DE102016103298A1

DE102016103298A1 - Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zum Ermitteln mindestens einer Schichtdicke

Info

Publication number: DE102016103298A1
Application number: DE102016103298.0A
Authority: DE
Inventors: Marius Thiel
Original assignee: Inoex GmbH
Current assignee: Inoex GmbH
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: DE102016103298B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung (1) zum Ermitteln mindestens einer Schichtdicke (d) mindestens einer Schicht (6) eines Prüfobjektes (6) mittels einer Laufzeitmessung, wobei die Messvorrichtung (1) aufweist: eine Terahertz-Sende und -Empfangseinheit (2) zum Aussenden von Terahertz-Sendestrahlung (3) auf und durch ein Prüfobjekt (6, 106), Empfangen reflektierter Terahertz-Strahlung (4; 4a, 4b, 4c, 4d) und Erzeugen einer Signalamplitude (S(t)), einen in der optischen Achse (A) vorgesehen Spiegel (5) zum Reflektieren von durch das Prüfobjekt (2, 102) gelangter Terahertz-Strahlung (3) zurück durch das Prüfobjekt (6, 106) zu der Sende- und Empfangseinheit (2), eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) zum Aufnehmen der Signalamplitude (S(t) als Funktion der Zeit (t) oder Frequenz und zum Ermitteln der Schichtdicke (d), wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) ausgelegt ist, einen Totalreflexions-Peak (TR) einer Totalreflexion an dem Spiegel (5) zu ermitteln, einen zeitlich vor dem Totalreflexions-Peak (TR) liegenden ersten Messpeak (M1,2) und seinen ersten zeitlichen Messabstand (Δt1) zu dem Totalreflexions-Peak (TR) zu ermitteln, sowie einen zeitlich nach dem Totalreflexions-Peak (TR) liegenden zweiten Messpeak (M3,4) und seinen zweiten zeitlichen Messabstand (Δt2) zu dem Totalreflexions-Peak (TR) zu ermitteln, die Schichtdicke (d) aus den zeitlichen Messabständen (Δt1, Δt2) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zur Ermitteln mindestens einer Schichtdicke eines Prüfobjektes.
Terahertz-Messverfahren ermöglichen die Untersuchung von Prüfobjekten aus z. B. Kunststoff, Papier, Steingut wie Porzellan usw. ohne direkten Kontakt mit dem Prüfobjekt. Hierbei sind Laufzeitmessungen bekannt, bei denen Terahertz-Strahlung auf ein Prüfobjekt eingestrahlt, die an Grenzflächen zwischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex jeweils teilweise reflektiert werden, so dass Laufzeitunterschiede der reflektierten Strahlungen zur Ermittlung von Schichtdicken herangezogen werden können.
Es zeigt sich hierbei, dass insbesondere die Ermittlung relativ geringer Schichtdicken problematisch ist und von der Bandbreite der ausgesandten Terahertz-Strahlung sowie der Auflösung des Detektors der Sende- und Empfangseinheit abhängt. Insbesondere ist die Auflösbarkeit geringer Schichtdicken mittels vollelektronischer Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten, die Dipole zum Erzeugen und Aussenden der Terahertz-Strahlung sowie zum Empfang und Detektieren der Terahertz-Strahlung verwenden, begrenzt. So können insbesondere die Messpeaks zweier nah aneinander liegender Grenzflächen, insbesondere einer Vorderseite und Rückseite einer dünnen Schicht, in der Signalamplitude zeitlich nicht eindeutig getrennt werden.
Der Einsatz von Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten mit hoher Leistung, hoher Bandbreite und hoher Auflösung ist hier jedoch sehr aufwendig, auch da hier oftmals optische Systeme, z. B. mit Femtosekunden-Lasern, eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zum Ermitteln mindestens einer Schichtdicke eines Prüfobjektes zu schaffen, die mit relativ geringem Aufwand eine hohe Auflösung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 1 und einem Terahertz-Messverfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
Hierbei ist die erfindungsgemäße Terahertz-Messvorrichtung insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Terahertz-Messverfahrens und das erfindungsgemäße Terahertz-Messverfahren insbesondere unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Terahertz-Messvorrichtung vorgesehen.
