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Hierbei wird Terahertz-Strahlung entlang einer optischen Achse auf das Messobjekt aus einem für THz-Strahlung transparenten Material, z. B. Kunststoff, eingestrahlt, das für die Terahertz-Strahlung einen gegenüber Luft oder Vakuum deutlich höheren Brechungsindex aufweist. Ein derartiges Material kann insbesondere ein Kunststoff, weiterhin jedoch z. B. auch Holz, Keramik oder ein faserverstärktes Material wie CFK oder GFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff, glasfaserverstärkter Kunststoff) sein. Ein Teil der einfallenden Terahertz-Strahlung wird beim Eintritt in die Material-Schicht reflektiert, und ein Teil der in die Material-Schicht eingetretenen Terahertz-Strahlung wird an einer nachfolgenden Grenzfläche, zum Beispiel einer Hinterseite oder Rückseite der Material-Schicht beim Übergang zu Luft, reflektiert. Somit können Mess-Peaks der Amplitude der an den Grenzflächen reflektierten Strahlung aufgenommen werden und die zeitliche Differenz der beiden Mess-Peaks als Laufzeit des doppelten Durchquerens der Material-Schicht gewertet werden. Somit kann die Schichtdicke der Material-Schicht an der untersuchten Stelle ermittelt werden. Weiterhin kann auch ein Abstand des Messobjektes zu der Sende- und Empfangseinheit ermittelt werden, so dass auch Außendimensionierungen des Messobjektes wie z. B. ein Außendurchmesser bestimmt werden können.
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Derartige Terahertz- Schichtdicken-Messungen können insbesondere zur Überprüfung der Qualität eines Kunststoff-Objektes nach dessen Herstellung durchgeführt werden, z. B. unmittelbar nach der Herstellung, indem das Messobjekt am Ende einer Produktionslinie direkt durch die Transporteinrichtung weiter zu der bzw. durch die Messvorrichtung befördert wird.
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Hierbei zeigt sich jedoch, dass insbesondere bei einer kontinuierlichen Vermessung von Messobjekten am Ende einer Produktionslinie eine genaue Ausrichtung der Terahertz-Messvorrichtung zum Bildobjekt nicht immer möglich ist. Bei einer ungenauen Zentrierung des Messobjektes, zum Beispiel einer fehlenden Rohrmittellage eines Kunststoffrohres in der Messvorrichtung, fällt die einfallende Terahertz-Strahlung mit ihrer optischen Achse nicht mehr genau senkrecht auf die Oberfläche des Messobjektes ein, sodass die an den Grenzflächen reflektierte Strahlung nicht mehr entlang der optischen Achse zurück zu der Sende- und Empfangseinheit gestrahlt wird und sich die Signalstärke bzw. Amplitudenstärke aufgrund der seitlichen Abstrahlung erheblich reduziert.
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Somit ist ein hoher Positionieraufwand, zum Beispiel durch mechanische Führungen des Messobjektes erforderlich; weiterhin ist eine unmittelbare Vermessung nach der Herstellung eines Kunststoff-Objektes, bei zum Teil noch weichen Kunststoff-Materialen, zum Teil nicht möglich.
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Die
US 2010/0195090 A1 beschreibt eine Einrichtung zur kontaktlosen Messung einer Farbfilm-Dicke mittels Terahertz-Puls-Licht, bei dem gepulste THz-Strahlung auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet wird und hierbei fokussiert wird, wobei reflektierte THz-Strahlung detektiert wird und eine Verringerung der Pulsbreite ausgewertet wird.
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DE 10 2011 112 697 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Substanz unter Verwendung von THz-Strahlung, wobei eine Flüssigkeit in einem verschlossenen Behälter mittels zweier Messungen untersucht wird. Hierbei wird THz-Strahlung in Richtung der Flüssigkeit ausgestrahlt und ein aus Richtung der Flüssigkeit kommender Anteil der THz-Strahlung detektiert, wobei der detektierte Anteil Komponenten enthält, die an einer Grenzfläche zwischen einer Wand und einem Gas einer Blase, oder zwischen dem Gas und der Flüssigkeit, reflektiert wurden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere Terahertz-Vermessung eines Messobjektes und eine genaue Ermittlung einer Schichtdicke zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Messverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
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Somit wird eine Messvorrichtung mit mindestens einer Terahertz-Sende- und Empfangseinheit geschaffen, deren optische Achse verstellbar ist und während der Vermessung des Messobjektes verstellt wird.
