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WO2018202696A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer schichtdicke eines objekts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung einer schichtdicke eines objekts Download PDF

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WO2018202696A1
WO2018202696A1 PCT/EP2018/061182 EP2018061182W WO2018202696A1 WO 2018202696 A1 WO2018202696 A1 WO 2018202696A1 EP 2018061182 W EP2018061182 W EP 2018061182W WO 2018202696 A1 WO2018202696 A1 WO 2018202696A1
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WO
WIPO (PCT)
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measurement
measuring
layer thickness
frequency
electromagnetic radiation
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2018/061182
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English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin LITTAU
Giovanni SCHOBER
Stefan KREMLING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Skz-Kfe Ggmbh
Original Assignee
Skz-Kfe Ggmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CA3062502A priority patent/CA3062502C/en
Priority to CN201880029441.0A priority patent/CN110914635B/zh
Priority to US16/610,723 priority patent/US11408733B2/en
Priority to JP2020512078A priority patent/JP7058321B2/ja
Publication of WO2018202696A1 publication Critical patent/WO2018202696A1/de
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    • G01S13/343—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using sawtooth modulation
    • G—PHYSICS
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring a layer thickness of an object, in particular of a plastic object.
  • the layer thickness is an extension of the object between two spaced interfaces of the object.
  • An example of this is the wall thickness of a pipe, which is made in particular of plastic.
  • terahertz measuring techniques with electromagnetic radiation are used.
  • One possible approach is the use of pulsed measurement signals, wherein measured transit time differences can be used to deduce the layer thickness of the object.
  • continuous electromagnetic radiation CW
  • frequency- or phase-modulated electromagnetic radiation can be used.
  • the electromagnetic radiation passing through the object undergoes a phase shift.
  • the resulting phase difference makes it possible to determine the layer thickness.
  • the resolution of such a measurement is limited to the effect that two time-shifted signals in the direction of propagation of the electromagnetic radiation must still be separated. This temporal resolution depends on the spectral bandwidth of the electromagnetic radiation.
  • an object having two boundaries spaced apart by a layer thickness is provided.
  • the object is, for example, a pipe, in particular a plastic pipe.
  • at least two measuring steps are carried out, in each case electromagnetic radiation is irradiated onto the object and secondary radiation reflected from the boundary surfaces of the object is detected. From the detected secondary radiation, a measurement signal is determined in each measurement step.
  • the measuring signals of the measuring steps are combined to form an evaluation signal and from this a fundamental frequency is determined.
  • the layer thickness can be calculated from the fundamental frequency.
  • the electromagnetic radiation radiated in the individual measurement steps is characterized by frequencies in a frequency band assigned to the respective measurement step.
  • the frequency bands assigned to the measurement steps are different subranges of a bandwidth. In particular, the frequency bands have different center frequencies.
  • the merging of the measuring signals of the individual measuring steps takes place depending on the respective frequency bands of the measuring steps. This means that the merging of the measurement signals takes place in accordance with the different subregions of the bandwidth which are selected for the individual measurement steps.
  • This has the advantage that a measurement over the entire bandwidth can be approximated by individual measuring steps in partial ranges of the bandwidth.
  • a measurement with broadband electromagnetic radiation can be replaced by the use of different frequency ranges without the resolution of the method being worsened compared to the measurement with broadband electromagnetic radiation.
  • a precise measurement using multiple low-cost, low-cost systems, such as transmitters and receivers for electromagnetic radiation is provided. Expensive broadband systems are not necessary. This reduces the setup effort for carrying out the method according to the invention.
  • Secondary radiation in the sense of the invention is understood to be electromagnetic radiation which is produced by reflection or transmission of the irradiated radiation at the boundary surfaces of the object. Secondary radiation, which passes through the object at least once, undergoes a phase shift. From this, the measurement signal can be determined.
  • secondary radiation components for example, which are reflected by the different boundary surfaces of the object spaced apart by the layer thickness, can be superimposed.
  • the measuring signals of the individual measuring steps are offset depending on the frequency band used in the respective measuring step.
  • overlaps and / or frequency distances between the individual frequency ranges can be taken into account.
  • it can be provided to apply the measurement signals over a common frequency axis as a function of the respective frequency range.
  • the fundamental frequency may in particular be a Fabry-Perot oscillation of the measurement signals occurring in the frequency domain.
  • the process requires at least two measuring steps. It is also possible to carry out more than two measuring steps. As the number of measuring steps increases, ie as the number of different frequency ranges increases, the bandwidth can be better covered.
  • a smaller frequency range can be selected with increasing number of measuring steps in each measuring step.
  • systems are used, which are designed only for narrow frequency bands, which further reduces the setup effort.
  • the fundamental frequency can be more accurately determined. This reduces measurement uncertainties.
  • the number of measuring steps and the respectively associated frequency bands can particularly preferably be adapted to the expected evaluation signal in accordance with the Nyquist-Shannon sampling theorem.
  • the individual measuring steps are carried out independently of each other. Thus, the measuring steps can be carried out either chronologically or simultaneously.
  • the simultaneous execution of the individual measurement steps has the advantage of a fast measurement.
  • the temporal serial measurement makes it possible for the electromagnetic radiation to be radiated in the individual measuring steps onto the same area of the object. This makes it possible, for example, to precisely resolve local differences in layer thickness. In particular, a sliding follow-up of the layer thickness can take place.
  • the radiation is irradiated continuously, quasi-continuously or in the form of radiation pulses.
  • it may be provided to determine the measurement signal from the detected secondary radiation differently.
  • the merging of the measurement signals depends only on the frequency bands used in the respective measurement steps. Therefore, different methods for determining the measurement signals from the detected secondary radiation can be used in different measuring steps. For example, it may be provided in one
  • the electromagnetic radiation is irradiated on the object at an incident angle b.
  • the angle of incidence b is defined as the angle between the direction of propagation of the electromagnetic radiation and the surface normal of the surface of the object facing a transmitter for the electromagnetic radiation.
  • An angle of incidence b 0 ° is called oblique incidence.
  • the electromagnetic radiation incident on the object is refracted.
  • the electromagnetic radiation propagates in the object therefore with a propagation angle e, which is calculated according to the law of Snellius from the refractive index of the object and the angle of incidence b.
  • the radiated radiation between the interfaces of the object must travel a greater distance. This must be done when determining the measurement signal and the Calculation of the layer thickness are taken into account.
  • the measurement is preferably carried out with normal incidence.
  • the determination of the layer thickness is carried out by measuring the propagation times of the radiation pulses.
  • a radiation pulse is described by a wave packet in the time and frequency space around the center frequency. The shorter the radiation pulse, the more accurate the layer thickness can be resolved.
  • Short radiation pulses correspond to a broadband signal. The generation of extremely short radiation pulses requires high-priced transmitters.
  • a method according to claim 2 allows the measurement of the layer thickness with radiation pulses of longer pulse durations.
  • pulsed irradiation single pulses or several consecutively irradiated pulses can be used.
  • the radiation irradiated in a measuring step can be assigned a frequency range.
  • the merging of the measurement signals of the individual measurement steps is preferably carried out such that the frequency bands are plotted according to the respective center frequency over a common frequency axis.
  • the fundamental frequency to be determined for calculating the layer thickness then corresponds to a Fabry-Perot oscillation in the frequency domain.
  • the pulse durations can be chosen so long that quasi-continuous radiation of a fixed center frequency is radiated.
  • the frequency band assigned to a measuring step substantially corresponds to the center frequency of the quasi-continuous radiation.
  • the determination of the measurement signal can take place instead of transit time measurement by interference measurement.
  • a method according to claim 3 allows the measurement with frequency-modulated continuous radiation with a small frequency deviation.
  • the frequency deviation is defined here by the mapping of the frequency band to a time window by means of a function.
  • the function instead of a single large frequency swing over the entire bandwidth, the function only has to map a narrow frequency band in the individual measuring steps.
  • the function is monotonic over the time window, more preferably linearly increasing. Due to the functional relationship of the frequency band and the associated time window, the merging of the measurement signals of the individual measurement steps corresponds to the application of the measurement signals over a common time axis.
  • a method according to claim 4 enables the implementation of the method with systems for the phase-modulated measurement.
  • the electromagnetic radiation is phase-modulated by the center frequency assigned to the respective measurement step.
  • the function according to which the radiation is phase modulated is also called modulation code.
  • the frequency band assigned to the measuring step is determined by the center frequency and the duration of the modulation code by Fourier transformation.
  • each of the same modulation code can be used at different center frequency.
  • the method according to claim 5 has the advantage that the bandwidth is effectively covered. Redundancies of the individual measurement steps and associated difficulties in merging the measurement signals are avoided. The process is effective and time-saving feasible.
  • a bandwidth center frequency according to claim 6 makes it possible to cover a large frequency range, in particular a frequency range from 0.01 THz to 3 THz, in particular from 0.2 THz to 2 THz. Electromagnetic radiation in this frequency range can well penetrate the objects to be measured, in particular objects made of plastic. Absorption losses are reduced or avoided. In addition, effective, in particular fully electronic transmitters exist in this frequency range. The procedure is effective and accurate.
  • a bandwidth selected according to claim 7 makes it possible to adapt the method according to the invention to the properties of the object to be measured, in particular its refractive index n, and a smallest layer thickness dmin to be measured.
  • the smallest layer thickness dmin to be measured that is to say the maximum resolution, can be stated simply. The process is simple and accurate.
  • the bandwidth may be, for example, between 50 GHz and 500 GHz, in particular between 100 GHz and 250 GHz, in particular between 150 GHz and 200 GHz.
  • a method according to claim 8 satisfies the Nyquist-Shannon sampling theorem.
  • the frequency ranges of the individual measurement steps do not have to cover the entire bandwidth. This allows a minimization of the measuring steps to be performed, without the measurement accuracy is reduced.
  • the method can be adapted to the object to be measured, in particular to its largest layer thickness dmax to be measured.
  • the frequency spacing Af at normal incidence may be selected to be at most 10 GHz.
  • a method according to claim 9 is particularly well suited for the simultaneous implementation of the measuring steps.
  • the process is fast and effective.
  • only transmitters for electromagnetic radiation in a given frequency band are necessary. These are cheap and reliable.
  • the set-up effort for the procedure is reduced.
  • a receiver for the secondary radiation is present for carrying out each measuring step.
  • the process can be easily adapted and / or retrofitted by replacing the respective transmitter and receiver.
  • the calibration step can preferably take place only once before the first measurement.
  • a method according to claim 10 has the advantage that the transmitter for performing the individual measuring steps can be selected and operated completely independently of each other.
  • the transmitters for electromagnetic radiation of different frequencies need not have a fixed amplitude or phase relationship.
  • the calibration is preferably carried out by measurement on a known calibration body, in particular a metal mirror, the secondary radiation emanating from the calibration body serving to normalize the amplitude and phase of the transmitters. Calibration allows you to freely select the transmitters without compromising measurement accuracy.
  • the control according to claim 11 takes place in particular such that the different transmitters are driven with a fixed phase relationship and operate at identical amplitudes.
  • the synchronized control of the transmitter can be done for example via a reference oscillator. With synchronized control, a calibration can be omitted.
  • the device comprises at least two transmitters for the emission of electromagnetic radiation with frequencies in a fixed frequency band.
  • the frequency bands of the individual transmitters represent different subranges of a bandwidth.
  • the transmitter is designed to carry out the method described above.
  • the device has the advantage that a wide bandwidth can be covered without the need for expensive transmitters and / or the receiver for emitting broadband signals. The device allows accurate measurement.
  • the device is designed for carrying out a method with at least two measuring steps. For each measurement step, a separate transmitter can be provided. However, the individual transmitters can each also be designed to carry out a plurality of measuring steps. In particular, tunable transmitters may be considered for this purpose.
  • a receiver for electromagnetic radiation with frequencies within the respective frequency band is provided per transmitter. This allows for simultaneous
  • the transmitters and the respective receivers may also be combined to form a transceiver unit, in particular comprising the same components, such as a radar antenna.
