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Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung zur Vermessung von Prüfobjekten sowie ein Terahertz-Messverfahren.
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Terahertz-Messverfahren ermöglichen die Durchsuchung von Prüfobjekten aus z. B. Kunststoff, Papier, Steingut wie Porzellan usw. ohne direkten Kontakt mit dem Prüfobjekt. Bei Laufzeitmessungen wird Terahertz-Strahlung auf ein Prüfobjekt eingestrahlt und die an Grenzflächen zwischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex jeweils teilreflektierte Strahlung gemessen, so dass Laufzeitunterschiede der reflektierten Strahlungen zur Ermittlung von Schichtdicken herangezogen werden können.
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Hierzu wird die Terahertz-Strahlung im Allgemeinen von einer Sende- und Empfangseinheit in einem Abstrahl-Kegel (Abstrahl-Raumwinkel) entlang einer optischen Achse auf das Prüfobjekt gerichtet, wobei die optische Achse senkrecht zu den Grenzflächen ausgerichtet ist, so dass die reflektierte Terahertz-Strahlung entlang der optischen Achse zurück zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit gestrahlt wird.
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Um Prüfobjekte vollständig zu erfassen, können mehrere Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten um das Prüfobjekt herum positioniert werden oder die Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten relativ zum Prüfobjekt verfahren werden.
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Es zeigt sich jedoch, dass neben den ordnungsgemäßen Messpeaks der Grenzflächen, die zur Ermittlung der Schichtdicken herangezogen werden, weiterhin Störungen detektiert werden, die das Messergebnis der Schichtdickenmessung beeinträchtigen können.
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Weiterhin sind z. B. Ultraschallmessungen zum Detektieren von Lunkern bzw. Lufteinschlüssen in Prüfobjekten bekannt, wodurch fehlerhafte Prüfobjekte erkannt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Terahertz- Messvorrichtung und ein Terahertz-Messverfahren zum Vermessen eines Prüfobjektes zu schaffen, die mit relativ geringem Aufwand gute Vermessungen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Terahertz-Messverfahren nach dem Anspruch 12 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wird somit erkannt, dass durch die Terahertz- Strahlung auch gezielt Fehlstellen des Prüfobjektes detektiert werden können. Hierzu werden vorzugsweise Reflexionen der Terahertz-Strahlung detektiert, die nicht durch Reflektion der ausgesandten Terahertz-Strahlung an den ordnungsgemäßen Grenzflächen bzw. Schichtgrenzen erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß wird hierbei erkannt, dass Fehlstellen, z. B. Lunker bzw. Luft- oder Gaseinschlüsse im Material des Prüfobjektes, Materialanhäufungen oder auch Blasen auf den Unter- und Oberseiten des Prüfobjektes, zu lokalen Grenzflächen führen, insbesondere auch zu gekrümmten bzw. geschlossenen Flächen, die jeweils Bereiche aufweisen, die zu der einfallenden Terahertz-Strahlung senkrecht stehen, so dass eine Detektion durch Messung der reflektierten Terahertz-Strahlung unter unterschiedlichen Einfallswinkeln möglich ist. So bilden z. B. Lunker im Allgemeinen sphärisch geschlossene Flächen wie z. B. Kugeln, rotationsellipsoide oder linsenförmige Bereiche aus, an denen Messungen durch Reflexion möglich sind, oftmals sogar an einer Vorderseite und einer Rückseite des Lunkers.
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Hierzu wird gemäß einer Ausbildung ein Kernbereich der ausgesandten Terahertz-Strahlung um die optische Achse herum durch eine Blende ausgeblendet, so dass lediglich in einem Abstrahl-Kegelmantel um die Blende herum Terahertz-Strahlung auf das Prüfobjekt gestrahlt wird. Somit wird die Terahertz-Strahlung auf die Grenzflächen unter einem nicht-senkrechten Winkel eingestrahlt, so dass von Prüfobjekt ausgehende und zu der Sende- und Empfangseinheit gerichtete Reflexionen lediglich an Fehlstellen bzw. Fehlern im Prüfobjekt auftreten können.
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Eine derartige Ausbildung ermöglicht somit den Vorteil einer einfachen Ausbildbarkeit mit geringem zusätzlichen Aufwand, z. B. durch eine zusätzliche Blende, wodurch der hohe Messpeak der Reflexionen an den Grenzflächen, die für Schichtdickenmessungen herangezogen werden, nicht auftritt und somit eine Detektion schwächerer Messpeaks ermöglicht wird.
