Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung (1) zum Vermessen eines Prüfobjektes (2) durch eine Laufzeitmessung unter Ermittlung mindestens eines Abstandes (d1, d2, d3, d4),
wobei die Terahertz-Messvorrichtung (1) aufweist:
eine Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (3) zum Aussenden von Terahertz-Strahlung (5) und Detektieren der von dem Prüfobjekt (2) reflektierten Terahertz-Strahlung, und
eine Auswerteeinheit (12) zur Ermittlung einer Laufzeit der Terahertz-Strahlung und mindestens eines Abstandes des Prüfobjektes (2), Hierbei ist vorgesehen, dass
mindestens eine, vorzugsweise mehrere passive Terahertz-Empfangseinrichtungen (4) vorgesehen sind, deren optische Achsen (C-4) zu der optischen Achse (C-3) der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (3) versetzt oder geneigt angeordnet sind und eine von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (3) ausgesandte und an dem Prüfobjekt (2) zweite reflektierte Terahertz-Strahlung (6b) detektieren,
eine Datenverbindung (10) zur Synchronisierung der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (3) und der mindestens einen passiven Terahertz-Empfangseinheit (4) mittels eines Synchronisationssignals (S1) vorgesehen ist,
wobei die Auswerteeinheit (12) oder die Terahertz-Empfangseinheit (4) aus der zweiten reflektierten Terahertz-Strahlung (6b) und dem Synchronisationssignal (S1) eine zweite Laufzeit (Δt3, Δt4) und einen zweiten Abstand ermittelt.
DE19852335C2 | N/A |
Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren, zur Vermessung eines Prüfobjektes mittels einer Laufzeitmessung.
Bei derartigen Messvorrichtungen und Messverfahren wird Terahertz-Strahlung von einer Terahertz-Sende- und Empfangseinheit entlang einer optischen Achse auf ein Prüfobjekt gestrahlt und die von dem Prüfobjekt zurück reflektierte Strahlung wiederum von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit detektiert, wobei die Laufzeit der Strahlung ermittelt werden kann. Hierbei kann z. B. gepulste Strahlung ausgesandt und die Laufzeit der Pulse gemessen werden, oder es kann frequenzmodulierte Strahlung ausgesandt werden mit einer Messung im Frequenzbereich, wobei derartige Messverfahren sich technisch entsprechen bzw. als Fouriertransformation zueinander beschrieben werden können. Somit können Prüfobjekte vermessen werden, die für die Terahertz-Strahlung durchlässig sind, insbesondere Kunststoffe, weiterhin auch Stein-Materialien wie Steingut, Porzellan, Keramik und zum Beispiel Papier.
Die Terahertz-Strahlung wird an Grenzflächen zwischen Materialien mit verschiedenem Brechungsindex, zum Beispiel Luft mit einem Brechungsindex von n0 = 1, und Kunststoffmaterialien mit Brechungsindex von zum Beispiel etwa 1,5, teilweise reflektiert, sodass die senkrecht an einer Grenzfläche reflektierte und entlang der optischen Achse zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit zurück reflektierte Strahlung detektiert werden kann. Bei der Messung erfolgt in der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit im Allgemeinen eine Überlagerung der ausgesandten und der detektierten reflektierten Strahlung, aus der die Laufzeit sehr genau ermittelt werden kann. Somit können Abstände zu einem Prüfobjekt, weiterhin auch Schichtdicken der Prüfobjekte an Grenzflächen senkrecht zur optischen Achse ermittelt werden.
Für eine vollständige oder vollumfängliche Vermessung des Prüfobjektes, z. B. eines Rohres, ist daher eine höhere Anzahl von Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten erforderlich, die im Allgemeinen weiterhin mechanisch verstellt werden, um das Prüfobjekt an seiner Oberfläche oder seinem Umfang vollständig zu erfassen. Derartige mechanische Verstellungen sind jedoch im Allgemeinen aufwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zu schaffen, die mit relativ geringem Aufwand eine breitflächige Vermessung von Messobjekten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
Somit ist zusätzlich zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit mindestens eine passive Terahertz-Empfangseinheit vorgesehen, die die von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit ausgesandte und an dem Prüfobjekt reflektierte zweite Strahlung detektiert. Hierbei nimmt die passive Terahertz-Empfangseinheit ein Synchronisierungssignal auf, das den Sendezeitpunkt der Terahertz-Strahlung festlegt.
Hierdurch wird bereits der Vorteil erreicht, dass mit geringem apparativem Aufwand und relativ geringem Energieaufwand eine breitflächige Vermessung des Prüfobjektes ermöglicht wird, insbesondere auch mit geringer oder gar keiner mechanischen Verstellung der Einheiten. Es sind Messungen mit nicht-senkrechtem Einfall der THz-Strahlung an den Grenzflächen möglich, die große Bereiche des Prüfobjektes erfassen können.
