimmung der OCT-Bilddaten herangezogen, sofern die Intensitätsvarianz nicht ein bestimmtes Gütekriterium erfüllt.Step 61 involves evaluating interference signals acquired by a detector of an OCT array. This evaluation can include determining the intensity variance and comparing it to the range of different intensities detectable by the detector, also referred to here as the dynamic range. The evaluation can also determine the proportion of uniform light and mixed light based on the interference signals acquired by the detector. For the evaluation in step 61, the OCT array can illuminate the material under test with measuring light to determine an initial intensity distribution at the detector. This allows for the determination of how to adjust the OCT array settings to detect near-surface defects as reliably and/or accurately as possible, and optionally to classify them. The interference signals acquired in step 61 are not used to determine the OCT image data unless the intensity variance meets a specific quality criterion.
Bei 62 steuert die Steuerlogik (beispielsweise die Steuerlogik 40) eine Leistungsregulierungseinrichtung (die beispielsweise eine motorisierte Iris-Blende aufweisen kann) im Referenzarm der OCT-Anordnung. Die Steuerlogik kann optional auch weitere Komponenten der OCT-Anordnung steuern, beispielsweise die Strahlungsquelle und/oder andere Komponenten. Die Steuerlogik steuert bei 62 die Leistungsregulierungseinrichtung und optional weitere Komponenten der OCT-Anordnung derart, dass die Intensitätsvarianz, die für den zu prüfenden Werkstoff am Detektor 18 erfasst wird, ein bestimmtes Gütekriterium erfüllt. Hierfür können Schritte 61 und 62 iterativ wiederholt werden.In step 62, the control logic (for example, control logic 40) controls a power regulation device (which may, for example, include a motorized iris diaphragm) in the reference arm of the OCT array. The control logic can optionally also control other components of the OCT array, such as the radiation source and/or other components. In step 62, the control logic controls the power regulation device and optionally other components of the OCT array such that the intensity variance detected at detector 18 for the material under test meets a specific quality criterion. Steps 61 and 62 can be repeated iteratively for this purpose.
Bei 63 führt die OCT-Anordnung eine OCT an dem zu prüfenden Werkstoff aus. Dabei wird der Messstrahl über den zu prüfenden Werkstoff gescannt, um zweidimensionale oder vorteilhaft dreidimensionale OCT-Bilddaten zu gewinnen. Die OCT kann als FT OCT unter Verwendung einer Superkontinuum-Lichtquelle, beispielsweise einem Weißlicht-Laser, ausgeführt werden.At 63, the OCT setup performs an OCT scan on the material under test. The measuring beam is scanned across the material to acquire two-dimensional or, advantageously, three-dimensional OCT image data. The OCT can be performed as FT OCT using a supercontinuum light source, such as a white light laser.
Bei 64 erzeugt das System (beispielsweise das Rechensystem 50 des Systems 10) OCT-Bilddaten aus den mit dem Detektor 18 bei der OCT erfassten Daten. Dies kann eine Rekonstruktion der OCT-Bilddaten aus den mehreren erfassten Interferenzmusters, die für unterschiedliche Scanrichtungen des Messstrahls erzielt wurden, beinhalten. Techniken zur Rekonstruktion von OCT-Bilddaten aus den erfassten Interferenzmusters sind der Fachperson geläufig.At 64, the system (for example, computer system 50 of system 10) generates OCT image data from the data acquired by detector 18 during OCT. This can involve reconstructing the OCT image data from the multiple interference patterns acquired for different scan directions of the measurement beam. Techniques for reconstructing OCT image data from the acquired interference patterns are familiar to the specialist.
Bei 64 wertet das System (beispielsweise das Rechensystem 50 des Systems 10) die OCT-Bilddaten aus, um Defekte zu erkennen und optional zu klassifizieren. Die Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten kann die Anwendung eines datengetriebenen Auswertungsverfahrens, beispielsweise eines Kl-Modells zur Objektklassifikation, aufweisen. Die Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten kann optional eine Vorverarbeitung der OCT-Bilddaten aufweisen, beispielsweise eine Segmentierung um mögliche Defektpositionen.At 64, the system (for example, computing system 50 of system 10) evaluates the OCT- Image data is used to detect and optionally classify defects. The detection and/or classification of defects based on the OCT image data may involve the application of a data-driven evaluation method, such as a computer intelligence (CI) model for object classification. Optionally, the detection and/or classification of defects based on the OCT image data may include preprocessing of the OCT image data, such as segmentation around potential defect locations.
Das System kann abhängig von den detektierten und optional klassifizierten Defekten ein oder mehrere Steuervorgänge ausführen, wie bereits erläutert wurde. Beispielsweise kann das Rechensystem 50 eine Benutzerschnittstelle 53 so ansteuern, dass von den detektierten und/oder klassifizierten Defekten abhängige Informationen über die Benutzerschnittstelle 53 ausgegeben werden. Das Rechensystem 50 kann eingerichtet sein, die Benutzerschnittstelle 53 so anzusteuern, dass diese Markierungen, die Defekte und optional Defekttypen angeben, als Überlagerung auf den erzeugten OCT-Bilddaten darstellt. Das Rechensystem 50 kann alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein, weitere Steuervorgänge auszuführen, wie bereits erläutert wurde.Depending on the detected and optionally classified defects, the system can execute one or more control operations, as previously explained. For example, the computer system 50 can control a user interface 53 to output information dependent on the detected and/or classified defects. The computer system 50 can be configured to control the user interface 53 to display these markers, which indicate defects and optionally defect types, as a superimposition on the generated OCT image data. Alternatively or additionally, the computer system 50 can be configured to execute further control operations, as previously explained.