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Die Vermessung auf Fehlstellen kann auch mit einer Vermessung von Schichtdicken des Prüfobjektes kombiniert werden, indem z. B. die Blende verstellbar ist zwischen einer aktiven Blenden-Stellung zum Ausblenden des Kernbereichs, und einer passiven, eingefahrenen Stellung, bei der die Blende entweder ganz aus dem Abstrahlkegel der Terahertz-Strahlung entfernt, oder z. B. in eine flache Position eingeklappt ist. Somit können bereits sowohl Schichtdicken als auch Fehlstellen detektiert werden.
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Gemäß einer anderen Ausbildung wird die Terahertz-Strahlung auf die Grenzflächen unter einem nicht-senkrechten Einfallswinkel eingestrahlt, so dass die Haupt-Reflexionen nicht entlang der optischen Achse zurück reflektiert werden, sondern von der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit weg reflektiert werden. Auch in diesem Fall kann somit detektierte reflektierte Terahertz-Strahlung Fehlstellen im Prüfobjekt zugeordnet werden. Auch hier ist der apparative Aufwand gering, da nur eine Verstellung der optischen Achse erforderlich ist.
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Anstelle einer Verstellung der gesamten Terahertz-Sende- und Empfangseinheit ist hierbei auch die Verstellung einer nachgeschalteten Optik möglich, z. B. eines schwenkbaren Spiegels. Somit kann der Spiegel z. B. zwischen einer Messposition zur Vermessung einer Schichtdicke und einer Messposition zur Messung von Fehlstellen verstellt werden, so dass auch hier eine Kombination beider Messungen möglich ist.
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Indem die Hauptreflexions-Strahlung des Prüfobjektes somit durch eine Blende oder die Einstellung eines nicht-senkrechten Einfallswinkels der optischen Achse ausgenommen oder ausgeblendet wird, kann die empfangene Signalamplitude nachfolgend gezielt auf kleinere Messpeaks untersucht werden, die somit eindeutig Fehlstellen zugeordnet werden können.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Vermessung unter mehreren Winkeln oder Positionen um das Prüfobjekt herum, so dass unterschiedlich ausgerichtete Fehlstellen oder Lunker detektiert werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung kann jeweils eine erfindungsgemäße Terahertz-Sende- und Empfangseinheit gegenüberliegend zu einer Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit zur Vermessung der Schichtdicke des Prüfobjektes positioniert werden. Hierbei kann die Blende in der optischen Achse der erfindungsgemäßen Terahertz-Sende- und Empfangseinheit, die einen Kernbereich der Terahertz-Strahlung um die optische Achse herum ausblendet, sicherstellen, dass bei der gegenüberliegenden Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit keine direkte Bestrahlung erfolgt; die Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit kann somit innerhalb ihres Kernbereichs um die optische Achse herum die Schichtdicke des Prüfobjektes durch eine Laufzeitmessung untersuchen. Vorteilhafterweise strahlt und detektiert die Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit lediglich in dem durch die Blende abgeschatteten Bereich, so dass sie auch keine Streustrahlung der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit als Signal detektiert.
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Bei dieser Ausführungsform kann weiterhin auch in dem Kernbereich der Blende, insbesondere an der Rückseite der Blende, ein Spiegel vorgesehen werden, der somit die (zweite) optische Achse der Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit zurück wirft. Somit kann die von der Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit ausgesandte Strahlung zunächst das Prüfobjekt vollständig durchlaufen, und nachfolgend von dem Spiegel total reflektiert werden, so dass diese total reflektierte Terahertz-Strahlung nachfolgend wieder an den Grenzflächen reflektiert werden kann und nach erneuter Totalreflexion an dem Spiegel wieder zu der Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit reflektiert wird. Somit sind Umkehr-Abtastungen des Prüfobjektes möglich, bei denen die Grenzflächen von beiden Seiten her bestrahlt werden und die Messpeaks um den Totalreflexions-Peaks um dem Spiegel herum miteinander verglichen werden, um z. B. feinere Schichtdicken bzw. dünnere Schichten vermessen zu können.
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Somit sind synergistische Kombinationen der Blende mit Spiegeln möglich, so dass sich die gegenüberliegenden Sende- und Empfangseinheiten nicht nur nicht stören, sondern der apparative Aufwand doppelt genutzt werden kann.
