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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz-Strahlung transparenten Materialien.
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Dass Materialeigenschaften mit Hilfe von THz-Strahlung untersucht werden können, ist z. B. aus der Druckschrift
WO 01/06915 A1 bekannt. Dort ist eine Anordnung mit einem THz-Sender zum Bestrahlen einer Probe und einem THz-Empfänger zum Empfangen an der Probe gestreuter THz-Strahlung beschrieben, bei der THz-Sender und THz-Empfänger durch eine gemeinsame Laserlichtquelle aktiviert werden und die sowohl Absorptionseigenschaften als auch Materialdicken zu bestimmten erlaubt. Bei der Probe handelt es sich dort um einen Zahn.
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Immer häufiger werden Kunststoffe als Werkstoff für Verpackungen, Gefäße oder andere Produkte verhältnismäßig kurzer Lebensdauer eingesetzt, so dass auch immer mehr entsprechender Abfall entsteht. Diesen Abfall einer Wiederverwertungskette zuzuführen ist aus verschiedenen Gründen erstrebenswert. Einmal gilt es, im Interesse des Umweltschutzes Abfälle zu minimieren und insbesondere umweltbelastende Materialien auszusortieren. Zum anderen ist aus ökonomischen Gründen sinnvoll, wertvolle Stoffe einer Wiederverwertung zuzuführen.
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Erster Schritt einer Wiederverwertungskette ist es, unterschiedliche Stoffe zu erkennen, um sie dann den richtigen Wiederverwertungsprozessen zuführen zu können. Verfahren, zu diesem Zweck unterschiedliche Kunststoffsorten automatisch zu identifizieren, sind bisher nicht etabliert. Um z. B. festzustellen, aus was für einem Kunststoff Leergebinde gefertigt sind, müssen diese bislang entsprechend gekennzeichnet sein, beispielsweise mithilfe eines Barcodes.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, die es erlauben, Kunststoffe und, wenn möglich, auch andere Materialien automatisch zu identifizieren oder zumindest einer eingeschränkten Klasse von Stoffen zuzuordnen, wobei die Vorrichtung möglichst einfach aufgebaut sein soll und wobei das Verfahren einfach und schnell und, wenn möglich, berührungsfrei durchführbar sein und nicht auf eine Kennzeichnung zu untersuchender Gegenstände angewiesen sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz-Strahlung transparenten Materialien, bei dem mit einem THz-Sender THz-Strahlung erzeugt wird, die zumindest einen ersten Frequenzanteil und einen zweiten Frequenzanteil davon unterschiedlicher Wellenlänge enthält, wobei ein Gegenstand, der zumindest teilweise aus dem zu identifizierenden Material gebildet ist, mit dieser THz-Strahlung durchstrahlt wird und die aus dem Gegenstand austretende THz-Strahlung mit einem phasenempfindlichen THz-Empfänger detektiert wird, wobei ferner zumindest für den ersten Frequenzanteil ein durch den Gegenstand verursachter Zeitversatz oder Phasenversatz eines durch die THz-Strahlung im THz-Empfänger erzeugten Empfangssignals gemessen wird, aus dem zumindest näherungsweise ein Maß für eine Materialdicke des Gegenstands bestimmt wird, und wobei zumindest für den zweiten Frequenzanteil eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals bestimmt wird, aus der unter Verwendung des ermittelten Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet wird. Bei dem so untersuchten Gegenstand kann es sich insbesondere um ein Leergebinde, wie z. B. eine Flasche, oder um ein anderes Gefäß handeln, wobei das genannte Material insbesondere ein Kunststoff sein kann, weil Kunststoff für THz-Strahlung transparent ist. Als THz-Strahlung seien dabei in der vorliegenden Schrift elektromagnetische Wellen einer Frequenz von zwischen 50 GHz und 10 THz bezeichnet. Ob die Frequenzanteile zeitgleich oder sequentiell ausgestrahlt werden, ist unbeachtlich. Die Thz-Strahlung kann diese Frequenzanteile also zeitgleich als Spektralkomponenten oder als zeitlich aufeinander folgende Anteile enthalten. Zur Bestimmung der Dämpfung oder Abschwächung und des Zeit- oder Phasenversatzes wird beim Detektieren der THz-Strahlung mit dem phasenempfindlichen THz-Empfänger außer einer Leistung oder Amplitude auch eine Zeitlage oder Phase bestimmt.
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Der phasenempfindliche THz-Empfänger kann vorzugsweise mit dem THz-Sender synchronisiert werden, beispielsweise durch eine Synchronisierungs-Verbindung zwischen dem THz-Sender und dem THz-Empfänger. Durch eine solche Synchronsierungsfunktion kann eine stabile gemeinsame Zeitbasis für die Detektion der Zeitlage oder Phase der THz-Strahlung gewährleistet werden.
