DE102016103298B4 - Terahertz-Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zum Ermitteln mindestens einer Schichtdicke - Google Patents
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Abstract
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) ausgebildet 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) ausgebildet 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) ausgebildet zum Auswerten 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.
eine Terahertz-Sende und -Empfangseinheit (2) ausgebildet 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) ausgebildet 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) ausgebildet zum Auswerten 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.
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 zu1 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 der1 entsprechende Darstellung mit einem Teil der Strahlenverläufe. - Eine Messvorrichtung
1 weist eine Terahertz-Sende- und Empfangseinheit2 zum Senden von Terahertz-Sendestrahlung3 entlang einer optischen Achse A und zum Empfangen reflektierter Terahertz-Strahlung4 , sowie einen Spiegel5 auf, der senkrecht zur optischen Achse A angeordnet ist und daher die Terahertz-Strahlung3 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 Spiegel5 wird ein Messraum9 definiert, in dem Prüfobjekte vermessen werden können. - Gemäß
1 ist in dem Messraum9 der Terahertz-Messvorrichtung1 ein einschichtiges Prüfobjekt mit der Schicht6 , zum Beispiel eine Kunststoff-Folie aufgenommen, die mit der Geschwindigkeit und Richtung v senkrecht zur optischen Achse A gefördert wird. Die Schicht6 weist senkrecht zur optischen Achse A eine Schichtdicke d auf und ist von der Sende- und Empfangseinheit2 in einem Vorlauf a und von dem Spiegel5 in einer Spiegelstrecke b entfernt. Die Abstände a und b sind von den Oberflächen6a und6b des Prüfobjektes6 aus gemessen, so dass der Gesamtabstand des Spiegels5 von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit2 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 Prüfobjekt6 vorgesehen sein. - Die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit
2 nimmt die aus mehreren Bestandteilen zusammen gesetzte reflektierte Strahlung4 auf und erzeugt eine Signalamplitude S hier als Funktion der Zeit t, die nachfolgend von einer Steuer- und Recheneinheit8 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 FrequenzAbhängigkeit durch eine Fourier-Transformation umgerechnet werden.2 zeigt schematisch Peaks der Signalamplitude S mit einzelnen Beiträgen der reflektierten Strahlung4 ;3 zeigt ein tatsächliches Messdiagramm und seine Auswertung: - Wie aus
1 ersichtlich ist, fällt der Sendestrahl3 nach dem Vorlauf a auf die Vorderseite6a des Prüfobjektes6 , wobei die Vorderseite6a eine Grenzfläche von der Umgebung7 , das heißt dem Medium Luft mit einem Brechungsindex n0=1 zu dem Prüfobjekt6 mit einem optisch dichteren Medium, bei Kunststoff zum Beispiel n6=1,5 darstellt. Beim Übergang bzw. beim Eintritt in die Vorderseite6a wird ein erster Reflexionsstrahl4a zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit2 zurück reflektiert, der somit insgesamt von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit2 und nach Reflektion an der Vorderseite6a zurück eine Wegstrecke von 2·a zurück legt und in dem idealisierten Signaldiagramm der2 beit4a 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 Strahlung3 in das Prüfobjekt6 tritt und nachfolgend an der Rückseite6b des Prüfobjektes6 wiederum teilweise reflektiert wird, sodass zum Zeitpunkt t4b ein zweiter Reflexionsstrahl4b detektiert wird. - Der durch das Prüfobjekt
6 hindurch tretende Sendestrahl3 wird nachfolgend an dem Spiegel5 total reflektiert, was in dem Signaldiagramm der2 und3 zu einem sehr starken, hier schematisiert verkleinerten TotalreflektionspeakTR bei dem Zeitpunktt4c führt. - Der zurück reflektierte Total-Reflexionsstrahl
4c fällt nach der Spiegelstrecke b auf die Rückseite6b des Prüfobjektes6 , wobei auch bei diesem Grenzflächeneintritt ein Reflexionsstrahl4d erzeugt wird. Nachfolgend wird von dem Total-Reflexionsstrahl4c beim Durchtritt durch die Oberseite6a ein weiterer Reflexionsstrahl4e erzeugt. Die Reflexionsstrahlen4d und4e gelangen zum Spiegel5 , werden dann zurück reflektiert und fallen nach Durchtritt durch die Schicht6 zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit2 , wo sie zu den Zeitpunktent4d und t4e detektiert werden. - Die Reflexionsstrahlen
