用于基于电子全息术检测测量值的设备和方法与流程

本发明涉及一种包含至少一个电子全息术测量步骤的用于情况下获取检测测量值的方法。

背景技术：

从印刷文献“gatedinterferencefortime-resolvedelectronholography(用于时间分辨电子全息术的选通干涉)”(t.niermann、m.lehmann和t.wagner，ultramicroscopy(超显微术期刊)182(2017)54-61)中公知有一种时间分辨的电子全息术测量方法，其中，将矩形的激励信号馈送给元器件的输入端。通过两个电子束的干涉来测量在预给定的测量窗期间产生的电子全息术，并由此获知相位图像；借助相位图像形成测量值。

从印刷文献“prospectsforquantitativeandtime-resolveddoubleandcontinuousexposureoff-axiselectronholography(定量和时间分辨地双重且连续曝光的离轴电子全息术的前景)”(v.migunov等人，ultramicroscopy(超显微术期刊)178(2016)48-61)中公知有一种非时间分辨的电子全息术测量方法，其中，测量窗具有秒范围内的时间长度，并且导致对数百万个周期的激励信号进行求平均。

技术实现要素：

本发明的任务在于给出一种测量方法，该测量方法使得即使对于仅可受限制地接近的非常小的元器件也可以以相对简单的方式提供测量值。

根据本发明，该任务通过具有根据权利要求1的特征的方法来解决。在从属权利要求中给出了根据本发明的方法的有利的设计方案。

据此，根据本发明设置的是，将具有或不具有叠加的直流分量的、具有预给定的激励频率的正弦的激励信号馈送给元器件的输入端，使得执行至少一个电子全息术测量步骤，在其中，将电子束对准元器件，该电子束穿过和/或经过元器件，并且随后与参考电子束叠加，并且测量在预给定的测量窗期间通过对两个电子束的干涉产生的电子全息图影并且由此获知相位图像，并且借助相位图像形成测量值，其中，电子全息术测量步骤的测量窗的时间长度小于正弦的激励信号的周期持续时间的一半。

根据本发明的方法的显著优点在于，在每个电子全息术测量步骤中，将电子全息术测量步骤的时间长度或者说测量窗的时间长度分别与正弦的激励信号的周期持续时间彼此匹配，确切地说彼此匹配成使得测量窗长度始终小于周期持续时间的一半。通过测量窗长度的这种尺寸确定能够实现的是，例如通过定量地评估在地点上的相位变化使得相位图像始终可以被考虑用于形成测量值。

本发明方法的另一个显著优点在于，该方法即使对于很难仅从外部接近并且例如自身不能接触到的非常小的元器件来说也能够测量电场强度或磁场强度、电压或电流。

有利的是，相对于激励信号的最大斜率部位选择测量窗的位置，使得测量窗位于这些部位之间并且不包括这些部位。在该设计方案中，可以实现特别不受干扰的并且能特别容易地评估的相位图像。

如果将正弦的激励信号馈送到元器件中且没有叠加的直流分量，则有利的是，相对于交零点选择测量窗的位置，使得测量窗位于交零点之间并且不包括交零点。

特别有利的是，选择测量窗的位置，使得测量窗囊括了激励信号的极限部位，也就是要么囊括了最大值要么囊括了最小值。在极限部位的区域中，激励信号随时间变化相对恒定，并且因此能够实现特别精确的测量结果。

优选地，选择测量窗的位置，使得窗中心位于激励信号的极限部位上或至少位于激励信号的极限部位的区域中。

就针对不同频率表征元器件方面，特别是为了获知元器件的频率响应，有利的是，以不同的激励频率依次执行上述类型的至少两个电子全息术测量步骤。

在最后提到的变型方案中，有利的是，在其中每个电子全息术测量步骤中，将测量窗的长度和正弦的激励信号的各自的周期长度彼此匹配，确切地说彼此匹配成使得测量窗的长度和激励信号的各自的周期长度之比在所有电子全息术测量步骤中都大小相同。

也有利的是，在其中每个电子全息术测量步骤中，无论各自的激励频率如何，关于激励信号的时间变化曲线，测量窗的位置始终相同。特别地，窗中心始终处于激励信号的所选出的极限部位上或至少位于激励信号的所选出的极限部位的区域中。