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Die Verwendung von THz-Strahlung bringt dabei zunächst den Vorteil mit sich, dass Kunststoffe, auch gefärbte Plastikmaterialien, und Papier für Strahlung aus dem genannten Spektralbereich, insbesondere für THz-Strahlung einer Frequenz von bis zu etwa 3 THz, transparent sind. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können also auch z. B. gefärbte Flaschen und solche, die mit Etiketten versehen sind, untersucht werden. Bei der Untersuchung von Plastikmaterialien zeigt sich jedoch, dass diese im THz-Spektralbereich keine charakteristischen Absorptionslinien haben, deren Frequenzen oder Wellenlängen, wie in der klassischen Spektroskopie üblich, zur Identifizierung genutzt werden könnten. Mit der beanspruchten Erfindung wird eine Möglichkeit vorgeschlagen, wie für Kunststoffe typische Absorptionscharakteristiken im THz-Spektralbereich auch ohne scharfe Absorptionslinien zur Materialidentifizierung genutzt werden können. Dabei wird ausgenutzt, dass Kunststoffe und andere für THz-Strahlung transparente Materialien, auch wenn sie keine scharfen THz-Absorptionslinien aufweisen, für THz-Wellen unterschiedlicher Frequenz eine unterschiedlich starke Absorption zeigen. Dabei steigt diese Absorption bzw. ein diese Absorption beschreibender Absorptionskoeffizient typischerweise mit zunehmender Frequenz flach an, wobei sich verschiedene Materialien durch unterschiedliche Werte und Steigungen ihrer Absorptionskoeffizienten für THz-Strahlung voneinander unterscheiden. Daher kann man über eine Höhe einer Absorption von THz-Strahlung in einem Material Informationen darüber gewinnen, um was für ein Material es sich handelt. Da in die Absorption jedoch ein Produkt aus Materialdicke und Absorptionskoeffizient eingeht, muss dazu auch die Materialdicke möglichst genau bestimmt werden. Das geschieht bei dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch, dass zumindest für den ersten von mindestens zwei verwendeten Frequenzanteilen der durch den zu untersuchenden Gegenstand verursachte Zeitversatz oder Phasenversatz des durch die THz-Strahlung im THz-Empfänger erzeugten Empfangssignals gemessen wird. Dieser Zeit- oder Phasenversatz kann unter Annahme eines für die genannte Klasse von Materialien typischen Brechungsindexes zumindest näherungsweise als Maß für die Materialdicke oder zum Bestimmen eines solchen Maßes für die Materialdicke dienen. So liegen die Brechungsindizes der verschiedenen Kunststoffe typischerweise im Bereich zwischen 1,5 und 1,75, so dass z. B. die Annahme eines mittleren Werts von n = 1,62 eine Bestimmung der Materialdicke auch ohne Kenntnis des Materials mit einem Fehler von weniger als 10 zu bestimmen erlaubt. Dabei kann die nachfolgend als d bezeichnete Materialdicke bestimmt werden gemäß d = Δt·c/(n – 1), wobei Δt für den gemessenen Zeitversatz, c für die Vakuumlichtgeschwindigkeit und n für den angenommenen Brechungsindex stehen. In dem dann zumindest für den zweiten Frequenzanteil eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals bestimmt wird, kann dann unter Verwendung dieser Dämpfung und des ermittelten Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient des zu identifizierenden Materials für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet werden, der auf dieses Material zu schließen erlaubt oder zumindest eine Zuordnung zu einer eingeschränkten Gruppe in Frage kommender Materialien ermöglicht.
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So können in vorteilhafter Weise insbesondere Plastikmaterialien identifiziert werden, auch wenn die aus diesen Plastikmaterialien gefertigten Gegenstände ansonsten keine auf das Material schließende Kennzeichnung, beispielsweise in Form eines Barcodes, tragen. Bei diesen zu untersuchenden Gegenständen kann es z. B. um Getränkeflaschen, Shampooflaschen, Plastikbecher oder andere Gefäße für Haushaltsprodukte handeln. Dabei ist es unschädlich, wenn diese Gegenstände zusätzlich mit Etiketten versehen oder gefärbt sind.
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Dadurch, dass die verwendete THz-Strahlung mindestens zwei verschiedene Frequenzanteile umfasst, kann eine Wellenlänge des ersten Frequenzanteils in vorteilhafter Weise so groß gewählt werden, dass der durch den Gegenstand verursachte Phasenversatz eindeutig auf die Materialdicke zu schließen erlaubt, während eine Absorption im zu identifizierenden Material für diese Wellenlänge noch so gering ist, dass der Phasenversatz besonders einfach zu messen ist. Gleichzeitig kann dadurch die Wellenlänge des zweiten Frequenzanteils kleiner als die Wellenlänge des ersten Frequenzanteils gewählt werden, so dass sich die Absorptionskoeffizienten verschiedener Materialien für diesen zweiten Frequenzanteil merklich unterscheiden. So kann z. B. der erste Frequenzanteil so gewählt werden, dass er elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 50 GHz und 200 GHz enthält, für die die meisten betroffenen Materialien noch eine sehr geringe Absorption zeigen, während der zweite Frequenzanteil so gewählt werden kann, dass er elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von z. B. zwischen 0,5 THz und 4 THz, vorzugsweise zwischen 0,5 THz und 2,5 THz, enthält. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Wellenlänge des ersten Frequenzanteils mindestens so groß wie eine Wandstärke des Gegenstands gewählt wird, was bei einem Brechungsindex von größenordnungsmäßig n = 1,5 und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bei dem Verfahren typischerweise zwei Wände des Gegenstands durchstrahlt werden und die Materialdicke daher zweimal der Wandstärke entspricht, dazu führt, dass der gemessene Phasenversatz noch ohne Mehrdeutigkeiten auf die Materialdicke zu schließen erlaubt.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung, mit der sich das hier beschriebene Verfahren durchführen lässt und bei der es sich z. B. um einen Rücknahmeautomaten für Leergut oder einem Rückführungsprozess zuzuführende Abfälle handeln kann, umfasst dementsprechend einen THz-Sender zum Erzeugen von THz-Strahlung mit zumindest einem ersten Frequenzanteil und einem zweiten Frequenzanteil mit vom ersten Frequenzanteil unterschiedlicher Wellenlänge, einen phasenempfindlichen THz-Empfänger zum Detektieren der THz-Strahlung und eine Auswerteeinheit. Dabei ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum Messen eines Zeitversatzes oder Phasenversatzes eines durch die THz-Strahlung im THz-Empfänger erzeugten Empfangssignals zumindest für den ersten Frequenzanteil und zum Bestimmen einer Amplitude des Empfangssignals oder zumindest einem dem zweiten Frequenzanteil entsprechenden Anteils des Empfangssignals, wobei die Auswerteeinheit ferner programmtechnisch eingerichtet ist, aus dem Zeit- oder Phasenversatz ein Maß für eine Materialdicke eines durchstrahlten Gegenstands zu bestimmen und aus der gemessenen Amplitude eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals zu ermitteln und unter Verwendung des bestimmten Maßes für die Materialdicke einen Absorptionskoeffizienten zu berechnen. Der Zeitversatz, den zu messen die Auswerteeinheit eingerichtet ist, bezeichne dabei eine Änderung einer Verzögerung des Empfangssignals mit Bezug auf die vom THz-Sender ausgesendete THz-Strahlung, die bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung durch einen auf sein Material hin untersuchten und dazu in einen Strahlengang der Vorrichtung gebrachten Gegenstand verursacht wird.