4a ,4c und4d sind in6 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 Zeitpunktent4a undt4b die ersten beiden, direkt reflektierten ReflexionspeaksP1 undP2 der ausgesandten Sendestrahlung3 auftreten, nachfolgend beit4c der intensive TotalreflektionspeakTR und nachfolgend zu den Zeitpunktent4d undt4e die zweimal am Spiegel5 reflektierten ReflexionspeaksP3 ,P4 , die beim rückseitigen Eintritt in die Schicht6 sowie Austritt aus der Schicht6 erzeugt werden. Der Laufzeitunterschied zwischent4a undt4b , sowie auch zwischent4d undt4e 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 undP2 zu den Zeitpunktent4a undt4b sowie die ReflexionspeaksP3 undP4 zu den Zeitpunktent4d undt4e zu breit und somit nicht trennbar; zu messen sind lediglich ein vor dem TotalreflektionspeakTR auftretender erster MesspeakM1,2 des vorderseitigen Strahlungseinfalls und ein nach dem TotalreflektionspeakTR auftretender zweiter MesspeakM3 ,4 des rückseitigen Strahlungseinfalls. Der Totalreflexions-PeakTr selbst ist aufgrund seiner hohen Intensität sehr genau zu messen, so dass auch sein mittlerer Zeitpunktt4c sehr genau bestimmt werden kann. - Erfindungsgemäß wird erkannt, dass die Messpeaks
M1,2 undM3,4 unterschiedliche Abstände zu dem Totalreflexions-PeakTr aufweisen, insbesondere bei Vergleich jeweils ihrer einfallenden oder jeweils ihrer ausfallenden Flanken zu dem zeitlichen Mittelwert des Totalreflexions-PeaksTr . Dies ist insbesondere auch aus6 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
- Somit weisen jeweils die Anstiegsflanken (Eingangsflanken) der Messpeaks
M1 ,2 undM3,4 unterschiedliche Zeitabstände zu dem mittleren Zeitpunktt4c des TotalreflektionspeaksTR auf. Zur quantitativen Auswertung können gemäß3 die überlagerten MesspeaksM1 ,2 undM3 ,4 jeweils z. B. auf die Halbwertsbreite ihrer Anstiegsflanke hin festgelegt werden, so dass sich unterschiedliche ZeitabständeΔt1 vom MesspeakM1,2 zu dem Zeitpunktt4c des TotalreflexionspeaksTR , undΔt2 von dem MesspeakM3 ,4 zu dem Zeitpunktt4c des TotalreflexionspeaksTr ergeben, wobei Δt1 > Δt2. -
- Die Ausführungsform der
4 zeigt die Vermessung eines Prüfobjektes mit mehreren Schichten, hier eines Rohres106 ; relevant ist auch hier lediglich, dass der Spiegel5 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 Rohrwand16 , einer nachfolgenden zweiten Schicht, d.h. der Luftschicht des Rohrinneren36 , und der hinteren Rohrwand als dritte Schicht26 . Hier können insbesondere auch Messungen entsprechend2 und3 untersucht werden, da die beiden MesspeaksM1,2 undM3,4 jeweils der beiden Schichten16 und26 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 Empfangseinheit2 die Sendestrahlung3 ausgesandt auf das Prüfobjekt6 , - - in Schritt
St2 nachfolgend die reflektierte Strahlung4 aufgenommen,- d.h. gemäß den Unterschritten
=
St2a zum ZeitpunktTP1,2 der erste MesspeakM1,2, =St2b zum Zeitpunktt4c der Totalreflektionspeak TR, und =St2c zum ZeitpunktTP3 ,4s der zweite MesspeakM3 ,4,
8 ausgegeben, - d.h. gemäß den Unterschritten
=
- - in Schritt
St3 wird dann der TotalreflexionspeakTr und hieraus der Zeitpunktt4c ermittelt, - - in Schritt
St4 werden die MesspeaksM1 ,2 undM3 ,4 ermittelt, wobei jeweils ein charakteristisches Merkmal, z. B. wie eingezeichnet ZeitpunktTP1 , 2 der Halbwertsbreite der Anstiegsflanke des MesspeaksP1 ,2 und ein ZeitpunktTP3, 4 der Halbwertsbreite der Anstiegsflanke des MesspeaksP3 ,4 ermittelt, was durch gängige Signalverarbeitungs-Algorithmen mit Peakerkennung und Flankenberechnung in standardisierter Weise durchgeführt werden kann, - - nachfolgend werden in Schritt
St5 die ZeitabständeΔt1 undΔt2 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 oder106 durchgeführt wird.
Claims (19)
- 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) ausgebildet 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) ausgebildet 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) ausgebildet zum Auswerten 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
- 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 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 oder11 , 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 - Terahertz-Messverfahren nach einem der
Ansprüche 10 bis12 , 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 bis13 , 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 bis14 , 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 bis15 , 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 bis16 , 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 bis17 , 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 bis18 , 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).
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