NO164133B - Framgangsm te og apparat for karakterisering og konv stoffer, materialer og objekter. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en framgangsmåte og et apparat til karakterisering og kontroll av stoffer, materialer og objekter samt faktorer av fysisk og kjemisk art som inngår i disse. Ved å eksitere transiente termiske bølger i et objekt og måle de resulterende endringer i termisk utstråling fra objektet, vil oppfinnelsen således i sitt videste aspekt muliggjøre en fullstendig kontaktfri karakterisering og kontroll som nevnt, med betydelige forbedringer i forhold til sammenliknbare eksisterende teknikker.

Alle legemer og objekter som har en viss temperatur emitterer

termisk, elektromagnetisk stråling. For ideelt sorte legemer er den emitterte effekt pr. flateenhet innenfor et bølgelengdeintervall d\

gitt ved Plancks strålingslov,

hvor T er temperaturen til legemet, h er Plancks konstant, k er Boltzmanns konstant og a er lyshastigheten; W(\) benevnes legemets

spektrale radiante eksitans. For legemer ved værelsestemperatur ( T = 300 K) gir (1) et emisjonsspektrum med maksimum ved ca. 10 ym bølgelengde i det midlere infrarøde spektralområdet. Økes temperaturen vil spektralfordelingen endres i henhold til (1), og topp-punktet ^max i spektret vil forskyves mot lavere bølgelengder; for T > 4000 K

faller X nær eller innen det synlige området. Denne forskyvningen

max

er med god tilnærmelse beskrevet ved Wiens forskyvningslov,

som kan avledes av (1).

Legemer som ikke er ideelt sorte kan med god tilnærmelse

beskrives ved å multiplisere gitt i (1) med en effektiv emissivitet z( T,\) £ 1. Emittert effekt pr. flateenhet fra et legeme som ikke er sort, innenfor bølgelen^deintervallet Ai SX å X2 er da gitt ved

For en liten temperaturendring 6T vil forandringen i utstrålt effekt pr. flateenhet da være

Fordi z( T,\) generelt er en meget kompleks funksjon, som også avhenger

av legemets geometri, vil (A) vanligvis ikke la seg uttrykke analytisk.

Både W(\ i;\ i) og 6W(Ax;\ 2) kan imidlertid måles ved hjelp av strålingsdetektorer som er følsomme i det aktuelle spektralområdet.

Dette området velges vanligvis slik at det også omfatter bølgelengden

for maksimal emisjon, A , men spesielle fordeler og effekter kan

mfl x

oppnås ved å velge andre spektralområder for deteksjonen. Eventuelle endringer som måles i W(\ i;\ 2) fra et objekt vil da være direkte knyttet til iboende variasjoner i temperatur og/eller emissivitet i objektet. Dette benyttes idag i standard måleteknikker, og kommersielt utstyr har lenge vært tilgjengelig. Teknikken er kontaktfri og forstyrrer derfor ikke måleobjektet. Men fordi den er passiv, er den begrenset til måling av de kontraster i temperatur og emissivitet som naturlig forekommer i objektet; dette begrenser den informasjon som teknikken kan innhente fra måleobjektet. Følsomheten er også relativt lav, typiske grenser for observerbare temperaturkontraster ligger i området 10 -10 K.

I løpet av de senere år er en aktiv måleteknikk kalt fototermisk radiometri (PTR) blitt utviklet^. Ved ytre termisk påtrykk, f.eks. gjennom belysning, induseres det da temperaturendringer i objektet, og man måler størrelse, fase eller tidsforløp til den resulterende termiske utstråling fra det belyste punkt på objektet. Dette ble opprinnelig benyttet til direkte å måle temperaturstigningen i det belyste punktet under påvirkning av sterk stråling (<2>), men de måletekniske mulighetene er nå blitt betydelig utvidet. Ved alle kjente varianter av PTR har belysningen alltid vært pulsformet, oftest i form

av et sammenhengende pulstog. For analysens skyld antar en vanligvis at intensiteten i belysningen varierer harmonisk, 1= iXqC1 + ^n^"*) , hvor / er frekvensen, t tiden og I er amplituden. Det er da også

vanlig å definere en termisk diffu°sj. onslengde u - ( k/ vpfC) h = de/ nf) h, hvor k er termisk ledningsevne, p tetthet, C spesifikk varme og k er diffusiviteten til objektmaterialet. u er den lengden i objektet som varmen rekker å utbre seg i løpet av en pulsperiode. Man definerer også

en optisk absorpsjonslengde a(A) ^, hvor o(A) er den spektrale absorpsjonskoeffisienten til objektmaterialet ved bølgelengden A.

Ut fra dette kan man da beregne den induserte temperaturendringen 6T

(3)

i objektet for ulike typer objekter og belysning . Som eksempel kan vi betrakte det tilfellet hvor a(X) ^ << objektets tykkelse; objektet er da optisk ugjennomskinnelig. Man har da to aktuelle situasjoner gitt ved henholdsvis u > ct(A) og p < ci(X)

For u < ct(A) ^ er objektet fototermisk transparent. Belysningen

på bølgelengden X trenger dypere inn i materialet enn én diffusjonslengde, og man finner at temperaturen ytterst i overflaten er

Temperatursvingningene på frekvensen / i takt med belysningen er da proporsjonale med objektmaterialets absorpsjonskoeffisient a(X); måling av den termiske utstrålingen på pulsfrekvensen f i henhold til (4) gir da mulighet til spektral karakterisering av objektets overflate ved å (4) variere spektralinnholdet i belysningen , og har resultert i en ny spektroskopisk teknikk. For u > a(X) ^ er objektet fototermisk ugjennomtrengelig. All innfallende stråling blir da absorbert i et overflateskikt som er tynnere enn den termiske diffusjonslengden, og man finner at overflatetemperaturen er

De induserte temperaturvariasjonene er da uavhengige av objektets absorpsjonskoeffisient; radiant eksitans på frekvensen f vil da ved måling gi informasjon om parametrene k, p, C og/eller e. Dette gjelder også om endringene i k, p eller C befinner seg inne i objektet og mindre enn én termisk diffusjohslengde fra overflaten; interne strukturer i objektet som ikke er synlige på overflaten vil da gi endringer både i amplitude og fase til 6W ^ . Dette gjør det med andre ord mulig å "se" inn i objektet en viss dybde u. Et spesielt interessant tilfelle opptrer når man måler temperaturvariasjonene på baksiden av objektet som følge av belysning på forsiden. Strukturer inne i objektet med avvikende k, p og/eller C vil da påvirke varmeutbredelsen gjennom objektet og gi endringer i amplitude og fase til temperatursvingningene på baksiden. Dette gjør det mulig å undersake det indre av ugjennomsiktige objekter som er betydelig tykkere enn én termisk dif fusjonslengde^ .

De induserte temperatursvingningene kan være svært små, deteksjonsgrensen ligger i området 10 ^ K. For å kunne måle SW med godt signal-til-støy forhold, er det derfor nødvendig å korrelere den målte termiske emisjonen med belysningen, slik at man kan identifisere bare de termiske svingningene som er synkrone med pulseringene i belysningen. Dette gjøres rutinemessig ved hjelp av elektroniske lock-in forsterkere, som essensielt filtrerer bort alle signaler utenom en smal båndbredde & f rundt pulsfrekvensen /; A/ er oftest mindre enn 1 Hz. For å oppnå representative målinger må tiden for hvert målepunkt være minst lik det inverse av båndbredden, slik at stasjonære forhold gjelder. Målingene blir da langsomme og tidkrevende; ved sveip over objekter er typiske hastigheter ofte mindre enn 1 mm/s^'^. Selv om slik sveipteknikk har vært demonstrert til bruk ved vitenskapelige analyser av overflater og interne strukturer i objekter, har teknikken prinsipielle begrensninger som i praksis gjør den uegnet til sanntidsmålinger. Teknikken er således uegnet til en rekke oppgaver som f. eks. kan være forbundet med løpende karakterisering og kontroll av ulike industriprodukter og -prosesser (kjemiske stoffer og sammensetninger, halvlederkomponenter, overflatebelegg, film- og skiktformede materialer, herdeprosesser etc); det samme gjelder muligheten til raskt å danne tilsvarende todimensjonale (og eventuelt også tredimensjonale) fototermiske bilder av objekter ved repeterte sveip. I alle slike situasjoner bør hvert målepunkt kunne effektueres på mindre enn millisekund; den stasjonære fototermiske radiometriteknikken er derfor mer enn tre størrelsesordener for langsom til å kunne benyttes til de nevnte formål.