Somit ist ein Spiegel vorgesehen, der hinter dem zu untersuchenden Prüfobjekt platziert wird; die Messvorrichtung weist somit die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit und diesen zusätzlichen Spiegel, ggf. auch mehrere Spiegel auf, wobei zwischen der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit und dem Spiegel der Messraum definiert ist.
Der mindestens eine Spiegel ist hierbei vorteilhafterweise senkrecht zur optischen Achse der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit positioniert, so dass er die auftreffende Terahertz-Strahlung wieder lotrecht zurückreflektiert. Somit gelangt die ausgesandte Terahertz-Strahlung zunächst durch das Prüfobjekt mit seiner mindestens einen Schicht, wird an der Vorderseite und Rückseite der mindestens einen Schicht teilweise reflektiert, was zu einem ersten überlagerten Messpeak führt. Ein Großteil der Strahlung tritt durch das Prüfobjekt und wird nachfolgend an dem Spiegel total reflektiert und auf die Schicht zurückgeworfen, so dass sie von der Rückseite her durch die Rückseite und Vorderseite des Prüfobjektes tritt und hierdurch einen zweiten überlagerten Messpeak erzeugt.
Die beiden überlagerten Messpeaks ermöglichen im Allgemeinen bei geringen Schichtdicken keine Differenzierung der einzelnen Beiträge der Grenzflächen der Schicht. Der Erfindung liegt jedoch der Gedanke zugrunde, aus einem Vergleich der beiden überlagerten Messpeaks, insbesondere ihren zeitlichen Abständen zu dem Totalreflektionspeak des Spiegels, Informationen zu gewinnen.
Hierzu können insbesondere signifikante Zeitpunkte bzw. Flankenbereiche der Messpeaks z. B. der Zeitpunkt an einer Halbwertsbreite oder auch z. B. an einem 10 Prozent- oder 25 Prozentwert jeweils der ansteigenden Flanke oder jeweils der abfallenden Flanke herangezogen werden. Ein Vergleich der Zeitpunkte der Messpeaks, insbesondere auch eine Differenz der zeitlichen Abstände zum Totalreflektionspeak, enthält Informationen über die Schichtdicke, die nachfolgend ausgewertet werden können.
Insbesondere bei vollelektronischen Systemen, d. h. insbesondere mit Sende-Dipol und Empfangs-Dipol, kann frequenzmodulierte THz-Strahlung ausgesandt werden, so dass eine Auswertung als Funktion der Frequenz erfolgt, was mathematisch einer Auswertung nach der Zeit entspricht bzw. durch Fourier-Transformation ineinander überführt wird. Somit können die zeitlichen Messabstände direkt im Frequenzraum ermittelt werden bzw. nach Umrechnung, z. B. mittels Fourier-Transformaiton, im Zeitraum ermittelt werden.
Die Beschreibung der Erfindung erfolgt hier insbesondere als Auswertung nach der Zeit, wobei die Ausführungen bei Frequenz-Auswertung mit erfasst sind.
Die Erfindung ermöglicht einige Vorteile:
So wird ohne großen apparativen Aufwand eine hohe Auflösung ermöglicht. Auch der zusätzlich vorgesehene Spiegel führt zu keinem hohen Aufwand; vielmehr wird hierdurch der Vorteil erreicht, dass auch eine Vermessung eines Prüfobjektes von der Rückseite her ermöglicht wird, so dass an der gegenüber liegenden Seite eine Sende- und Empfangseinheit wegfallen kann, wobei die Positionierung von Sende- und Empfangseinheiten an gegenüber liegenden Seiten ohnehin zu gegenseitigen Beeinflussungen führen kann.
Weiterhin ist auch ohne größeren apparativen Aufwand die Vermessung mehrschichtiger Systeme möglich, da die einzelnen Beiträge der Schichten voneinander getrennt werden können. So kann z. B. auch ein Rohr als Schichtsystem aus zwei Materialschichten mit dazwischen liegender Luftschicht vermessen werden, so dass die Wanddicke an zwei Stellen gleichzeitig vermessen wird und weiterhin ein Rohrdurchmesser bestimmt wird.