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Weiterhin kann vorteilhafterweise eine genaue Ermittlung der Position von Fehlstellen, und somit auch der Größe oder Form von Fehlstellen erfolgen, indem von mehreren Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten bzw. aus unterschiedlichen Winkeln Terahertz-Strahlung auf das Prüfobjekt gestrahlt und empfangen wird und die so ermittelten Positions-Punktemengen geschnitten werden. Somit kann eine vollumfängliche und vollständige Vermessung des Prüfobjektes durch Bestrahlung von mehreren Seiten oder Winkeln mit der genauen Positionsbestimmung kombiniert werden.
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Eine weitere Ausführungsform ermöglicht eine Kombination von Schichtdickenmessungen mit der Ermittlung von Fehlstellen, indem in den Signaldiagrammen die Messpeaks der Fehlstellen zusätzlich zu den ordnungsgemäßen Messpeaks der Grenzflächen auftreten. Hierbei können die ordnungsgemäßen Messpeaks aus einem Vergleich mit vorherigen und nachfolgenden Messungen oder aus einem Vergleich mit der ordnungsgemäßen Schichtdicke erkannt werden, bzw. es kann ein Auftreten zusätzlicher Messpeaks bereits zu einer Fehlermeldung führen. Diese Ausführungsform kann somit insbesondere auch mit den weiteren Ausführungsformen kombiniert werden.
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Erfindungsgemäß sind daher mit geringem apparativen Aufwand vollständige Vermessungen von Prüfobjekten, sowohl auf Schichtdicken bzw. ordnungsgemäße Ausbildungen, als auch zusätzlich auf Fehlstellen, insbesondere auch der Position und/oder Größe und/oder Formgebung, möglich.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Terahertz-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform bei Vermessung eines Rohres mit Fehlstellen;
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2 das Messdiagramm der Messvorrichtung aus 1;
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3 eine Terahertz-Messvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit nicht-senkrechtem Einfalls-Winkel, bei Vermessung einer Flachprobe mit Fehlstellen;
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4 eine Terahertz-Messvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit zwei gegenüberliegenden Sende- und Empfangseinheiten;
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5 eine weitere Terahertz-Messvorrichtung entsprechend 4 mit mehreren Sende- und Empfangseinheiten;
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6 eine Darstellung der Strahlenverläufe beim Messprinzip der Umkehrabtastung;
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7 Signaldiagramme der Umkehrabtastung:
a) idealisierte Teilpeaks und b) Messpeaks; und
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8 eine Terahertz-Messvorrichtung zur vollumfänglichen Vermessung und Positionsbestimmung von Fehlstellen;
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9 bis 11 eine Terahertz-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zur Vermessung einer Probe mit Fehlstellen.
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Eine Terahertz-Messvorrichtung 1 weist gemäß 1 eine Sende- und Empfangseinheit 2 zum Aussenden von Terahertz-Strahlung 3 innerhalb eines Öffnungskegels oder Abstrahl-Raumwinkels 4 entlang einer optischen Achse A auf. Die Terahertz-Messvorrichtung 1 sendet hierbei die Terahertz-Strahlung 3 vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz, insbesondere von 100 GHz bis 3 THz, aus. Hierbei kann die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 insbesondere vollelektronisch, d. h. mit Sendedipol und Empfangsdipol, ausgebildet sein; es sind jedoch auch optische bzw. elektronisch-optische Sende- und Empfangseinheiten 2 möglich.
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In der optischen Achse A ist eine Blende 6 vorgesehen, die die einfallende Terahertz-Strahlung 3 z. B. absorbiert, oder auch – in nicht gezeigter Weise – nicht-senkrecht bzw. nicht zurück zu der Sende- und Empfangseinheit 2 reflektiert.
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Die aus der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 2 und der Blende 6 gebildete Terahertz-Messvorrichtung 1 dient zur Vermessung eines Prüfobjektes 7, hier eines Rohres mit einer zylindrischen – d. h. in der Schnittebene runden – Außenseite 7a und entsprechend einer hierzu konzentrischen Innenseite 7b. Hierbei können Prüfobjekte 7 aus einem für die Terahertz-Strahlung 3 durchlässigen Material wie Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff (GFK, CFK), Keramik, Papier, Glas, Gummi und auch Kombinationen aus diesen Materialien vermessen werden, wobei die Materialien jeweils einen Brechungsindex n7 aufweisen, der von dem Brechungsindex n0 der Umgebung (Luft) mit n0 = 1 verschieden ist. Kunststoffmaterialien weisen üblicherweise einen Brechungsindex von etwa n7 = 1,5 auf. Somit tritt die einfallende Terahertz-Strahlung 3 im Wesentlichen durch die Außenseite 7a (Vorderseite) und die Innenseite (Rückseite) 7b des Prüfobjektes 7, wobei ein kleiner Anteil der Intensität von z. B. etwa 4 % an der Grenzfläche zwischen den Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices reflektiert wird, so dass THz-Strahlung 8 reflektiert wird. An der Außenseite 7a wird somit erste reflektierte Strahlung 8a reflektiert, an der Innenseite 7b zweite reflektierte THz-Strahlung 8b. Mehrfach-Reflexionen werden hier nicht beachtet, da ihre Intensität sehr klein ist.