Bei 66 erzeugt das Rechensystem 50 des Systems 10 OCT-Bilddaten aus den mit dem Detektor der OCT-Anordnung bei der OCT erfassten Daten. Dies kann eine Rekonstruktion der OCT-Bilddaten aus den mehreren erfassten Interferenzmusters, die für unterschiedliche Scanrichtungen des Messstrahls erzielt wurden, beinhalten. Techniken zur Rekonstruktion von OCT-Bilddaten aus den erfassten Interferenzmusters sind der Fachperson geläufig.At 66, the computing system 50 of system 10 generates OCT image data from the data acquired by the detector of the OCT array during the OCT procedure. This can involve reconstructing the OCT image data from the multiple interference patterns acquired for different scan directions of the measurement beam. Techniques for reconstructing OCT image data from the acquired interference patterns are familiar to the specialist.
Bei 67 wertet das Rechensystem 50 die OCT-Bilddaten aus, um Defekte zu erkennen und optional zu klassifizieren. Die Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten kann die Anwendung eines datengetriebenen Auswertungsverfahrens, beispielsweise eines KI-Modells zur Objektklassifikation, aufweisen. Die Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten kann optional eine Vorverarbeitung der OCT-Bilddaten aufweisen, beispielsweise eine Segmentierung um mögliche Defektpositionen.At station 67, the computer system 50 analyzes the OCT image data to detect and optionally classify defects. The detection and/or classification of defects based on the OCT image data may involve the application of a data-driven evaluation method, such as an AI model for object classification. Optionally, the detection and/or classification of defects based on the OCT image data may include preprocessing of the OCT image data, such as segmentation around potential defect locations.
Das System 10 und/oder das Verfahren nach den hier offenbarten Ausführungsbeispielen können eingerichtet sein, um die OCT-Bilddaten unter Verwendung einer inversen Dunkelfeldbeleuchtung zu erfassen. Das System 10 und/oder das Verfahren kann somit derart eingerichtet sein, dass ein Beleuchtungssystem und das Beobachtungssystem (Objektiv 37) im Vergleich zu einem herkömmlichen Dunkelfeldaufbau geometrisch vertauscht sein können. Hierfür können folgende Merkmale realisiert werden:
- Beleuchtung: Bei der (inversen) Dunkelfeldbeleuchtung wird das Licht schräg auf die Probe gestrahlt. Licht kann nicht direkt in das Objektiv 17 fallen, es sei denn, es wird von dem Werkstoff gestreut oder reflektiert. Weil nur das Licht, das von dem Werkstoff reflektiert oder gestreut wird, ins Objektiv 17 gelangt, erscheinen Objekte auf einem dunklen Hintergrund. Partikel, Kanten und Unregelmäßigkeiten, die das Licht stärker streuen, leuchten hell auf, was sie leicht erkennbar macht. Dies ist für die Detektion oberflächennaher Defekte besonders vorteilhaft
- Illumination: In (inverse) dark-field illumination, the light is directed obliquely onto the sample. Light cannot fall directly into the objective lens 17 unless it is scattered or reflected by the material. Because only the light reflected or scattered by the material reaches the objective lens 17, objects appear against a dark background. Particles, edges, and irregularities that scatter light more strongly illuminate brightly, making them easily visible. This is particularly advantageous for detecting near-surface defects.
Inverse Anordnung: Bei der inversen Dunkelfeldbeleuchtung wird das Objektiv 17 unterhalb der Probe positioniert. Die OCT-Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass schräg einfallendes Licht von oben oder gegebenenfalls von der Seite auf den Werkstoff einfällt, und das Streulicht von unten durch das Objektiv 17 gesammelt wird.Inverse arrangement: In inverse darkfield illumination, the objective lens 17 is positioned below the sample. The OCT arrangement can be designed such that obliquely incident light falls onto the material from above or, if necessary, from the side, and the scattered light from below is collected by the objective lens 17.
Durch den Einsatz der inversen Dunkelfeldbeleuchtung kann eine verbesserte Detektion von Defekten im Gebiet der Materialwissenschaften erreicht werden, insbesondere bei der Detektion von oberflächennahen Defekten.The use of inverse dark-field illumination can achieve improved defect detection in the field of materials science, especially in the detection of near-surface defects.