Somit kann z. B. ein derartiges Rohr durch mehrere Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten vermessen werden, die lediglich in einer etwa halbkreisförmigen Anordnung um das als Prüfobjekt dienende Rohr herum angeordnet sind. Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten stören sich somit dabei auch nicht gegenseitig, da sie sich nicht gegenüber liegen.
Hierbei können Prüfobjekte aus für Terahertz-Strahlung durchlässigen Materialien wie Kunststoff, auch faserverstärktem Kunststoff wie z. B. GfK, CfK, Verbundstoff, Papier oder einem Keramikmaterial vermessen werden.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 eine Messvorrichtung zur Ermittlung einer Schichtdicke eines einschichtigen Prüfobjektes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 das Messdiagramm zu 1 als Darstellung der Signalamplitude gegenüber der Zeit;
3 eine schematische Darstellung einer Auswertung des Signaldiagramms gemäß einer Ausführungsform;
4 eine Messvorrichtung zur Ermittlung mehrerer Schichtdicken eines Prüfobjektes am Beispiel eines Rohres;
5 ein Flussdiagramm eines Messverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 eine der 1 entsprechende Darstellung mit einem Teil der Strahlenverläufe.
Eine Messvorrichtung 1 weist eine Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 zum Senden von Terahertz-Sendestrahlung 3 entlang einer optischen Achse A und zum Empfangen reflektierter Terahertz-Strahlung 4, sowie einen Spiegel 5 auf, der senkrecht zur optischen Achse A angeordnet ist und daher die Terahertz-Strahlung 3 entlang der optischen Achse A zurück reflektiert.
Die Terahertz-Strahlung 3, 4 liegt hier im Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz, insbesondere 100 GHz bis 3 THz und wird vollelektronisch mit relativ geringer Intensität und Bandbreite ausgestrahlt, was zu breiten Messpeaks führt.
Die gleiche Anordnung mit dem gleichen Verfahren kann jedoch auch für optisch-elektronische Messvorrichtungen eingesetzt werden, d. h. insbesondere auch mit optischen Kurzpulslasern, wie Femtosekundenlasern, die schmalbandige THz-Messverfahren mit hoher Intensität ermöglichen, so dass entsprechend kleine Wandstärken vermessen werden können.
Zwischen der Sende- und Empfangseinheit 2 und dem Spiegel 5 wird ein Messraum 9 definiert, in dem Prüfobjekte vermessen werden können.
Gemäß 1 ist in dem Messraum 9 der Terahertz-Messvorrichtung 1 ein einschichtiges Prüfobjekt mit der Schicht 6, zum Beispiel eine Kunststoff-Folio aufgenommen, die mit der Geschwindigkeit und Richtung v senkrecht zur optischen Achse A gefördert wird. Die Schicht 6 weist senkrecht zur optischen Achse A eine Schichtdicke d auf und ist von der Sende- und Empfangseinheit 2 in einem Vorlauf a und von dem Spiegel 5 in einer Spiegelstrecke b entfernt. Die Abstände a und b sind von den Oberflächen 6a und 6b des Prüfobjektes 6 aus gemessen, so dass der Gesamtabstand des Spiegels 5 von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 die Summe dieser drei Wegstrecken, das heißt a + d + b beträgt.
Ergänzend kann eine hier nicht gezeigte Optik zwischen der Sende- und Empfangseinheit 2 und dem Prüfobjekt 6 vorgesehen sein.
Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 nimmt die aus mehreren Bestandteilen zusammen gesetzte reflektierte Strahlung 4 auf und erzeugt eine Signalamplitude S hier als Funktion der Zeit t, die nachfolgend von einer Steuer- und Recheneinheit 8 ausgewertet wird. Alternativ hierzu kann insbesondere auch bei vollelektronischen Sende- und Empfangseinheiten eine FM-Modulation erfolgen und die Signalamplitude als Funktion der Frequenz aufgetragen werden, bzw. es kann zwischen der Zeit- und Frequenz-Abhängigkeit durch eine Fourier-Transformation umgerechnet werden. 2 zeigt schematisch Peaks der Signalamplitude S mit einzelnen Beiträgen der reflektierten Strahlung 4; 3 zeigt ein tatsächliches Messdiagramm und seine Auswertung:
Wie aus 1 ersichtlich ist, fällt der Sendestrahl 3 nach dem Vorlauf a auf die Vorderseite 6a des Prüfobjektes 6, wobei die Vorderseite 6a eine Grenzfläche von der Umgebung 7, das heißt dem Medium Luft mit einem Brechungsindex n0 = 1 zu dem Prüfobjekt 6 mit einem optisch dichteren Medium, bei Kunststoff zum Beispiel n6 = 1,5 darstellt. Beim Übergang bzw. beim Eintritt in die Vorderseite 6a wird ein erster Reflexionsstrahl 4a zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 zurück reflektiert, der somit insgesamt von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 und nach Reflektion an der Vorderseite 6a zurück eine Wegstrecke von 2·a zurück legt und in dem idealisierten Signaldiagramm der 2 bei t4a detektiert wird. Der Anteil der bei einem derartigen Grenzübergang reflektierten Strahlung liegt bei etwa 4% der Intensität oder der Signalamplitude, sodass ein Großteil der ausgesandten Strahlung 3 in das Prüfobjekt 6 tritt und nachfolgend an der Rückseite 6b des Prüfobjektes 6 wiederum teilweise reflektiert wird, sodass zum Zeitpunkt t4b ein zweiter Reflexionsstrahl 4b detektiert wird.
Der durch das Prüfobjekt 6 hindurch tretende Sendestrahl 3 wird nachfolgend an dem Spiegel 5 total reflektiert, was in dem Signaldiagramm der 2 und 3 zu einem sehr starken, hier schematisiert verkleinerten Totalreflektionspeak TR bei dem Zeitpunkt t4c führt.
Der zurück reflektierte Total-Reflexionsstrahl 4c fällt nach der Spiegelstrecke b auf die Rückseite 6b des Prüfobjektes 6, wobei auch bei diesem Grenzflächeneintritt ein Reflexionsstrahl 4d erzeugt wird. Nachfolgend wird von dem Total-Reflexionsstrahl 4c beim Durchtritt durch die Oberseite 6a ein weiterer Reflexionsstrahl 4e erzeugt. Die Reflexionsstrahlen 4d und 4e gelangen zum Spiegel 5, werden dann zurück reflektiert und fallen nach Durchtritt durch die Schicht 6 zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2, wo sie zu den Zeitpunkten t4d und t4e detektiert werden.
Die Reflexionsstrahlen 4a, 4c und 4d sind in 6 zur Verdeutlichung noch einmal dargestellt.
Mehrfachreflexionen an den Grenzflächen 6a, 6b werden hierbei jeweils vernachlässigt, da sie zu sehr kleinen Intensitätsbeiträgen führen, die hier nicht berücksichtigt werden.
Somit ergibt sich grundsätzlich das idealisierte Messdiagramm der 2, bei dem bei den Zeitpunkten t4a und t4b die ersten beiden, direkt reflektierten Reflexionspeaks P1 und P2 der ausgesandten Sendestrahlung 3 auftreten, nachfolgend bei t4c der intensive Totalreflektionspeak TR und nachfolgend zu den Zeitpunkten t4d und t4e die zweimal am Spiegel 5 reflektierten Reflexionspeaks P3, P4, die beim rückseitigen Eintritt in die Schicht 6 sowie Austritt aus der Schicht 6 erzeugt werden. Der Laufzeitunterschied zwischen t4a und t4b, sowie auch zwischen t4d und t4e gibt die Schichtdicke wieder, die unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit c und des Brechungsindex n6 berechnet werden kann.
Aufgrund der kleinen Schichtdicke d und der geringen erreichbaren Genauigkeit, die z. B. von der Bandbreite und Messgenauigkeit abhängt, sind die überlagerten (ineinander übergehenden) Reflexionspeaks P1 und P2 zu den Zeitpunkten t4a und t4b sowie die Reflexionspeaks P3 und P4 zu den Zeitpunkten t4d und t4e zu breit und somit nicht trennbar; zu messen sind lediglich ein vor dem Totalreflektionspeak TR auftretender erster Messpeak M1,2 des vorderseitigen Strahlungseinfalls und ein nach dem Totalreflektionspeak TR auftretender zweiter Messpeak M3,4 des rückseitigen Strahlungseinfalls. Der Totalreflexions-Peak Tr selbst ist aufgrund seiner hohen Intensität sehr genau zu messen, so dass auch sein mittlerer Zeitpunkt t4c sehr genau bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird erkannt, dass die Messpeaks M1,2 und M3,4 unterschiedliche Abstände zu dem Totalreflexions-Peak Tr aufweisen, insbesondere bei Vergleich jeweils ihrer einfallenden oder jeweils ihrer ausfallenden Flanken zu dem zeitlichen Mittelwert des Totalreflexions-Peaks Tr. Dies ist insbesondere auch aus 6 zu erkennen:
Bei der Berechnung der Signalstrecken sind die Brechungsindices zu berücksichtigen. Mit