  • the further advantages of the device correspond to those of the method described above.
  • the evaluation electronics can furthermore be designed to carry out a calibration step before the measurement.
  • a calibration of the transmitter can be omitted. The measuring accuracy of the device is increased.
  • An apparatus makes it possible to adapt the method that can be carried out with the device to the properties of the object to be measured.
  • the refractive index, the maximum layer thickness and / or the minimum layer thickness of the object can be taken into account.
  • the input of the properties of the object can be done manually or automatically via a data interface.
  • the properties of the object, in particular desired values are forwarded from an upstream production unit to the device for measuring the layer thickness.
  • a frequency range which does not belong to a frequency band of a measuring step within the bandwidth can be determined from the data transmitted to the evaluation electronics via the interface.
  • the bandwidth to be covered by the transmitters can be adapted to a minimum thickness to be measured.
  • An apparatus according to claim 15 allows easy retrofitting and retrofitting.
  • the device and the measuring method can be adapted to a variety of objects to be measured. The purchase of a new device with changed measurement conditions is avoided. This minimizes the setup effort.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measurement of a layer thickness of an object
  • FIG. 2 shows a frequency of an electromagnetic radiation which is linearly frequency-modulated in a known manner over a large bandwidth
  • FIG. 3 shows a frequency of an electromagnetic radiation modulated linearly in a plurality of measurement steps over discrete, narrow-band frequency bands according to the invention
  • FIG. 4 shows an evaluation signal which is obtained by measurement with the radiation which is frequency-modulated in accordance with FIG. 2
  • FIG. 7 shows a schematic process sequence for measuring a layer thickness of an object
  • FIG. 10 schematically shows the implementation of a measuring step by means of phase-modulated electromagnetic radiation.
  • FIG. 1 schematically shows the measurement of a layer thickness d of an object 1.
  • the object 1 has boundary surfaces 2, 3, which are spaced apart by the layer thickness d.
  • Object 1 moves in the range between a minimum layer thickness d m in and a maximum layer thickness dmax.
  • the minimum layer thickness dmin and the maximum layer thickness dmax represent a smallest or largest layer thickness to be measured for the measurement.
  • the object 1 has a refractive index n which deviates from a refractive index of the surroundings of the object 1. Usually, the measurement is carried out in air or in vacuum, so that the refractive index of the environment is 1.
  • electromagnetic radiation 4 is irradiated onto the boundary surface 2 of the object 1 at an incident angle b.
  • the angle of incidence b is defined as the angle between a propagation direction 5 of the electromagnetic radiation 4 and a surface normal 6 of the interface 2.
  • the irradiated electromagnetic radiation 4 is reflected proportionally at the interface 2 as reflection radiation 7.
  • the non-reflected portion of the electromagnetic radiation 4 penetrates into the object 1 and runs there at a propagation angle e to the surface normal 6 in the direction of the interface 3.
  • the propagation angle e differs due to the refraction of the electromagnetic radiation 4 at the interface 2 of FIG the angle of incidence b.
  • the radiation penetrated into the object 1 is at least partially reflected and exits the object 1 as exit radiation 8 at the interface 2.
  • the reflection radiation 7 and the emission radiation 8 constitute secondary radiation emanating from the boundary surfaces 2, 3 of the object 1.
  • a measurement signal can be determined from the secondary radiation 7, 8, from which the layer thickness d of the object 1 can be calculated.
  • the reflection radiation 7 can be superimposed with the emission radiation 8 and evaluated.
  • the achievable resolution is determined by a spectral bandwidth B of the irradiated electromagnetic radiation 4.
  • the object 1 is a plastic component, for example a plastic tube.
  • the bandwidth B has a bandwidth center frequency f M of about 1,000 GHz.
  • Plastic components are well penetrated by electromagnetic radiation in the Gigaherz Scheme.
  • the plastic components are transparent.
  • the object 1 is made of other materials.
  • the bandwidth center frequency f M of the bandwidth B may be adapted to the material of the object 1.
  • the bandwidth center frequency fM can be chosen between 50 GHz and 1,500 GHz.
  • the bandwidth of known devices and methods for measuring the layer thickness d are not only physically limited, but the corresponding transmitter and receiver are also very expensive. In the following, methods are described which use the measurement large bandwidth B by several measuring steps Mi replace.
  • the index i, i 1, 2,..., Numbers the individual measuring steps Mi.
  • the method uses frequency-modulated electromagnetic radiation 4.
  • FIG. 2 shows a known modulation for electromagnetic radiation 4, as used in frequency-modulated radar measurements.
  • the frequency f of the electromagnetic radiation 4 is plotted over time t.
  • the frequency f is varied from a minimum frequency fo to a maximum frequency fi by increasing the frequency f over the time t within the measurement period T along a linear function f (t).
  • the function f (t) represents a frequency deviation over the measurement period T.
  • the frequency f jumps back to the minimum frequency fo.
  • the spectral bandwidth B is defined between the minimum frequency fo and the maximum frequency fi.
  • the bandwidth B is defined by the bandwidth center frequency fM.
  • the reflection radiation 7 emanating from the first interface 2 of the object 1 is superimposed with the exit radiation 8 emanating from the second interface 3. Due to the different transit times of the respective secondary radiation 7, 8, a measurement signal A of the amplitude results where ⁇ and ⁇ 2 are the frequencies associated with the respective interfaces 2, 3. Due to the linear variation of the frequency of the irradiated radiation 4, a beating of the amplitude arises, as shown in FIG. In FIG. 4, the amplitude of the measuring signal A is shown as a function of the time t over the measuring period T for this purpose. Since the fundamental frequency ⁇ of the beat
  • ⁇ ( ⁇ - ⁇ 2) / 2 is proportional to the frequency difference of the reflection radiation 7 and the exit radiation 8, the layer thickness d of the object 1 can be determined therefrom: ⁇ c
  • the measurement signal A can be used directly for calculating the layer thickness d, thus representing an evaluation signal.
  • the frequency deviation over the bandwidth B must therefore cover at least half the period length of the fundamental frequency of the beat.
  • the electromagnetic radiation 4 is modulated according to a function f (t) over the time t, wherein the function f (t) images a frequency band Fi assigned to the respective measuring step Mi to a time window Ti.
  • the frequency bands Fi are subregions of the bandwidth B.
  • the functions f (t) are linearly monotonically increasing.
  • the functions f (t) cover subregions of the frequency deviation f (t) shown in FIG. 2 over the bandwidth B.
  • the frequency bands Fi are overlapping-free and do not cover the bandwidth B completely.
  • the amplitude of a measuring signal A can be calculated in each case. Due to the short length of the time windows Ti, the respective measurement signals Ai only cover part of the beat (see FIG. However, it is possible to combine the amplitudes of the measurement signals Ai of the individual measurement steps Mi, as shown in FIG. For this purpose, the measurement signals Ai of the individual measurement steps Mi are combined according to the respective frequency band Fi to form an evaluation signal Ao. In the case of frequency-modulated measurement, the position of the respective frequency bands Fi can be used to combine the measurement signals A over the measurement time T along the time axis t.
  • the fundamental frequency ⁇ of the evaluation signal Ao can be determined by fitting or approximating a beat function and from this the layer thickness d can be calculated. As shown in FIG. 3, the frequency bands Fi do not cover the entire bandwidth B. Since the fundamental frequency ⁇ is proportional to the layer thickness d, the beat frequency increases with increasing layer thickness d. According to the Nyquist-Shannon sampling theorem, at least two sampling points per period of the fundamental frequency ⁇ are necessary in order to unambiguously determine the fundamental frequency ⁇ .
  • the frequency range Af must satisfy the following condition:
  • the individual measuring steps Mi are carried out independently of each other.
  • the measuring steps Mi can be carried out simultaneously or serially.
  • the simultaneous implementation has the advantage of a fast and effective measurement.
  • the serial measurement makes it possible to irradiate the electromagnetic radiation 4 in each measurement step Mi to the same location of the interface 2 of the object 1.
  • a spatially highly resolved measurement of the layer thickness d is possible.
  • a spatial change of the layer thickness d is traceable.
  • more or less measuring steps Mi can be performed.
  • the frequency bands Fi of the individual measuring steps Mi can also overlap.
  • the frequency bands Fi cover the entire bandwidth B.
  • the evaluation signal Ao can be analyzed equivalently also in the frequency domain.
  • the evaluation signal Ao is composed of two pulses.
  • the first pulse corresponds to the fundamental frequency ⁇ , the second pulse of the harmonic of the beat.
  • the width of the pulses is anti-proportional to their spectral bandwidth B, so that the pulses can be separated in time only with a correspondingly large bandwidth B.
  • the position of the pulse of the fundamental frequency ⁇ can then be converted directly into the layer thickness d.
  • FIG. 6 shows a measuring setup for carrying out the described measuring method.
  • the measuring structure comprises the object 1 with the interfaces 2, 3 and a measuring device 10.
  • the measuring device 10 comprises two transmitters Si and S 2 for electromagnetic radiation 4 in a frequency band Fi or F 2 .
  • two receivers Ei and E 2 for the secondary radiation 7, 8 in the respective frequency bands Fi and F 2 are present.
  • the transmitters Si and the receivers Ei are combined in the measuring device 10 to form a transmitter-receiver unit 11.
  • the transmitter-receiver units 11 with the respective transmitters Si and receivers Ei are radar antennas which emit a frequency-modulated continuous electromagnetic radiation 4 and can receive the corresponding secondary radiation 7, 8, which is reflected by the object 1 ,
  • Each transmitter-receiver unit 11, a control and data processing unit 12 is present.
  • the control and data processing units 12 control the transmitters Si and process the secondary radiation 7, 8 received by the receivers Ei into a measurement signal Ai.
  • the control and data processing units 12 are connected in data and signal transmitting manner to a transmitter 13.
  • the evaluation electronics 13 comprises an interface 14.
  • the evaluation electronics 13 is suitable for carrying out the measuring method outlined above.
  • the individual method steps are shown schematically as measuring method 15 in FIG.
  • the transmitters Si and receiver Ei must be calibrated in a calibration step 16.
  • the phases and amplitudes of the electromagnetic radiation 4 generated by the transmitters Si are normalized.
  • the transmitters Si can be used in the measuring steps Mi to be carried out independently of one another, without the need for a reference or synchronization signal.
  • a known calibration object for example a metal mirror, can be measured.
  • the calibration step 16 is followed by a provision step 17.
  • the object 1 is provided.
  • relevant properties of the object 1 are transmitted to the evaluation electronics 13 via the interface 14. These properties of the object 1 include the refractive index n, the maximum layer thickness d max and minimum
  • the interface 14 is implemented as an input module, via which a user can enter the properties of the object 1 directly.
  • the interface 14 is designed as a data interface.
  • the properties of the object 1 can be forwarded automatically from an upstream production site, in which the object 1 is completed, directly to the measuring device 10.
  • the evaluation electronics 13 calculates the bandwidth B required for the measurement and a maximum frequency range Af.
  • the number of measuring steps Mi to be performed can be optimally adapted to the object 1.
  • each measurement step Mi in a transmission detection step 18, electromagnetic radiation 4 is irradiated onto the object 1 in a frequency band Fi assigned to the measurement step Mi, and the resulting secondary radiation 7, 8 is detected.
  • the evaluation electronics 13 forwards the frequency band Fi required for the measuring step Mi to the control and data processing unit 12 of the transmitter-receiver unit 11 suitable for the frequency band Fi with transmitter Si.
  • the electromagnetic radiation 4 is then irradiated by the transmitter Si on the object 1 and detects the secondary radiation 7, 8 from the receiver Ei.
  • a data processing step 19 follows in the transmission detection step 18, in which from the detected secondary radiation 7, 8, the measurement signal Ai of the measuring step Mi is calculated by the control and data processing unit 12.
  • the measurement signals Ai determined in the data processing step 19 are transmitted to the evaluation electronics 13 in a merging step 20.