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Da die Blende 6 einen Kern-Bereich 4a des Abstrahl-Raumwinkels 4 abschattet, wird bei einem derartigen konvex gewölbten Prüfobjekt 7 oder auch einem planen Prüfobjekt an den ordnungsgemäßen Grenzflächen, d. h. einer ordnungsgemäßen, zylindrischen Außenseite 7a und ordnungsgemäßen zylindrischen Innenseite 7b die erste reflektierte Strahlung 8a und zweite reflektierte Strahlung 8b nicht zu der Sende- und Empfangseinheit 2 zurück reflektiert.
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In dem Prüfobjekt 7 sind an den Flächen 7a, 7b und/oder in dem Material ggf. Fehlstellen 10, 110 vorhanden, die insbesondere Lunker 10, d. h. Lufteinschlüsse, oder Blasen 110 sein können. Derartige Fehlstellen 10 können insbesondere bei einem Extrusionsprozess auftreten und die Qualität des Prüfobjektes 7 entscheidend beeinflussen. In 1 sind beispielhaft zwei auf den Flächen, d. h. auf der Vorderseite 7a und auf der Rückseite 7b ausgebildete, vortretende Blasen 110, sowie ein in dem Material ausgebildeter Lunker (Lufteinschluss, Luftblase) 10 eingezeichnet.
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Wie aus 1 ersichtlich, treten an den Grenzflächen 10a, 110a der Fehlstellen 10, 110 Reflexionen der eingestrahlten THz-Strahlung 3 auf. Es zeigt sich insbesondere auch, dass derartige Blasen 110 oder Lunker 10 ganz oder teilweise geschlossen gekrümmt ausgebildet sind, so dass meist Bereiche auf ihrer Grenzflächen 10a, 110a auftreten, deren Normale im Wesentlichen parallel zu der einfallenden THz-Strahlung 3 liegt, so dass eine Reflexion zurück zu der THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 erfolgt.
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2 zeigt ein Signaldiagramm, d. h. die Signalamplitude S(t) der aufgenommenen THz-Strahlung 8 als Funktion der Zeit t, oder bei z. B. einem vollelektronischen System mit einer FM-Modulation (Frequenzmodulation) als Funktion der Frequenz f oder Zeit t. Gemäß 2 wird von einer Steuer- und Auswerteeinheit 12 erkannt, dass bei den Zeitpunkten t1, t2, t3, oder entsprechenden Frequenzwerten, nicht zulässige Messpeaks P1, P2, P3, d.h. Reflexionen an Fehlstellen 10, 110 vorliegen, und somit das Prüfobjekt 7 nicht ordnungsgemäß ist. Somit kann die Steuer- und Auswerteeinheit 12 ein Fehlersignal ausgeben.
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Auch können die Abstände d10, d110 der Fehlstellen 10, 110 durch eine Laufzeit- Berechnung zumindest grob klassifiziert werden. Eine genaue Lokalisierung einer Fehlstelle 10, 110 ist mit der Anordnung nach 1 mit einer einzigen THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 zunächst noch nicht möglich. Es ist jedoch bereits die qualitative Feststellung eines Fehlers möglich. Auch kann mit der Laufzeit eine Plausibilisierung durchgeführt werden, indem ermittelt wird, dass der Abstand innerhalb der Erstreckung des Prüfobjektes 7 liegt, d.h. nicht durch eine Reflexion hinter dem Prüfobjekt 7.