n0: Brechungsindex Luft
n6: Brechungsindex der Schicht 6
vc: Lichtgeschwindigkeit Vakuum
ta: Signallaufzeit in dem Vorlauf a
td: Signallaufzeit in Schichtdicke d
tb: Signallaufzeit in Spiegelstrecke b

Signalstrecke (4a) = 1/2·(ta/n0)·vc

Signalstrecke (4c) = 1/2·(ta/n0 + td/n6 + tb/n0)·vc

Signalstrecke (4d) = 1/2·(ta/n0 + td/n6 + tb/n0)·vc + 1/2·(tb/n0)·vc

Δt1 = t4c – t4a = 2·n6·d/vc + 2·n0·b/vc;

Δt2 = t4d – t4c = 2·n0·b/vc

d ~ (Δt1 – Δt2) ist allgemein gültig als Proportional-Beziehung,

d = (Δt1 – Δt2)·1/2·vc/n6

Somit weisen jeweils die Anstiegsflanken (Eingangsflanken) der Messpeaks M1,2 und M3,4 unterschiedliche Zeitabstände zu dem mittleren Zeitpunkt t4c des Totalreflektionspeaks TR auf. Zur quantitativen Auswertung können gemäß 3 die überlagerten Messpeaks M1,2 und M3,4 jeweils z. B. auf die Halbwertsbreite ihrer Anstiegsflanke hin festgelegt werden, so dass sich unterschiedliche Zeitabstände Δt1 vom Messpeak M1,2 zu dem Zeitpunkt t4c des Totalreflexionspeaks TR, und Δt2 von dem Messpeak M3,4 zu dem Zeitpunkt t4c des Totalreflexionspeaks Tr ergeben, wobei Δt1 > Δt2.
Aus Δt1 und Δt2 kann nachfolgend die Schichtdicke d quantitativ bestimmt werden; das kann zum einen durch eine Kalibrierung an unterschiedlichen Schichtdicken, oder auch direkt über den Ansatz d = (Δt1 – Δt2)·1/2·vc/n6
Die Ausführungsform der 4 zeigt die Vermessung eines Prüfobjektes mit mehreren Schichten, hier eines Rohres 106; relevant ist auch hier lediglich, dass der Spiegel 5 orthogonal auf der optischen Achse A steht. Eine vorteilhafte Vermessung erfolgt, wenn die optische Achse A durch die Rohrachse B verläuft, da dann die Grenzflächen jeweils senkrecht auf der optischen Achse A stehen. Das Rohr wird somit untersucht als Dreischicht-System mit einer ersten Schicht, hier der vorderen Rohrwand 16, einer nachfolgenden zweiten Schicht, d. h. der Luftschicht des Rohrinneren 36, und der hinteren Rohrwand als dritte Schicht 26. Hier können insbesondere auch Messungen entsprechend 2 und 3 untersucht werden, da die beiden Messpeaks M1,2 und M3,4 jeweils der beiden Schichten 16 und 26 zeitlich hinreichend weit getrennt sind. Auch hier werden unerwünschte Mehrfachreflexionen nicht beachtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 5 weist somit folgende Schritte auf:
Nach dem Start in St0 wird nachfolgend