  • the measurement signals A of the individual measurement steps Mi can be combined in the merging step 20 to form the evaluation signal Ao.
  • the measurement signals Ai of the individual measurement steps Mi are plotted over a common time or frequency axis.
  • each of the measuring steps Mi is performed by another transmitter Si.
  • the electromagnetic radiation 4 that can be generated by each transmitter Si has frequencies f in each frequency band Fi assigned to the respective measuring step Mi.
  • the measuring setup shown in FIG. 6 is therefore suitable for carrying out two measuring steps Mi with the transmitters Si and the respective receivers Ei.
  • the measuring device 10 is modular. In this way, further transmitters Si and receiver Ei, in particular in the form of a transceiver unit 11, can be added to the measuring device 10. This is possible because the transmitter-receiver units 11 of the measuring device 10 operate independently of each other. Due to the modular design of the measuring device 10, this can be optimally adapted to the properties of the object 1 to be measured. Also, the number of transmitter-receiver units 11 can be increased to increase the measurement accuracy.
  • FIG. 8 shows a further measurement setup for measuring the layer thickness d on the object 1.
  • Identical components, parameters and method steps bear the same reference symbols as in the exemplary embodiments explained with reference to FIGS. 1 to 7, to which reference is hereby made.
  • the measuring device 22 shown in FIG. 8 differs from the measuring device 10 only in that, instead of independent control and data processing units 12, a common reference oscillator 23 is provided for the transmitter-receiver units 11.
  • the reference oscillator 23 synchronizes the phases of the electromagnetic radiation 4 radiated from the transmitters Si of the transceiver units 11.
  • the reference oscillator 23 is a synchronization unit. Thus, a calibration of the phase relationship of the transmitter Si in the calibration step 16 can be omitted.
  • the measuring device 22 is modular. So can more
  • transmitter-receiver units 11 are connected to the reference oscillator 23 and driven by this.
  • the transmitter Si and the receiver Ei are not designed as transmitter-receiver units 11, but connected as separate components to the evaluation electronics 13 and to the reference oscillator 23.
  • the measurement of the layer thickness d of the object 1 with pulsed electromagnetic radiation 4 will be described below with reference to FIG. Identical parameters, components and method steps bear the same reference numerals as in the exemplary embodiments already described above with reference to FIGS. 1 to 5, to which reference is hereby made.
  • the electromagnetic radiation 4 is irradiated onto the object 1 with pulsed radar systems.
  • the resolution of the measurement in the propagation direction 5 of the electromagnetic radiation 4 is dependent on the time extent of the pulses.
  • the temporal extent of the pulses in turn is related to the spectral bandwidth B of the pulses.
  • the received secondary radiation 7, 8 is therefore described in the time domain by the following formula:
  • a (t) a (t) cos [f m t] + a (t - ⁇ ) cos [ M (t - ⁇ )].
  • is shown in Figure 9 on the frequency f. If measured over the entire bandwidth B, the Fabry-Perot oscillations (see curve 9 in FIG. 9) can be read out and the fundamental frequency ⁇ can be determined for determining the layer thickness d. In order to provide a bandwidth B which is sufficient for dissolving the smallest layer cover dmin to be measured, the generation of extremely short radiation pulses is known to be necessary. The Fabry-Perot oscillations are now reconstructed by performing several measurement steps Mi. For this purpose, the electromagnetic radiation 4 is pulsed in the measuring steps Mi irradiated.
  • the duration of the radiation pulses is chosen to be large, so that the frequency bands Fi assigned to each measurement step Mi cover only a fraction of the bandwidth B.
  • the reflected pulses that is to say the secondary radiation 7, 8, are detected and from this the measurement signal
  • be according to the frequency bands Fi via a common frequency axis f to the evaluation signal
  • the curve 9 can then be reconstructed and from this the fundamental frequency ⁇ can be determined for the calculation of the layer thickness d.
  • the frequency range Af must be selected as in equation (6) above.
  • the electromagnetic radiation 4 of the individual measuring steps Mi is irradiated quasi-continuously. This is a limiting case of the pulsed irradiation of the electromagnetic radiation 4, the time length of the radiation pulses being (infinitely) long. In this case, the frequency bands Fi of the individual measuring steps Mi are reduced to a sharp frequency, which corresponds to the center frequency ⁇ ⁇ of the radiation pulses irradiated in the individual measuring steps Mi (see equation (7)).
  • in the individual measuring steps Mi do not take place by a transit time measurement.
  • the measurement signal is obtained from the interference of the reflection radiation 7 and the exit radiation 8.
  • the measuring method described with reference to FIG. 9 is also subdivided into the method steps of the method sequence 15.
  • This method can be carried out in particular with measuring devices which are equivalent to the measuring devices 10, 22.
  • the transmitters Si and receiver Ei must be designed for transmitting or receiving pulsed or quasi-continuous radiation 4, 7, 8.
  • the electromagnetic radiation 4 is radiated onto the object 1 in a phase-modulated manner in each measurement step Mi.
  • the measuring principle is shown in FIG. Identical components, parameters and method steps bear the same reference numerals as in the exemplary embodiments described with reference to FIGS. 1 to 9, to which reference is hereby made.
  • the transmitter Si comprises an oscillator 24, with which a continuous radiation 28 with fixed center frequency COM is generated.
  • a modulation code 26 is modulated onto the continuous radiation 28.
  • the modulation code 26 is transmitted to the phase modulator 25 by the control and data processing unit 12 assigned to the transmitter Si.
  • the phase modulator 25 modulates a phase ⁇ of the radiated electromagnetic radiation 4 according to a function cpi (t) over time t.
  • the phase ⁇ is modulated in accordance with the binary modulation code 26 by causing a phase jump of ⁇ in each case when changing from 0 to 1 or vice versa.
  • the resulting electromagnetic radiation 4 is shown by way of example in FIG.
  • the phase-modulated electromagnetic radiation 4 is irradiated onto the object 1 and the secondary radiation 7, 8 emanating from the boundary surfaces 2, 3 of the object 1 is detected by the receiver Ei.
  • the detected secondary radiation 7, 8 is decoded by a phase demodulator 27 into a measurement signal A over time t.
  • the phase demodulator 27 is also supplied with the modulation code 26.
  • the decoded measurement signal Ai (t) corresponds to a pulse diagram as obtained in the above-described pulsed measurement.
  • the pulse diagram in the time domain is converted by Fourier transformation into the measurement signal Ai in the frequency domain.
  • the frequency band Fi covered in the measuring step Mi is inversely proportional to the time length t co de of the modulation code 26, which represents a period of the modulation code 26.
  • measuring signals Ai are generated by different center frequencies (DM) generated by the oscillators 24 and are combined after carrying out all the measuring steps Mi by
  • the measurement signals A discussed above are characterized by the fact that a measurement result determined by electromagnetic radiation 4 of large bandwidth B is determined by at least two measurement steps Mi, which are a narrow one Therefore, different exemplary embodiments described above are also combined in further exemplary embodiments which are not explicitly illustrated, for example, the electromagnetic radiation 4 can be provided in a measuring step Mi fre frequency-modulated and radiated phase-modulated in the wide measuring steps Mi to the object 1.
  • the various embodiments can be combined as desired for different measuring steps Mi.
  • the measuring method 15 and the measuring devices 10, 22 are designed for measuring the layer thickness d by means of reflection measurement. Alternatively, a transmission measurement can also be carried out.
  • the secondary radiation passes through the object 1 only once.
  • the secondary radiation can be superimposed with a reference radiation which does not pass through the object 1 to determine the measurement signal Ai of each measurement step Mi.
  • the formulas (2) and (6) for the bandwidth B or the frequency range Af must be adjusted accordingly.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts beschrieben. Zunächst wird ein Objekt mit einer Schichtdicke bereitgestellt. Hieraufhin werden mindestens zwei Messschritte (Mi) durchgeführt, wobei jeweils elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen (f) in einem dem jeweiligen Messschritt (Mi) zugeordneten Frequenzband (Fi) auf das Objekt eingestrahlt wird. Die Frequenzbänder (Fi) sind unterschiedliche Teilbereiche einer Bandbreite (B). Von Grenzflächen des Objekts ausgehende Sekundärstrahlung wird detektiert und ein dem Messschritt (Mi) zugehöriges Messsignal ermittelt. Die Messsignale werden gemäß der den jeweiligen Messschritten (Mi) zugehörigen Frequenzbänder (Fi) zu einem Auswertesignal zusammengeführt, hieraus eine Grundfrequenz bestimmt und die Schichtdicke berechnet. Durch das Verfahren kann mittels schmalbandiger Messschritte (Mi) einegroße Bandbreite (B)realisiert werden. Hierdurch werden physikalische Grenzen bekannter Verfahren überwunden und die Messgenauigkeit erhöht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 207 648.8 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts, insbesondere eines Objekts aus Kunststoff.
In der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Qualitätssicherung, ist es oft nötig, die ge- naue Schichtdicke eines Objekts zu messen. Die Schichtdicke ist eine Ausdehnung des Objekts zwischen zwei beabstandeten Grenzflächen des Objekts. Ein Beispiel hierfür ist die Wandstärke eines Rohres, das insbesondere aus Kunststoff gefertigt ist.
Für die Dickenmessung werden beispielsweise Terahertz-Messtechniken mit elektromagneti- scher Strahlung eingesetzt. Ein möglicher Ansatz ist die Verwendung von gepulsten Messsignalen, wobei aus gemessenen Laufzeitunterschieden auf die Schichtdicke des Objekts geschlossen werden kann. Alternativ kann kontinuierliche elektromagnetische Strahlung (CW), insbesondere frequenz- oder phasenmodulierte elektromagnetische Strahlung, genutzt werden. Hierbei erfährt die das Objekt durchlaufende elektromagnetische Strahlung eine Phasenverschiebung. Die hie- raus resultierende Phasendifferenz erlaubt es, die Schichtdicke zu bestimmen.
Die Auflösung einer derartigen Messung ist dahingehend beschränkt, dass zwei zeitlich versetzte Signale in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung noch zu trennen sein müssen. Diese zeitliche Auflösung ist abhängig von der spektralen Bandbreite der elektromagneti- sehen Strahlung.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts zu schaffen, dass einfach und genau ist. Insbesondere soll das Verfahren kostengünstig durchführbar sein. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten. Zunächst wird ein Objekt, welches zwei um eine Schichtdicke beabstandete Grenzflächen aufweist, bereitgestellt. Das Objekt ist beispielsweise ein Rohr, insbesondere ein Kunststoff- Rohr. Hieraufhin werden mindestens zwei Messschritte durchgeführt, wobei jeweils elektromagneti- sehe Strahlung auf das Objekt eingestrahlt wird und von den Grenzflächen des Objekts reflektierte Sekundärstrahlung detektiert wird. Aus der detektierten Sekundär Strahlung wird in jedem Messschritt ein Messsignal ermittelt. Die Messsignale der Messschritte werden zu einem Auswertesignal zusammengeführt und hieraus eine Grundfrequenz bestimmt. Aus der Grundfre- quenz lässt sich die Schichtdicke errechnen.
