DE102022115163A1

DE102022115163A1 - Kalibriervorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102022115163A1
Application number: DE102022115163.8A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Mästle; Niklas Müller
Original assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Current assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung zum spektralen Kalibrieren einer THz-Strahlung (TS 1, TS 2) erzeugenden Messvorrichtung (11), mit einer Zelle (29), die ein Raumvolumen (36) begrenzt, welches mit einer gasförmigen Substanz befüllbar ist, und mit zumindest einem dem Raumvolumen (36) zugeordneten Fenster (30) für zumindest einen Eintritt der THz-Strahlung (TS 1) in das Raumvolumen der Zelle, wobei das zumindest eine Fenster (30) eine hohe Transmission im Spektralbereich der THz-Strahlung (TS 1, TS 2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung zum spektralen Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung, bei dem mit einem THz-Transmitter eine THz-Strahlung auf ein Messobjekt gerichtet wird.
Aus der DE 10 2020 113 306 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, welche zum Senden und/oder Empfangen von THz-Strahlung ausgebildet ist. Zur Durchführung einer Messung von physikalischen Eigenschaften an einem Messobjekt wird mittels eines THz-Transmitters eine THz-Strahlung auf das Messobjekt gerichtet. Mit einem Empfänger der Messvorrichtung kann die an dem Messobjekt reflektierte Strahlung oder die das Messobjekt transmittierende Strahlung erfasst und ausgewertet werden. Solche Messvorrichtungen erfordern die Durchführung einer exakten Messung als auch einer Messung mit langer Gültigkeit, welche intrinsische Eigenschaften des Messsystems beschreibt und zur Korrektur der durchgeführten Messung dient eine Kalibrierung.
Zur Kalibrierung solcher Messeinrichtungen sind beispielsweise Kohlenmonoxid (CO)-Gaszellen. Diese Gaszellen umfassen ein Gehäuse mit einem beispielsweise HDPE-Fenster. Das Innenvolumen des Gehäuses, also die Gaszelle, ist unter Druck mit Kohlenmonoxid gefüllt. Diese Kalibriervorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass diese mit einem giftigen Gas gefüllt sind.
Ein anderes Kalibrierverfahren solcher Messeinrichtungen kann den Wasserdampf im gesamten optischen Strahlengang ohne Kalibriervorrichtung verwenden.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass die Menge an Wasserdampf im Strahlengang und die Absorption nicht kontrollierbar ist. Beispielsweise führt dies in einer Umgebung mit geringer Luftfeuchte zu nicht hinreichend ausgeprägten Absorptionslinien für die Frequenzkalibration oder in einer Umgebung mit zu viel Wasserdampf können die Absorptionslinien durch Sättigung verbreitert sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibriervorrichtung für eine THz-Strahlung erzeugende Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung vorzuschlagen, welche zumindest eine genaue Frequenzkalibrierung über einen großen Frequenzbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kalibriervorrichtung zum spektralen Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung gelöst, welche eine Zelle umfasst, die ein Raumvolumen begrenzt, welches mit einer gasförmigen Substanz befüllbar ist und mit zumindest einem dem Raumvolumen zugeordneten Fenster für zumindest einen Eintritt der THz-Strahlung in das Raumvolumen der Zelle, wobei das zumindest eine Fenster eine hohe Transmission im Spektralbereich der THz-Strahlung aufweist und eine geringe Änderung der Transmission aufweist. Dadurch ist ermöglicht, dass nur geringe Leistungsverluste für die THz-Spektroskopie gegeben sind, wodurch eine genaue Frequenzkalibrierung über einen großen Frequenzbereich ermöglicht wird.
Die Frequenzkalibrierung erfolgt bevorzugt über molekularen Schwingungs- und Rotationsabsorptionen, welche gegenüber interferometrischen Verfahren den Vorteil von geringen Einflüssen durch Positionier- und Winkeltoleranzen bieten.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zumindest eine Fenster eine Transmission von mehr als 70 %, vorzugsweise mehr als 80 %, im Spektralbereich der THz-Strahlung aufweist. Dadurch können die Leistungsverluste für die THz-Spektroskopie weiter reduziert werden.