– gemäß Schritt St1 von der Sende- und Empfangseinheit 2 die Sendestrahlung 3 ausgesandt auf das Prüfobjekt 6,
– in Schritt St2 nachfolgend die reflektierte Strahlung 4 aufgenommen, d. h. gemäß den Unterschritten = St2a zum Zeitpunkt TP1,2 der erste Messpeak M1,2, = St2b zum Zeitpunkt t4c der Totalreflektionspeak TR, und = St2c zum Zeitpunkt TP3,4s der zweite Messpeak M3,4, und die Signalamplitude S(t) an die Steuer- und Auswerteeinheit 8 ausgegeben,
– in Schritt St3 wird dann der Totalreflexionspeak Tr und hieraus der Zeitpunkt t4c ermittelt,
– in Schritt St4 werden die Messpeaks M1,2 und M3,4 ermittelt, wobei jeweils ein charakteristisches Merkmal, z. B. wie eingezeichnet Zeitpunkt TP1,2 der Halbwertsbreite der Anstiegsflanke des Messpeaks P1,2 und ein Zeitpunkt TP3,4 der Halbwertsbreite der Anstiegsflanke des Messpeaks P3,4 ermittelt, was durch gängige Signalverarbeitungs-Algorithmen mit Peakerkennung und Flankenberechnung in standardisierter Weise durchgeführt werden kann,
– nachfolgend werden in Schritt St5 die Zeitabstände Δt1 und Δt2 ermittelt,
– woraufhin dann in Schritt St6 die Schichtdicke t aus der Kalibrierung oder einer quantitativen Berechnung ermittelt werden kann.

Nachfolgend kann gemäß Schritt St7 der Messwert d mit einem Referenzwert oder Referenzbereich (Toleranzbereich) verglichen werden, um ggf. ein Fehlersignal auszugeben, falls der Toleranzbereich der auszubildenden Schichtdicke nicht eingehalten wird.
Das Verfahren wird nachfolgend zurückgesetzt, da es fortlaufend zu kontinuierlichen Vermessung eines vorbeigeführten Prüfobjektes 6 oder 106 durchgeführt wird.