Vor Durchführung der OCT-Bildgebung wird initial wenigstens ein Interferenzmuster 71 an dem zu prüfenden Werkstoff 70 mit dem Detektor 18 erfasst. Abhängig von einem Intensitätskontrast des Interferenzmusters 71 steuert die Steuerlogik 40 die Leistungsregulierungseinrichtung 21, um den Intensitätskontrast zu erhöhen. Dabei kann die Steuerlogik 40 auch die Eigenschaften des Detektors 18, insbesondere den Bereich der von mit dem Detektor 18 erfassbaren Intensitäten, berücksichtigen. Die Steuerlogik 40 kann optional auch die Strahlungsquelle 11 oder andere steuerbare Komponenten der OCT-Anordnung steuern, um den Intensitätskontrast zu erhöhen. Die Steuerlogik 40 kann dabei Steuern zu eingreifen, dass der Intensitätskontrast für den jeweiligen zu prüfenden Werkstoff 70 wenigstens näherungsweise, im Idealfall im Wesentlichen, mit dem dynamischen Bereich des Detektors 18 zusammenfällt.Before OCT imaging is performed, at least one interference pattern 71 is initially detected on the material 70 to be tested using the detector 18. Depending on the intensity contrast of the interference pattern 71, the control logic 40 controls the power control device 21 to increase the intensity contrast. The control logic 40 can also take into account the properties of the detector 18, in particular the range of intensities detectable by the detector 18. The control logic 40 can optionally also control the radiation Source 11 or other controllable components of the OCT arrangement can be controlled to increase the intensity contrast. The control logic 40 can intervene to ensure that the intensity contrast for the respective material 70 to be tested at least approximately, and ideally substantially, coincides with the dynamic range of the detector 18.
Nach einer derartigen automatischen Anpassung der OCT-Anordnung unter Kontrolle der Steuerlogik 40 erfolgt die eigentliche bildgebende OCT-Datenerfassung, bei der mehrere weitere Interferenzmuster 72 mit dem Detektor 18 erfasst und von dem Rechensystem 50 zu den OCT-Bilddaten 73 verrechnet werden. Die weiteren Interferenzmuster 72 weisen einen im Vergleich zum Interferenzmuster 71 erhöhten Intensitätskontrast auf. In anderen Worten ist der Gleichlichtanteil im Vergleich zum Mischlichtanteil in den weiteren Interferenzmuster 72 im Vergleich zu dem initial wenigstens ein Interferenzmuster 71 reduziert. Dadurch wird die Qualität der OCT-Bildgebung verbessert und die Detektion auch kleiner Defekte im optischen Werkstoff 70 mit im Vergleich zu herkömmlichen Techniken höherer Zuverlässigkeit und/oder höherer Auflösung möglich.Following such automatic adjustment of the OCT configuration under the control of the control logic 40, the actual imaging OCT data acquisition takes place, in which several further interference patterns 72 are acquired by the detector 18 and processed by the computing system 50 to generate the OCT image data 73. The further interference patterns 72 exhibit an increased intensity contrast compared to the interference pattern 71. In other words, the proportion of uniform light compared to the proportion of mixed light in the further interference patterns 72 is reduced compared to at least one initial interference pattern 71. This improves the quality of the OCT imaging and enables the detection of even small defects in the optical material 70 with higher reliability and/or higher resolution compared to conventional techniques.
Ein nach Abstimmung der OCT Anordnung an den jeweiligen zu prüfenden Werkstoff erfasstes weiteres Interferenzsignal 79 variiert über einen Bereich, der im Wesentlichen mit dem von dem Detektor 18 erfassbaren Intensitätsbereich 77 zusammenfällt. Ein Intensitätsmaximum 79' des weiteren Interferenzsignals 79 kann im Wesentlichen einer Obergrenze des erfassbaren Intensitätsbereich 77 entsprechen. Ein Intensitätsminimum 79" des weiteren Interferenzsignals 79 kann im Wesentlichen einer Untergrenze des erfassbaren Intensitätsbereich 77 entsprechen. Auf diese Weise wird durch die automatische Anpassung, die durch die Steuerlogik 40 vorgenommen wird, der dynamische Bereich 77 des Detektors 18 ausgenutzt, in dem die erfassten Pixelwerte als Funktion der erfassten Intensität veränderlich sind.A further interference signal 79, detected after the OCT arrangement has been adjusted to the respective material being tested, varies over a range that essentially coincides with the intensity range 77 detectable by the detector 18. An intensity maximum 79' of the further interference signal 79 can essentially correspond to an upper limit of the detectable intensity range 77. An intensity minimum 79" of the further interference signal 79 can essentially correspond to a lower limit of the detectable intensity range 77. In this way, the dynamic range 77 of the detector 18, in which the detected pixel values vary as a function of the detected intensity, is utilized by the automatic adjustment performed by the control logic 40.
Bei 81 erfolgt eine Auswertung von mit einem Detektor einer OCT-Anordnung erfassten Interferenzsignalen. Die Auswertung kann eine Bestimmung einer Intensitätsvarianz und einen Vergleich der Intensitätsvarianz mit dem durch den Detektor erfassbaren Bereich unterschiedliche Intensitäten, der hier auch als dynamische Bereich bezeichnet wird, aufweisen. Die Auswertung kann eine Bestimmung eines Gleichlichtanteils und eines Mischlichtanteils basierend auf den von dem Detektor erfassten Interferenzsignalen erfolgen. Für die Auswertung bei Schritt 81 kann die OCT-Anordnung Messlicht auf den zu prüfenden Werkstoff einstrahlen, um eine anfängliche Intensitätsverteilung am Detektor zu bestimmen und so zu ermitteln, wie Einstellungen der OCT-Anordnung zu ändern sind, um oberflächennahe Defekte möglichst zuverlässig und/oder möglichst genau detektieren, optional auch klassifizieren, zu können.Step 81 involves evaluating interference signals acquired by a detector in an OCT array. This evaluation can include determining the intensity variance and comparing it to the range of different intensities detectable by the detector, also referred to here as the dynamic range. The evaluation can also determine the proportion of uniform light and mixed light based on the interference signals acquired by the detector. For the evaluation in step 81, the OCT array can illuminate the material under test with measuring light to determine an initial intensity distribution at the detector. This allows for the determination of how to adjust the OCT array settings to detect near-surface defects as reliably and/or accurately as possible, and optionally to classify them.