也被认为有利的是，借助相位图像获知在地点上的相位变化(即通过相位关于地点的求导)而形成斜率值，并输出斜率值作为测量值或利用斜率值特别是通过乘以常数形成测量值。

优选地，作为测量值获知施加到元器件上的电压或流动穿过该元器件的电流。替选或附加地，可以测量电场的或磁场的场强。

可以将任意客体作为构件进行测定。然而，显然对如下构件进行测定或表征是有利的，这些构件对激励信号、特别是电的激励信号有反应并且依赖于激励信号地在可测量的程度内改变特性。例如可以将电容、电子元器件、电缆、电器、电化学电池作为构件进行测定并通过测量值来表征。

测量窗的时间长度优选小于激励信号的周期持续时间的五分之一，特别是小于八分之一，优选小于十分之一，并且特别优选小于正弦信号的周期持续时间的二十分之一。测量窗的长度越短，在测量窗中的激励信号就越恒定，但是由于测量时间短，使得相位图像变得越来越粗糙并且可评估性劣化。因此，正弦信号的周期持续时间的1/5至1/100之间的区域对于测量窗的长度而言是最佳的。

关于获知频率响应，认为有利的是，以不同的激励频率依次执行上述类型的大量电子全息术测量步骤，并且在每个电子全息术测量步骤中分别计算出正弦的激励信号的幅度与测量值之间的比值，并且利用比值获知元器件的频率响应。

替选地，有利的是，相对于相位的最大变化部位来选择测量窗的位置，特别是窗中心的位置，使得测量窗位于这些部位上或至少位于这些部位的区域中。

本发明还涉及一种用于检测测量值的设备。根据本发明，该设备具有：

-正弦波发生器，该正弦波发生器能够产生具有或不具有叠加的直流分量的、具有预给定的激励频率的正弦的激励信号，并且能够将该正弦的激励信号馈送到元器件中，

-用于执行电子全息术测量步骤的电子全息术测量仪，其中，

-将电子束对准元器件，使电子束穿过和/或经过该元器件，并且随后与参考电子束叠加，并且

-测量在预给定的测量窗期间通过对两个电子束的干涉产生的电子全息图影，并且由此获知相位图像，

-评估单元，评估单元用于借助相位图像形成测量值，以及

-测量窗控制单元，测量窗控制单元如下地构造，即，测量窗控制单元确定测量窗的位置和长度，更确切地说使得电子全息术测量步骤的测量窗的时间长度小于正弦的激励信号的周期持续时间的一半。

关于根据本发明的设备的优点，结合根据本发明的方法参考上面的实施例给出。

优选地，测量窗控制单元如下地构造，即，

-该测量窗控制单元相对于激励信号的最大斜率部位来选择测量窗的位置，使得测量窗位于这些部位之间并且不包括这些部位，并且/或者

-该测量窗控制单元选择测量窗的位置，使得测量窗囊括了激励信号的极端极限部位，也就是说要么囊括了最大值要么囊括了最小值，并且/或者

-该测量窗控制单元选择测量窗的位置，使得窗中心位于激励信号的极限部位上或至少位于激励信号的极限部位的区域中，并且/或者-该测量窗控制单元选择测量窗的位置，使得测量窗位于激励信号的多个等距的部位上，至少位于四个等距的部位上，以便在激励信号的周期长度相同的情况下依次执行多个、至少四个电子全息术测量步骤，并且/或者

-在以激励信号的不同的周期长度依次执行多个电子全息术测量步骤的情况下，在每个电子全息术测量步骤中，该测量窗控制单元使测量窗的长度和激励信号的各自的周期长度分别彼此匹配，更确切地说彼此匹配成使得在所有测量步骤中，测量窗的长度和激励信号的各自的周期长度之比在所有电子全息术测量步骤中都大小相同，并且/或者

-在以激励信号的不同的周期长度依次执行多个电子全息术测量步骤的情况下，在每个电子全息术测量步骤中，该测量窗控制单元使测量窗的位置和激励信号的各自的周期长度分别彼此匹配，更确切地说彼此匹配成使得在所有测量步骤中，关于激励信号的时间变化曲线，特别是关于激励信号的极端极限部位，测量窗的位置在所有电子全息术测量步骤中都相同。