Claims

Terahertz-Messvorrichtung (1) zum Ermitteln einer Schichtdicke (d) mindestens einer Schicht (6, 16, 26, 36) eines Prüfobjektes (6, 106) mittels einer Laufzeitmessung, wobei die Messvorrichtung (1) aufweist: eine Terahertz-Sende und -Empfangseinheit (2) zum Aussenden von Terahertz-Sendestrahlung (3) auf und durch ein Prüfobjekt (6, 106), zum Empfangen reflektierter Terahertz-Strahlung (4; 4a, 4b, 4c, 4d) und zum Erzeugen einer Signalamplitude (S(t)), einen in der optischen Achse (A) vorgesehenen Spiegel (5) zum Reflektieren von durch das Prüfobjekt (2, 102) gelangter Terahertz-Strahlung (3) zurück durch das Prüfobjekt (6, 106) zu der Sende- und Empfangseinheit (2), eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) zum der Signalamplitude (S(t) als Funktion der Zeit (t) oder der Frequenz (f) und zum Ermitteln der Schichtdicke (d), wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) ausgelegt ist, – einen Totalreflexions-Peak (TR) einer Totalreflexion an dem Spiegel (5) zu ermitteln, – einen zeitlich vor dem Totalreflexions-Peak (TR) liegenden ersten Messpeak (M1,2) und seinen ersten zeitlichen Messabstand (Δt1) zu dem Totalreflexions-Peak (TR) zu ermitteln, sowie – einen zeitlich nach dem Totalreflexions-Peak (TR) liegenden zweiten Messpeak (M3,4) und seinen zweiten zeitlichen Messabstand (Δt2) zu dem Totalreflexions-Peak (TR) zu ermitteln, – die Schichtdicke (d) aus den zeitlichen Messabständen (Δt1, Δt2) zu ermitteln.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Terahertz-Sende und -Empfangseinheit (2) zum Aussenden von Terahertz-Sendestrahlung (3) entlang einer optischen Achse (A) durch das Prüfobjekt und auf den Spiegel (5) ausgerichtet ist, wobei der Spiegel (5) senkrecht zu der optischen Achse (A) ausgerichtet ist.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (8) eine Differenz der zeitlichen Messabstände (Δt1, Δt2) bildet und aus der Differenz und einem Brechungsindex (n6) der Schicht (6, 16, 26) die Schichtdicke (d) ermittelt, insbesondere nach der Gleichung d = (Δt1 – Δt2)·1/2·vc/n6, mit d = zu bestimmende Schichtdicke, vc = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n6 = Brechungsindex der Schicht (6, 16, 26), Δt1 = erster zeitlicher Messabstand, Δt2 = zweiter zeitlicher Messabstand
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) den zeitlichen Messabstand (Δt1, Δt2) der Messpeaks (M1,2; M3,4) jeweils an von den Maximalwerten der Messpeaks (M1,2; M3,4) abweichenden Flankenbereichen der Messpeaks (M1,2; M3,4) oder jeweils an den Maximalwerten der Messpeaks (M1,2; M3,4) ermittelt.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) zur Ermittlung der zeitlichen Messabstände (Δt1, Δt2) – vergleichbare Zeitpunkte der Anstiegsflanken der Messpeaks (M1‚2; M3,4), vorzugsweise jeweils an einer Halbwertsbreite der Anstiegsflanke der Messpeaks (M1,2; M3,4) oder an jeweils einem anderen signifikanten Punkt der Messpeaks, und – einen mittleren Zeitpunkt (t4c) des Totalreflektionspeaks (TR) heranzieht.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fördereinrichtung zum Fördern des Prüfobjektes (6, 106) senkrecht zur optischen Achse (A) aufweist.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) bei einer Vermessung eines Prüfobjektes (106) mit mehreren Schichten (16, 36, 26) die mehreren Messpeaks jeweils den einzelnen Schichten auf Grundlage der zeitlichen Abstände der Messpeaks zu dem Totalreflektionspeak (TR) des Spiegels zuordnet.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (2) zum Aussenden von Terahertz-Strahlung (3) und Detektieren reflektierter Terahertz-Strahlung (4) im Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz, insbesondere von 100 GHz bis 3 THz ausgebildet ist, insbesondere vollelektronisch mit Sende-Dipol und Empfangs-Dipol.
Terahertz-Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Sende- und Empfangseinheit (2) zum Aussenden und Detektieren von frequenzmodulierter Terahertz-Strahlung (3, 4) ausgebildet ist, insbesondere vollelektronisch mit Sende-Dipol und Empfangs-Dipol, und die zeitlichen Messabstände im Frequenzraum oder nach Umrechnung, z. B. mittels Fourier-Transformation, im Zeitraum ermittelt.