Bei 82 wird überprüft, ob die Intensitätsvarianz, d. h. der Interferenzkontrast, mit dem Detektor 18 erfasst wurde, ein Gütekriterium erfüllt. Das Gütekriterium kann einen Vergleich der Intensitätsvarianz mit dem dynamischen Bereich des Detektors 18 beinhalten. Das Gütekriterium kann alternativ oder zusätzlich einen Vergleich eines Mischlichtanteil im Interferenzsignal mit einem Gleichlichtanteil im Interferenzsignal aufweisen.Step 82 checks whether the intensity variance, i.e., the interference contrast, detected by detector 18 meets a quality criterion. This quality criterion can involve a comparison of the intensity variance with the dynamic range of detector 18. Alternatively or additionally, the quality criterion can include a comparison of a mixed-light component in the interference signal with a uniform-light component in the interference signal.
Bei 83 wird als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Gütekriterium nicht erfüllt wird, die Leistungsregulierungseinrichtung 21, die Strahlungsquelle 11 und/oder eine andere Komponente der OCT-Anordnung angesteuert, um den Intensitätskontrast zu erhöhen, also den Gleichlichtanteil im Vergleich zum Mischlichtanteil zu reduzieren.At 83, in response to a determination that the quality criterion is not met, the power control device 21, the radiation source 11 and/or another component of the OCT arrangement is controlled to increase the intensity contrast, i.e. to reduce the proportion of uniform light compared to the proportion of mixed light.
Schritte 81, 82, 83 können iterativ wiederholt werden.Steps 81, 82, and 83 can be repeated iteratively.
Bei 63 und 64, die wir unter Bezugnahme auf das Verfahren 60 von
Die Steuerlogik 40 weist wenigstens eine Schnittstelle 45, ein Speichersystem 46 und wenigstens eine Verarbeitungsschaltung 90 auf. Die wenigstens eine Schnittstelle 45 kann als Datenschnittstelle, insbesondere als Kommunikationsschnittstelle für einen drahtgebunden oder drahtlosen Datenaustausch mit dem Detektor 18 und/oder dem Antrieb 23 eingerichtet sein. Die Steuerlogik 40 ist eingerichtet, Eingangsdaten 94 zu empfangen, die von dem mit dem Detektor 18 erfassten Interferenzsignal abhängen, dass durch die kohärente Überlagerung von Messstrahl 31 und Referenzstrahl erzeugt wird. Die Eingangsdaten 94 können den Ausgangsdaten des Detektors 18 entsprechen oder anderweitig darauf beruhen. Beispielsweise können die Eingangsdaten 94 eine Intensitätsvarianz des mit dem Detektor 18 erfassten Interferenzsignals repräsentieren. Die Steuerlogik 40 ist eingerichtet, Steuerbefehle 95 auszugeben, um die OCT-Anordnung für eine verbesserte (insbesondere kontrastreichere) OCT-Datenerfassung an dem zu prüfenden Werkstoff zu konfigurieren. Die Steuerbefehle 95 können wenigstens einen Steuerbefehl für eine motorisierte Iris-Blende aufweisen, die im Referenzarm angeordnet ist. Der Steuerbefehl für die motorisierte Iris-Blende kann einen Stellwert angeben, auf den die Iris-Blende eingestellt werden soll.The control logic 40 comprises at least one interface 45, a storage system 46, and at least one processing circuit 90. The at least one interface 45 can be configured as a data interface, in particular as a communication interface for wired or wireless data exchange with the detector 18 and/or the drive 23. The control logic 40 is configured to receive input data 94 that depends on the interference signal detected by the detector 18, which is generated by the coherent superposition of the measuring beam 31 and the reference beam. The input data 94 can correspond to the output data of the detector 18 or be otherwise based on it. For example, the input data 94 can represent an intensity variance of the interference signal detected by the detector 18. The control logic 40 is configured to output control commands 95 to configure the OCT arrangement for improved (in particular, higher-contrast) OCT data acquisition on the material under test. The control commands 95 can include at least one control command for a motorized iris diaphragm located in the reference arm. The control command for the motorized iris diaphragm can specify a setpoint to which the iris diaphragm is to be adjusted.
Das Speichersystem 46 speichert Daten 47, die von der Verarbeitungsschaltung 90 zur Verarbeitung der Eingangsdaten 94 herangezogen werden können. Die Daten 47 können maschinenlesbaren Befehlscode, beispielsweise Firmware, aufweisen, der von der Verarbeitungsschaltung 90 ausgeführt werden kann. Die Daten 47 können weitere Daten, beispielsweise wenigstens einen Sollwert für die Intensitätsvarianz oder für das Verhältnis von Gleichlichtanteil zu Mischlichtanteil aufweisen. Die Daten 47 können Anweisungen oder andere Daten aufweisen, aus denen die Verarbeitungsschaltung 90 ermitteln kann, wie bei einem durch die Eingangsdaten 94 repräsentierten Ist-Wert der Intensitätsvarianz die motorisierte Iris-Blende und/oder die Strahlungsquelle angesteuert werden soll, um den Intensitätskontrast bei der OCT zu verbessern.The storage system 46 stores data 47, which can be used by the processing circuit 90 to process the input data 94. The data 47 can contain machine-readable instruction code, such as firmware, which can be executed by the processing circuit 90. The data 47 can contain further data, such as at least one setpoint for the intensity variance or for the ratio of uniform light to mixed light. The data 47 can contain instructions or other data from which the processing circuit 90 can determine how to control the motorized iris diaphragm and/or the radiation source for a given actual value of the intensity variance represented by the input data 94, in order to improve the intensity contrast during OCT.