Vorteilhafterweise zieht die passive Terahertz-Empfangseinheit bzw. die Auswerteeinheit zur Auswertung ergänzend gespeicherte Daten über eine geometrische Ausbildung, insbesondere relative geometrische Anordnungen der Position und Ausrichtung ihrer optischen Achse sowie der Position und Ausrichtung der optischen Achse der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit hinzu. Derartige geometrische Daten können vorab durch Messung, insbesondere aber auch durch eine Kalibrierung an einem ersten Messobjekt festgelegt werden, sodass sie nachfolgend zur Auswertung herangezogen werden können.
Vorteilhafterweise sind mehrere Terahertz-Empfangseinheiten vorgesehen, die jeweils die ausgesandte Strahlung passiv aufnehmen. Zur Vermessung eines Rohres als Prüfobjektes können zum Beispiel mehrere Einheiten in einer Kreisform, insbesondere etwa einem Halbkreis angeordnet sein, sodass sie mit ihren überlappenden Aussende- und Empfangs-Kegeln bzw. Winkeln das Prüfobjekt weitflächig erfassen können. Hierbei ist insbesondere auch eine vollumfängliche Vermessung des Prüfobjektes möglich, da die Strahlung jeweils durch eine vordere Wand und eine hintere Wand des Prüfobjektes dringt und hierbei Messsignale erzeugt werden.
Das Synchronisierungssignal zur Festlegung des Sendezeitpunktes, z. B. ein Triggerimpuls oder ein analoges Signal, z. B. Sägezahn-Signal, wird über eine Datenverbindung ausgegeben; es kann insbesondere direkt von der sendenden Terahertz-Sende- und Empfangseinheit ausgegeben werden, die somit insbesondere auch eine Master-Einheit darstellen kann, die das Synchronisierungssignal mit der Information über den Aussendezeitpunkt an die mindestens eine als Slave-Einheit dienende THz-Empfangseinheit ausgibt. Hierdurch ist insbesondere auch die Ausbildung eines modularen Systems, z. B. Bus-Systems, aus miteinander in Datenverbindung stehenden Einheiten möglich, das gegebenenfalls erweitert und stellenweist ausgetauscht werden kann. Alternativ hierzu ist auch ein zentrales System, z. B. sternförmig mit zentraler Steuereinheit, möglich. Die Datenverbindung kann über ein Kabel der auch drahtlos erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung kann bei der Vielzahl mehrerer Einheiten jede Einheit zeitweise Terahertz-Sende- und Empfangseinheit sein, und somit zum Beispiel als Master-Einheit den Sendezeitpunkt für die anderen Einheiten festlegen, die jeweils passive Empfangseinheiten sind. So kann die Funktion der Master-Einheit bzw. sendenden Einheit jeweils durch wechseln. Hierdurch wird ein Vorteil einer sehr großflächigen Vermessung bei geringem Aufwand ermöglicht, da unterschiedliche Positionen und Ausrichtungen der sendenden optischen Achse bei jeweils mehreren ergänzend detektierenden optischen Achsen ermöglicht wird.
Somit sind mit geringem Aufwand breitflächige, insbesondere auch vollumfängliche Vermessungen möglich. Es kann ein breiter Aussendekegel der sendenden Einheit und breiter Empfangskegel der empfangenden Einheit genutzt werden, anders als bei nur direkte senkrechte Reflexionen detektierenden Systemen.
Die Vermessung der Prüfobjekte kann in einem kontinuierlichen Verfahren, zum Beispiel bei der Produktion oder nach der Produktion des Prüfobjektes, direkt erfolgen.
Hierbei können Abstände, das heißt Abstand des Prüfobjektes zu den jeweiligen Einheiten, und weiterhin Schichtdicken, zum Beispiel eine Wandstärke, weiterhin auch einen Innendurchmesser als Schichtdicke einer Luftschicht ermittelt werden. Ergänzend können zusätzlich auftretende Messpeaks als Störstellen detektiert werden.
Die Terahertz-Strahlung wird insbesondere im Frequenzbereich von 0,01 THz–10 THz, z. B. 0,1 bis 3 THz ausgegeben. Hierbei sind insbesondere vollelektronische Sende- und Empfangseinheiten und auch Empfangseinheiten möglich, die somit mittels eines Dipols die Terahertz-Strahlung erzeugen, z. B. in Frequenzmodulation, oder auch elektronisch-optische Systeme für Messungen im Zeitraum, z. B. als gepulste Strahlung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Eine Terahertz-Messvorrichtung
Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit
Hierbei fällt die Terahertz-Strahlung
Die Signalamplitude S3 kann in
Weiterhin detektieren auch die Terahertz-Empfangseinheiten
Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit
Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit
Die Datenverbindung
Da die passiven Terahertz-Empfangseinheiten
Vorzugsweise kann die Terahertz-Messvorrichtung
Hierbei kann die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit
Wie in
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann jede Terahertz-Empfangseinheit