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Hierbei erfolgt eine Sensierung der Messobjektes mittels eines zusätzlichen Sensors, der die Oberfläche des Messobjektes - berührungslos oder auch berührungs-behaftet - erfasst, wobei das Sensorsignal des Sensors von einer Steuereinrichtung aufgenommen und zur Verstellung der optischen Achse der Sende- und Empfangseinheit herangezogen wird.
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Es können mit geringem Aufwand Messungen mit ganz oder weitgehend senkrechten Einfall der Terahertz-Strahlung erfolgen, die zu einem hohen Signal und genauen Messungen führen.
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Hierbei ist keine Verstellung bzw. Nachführung des Messobjektes selbst erforderlich, was bei einigen Kunststoff-Produkten, insbesondere direkt nach der Produktion bei weichem Material, technisch aufwendig ist. So kann erfindungsgemäß insbesondere ein kontinuierliches bzw. im Endlos-Vorgang hergestelltes Kunststoff-Produkt, wie z. B. ein Kunststoff-Rohr oder eine Kunststoff-Folie, direkt nach der kontinuierlichen Herstellung durch die Messvorrichtung vermessen werden.
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Die Verstellung der optischen Achse kann gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen erfolgen:
- So kann zum einen ein Messkopf mit seiner optischen Achse als Ganzes verstellt werden, zum Beispiel mittels eines Winkel-Verstellmotors oder z. B. eines translatorischen Verstellmotors. Alternativ hierzu können der Sender und der Empfänger der Terahertz-Strahlung auch fest bleiben, und die Terahertz-Strahlung über eine optische Anordnung, zum Beispiel eine Spiegel-Anordnung mit mindestens einem verstellbaren Spiegel, zum Beispiel MetallSpiegel, Prisma oder anderer spiegelnder Oberfläche, so dass die zu verstellenden Masse gering ist. So kann zum Beispiel ein verstellbarer Spiegel im Strahlengang um den halben Verstellwinkel verstellt werden. Hierbei kann zur Anzeige der optischen Achse des Terahertz-Strahls auch zum Beispiel ein Laserstrahl in sichtbarem Bereich ergänzend eingekoppelt werden.
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Die Verstellung kann in einer oder zwei Achsen erfolgen. Bei Verstellung in nur einer Achse kann die Verstellung insbesondere senkrecht zur Transportrichtung, d.h. um eine Verstellachse parallel zur Transportrichtung erfolgen. Weiterhin kann zur Verstellung einer Achse ergänzend zum Beispiel auch eine Variation des Abstandes eines Messkopfes zum Messobjekt erfolgen. Bei einer Verstellung um zwei Achsen können z. B. die Verstellwinkel der beiden Achsen bzw. Richtungen unterschiedlich sein, je nach zu untersuchenden Messobjekt; so kann ein Verstellwinkel senkrecht zu einer Transportrichtung oder Förderrichtung des zu untersuchenden Messobjektes größer sein, da hier Fehl-Justierung bzw. Lagerfehler, zum Beispiel Rohrlagerfehler eines zu untersuchenden Kunststoff-Rohres, zu größeren Winkel-Fehlern führen als bei einer Fehlstellung der Oberfläche des Messobjektes entlang der Transportrichtung.
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Bei einer Messvorrichtung mit mehreren, zum Beispiel in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Terahertz-Sende- und Empfangseinrichtungen können die Messergebnisse bzw. aus den Messungen ermittelte Werte auch miteinander verglichen und für die anderen Terahertz-Sende- und Empfangseinrichtungen herangezogen werden. So kann aus der Laufzeit des Terahertz-Signals auch der Abstand der Oberfläche zur Sende- und Empfangseinheit bzw. deren Messkopf ermittelt werden, und hieraus zum Beispiel die Position oder Abweichung der Symmetrieachse eines Kunststoff-Rohres von einer Achsenmitte der Messvorrichtung ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß kann insbesondere eine Schichtdicke und/oder ein Abstand des Messobjektes, z. B. auch eine Außendimensionierung ermittelt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine Messvorrichtung zur Vermessung eines als Rohr ausgebildeten Messobjektes bei ungenauer Zentrierung ohne bzw. vor der Anpassung der Winkellage;
- 2 das Messprinzip der Ermittlung einer Schichtdicke bzw. Wanddicke eines Messobjektes aus Kunststoff bei einer Terahertz-Wanddickenmessung bei optimaler Zentrierung der Messvorrichtung;
- 3 das Messprinzip aus 2 bei ungenauer Zentrierung der Messvorrichtung;
- 4 die Messsituation mit dem Verfahren zur Vermessung einer Schichtdicke;
- 5 eine Ausführungsform einer Messvorrichtung bei ungenauer Winkeleinstellung; und
- 6 die der 5 entsprechende Ausbildung bei nachfolgender Kompensation durch Winkeleinstellung der Messvorrichtung:
- 7, 8 eine Ausführungsform mit translatorischer Verstellung einer Spiegel-Anordnung;
- 9, 10 eine Ausführungsform mit translatorischer Verstellung eines Messkopfs der Terahertz-Messvorrichtung; und
- 11, 12 eine Ausführungsform mit translatorischer Verstellung eines Aufnahmerings der Messvorrichtung.