优选地，评估单元构造成使得评估单元借助相位图像获知在地点上的相位变化并形成斜率值，并且输出斜率值作为测量值或利用斜率值特别是通过乘以常数形成测量值。

优选地，设备的分选单元优选构造成使得分选单元根据数值上最高的斜率值对斜率值进行分选，并且利用该数值上最高的斜率值特别是通过乘以常数来形成测量值。

附图说明

参考实施例更详细地解释本发明，其中示例性地：

图1示出根据本发明的用于检测测量值的设备的实施例；

图2示出元器件的实施例，在该元器件上施加有电压，该电压的大小可以利用根据图1的设备来测量；

图3示出根据图2的元器件的电子显微镜图像；

图4示出激励信号的实施例。该激励信号能够由根据图1的设备的正弦波发生器产生；

图5示出电子全息图影的实施例，该电子全息图影由根据图1的设备的电子全息术测量仪针对根据图2和3的元器件产生，并且特别是针对1khz的激励频率产生；

图6示出根据图5的电子全息图影重建的相位图像的实施例，借助该相位图像获知测量值，在此是针对在1khz的激励频率的情况下施加在根据图2和3的元器件上的元器件电压的测量值；

图7示出在3mhz的激励频率的情况下由电子全息图影重建的相位图像，借助该相位图像获知针对在该激励频率下施加在根据图2和3的元器件上的元器件电压的测量值；并且

图8示出激励信号的另一实施例，该激励信号可以由根据图1的设备的正弦波发生器产生；

图9示出根据本发明的用于检测测量值的替选的设备的实施例；

图10示出在等距的测量窗定位的情况下分析斜率值的实施例，以用于通过根据图9的设备的分选单元获知数值上最高的斜率值。

为了清楚起见，在附图中对于相同或可比较的元器件始终使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出用于检测测量值的设备5的实施例。设备5具有正弦发生器10，其根据以下等式产生正弦电激励信号ue：

ue(t)＝u0sin(2πft)

其中，u0表示激励信号的信号幅度，f表示激励信号的激励频率，并且t表示时间。

给元器件100加载以正弦的激励信号ue。元器件100位于电子全息术测量仪20中，该电子全息术测量仪还包括电子源21和测量单元22。电子全息术测量仪20可以是例如在印刷文献“gatedinterferencefortime-resolvedelectronholography”(t.niermann，m.lehmann，和t.wagner，ultramicroscopy，182(2017)54-61)中描述的仪器。

电子源21产生电子束se，该电子束穿过和/或经过元器件100，并且随后与参考电子束sr叠加。电子束进行干涉并形成电子全息图影ehg，该电子全息图影由电子全息术测量仪20的测量单元22测量并在输出侧输出。如在所提到的印刷文献“gatedinterferencefortime-resolvedelectronholography”中那样，测量单元22例如可以是双棱镜；替选地，可以使用能够产生受时间限制的测量窗的任何其他器件，例如足够快速地工作的照相机、频闪仪装置或光束遮蔽装置(快门)。

与电子全息术测量仪20的测量单元22联接有相位图像生成单元30，相位图像生成单元从电子全息图影ehg重建了相位图像pb，并在输出侧将其输出给布置在下游的评估单元40。评估单元40可以借助相位图像pb获知在地点x上的相位的变化并形成斜率值该斜率值可以直接作为设备5的测量值输出，或者取而代之地(如图1所示地)馈送到布置在下游的乘法器50中，乘法器将斜率值乘以常数k并且通过该乘法产生测量值m，该测量值说明了施加在元器件100上的元器件电压ua。

将通常与激励信号ue的频率f有关的测量值m或者说元器件电压ua递送至布置在下游的商形成器60，商形成器60可以获知元器件100的频率响应vg(f)。

设备5还具有控制装置70，该控制装置驱控正弦波发生器10并且为了执行每个电子全息术测量步骤而给其预给定了信号幅度u0和激励频率f。正弦发生器10在考虑到由控制装置70得到的预给定参数的情况下产生激励信号ue。

为了驱控电子全息术测量仪20的测量单元22，设备5具有测量窗控制单元80，其明确了相对于激励信号ue的时间变化曲线的测量窗f的时间长度tf(见图4)和测量窗f的时间位置。该明确将示例性进一步结合图4加以解释。

在图2中以示意性俯视图更详细地示出了根据图1的元器件100的实施例。元器件100是电容c，其由图2左侧的迹线导体120与图2右侧的导体迹线130之间的缝隙110形成。根据图1的正弦波发生器10与这两个导体迹线120和130联接，并且将激励信号ue加载给由两个导体迹线120和130以及电容c构成的串联电路。