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Weiterhin kann auch die Breite der Messpeaks P1, P2, P3 ausgewertet werden, um ggf. Aussagen zu erhalten, mit denen die Fehlstellen 10, 110 unterschieden werden können. So erzeugt ein geschlossener Lunker 10 Reflexionen an seiner Vorderseite und Rückseite und somit einen breiten Messpeak P2, wohingegen die Blasen 110 lediglich mit ihrer dünnen Schicht, d.h. nahe aneinander liegender Vorderseite und Rückseite Reflexionen erzeugen, so dass geringere Peakbreiten gemessen werden, z.B. als Halbwertsbreiten.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Messvorrichtung 101, bei der die optische Achse A der Sende- und Empfangseinrichtung 2 nicht-senkrecht zu den Grenzflächen 107a, 107b eines Prüfobjektes 107, hier z. B. einer Flachprobe 107, z. B. einer Folie, mit planparalleler Vorderseite 107a und Rückseite 107b, ausgerichtet ist. Hierzu kann die gesamte Sende- und Empfangseinrichtung 2, ihr Messkopf oder eine geeignete vorgeschaltete Optik, z. B. ein schwenkbarer Spiegel, verstellt werden. Vorteilhafterweise ist der Abstrahlkegel relativ klein bzw. schmal, um einen senkrechten Einfall auf die ordnungsgemäßen Grenzflächen 107a, 107b zu vermeiden.
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Die Vermessung nach 3 kann z. B. nach der Herstellung beim Transport des Prüfobjektes 107 in Förderrichtung und Fördergeschwindigkeit v erfolgen, indem die optische Achse A schräg bzw. nicht-senkrecht zur Förderrichtung gestellt wird. Somit ist keine Blende erforderlich, um einen direkten Reflexionspeak der an der Vorderseite 107a reflektierten ersten THz-Strahlung und an der Rückseite 107b reflektierter zweiten THz-Strahlung 8b zu vermeiden.
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Somit werden die Sende- und Empfangseinheit 2 und das Prüfobjekt 107 relativ zueinander in einer Richtung nicht-parallel zur optischen Achse A verstellt, insbesondere parallel zu den Flächen 107a, 107b. Bei der Vermessung eines Prüfobjektes 107 nach seiner Herstellung kann somit insbesondere das Prüfobjekt 107 in seiner Förderrichtung v gefördert werden, und bei stationärer Sende- und Empfangseinrichtung vermessen werden. Gemäß den drei eingezeichneten Positionen wird somit eine obere Blase 110 an einer oberen Position der Sende- und Empfangseinrichtung relativ zu der mittleren Position, und eine untere Blase 110 auf der Vorderseite 7a an einer unteren Position im Mittelpunkt. Es ergibt sich wiederum somit ein Signaldiagramm entsprechend 2, wo an unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2 und t3 die drei Fehlstellen 10, 110 detektiert werden können. Hierbei ist der zeitliche Abstand zwischen den Stellen t1, t2 und t3 insbesondere von dem Fördervorgang bzw. der Verstellgeschwindigkeit des Prüfobjektes 107 und/oder der Verstellgeschwindigkeit der Sende- und Empfangseinrichtung 2 abhängig.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer Messvorrichtung 201, bei der eine Sende- und Empfangseinrichtung 2 gemäß 1, 2 und eine Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 an gegenüberliegenden Seiten bezüglich des Prüfobjektes 7 oder einer Prüfobjekt-Position 1007 vorgesehen sind. Insbesondere können ihre beiden optischen Achsen A1, A2 ineinander fallen und somit eine gemeinsame optische Achse A bilden, die vorteilhafterweise eine Rohrachse B des Prüfobjektes 7 schneidet.
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Die Blende 6 der links gezeigten THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 bildet von ihrer Rückseite, d. h. der zu der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 weisenden Seite, einen Spiegel 16 dar, der senkrecht zur optischen Achse A steht und diese somit zurückspiegelt.
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Somit wird hier eine Terahertz-Messvorrichtung 201 geschaffen, bei der zusätzlich zur Vermessung von Fehlstellen 10, 110 eine direkte Vermessung des Prüfobjektes 7 in einem zweiten Abstrahl-Kegel 104 um die optische Achse A2 herum vorgesehen ist, um z. B. Schichtdicken des Prüfobjektes 7 zu ermitteln. Gemäß der gezeigten Ausführungsform durchleuchtet die von der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 ausgesandte zweite THz-Strahlung 103 einen rechten Wandbereich 120 mit den Grenzflächen 7d und 7c, und nachfolgend nach Transmission durch den Wandbereich 120 den linken Wandbereich 121, der durch die Grenzflächen 7a und 7b, d. h. die Vorderseite 7a und Rückseite 7b gebildet ist. Die von der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 ausgesandte Strahlung 103 wird nachfolgend an dem Spiegel 16 reflektiert und durchläuft somit erneut das Prüfobjekt 7 durch die Grenzflächen 7a, 7b, 7c und 7d und kann nachfolgend von der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 detektiert werden kann. Hierbei ist eine Blende 109 vorgesehen, die den Abstrahl-Kegel bzw. Abstrahl-Raumwinkel 104 der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 auf den Spiegel 16 begrenzt.