Varmeutbredelse skjer ved diffusjon. Dette er en kaotisk prosess, som i det endimensjonale tilfellet er beskrevet av likningen

hvor x er koordinaten, t tiden og T( x, t) er temperaturen i objektet i punkt x ved tidspunkt t. Den fullstendige løsningen av (7) finnes i hvert enkelt tilfelle avhengig av start- og randbetingelser. For en harmonisk varierende overflatetemperatur T( 0, t) = T^ e1' 2^ påtrykt et objekt med

(7)

utstrekning 0 S x i <* > finner man da

Det siste leddet gitt ved integraluttrykket er en transient termisk forstyrrelse i objektet, som skriver seg fra starten av temperatursvingningene på overflaten. Denne transienten dør bort når t •*■ °>, og det gjenstår da bare den stasjonære tidsvariable løsningen gitt av det første leddet. Dette leddet beskriver de temperatursvingningene som utnyttes ved stasjonær fototermisk radiometri som beskrevet ovenfor. Løsningene har form av dempede bølger, hvis amplitude reduseres med en faktor e ' i løpet av en strekning lik den termiske diffusjonslengden u. Bølgehastigheten s = dx/ dt finnes ved å kreve at faseleddet 2- nft - x/\ i er konstant, som gir

Av dette ser en at de termiske bølgene er sterkt dispersive; bølger med høyere frekvens utbrer seg raskere. Samtidig dempes de høyfrekvente termi• ske bølgene sterkere med x på o grunn av faktoren e — CC I u. Bølgelengden til en termisk bølge med frekvens / er ifølge (9) A = 2ttu.

Dersom det skal være mulig å utføre hurtigere målinger enn det som kan oppnås ved den foran beskrevne utnyttelse av de stasjonære termiske bølgene, må man følgelig gjøre bruk av de transiente løsningene til (8). Dette krever en mer eksplisitt beregning av varmeutbredelsen i objektet. Vi betrakter da en enkelt puls som instantant varmer opp overflaten i et objekt til temperaturen Tq. I dybden x vil objektet oppleve et transient temperatursving som stiger til et maksimum og så synker mot en stasjonær verdi. Forløpet til denne temperaturfronten er med god tilnærmelse gitt ved

hvor A er en konstant som avhenger av k, C og det termiske påtrykket på (8) overflaten. Ved beregning av denne funksjonen finner man at temperaturen i punkt x har nådd halvparten av sin maksimale verdi ved tidspunktet

Med god tilnærmelse gjelder dette også ved varmeutbredelse i tre dimensjoner; etter oppvarming av overflaten med en punktformet instantan kilde vil således også den transiente varmebølgen i et punkt på overflaten i avstand x fra eksitasjonspunktet ha nådd halvparten av sitt maksimale utsving omtrent etter tiden t^.

Ut fra dette kan vi definere en termisk tidskonstant

som tilsvarer tiden det tar før temperaturen i et punkt i avstand d fra et instantant eksitasjonspunkt har nådd ca. 1/3 av sitt maksimale utsving. Herav følger at den effektive termiske diffusjonshastigheten u( d) = d/ x for diffusjon over distansen d er

Den effektive termiske diffusjonshastigheten over en viss lengde er med andre ord omvendt proporsjonal med lengden, hvilket medfører at diffusjonstiden fram til et punkt øker kvadratisk med avstanden fra eksitasjonspunktet. Dette har sammenheng med dispersjonen til de stasjonære termiske bølgene gitt ved (9). Om vi setter d = A - 2iru, finner vi at den effektive diffusjonshastigheten til en transient termisk bølge over en distanse d lik bølgelengden til en stasjonær termisk bølge med frekvens / er u( 2v\ i) = tnc/2u s s, hvor s er den tilsvarende stasjonære bølgehastigheten gitt ved (9).

Likning (11) er benyttet i en standard pulsteknikk til bestemmelse av diffusiviteten k i faste stoffer (9): Ved måling av ut fra temperaturforløpet på baksiden av et objekt med tykkelse i. etter oppvarming på forsiden med pulser av varighet << t^, kan k bestemmes ut fra

Pulsteknikken er i løpet av de siste to-tre årene blitt videreutviklet

til en type pulset fototermisk radiometri^1<^ , hvor man ved å registrere den nøyaktige kurvefocmen til temperaturforløpet på for- eller baksiden av et objekt etter pulsoppvarming på forsiden kan bestemme absorpsjons-koef fisienter, termisk diffusivitet og tykkelse både av objektet selv

såvel som av eventuelle overflateskikt. En enkelt puls er i prinsippet

tilstrekkelig til å bestemme alle disse parametrene. Pulsteknikken er i så måte raskere enn den stasjonære teknikken som er omtalt tidligere, og med en faktor som omtrent tilsvarer det antall perioder, /"/A/, som kreves for hver stasjonær måling ved frekvens / og båndbredde A/. Om man imidlertid ønsker å benytte pulsteknikken til å karakterisere f.eks. et helt objekt, on materialstrøm eller liknende, måtte man i så fall registrere tilsvarende detaljerte temperaturforløp i alle aktuelle punkter, og så trekke ut de relevante data ved en individuell analyse av hvert enkelt tidsforløp. Denne registreringen og den påfølgende signalbehandlingen vil derved ta såvidt lang tid at også pulsteknikken blir for langsom til sanntidsmålinger; slik utnyttelse av pulsteknikken er da heller ikke blitt demonstrert. Årsakene til dette ligger i at pulsteknikken samler inn for mye data, hvorav det meste er uten betydning for de målingene som skal utføres; dette vil bli nærmere beskrevet under presentasjonen av oppfinnelsen nedenfor.

Den foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i at man

som regel ikke er interessert i dec fullstendige temperaturforløpet i hvert enkelt punkt i objektet. Oftest er det tilstrekkelig å registrere eventuelle variasjoner i temperaturen fra punkt til punkt på objektets overflate, for derved å kartlegge og identifisere eventuelle ulikheter i kjemiske og fysiske forhold i og under overflaten. Oppfinnelsen er således i sitt mest generelle aspekt, som angitt i patentkrav 1, en spesiell utnyttelse av de transiente termiske bølger i objektet som gjør det mulig, løpende og i sann tid, utelukkende å registrere den termiske utstrålingen fra en følge av objektpunkter etter en tidsforsinkelse tilsvarende termisk diffusjon over en valgbar lengde eller dybde d i objektet. Som det fremgår av patentkravene omfatter oppfinnelsen såvel en framgangsmåte som et apparat til å gi objektet en relativ bevegelse i forhold til en kilde for kontinuerlig (og evt. konstant) termisk påtrykk, hvor den relative hastigheten mellom objekt og kilde, Vj, er større enn den effektive termiske diffusjonshastigheten u( d) for den aktuelle distansen i objektet. Denne kombinasjonen av kontinuerlig termisk eksitasjon og fysisk bevegelse vil da være å sammenlikne med en sammenhengende serie uavhengige, ins tantane termiske kilder som forflytter seg over objektet. De termiske diffusjonsbetingelsene for objektpunkter i større avstand enn d langs bevegelsesbanen vil være uavhengige av hverandre fordi kilden forflytter seg hurtigere enn den