Die in den einzelnen Messschritten eingestrahlte elektromagnetische Strahlung zeichnet sich durch Frequenzen in einem dem jeweiligen Messschritt zugeordneten Frequenzband aus. Die den Messschritten zugeordneten Frequenzbänder sind unterschiedliche Teilbereiche einer Bandbreite. Insbesondere weisen die Frequenzbänder unterschiedliche Mittenfrequenzen auf. Das Zu- sammenführen der Messsignale der einzelnen Messschritte erfolgt abhängig von den jeweiligen Frequenzbändern der Messschritte. Dies bedeutet, dass das Zusammenführen der Messsignale gemäß der unterschiedlichen Teilbereiche der Bandbreite, welche für die einzelnen Messschritte gewählt werden, erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine Messung über die gesamte Bandbreite durch einzelne Messschritte in Teilbereichen der Bandbreite angenähert werden kann. Insbeson- dere kann durch den Einsatz verschiedener Frequenzbereiche eine Messung mit breitbandiger elektromagnetischer Strahlung ersetzt werden, ohne dass die Auflösung des Verfahrens gegenüber der Messung mit breitbandiger elektromagnetischer Strahlung verschlechtert ist. Somit ist eine präzise Messung unter Verwendung mehrerer kostengünstiger schmalbandiger Systeme, wie Sender und Empfänger für elektromagnetische Strahlung, geschaffen. Teure breitbandige Sys- teme sind nicht nötig. Dies verringert den Rüstaufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zudem sind die Auflösung und damit die Messgenauigkeit nicht durch die Bandbreite einzelner Messsysteme, welche oftmals physikalisch limitiert ist, beschränkt. Die Messgenauigkeit kann somit sogar erhöht werden. Unter Sekundärstrahlung im Sinne der Erfindung wird elektromagnetische Strahlung verstanden, welche durch Reflexion oder Transmission der eingestrahlten Strahlung an den Grenzflächen des Objekts entsteht. Sekundärstrahlung, welche das Objekt mindestens einmal durchläuft, erfährt eine Phasenverschiebung. Hieraus kann das Messsignal ermittelt werden. Hierzu können bei- spielsweise Sekundärstrahlungsanteile, welche von den unterschiedlichen um die Schichtdicke beabstandeten Grenzflächen des Objekts reflektiert werden, überlagert werden.
Es kann auch möglich sein, das Messsignal durch eine Überlagerung der eingestrahlten Strahlung mit der Sekundärstrahlung zu erzeugen
Beim Zusammenfuhren der Messsignale der einzelnen Messschritte werden diese abhängig von dem im jeweiligen Messschritt verwendeten Frequenzband verrechnet. Hierbei können Überlappungen und/oder Frequenzabstände zwischen den einzelnen Frequenzbereichen berücksichtigt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Messsignale abhängig vom jeweiligen Fre- quenzbereich über eine gemeinsame Frequenzachse aufzutragen. Zur Bestimmung der Grundfrequenz können dann die über die Frequenzachse aufgetragenen Messsignale gefittet werden. Bei der Grundfrequenz kann es sich insbesondere um eine im Frequenzraum auftretende Fabry- Perot-Oszillation der Messsignale handeln. Das Verfahren bedarf mindestens zweier Messschritte. Es können auch mehr als zwei Messschritte durchgeführt werden. Mit steigender Anzahl der Messschritte, das heißt mit steigender Anzahl der verschiedenen Frequenzbereiche, kann die Bandbreite besser abgedeckt werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann mit steigender Anzahl der Messschritte in jedem Messschritt ein kleinerer Frequenzbereich gewählt werden. Hierdurch sind Systeme verwendbar, welche nur für schmale Frequenzbänder ausgelegt sind, was den Rüstaufwand weiter verringert. Es ist jedoch auch möglich, durch die Durchführung mehrerer Messschritte die abgedeckte Bandbreite zu vergrößern, um somit die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen. Auch kann mit steigender Anzahl der Messschritte die Grundfrequenz genauer bestimmt werden. Hierdurch werden Messun- genauigkeiten verringert. Die Anzahl der Messschritte und die jeweils zugeordneten Frequenz- bänder können besonders bevorzugt gemäß dem Nyquist-Shannon- Abtasttheorem an das zu erwartende Auswertesignal angepasst werden. Die einzelnen Messschritte werden unabhängig voneinander durchgeführt. So können die Messschritte entweder zeitlich seriell oder gleichzeitig durchgeführt werden. Die gleichzeitige Durchführung der einzelnen Messschritte hat den Vorteil einer schnellen Messung. Die zeitlich serielle Messung hingegen ermöglicht, dass die elektromagnetische Strahlung in den einzelnen Mess- schritten auf denselben Bereich des Objekts eingestrahlt werden kann. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, lokale Schichtdickenunterschiede genau aufzulösen. Insbesondere kann eine gleitende Nachverfolgung der Schichtdicke erfolgen.
In den einzelnen Messschritten wird die Strahlung kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder in Form von Strahlungspulsen eingestrahlt. Je nach Art der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung kann vorgesehen sein, das Messsignal aus der detektierten Sekundärstrahlung anders zu ermitteln. Das Zusammenführen der Messsignale ist hingegen nur von den in den jeweiligen Messschritten verwendeten Frequenzbändern abhängig. Daher können in unterschiedlichen Messschritten auch unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Messsignale aus der detek- tierten Sekundär Strahlung verwendet werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, in einem
Messschritt gepulste elektromagnetische Strahlung zu verwenden, wohingegen in anderen Messschritten mit quasi-kontinuierlicher Strahlung gearbeitet wird.
Im Allgemeinen wird die elektromagnetische Strahlung unter einem Einfallswinkel b auf das Objekt eingestrahlt. Der Einfallswinkel b ist definiert als der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung und der Flächennormalen der einem Sender für die elektromagnetische Strahlung zugewandten Grenzfläche des Objekts. Ein Einfallswinkel b = 0° bedeutet einen senkrechten Einfall der Strahlung auf die Grenzfläche des Objekts. Ein Einfallswinkel b 0° wird als schräger Einfall bezeichnet.
An der Grenzfläche, welche dem Sender zugewandt ist, wird die auf das Objekt eingestrahlte elektromagnetische Strahlung gebrochen. Die elektromagnetische Strahlung breitet sich in dem Objekt daher mit einem Ausbreitungswinkel e aus, welcher sich nach dem Gesetz von Snellius aus dem Brechungsindex des Objekts und dem Einfallswinkel b berechnet.
Im Falle des schrägen Einfalls muss die eingestrahlte Strahlung zwischen den Grenzflächen des Objekts eine größere Strecke zurücklegen. Dies muss bei der Ermittlung des Messsignals und der Errechnung der Schichtdicke berücksichtigt werden. Bevorzugt wird die Messung mit senkrechtem Einfall durchgeführt.
Bei einer Messung mit gepulster elektromagnetischer Strahlung, erfolgt die Bestimmung der Schichtdicke durch Messen der Laufzeiten der Strahlungspulse. Ein Strahlungspuls wird durch ein Wellenpaket im Zeit- sowie im Frequenzraum um die Mittenfrequenz beschrieben. Je kürzer der Strahlungspuls ist, desto genauer kann die Schichtdicke aufgelöst werden. Kurze Strahlungspulse entsprechen einem breitbandigen Signal. Die Erzeugung extrem kurzer Strahlungspulse bedarf hochpreisiger Sender.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 erlaubt die Messung der Schichtdicke mit Strahlungspulsen längerer Pulsdauern. Im Falle der gepulsten Einstrahlung können Einzelpulse oder mehrere aufeinanderfolgend eingestrahlte Pulse verwendet werden. In allen Fällen kann der in einem Messschritt eingestrahlten Strahlung ein Frequenzbereich zugeordnet werden.
Das Zusammenführen der Messsignale der einzelnen Messschritte erfolgt bevorzugt derart, dass die Frequenzbänder gemäß der jeweiligen Mittenfrequenz über eine gemeinsame Frequenzachse aufgetragen werden. Die zu bestimmende Grundfrequenz zur Errechnung der Schichtdicke entspricht dann einer Fabry-Perot-Oszillation im Frequenzraum.
Im Grenzfall können die Pulsdauern derart lang gewählt werden, dass quasi-kontinuierliche Strahlung einer festen Mittenfrequenz eingestrahlt wird. In diesem Fall entspricht das einem Messschritt zugeordnete Frequenzband im Wesentlichen der Mittenfrequenz der quasi-kontinu- ierlichen Strahlung. Die Bestimmung des Messsignals kann anstatt durch Laufzeitmessung durch Interferenzmessung erfolgen.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 ermöglicht die Messung mit frequenzmodulierter kontinuierlicher Strahlung mit einem geringen Frequenzhub. Der Frequenzhub wird hierbei durch die Abbildung des Frequenzbandes auf ein Zeitfenster mittels einer Funktion definiert. Anstatt eines einzi- gen großen Frequenzhubs über die gesamte Bandbreite muss die Funktion in den einzelnen Messschritten nur ein schmales Frequenzband abbilden. Bevorzugt ist die Funktion über das Zeitfenster monoton, besonders bevorzugt linear steigend. Aufgrund des funktionalen Zusammenhangs des Frequenzbands und des zugehörigen Zeitfensters entspricht das Zusammenfuhren der Messsignale der einzelnen Messschritte dem Auftragen der Messsignale über einer gemeinsamen Zeitachse.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 ermöglicht die Durchführung des Verfahrens mit Systemen für die phasenmodulierte Messung. Bei der phasenmodulierten Messung wird die elektromagnetische Strahlung um die dem jeweiligen Messschritt zugeordnete Mittenfrequenz phasenmoduliert. Die Funktion, gemäß welcher die Strahlung phasenmoduliert wird, wird auch Modulationscode genannt. Das dem Messschritt zugeordnete Frequenzband bestimmt sich aus der Mittenfrequenz und der zeitlichen Dauer des Modulationscodes über Fouriertransformation. Für den Fall, dass die elektromagnetische Strahlung in mehreren Messschritten phasenmoduliert eingestrahlt wird, kann jeweils der gleiche Modulationscode bei unterschiedlicher Mittenfrequenz verwendet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 5 hat den Vorteil, dass die Bandbreite effektiv abgedeckt wird. Redundanzen der einzelnen Messschritte und damit verbundene Schwierigkeiten beim Zusammenführen der Messsignale sind vermieden. Das Verfahren ist effektiv und zeitsparend durchführbar.
Eine Bandbreiten-Mittenfrequenz nach Anspruch 6 ermöglicht die Abdeckung eines großen Frequenzbereichs, insbesondere eines Frequenzbereichs von 0,01 THz bis 3 THz, insbesondere von 0,2 THz bis 2 THz. Elektromagnetische Strahlung in diesem Frequenzbereich kann die zu vermessenden Objekte, insbesondere Objekte aus Kunststoff, gut durchdringen. Absorptionsverluste sind verringert oder vermieden. Zudem existieren in diesem Frequenzbereich effektive, insbesondere vollelektronische Sender. Das Verfahren ist effektiv und genau.
Eine gemäß Anspruch 7 gewählte Bandbreite ermöglicht die Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Eigenschaften des zu vermessende Objekts, insbesondere dessen Brechungsin- dex n, und eine kleinste zu messende Schichtdicke dmin. Alternativ kann für eine Messvorrichtung mit bekannter Bandbreite die kleinste zu messende Schichtdicke dmin, das heißt die maximale Auflösung, einfach angegeben werden. Das Verfahren ist einfach und präzise. Die Bandbreite B
2dmin n wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist, gilt für Reflexionsmessungen, in welchen die Strahlung die Schichtdicke des zu vermessenden Objekts zweimal durchläuft. Für Transmissionsmessungen muss eine an die Transmissionsmessung angepasste Bandbreite B gewählt werden.
Die Bandbreite kann beispielsweise zwischen 50 GHz und 500 GHz, insbesondere zwischen 100 GHz und 250 GHz, insbesondere zwischen 150 GHz und 200 GHz betragen. Soll beispielsweise mit einer Reflexionsmessung unter senkrechtem Einfall der elektromagnetischen Strahlung die kleinste zu messende Schichtdicke dmin = 0,66 mm gemessen werden, wobei das zu vermessende Objekt einen Brechungsindex von n = 1,5 hat, beträgt die mindestens benötigte Bandbreite etwa B =160 GHz.
Ein Verfahren nach Anspruch 8 erfüllt das Nyquist-Shannon- Abtasttheorem. Die Frequenzbereiche der einzelnen Messschritte müssen nicht die gesamte Bandbreite abdecken. Dies erlaubt eine Minimierung der durchzuführenden Messschritte, ohne dass die Messgenauigkeit verringert wird. Das Verfahren ist an das zu vermessende Objekt, insbesondere an dessen größte zu messende Schichtdicke dmax anpassbar.