Terahertz-Messverfahren zum Ermitteln mindestens einer Schichtdicke (d) eines Prüfobjektes (6, 106) mit mindestens folgenden Schritten: Aussenden von Terahertz-Strahlung (3) mittels einer Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (2) auf ein Prüfobjekt (6, 106) mit mindestens einer Schicht (6, 16, 26) (St1), Detektieren eines ersten Messpeaks (P1,2) der von einer Vorderseite (6a) der Schicht (6) und einer Rückseite (6b) der Schicht (6) reflektierten Strahlung (4a, 4b), (St2a), Detektieren eines Totalreflexions-Peaks (TR) der nach Durchtritt der ausgesandten Terahertz-Strahlung (3) durch das Prüfobjekt (6, 106) und Totalreflexion an einem nachfolgenden Spiegel (5) zurück reflektierten Strahlung (4c) (St2b), Detektieren eines zeitlich nach dem Totalreflexions-Peaks (TR) folgenden zweiten Messpeaks (M3,4), der von dem Spiegel (5) zurückreflektierte und an der Rückseite (6b) sowie an der Vorderseite (6a) der Schicht (6) reflektierte Strahlung (4d, 4e) enthält, die von dem Spiegel (5) zu der Sende- und Empfangseinheit (2) zurückreflektiert worden ist (St2c), Ermittlung des Totalreflexions-Peaks (TR) und seines Zeitpunktes (t4c) (St3), Ermittlung jeweils eines relevanten Zeitpunktes (TP1,2; TP3,4) des ersten Messpeaks (M1,2) und des zweiten Messpeaks (M3,4) (St4), Ermittlung von zeitlichen Messabständen (Δt1, Δt2) der Messpeaks (M1,2; M3,4) von dem Totalreflexionspeak (TR) (St5), Ermittlung der mindestens einen Schichtdicke (d) aus den ermittelten zeitlichen Messabständen (Δt1, Δt2) (St6).
Terahertz-Messverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Messabstand (Δt1, Δt2) der Messpeaks (M1,2; M3,4) jeweils an einem Zeitpunkt an von den Maximalwerten der Messpeaks (M1,2; M3,4) abweichenden Flankenbereichen der Messpeaks (M1,2; M3,4), z. B. an der Halbwärtsbreite der Anstiegsflanke, oder jeweils an den Maximalwerten der Messpeaks (M1,2; M3,4) ermittelt wird.
Terahertz-Messverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Schichtdicke (d) eine Differenz der zeitlichen Messabstände (Δt1, Δt2) gebildet und aus der Differenz und einem Brechungsindex (n6) der Schicht (6, 16, 26) die Schichtdicke (d) ermittelt wird, insbesondere nach der Gleichung d = (Δt1 – Δt2)·1/2·vc/n6, mit d = zu bestimmende Schichtdicke, vc = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n6 = Brechungsindex der Schicht (6, 16, 26), Δt1 = erster zeitlicher Messabstand, Δt2 = zweiter zeitlicher Messabstand.
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfobjekt (6, 106) aus Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff, einem Verbundstoff, Papier oder einem Keramikmaterial vermessen wird.
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Terahertz-Strahlung (3) im Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz, insbesondere von 100 GHz bis 3 THz, ausgestrahlt und detektiert wird, insbesondere vollelektronisch mit Sende-Dipol und Empfangs-Dipol.
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass frequenzmodulierte Terahertz-Strahlung (3) erzeugt und ausgestrahlt wird und reflektierte frequenzmodulierte Terahertz-Strahlung (4) detektiert wird, insbesondere vollelektronisch mit Sende-Dipol und Empfangs-Dipol, und die zeitlichen Messabstände (Δt1, Δt2) im Frequenzraum oder nach Umrechnung, z. B. mittels Fourier-Transformation, im Zeitraum ermittelt und ausgewertet werden.
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Prüfobjekt (6, 106) mit mehreren Schichten (16, 26, 36) jeweils Messpeaks der einzelnen Schichten vor und nach dem Totalreflexions-Peak (TR) ermittelt und zugeordnet werden, insbesondere aufgrund der zeitlichen Messabstände zu dem Totalreflexion-Peak (TR).
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Schichtdicke (d) mit einem Referenzwert oder Toleranzbereich verglichen wird und bei Nichteinhalten des Referenzwertes oder Toleranzbereiches ein Signal ausgegeben wird.
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer kontinuierlichen Förderung des Prüfobjektes (6, 106) in einer Förderrichtung (v) senkrecht zur optischen Achse (A) erfolgt, insbesondere im Anschluss an die Herstellung des Prüfobjektes (6, 106).
Terahertz-Messverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messpeak (M1,2) bewertet wird als Überlagerung einer an einer Vorderseite (6) der Schicht (6) reflektierten ersten Reflexionsstrahlung (4a) und einer an der Rückseite (6b) der Schicht (6) reflektierten zweiten Reflexionsstrahlung (4b), und der zweite Messpeak (M3,4) bewertet wird als Überlagerung der von dem Spiegel (5) reflektierten und nachfolgend an der Rückseite (6b) der Schicht (6) und von der Vorderseite der Schicht (6) zu dem Spiegel zurück und von dem Spiegel zu der Sende- und Empfangseinheit (2) reflektierten Strahlung (4c, 4d).