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Der phasenempfindliche THz-Empfänger ist dabei nicht nur zur Bestimmung einer Leistung oder Amplitude, sondern auch einer Zeitlage oder Phase geeignet. Der erwähnte Zeitversatz oder Phasenversatz des Empfangssignals bezeichnet dabei einen Zeit- oder Phasenversatz gegenüber einem Vergleichssignal, das im Empfänger erzeugt wird, wenn sich der untersuchte Gegenstand nicht in einem Strahlengang zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger befindet. Der Zeit- oder Phasenversatz kann also z. B. durch Vergleichen des Empfangssignals mit einem bei einer Vergleichsmessung ohne durchstrahlten Gegenstand erzeugten Vergleichssignal gemessen werden.
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Als Dämpfung wird eine Abschwächung des Empfangssignals durch den durchstrahlten Gegenstand bezeichnet, die durch einen Vergleich der gemessenen Leistung mit einem Vergleichsleistungswert bestimmt werden kann, der bei einer Vergleichsmessung ohne den durchstrahlten Gegenstand ermittelt wird. Im einfachsten Fall kann der Absorptionskoeffizient über den Zusammenhang P = P0·exp(–d·a) bestimmt werden, wenn P die gemessene Leistung, P0 den Vergleichsleistungswert, d die Materialdicke und a den Absorptionskoeffizienten bezeichnen. Zusätzlich zur Absorption können jedoch auch Reflexionsverluste in die Dämpfung eingehen, die unter Umständen rechnerisch berücksichtigt oder durch ein Abziehen frequenzunabhängiger Anteile der Dämpfung oder Absorption eliminiert werden können.
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Zusätzlich kann die Auswerteeinheit in vorteilhafter Weise programmtechnisch eingerichtet sein, den berechneten Absorptionskoeffizienten oder eine daraus abgeleitete Größe, z. B. einen frequenzabhängigen Anteil des Absorptionskoeffizienten, mit Vergleichswerten zu vergleichen und den durchstrahlten Gegenstand einem Material oder einer Gruppe möglicher Materialien zuzuordnen, wenn der Absorptionskoeffizient oder die daraus abgeleitete Größe in ein dem Material oder der Gruppe von Materialien zugeordnetes Intervall fällt.
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Außerdem kann die Auswerteeinheit auch zur Durchführung der weiteren Verfahrensschritte eingerichtet sein, die einer Auswertung der Messergebnisse und einer Zuordnung oder Identifizierung des Materials dienen und die hier im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben werden.
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Das Material, aus dem der durchstrahlte Gegenstand zumindest teilweise und typischerweise größtenteils gebildet ist, kann also identifiziert oder einer Gruppe von möglichen Materialien zugeordnet werden, indem der berechnete Absorptionskoeffizient oder ein daraus ermittelter frequenzabhängiger Anteil des Absorptionskoeffizienten mit Vergleichswerten verglichen wird. Letztere können dazu in einer Datenbank gespeichert sein. Dabei können für verschiedene Materialien verschiedene Intervalle für zulässige Dämpfungen bzw. Absorptionskoeffizienten definiert sein, wobei die Entscheidung darüber, um was für ein Material es sich handelt oder was für einer Gruppe von möglichen Materialien das Material zuzuordnen ist, dann in Abhängigkeit davon fallen kann, in welches der Intervalle die experimentell bestimmten Absorptionskoeffizienten fallen. Reflexionsverluste können dabei bei der Ermittlung des Absorptionskoeffizienten berücksichtigt werden, sei es rechnerisch, beispielsweise durch Bestimmung einer Reflexionsrate R mittels der Formel R = (n – 1)2/(n + 1)2, sei es durch eine beispielsweise für den ersten Frequenzanteil durchgeführten Vergleichsmessung bei einer anderen Wellenlänge.