transiente termiske bølgefronten: Etter en tid t s d2/ ir2K vil den transiente bølgefronten fra hvert enkelt eksitasjonspunkt ha forplantet seg en distanse d i objektet, samtidig som eksitasjonspunktet i forhold til kilden har beveget seg en strekning L <=> Vj' i > d. I denne posisjon passerer så objektet synsfeltet til en detektor for termisk stråling, på en slik måte at også den relative hastigheten v~ mellom detektorens synsfelt og objektet er større enn u( d). Detektoren vil da registrere den termiske utstrålingen fra hvert enkelt eksitert objektpunkt, uavhengig av hverandre og forsinket en tid t i forhold til den opprinnelige termiske eksitasjonen i punktet. Eventuelle inhomogeniteter i objektet innenfor en avstand d fra hvert enkelt eksitasjonspunkt vil da, som forklart ovenfor, gi seg utslag i tilsvarende variasjoner i den forsinkede utstrålte termiske effekt. På denne måten blir det mulig å benytte den transiente termiske bølgen til en selektiv probing av fysiske parametre i objektet innenfor distanser d fra hvert enkelt eksitasjonspunkt. Framgangsmåten tillater da naturligvis også registrering og kontroll av fysiske og kjemiske strukturer og mønstre eksponert til objektets overflate, f.eks. ved spektralt selektiv termisk eksitasjon; forsinkelsestiden eller -lengden kan da om ønskelig reduseres til et absolutt minimum for bedre å adskille de maksimale temperaturutsving i overflaten fra de termiske effekter som skyldes at de transiente termiske bølgene rekker å forplante seg lengre ut fra eksitasjonspunktene.

Vi vil nedenfor gi en nærmere beskrivelse av oppfinnelsen

under henvisning til tegningene, hvor:

Figur 1 skjematisk viser en anordning for termisk påtrykk på forsiden

(oversiden) av objektet.

Figur 2 skjematisk viser deteksjon av termisk stråling fra forsiden

(heltrukket) eller baksiden (stiplet) av objektet.

Figur 3 skjematisk viser eksempler på systematiske og karakteristiske strukturer og mønstre som kan være lagt inn i materialer og objekter.

Figur 4 skjematisk viser termisk påtrykk og deteksjon i en avstand

L fra hverandre.

Figur 5 skjematisk viser et romlig filter i forbindelse med deteksjonssystemet.

På figur 1 er det vist termisk påtrykk fra en kilde 2 på et objekt 1, som beveger seg med en hastighet Ui relativt det termiske påtrykket. Påtrykket er her idealisert framstilt som punktformet, mens det i praksis vil ha en viss utstrekning a i bevegelsesretningen. Det termiske påtrykket kan skje med en slepekontakt til et godt termisk ledende legeme, eventuelt en "varme-veke" (heat pipe), som står i: forbindelse med et oppvarmet eller avkjølt termisk reservoir, men det kan også skje uten mekanisk kontakt ved hjelp av kald eller varm gass, elektromagnetisk stråling, elektron- eller annen partikkelstråling eller også ved akustiske bølger. Gass- og kontaktpåtrykk vil lokalisere den initielle oppvarmingen eller avkjølingen til objektets overflate. Elektromagnetisk stråling vil derimot, som foran beskrevet, trenge

inn i objektet en typisk distanse a(X,)-1 lik det inverse av absorpsjonskoeffisienten for strålingen på den aktuelle bølgelengden; ved valg av X kan man således i noen grad tilpasse den termiske eksitasjonen til den aktuelle situasjon, og da særlig i forbindelse med deteksjon av stoffer eksponert tii overflaten.

Med elektromagnetisk stråling pa to eller flere ulike bølgelengder X innrettet til påtrykk i en viss innbyrdes avstand på tvers av bevegelsesretningen og med separate detektorer for hver bølgelengde, har man også mulighet til en mer detaljert og omfattende spektral analyse av objektet.

Partikkelstråler trenger på tilsvarende måte inn i objektet avhengig av partiklenes energi og av objektets materialegenskaper og sammensetning av grunnstoffer, og dette kan også benyttes til å tilpasse påtrykket i volumet av objektet. Akustiske bølger vil trenge inn i og forplantes i objektet avhengig av dets elastisitetsmodul E, og vil kunne varme opp selektivt interne strukturer med E som gjør at bølgene absorberes. Til sammen gir dette et arsenal av ulike termiske eksitasjonsmoder, hvorfra man vil kunne velge et termisk påtrykk som er spesielt egnet for hver individuell anvendelse av oppfinnelsen.

Det er også mulig å kombinere to eller flere ulike termiske eksitasjonsmodi for å oppnå spesielle fordeler. For eksempel kan

objektet oppvarmes, respektive avkjøles langs den samme bane eller langs to parallelle baner, med separat deteksjon for hver av disse. Temperatur-utslagene blir da motsatt rettet av hverandre, hvilket gir komplementære signaler i deteksjonssystemet. Dette kan benyttes til f.eks. å adskille variasjoner i emissivitet fra de termisk relaterte signaler.

Figur 2 viser deteksjon av den resulterende termiske utstråling både fra samme side (forsiden) (a) som det termiske påtrykket såvel som fra motsatt side (baksiden) (b). I en gitt måleteknisk situasjon vil man som regel bare benytte ett av alternativene, men det vil i mange tilfelle være aktuelt med flere detektorer som opererer parallelt f.eks. i form av en array. Synsfeltet (5 i deteksjonssystemet har en hastighet Vz i forhold til objektet 1. Deteksjonssystemet består av en anordning 3 som samler inn termisk stråling fra objektet, og er i figuren symbolisert med en linse. Andre aktuelle anordninger for innsamling av termisk stråling kan være speilarrangementer, optiske fibre, optiske bølgeledere o.a. Anordningen 3 samler den termiske strålingen inn på en detektor 4, som omdanner strålingen til elektriske signaler. Slike detektorer er ofte framstilt av halvledermaterialer og kan tilpasses ulike spektrale områder for den termiske strålingen bl.a. avhengig av objektets temperatur, men det fins også termiske detektorer som har en mer flat spektral karakteristikk; disse er som regel ikke så hurtige og følsomme som halvlederdetektorene. Signalene fra detektoren forsterkes i en forsterker 5 og kan videre undergis en mer spesiell analyse i enheten 6 som inneholder et elektronisk signalbehandlingssystem. Som nevnt senere må den elektriske båndbredden til enhetene 4, 5 og 6 være slik i forhold til hastigheten V2 og til størrelsen på de strukturene som skal identifiseres at likning (25) er tilfredsstilt; forøvrig hefter det ingen spesielle krav ved disse enhetene. Fra signalbehandlingssystemet vil det så kunne hentes ut informasjon som benyttes til å effektuere de styrings- og kontroll-funksjoner m.v. som oppfinnelsen i hvert enkelt tilfelle muliggjør, dette er trivielt og er ikke innlemmet i figuren. Foran anordningen 3 er det i posisjon (b) i tillegg vist hvordan et optisk filter 7 kan plasseres i forhold til deteksjonssystemet, både for ytterligere å definere spektralområdet for termisk deteksjon såvel som for selektivt å diskriminere mot termisk og annen elektromagnetisk stråling i andre spektralområder (f.eks. fra den termiske eksitasjonen). Som antydet i figuren er de aller fleste forhold identiske ved deteksjon av termisk utstråling fra for- eller bakside. Valget av det ene eller det andre alternativ avhenger vesentlig av objektets utforming og av formålet med målingen, ofte vil begge konfigurasjonene gi tilsvarende informasjon. Deteksjon fra baksiden er aktuelt og særlig fordelaktig for tynne objekter og materialer, hvor det kan være tale om å identifisere interne strukturer eller eventuelt variasjoner i tykkelse og andre objekt-parametre som er karakteristiske for hele volumet av objektet; det samme gjelder objekter og materialer hvor de aktuelle strukturer ligger i en dybde d som gjør den diffusjonsbestemte oppløsningen til forsiden ( s d ) urimelig dårlig. Undersøkelse av overflateskikt,

av objekter hvor de aktuelle strukturer er eksponert til overflaten og av interne strukturer i objekter som er så tykke at termisk diffusjon til baksiden tar urimelig lang tid og gir tilsvarende reduksjon i oppløsningen, skjer derimot best ved deteksjon fra forsiden.