为了测量电容c上的电压，让电子束se辐射通过两个导体迹线120和130之间的缝隙110，从而将两个导体迹线120和130之间的电场e或者说电势加载给电子束se。在缝隙110处并因此在电容c处下降的元器件电压通过附图标记ua表示，并且得出如下：

ua＝e*d

其中，d表示缝隙110的宽度。

为了确保参考电子束sr可以不受干扰地经过元器件100或者说电容c，并且不受施加在此处的电场e的影响，图2右侧的导体迹线130设有凹部131，该凹部能够实现参考电子束sr的不受干扰的经过。

图3以由电子显微镜产生的照片的形式示出了两个导体迹线120和130以及位于它们之间的缝隙110。缝隙110的缝隙宽度d可以是例如3μm。

根据图1的设备5例如可以如下运行：

正弦波发生器10在输出侧产生激励信号ue并将其馈送到元器件100中。激励信号ue的幅度u0和频率f由控制装置70预给定。可以为每个电子全息术测量步骤分别独特地预给定频率f；在利用多个电子全息术测量步骤进行测量期间，在每个步骤中因此可以分别调整出不同的激励频率f，并且因此例如可以测量元器件的频率响应vg(f)。

由于激励信号ue，使得在导体迹线120和130之间的缝隙110中生成电场e，该电场影响电子束se；而参考电子束sr不受其影响。

电子全息术测量仪20的测量单元22优选地由测量窗控制单元80驱控，确切的说优选以如下方式进行，将在每个电子全息术测量步骤期间的每个测量窗f的位置与激励信号ue的各自的激励频率f彼此匹配。为此，测量窗控制单元80在输出侧产生控制信号st，该控制信号明确了测量窗f相对于激励信号ue的时间变化曲线的时间长度tf和时间位置。下面结合图4对此进行更详细的阐述。术语测量窗在这里应被理解为分别拍摄电子全息图影ehg的时间段。

图4示出了激励信号ue的实施例，该激励信号可以由正弦发生器10产生以用于驱控元器件100。可以看出，测量窗控制单元80将测量窗f的时间长度tf选择得很小，以使其总是小于激励信号ue的周期持续时间t的一半。特别有利的是，测量窗f的长度tf最大为激励信号ue的周期持续时间t的5％，并且在每个电子全息术测量步骤中，测量窗的位置(相对于所选择的极限部位(最大值或最小值))分别是相同的。

另外，测量窗控制单元80确保以如下的方式选择测量窗f的位置，即，使得测量窗f位于激励信号ue的极限部位的区域中。在根据图4的实施例中，测量窗f位于激励信号ue的最大值max的区域中。特别有利的是，窗f的窗中心与所选择的极限部位、即在根据图4的实施例中的最大值一致。

在根据图4的实施例中，选出最大值max作为极限部位仅是示例性地来理解；代替最大值地，测量窗f也可以位于激励信号ue的最小值min的区域中，如这将在下面结合图8进一步解释。同样，激励信号ue不必一定是正弦的；代替地也可以叠加直流分量；这也将在下面结合图8进一步解释。

图5示出了电子全息图影ehg的实施例，该电子全息图影由电子全息术测量仪20的测量单元22检测。图5以俯视图示出了两个导体迹线120和130之间的缝隙110以及导体迹线130中的凹部131。因此，图5中的指明x坐标的箭头从导体迹线120延伸穿过缝隙110直至到导体迹线130的凹部131的区域中。

电子全息图影ehg由根据图1的相位图像生成单元30评估并且提取出相位图像pb，在图6中详细地示出了针对激励信号ue的例如为0.5v的幅度u0的相位图像。可以看出，在缝隙110中出现两个半的相位跃变，也就是说，在两个导体迹线120和130之间出现总共5π的相移。

在考虑到两个导体迹线120和130之间的3μm的缝隙宽度d的情况下，评估单元40现在可以获知在地点上的相位变化并形成斜率值更确切地说根据如下来获知，即：

斜率值可以直接作为设备5的测量值输出。替选或附加地，(如在根据图1的实施例中)斜率值可以传递给乘法器50，乘法器将斜率值乘以针对电子全息术测量仪20所获知的常数k并且在输出侧产生测量值，该测量值根据以下等式计算出施加在根据图2的电容c上的元器件电压ua：

常数k可以例如在考虑利用其他测量装置进行参考测量的情况下来获知。例如，可以利用其他传统的测量仪事前或事后地测量电容c处的电压，并且随后可以将测量结果用于校准电子全息术测量仪20或用于确定常数k。

针对图6和图7所示的相位图像，使用到电子全息术测量仪20，其中，常数k为0.0962vμm/rad，从而从上述为5.2rad/μm的斜率值得到0.5v的元器件电压ua。