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In Abhängigkeit von dem über den gemessenen Zeit- oder Phasenversatz bestimmten Maß für die Materialdicke kann bereits eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber getroffen werden, was für Materialien oder Gruppen von Materialien oder was für Typen von Gegenständen für den untersuchten Gegenstand in Frage kommen. Dazu können auch Intervalle für Materialdicken, die für bestimmte Materialien oder Typen von Gegenständen in Frage kommen, in der Datenbank gespeichert sein. So kann man bei einer Untersuchung von Leergebinden beispielsweise davon ausgehen, dass eine Flasche aus Glas eine Wandstärke zwischen 3 mm und 6 mm hat. Bei Flaschen für Shampoo oder Spülmittel wird möglichst billiges Material gewählt, vorzugsweise HDPE, und Wandstärken von ca. 1 mm sind üblich. Für Lebensmittel dagegen sind Geschmacks-Neutralität und Lebensmittel-Echtheit unbedingt erforderlich. Material der Wahl ist hier PET, das aber teuer ist und deshalb mit möglichst dünner Wandstärke benutzt wird. Typisch sind Dicken von ca. 0,3 mm für Einwegflaschen und ca. 0,6 mm für Mehrwegflaschen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Zeit- oder Phasenversatz des Empfangssignals nicht nur für den ersten Frequenzanteil, sondern auch für den zweiten Frequenzanteil gemessen und zu einer genaueren Dickenbestimmung entsprechend ausgewertet. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Dämpfung oder Absorption des Empfangssignals wiederum nicht nur für den zweiten Frequenzanteil, sondern auch für den ersten Frequenzanteil bestimmt und entsprechend ausgewertet wird, damit ein auf unspezifische Verluste zurückgehender, typischerweise frequenzunabhängiger Teil der Dämpfung oder Absorption erkannt und herausgerechnet werden kann. Solche unspezifischen Verluste können z. B. durch Streuung an Farbpigmenten, durch Verschmutzung oder durch eine Oberflächenrauhigkeit verursacht sein. Dann kann ein frequenzabhängiger Teil der Dämpfung oder Absorption der weiteren Analyse zugrunde gelegt werden, der z. B. durch Differenzbildung zwischen den für die verschiedenen Wellenlängen oder Frequenzanteile ermittelten Dämpfungen oder Absorptionskoeffizienten bestimmt werden kann. Ein vom zu identifizierenden Material unabhängiger Einfluss unspezifischer Verluste, sei es an Oberflächen durch Reflexion, sei es durch Streuungen an Rauhigkeiten oder Verschmutzungen, kann so sehr genau erfasst und in beschriebener Weise eliminiert werden. Dadurch ergibt sich ein Verfahren, mit dem schnell, einfach und berührungsfrei sowohl eine Materialdicke als auch eine materialbedingte Absorption von THz-Strahlung ermittelt werden kann und gleichzeitig störende Untergrundverluste so erfasst werden, dass ein allein auf das Material zurückgehender Anteil der Absorption ermittelt und zur Erkennung des Materials genutzt werden kann.
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Der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung werden vorzugsweise bestimmt, indem das Empfangssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das in gleicher Weise erzeugt wird, ohne dass der Gegenstand sich in einem Strahlengang zwischen THz-Sender und phasenempfindlichem THz-Empfänger befindet und mit der THz-Strahlung durchstrahlt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die mit dem THz-Sender erzeugte und mit dem phasenempfindlichen THz-Empfänger detektierte THz-Strahlung weitere Frequenzanteile, für die ebenfalls der Zeit- oder Phasenversatz und/oder die Dämpfung oder Absorption des Empfangssignals bestimmt wird. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit erreicht werden. Unabhängig von ihrer Zahl können die verschiedenen Frequenzanteile der THz-Strahlung zeitgleich oder nacheinander ausgestrahlt und detektiert werden, wobei bei einer zeitgleichen Detektion eine Signaltrennung z. B. mithilfe verschiedener Modulationsfrequenzen für die verschiedenen Frequenzanteile erfolgen kann.
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Zum Erzeugen der verschiedenen Frequenzanteile kann die verwendete Vorrichtung als Lichtquelle zum Aktivieren sowohl des THz-Senders als auch des phasenempfindlichen THz-Empfängers zwei oder mehr um den gewünschten Betrag der THz-Schwebungsfrequenz gegeneinander verstimmte oder gegeneinander verstimmbare Laser aufweisen. Für eine sequentielle Messung der beiden Frequenzanteile können z. B. zwei Laser vorgesehen sein, von denen einer zwischen zwei Frequenzen umgeschaltet wird. Stattdessen können auch drei gegeneinander verstimmte Laser vorgesehen sein, die eine zeitgleiche Messung von zwei oder drei dadurch erzeugten Frequenzanteilen erlauben. Dabei entsprechen Schwebungsfrequenzen zwischen den verschiedenen Lasern jeweils den entstehenden THz-Frequenzen. Für eine zeitgleiche Messung verschiedener Frequenzanteile können dazu die Laserleistungen der verschiedenen Laser unterschiedlich moduliert werden.
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In vorteilhaften Ausfühungen besteht eine Synchronisierungsfunkion oder Synchronisierungs-Verbindung zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger, damit eine stabile gemeinsame Zeitbasis für die Detektion der Zeitlage oder Phase gewährleistet ist.
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Für die Synchronisierung des phasenempfindlichen THz-Empfängers mit dem THz-Sender kann eine gemeinsame Lichtquelle zum Aktivieren sowohl des THz-Senders als auch des THz-Empfängers vorgesehen sein. Diese Lichtquelle kann z. B. über Glasfasern oder andere Wellenleiter mit dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger verbunden sein. Der THz-Sender kann dabei durch einen Photoleiter oder eine Photodiode mit integrierter Antenne realisiert sein, während der phasenempfindliche THz-Empfänger durch einen wenn möglich für Licht gleicher Wellenlänge empfindlichen Photoleiter mit integrierter Antenne gegeben sein kann.
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Zur Messung des Zeit- oder Phasenversatzes kann dabei eine variable optische Verzögerungsschaltung zwischen die Lichtquelle und den phasenempfindlichen THz-Empfänger oder zwischen die Lichtquelle und den THz-Sender geschaltet sein.