Figur 3 gir eksempler på objekter og materialer som inneholder systematiske og karakteristiske strukturer og mønstre enten i overflaten (3a), inne i volumet (3b) eller som variasjoner (f.eks. i tykkelse, som vist) i parametre som påvirker hele tverrsnittet av objektet (3c). Avhengig av art og karakter til strukturer og mønstre vil man da kunne

velge en passende form for termisk p°trykk, samt deteksjon fra for- eller bakside bl.a. bestemt av objektets t} '..keise og andre egenskaper. Ved en deteksjon av de transiente termiske forløp forsinket en tid x i forhold til det termiske påtrykk, og hvor tiden t er tilpasset utstrekningen d til de aktuelle mønstre og strukturer i henhold til likning (12), vil anordningen 3 på figur 2 da gi signaler som inneholder informasjon om disse strukturene og mønstrene. Med forutgående kjennskap til mulige mønstre og strukturer i objektet vil dette således kunne benyttes til å karakterisere hvert enkelt objekt i forhold til et register av slike strukturer og mønstre, og derved også til kontroll av at objektet inneholder strukturer med et på forhånd fastlagt mønster.

Utstrekningen d til strukturene og mønstrene i objektet er i denne sammenheng den sentrale parameter, og som spesielt fastsetter grensene for de respektive relative bevegelseshastigheter til objektet slik disse er gitt i krav 1. På tilsvarende vis kan oppfinnelsen også anvendes til å undersøke og karakterisere objekter som har tilfeldige mønstre eller strukturer på overflaten, i volumet eller gjennom hele tverrsnittet. Dette kan tjene mange formål, f.eks. til å identifisere objekter hvor variasjonen i slike parametre ligger utenfor visse grenser. Dette kan da også brukes til å etablere tilbakekoplinger i industrielle prosesser, slik at disse kan styres på en måte som gjør at de aktuelle parametrene holdes innenfor relevante grenseverdier.

Figur 4 viser anordningen for termisk påtrykk sammen med deteksjonssystemet montert slik at avstanden mellom påtrykket og synsfeltet i deteksjonssystemet er gitt ved lengden L. Hvis denne lengden holdes fast og konstant, har objektet samme relative hastighet V = Vi = V2 i forhold til både det termiske påtrykket og deteksjonssystemet. Det er da en fast forsinkelsestid 6t = L/ v mellom termisk påtrykk og deteksjon, og man vil ha anledning til spesielt å undersøke strukturer i en fast avstand d fra det termiske påtrykket, hvor d tilfredsstiller (12) med t = 6t. De analyser og fremstillinger som er gitt ovenfor vil da komme til anvendelse; dette vil i mange tilfelle også være en praktisk utførelse av oppfinnelsen.

Ved kontroll av materialstrømmer m.v. er det da naturlig med stasjonært monterte anordninger for termisk påtrykk og deteksjon, mens objektet beveges. For avbildende anvendelser på objekter (f.eks. i medisinsk sammenheng) kan det være mer naturlig med en felles bevegelse av påtrykk og deteksjon over et stasjonært obj ekt.

Ved å variere v vil man da kunne gjøre sveip over et større eller mindre intervall av distanser d = n( K' 6t) v. Dette kan også oppnås ved å la L være variabel, f .eks. ved at

hvor Li < LQ og F( ut) er en periodisk funksjon med amplitude lik 1 og vinkelfrekvens oi. Tidsforsinkelsen mellom termisk påtrykk og deteksjon vil da kunne varieres mellom grensene 6tm^ n <=> ( LQ - Li)/ v og & tmax <=> ( L0 + Li)/ v; fra (12) vil en da finne det tilsvarende området av diffusjonsbestemte distanser d som kan gjennomsøkes. Forutsetningen er imidlertid alltid at både Vi og V2 > u( d). Dette krever at vinkelfrekvensen w i den periodiske funksjonen F( iiit) er slik at hastigheten uLi assosiert med denne bevegelsen tilfredsstiller

Betingelsene gitt i krav 1 vil da gjelde under hele den sykliske variasjonen av L. En slik utførelse kan være av interesse når man enten ikke kjenner de aktuelle verdier av d, i tilfeller hvor distansen d varierer fra objekt til objekt eller mellom deler av objektet, eller hvor objektet har flere strukturer med ulike karakteristiske distanser d. Av hensyn til den elektroniske signalbehandlingen må det i slike sammenhenger hentes et referatisesignal fra en enhet 8, som kontrollerer avstanden L, slik ac signalbehand1ingssystemet kan korrigere for de ulike diffusjonslengder, forsinkelsestider og signalfrekvenser som eventuelt vil opptre. Mest praktisk vil det således være å variere posisjonen til det termiske påtrykket, mens posisjonen til synsfeltet i deteksjonssystemet holdes konstant, slik at sistnevntes hastighet relativt objektet også er konstant; dette vil da gjøre at frekvens-spektret til de termiske signalene blir enklere å tolke.

En anordning til å bevirke bevegelse av objektet 1 er på

Fig. 4 vist i form av rullepar 11 og 12 som ved sin rotasjon gir objektet hastigheten v.

En annen utførelse vil f.eks. kunne bestå i ett termisk

påtrykk med to eller flere detektorer etter hverandre i avstander fra påtrykket tilsvarende ulike diffusjonstider t. Et slikt arrangement vil da gjøre, det mulig å utføre detaljerte undersøkelser av strukturer, f.eks. i bestemte dybder i objektet.

Figur 5 viser avskjerming av detektor og deteksjonssystem ved hjelp av et romlig filter 9. Dette kan ofte bare ha form av en skjerm, som hindrer direkte påvirkning på detektoren fra det termiske påtrykket på objektet. F.eks. vil påtrykk ved hjelp av elektromagnetisk stråling kunne gi spredning inn i deteksjonssystemet, og siden denne strålingen vil være størrelsesordener kraftigere enn den resulterende termiske utstrålingen vil selv en svak spredning kunne forstyrre og maskere de egentlige signalene. Det samme kan skje ved påtrykk f.eks.

med varm eller kald gass, som vil kunne lekke inn i området mellom objektet og detektoren og påvirke deteksjonen. Uansett hvilken art termisk påtrykk som er valgt, ønsker man som regel også alltid å skjerme detektoren mot registrering av de umiddelbare maksimale temperaturutsving i det påtrykte området på objektet; temperaturutsvinget ønskes vanligvis først registrert etter en viss tidsforsinkelse. Særlig i tilfeller hvor denne tidsforsinkelsen er liten blir det derfor viktig med en slik romlig filtrering. Ofte utføres det romlige filteret som en hylse som helt omslutter enhetene 3 og A, bare med en liten åpning mot objektet hvor termisk stråling kan slippe til.