Der Zusammenhang zwischen dem Frequenzbereich Af, der größten zu messenden Schichtdicke dmax und dem Brechungsindex n des Objekts c cos e
2 d-max gilt für Reflexionsmessungen. Für Transmissionsmessungen, bei welchen die elektromagnetische Strahlung das Objekt nur einmal durchläuft, muss die Formel für den Frequenzbereich Af entsprechend angepasst werden. Beträgt die durch Reflexionsmessung zu messende maximale Schichtdicke dmax = 6,66 mm, darf der der Frequenzabstand Af bei senkrechtem Einfall zu höchstens 10 GHz gewählt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 9 ist besonders gut zur gleichzeitigen Durchführung der Mess- schritte geeignet. Das Verfahren ist schnell und effektiv. Zudem sind nur Sender für elektromagnetische Strahlung in einem jeweils vorgegebenen Frequenzband nötig. Diese sind günstig und zuverlässig. Der Rüstaufwand für das Verfahren ist verringert. Bevorzugt ist zur Durchführung jedes Messschritts je ein Empfänger für die Sekundärstrahlung vorhanden. Das Verfahren ist durch Austausch der jeweiligen Sender und Empfänger einfach anpass- und/oder nachrüstbar. Der Kalibrierschritt kann bevorzugt nur einmalig vor der ersten Messung erfolgen.
Ein Verfahren nach Anspruch 10 hat den Vorteil, dass die Sender zur Durchführung der einzelnen Messschritte vollkommen unabhängig voneinander ausgewählt und betrieben werden können. Die Sender für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Frequenzen müssen keine feste Amplituden- oder Phasenbeziehung aufweisen. Die Kalibrierung erfolgt bevorzugt durch Messung an einem bekannten Kalibrierkörper, insbesondere einem Metallspiegel, wobei die vom Kalibrierkörper ausgehende Sekundär Strahlung zur Normierung der Amplitude und Phase der Sender dient. Die Kalibrierung ermöglicht eine freite Auswahl der Sender, ohne dass die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.
Die Ansteuerung nach Anspruch 11 erfolgt insbesondere derart, dass die unterschiedlichen Sender mit einer festen Phasenbeziehung angesteuert werden und bei identischen Amplituden arbeiten. Die synchronisierte Ansteuerung der Sender kann beispielsweise über einen Referenzoszillator erfolgen. Bei synchronisierter Ansteuerung kann eine Kalibrierung entfallen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke eines Objekts zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 12 genannten Merkma- len. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Sender zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen in je einem festgelegten Frequenzband. Die Frequenzbänder der einzelnen Sender stellen unterschiedliche Teilbereiche einer Bandbreite dar. Zudem ist mindestens ein Empfänger für elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen innerhalb der Bandbreite und eine Auswerteelektronik vorgesehen. Die Auswerteelektronik ist für die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt. Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine breite Bandbreite abgedeckt werden kann, ohne dass kostspielige Sender und/oder der Empfänger zur Abstrahlung breitbandiger Signale vorgesehen sind. Die Vorrichtung ermöglicht eine genaue Messung.
Die Vorrichtung ist für die Durchführung eines Verfahrens mit mindestens zwei Messschritten ausgelegt. Für jeden Messschritt kann ein eigener Sender vorgesehen sein. Die einzelnen Sender können jeweils aber auch für die Durchführung mehrerer Messschritte ausgelegt sein. Hierfür können insbesondere durchstimmbare Sender in Betracht kommen.
Besonders bevorzugt ist je Sender ein Empfänger für elektromagnetische Strahlung mit Frequen- zen innerhalb des jeweiligen Frequenzbands vorgesehen. Dies ermöglicht eine gleichzeitige
Durchführung mehrerer Messschritte. Die Sender und die jeweiligen Empfänger können auch zu einer Sender-Empfänger-Einheit kombiniert sein, insbesondere die gleichen Komponenten, wie beispielsweise eine Radarantenne, umfassen. Die weiteren Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen des oben beschriebenen Verfahrens. Die Auswerteelektronik kann des Weiteren zur Durchführung eines Kalibrierschritts vor der Messung ausgelegt sein.
Bei einer Vorrichtung nach Anspruch 13 kann eine Kalibrierung der Sender entfallen. Die Mess- genauigkeit der Vorrichtung ist erhöht.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 14 ermöglicht die Anpassung des mit der Vorrichtung durchführbaren Verfahrens an die Eigenschaften des zu vermessenden Objekts. Insbesondere können hierbei der Brechungsindex, die maximale Schichtdicke und/oder die minimale Schichtdicke des Objekts berücksichtigt werden. Die Eingabe der Eigenschaften des Objekts kann manuell oder automatisch über eine Daten-Schnittstelle erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Eigenschaften des Objekts, insbesondere Soll- Werte, von einer vorgelagerten Produktionseinheit an die Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke weitergeleitet werden.
Aus den über die Schnittstelle an die Auswerteelektronik übergebenen Daten kann insbesondere ein Frequenzbereich, welcher innerhalb der Bandbreite zu keinem Frequenzband eines Messschritts gehört, bestimmt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein derartiger Frequenzbereich einen gewissen Maximalwert nicht überschreitet. Zudem kann die von den Sendern abzudeckende Bandbreite an eine minimal zu messende Dicke angepasst werden. Eine Vorrichtung nach Anspruch 15 erlaubt eine einfache Um- und Nachrüstung. Somit kann die Vorrichtung und das Messverfahren an verschiedenste zu vermessende Objekte angepasst werden. Die Anschaffung einer neuen Vorrichtung bei veränderten Messbedingungen ist vermieden. Dies minimiert den Rüstaufwand. Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messung einer Schichtdicke eines Objekts, Fig. 2 eine Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung, welche in bekannter Weise über eine große Bandbreite linear frequenzmoduliert wird,
Fig. 3 eine erfindungsgemäß in mehreren Messschritten linear über diskrete, schmal- bandige Frequenzbänder modulierte Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung,
Fig. 4 ein Auswertesignal, welches durch Messung mit der gemäß Figur 2 frequenzmodulierten Strahlung erhalten wird, Fig. 5 ein Auswertesignal, welches durch Durchführung der gemäß Figur 3 frequenzmodulierten Messschritte erhalten werden, Fig. 6 eine Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts,
Fig. 7 ein schematischer Verfahrensablauf zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts,
Fig. 8 eine weitere Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts,
Fig. 9 ein Auswertesignal im Frequenzbereich, welches aus unterschiedlichen Messschritten rekonstruiert wird, und
Fig. 10 schematisch die Durchführung eines Messschritts mittels phasenmodulierter elektromagnetischer Strahlung.
In Fig. 1 ist schematisch die Messung einer Schichtdicke d eines Objekts 1 gezeigt. Das Objekt 1 hat Grenzflächen 2, 3, welche um die Schichtdicke d beabstandet sind. Die Schichtdicke d des
Objekts 1 bewegt sich in dem Bereich zwischen einer minimalen Schichtdicke dmin und einer maximalen Schichtdicke dmax. Die minimale Schichtdicke dmin und die maximale Schichtdicke dmax stellen für die Messung eine kleinste beziehungsweise größte zu messende Schichtdicke dar. Das Objekt 1 weist einen Brechungsindex n auf, welcher von einem Brechungsindex der Umgebung des Objekts 1 abweicht. Üblicherweise wird die Messung in Luft oder im Vakuum durchgeführt, so dass der Brechungsindex der Umgebung 1 ist.
Zur Messung der Schichtdicke d des Objekts 1 wird elektromagnetische Strahlung 4 unter einem Einfallswinkel b auf die Grenzfläche 2 des Objekts 1 eingestrahlt. Der Einfallswinkel b ist defi- niert als der Winkel zwischen einer Ausbreitungsrichtung 5 der elektromagnetischen Strahlung 4 und einer Flächennormalen 6 der Grenzfläche 2. Die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung 4 wird an der Grenzfläche 2 anteilig als Reflexionsstrahlung 7 reflektiert. Der nicht reflektierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung 4 dringt in das Objekt 1 ein und läuft dort unter einem Ausbreitungswinkel e zu der Flächennormalen 6 in Richtung der Grenzfläche 3. Der Ausbrei- tungswinkel e unterscheidet sich aufgrund der Brechung der elektromagnetischen Strahlung 4 an der Grenzfläche 2 von dem Einfallswinkel b. Der Ausbreitungswinkel e kann nach dem Brechungsgesetz von Snellius berechnet werden. Es gilt: (1) sin b = n sin e.
An der Grenzfläche 3 wird die in das Objekt 1 eingedrungene Strahlung zumindest teilweise re- flektiert und tritt an der Grenzfläche 2 aus dem Objekt 1 als Austrittsstrahlung 8 aus. Die Reflexionsstrahlung 7 und die Austrittsstrahlung 8 stellen von den Grenzflächen 2, 3 des Objekts 1 ausgehende Sekundärstrahlung dar. Aus der Sekundärstrahlung 7, 8 kann ein Messsignal bestimmt werden, woraus sich die Schichtdicke d des Objekts 1 errechnen lässt. Hierzu kann die Reflexionsstrahlung 7 mit der Austrittsstrahlung 8 überlagert und ausgewertet werden.
Die erzielbare Auflösung bestimmt sich aus einer spektralen Bandbreite B der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4.
Das Objekt 1 ist ein Kunststoffbauteil, beispielsweise ein Kunststoffrohr. Die Bandbreite B weist eine Bandbreiten-Mittenfrequenz fM von etwa 1.000 GHz auf. Kunststoffbauteile werden von elektromagnetischer Strahlung im Gigaherzbereich gut durchdrungen. Die Kunststoffbauteile sind transparent. In weiteren Ausführungsbeispielen ist das Objekt 1 aus anderen Materialien gefertigt. Die Bandbreiten-Mittenfrequenz fM der Bandbreite B kann an das Material des Objekts 1 angepasst sein. Beispielsweise kann die Bandbreiten-Mittenfrequenz fM zwischen 50 GHz und 1.500 GHz gewählt werden.
Um Objekte 1 der Schichtdicke dmin auflösen zu können, muss die elektromagnetische Strahlung 4 eine Bandbreite B abdecken, für die gilt:
Figure imgf000014_0001
wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Soll nun eine optische Weglänge n · dmin = 1 mm aufgelöst werden, bedarf dies bei senkrechtem Einfall einer Bandbreite von minimal 150 GHz. Die Bandbreite bekannter Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Schichtdicke d sind nicht nur physikalisch limitiert, sondern die entsprechenden Sender und Empfänger sind zudem sehr hochpreisig. Im Folgenden werden Verfahren beschrieben, welche die Messung mit großer Bandbreite B durch mehrere Messschritte Mi ersetzen. Der Index i, i = 1, 2, ..., numme- riert die einzelnen Messschritte Mi.
Mit Bezug auf die Figuren 2 bis 5 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Mes- sung der Schichtdicke d des Objekts 1 beschrieben. Das Verfahren nutzt frequenzmodulierte elektromagnetische Strahlung 4.
In Figur 2 ist eine bekannte Modulation für elektromagnetische Strahlung 4, wie sie in frequenzmodulierten Radarmessungen eingesetzt wird, dargestellt. Hierzu ist die Frequenz f der elektro- magnetischen Strahlung 4 über die Zeit t aufgetragen. Über eine Messdauer T wird die Frequenz f von einer Minimalfrequenz fo zu einer Maximalfrequenz fi variiert, indem die Frequenz f innerhalb der Messdauer T entlang einer linearen Funktion f(t) über die Zeit t ansteigt. Die Funktion f(t) stellt einen Frequenzhub über die Messdauer T dar. Nach der Messdauer T springt die Frequenz f wieder auf die Minimalfrequenz fo zurück. Die spektrale Bandbreite B ist zwischen der Minimalfrequenz fo und der Maximalfrequenz fi definiert. Die Bandbreite B ist um die Bandbreiten-Mittenfrequenz fM definiert.