Die Verarbeitungsschaltung 90 kann eingerichtet sein, eine Auswertung 91 der Eingangsdaten 94 vorzunehmen, um zu bestimmen, ob eine Einstellung der Leistungsregulierungseinrichtung 21 und/oder der Ausgangsleistung der Strahlungsquelle 11 vorzunehmen ist. Die Auswertung 91 kann einen Vergleich des Intensitätskontrast mit dem dynamischen Bereich des Detektors 18 beinhalten.The processing circuit 90 can be configured to perform an evaluation 91 of the input data 94 to determine whether an adjustment of the power control device 21 and/or the output power of the radiation source 11 is required. The evaluation 91 can include a comparison of the intensity contrast with the dynamic range of the detector 18.
Die Verarbeitungsschaltung 90 kann eingerichtet sein, eine Steueraktionsbestimmung 92 abhängig von dem Ergebnis der Auswertung 91 durchzuführen. Die Steueraktionsbestimmung 92 kann eine Bestimmung aufweisen, ob und zu welchem Stellwert die motorisierte Iris-Blende 22 verstellt werden soll. Die Steueraktion Bestimmung 92 kann eine Bestimmung aufweisen, auf welche Ausgangsleistung die Strahlungsquelle 11 angesteuert werden soll.The processing circuit 90 can be configured to perform a control action determination 92 depending on the result of the evaluation 91. The control action determination 92 can specify whether and to what setpoint the motorized iris diaphragm 22 should be adjusted. The control action determination 92 can specify the output power to which the radiation source 11 should be driven.
Die Verarbeitungsschaltung 90 kann eingerichtet sein, eine Schnittstellensteuerung 93 auszuführen, um Steuerbefehle 95 zu erzeugen und die wenigstens eine Schnittstelle 45 zum Ausgeben der Steuerbefehle 95 anzusteuern.The processing circuit 90 can be configured to execute an interface control 93 to generate control commands 95 and to control the at least one interface 45 for outputting the control commands 95.
Zur Durchführung der verschiedenen Steuer- und Verarbeitungsfunktionen kann die Verarbeitungsschaltung 90 eine oder mehrere integrierte Schaltungen aufweisen. Die eine oder mehrere integrierte Schaltungen können beispielsweise jede beliebige oder jede beliebige Kombination der folgenden Schaltungen oder Schaltungskomponenten aufweisen: eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC = „application specific integrated circuit“), ein Feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), einen Prozessor oder mehrere Prozessoren, einen Controller oder mehrere Controller, ein oder mehrere Quantengatter, eine Schaltung zur Quanteninformationsverarbeitung, weitere integrierte Schaltungen.To perform the various control and processing functions, the processing circuit 90 can include one or more integrated circuits. These one or more integrated circuits can, for example, include any combination of the following circuits or circuit components: an application-specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA), one or more processors, one or more controllers, one or more quantum gates, a quantum information processing circuit, or other integrated circuits.
Das Rechensystem 50 weist wenigstens eine Datenschnittstelle 51, ein Speichersystem 52 und wenigstens eine Verarbeitungsschaltung 55 auf. Das Rechensystem 50 kann optional eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 53 aufweisen oder für eine Kopplung mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 53 eingerichtet sein. Die wenigstens eine Datenschnittstelle 51 kann als Kommunikationsschnittstelle für einen drahtgebunden oder drahtlosen Datenaustausch mit dem Detektor 18 eingerichtet sein. Die Rechensystem 50 ist eingerichtet, Eingangsdaten 51 zu empfangen, die die mit dem Detektor 18 erfassten OCT-Daten aufweisen. Die Eingangsdaten können die mit dem Detektor erfassten Interferenzsignale der für unterschiedliche Scan-Richtungen des Messstrahls 31 aufweisen. Die Eingangsdaten 94 können den Ausgangsdaten des Detektors 18 entsprechen oder anderweitig darauf beruhen.The computing system 50 comprises at least one data interface 51, a storage system 52, and at least one processing circuit 55. The computing system 50 may optionally have a human-machine interface 53 or be configured for coupling with a human-machine interface 53. The at least one data interface 51 may be configured as a communication interface for wired or wireless data exchange with the detector 18. The computing system 50 is configured to receive input data 51, which includes the OCT data acquired by the detector 18. The input data may include the interference signals acquired by the detector for different scan directions of the measuring beam 31. The input data 54 may be used to process the output data of the Detector 18 corresponds to or is otherwise based on it.