Det understrekes at denne oppfinnelsen adskiller seg både prinsipielt og praktisk fra tidligere demonstrerte stasjonære såvel som pulsbaserte PTR-teknikker. Den termiske eksitasjonen av objektet er, til forskjell fra de kjente teknikker, kontinuerlig og for de fleste formål konstant i tid. Dernest er det imidlertid viktig å bemerke at de relative bevegelser av objektet tjener minst seks ulike hensikter: I: For det første vil den relative bevegelse mellom objekt og termisk kilde, med Vi > u( d), omdanne det kontinuerlige (og eventuelt konstante) termiske påtrykket til en serie transiente termiske eksitasjoner over objektet, hver med sin egen transiente tidsutvikling; objektbevegelsen gjør det med andre ord mulig å utnytte fordelene ved de transiente termiske bølgene uten å måtte ty til pulseksitasjon.

II: For det andre gjør objektbevegelsen relativt kilden at stadig nye, transiente termiske bølger initieres i løpet av diffusjonstiden t, mens foregående transiente bølger fortsatt er underveis; jo større Vi er i forhold til u( d) dess flere slike bølger (dvs. målepunkter) blir det tid til i løpet av tiden x, mens pulsteknikkene maksimalt muliggjør én måling pr. tid x fordi hele tidsforløpet skal registreres; - her ligger oppfinnelsens betydelige fordel i målehastighet vis å vis pulsteknikkene, - trengs det flere målinger pr. tidsenhet er det bare å øke Vi.

III: For det tredje vil forflytningen av de termisk eksiterte områder i objektet en distanse L = Vi- x (regnet i forhold til kilden) selektivt plukke ut til registrering den termiske utstråling ved ett og samme tidspunkt på de transiente temperaturforløp fra hvert enkelt eksitert objektpunkt; til forskjell fra pulsteknikkene gjør objektbevegelsen med andre ord at bare ett punkt på temperaturkurven for hvert enkelt eksitasjonspunkt registreres.

IV: For; det fjerde gjør den relative bevegelsen mellom objektet og synsfeltet i deteksjonssystemet at de termiske signaler tilsvarende det bestemte tidspunkt t på de respektive temperaturforløpene, uavhengig av hverandre (fordi V2 > u( d)), av detektoren omdannes til sammenhengende, tidsvariable elektriske signaler, med en entydig korrespondanse mellom det elektriske signal til en viss tid og ett bestemt eksitasjonspunkt på objektet.

V: For det femte blir det mulig, nettopp på grunn av den relative bevegelsen mellom objektet og synsfeltet i deteksjonssystemet, å tilpasse den relative hastigheten v2 slik at alle de strukturdetaljer som skal undersøkes, gir signalvariasjoner som i frekvens faller innenfor den elektriske båndbredden til deteksjonssystemet; disse elektriske signalene kan så forsterkes og signalbehandles på vanlig vis.

VI: For det sjette medfører den relative bevegelsen at termisk påtrykk og deteksjon finner sted på fysisk adskilte steder, hvilket på en enkel måte separerer deteksjonen fra det termiske påtrykket, slik at påtrykket foregår utenfor synsfeltet til deteksjonssystemet. Dette innebærer at man bl.a. kan benytte de samme elektromagnetiske bølgelengder til termisk påtrykk som til deteksjon uten overhøring (innbyrdes forstyrrelse)..

Ovenstående beskrivelse gir de nødvendige betingelser for at oppfinnelsen skal kunne fungere. For å forenkle fremstillingen har det implisitt vært forstått at den instantane termiske eksitasjon kun skjer i et tynt overflateskikt av objektet mye tynnere enn den aktuelle distanse d, og at også den resulterende termiske emisjon kommer fra et tilsvarende tynt overflateskikt. Dette tilsvarer i praksis også de mest aktuelle materialer og objekter hvor oppfinnelsen har fortrinn framfor eksisterende metoder. Slik framgangsmåten er beskrevet, vil den i prinsippet også fungere for materialer som er delvis transparente i det minste i eksitasjon og til dels også i emisjon, fordi spektrale eller termiske inhomogeniteter i objektet både vil gi ulike startbetingelser for de termiske bølgene og også påvirke utbredelsen av dem'og gjenutstrålingen fra dem forskjellig. Slike tilfeller kan imidlertid bli vanskeligere å tolke, og det er derfor fordelaktig å velge spektralområder for deteksjonen, som angitt i (A), hvor objektmaterialet er mest mulig ugjennomsiktig.

Avhengig av utførelsen til de apparater som benyttes til å realisere oppfinnelsen, er det i tillegg enkelte forutsetninger som må tilfredsstilles:

1): Termiske bølger fra et eksitert punkt på objektet utbrer seg en distanse d - t' u( d) langs overflaten (såvel som i volumet) i løpet av diffusjonstiden x. Distansen d bestemmer derfor også den høyeste longitudinale oppløsningen (dvs. i objektets bevegelsesretning relativt det termiske påtrykket) som det er mulig å oppnå med denne framgangsmåten. Hvis det termiske påtrykket har en utstrekning a > d på objektet, regnet langs retningen for den relative bevegelsen, må den relative hastigheten v. følgelig være så stor at a/ Vj < x, slik at

Det termiske påtrykket i hvert enkelt punkt på objektet vil da som tidligere ha en varighet < x, som medfører at punkter i avstand > d fortsatt kan betraktes som uavhengige av hverandre for tider < x diffusjonsmessig sett.

Dersom deteksjonssystemet skal kunne realisere denne oppløsningen i longitudinal retning, må synsfeltets geometriske utstrekning 0 på objektet, etter vanlige optiske kriterier, tilfreds-stille 3 S d. Dette forutsetter at den relative hastighet V o mellom objektet og synsfeltet i deteksjonssystemet tilfredsstiller slik at områder med utstrekning d på objektet passerer synsfeltet på tider < t. Dette er implisitt i oppfinnelsen i henhold til pkt.

IV ovenfor; deteksjonen kan da også anses som instantan i forhold

til de termiske diffusjonsprosessene.

Dersom 3 > d, er den effektive longitudinale oppløsningen gitt ved synsfeltets utstrekning 3 på objektet. For å oppnå denne oppløsningen også fra de, termiske bølgene, vil det da være tilstrekkelig å kreve

forutsatt at 3 < a; for d < a < 3 kreves kun Vi i u($). Samtidig må være tilfredsstilt for å gi samme longitudinale oppløsning ved deteksjonen. Den effektive diffusjonslengden er i dette tilfellet lik 3, den effektive diffusjonshastigheten er og den tilhørende diffusjonstiden er r p = B<2>/it<2><. Så langt den longitudinale oppløsningen. 2) Et hovedpoeng ved oppfinnelsen er å realisere en høy oppløsning transversalt objektets bevegelsesretning. Anta at aktuelle strukturer med utstrekning d transversalt bevegelsesretningen skal identifiseres med en oppløsning 6d « d. (F.eks. kan dette gjelde bestemmelse av tykkelsesvariasjoner 2 Sd i objektet eller i et overflateskikt med gjennomsnittlig tykkelse d). Til å utbre seg denne ekstra distansen trenger den termiske bølgefronten en tid 6t som følger ved differensiering av (12), For at strukturer i innbyrdes transversal avstand 6d skal kunne gi observerbare endringer i termisk forløp i de eksiterte punkter på objektet, kreves det følgelig at objektet, i forhold til det termiske påtrykket, forflytter seg minst en distanse d (lik oppløsningselementet i lengderetningen) i løpet av tiden 6t (samtidig som også (15) må gjelde), - dette vil gjøre det marginalt mulig å detektere forskjeller i den termiske utstråling ved tidene t og t + St. Fra Vi'6t d følger da

Det har ovenfor vært forutsatt en ideell optisk deteksjon av den termiske utstrålingen, dvs. med 0 £ d. Dersom 0 i d, vil det kreves at den termiske eksitasjonen gjennomløper distansen 0 på en tid < t.