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Da weiterhin die erste Blende 6 der zur Detektion von Fehlstellen dienenden – in 4 linken – THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 den Abstrahl-Raumwinkel 4 der THz-Sende- und Empfangseinrichtung 2 auf den äußeren Bereich begrenzt und den Kernbereich 4a abschattet, stören sich die beiden THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2, 102 in ihrer Detektion nicht. Somit können gleichzeitig durch die THz-Sende- und Empfangseinheit 2 in oben beschriebener Weise Fehlstellen 10, 110 im Prüfobjekt 7 detektiert werden, und in der gleichen optischen Achse A (A1 = A2) durch die Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 direkte Laufzeitmessungen am Prüfobjekt 7 durchgeführt werden, d. h. insbesondere Wanddicken vermessen werden, hier gemäß 4 eine erste Schichtdicke oder Wanddicke d1 im rechten Wandbereich 120, eine zweite Wanddicke d2 in dem linken Wandbereich 121, sowie auch des Innendurchmessers d3 als Luftschicht zwischen den Wandbereichen.
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Durch die zweite Blende 109 wird auch vermieden, dass an Fehlstellen 10, 110 des Prüfobjektes 7 die erste THz-Strahlung 3 gestreut und nachfolgend zu der zweiten THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 gestreut und dort detektiert wird, was zu einer Fehlmessung führen könnte.
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5 zeigt eine Messvorrichtung 301, bei der mehrere THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2, 102 in Umfangsrichtung bzw. diametral gegenüber, insbesondere in einer zur Rohrachse B des Prüfobjektes bzw. zur Förderrichtung des Prüfobjektes senkrechten Ebene angeordnet sind. Gemäß der Messvorrichtung 301 der 5 können jeweils THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2 gemäß 1, 2 zur Messung von Fehlstellen 10, 110 und Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 102 zur Vermessung der Wanddicken gegenüberliegend angeordnet sein, wobei dann z. B. jeweils ein Paar gegenüberliegender THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2, 102 misst, und die anderen beiden Paare ausgeschaltet sind, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden.
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Weiterhin kann gemäß 5 auch durch z. B. gepulste Strahlung, d. h. zeitlich zueinander versetzten Pulsen, eine gegenseitige Beeinflussung der drei Paare aus gegenüberliegenden THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2, 102 vermieden werden.
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Die Ausführungsformen der 4 und 5 ermöglichen somit eine gleichzeitige Vermessung sowohl ordnungsgemäßer Schichtdicken d1, d2, d3,. Da gemäß z. B. 5 Fehlstellen 10, 110 aus drei unterschiedlichen Einfallswinkeln ermittelt werden können, ist auch sichergestellt, dass jede Fehlstelle 10, 110 jeweils zumindest eine Stelle bzw. reflektierende Fläche aufweist, die zu einem entsprechenden Empfangssignal bei zumindest einer der drei THz-Sende- und Empfangseinrichtungen 2 führt.
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Die besondere Ausbildung der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 nach 4 und 5 ermöglicht insbesondere auch eine Schichtdickenvermessung durch eine Umkehrabtastung, mit folgendem Messprinzip:
Die besondere Ausbildung der Standard-THz-Sende- und Empfangseinrichtung 102 ermöglicht insbesondere auch eine Schichtdickenvermessung durch eine Umkehrabtastung, mit einem Messprinzip der 6, 7, das hier an der Folie 107 gezeigt ist und entsprechend für z. B. die Wandbereiche 120, 121 gilt.