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Der THz-Sender und der phasenempfindliche THz-Empfänger der Vorrichtung sollten so angeordnet sein, dass der zu untersuchende Gegenstand in einem Strahlengang zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger angeordnet werden kann. Dazu kann der Gegenstand räumlich zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger angeordnet werden oder auch zwischen einem Spiegel auf einer Seite und dem THz-Sender und phasenempfindlichen THz-Empfänger auf einer anderen Seite. Im letztgenannten Fall wird die THz-Strahlung zweimal durch den Gegenstand treten und dabei typischerweise ein Vierfaches einer Wandstärke des Gegenstands durchdringen. Sowohl zwischen dem THz-Sender und dem zu untersuchenden Gegenstand als auch zwischen diesem Gegenstand und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger können jeweils Linsen zum Kollimieren oder Fokussieren der THz-Strahlung vorgesehen sein. Sofern Flaschen oder ähnlich geformte und ungefähr zylinderförmige Gegenstände untersucht werden sollen, können diese Linsen z. B. durch Zylinderlinsen gegeben sein, womit sich erreichen lässt, dass die THz-Strahlung jeweils ziemlich genau senkrecht durch eine Wand des Gegenstands tritt.
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Eine besonders präzise Untersuchung und Einordnung des Materials wird in einer Ausführung des Verfahrens möglich, bei dem der THz-Sender die THz-Strahlung in Form mindestens eines Pulses aussendet, der notwendigerweise eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzanteile enthält. In diesem Fall kann die Vorrichtung als Lichtquelle zum Aktivieren des THz-Senders und des phasenempfindlichen THz-Empfängers insbesondere einen Pulslaser aufweisen.
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Sofern der zu untersuchende Gegenstand mit einem THz-Puls durchstrahlt wird, kann der Zeitversatz und die Dämpfung oder Absorption z. B. für eine maximale Amplitude des durch den THz-Puls erzeugten Empfangssignals ermittelt werden. Da in die maximale Amplitude und deren zeitliche Lage mehrere Frequenzanteile eingehen, wird dadurch ein Spezialfall des zuvor beschriebenen Verfahrens realisiert. Der Zeitversatz kann selbstverständlich auch über eine Lage einer definierten Flanke des Empfangssignals ermittelt werden.
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Eine noch genauere Auswertung wird möglich, wenn das durch den Puls erzeugte Empfangssignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird, wobei die Dämpfung oder Absorption frequenzabhängig nach Durchführung der Fourier-Transformation bestimmt wird. Zur Bestimmung des Zeitversatzes wird dagegen auch in diesem Fall vorzugsweise das Empfangssignal in seiner Form vor der Fourier-Transformation verwendet. Selbstverständlich kann die Fourier-Transformation auch durch andere Arten der Frequenzanalyse ersetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Identifizieren eines Materials, aus dem ein Leergebinde gefertigt ist,
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2 als Diagramm eine Frequenzabhängigkeit von Absorptionskoeffizienten verschiedener Kunststoffe für THz-Strahlung,
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3 in schematischer Darstellung wichtige Komponenten einer bevorzugten Ausführung einer Vorrichtung der in 1 gezeigten Art und
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4 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein mit dieser Vorrichtung erzeugter und detektierter THz-Puls durch Leergebinde verschiedener Art auf verschiedene Weise beeinflusst wird.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung weist einen THz-Sender 1 zum Erzeugen von THz-Strahlung mindestens zweier verschiedener Frequenzanteile sowie einen phasenempfindlichen THz-Empfänger zum Detektieren von Zeitlage/Phase und Leistung/Amplitude dieser THz-Strahlung auf. Um eine möglichst zeitpräzise phasenempfindliche Detektion der mit dem THz-Sender 1 erzeugten THz-Strahlung durch den phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 zu ermöglichen, ist der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 über eine Synchronisierungsfunktion – hier dargestellt als eine Synchronisierungsleitung 3 – mit dem THz-Sender 1 verbunden. Diese Synchronisierungsleitung 3 kann z. B. durch einen Lichtleiter realisiert sein, über den sowohl der THz-Sender 1 als auch der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 durch eine gemeinsame Lichtquelle aktiviert wird. Zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 sind nur schematisch dargestellte Linsen 4 angeordnet, die eine THz-Abbildungsoptik bilden und die THz-Strahlung so kollimieren und fokussieren, dass eine in einem Strahlengang zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 angeordnete Kunststoffflasche 5 mit der THz-Strahlung durchstrahlt wird. Schließlich weist die in 1 gezeigte Vorrichtung auch eine Auswerteeinheit 6 auf, die gleichzeitig als Steuereinheit für den THz-Sender 1 und den phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 dient.
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Mit dieser Vorrichtung wird nun zumindest für einen ersten Frequenzanteil der THz-Strahlung, der beispielsweise eine Frequenz von 0,1 THz hat, ein durch die Kunststoffflasche 5 verursachter Zeitversatz oder Phasenversatz eines Empfangssignals gemessen, das durch die THz-Strahlung im phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 erzeugt wird. Zumindest für einen hochfrequenteren zweiten Frequenzanteil der THz-Strahlung mit einer Frequenz von beispielsweise 1 THz wird eine durch die Kunststoffflasche 5 verursachte Abschwächung oder Dämpfung des Signals bestimmt. Der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung oder Abschwächung werden dabei bestimmt, indem das Empfangssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das in gleicher Weise erzeugt wird, bevor die Kunststoffflasche 5 in der Vorrichtung platziert oder nachdem die Kunststoffflasche 5 aus der Vorrichtung herausgenommen wird.