Fra Vi'6t i 0 følger det da analogt ovenfor at

Den longitudinale geometriske oppløsningen er da gitt ved 0. Dette krever samtidig også at

Synsfeltet med utstrekning 0 vil da passeres av hvert enkelt punkt på objektet i løpet av en tid < x, og deteksjonen kan da fortsatt betraktes som instantan i forhold til de termiske diffusjonsprosessene. Selv med longitudinal oppløsning begrenset av deteksjonssystemets synsfelt 0 og ikke av diffusjonsprosessene, vil det m.a.o. likevel være mulig å oppnå samme transversale oppløsning, bestemt av de termiske bølgene, men da ved høyere relative hastigheter.

3): Dersom de største strukturer i objektet som skal karakteriseres og/eller kontrolleres har dimensjon D, vil disse passere synsfeltet i deteksjonssystemet på en tid D/ v2. Det inverse av denne tiden tilsvarer en frekvens som må være større enn nedre grensefrekvens for deteksjonssystemet, fmin, slik at

Gode detektorer for varmestråling beholder bare unntaksvis sin detektivitet for frekvenser lavere enn 100 Hz. Med f.eks. D - 1 cm og fm^ n = 100 Hz vil det da fra (24) følge at v2 > 100 cm/s for at signaler tilsvarende 1 cm store strukturer skal kunne registreres av den elektroniske delen i deteksjonssystemet. Siden typiske termiske diffusjonshastigheter over 1 cm distanser varierer fra 10 cm/s for materialer med lav termisk diffusivitet (plastmaterialer, papir m.v.) til 10 cm/s for gode metalliske varmeledere, vil nedre grense for den relative hastigheten V2 mellom objektet og synsfeltet i deteksjonssystemet ofte være bestemt av (24), og med verdier som langt kan overstige diffusjonshastighetene. Tilsvarende vil de høyeste frekvensene i signalet være gitt ved V2/ g, antatt diffusjonsbegrenset longitudinal oppløsning g lik dimensjonen til den minste struktur i objektet som skal identifiseres. Den relative hastigheten mellom objektet og synsfeltet i deteksjonssystemet må

derfor velges slik at alle frekvenser innenfor området

ligger innenfor den elektriske båndbredden til deteksjonssystemet.

Siden øvre grensefrekvens for varmestrålingsdetektorer ofte er av størrelsesorden MHz eller mer, gir (25) vide grenser for valg av V2.

Det understrekes at Uiogi>2 er ulike i prinsippet og ofte også

i praksis. De trenger heller ikke å være rettet langs samme bane relativt objektet for at oppfinnelsen skal virke, så lenge betingelsene gitt ovenfor er tilfredsstilt. F.eks. kan V\ og V2 være rettet langs samme bane på objektet, mens eksempelvis V2 er konstant og V\ varierer periodisk rundt en middelverdi. Avstanden mellom termisk påtrykk og deteksjon gitt ved diffusjonstiden t vil da også variere periodisk,

slik at man derved essensielt foretar en avsøkning i objektet over et område av diffusjonslengder d tilsvarende omfanget av ulike diffusjonstider t. Dette kan være aktuelt i tilfeller hvor den relevante distansen d ikke er kjent eller varierer, eventuelt også hvor man ved å gjennomløpe et spektrum av diffusjonslengder kan undersøke en rekke strukturer hver med sin egen karakteristiske lengde d.

Noen få eksempler vil tjene til å konkretisere oppfinnelsen;

anta i det følgende at det benyttes et deteksjonssystem med lii Ulk ° 100 Hz. a) . Undersøkelse av interne strukturer i halvledere kan f.eks. være aktuelt for dybder av størrelsesorden 0,1 mm. Termisk diffusivitet

er k = 0,3 cm<z>/s (som for Ge), som fra (13) gir u = 3 m/s med d = 0,1 mm. Med oppløsning 6c? = 10 mm følger da fra (21) t>i S 15 m/s, som forutsetter termisk påtrykk av utstrekning a < 0,5 mm (fra (15)) og et godt fokusert deteksjonssystem med 6 < 0,1 mm (fra (22)). Hvis største dimensjon som skal registreres er D = 1 mm, følger fra (24) V2 > 10 cm/s. Siden dette er en lavere verdi for den relative hastigheten enn den som er gitt ved diffusjonshastigheten u, vil V2 i dette tilfelle bli bestemt av det generelle kravet til oppfinnelsen gjengitt i patentkrav 1, V2 > u ( = 3 m/s) .

b) . Beskyttelsesbelegg på overflater er et annet viktig anvendelsesområde for oppfinnelsen. Antar vi at belegget er 50 ym

tykt og har k = 10 cm<2>/s (glass o.l.), er u = 20 cm/s. Med termisk eksitasjon av utstrekning a = 0,5 mm, synsfelt 0 = 0,2 mm og krav om oppløsning 6d = 5 ym ved kontroll av tykkelsen følger fra (15) V\ > 2 m/s, mens (22) gir V\ > 4 m/s; sistnevnte verdi blir da bestemmende for i>i. For å undersøke eventuell delaminering over større områder, kan det

være aktuelt med D = 10 cm, som fra (24) gir V2 2 10 m/ s; tilsvarende gir (23) V2 i 0,8 m/s. Objektets hastighet relativt deteksjonssystemet blir i dette tilfellet dimensjonerende for valg av de relative bevegelser.

c) . Måling av tykkelse til f.eks. aluminiumsprodukter og identifisering av eventuelle feil i materialet er et annet relevant

eksempel. Tykkelsen kan være d = 5 mm, termisk diffusivitet er k = 1 cm<2>/s; herav følger u = 20 cm/s. Med oppløsning 6c? = 0,1 mm følger da av (21) at Vi i 5 m/s; her vil med letthet både a og B

gjøres < d. Hvis de største strukturer som søkes er D = 5 cm, må

V2 2 5 m/s i henhold til (24); kravene til de to relative hastighetene vil da med andre ord være så å si identiske.

d) . Papir- og kunststoffmaterialer er industriprodukter som

det er behov for å kontrollere tykkelsen til under produksjon. Anta

at d = 0,1 mm og k — 10~<3>cm2/s, som gir u = 1 cm/s. Med a = 1 mm,

3 = 0,5 mm og 6c? = 5 ym følger fra (15) V\ > 10 cm/s, mens (22) gir Ul £ 50 cm/s. Dersom defekter, ujevnheter etc. av størrelse D = 1 cm ønskes registrert, gir (24) v2 >A m/s; (23) gir til sammenlikning V2 2 5 cm/s.

e). Kjemiske stoffer eksponert til objektets overflate kan identifiseres ved hjelp av oppvarming med elektromagnetisk stråling på

stoffenes karakteristiske absorpsjonslinjcr. Anta at absorpsjons-koef f isienten er a(X) = 10<3> cm<-1>, som gir en inntrengningsdybde a(X)<-1> = 10~<3> cm. Dette gir da tykkelsen av det overflateskiktet hvor mesteparten av det termiske påtrykket blir deponert. Med d 10 <3> cm og k = 10 2 cm<2>/s følger u( d) = 1 m/s. Hvis a 0,5 mm og B = 0,2 mm, er den longitudinale oppløsningen gitt ved 6 = 0,2 mm. Ønsker man å kontrollere objektet bare til en dybde lik absorpsjonslengden a 1, kreves det da at V\ i 50 m/s (fra (15)) og V2 5 20 m/s (fra (23)). Dette vil imidlertid i slike tilfelle være unødvendig høye krav til de relative hastighetene. Siden man her neppe vil være interessert i transversal oppløsning av størrelsesorden 10 <3> cm, kan man nøye seg med å definere en diffusjonshastighet u(B) som tilsvarer at oppløsningen er gitt ved den longitudinale oppløsningen B. Fra (19) finner en da u(0) = 5 cm/s. (17) og (18) gir da henholdsvis Vi £ 12,5 cm/s og Vj £ 5 cm/s. Den største struktur som ønskes registrert kan være f.eks. D = 2 mm (tekst, strektegninger o.l.), som gir V2 > 20 cm/s fra (24).