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Wie aus 6 ersichtlich ist, fällt der THz-Sendestrahl 103 nach dem Vorlauf a auf die Vorderseite 107a des Prüfobjektes 107, wobei die Vorderseite 107a eine Grenzfläche von der Umgebung, das heißt dem Medium Luft mit einem Brechungsindex n0 = 1 zu dem Prüfobjekt 107 mit einem optisch dichteren Medium, bei Kunststoff zum Beispiel n7 = 1,5 darstellt. Beim Übergang bzw. beim Eintritt in die Vorderseite 107a wird ein erster Reflexionsstrahl 108a zu der Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 102 zurück reflektiert, der somit insgesamt von der Standard-Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 102 und nach Reflektion an der Vorderseite 107a zurück eine Wegstrecke von 2·a zurück legt und in dem idealisierten Signaldiagramm a) der 7 bei t-a 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 103 in das Prüfobjekt 107 tritt und nachfolgend an der Rückseite 107b des Prüfobjekt es 107 wiederum teilweise reflektiert wird, sodass zum Zeitpunkt t-b ein zweiter Reflexionsstrahl 108b detektiert wird.
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Der durch das Prüfobjekt 107 hindurch tretende Sendestrahl 103 wird nachfolgend an dem Spiegel 16 total reflektiert, was in dem Signaldiagramm der 7a) zu einem sehr starken, hier schematisiert verkleinerten Totalreflektionspeak TR bei dem Zeitpunkt t-c führt.
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Der zurück reflektierte Total-Reflexionsstrahl 108c fällt nach der Spiegelstrecke b auf die Rückseite 107b des Prüfobjektes 107, wobei auch bei diesem Grenzflächeneintritt ein Reflexionsstrahl 108b erzeugt wird. Nachfolgend wird von dem Total-Reflexionsstrahl 108c beim Durchtritt durch die Vorderseite 107a ein weiterer Reflexionsstrahl 108e erzeugt.
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Die Reflexionsstrahlen 108d und 108e gelangen zum Spiegel 16, werden dann zurück reflektiert und fallen nach Durchtritt durch die Schicht 107 zu der Terahertz-Sende- und Empfangseinheit 102, wo sie zu den Zeitpunkten t-d und t-e detektiert werden.
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Mehrfachreflexionen an den Grenzflächen 107a, 107b werden hierbei jeweils vernachlässigt, da sie zu sehr kleinen Intensitätsbeiträgen führen, die hier nicht berücksichtigt werden.
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Somit ergibt sich grundsätzlich das idealisierte Messdiagramm der 7a), bei dem bei den Zeitpunkten t-a und t-b die ersten beiden, direkt reflektierten Reflexionspeaks Pk1 und Pk2 der ausgesandten Sendestrahlung 103 auftreten, nachfolgend bei t-c der intensive Totalreflektionspeak TR und nachfolgend zu den Zeitpunkten t-d und t-d die zweimal am Spiegel 16 reflektierten Reflexionspeaks Pk3, Pk4, die beim rückseitigen Eintritt in die Schicht 107 sowie Austritt aus der Schicht 107 erzeugt werden. Der Laufzeitunterschied zwischen t-a und t-b, sowie auch zwischen t-d und t-d gibt die Schichtdicke d wieder, die unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit c und des Brechungsindex n7 berechnet werden kann.
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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 Pk1 und Pk2 zu den Zeitpunkten t-a und t-b sowie die Reflexionspeaks Pk3 und Pk4 zu den Zeitpunkten t-d und t-d zu breit und somit nicht trennbar; zu messen sind lediglich nach 7b) 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 t-c sehr genau bestimmt werden kann.
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Die Messpeaks M1,2 und M3,4 weisen unterschiedliche zeitliche Abstände Δt1, Δt2 zu dem Totalreflexions-Peak Tr auf, insbesondere bei einem Vergleich jeweils ihrer einfallenden Flanken oder jeweils ihrer ausfallenden Flanken zu dem zeitlichen Mittelwert t-c des Totalreflexions-Peaks Tr, wobei Δt1 > Δt2. Aus der Differenz Δt1 – Δt2 können somit Informationen über die Schichtdicke d, insbesondere auch die Schichtdicke d selbst bestimmt werden; unter Berücksichtigung des Brechungsindex n7 in der Schicht 107 und der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum vc gilt: d = (∆t1 – ∆t2)·1/2·vc / n6
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Somit wird erfindungsgemäß eine vollständige und sehr genaue Untersuchung sowohl auf Fehlstellen 10, 110 als auch der Schichtdicken d, d1, d2, d3 ermöglicht.