Das Speichersystem 52 speichert Daten 54, die von der Verarbeitungsschaltung 55 zur Verarbeitung der Eingangsdaten 54 herangezogen werden können. Die Daten 54 können maschinenlesbaren Befehlscode, beispielsweise Software oder Firmware, aufweisen, der von der Verarbeitungsschaltung 55 ausgeführt werden kann. Die Daten 54 können weitere Daten, beispielsweise Parameter, optional auch über Parameter, einer datengetriebenen Verarbeitungstechniken aufweisen, die von der Verarbeitungsschaltung 55 zur Erkennung und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte angewandt wird.The storage system 52 stores data 54, which can be used by the processing circuit 55 to process the input data 54. The data 54 can contain machine-readable instruction code, such as software or firmware, which can be executed by the processing circuit 55. The data 54 can also contain further data, such as parameters, optionally via parameters, of a data-driven processing technique, which is applied by the processing circuit 55 for the detection and/or classification of near-surface defects.
Die Verarbeitungsschaltung 55 kann eingerichtet sein, eine OCT-Bilddatenerzeugung 56 auszuführen, um aus den mit dem Detektor 18 bei der OCT erfassten Daten OCT-Bilddaten zu erzeugen. Die OCT-Bilddatenerzeugung 56 kann eingerichtet sein, eine Rekonstruktion der OCT-Bilddaten aus den mehreren erfassten Interferenzmusters, die für unterschiedliche Scanrichtungen des Messstrahls erzielt wurden, auszuführen. Techniken zur Rekonstruktion von OCT-Bilddaten aus den erfassten Interferenzmusters sind der Fachperson geläufig.The processing circuit 55 can be configured to perform OCT image generation 56 to generate OCT image data from the data acquired by the detector 18 during OCT. The OCT image generation 56 can be configured to reconstruct the OCT image data from the multiple acquired interference patterns obtained for different scan directions of the measurement beam. Techniques for reconstructing OCT image data from the acquired interference patterns are familiar to the user.
Die Verarbeitungsschaltung 55 kann eingerichtet sein, eine Auswertung 57 der OCT-Bilddaten auszuführen, um Defekte bildbasiert zu erkennen und optional zu klassifizieren. Die Auswertung 57 kann so eingerichtet sein, dass zur Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten ein datengetriebenen Auswertungsverfahren auf die OCT-Bilddaten angewandt wird. Das datengetriebene Auswertungsverfahren kann beispielsweise eines KI-Modells zur Objektklassifikation aufweisen. Die Auswertung 57 kann so eingerichtet sein, dass die Erkennung und/oder Klassifizierung von Defekten basierend auf den OCT-Bilddaten optional eine Vorverarbeitung der OCT-Bilddaten aufweisen kann, beispielsweise eine Segmentierung um mögliche Defektpositionen.The processing circuit 55 can be configured to perform an evaluation 57 of the OCT image data to detect defects based on the image and optionally classify them. The evaluation 57 can be configured such that a data-driven evaluation method is applied to the OCT image data for the detection and/or classification of defects based on the OCT image data. The data-driven evaluation method can, for example, include an AI model for object classification. The evaluation 57 can be configured such that the detection and/or classification of defects based on the OCT image data can optionally include preprocessing of the OCT image data, for example, segmentation around possible defect locations.
Die Verarbeitungsschaltung 55 kann eingerichtet sein, eine Schnittstellensteuerung 58 in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Auswertung 57 auszuführen. Die Schnittstellensteuerung 58 kann eingerichtet sein, um die Mensch-Maschine-Schnittstelle 53 anzusteuern, um Informationen über die Detektion und/oder Klassifizierung der oberflächennahen Defekte, die innerhalb des Werkstoffs identifiziert wurden, bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schnittstellensteuerung 58 eingerichtet sein, um automatische Steuervorgänge auszuführen, die von dem Ergebnis der Detektion und/oder Klassifizierung der oberflächennahen Defekte innerhalb des Werkstoffs abhängen. Beispielsweise kann bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennaher Defekte das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der zum automatischen Verwerfen des entsprechenden Werkstoffs führt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schnittstellensteuerung 58 eingerichtet sein, bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennaher Defekte an mehreren baugleichen Werkstoffen das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der zum automatischen Anhalten eines Fertigungsprozesses führt, um eine Fehlerbehebung zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schnittstellensteuerung 58 eingerichtet sein, bei Identifizierung nicht akzeptabler oberflächennahe Defekte an mehreren baugleichen Werkstoffen das Rechensystem 50 einen Steuervorgang ausführen, der den Fertigungsprozess beeinflusst, um die nicht akzeptablen Defekte zu eliminieren.The processing circuit 55 can be configured to execute an interface control 58 depending on a result of the evaluation 57. The interface control 58 can be configured to control the human-machine interface 53 to provide information about the detection and/or classification of near-surface defects identified within the material. Alternatively or additionally, the interface control 58 can be configured to execute automatic control operations that depend on the result of the detection and/or classification of near-surface defects within the material. For example, if unacceptable near-surface defects are identified, the computer system 50 can execute a control operation that leads to the automatic rejection of the corresponding material. Alternatively or additionally, if unacceptable near-surface defects are identified in several identical materials, the interface control 58 can be configured to execute a control operation that leads to the automatic halting of a manufacturing process to allow for troubleshooting. Alternatively or additionally, the interface control 58 can be set up so that, in the event of the identification of unacceptable near-surface defects on several identical materials, the computer system 50 can execute a control process that influences the manufacturing process in order to eliminate the unacceptable defects.