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Die Auswerteeinheit 6 ist nun programmtechnisch dazu eingerichtet, unter Annahme eines für Kunststoffe typischen Brechungsindexes von beispielsweise n = 1,62 zumindest näherungsweise eine Materialdicke der Kunststoffflasche 5 zu bestimmen, die einem Zweifachen einer Wandstärke dieser Kunststoffflasche 5 entsprechen wird, weil eine Wand der Kunststoffflasche 5 an zwei Stellen von der THz-Strahlung durchdrungen wird. Eine Wellenlänge des ersten Frequenzanteils der THz-Strahlung ist dabei so groß, dass der gemessene Phasenversatz eindeutig auf die Materialdicke zu schließen erlaubt. Außerdem ist die Auswerteeinheit 6 so programmiert, dass sie in Abhängigkeit von der bestimmten Materialdicke und der gemessenen Dämpfung oder Abschwächung ein Absorptionskoeffizient des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials zumindest für den genannten zweiten Frequenzanteil der THz-Strahlung berechnet wird.
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In 2 ist veranschaulicht, wie es dadurch möglich wird, auf das Material zu schließen, aus dem die Kunststoffflasche 5 zumindest hauptsächlich besteht. Dabei ist es unerheblich, wenn die Kunststoffflasche 5 mit Papieretiketten versehen ist, weil Papier für THz-Strahlung nahezu vollständig transparent ist. In 2 sind Frequenzabhängigkeiten von Absorptionskoeffizienten a für verschiedene Kunststoffe veranschaulicht. Im Einzelnen sind dort ein Verlauf 7 des Absorptionskoeffizienten für PET (Polyethylenterephthalat), ein entsprechender Verlauf 8 für PC (Polycarbonat) und ein Verlauf 9 des Absorptionskoeffizienten von HDPE (Polyethylen hoher Dichte mit schwach verzweigten Polymerketten) gezeigt.
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Wie in 2 zu erkennen ist, weisen diese Kunststoffe für elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von 0,1 THz jeweils noch einen sehr geringen Absorptionskoeffizienten auf, so dass der durch die Kunststoffflasche 5 verursachte Zeit- oder Phasenversatz für den Frequenzanteil dieser Frequenz komfortabel gemessen werden kann. Bei der Frequenz des zweiten Frequenzanteils von 1 THz zeigen die verschiedenen Kunststoffe dagegen schon große Abweichungen, wobei PET bei dieser Frequenz einen Absorptionskoeffizienten von etwa 25 cm–1 und HDPE bei der gleichen Frequenz einen Absorptionskoeffizienten von nur etwa 2 cm–1 hat. Wenn nun durch die Messung des Zeit- oder Phasenversatzes für den ersten Frequenzanteil die Materialdicke zumindest näherungsweise bestimmt wird und daher mit ähnlicher Genauigkeit der Absorptionskoeffizient für den zweiten Frequenzanteil bestimmt werden kann, erlauben die in 2 gezeigten Unterschiede im Absorptionsverhalten daher bereits eine sehr zuverlässige Entscheidung darüber, um was für einen Kunststoff es sich bei dem die Kunststoffflasche 5 bildenden Material handelt. Wenn der Zeitversatz oder Phasenversatz bei dem beschriebenen Verfahren zusätzlich auch für den zweiten Frequenzanteil bestimmt wird, kann die Materialdicke noch genauer bestimmt werden. Da die Abschwächung des Empfangssignals durch die Kunststoffflasche 5 nicht ausschließlich auf eine Absorption durch den die Kunststoffflasche 5 bildenden Kunststoff zurückzuführen ist, sondern teilweise auch auf Reflexionen und Streuungen, die wiederum auf eine Rauhigkeit der Oberfläche oder auf Verschmutzungen der Kunststoffflasche 5 zurückzuführen sein können, wird außerdem die Dämpfung oder Abschwächung des Empfangssignals zusätzlich auch für den ersten Frequenzanteil bestimmt, so dass ein in 2 durch einen Doppelpfeil veranschaulichter frequenzabhängiger Anteil der Abschwächung bestimmt werden kann, der nur noch unwesentlich durch die anderen genannten Verluste beeinflusst wird, weil diese – also Reflexionen und Streuungen durch Oberflächen, Rauhigkeiten oder Verschmutzungen – praktisch frequenzunabhängig sind.
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Schließlich ist es natürlich auch möglich, dass die THz-Strahlung, die mit dem THz-Sender 1 erzeugt wird, weitere Frequenzanteile enthält, für die ebenfalls der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung oder Abschwächung des Empfangssignals bestimmt und entsprechend ausgewertet wird.
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Durch eine entsprechende Programmierung der Auswerteeinheit 6 kann also das die Kunststofflasche 5 bildende Material identifiziert oder zumindest einer Gruppe von möglichen Materialien zugeordnet werden, indem der berechnete Absorptionskoeffizient oder ein daraus ermittelter frequenzabhängiger Anteil des Absorptionskoeffizienten mit Vergleichswerten verglichen wird, wobei eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber, um was für ein Material es sich handelt, bereits durch die zumindest näherungsweise bestimmte Materialdicke getroffen werden kann. Dabei kann ein Vorwissen darüber ausgenutzt werden, was für Materialdicken bei Gegenständen der untersuchten Art für bestimmte Materialien in Frage kommen.