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Eine Terahertz-Messvorrichtung 1 dient zur Vermessung eines Messobjektes 2, das hier ein Kunststoffrohr 2 ist, mit einer zylinderförmigen bzw. rohrförmigen Wand 3 der Wanddicke d. Die Messvorrichtung 1 kann insbesondere direkt in-line am Ende des Herstellungsprozesses, zum Beispiel eines Extruders, vorgesehen sein und entsprechend wird das Kunststoff-Rohr 2 in Längsrichtung, das heißt Produktionsrichtung und Förderrichtung, durch die Terahertz-Messvorrichtung 1 geführt.
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Idealerweise wird das Kunststoff-Rohr 2 zentral bzw. mittig, das heißt mit seiner Rohr-Achse B auf der Symmetrieachse Ader Terahertz- Messvorrichtung 1 geführt; es kann jedoch gemäß 1 eine dezentrale Lage, das heißt ein Rohrlagefehler mit einer Abweichung der Rohrachse B von der Symmetrieachse A vorliegen. Derartige Fehllagen können aufgrund eines Durchhängens des Kunststoff-Rohres 2 bzw. auch aufgrund von Schwingungen, bzw. des nachgiebigen Materials des frisch extrudierten Kunststoff-Rohres 2 erfolgen.
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Die Terahertz-Messvorrichtung 1 weist mehrere Terahertz-Sende-und Empfangseinheiten 4 auf, die über den Umfang der Terahertz- Messvorrichtung 1 verteilt angeordnet in das Innere, gemäß 1 auf die Symmetrieachse A hin ausgerichtet sind.
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Die Terahertz-Sende-und Empfangseinheiten 4 weisen jeweils einen in 1 angedeuteten Terahertz-Sender 5 auf zum Aussenden von Terahertz-Strahlung 7a, insbesondere im Frequenzbereich von 0,01 THz bis 50 THz, insbesondere 0,05 THz bis 20 THz, und insbesondere von 0,1 THz bis 10 THz, sowie eine angedeutete Empfangseinrichtung 6 für zurück-reflektierte Terahertz-Strahlung 7b in diesem Frequenzbereich auf. Die Ermittlung erfolgt in einer Steuereinrichtung 8, wobei jede Terahertz-Sende-und Empfangseinheiten 4 eine eigene Steuereinrichtung 8 aufweisen kann oder eine gemeinsame Steuereinrichtung 8 für die mehreren Terahertz-Sende-und Empfangseinheiten 4 vorgesehen ist. Die 2 bis 4 zeigen das Messprinzip detaillierter:
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2 zeigt Messungen bei korrekter Ausrichtung. Gemäß
2a sendet die Terahertz-Sende-und Empfangseinheit 4 Terahertz-Strahlung 7a zentral auf das Kunststoff-Rohr 2; gemäß der
2b wird entsprechend Terahertz-Strahlung 7a vertikal auf eine als Messobjekt dienende Kunststoff-folie 102 eingestrahlt. Das Kunststoff-Material der beiden Messobjekte 2 und 102 ist jeweils für die Terahertz-Strahlung 7 transparent; während jedoch Vakuum oder Luft einen Brechungsindex von n=1 aufweisen, weist das Kunststoff-Material einen Brechungsindex von etwa n=1,5 auf. Somit tritt an den Grenzflächenübergängen, das heißt auf der Rohrwand-Außenseite 2a und der Rohrwand-Innenseite 2b, bzw. der Folien-Außenseite 102a und der Folien-Innenseite 102b, jeweils eine teilweise Reflektion der Terahertz-Strahlung 7 bzw. statt.
2c zeigt das Messdiagramm der Amplitude Ader empfangenen Terahertz-Strahlung, bei der Messpeak p1 bei der Zeit t1 und der Messpeak p2 bei der Zeit t2 zu erkennen sind, deren zeitlicher Abstand t2-t1 den Laufzeitunterschied der Terahertz-Strahlung 7 beim zweimaligen Durchlaufen der Rohrwand 3 mit Wanddicke d und Brechungsindex n widergibt, d.h. z. B.