以所描述的方式，可以针对由控制装置70预给定的不同的激励频率f执行多个电子全息术测量步骤。

在根据图2和3的实施例中，电容c与导体迹线120和130形成低通，从而使得施加在电容c上的元器件电压ua与频率相关并且随着频率提高而减少。在此适用的是：

ua＝ue/(2πfrc)

其中，r表示两个导体迹线120和130的电阻，c表示电容。

因此，如果激励信号ue中的激励频率f提高，则电容c处的元器件电压ua将下降。在图7中可以看出这一事实，其中示出了针对利用3mhz的更高的激励频率f进行测量的相位图像。可以看出，导体迹线120和130之间的相位差仅为2π，即，电容c处的电压ua比在根据图6的1khz激励频率的情况下小了2.5倍。

在根据图7的示图中，相位图像pb的示图比根据图6的示图中粗糙得多，这与以下事实相关联，即，激励信号ue的激励频率f在根据图7的电子全息术测量步骤中明显大于根据图6的电子全息术测量步骤中的激励频率，并且因此测量窗的时间长度tf明显小于根据图6的电子全息术测量步骤中的测量窗的时间长度。因此被认为特别有利的是，在以激励信号ue的不同的周期长度t依次执行的多个电子全息术测量步骤的情况下，将测量窗f的时间长度tf分别与激励信号ue的各自的周期长度t彼此匹配，更确切地说彼此匹配成使得测量窗f的长度tf与激励信号ue的各自的周期长度t之比tf/t在所有电子全息术测量步骤中均相同。同样在每个电子全息术测量步骤中，测量窗(相对于正弦的激励信号的最大值或最小值)的位置优选也分别相同；特别优选地，在所有电子全息术测量步骤中，每个测量窗的窗中心都分别恰好位于激励信号的所选出的极限部位(最大值或最小值)上。

通过以不同的激励频率f依次执行多个电子全息术测量步骤，因此可以根据以下等式得到电容c上电压ua的频率响应vg(f)：

v(f)＝ua(f)/u0。

为了进一步解释，图8还示出了激励信号ue的另一实施例，该激励信号可以在借助根据图1的设备5执行测量时产生，以激励元器件100。可以看出，激励信号是正弦的，但是移位了直流分量uoffset。

此外，图8还示出了，测量窗控制单元80使测量窗f不一定位于最大值max的区域中；替选地，该测量窗控制单元也可以例如使测量窗f位于激励信号ue的最小值min的区域中。在此也有利的是，使得在所有的电子全息术测量步骤中，无论激励频率如何，窗中心都恰好位于极限部位(这里是最小值)上。

图9示出了用于检测测量值的替选的设备6的实施例。替选的设备6是根据图1的设备5的修改方案，其在两个方面与设备5不同。

测量窗控制单元80如下地选择测量窗f的位置，即，使得测量窗位于激励信号的多个等距的部位上、至少是四个等距的部位上，以便在相同的激励信号的周期长度的情况下依次执行多个、至少是四个电子全息术测量步骤。下面结合图10对此进行详细的解释。

如此生成的电子全息图影ehg由相位图像生成单元30以相位图像pb重建，并由评估单元40获知斜率值

图10示出了在等距的测量窗定位的情况下分析斜率值的实施例，以用于通过分选单元45获知数值上最高的斜率值

分选单元45对在等距的测量窗定位的情况下所获知的斜率值进行分析，并获知数值上最高的斜率值

数值上最高的斜率值可以直接作为设备6的测量值输出。替选或附加地，如在根据图9的实施例中，将数值上最高的斜率值传递给乘法器50。

此外，关于测量窗控制单元80的工作方式方面参考以上结合图1至图10的解释。

尽管已经通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明保护范围的情况下从中得出其他变型方案。

附图标记列表

5设备

6替选的设备

10正弦波发生器

20电子全息术测量仪

21电子源

22测量单元

30相位图像生成单元

40评估单元

45分选单元

50乘法器

60商形成器

70控制装置

80测量窗控制单元

100元器件

110缝隙

120导体迹线

130导体迹线

131凹部

c电容

d缝隙宽度

e电场

ehg电子全息图影

f激励频率

f测量窗

k常数

m测量值

max最大值

min最小值

pb相位图像

se电子束

sr参考电子束

st(f)控制信号

t周期持续时间

tf时间长度

u0电压幅度

ua元器件电压

ue激励信号

uoffset直流分量

vg(f)频率响应

x地点

相位

斜率值

最大的斜率值