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In 3 sind einige Komponenten einer Vorrichtung der bereits anhand 1 beschriebenen Art detaillierter dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zu erkennen ist hier eine Laserlichtquelle 10, die zum Aktivieren sowohl des THz-Senders 1 als auch des phasenempfindlichen THz-Empfängers 2 dient. Dabei ist der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 durch einen Photoleiter mit einer integrierten Antenne realisiert, der für Licht empfindlich, das durch die Laserlichtquelle 10 erzeugt wird, während der THz-Sender 1 durch einen entsprechenden Photoleiter oder durch eine für Licht gleicher Wellenlänge empfindliche Photodiode mit integrierter Antenne gegeben ist. Die Laserlichtquelle 10 ist über jeweils eine Glasfaser 11 optisch mit dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 gekoppelt. Zur Messung des Zeit- oder Phasenversatzes ist eine variable optische Verzögerungsschaltung 12 in einen Verlauf einer dieser Glasfasern 11 geschaltet. Die Linsen 4 können in vorteilhafter Weise als Zylinderlinsen ausgeführt sein, die eine parallel zu einer Symmetrieachse der Kunststoffflasche 5 verlaufende Symmetrieachse haben, so dass die THz-Strahlung so geführt werden kann, dass sie eine Wand der Kunststoffflasche 5 jeweils senkrecht durchdringt.
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Die Laserlichtquelle 10 kann z. B. zwei gegeneinander leicht verstimmte Laser aufweisen, von denen einer eine verstellbare Resonanzfrequenz hat. Dabei sind diese Laser so gegeneinander verstimmt, dass eine Schwebungsfrequenz im THz-Bereich liegt und einer der zu erzeugenden THz-Frequenzen entspricht. Mit dieser Schwebungsfrequenz werden dann der THz-Sender 1 und der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 aktiviert. Die zwei verschiedenen Frequenzanteile der THz-Strahlung werden dann durch Umschalten des einen Lasers zwischen zwei geringfügig verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugt. Stattdessen kann die Laserlichtquelle 10 auch z. B. drei Laser mit jeweils geringfügig gegeneinander verstimmten Resonanzfrequenzen aufweisen, so dass mehrere Schwebungsfrequenzen entstehen und dementsprechend die verschiedenen Frequenzanteile der THz-Strahlung simultan erzeugt werden. Für eine simultane Detektion der verschiedenen Frequenzanteile kann dann eine Ausgangsleistung der verschiedenen Laser verschieden moduliert werden.
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In einer anderen Ausführung ist die Laserlichtquelle 10 durch einen Puls-Laser gegeben, was dazu führt, dass der THz-Sender 1 die THz-Strahlung in Form eines oder mehrerer Pulse aussendet, die jeweils ein ganzes Spektrum vieler verschiedener Frequenzanteile enthalten. In 4 ist gezeigt, wie ein dadurch im phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 erzeugtes Empfangssignal 13 aussieht, wenn die Kunststoffflasche 5 eine aus PET gefertigte Mehrwegflasche ist. Gegenüber einem Vergleichssignal 14, das in gleicher Weise erzeugt wird, wenn sich die Kunststoffflasche 5 nicht zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 befindet, ist das Empfangssignal 13 um einen Zeitversatz Δt versetzt, wobei eine Amplitude A des Empfangssignals 13 um eine Abschwächung ΔA geringer ausfällt als eine Amplitude des Vergleichssignals 14. Der Zeitversatz Δt wird dabei mithilfe der variablen optischen Verzögerungsschaltung 12 bestimmt. Mit der in 3 nicht eingezeichneten Auswerteeinheit 6 wird aus dem Zeitversatz Δt die Materialdicke bestimmt, die bei der Anordnung aus 3 einem Zweifachen der Wandstärke der Kunststoffflasche 5 entspricht, wobei ferner in Abhängigkeit von der so bestimmten Materialdicke und der Abschwächung ΔA der Absorptionskoeffizient des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials bestimmt wird, wobei der so bestimmte Absorptionskoeffizient mit Ungenauigkeiten behaftet sein kann, die auf Verunreinigungen oder Rauhigkeiten des Materials zurückzuführen sein können. Ein Beitrag von Reflexionen zu der Abschwächung ΔA kann dagegen bei Bedarf rechnerisch eliminiert werden. Der so ermittelte Absorptionskoeffizient wird ferner einem Frequenzanteil zuzuordnen sein, der die maximale Amplitude des durch die Laserlichtquelle 10 erzeugten Pulses dominiert.
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Zum Vergleich ist in 4 auch ein anderes Empfangssignal 13' eingezeichnet, das man mit einer entsprechenden Messung erhält, wenn die Kunststoffflasche 5 aus HDPE gefertigt ist und dickere Wände aufweist. Da HDPE-Gefäße typischerweise eine größere Wandstärke aufweisen als Flaschen aus PET, kann bereits auf Grundlage von Unterschieden im Zeitversatz Δt eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber getroffen werden, um was für ein Material oder was für eine Kunststoffflasche 5 es sich handelt. So kann z. B. ein Zeitversatz Δt von mehr als den in 4 durch eine vertikale gestrichelte Linie gekennzeichneten 18 Picosekunden als Indiz für ein HDPE-Leergebinde dienen, während ein kürzerer Zeitversatz Δt eher auf PET zu schließen erlaubt. In ähnlicher Weise können auch mit gewisser Sicherheit Mehrwegflaschen von Einwegflaschen unterschieden werden, weil Einwegflaschen typischerweise dünnwandiger ausgeführt sind.