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Bei sämtlichen Ausführungsformen ist weiterhin auch eine Bestimmung der Position, Größe und/oder Form der Fehlstellen 10, 110 durch Anordnung mehrerer THz-Sende- und Empfangseinheiten 2 um das Prüfobjekt 7, 107 herum möglich, wie es bei der THz-Messvorrichtung 401 nach 8 gezeigt ist; diese Bestimmung ist insbesondere auch in der Ausführungsform der 5 möglich.
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Gemäß 8 ermittelt jede THz-Sende- und Empfangseinheit 2 zu einer Störstelle 10 oder 110 eine Positions-Punktemenge. Dies ist in 8 beispielhaft für eine erste THz-Sende- und Empfangseinheit 2-1 gezeigt, die hier die erste Positions-Punktemenge PP1 ermittelt, die Punkte mit etwa gleicher Laufzeit umfasst. Diese liegen idealerweise auf einer Kugelschale um die erste THz-Sende- und Empfangseinheit 2-1 herum, wobei die unterschiedlichen Laufwege in der Probe 7 und in der Luft im Allgemeinen zu einer etwas anderen Verteilung oder Formgebung der Positions-Punktemenge PP1 führen können. Da ein Kernbereich um die optische Achse herum ausgenommen ist, bildet die Positions-Punktemenge PP1 somit z. B. einen Ringbereich. Entsprechend ermittelt die zweite THz-Sende- und Empfangseinheit 2-2 eine zweite Positions-Punktemenge PP2 usw, woraufhin die Positions- Punktemenge PP1, PP2, PP3 nachfolgend geschnitten werden können, wodurch die Position genauer lokalisiert werden kann. Somit können auch Größe und/oder Formgebung der Störstellen 10 oder 110 ermittelt werden. Die zentrale Ermittlung kann in der Steuereinrichtung einer der THz-Sende- und Empfangseinheiten 2 erfolgen.
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Gemäß der Ausführungsform der 9 bis 11 erfolgt eine Vermessung von Fehlstellen 10, 110 zusammen mit der Schichtdickenmessung. Hierzu sendet die THz-Sende- und Empfangseinheit 102 Terahertzstrahlung 103 entlang der optischen Achse A senkrecht auf die Grenzflächen, z. B. eine Vorderseite 107a und eine Rückseite 107b, einer Probe, hier z. B. einer Probe 107. Somit wird an der Vorderseite 107a eine erste Terahertzstrahlung 8a reflektiert, die von der THz-Sende- und Empfangseinheit 102 zum Zeitpunkt t1 als vorderer Messpeak P-a der Signalamplitude S(t) detektiert wird, und an der Rückseite 107b eine zweite Terahertzstrahlung 8b reflektiert, die von der THz-Sende- und Empfangsein-heit 102 zum Zeitpunkt t2 als hinterer Messpeak P-b der Signalamplitude S(t) detektiert wird. Somit ist eine Laufzeitmessung zur Ermittlung der Schichtdicke d der Flachprobe 107 aus den Messwerten t2-t1 und Kenntnis des Brechungsindex n107 des Materials der Flachprobe 107 möglich.
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Eine Vermessung der Probe 107 erfolgt durch relative Verstellung der THz-Sende- und Empfangseinheit 102 gegenüber der Probe 107, wie in 1 durch die Pfeile angedeutet ist, wodurch sich die Mess-Situationen der 9, 10, 11 ergeben. Somit erfolgen fortlaufend bzw. wiederholt Schichtdicken-Messungen durch Aussenden von Terahertzstrahlung 103 und Messung der Laufzeiten t1 und t2.
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Fehlstellen 10, 110 führen in den Signaldiagrammen der 9, 10 und 11 zu Fehlstellen-Messpeaks P1, P2. Eine Erkennung der Fehlstellen-Messpeaks P1, P2 und Unterscheidung von den vorderen und hinteren Messpeaks P-a und P-b erfolgt vorzugsweise durch Vergleich aufeinanderfolgender Messungen, da zusätzlich zu den Messpeaks P-a und P-b ein oder mehrere weitere Messpeaks P1, P2 auftreten, oder es erfolgt bereits beim Erkennen von mehr als zwei Messpeaks eine Fehlermeldung.
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Die Messung und Ermittlung von Fehlstellen nach 9 bis 11 kann mit der weiteren Ausführungsform gekoppelt werden; so kann z. B. eine Blende 6 bei der Ausführungsform der 1, 2 abwechselnd geöffnet und geschlossen werden,
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Insbesondere Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen somit eine genaue Vermessung, wobei durch Vermessung von verschiedenen Winkeln aus die Position genau ermittelt werden kann.