Avhengig av den aktuelle måletekniske situasjon vil man følgelig kunne gjøre mer nøyaktige beregninger av grensene for de relative hastigheter til objektet i forhold til det termiske påtrykket og i forhold til synsfeltet i deteksjonssystemet. De grunnleggende forutsetninger og grenseverdier som definerer framgangsmåten vil likevel være gitt ved patentkrav 1, som alltid må oppfylles.

Eksemplene ovenfor antyder bare litt av omfanget for anvendelsene av oppfinnelsen: Inspeksjon av halvlederkomponenter og av overflatebelegg, tykkelseskontroll og undersøkelser av homogenitet i tynne metallmaterialer, foliematerialer, papir etc, avlesning av tekst, mønstre, kromatogrammer m.v., spektral termografi til medisinsk analyse av hud og andre organer, kontroll av sammensetning til kjemiske produkter o.l., undersøkelse og kontroll av herdeprosesser og andre kjemiske prosesser og reaksjoner, varme og glødende objekter osv., samt væskefilmer. I alle slike tilfelle synes oppfinnelsen å by på

nye måletekniske muligheter, idet framgangsmåten i sitt mest generelle aspekt er fullstendig kontaktfri og ikke forstyrrer objektet.

Teknikken kan gjøres meget rask og derved tilpasses industrielle prosess- og produksjonskrav, målingene er meget følsomme, og det benyttes teknisk utstyr og komponenter som allerede er vel etablert.

Oppfinnelsen vil også kunne benyttes til å gjenkjenne karakteristiske strukturer og/eller mønstre som fins i materialer og objekter; disse kan forekomme naturlig eller de kan være lagt inn med hensikt. Slike mønstre og strukturer vil da gi karakteristiske signaler når de passerer synsfeltet i deteksjonssystemet, og ved hjelp av et elektronisk signalbehandlingssystem som er spesielt innrettet til å gjenkjenne nettopp de aktuelle signalene kan så de angjeldende strukturer og mønstre identifiseres blant alle mulige andre. Dette kan f.eks. benyttes til å lete fram objekter med spesielle signaturer som kan være visuelt usynlige, det kan anvendes til å karakterisere en gruppe objekter etter visse kriterier osv. En annen anvendelse ligger i å kontrollere at objektene har et sett egenskaper som garanterer at de er genuine, f.eks. i forbindelse med aksjer, andre verdipapirer og liknende.

Eksempelvis kan objektet inneholde karakteristiske strukturer av ulike materialer, som f.eks. er lagt inn i en viss dybde i objektet (som i halvledermaterialer). Ved å benytte framgangsmåten beskrevet ovenfor, vil det da være mulig å frembringe temperatur-variasjoner på overflaten som gjengir disse interne mønstrene, og man kan så via signalbehandlingssystcmet kontrollere at de har den korrekte form. Det samme vil gjelde om objekter som inneholder systematiske og karakteristiske masseendringer som ikke syns på overflaten, f.eks. hull, innleiringer o.a., systematiske variasjoner i tykkelse, karakteristiske mønstre og strukturer av kjemisk art, f.eks. fargestoffer med utpregede spektrale absorpsjonslinjer utlagt som tekst, bilder o.l. I alle de her nevnte tilfelle vil oppfinnelsen kunne benyttes til å gjenkjenne, kontrollere og/eller karakterisere objekter via de omtalte systematiske og karakteristiske strukturene, ved termisk påtrykk på den ene siden av objektet og deteksjon av resulterende termisk utstråling fra samme eller motsatt side av objektet.

Avslutningsvis vil vi understreke at oppfinnelsen baserer seg på å eksitere og utnytte transiente termiske bølger på en måte som tidligere ikke har vært demonstrert. Forutsetningen for dette er, som beskrevet i krav 1, at både kilden for termisk påtrykk såvel som synsfeltet i deteksjonssystemet har relative hastigheter i forhold til objektet som er større enn den termiske diffusjonshastigheten u( d) , gitt ved (13), svarende til det tidspunkt t hvor den termiske bølge-fronten i avstand d fra den termiske eksitasjon har nådd ca. 1/3 av sitt maksimale termiske utsving. Uttrykkene (12) og (13) for henholdsvis den termiske tidskonstanten t og den termiske diffusjonshastigheten u( d) er derfor i og for seg tilfeldige; siden termisk diffusjon er en kaotisk prosess kan hverken u( d) eller t gis en eksakt definisjon. For mange anvendelser av oppfinnelsen vil det således være fordelaktig å definere en høyere verdi for u( d), ut fra et tidspunkt hvor temperaturutsvinget har nådd mindre enn 1/3 av sin maksimalverdi, idet dette kan bidra til å øke den termiske kontrast mellom nærliggende strukturer.

I andre sammenhenger vil det være mer naturlig å vente med termisk deteksjon inntil temperaturutsvinget har nådd nærmere 100 % av sitt maksimum, idet dette gir kraftigere termiske signaler; den tilhørende termiske diffusjonshastighct vil da bli å oppfatte som lavere. Det valg som gjøres i slike henseende bestemmer essensielt definisjonen av u( d), og har direkte innflytelse på grensene for de relative bevegelseshastigheter slik disse er gitt i krav 1. Krav 1 må derfor forstås i lys av det som her er sagt om definisjonen av u( d). Grenseverdiene for de relative hastigheter må derfor oppfattes som en tilnærmelse i samme grad som u( d) bare er definert som en approksimasjon, med rom for praktisk bestemte tilpasninger i tråd med ovenstående; i de fleste tilfelle vil det bare bli tale om små numeriske korreksjoner på de verdier for u( d) som kan beregnes fra (13). Ved konstruksjon av apparater for realisering av oppfinnelsen kan ovenstående enklest håndteres ved at u( d) defineres som i likning (13), og ved at tidsforsinkelsen 6t mellom termisk påtrykk og deteksjon kan velges større eller mindre enn t i likning (12),

som beskrevet i krav 16 og 17. Dette vil også ivareta de tilfelle hvor objektet er porøst, hvilket gjør at det termiske påtrykket vil trenge dypere inn enn i et tilsvarende homogent material, samtidig som også den termiske utstrålingen vil kunne skrive seg fra dypere lag i objektet enn forutsatt i analysen ovenfor; begge disse effektene bidrar til å øke den tilsynelatende termiske diffusjonshastighet.

Litteraturhenvisninger.

(1) Nordal, P.-E. og Kanstad, S.O., Physiaa Scripta 20 659 (1979).

(2) Hendler, E., Crosbie, R. og Hardy, J.D., J. appl. Physiol. \ 1_ 177 (1958).

(3) Rosencwaig, A. og Gersho, A., J. appl. Phys. 4_7 64 (1976).

(4) Nordal, P.-E. og Kanstad, S.O., Appl. Phys. Lett. 38 486 (1981).

(5) Nordal, P.-E. og Kanstad, S.O., i Scanned Image Microscopy (E.Ash, Ed.), p. 341. Academic Press, London (1980).