Zur Durchführung der verschiedenen Steuer- und Verarbeitungsfunktionen kann die Verarbeitungsschaltung 55 eine oder mehrere integrierte Schaltungen aufweisen. Die eine oder mehrere integrierte Schaltungen können beispielsweise jede beliebige oder jede beliebige Kombination der folgenden Schaltungen oder Schaltungskomponenten aufweisen: eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC = „application specific integrated circuit“), ein Feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), einen Prozessor oder mehrere Prozessoren, einen Controller oder mehrere Controller, ein oder mehrere Quantengatter, eine Schaltung zur Quanteninformationsverarbeitung, weitere integrierte Schaltungen. Die Verarbeitungsschaltung 55 kann vorteilhaft eine oder mehrere für die Bildverarbeitung spezifisch eingerichtete Schaltungen aufweisen, wie eine oder mehrere eingebettete Einrichtungen („embedded devices“) und/oder ein oder mehrere Grafikprozessoreinheiten (GPUs = „graphical processing units“) und/oder Tensorprozessoreinheiten (TPUs = „tensor processing units“). Derartige Ausgestaltungen ermöglichen eine besonders effiziente Ausführung der Bildauswertung.To perform the various control and processing functions, the processing circuit 55 can include one or more integrated circuits. These one or more integrated circuits can, for example, include any combination of the following circuits or circuit components: an application-specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA), one or more processors, one or more controllers, one or more quantum gates, a quantum information processing circuit, or other integrated circuits. The processing circuit 55 can advantageously include one or more circuits specifically configured for image processing, such as one or more embedded devices and/or one or more graphics processing units (GPUs) and/or tensor processing units (TPUs). Such configurations enable particularly efficient image processing.
Das Rechensystem 50 kann eingerichtet sein, um eine datengetriebener Verarbeitungstechnik auf die erzeugten OCT-Bilddaten anzuwenden, um Defekte zu detektieren und/oder zu klassifizieren. Parameter der datengetriebenen Verarbeitungstechnik können in den Daten 54 hinterlegt sein. Die datengetriebener Verarbeitungstechnik kann eine Klassifizierung beinhalten. Die Klassifizierung kann eine binäre Klassifizierung (Anwesenheit oder Abwesenheit eines Defekts) oder eine nicht-binäre Klassifizierung (Bestimmung des Defekttyps oder Bestimmung von Wahrscheinlichkeiten unterschiedlicher Defekttypen) aufweisen.The computing system 50 can be configured to apply a data-driven processing technique to the generated OCT image data in order to detect and/or classify defects. Parameters of the data-driven processing technique can be stored in the data 54. The data-driven processing technique can include a classification. The classification can be binary (presence or absence of a defect) or non-binary (determination of the defect type or determination of probabilities of different defect types).
Das KI-Modell 100 weist einen Eingang 101 auf, der Pixel oder Voxel der OCT-Bilddaten oder daraus durch Vorverarbeitung abgeleitete Eingangswerte (beispielsweise Features der OCT-Bilddaten) empfangen kann. Das KI-Modell 100 weist einen Ausgang 102 auf, der das Ergebnis der Defekt-Detektion oder defekt-Klassifizierung ausgeben kann. Das KI-Modell 100 weist mehrere verborgene Schichten 103 auf, um basierend auf den am Eingang 101 empfangenen Eingangsdaten das Ergebnis der Defekt-Detektion oder Defekt-Klassifizierung zu bestimmen.The AI model 100 has an input 101 that can receive pixels or voxels of the OCT image data or input values derived from it through preprocessing (for example, features of the OCT image data). The AI model 100 has an output 102 that can output the result of the defect detection or defect classification. The AI model 100 has several hidden layers 103 to determine the result of the defect detection or defect classification based on the input data received at input 101.
Das KI-Modell 100 kann ein oder mehrere Deep-Learning (DL)-Modelle, beispielsweise CNNs („convolutional Neural Networks“), VisionTransformer (ViTs) oder andere ML-Modelle aufweisen.The AI model 100 can incorporate one or more deep learning (DL) models, such as CNNs (“convolutional Neural Networks”), VisionTransformers (ViTs), or other ML models.
Das System 10 kann so ausgestaltet sein, dass die Funktionen der Steuerlogik 40, das Rechensystems 50 und optional der weiteren Steuerlogik 40 in einem integralen Gerät kombiniert sind.System 10 can be designed in such a way that the functions of the control logic 40, the computing system 50 and optionally the further control logic 40 are combined in one integral device.
Das Gerät 110 ist eingerichtet, Ausgangsdaten 111 des Detektors 18 der OCT-Anordnung zu empfangen und basierend darauf den Antrieb 23 der Iris-Blende 22 zur Steuerung der Leistung im Referenzarm 20 und die Strahlungsquelle 11 zur Steuerung der Ausgangsleistung der Strahlungsquelle 11 zu steuern. Das Gerät 10 kann eingerichtet sein, die Steuersignale oder Steuerdaten 112, 113 so zu erzeugen, dass ein Interferenzkontrast am Detektor 18 erhöht wird, um eine im Vergleich zu herkömmlichen Techniken genauere und/oder zuverlässigere Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte an optischen Werkstoffen zu ermöglichen.Device 110 is configured to receive output data 111 from detector 18 of the OCT array and, based on this, to control the drive 23 of the iris diaphragm 22 to control the power in the reference arm 20 and the radiation source 11 to control the output power of the radiation source 11. Device 10 can be configured to generate the control signals or control data 112, 113 such that interference contrast at detector 18 is increased to enable more accurate and/or reliable detection and/or classification of near-surface defects in optical materials compared to conventional techniques.