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Zur Identifizierung des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials kann die Auswerteeinheit 6 also programmtechnisch eingerichtet sein, die zumindest näherungsweise bestimmte Materialdicke und den berechneten Absorptionskoeffizienten oder eine daraus abgeleitete Größe jeweils mit Vergleichswerten zu vergleichen und die mit der THz-Strahlung durchstrahlte Kunststoffflasche 5 einem Material oder einer Gruppe von Materialien oder einem bestimmten Flaschentyp zuzuordnen, wenn die Materialdicke und der Absorptionskoeffizient oder die daraus abgeleitete Größe jeweils in ein dem Material oder der Gruppe von Materialien oder dem Flaschentyp zugeordnetes Intervall fallen. Das ist insbesondere dann mit hoher Treffsicherheit möglich, wenn nur eine beschränkte Auswahl von Materialien in Frage kommt, beispielsweise Glas, PET oder HDPE.
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Schließlich kann die Auswerteeinheit 6 auch dazu eingerichtet sein, das erzeugte Empfangssignal 13 oder 13' einer Fourier-Transformation zu unterziehen und die durch die Kunststoffflasche 5 verursachte Abschwächung frequenzabhängig zu bestimmen. Dann ist eine sehr genaue Bestimmung des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials auch dann möglich, wenn die Abschwächung z. B. aufgrund von Oberflächen-Rauhigkeiten oder wegen einer Verschmutzung der Kunststoffflasche 5 verstärkt ist.
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Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass eine Durchstrahlung des im vorliegenden Fall durch die Kunststoffflasche 5 gegebenen Gegenstands mit einem THz-Puls ein vorteilhafter Spezialfall einer Verwendung einer Vielzahl verschiedener Frequenzanteile ist, mit denen die Dicken- und Absorptionsmessungen verfeinert werden können. Sofern verschiedene diskrete Frequenzanteile verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn einer der Frequenzanteile zur Durchführung einer Referenzmessung dient, bei der die Absorption durch das Material noch sehr gering ist, die unspezifischen Störeffekte jedoch schon berücksichtigt werden. Diese Referenzmessung kann z. B. bei einer relativ kleinen Frequenz von zwischen 50 GHz und 0,3 THz erfolgen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass auf Grundlage der bestimmten Materialdicke bereits eine erste Zuordnung zu einem Material oder einer Gruppe von Materialien und/oder zu einem Flaschentyp oder Gefäßtyp erfolgt, indem die ermittelte Materialdicke mit Werten aus einer Datenbank verglichen wird. Aus einem Vergleich des insbesondere bei höheren Frequenzen beobachteten Absorptionsverhaltens mit Vergleichswerten aus der Datenbank ergibt sich dann eine zweite Zuordnung des Materials und des Flaschentyps.
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Bei einer typischen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die Leergebinde, beispielsweise Flaschen, also mit THz-Wellen durchstrahlt, wobei zunächst die dadurch bewirkte Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung gemessen wird. Eine Dickenmessung auf Grundlage dieser Phasenverschiebung bzw. Zeitverzögerung und unter Annahme eines mittleren Brechungsindexes liefert so eine sehr schnelle erste Einordnung und Trennung der Grund-Flaschentypen in wertvolles PET-Material und weniger wertvolle andere Kunststoffe. So können insbesondere Einweggetränkebehälter, Mehrweggetränkebehälter und sonstige billigere Kunststoffe voneinander unterschieden werden. Glasflaschen sind deutlich dicker als Plastikflaschen und daher ebenfalls gut unterscheidbar. Metalle wiederum sind für THz-Strahlung nicht transparent und können daher ebenfalls gut unterschieden werden. Das Ergebnis der Dickenmessung dient dann auch als Eingabewert für die Berechnung der erwarteten Amplitudendämpfung. Ohne jede Kenntnis der Materialdicke wären Dämpfungsmessungen dagegen nicht aussagekräftig und nicht sinnvoll nutzbar. Für die verschiedenen interessierenden Materialien sind neben den Brechungsindizes n auch die Absorptionskoeffizienten a im THz-Bereich bekannt oder ermittelbar. Daher können auch die erwarteten Reflexionsverluste R = (n1 – n2)2/(n1 + n2)2 an den Oberflächen und die von der Dicke abhängigen Absorptionsverluste, in die das Produkt aus Materialdicke und Absorptionskoeffizient a eingeht, berechnet werden. Die erwarteten Verluste können nun mit dem gemessenen Amplitudenverhältnis der Pulse oder Frequenzanteile mit Flasche und ohne Flasche im Strahlengang verglichen werden. So ergibt sich eine zweite Materialordnung, mit der die erste Zuordnung überprüft werden kann.
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Ein kritischer Punkt bei der Amplitudenauswertung ist, dass durch raue Oberflächen und verschmutzte Flaschen eine Zusatzdämpfung bewirkt werden kann. Für eine genauere Untersuchung kann diese erfasst und das Messsignal bezüglich dieser Störungen korrigiert werden. Die Störungen können erfasst werden durch Messungen bei relativ niedrigen Frequenzen, bei denen fast keine Absorption im Material auftritt, die Störeffekte aber nahezu identisch sind wie bei höheren Frequenzen, die der Absorptionsmessung dienen. Die Differenz der Dämpfungen bei den verschiedenen Frequenzen ergibt also mit hoher Genauigkeit eine reine Materialdämpfung, die auf das Material zu schließen erlaubt. Unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Materialdicke kann dann der Absorptionskoeffizient errechnet werden. Schließlich wird durch Vergleich des Absorptionskoeffizienten mit einer Datenbank der Kunststoff oder das andere Material identifiziert und bei typischen Ausgestaltungen des Verfahrens dann dem entsprechenden Recyclingweg zugeführt.