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Bei der ungenauen Zentrierung gemäß 3, die somit auch bei den meisten Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten 4 der 1 vorliegt, verläuft die optische Achse C der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 gemäß 3a nicht durch die Rohrachse B des Kunststoff-Rohrs 2 bzw. gemäß 3b nicht senkrecht zu der Kunststoff-Folie 102, sodass der reflektierte Terahertz-Strahl 7b nicht genau auf der optischen Achse C zurückreflektiert wird, sondern unter einem Fehllage-Winkel β ≠ 0 zu der optischen Achse C versetzt zurückreflektiert wird. Gemäß 3c ist somit eine schwache Amplitude des Messsignals zu erkennen, die bei größerem Fehllage-Winkel auch ganz verschwinden kann. Neben einem schwächeren Signal können auch Fehler in der Messung auftreten.
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Erfindungsgemäß wird die Winkellage, bzw. eine Fehl-Justierung der optischen Achse C der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 gegenüber der Oberfläche 2a oder 102a, ermittelt und korrigiert, oder aber durch Messung und Vergleich bei mehreren Winkellagen eine senkrechte Messung ermittelt.
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Hierbei ist eine Ausführungsform vorgesehen, mit der eine Messung bei senkrechter Ausrichtung der optischen Achse erreicht wird.
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Hierzu wird die Oberfläche 2a oder 102a durch einen weiteren Sensor, der als Positions-Sensor dient, erfasst. Der Positions-Sensor kann berührungslos oder berührungsbehaftet die genaue Position des Messobjektes 2 oder 102 erfassen, sodass der Messkopf 4a und somit die Positionen der optischen Achse C entsprechend automatisch nachgeführt und senkrecht auf die Oberfläche 2a oder 102a (eventuell 3a statt 2a) ausgerichtet wird.
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In 4 ist ein Messkopf 4a motorisch in seiner Winkellage in ein oder zwei Achsen verstellbar, sodass die optische Achse C des Messkopfes 4a in ein oder zwei Richtungen verstellt wird. Hierbei kann auch z. B. ergänzend zur der Verstellung einer Achse eine Entfernung d4 vom Messkopf 4a zum Prüfobjekt 2 oder 102 variiert werden.
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Gemäß der Ausführungsform der 4 kann somit der Messkopf 4a jeder Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 jeweils separat für sich eingestellt werden, indem eine Verstellung um eine Achse innerhalb eines Verstellwinkelbereichs α unter Messung der Signale gemäß 4c erfolgt.
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Die Position des Auftreffens der Terahertz-Strahlung 7, das heißt der Schnittpunkt der optischen Achse C mit der Oberfläche 2a oder 102a, kann auch durch die gemessene Winkel- bzw. Translations-Position der Verstellung des Positions-Sensors in Kombination mit dem Terahertz-Laufzeitsignal zurückgerechnet und bestimmt werden.
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Somit kann zum Beispiel bei der Anordnung aus 1 eine Laufzeitmessung durch eine Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 auch dazu dienen, nicht nur diese Terahertz-Sende-und Empfangseinheit 4 bzw. ihren gegebenenfalls verstellbaren Messkopf 4a einzustellen, sondern auch durch eine Laufzeitmessung den Abstand des Messobjektes 2 zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 zu bestimmen, sodass die absolute Position bekannt ist, sodass die Fehl-Positionierung der Rohrachse B gegenüber der Symmetrieachse Ader Messvorrichtung 1 ermittelbar ist, und auf dieser Grundlage auch bereits die anderen Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten 4 ausgerichtet bzw. korrigiert werden können. Somit ist bei der Ausbildung nach 1 mit einer Terahertz-Messvorrichtung 1 mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten 4 ist nicht erforderlich, das sämtliche Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten 4 eine derartige Kompensation der Winkellage bzw. eine Ermittlung der Fehlposition durchführen, um eine Kompensation bzw. Korrektur der Position vorzunehmen.
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5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Kompensation der Winkellage der optischen Achse C der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 4 korrigiert wird, wobei hier nicht ein Messkopf 4a verstellt wird, sondern der Terahertz-Strahl 7 über eine oder mehrere Spiegel 10, 11 abgelenkt wird, zum Beispiel einen festen Spiegel 10 und einen verstellbaren Spiegel 11. Durch Verstellung des verstellbaren Spiegels 11 kann entsprechend die optische Achse C zur Kompensation der Winkellage verstellt werden. Somit kann bei dieser Ausführungsform einer Verstellung des verstellbaren Spiegels um den halben Verstellwinkelbereich α erfolgen.