Die von der ersten Grenzfläche 2 des Objekts 1 ausgehende Reflexionsstrahlung 7 wird mit der von der zweiten Grenzfläche 3 ausgehenden Austrittsstrahlung 8 überlagert. Aufgrund der unter- schiedlichen Laufzeiten der jeweiligen Sekundär Strahlung 7, 8 ergibt sich ein Messsignal A der Amplitude
Figure imgf000015_0001
wobei Δωι und Δω2 die den jeweiligen Grenzflächen 2, 3 zugeordneten Frequenzen sind. Aufgrund der linearen Variation der Frequenz der eingestrahlten Strahlung 4 entsteht eine Schwebung der Amplitude, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. In Figur 4 ist hierzu die Amplitude des Messsignals A als Funktion der Zeit t über die Messdauer T dargestellt. Da die Grundfrequenz ωθ der Schwebung
(4) ωθ = (Δωΐ - Δω2)/2 proportional zu dem Frequenzunterschied der Reflexionsstrahlung 7 und der Austrittsstrahlung 8 ist, lässt sich hieraus die Schichtdicke d des Objekts 1 bestimmen: ωθ c
(5) cos e,
k n wobei k die Steigung der linearen Funktion f(t) ist.
Das Messsignal A kann direkt zur Berechnung der Schichtdicke d benutzt werden, stellt also ein Auswertesignal dar. Um eine Auflösung der Schichtdicke d zu gewährleisten, muss der Fre- quenzhub über die Bandbreite B daher mindestens die halbe Periodenlänge der Grundfrequenz der Schwebung abdecken.
In Figur 3 sind nun die Messsignale von vier Messschritten Mi, i =1 , 2, 3, 4, dargestellt. In jedem Messschritt Mi wird die elektromagnetische Strahlung 4 gemäß einer Funktion f(t) über die Zeit t moduliert, wobei die Funktion f(t) ein dem jeweiligen Messschritt Mi zugeordnetes Frequenzband Fi auf ein Zeitfenster Ti abbildet. Die Frequenzbänder Fi sind Teilbereiche der Bandbreite B. Die Funktionen f(t) sind linear monoton steigend. Durch die Funktionen f(t) werden Teilbereiche des in Figur 2 gezeigten Frequenzhubs f(t) über die Bandbreite B abgedeckt. Die Frequenzbänder Fi sind überlappungsfrei und decken die Bandbreite B nicht vollständig ab.
Aus der in den einzelnen Messschritten Mi detektierten Sekundärstrahlung 7, 8 kann jeweils die Amplitude eines Messsignals A errechnet werden. Aufgrund der geringen Länge der Zeitfenster Ti decken die jeweiligen Messsignale Ai nur einen Teil der Schwebung (vgl. Figur 3) ab. Es ist jedoch möglich, die Amplituden der Messsignale Ai der einzelnen Messschritte Mi zu kombinie- ren, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. Hierzu werden die Messsignale Ai der einzelnen Messschritte Mi gemäß dem jeweiligen Frequenzband Fi zu einem Auswertesignal Ao kombiniert. Im Falle der frequenzmodulierten Messung kann aus der Lage der jeweiligen Frequenzbänder Fi eine Kombination der Messsignale A über die Messdauer T entlang der Zeitachse t erfolgen. Aus den zusammengeführten Messsignalen Ai der Messschritte Mi kann durch Anfitten bzw. Approximie- ren einer Schwebungsfunktion die Grundfrequenz ωο des Auswertesignals Ao bestimmt werden und hieraus die Schichtdicke d errechnet werden. Wie in Figur 3 dargestellt, decken die Frequenzbänder Fi nicht die gesamte Bandbreite B ab. Da die Grundfrequenz ωο proportional zu der Schichtdicke d ist, nimmt die Schwebungsfrequenz mit zunehmender Schichtdicke d zu. Nach dem Nyquist-Shannon- Abtasttheorem sind mindestens zwei Abtastpunkte pro Periode der Grundfrequenz ωο nötig, um die Grundfrequenz ωο ein- deutig zu bestimmen. Um die größte zu messende Schichtdicke dmax bestimmen zu können, ist es daher nötig, Frequenzbereiche Af, welche innerhalb der Bandbreite B zu keinem der Frequenzbänder Fi eines Messschritts Mi gehören, klein genug zu wählen, um eine eindeutige Rekonstruktion der Grundfrequenz ωο zu ermöglichen. Hierzu muss der Frequenzbereich Af die folgende Bedingung erfüllen:
(6)
Die einzelnen Messschritte Mi werden unabhängig voneinander durchgeführt. Die Messschritte Mi können gleichzeitig oder seriell durchgeführt werden. Die gleichzeitige Durchführung hat den Vorteil einer schnellen und effektiven Messung. Die serielle Messung ermöglicht, die elektromagnetische Strahlung 4 in jedem Messschritt Mi auf die gleiche Stelle der Grenzfläche 2 des Objekts 1 einzustrahlen. Hierdurch ist eine räumlich hoch aufgelöste Messung der Schichtdicke d möglich. Insbesondere ist eine räumliche Änderung der Schichtdicke d nachverfolgbar. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können mehr oder weniger Messschritte Mi durchgeführt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, nur zwei Messschritte Mi durchzuführen. Die Frequenzbänder Fi der einzelnen Messschritte Mi können sich auch überlappen. In weiteren Ausführungsbeispielen decken die Frequenzbänder Fi die gesamte Bandbreite B ab. Das Auswertesignal Ao kann äquivalent auch im Frequenzraum analysiert werden. Dort setzt sich das Auswertesignal Ao aus zwei Pulsen zusammen. Der erste Puls entspricht der Grundfrequenz ωο, der zweite Puls der Oberschwingung der Schwebung. Die Breite der Pulse ist anti-proportional zu ihrer spektralen Bandbreite B, so dass die Pulse nur bei entsprechend großer Bandbreite B zeitlich getrennt werden können. Die Position des Pulses der Grundfrequenz ωο kann dann direkt in die Schichtdicke d umgerechnet werden. In Figur 6 ist ein Messaufbau zur Durchführung des beschriebenen Messverfahrens gezeigt. Der Messaufbau umfasst das Objekt 1 mit den Grenzflächen 2, 3 und eine Messvorrichtung 10. Die Messvorrichtung 10 umfasst zwei Sender Si und S2 für elektromagnetische Strahlung 4 in einem Frequenzband Fi beziehungsweise F2. Zudem sind zwei Empfänger Ei und E2 für die Sekundär- Strahlung 7, 8 in den jeweiligen Frequenzbändern Fi und F2 vorhanden. Die Sender Si und die Empfänger Ei sind in der Messvorrichtung 10 zu je einer Sender-Empfänger-Einheit 11 zusam- mengefasst. Bei den Sender-Empfänger-Einheiten 11 mit den jeweiligen Sendern Si und Empfängern Ei handelt es sich um Radarantennen, welche eine frequenzmodulierte kontinuierliche elektromagnetische Strahlung 4 aussenden und die entsprechende Sekundärstrahlung 7, 8, wel- che von dem Objekt 1 reflektiert wird, empfangen können. Je Sender-Empfänger-Einheit 11 ist eine Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 12 vorhanden. Die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheiten 12 steuern die Sender Si an und verarbeiten die von den Empfängern Ei empfangene Sekundärstrahlung 7, 8 zu einem Messsignal Ai. Die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheiten 12 sind in daten- und signalübertragender Weise an eine Auswerteelektronik 13 angeschlossen. Die Auswerteelektronik 13 umfasst eine Schnittstelle 14.
Die Auswerteelektronik 13 ist zur Durchführung des oben umrissenen Messverfahrens geeignet. Die einzelnen Verfahrensschritte sind als Messverfahren 15 schematisch in Figur 7 dargestellt. Zunächst müssen die Sender Si und Empfänger Ei in einem Kalibrierschritt 16 kalibriert werden. Bei der Kalibrierung werden die Phasen und Amplituden der von den Sendern Si erzeugten elektromagnetischen Strahlung 4 normiert. Hierdurch können die Sender Si in den unabhängig voneinander durchzuführenden Messschritten Mi verwendet werden, ohne dass ein Referenz- oder Synchronisierungssignal nötig ist. Hierfür kann in dem Kalibrierschritt 16 ein bekanntes Kalib- rierobjekt, beispielsweise ein Metallspiegel, vermessen werden.
An dem Kalibrierschritt 16 schließt sich ein Bereitstellungsschritt 17 an. Im Bereitstellungsschritt 17 wird das Objekt 1 bereitgestellt. Zudem werden über die Schnittstelle 14 relevante Eigenschaften des Objekts 1 an die Auswerteelektronik 13 übermittelt. Zu diesen Eigenschaften des Objekts 1 zählen der Brechungsindex n, die maximale Schichtdicke dmax und minimale
Schichtdicke dmin. Zur Eingabe dieser Eigenschaften ist die Schnittstelle 14 als ein Eingabemodul ausgeführt, worüber ein Benutzer die Eigenschaften des Objekts 1 direkt eingeben kann. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Schnittstelle 14 als Datenschnittstelle ausgeführt. In diesen Ausführungsbeispielen können die Eigenschaften des Objekts 1 automatisch von einer vorgelagerten Produktionsstätte, in welcher das Objekt 1 fertig gestellt wird, direkt an die Messvorrichtung 10 weitergeleitet werden. Mit den im Bereitstellungsschritt 17 übermittelten Daten er- rechnet die Auswerteelektronik 13 die für die Messung benötigte Bandbreite B und einen maximalen Frequenzbereich Af. Zudem kann die Anzahl der durchzuführenden Messschritte Mi optimal an das Objekt 1 angepasst werden.
Nach dem Bereitstellungsschritt 17 werden mindestens zwei Messschritte Mi durchgeführt. In jedem Messschritt Mi wird in einem Sende-Detektionsschritt 18 elektromagnetische Strahlung 4 in einem dem Messschritt Mi zugeordneten Frequenzband Fi auf das Objekt 1 eingestrahlt und die resultierende Sekundärstrahlung 7, 8 detektiert. Hierfür leitet die Auswerteelektronik 13 das für den Messschritt Mi benötigte Frequenzband Fi an die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 12 der für das Frequenzband Fi geeigneten Sender-Empfänger-Einheit 11 mit Sender Si weiter. Die elektromagnetische Strahlung 4 wird dann von dem Sender Si auf das Objekt 1 eingestrahlt und die Sekundär Strahlung 7, 8 vom Empfänger Ei detektiert. An den Sende-Detektionsschritt 18 schließt sich ein Datenverarbeitungsschritt 19 an, in welchem aus der detektierten Sekundärstrahlung 7, 8 das Messsignal Ai des Messschritts Mi durch die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 12 errechnet wird.
Nach Durchführung aller Messschritte Mi werden die im Datenverarbeitungsschritt 19 ermittelten Messsignale Ai in einem Zusammenführungsschritt 20 an die Auswerteelektronik 13 übermittelt. Aufgrund der im Kalibrierschritt 16 ermittelten bekannten Amplituden- und Phasenbeziehungen der Sender Si und der bekannten Frequenzbänder Fi können im Zusammenführschritt 20 die Messsignale A der einzelnen Messschritte Mi zu dem Auswertesignal Ao zusammengeführt werden. Hierfür werden die Messsignale Ai der einzelnen Messschritte Mi über eine gemeinsame Zeit- oder Frequenzachse aufgetragen.