(6) Busse, G., Infvared Physics 20 419 (1980).

(7) Carslaw, H.S. og Jaeger, J.C., Conduction of Heat in Solids,

Oxford University Press, Oxford (1959), p. 65.

(8) Parker, W.J, Jenkins, R.J., Butler, C.P. og Abbott, G.L.,

J. appl. Phys. 32 1679 (1961).

(9) Deem, H.W. og Wood, W.D., Rev. scient. Instrum. 33 1 107 (1962).

(10) Tam, A.C., Infrared Physics 25_ 305 (1985).

Claims (23)

1. Fremgangsmåte for karakterisering og/eller kontroll av stoffer, materialer og objekter ved at det bevirkes en relativ bevegelse mellom disse (objektet) og en anordning for ytre termisk påtrykk, at dette påtrykk er kontinuerlig og fortrinnsvis konstant i tid og påføres objektet som en fortløpende oppvarming eller avkjøling langs en bane definert av objektets relative bevegelse, og at det bevirkes en relativ bevegelse mellom objektet og synsfeltet til et deteksjonssystem innrettet til måling av resulterende termiske signaler svarende til endring i termisk stråling fra objektet, karakterisert ved at objektets bevegelseshastighet relativt synsfeltet i deteksjonssystemet og relativt det ytre termiske påtrykk er større, og fortrinnsvis meget større, enn den effektive termiske diffusjonshastigheten i objektet, og ved at deteksjonssystemets elektriske båndbredde omfatter frekvensene til de nevnte termiske signaler som fremkommer når objektet passerer gjennom synsfeltet til deteksjonssystemet med nevnte relative hastighet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den effektive termiske diffusjonshastighet u( d) bestemmes ved hvor k er objektmaterialets termiske diffusivitet og d angir den geometriske dimensjon på de strukturer, lengder og/eller tykkelser i objektet som skal karakteriseres og/eller kontrolleres.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at deteksjonssystemets elektriske båndbredde omfatter alle de frekvenser / som tilfredsstiller relasjonen hvor Vz er objektets bevegelseshastighet relativt synsfeltet i deteksjonssystemet og hvor D henholdsvis g angir den geometriske dimensjon på den største respektive minste struktur, lengde og/eller tykkelse i objektet som skal karakteriseres og/eller kontrolleres. A.

Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer ved mekanisk kontakt mellom objektet og en anordning for termisk oppvarming eller avkjøling.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer ved hjelp av varm eller kald gass.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer ved hjelp av en flamme.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer ved hjelp av ultralyd tilpasset til å bli absorbert av bestanddeler i objektet.

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer ved hjelp av en elektronstråle eller annen partikkelstråle.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at det termiske påtrykk skjer med elektromagnetisk stråling som er spektralt utvalgt til å bli absorbert av bestanddeler i objektet.

10. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-9, omfattende en anordning for kontinuerlig termisk påtrykk på objektet og et deteksjonssystem innrettet til måling av resulterende termiske signaler svarende til endring i termisk stråling fra objektet, karakterisert ved en anordning til å bevirke relativ bevegelse mellom objektet og den termiske påtrykningsanordning, henholdsvis deteksjonssystemet, ved hastigheter som er større enn, og fortrinnsvis meget større enn, den effektive termiske diffusjonshastigheten i objektet, og ved at deteksjonssystemets elektriske båndbredde omfatter frekvensene til de nevnte termiske signaler som fremkommer når objektet passerer gjennom synsfeltet til deteksjonssystemet med nevnte relative hastighet.

11. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at påtrykningsanordningen og deteksjonssystemet har en innbyrdes avstand langs banen for den nevnte relative bevegelse.

12. Apparat ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at bevegelsesanordningen er innrettet til å bevirke bevegelse av objektet og at påtrykningsanordningen, henholdsvis deteksjonssystemet er i det vesentlige stasjonære.

13. Apparat ifølge et av kravene 10 - 12, karakterisert ved at bevegelsesanordningen er innrettet til å bevirke den samme relative bevegelseshastighet av objektet i forhold til påtrykningsanordningen såvel som til deteksjonssystemet.

14. Apparat ifølge et av kravene 10 - 13, karakterisert ved at påtrykningsanordningen er innrettet til å plassere det termiske påtrykket på én side (forsiden) av objektet og ved at deteksjonssystemet er innrettet til å måle den resulterende termiske utstråling fra samme side av objektet.

15. Apparat ifølge et av kravene 10 - 13, karakterisert ved at påtrykningsanordningen er innrettet til å plassere det termiske påtrykket på én side (forsiden) av objektet og ved at deteksjonssystemet er innrettet til å måle den resulterende termiske utstråling fra den andre siden (baksiden) av objektet.

16. Apparat ifølge et av kravene 10 - 15, karakterisert ved at avstanden L mellom anordningen for termisk påtrykk og synsfeltet i deteksjonssystemet er fast og gitt ved hvor 6t > 0,5 d2/(ir2K) og V > u( d) er den relative bevegelseshastighet mellom objektet og anordningen for termisk påtrykk respektive synsfeltet i deteksjonssystemet.

17. Apparat ifølge et av kravene 10 - 15, karakterisert ved at avstanden L mellom anordningen for termisk påtrykk og synsfeltet i deteksjonssystemet er variabel i henhold til relasjonen hvor Lo = V6t, med 6t > 0,5 d2/( vZK) og V > u( d), Li < L0 og F( uit) er en periodisk funksjon av tiden t med amplitude lik 1 og vinkelfrekvens u> som tilfredsstiller u < ( v - u( d))/ Li, idet v er den gjennomsnittlige relative bevegelseshastighet mellom objektet og anordningen for termisk påtrykk respektive synsfeltet i deteksjonssystemet.

18. Apparat ifølge et av kravene 10 - 17, for anvendelse ved objekter eller produkter som er forsynt med systematiske og karakteristiske strukturer og/eller mønstre av fysisk og/eller kjemisk art, karakterisert ved at det omfatter et elektrisk signalbehandlingssystem som er innrettet til å gjenkjenne de tilsvarende systematiske og karakteristiske termiske signaler som fremkommer når de nevnte strukturer passerer synsfeltet i deteksjonssystemet.

19. Apparat ifølge et av kravene 10 - 18, karakterisert ved at deteksjonssystemet omfatter et spektralt filter til definisjon av spektralområdet for termisk deteksjon og til diskriminering mot elektromagnetisk stråling som påføres objektet fra anordningen for det termiske påtrykk.

20. Apparat ifølge et av kravene 10-19, karakterisert ved at deteksjonssystemet omfatter i det minste to detektorer plassert med innbyrdes avstand langs banen for den nevnte relative bevegelse.

21. Apparat ifølge et av kravene 10 - 20, karakterisert ved at påtrykningsanordningen er innrettet til å avgi separate elektromagnetiske stråler på to eller flere ulike bølgelengder og med plassering på objektet i en viss innbyrdes avstand på tvers av bevegelsesretningen, og at deteksjonssystemet omfatter tilsvarende, separate detektorer anordnet for hvert påtrykk.

22. Apparat ifølge et av kravene 10 - 20, karakterisert ved at påtrykningsanordningen er innrettet til å avgi et første påtrykk og et annet påtrykk uavhengig av det første, parallelt eller sammenfallende i bane med dette, at deteksjonssystemet omfatter en tilsvarende første, henholdsvis annen detektor, og at et av påtrykkene har form av oppvarmning mens det andre har form av avkjøling.

23. Apparat ifølge et av kravene 10 - 22, karakterisert ved at bevegelsesanordningen er innrettet til å bevirke en periodisk variabel relativ bevegelseshastighet.