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Gemäß 5 und 6 ist zum Beispiel der feste Spiegel 10 als Prisma oder halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet, sodass hier - oder auch an einer anderen Stelle- ein optischer Laser 11 zur als Positionsmarker dem Terahertz-Strahl 7 überlagert werden kann. Die Überlagerung kann zur visuellen Überprüfung dienen, weiterhin kann grundsätzlich auch in der Messvorrichtung 1 eine optische Kamera zur Erfassung der durch den Positionsmarker erzeugten Punkte und Ermittlung der Position des Messobjektes 2, 102 vorgesehen sein.
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Somit kann erfindungsgemäß in-line bei Produktion des Messobjektes, zum Beispiel des in 1 gezeigten Kunststoff-Rohrs 2 oder der Kunststoff-Folie 102, fortlaufend eine Winkellage sämtlicher Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten 4 korrigiert werden.
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Neben derartigen Winkel-Verstellungen sind weiterhin auch translatorische Verstellungen der optischen Achse C der ausgesandten Terahertz-Strahlung 7a möglich. Die 7 bis 12 zeigen verschiedene Ausführungen derartiger translatorischer Verstellungen:
- Gemäß 7 und 8 wird der verstellbare Spiegel 11 nicht geschwenkt, sondern translatorisch verstellt. Die Spiegelflächen des festen Spiegels und des verstellbaren Spiegels 11 verlaufen somit z. B. jeweils parallel zueinander. Somit wird z. B. von der Ausgangsstellung der Fig, 7 aus der verstellbare Spiegel 11 translatorisch verstellt und erreicht in der Position der 8 die Messposition, bei der die ausgesandte Terahertz-Strahlung 7a senkrecht auf die Wand des Messobjektes 2 fällt, was wiederum als maximale Amplitude oder maximal detektiertes Signal ermittelt wird. Somit werden wiederum mehrere Messpositionen des verstellbaren Spiegels 11 angefahren, in denen Messungen vorgenommen werden. Bei der gezeigten Ausführungsform der 7 und 8 lenkt der feste Spiegel 10 die ausgesandte Terahertz-Strahlung 7a unter einem rechten Winkel um; bei einer derartigen Ausbildung ist auch eine Verstellung des verstellbaren Spiegels 11 in dieser Verstellrichtung E, die senkrecht zur optischen Achse C und weiterhin senkrecht zur Rohrachse B des Messobjektes 2 verläuft, sinnvoll, wobei jedoch auch andere translatorische Verstellrichtungen möglich sind. Gemäß 8 wird z. B. eine Verstellstrecke s des verstellbaren Spiegels 11 eingestellt, bis eine Messposition mit senkrechtem Einfall der Terahertz-Strahlung 7a auf das Messobjekt 2 erreicht wird. Die weiteren Erläuterungen zu den o. g. Ausführungsformen gelten für die Ausführungsform der 7, 8 entsprechend.
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Gemäß der Ausführungsform der 9 und 10 wird nicht nur ein verstellbarer Spiegel 11 einer Spiegelanordnung, sondern der gesamte Messkopf 4a translatorisch entlang einer Führungseinrichtung 17 verstellt, z. B. wiederum in einer Verstellrichtung E senkrecht zur optischen Achse C und senkrecht zur Rohrachse B bzw. Symmetrieachse des jeweiligen Messobjektes 2, so dass wiederum Messungen in den verschiedenen Verstell- Positionen bzw. Mess-Positionen aufgenommen und miteinander verglichen werden können, mit entsprechender Auswertung der Messungen gemäß den obigen Ausführungsformen, so dass gemäß 10 bei einer Verstellstrecke sein senkrechter Einfall der Terahertz-Strahlung vorliegt.
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Bei der Ausführungsform der 11 und 12 wird nicht nur ein einzelner Messkopf 4a, sondern die gesamte Messvorrichtung 1 bzw. ein Aufnahmering 14, an dem die Terahertz-Sende- und-Empfangseinheiten 4 ringförmig angeordnet sind, translatorisch verstellt gegenüber z. B. einem Gestell 15 oder Basis 15 der Terahertz-Messvorrichtung 1. Hierbei können z. B. Verstellungen in zwei Achsen bzw. der Ebene senkrecht zur Rohrachse B und zur Symmetrieachse Ader Messvorrichtung 1 durchgeführt werden, d. h. z. B. wie eingezeichnet in der Verstellrichtung E und einer Verstellrichtung entlang der optischen Achse C, oder einer anderen Achse in dieser Ebene.
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Weiterhin sind auch jedwede Kombinationen von Kippungen, d. h. Verstellungen um Verstellwinkel, und translatorischen Verstellungen möglich.