Anschließend wird in einem Auswerteschritt 21 die Grundfrequenz ωο durch Fitten des Auswer- tesignals Ao bestimmt und hieraus die Schichtdicke d errechnet. Es ist vorgesehen, dass jeder der Messschritte Mi durch einen anderen Sender Si durchgeführt wird. Die von jedem Sender Si erzeugbare elektromagnetische Strahlung 4 weist Frequenzen f in je einem dem jeweiligen Messchritt Mi zugeordnetem Frequenzband Fi auf. Der in Figur 6 gezeigte Messaufbau ist daher zur Durchführung zweier Messschritte Mi mit den Sendern Si und den jeweiligen Empfängern Ei geeignet. Die Messvorrichtung 10 ist jedoch modular aufgebaut. Hierdurch können weitere Sender Si und Empfänger Ei, insbesondere in Form einer Sende-Emp- fänger-Einheit 11 zu der Messvorrichtung 10 hinzugefügt werden. Dies ist möglich, da die Sender-Empfänger-Einheiten 11 der Messvorrichtung 10 unabhängig voneinander arbeiten. Durch den modularen Aufbau der Messvorrichtung 10 kann diese an die Eigenschaften des zu vermes- senden Objekts 1 optimal angepasst werden. Auch kann die Anzahl der Sender-Empfänger-Einheiten 11 zur Erhöhung der Messgenauigkeit erhöht werden.
In Figur 8 ist ein weiterer Messaufbau für die Messung der Schichtdicke d an dem Objekt 1 gezeigt. Identische Komponenten, Parameter und Verfahrensschritte tragen die gleichen Bezugszei- chen wie in den unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispielen, auf die hiermit verwiesen wird.
Die in Figur 8 gezeigte Messvorrichtung 22 unterscheidet sich von der Messvorrichtung 10 nur dadurch, dass anstatt unabhängiger Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheiten 12 für die Sen- der-Empfänger-Einheiten 11 ein gemeinsamer Referenzoszillator 23 vorgesehen ist. Der Referenzoszillator 23 synchronisiert die Phasen der von den Sendern Si der Sender-Empfänger-Einheiten 11 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4. Der Referenzoszillator 23 ist eine Synchronisationseinheit. Somit kann eine Kalibrierung der Phasenbeziehung der Sender Si im Kalibrierschritt 16 entfallen.
Auch die Messvorrichtung 22 ist modular ausgeführt. So können weitere
oder alternative Sender-Empfänger-Einheiten 11 an den Referenzoszillator 23 angeschlossen und von diesem angesteuert werden. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Sender Si und die Empfänger Ei nicht als Sender-Empfänger-Einheiten 11 ausgeführt, sondern als separate Komponenten an die Auswerteelektronik 13 beziehungsweise an den Referenzoszillator 23 angeschlossen. Im Folgenden wird mit Bezug auf die Figur 9 die Messung der Schichtdicke d des Objekts 1 mit gepulster elektromagnetischer Strahlung 4 beschrieben. Identische Parameter, Komponenten und Verfahrensschritte tragen die gleichen Bezugszeichen, wie in den oben mit Bezug auf die Figu- ren 1 bis 5 bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf die hiermit verwiesen wird.
Im Fall der gepulsten Messung wird die elektromagnetische Strahlung 4 mit gepulsten Radarsystemen auf das Objekt 1 eingestrahlt. Die Auflösung der Messung in Ausbreitungsrichtung 5 der elektromagnetischen Strahlung 4 ist hierbei von der zeitlichen Ausdehnung der Pulse abhängig. Die zeitliche Ausdehnung der Pulse hängt wiederum mit der spektralen Bandbreite B der Pulse zusammen. Ein elektromagnetischer Puls lässt sich nun durch den folgenden mathematischen Ausdruck beschreiben:
(?) a(t) cos (ü)Mt) , wobei a(t) die Pulsamplitude und -breite ist und cos (cüMt) die Schwingung mit der Mittenfrequenz (DM des Pulses beschreibt. Zur Messung wird nun die Sekundär Strahlung 7, 8 detektiert. Aufgrund des Laufzeitunterschieds zwischen der von der ersten Grenzfläche 2 reflektierten Re flexionsstrahlung 7 und der von der zweiten Grenzfläche 3 reflektierten Austrittsstrahlung 8 er geben sich zwei reflektierte Pulse im zeitlichen Abstand τ von
Die empfangene Sekundärstrahlung 7, 8 wird im Zeitbereich daher durch die folgende Formel beschrieben:
(9) A(t) = a(t) cos[fmt] + a(t— τ) cos[ M(t— τ)].
Im Frequenzraum werden die Multiplikation zu einer Faltung und der Zeitversatz zu einer Phasenverschiebung. Folglich ergibt sich für die empfangene Sekundärstrahlung 7, 8 das folgende Messsignal A im Frequenzraum (10) A (f) = a( ) 5( - M) (l + e -^) .
Dies entspricht dem Spektrum a(f) 5(f-fm) multipliziert mit dem Faktor (1+e ). Bei der Berechnung des Amplitudenspektrums |A| über den Frequenzbereich entspricht letzterer einer Fabry- Perot-Oszillation im Frequenzbereich:
Figure imgf000022_0001
Aus der Periodendauer der Fabry-Perot-Oszillation kann die Grundfrequenz ωο = 2/τ bestimmt und darüber die Schichtdicke d gemäß Gleichung (8) errechnet werden.
Das Messsignal in Form des Amplitudenspektrums |A| ist in Figur 9 über die Frequenz f gezeigt. Wird über die gesamte Bandbreite B gemessen, können die Fabry-Perot-Oszillationen (siehe Kurve 9 in Fig. 9) ausgelesen und die Grund-Frequenz ωο zur Bestimmung der Schichtdicke d ermittelt werden. Um eine zur Auflösung der kleinsten zu messenden Schichtdecke dmin ausreichende Bandbreite B zur Verfügung zu stellen, ist bekanntermaßen die Erzeugung extrem kurzer Strahlungspulse nötig. Die Fabry-Perot-Oszillationen werden nun durch die Durchführung mehrere Messschritte Mi rekonstruiert. Hierzu wird die elektromagnetische Strahlung 4 in den Messschritten Mi gepulst eingestrahlt. Die Dauer der Strahlungspulse wird hierbei groß gewählt, so dass die jedem Messschritt Mi zugeordneten Frequenzbänder Fi nur einen Bruchteil der Bandbreite B abdecken. Für jeden Messschritt Mi, das heißt für jedes Frequenzband Fi, werden die reflektierten Pulse, das heißt die Sekundär Strahlung 7, 8, detektiert und hieraus das Messsignal |Ai| ermittelt. Die Messsignale |Ai| werden gemäß der Frequenzbänder Fi über eine gemeinsame Frequenzachse f zu dem Auswertesignal |Ao| zusammengeführt. Durch Anritten der Fabry-Perot-Os- zillation kann dann die Kurve 9 rekonstruiert werden und hieraus die Grundfrequenz ωο zur Errechnung der Schichtdicke d bestimmt werden.
Da die Periodendauer der Fabry-Perot-Oszillation indirekt proportional zu der Schichtdicke d ist, verringert sich der Frequenzabstand, das heißt die Grundfrequenz ωο, der Maxima der Fabry- Perot-Oszillation. Um eine Auflösung auch für die größte zu messende Schichtdicke dmax zu gewährleisten, muss der Frequenzbereich Af wie oben in Gleichung (6) gewählt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die elektromagnetische Strahlung 4 der einzelnen Messschritte Mi quasi-kontinuierlich eingestrahlt. Hierbei handelt es sich um einen Grenzfall der gepulsten Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung 4, wobei die zeitliche Länge der Strahlungspulse (unendlich) lang ist. In diesem Fall reduzieren sich die Frequenzbänder Fi der einzelnen Messschritte Mi zu einer scharfen Frequenz, welche der Mittenfrequenz ωΜ der in den einzelnen Messschritten Mi eingestrahlten Strahlungspulsen entspricht (vgl. Gleichung (7)).
Für den Fall, dass die elektromagnetische Strahlung 4 quasi-kontinuierlich eingestrahlt wird, kann die Bestimmung des Messsignals |A| in den einzelnen Messschritten Mi nicht durch eine Laufzeitmessung erfolgen. In diesem Fall ist vorgesehen, dass Messsignal aus der Interferenz der Reflexionsstrahlung 7 und der Austrittsstrahlung 8 zu erhalten.
Auch das mit Bezug auf Figur 9 beschriebene Messverfahren gliedert sich in die Verfahrensschritte des Verfahrensablaufs 15. Dieses Verfahren ist insbesondere mit Messvorrichtungen, welche äquivalent zu den Messvorrichtungen 10, 22 sind, durchführbar. Hierfür müssen die Sender Si und Empfänger Ei zum Senden beziehungsweise Empfangen von gepulster beziehungsweise quasi-kontinuierlicher Strahlung 4, 7, 8 ausgelegt sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die elektromagnetische Strahlung 4 in jedem Mess- schritt Mi phasenmoduliert auf das Objekt 1 eingestrahlt. Das Messprinzip ist in Figur 10 dargestellt. Identische Komponenten, Parameter und Verfahrensschritte tragen die gleichen Bezugszeichen wie in den unter Bezug auf die Figuren 1 bis 9 beschriebenen Ausführungsbeispiele, auf die hiermit verwiesen wird. Der Sender Si umfasst einen Oszillator 24, mit welchem eine kontinuierliche Strahlung 28 mit fester Mittenfrequenz COM erzeugt wird. In einem Phasenmodulator 25 wird der kontinuierlichen Strahlung 28 ein Modulationscode 26 aufmoduliert. Der Modulationscode 26 wird an den Phasenmodulator 25 von der dem Sender Si zugeordneten Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 12 übermittelt. Der Phasenmodulator 25 moduliert eine Phase φ der eingestrahlten elektro- magnetischen Strahlung 4 gemäß einer Funktion cpi(t) über die Zeit t. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Phase φ gemäß dem binären Modulationscode 26 moduliert, indem bei einem Wechsel von 0 auf 1 oder umgekehrt jeweils ein Phasensprung von π verursacht wird. Die resultierende elektromagnetische Strahlung 4 ist in Figur 10 beispielhaft gezeigt. Die phasenmodulierte elektromagnetische Strahlung 4 wird auf das Objekt 1 eingestrahlt und die von den Grenzflächen 2, 3 des Objekts 1 ausgehende Sekundär Strahlung 7, 8 durch den Empfänger Ei de- tektiert. Die detektierte Sekundärstrahlung 7, 8 wird durch einen Phasendemodulator 27 in ein Messsignal A über die Zeit t decodiert. Hierzu wird der Phasendemodulator 27 ebenfalls mit dem Modulationscode 26 gespeist. Das decodierte Messsignal Ai(t) entspricht einem Pulsdiagramm, wie es bei der obig beschriebenen gepulsten Messung erhalten wird. Das Pulsdiagramm im Zeitbereich wird durch Fourier-Transformation in das Messsignal Ai im Frequenzraum überführt. Das im Messschritt Mi abgedeckte Frequenzband Fi ist invers proportional zu der zeitlichen Länge tcode des Modulationscodes 26, welcher eine Periodendauer des Modulationscodes 26 darstellt.
Das weitere Vorgehen ist analog zu dem oben unter Verweis auf die Figur 9 beschriebenen Messverfahren mit gepulster elektromagnetischer Strahlung 4. In verschiedenen Messschritten Mi werden Messsignale Ai um verschiedene von den Oszillatoren 24 erzeugten Mittenfrequenzen (DM erzeugt und ist nach Durchführung aller Messschritte Mi zusammengeführt, indem die Messsignale A über die Frequenz f aufgetragen, das Auswertesignal |Ao| gefittet und die Grundfrequenz coo ermittelt. Alle oben diskutierten Messverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass ein mit elektromagnetischer Strahlung 4 großer Bandbreite B ermitteltes Messergebnis durch mindestens zwei Messschritte Mi, welche ein schmales Frequenzband Fi abdecken, rekonstruiert werden kann. In weiteren nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispielen werden daher auch verschiedene der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die elektromagnetische Strahlung 4 in einem Messschritt Mi frequenzmoduliert und in den weiten Messschritten Mi phasenmoduliert auf das Objekt 1 einzustrahlen. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele können für unterschiedliche Messschritte Mi beliebig kombiniert werden.