Bei 121 erfolgt eine OCT an dem optischen Werkstück. Schritt 121 kann eine Anpassung der OCT-Anordnung aufweisen. Die Anpassung kann automatisch durch die Steuerlogik 40 basierend auf wenigstens einem Interferenzbild erfolgen, das durch eine Messung an dem optischen Werkstück zur Ermittlung geeigneter Einstellungen der motorisierten Iris-Blende und/oder der Strahlungsquelle erzeugt wurde. Schritt 121 kann eine OCT-Bildgebung unter Verwendung der automatisch angepassten Einstellungen der Iris-Blende und/oder der Strahlungsquelle aufweisen.Step 121 involves performing OCT on the optical workpiece. Step 121 may include an adjustment of the OCT setup. This adjustment can be performed automatically by the control logic 40 based on at least one interference image generated by a measurement on the optical workpiece to determine suitable settings for the motorized iris diaphragm and/or the radiation source. Step 121 may then perform OCT imaging using the automatically adjusted settings of the iris diaphragm and/or the radiation source.
Bei 122 erfolgt eine Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte basierend auf einer Auswertung von OCT-Bilddaten, die aus den mit dem Detektor 18 erfassten Interferenzbildern rechnerisch rekonstruiert werden. Die Detektion und/oder Klassifizierung kann bildbasiert durch Verwendung datengetriebener Auswertungstechniken, insbesondere durch Verwendung wenigstens eines trainierten ML-Modells, erfolgen.At 122, near-surface defects are detected and/or classified based on an evaluation of OCT image data, which are computationally reconstructed from the interference patterns acquired by detector 18. The detection and/or classification can be image-based by using data-driven evaluation techniques, in particular by using at least one trained machine learning model.
Während Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben wurden, können Abwandlungen bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden. Beispielhafte spezifische Abwandlungen und Weiterbildungen wurden bereits erläutert. Weitere Abwandlungen sind möglich. Nachfolgend werden nur beispielhaft weitere Abwandlungen erläutert:
- Während beispielsweise eine OCT-Anordnung beschrieben wurde, die ein Michelson-Interferometer aufweist, können auch andere Interferometer-Typen eingesetzt werden.
- Während eine OCT-Anordnung beschrieben wurde, bei der eine Leistungsregulierung im Referenzarm durch eine motorisierte Blende, optional in Kombination mit einem verschwenkbaren Polarisationsfilter, realisiert ist, kann die Leistungsregulierung auch auf andere Weise durch Verwendung steuerbare optische Elemente erreicht werden.
- For example, while an OCT setup featuring a Michelson interferometer has been described, other types of interferometers can also be used.
- While one OCT arrangement has been described in which power regulation in the reference arm is achieved by a motorized aperture, optionally in combination with a swiveling polarizing filter, power regulation can also be achieved in other ways by using controllable optical elements.
Die Verfahren und Systeme sind zur Qualitätskontrolle von Komponenten optischer Geräte geeignet, ohne hierauf beschränkt zu sein.The methods and systems are suitable for quality control of components of optical devices, but are not limited to this.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die zu verschiedenen Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind. Sie umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren, auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend oder nachfolgend nicht genannt sind. Auch können die in den Figuren und der Beschreibung beschriebenen Alternativen von Ausführungsformen und einzelne Alternativen deren Merkmale vom Erfindungsgegenstand beziehungsweise von den offenbarten Gegenständen ausgeschlossen sein.The present disclosure also includes embodiments with any combination of features mentioned or shown in relation to various embodiments. It also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and/or are not mentioned above or below. Furthermore, the alternative embodiments described in the figures and the description, and individual alternatives of their features, may relate to the subject matter of the invention. They may be excluded from the disclosed items.
Die Ausdrücke „umfassen“ sowie „aufweisen“ und Ableitungen davon zeigen eine nichtabschließende Beziehung an und schließen das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte nicht aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ bzw. „eine“ und Ableitungen davon schließt nicht aus, dass eine Mehrzahl der entsprechenden Elemente vorhanden ist. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit beziehungsweise einen Schritt erfüllt sein.The terms "comprise" and "exist" and derivatives thereof indicate a non-exhaustive relationship and do not preclude the presence of other elements or steps. The indefinite article "a" and derivatives thereof does not preclude the presence of multiple corresponding elements. The functions of several features listed in the claims can be fulfilled by a single unit or step.
Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen verbesserte Techniken zur Detektion und/oder Klassifizierung oberflächennaher Defekte bereit. Die Verfahren und Systeme eignen sich besonders zur Detektion oberflächennaher Defekte, die im Inneren eines optischen Werkstoffs innerhalb einer Randzone von der Oberfläche liegen. Die Verfahren und Systeme ermöglichen eine zerstörungsfreie Detektion derartiger Defekte in optischen Werkstoffen.Exemplary embodiments of the invention provide improved techniques for the detection and/or classification of near-surface defects. The methods and systems are particularly suitable for detecting near-surface defects located within an optical material in a boundary zone from the surface. The methods and systems enable the non-destructive detection of such defects in optical materials.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2005/085832 A2 [0006]WO 2005/085832 A2 [0006]
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Legal Events
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| R163 | Identified publications notified |