Das Messverfahren 15 und die Messvorrichtungen 10, 22 sind für die Messung der Schichtdicke d mittels Reflexionsmessung ausgelegt. Alternativ kann auch eine Transmissionsmessung durchgeführt werden. Hierbei durchläuft die Sekundär Strahlung das Objekt 1 nur einmal. Die Sekundärstrahlung kann mit einer Referenzstrahlung, welche das Objekt 1 nicht durchläuft, überlagert werden, um somit das Messsignal Ai eines jeden Messschritts Mi zu bestimmen. In diesem Fall müssen die Formeln (2) und (6) für die Bandbreite B beziehungsweise den Frequenzbereich Af entsprechend angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung einer Schichtdicke (d) eines Objekts (1), umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Objekts (1), welches zwei um eine Schichtdicke (d) beabstandete Grenzflächen (2, 3) aufweist,
Durchführen mindestens zweier Messschritte (Mi), wobei jeweils
elektromagnetische Strahlung (4) mit Frequenzen (f) in einem dem jeweiligen Messschritt (Mi) zugeordneten Frequenzband (Fi) auf das Objekt (1) eingestrahlt wird, wobei die Frequenzbänder (Fi) der einzelnen Messschritte (Mi) unterschiedliche Teilbereiche einer Bandbreite B sind, und
— von den Grenzflächen (2, 3) des Objekts (1) ausgehende Sekundärstrahlung (7, 8) detektiert und ein Messsignal (A; |Ai|) ermittelt wird,
Zusammenführen der Messsignale (A; |A|) der Messschritte (Mi) gemäß der jeweiligen
Frequenzbänder (Fi) zu einem Auswertesignal (Ao; |Ao|), und
Bestimmung einer Grundfrequenz (ωο) des Auswertesignals (Ao; |Ao|) zur Errechnung der Schichtdicke (d).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (4) in mindestens einem der Messschritte (Mi) gepulst auf das Objekt (1) eingestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) der elektromagnetische Strahlung (4) in mindestens einem der Messschritte (Mi) gemäß einer Funktion (f(t)) über eine Zeit (t) moduliert wird, wobei die Funktion (fi(t)) das Frequenzband (Fi) des jeweiligen Messschritts (Mi) auf ein Zeitfenster (Ti) abbildet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Messschritte (Mi) eine Phase (φ) der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung (4) gemäß einer Funktion (cpi(t)) über die Zeit (t) moduliert wird. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Frequenzbänder (Fi) der einzelnen Messschritte (Mi) überlappungsfrei sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite B um eine Bandbreiten-Mittenfrequenz (fki) im Bereich von 50 GHz bis 1500 GHz, vorzugweise um eine Bandbreiten-Mittenfrequenz von 1000 GHz, definiert ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bandbreite B gilt: c cos e
B >
2 dynin ^ wobei c die Lichtgeschwindigkeit, n der Brechungsindex des Objekts (1), e ein Ausbreitungswinkel, unter welchem die elektromagnetischen Strahlung (4) sich in dem Objekt (1) ausbreitet, und dmin die kleinste zu messende Schichtdicke (d) ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Frequenzbereich Af, welcher innerhalb der Bandbreite B zu keinem Frequenzband (Fi) eines Messschritts (Mi) gehört, gilt, c cos e
Af <
2 d-max wobei c die Lichtgeschwindigkeit, n der Brechungsindex des Objekts (1), e ein Ausbreitungswinkel, unter welchem die elektromagnetischen Strahlung (4) sich in dem Objekt (1) ausbreitet, und dmax die größte zu messende Schichtdicke (d) ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung jedes Messschritts (Mi) je ein Sender (Si) zur Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung (4) in dem jeweiligen Frequenzband (Fi) und je ein Empfänger (Ei) für die Sekundär Strahlung (7, 8) vorgesehen sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (Si) vor der Messung kalibriert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (Si) syn- chronisiert angesteuert werden.
12. Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke (d) eines Objekts (1), umfassend:
mindestens zwei Sender (Si) zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung (4) mit
Frequenzen (f) in je einem festgelegten Frequenzband (Fi), wobei die Frequenzbänder (Fi) der einzelnen Sender (Si) unterschiedliche Teilbereiche einer Bandbreite B sind, mindestens einen Empfänger (Ei) für elektromagnetische Strahlung (4) mit Frequenzen
(f) innerhalb der Bandbreite B, und
eine Auswerteelektronik (13),
wobei die Auswerteelektronik (13) für die Durchführung eines Messverfahrens mit den fol- genden Schritten ausgelegt ist:
Durchführen eines Messschritts (Mi) je Sender (Si), wobei jeweils
— mittels des jeweiligen Senders (Si) elektromagnetische Strahlung (4) in dem jeweiligen Frequenzband (Fi) auf ein Objekt (1) eingestrahlt wird,
— Sekundär Strahlung (7, 8), welche von zwei um eine Schichtdicke (d) beabstandete Grenzflächen (2, 3) des Objekts (1) ausgeht, mit dem Empfänger (Ei) als Messsignal (Ai; |A|) detektiert wird, und
Zusammenführen der Messsignale (A; |A|) der Messschritte (Mi) gemäß der jeweiligen Frequenzbänder (Fi) zu einem Auswertesignal (Ao; |Ao|), und
Bestimmung einer Grundfrequenz (ωο) des Auswertesignals (Ao; |Ao|) zur Errechnung der Schichtdicke (d).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (Si) über eine Synchronisationseinheit (24) gekoppelt sind. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (13) eine Schnittstelle (14) zur Eingabe von Eigenschaften des Objekts (1), insbesondere von einem Brechungsindex (n), von einer maximalen Schichtdicke (dmax) und/oder von einer minimalen Schichtdicke (dmin), umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau, insbesondere zur Anpassung der Anzahl der Sender (Si) und Empfänger (Ei) an die Bandbreite B.
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CA3062502A CA3062502C (en) 2017-05-05 2018-05-02 Method and device for measuring a layer thickness of an object
CN201880029441.0A CN110914635B (zh) 2017-05-05 2018-05-02 用于测量物体的层厚的方法和设备
US16/610,723 US11408733B2 (en) 2017-05-05 2018-05-02 Method and device for measuring a layer thickness of an object
JP2020512078A JP7058321B2 (ja) 2017-05-05 2018-05-02 対象物の層の厚さを測定するための方法及び装置

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220003861A1 (en) * 2018-11-19 2022-01-06 Rheinmetall Waffe Munition Gmbh Method for determining the position of an object, device for determining the position of an object, and system
JP2022515985A (ja) * 2018-12-07 2022-02-24 イノエックス ゲーエムベーハー イノヴァツィオーネン ウント アウスリュストゥンゲン フュア ディー エクストルジオーンステヒニク 被測定物、特にプラスチックプロファイルを測定するための測定システム及び方法
DE102021125196A1 (de) 2021-09-29 2023-03-30 CiTEX Holding GmbH THz-Messvorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines Messobjektes
EP4170387A4 (de) * 2020-06-30 2023-07-05 Huawei Technologies Co., Ltd. Radardetektionsverfahren und zugehörige vorrichtung

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020127387A1 (de) * 2020-10-16 2022-04-21 Helmut Fischer GmbH Institut für Elektronik und Messtechnik Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von mit einem eine Ausbreitung von Terahertz-Strahlung charakterisierenden Modell assoziierten Daten
DE102022105479B3 (de) 2022-03-09 2023-08-03 Sikora Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen von Dimensionsdaten eines Objekts
ES3052517T3 (en) 2023-03-06 2026-01-07 Sikora Gmbh Apparatus and method for determining wall thickness of an object

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150048843A1 (en) * 2012-01-24 2015-02-19 Johann Hinken Device for measuring coating thickness
US20150268218A1 (en) * 2013-03-14 2015-09-24 Robert Ernest Troxler Systems and methods for asphalt density and soil moisture measurements using ground penetrating radar

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3113025A1 (de) * 1981-04-01 1982-10-21 Battelle-Institut E.V., 6000 Frankfurt "verfahren und vorrichtung zur dickenkontrolle bzw.-messung von materialschichten"
US5289266A (en) * 1989-08-14 1994-02-22 Hughes Aircraft Company Noncontact, on-line determination of phosphate layer thickness and composition of a phosphate coated surface
JP3606257B2 (ja) 2001-12-25 2005-01-05 三菱電機株式会社 ドップラーレーダー装置
US7339682B2 (en) * 2005-02-25 2008-03-04 Verity Instruments, Inc. Heterodyne reflectometer for film thickness monitoring and method for implementing
GB0506209D0 (en) * 2005-03-29 2005-05-04 Qinetiq Ltd Coherent frequency modulated continuous wave radar
JP2007040763A (ja) * 2005-08-01 2007-02-15 Toyota Motor Corp 加速度センサの補正装置
CN101334269A (zh) * 2008-08-06 2008-12-31 北京航空航天大学 多层介质材料多参量测量方法与系统
US8144334B2 (en) * 2009-09-29 2012-03-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Fiber-optic, digital system for laser Doppler vibrometers (LDVs)
WO2012009617A2 (en) * 2010-07-16 2012-01-19 Luminex Corporation Methods, storage mediums, and systems for analyzing particle quantity and distribution within an imaging region of an assay analysis system and for evaluating the performance of a focusing routing performed on an assay analysis system
JP5062921B1 (ja) 2012-05-01 2012-10-31 株式会社ウオールナット 空洞厚推定方法及びその装置
DE102013223945A1 (de) * 2013-11-22 2015-05-28 Inoex Gmbh Messvorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Prüfobjekten
CN103940354B (zh) * 2014-05-15 2017-01-04 黑龙江大学 线性调频多光束激光外差测量玻璃厚度的装置及方法
CN104180762A (zh) * 2014-09-09 2014-12-03 东莞理工学院 基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150048843A1 (en) * 2012-01-24 2015-02-19 Johann Hinken Device for measuring coating thickness
US20150268218A1 (en) * 2013-03-14 2015-09-24 Robert Ernest Troxler Systems and methods for asphalt density and soil moisture measurements using ground penetrating radar

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUAQING LIANG ET AL: "Study on Signal Processing of FMCW Ground Penetrating Radar", MEASURING TECHNOLOGY AND MECHATRONICS AUTOMATION, 2009. ICMTMA '09. INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 11 April 2009 (2009-04-11), pages 528 - 531, XP031511276, ISBN: 978-0-7695-3583-8 *
SHAHDAN I S ET AL: "Simulation of frequency modulated continuous wave ground penetrating radar using Advanced Design System (ADS)", APPLIED ELECTROMAGNETICS (APACE), 2010 IEEE ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON, IEEE, 9 November 2010 (2010-11-09), pages 1 - 5, XP031981057, ISBN: 978-1-4244-8565-9, DOI: 10.1109/APACE.2010.5720096 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220003861A1 (en) * 2018-11-19 2022-01-06 Rheinmetall Waffe Munition Gmbh Method for determining the position of an object, device for determining the position of an object, and system
US11762083B2 (en) * 2018-11-19 2023-09-19 Rheinmetall Waffe Munition Gmbh Method for determining the position of an object, device for determining the position of an object, and system
JP2022515985A (ja) * 2018-12-07 2022-02-24 イノエックス ゲーエムベーハー イノヴァツィオーネン ウント アウスリュストゥンゲン フュア ディー エクストルジオーンステヒニク 被測定物、特にプラスチックプロファイルを測定するための測定システム及び方法
EP4170387A4 (de) * 2020-06-30 2023-07-05 Huawei Technologies Co., Ltd. Radardetektionsverfahren und zugehörige vorrichtung
DE102021125196A1 (de) 2021-09-29 2023-03-30 CiTEX Holding GmbH THz-Messvorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines Messobjektes
EP4160139A1 (de) 2021-09-29 2023-04-05 CiTEX Holding GmbH Thz-messvorrichtung und verfahren zum vermessen eines messobjektes

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