Das zumindest eine Fenster der Kalibriervorrichtung weist vorteilhafterweise eine Änderung der Transmission im Spektralbereich der THz-Strahlung von kleiner als 20 % innerhalb einer Änderung von 0,5 THz auf. In anderen Worten, für ein betragsmäßiges Frequenzintervall einer Breite von 0,5 THz (z.B. [1 Thz; x+1,5 THz]), ändert sich die Transmission der THz-Strahlung um maximal 20 % bezogen auf die maximale Transmission für eine Frequenz innerhalb des Frequenzintervalls. Dieses zumindest eine Fenster kann des Weiteren innerhalb des Spektralbereichs der THz-Strahlung beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 4 THz zwei Transmissionsmaxima oder beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 6 THz maximal drei Transmissionsmaxima aufweisen.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kalibriervorrichtung eine Länge des Raumvolumens der Zelle in Eintrittsrichtung der THz-Strahlung durch das Fenster gesehen umfasst, welches derart gewählt ist, dass keine Sättigung der Absorptionslinien auftritt und mindestens eine Absorptionslinie eine Änderung der Transmission von zumindest 30 %, bevorzugt zumindest 80 %, hervorruft. Dadurch kann zumindest eine scharfe Absorptionslinie erfasst und ausgewertet werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Kalibriervorrichtung kann die Zelle als eine Reflexionszelle ausgebildet sein, welche ein Gehäuse mit einem Boden umfasst, dem ein Reflektor für die durch das Fenster eintretende THz-Strahlung zugeordnet ist. Vorteilhafterweise weist eine solche Zelle im Boden oder dem Boden zugeordnet ein Flüssigkeitsreservoir für die Substanz in flüssiger Form auf. Dieses Reservoir kann in der Zelle oder auch außerhalb der Zelle nur dem Boden zugeordnet sein. Innerhalb der Gaszelle kann ein temperaturabhängiger Dampfdruck ansteuerbar sein, wodurch die Absorptionslinien auch amplitudenstabil sind. Der Reflektor ist bevorzugt oberhalb dem Reservoir positioniert, so dass dieser nicht mit der Flüssigkeit im Reservoir bedeckt ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Kalibriervorrichtung ist vorgesehen, dass die Zelle als eine Transmissionszelle ausgebildet ist, bei welcher das Gehäuse in Eintrittsrichtung der THz-Strahlung gesehen zwei hintereinander angeordnete Fenster aufweist, zwischen denen sich das Raumvolumen befindet.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Raumvolumen der Zelle mit einem Dampf einer Substanz, insbesondere dem Dampf einer ungiftigen Substanz, befüllbar ist. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Umgebung bei gegebenenfalls bei austretender Substanz verhindert werden. Zudem bedarf es beim Export der Kalibriervorrichtung keiner zusätzlichen Deklarierung. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Zelle mit Wasserdampf befüllbar ist.
Innerhalb der Zelle der Kalibriervorrichtung kann der Dampf durch Verdampfen einer Flüssigkeit entstehen, und der Dampfdruck in der Zelle ist vorteilhafterweise durch den Sättigungsdruck der Substanz bestimmt. In Abhängigkeit der Temperatur steigt der Sättigungsdampfdruck an, so dass einfache Verhältnisse zur Bestimmung des Sättigungsdampfdrucks und daraus resultierend der Absorptionslinien gegeben sein können.
Die Zelle der Kalibriervorrichtung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Zuführöffnung und/oder zumindest eine Abführöffnung für die Substanz in oder aus dem Raumvolumen der Zelle aufweisen. Dadurch kann eine definierte Atmosphäre mit einem bestimmten Druck in dem Raumvolumen erzielt werden. Zudem können Beeinträchtigungen durch mögliche Kondensation verhindert werden.
Des Weiteren kann alternativ vorgesehen sein, dass die Zelle ein Gehäuse umfasst, welches gegenüber der Umgebung öffenbar ist. Beispielsweise kann das Raumvolumen in der Zelle durch Abnahme von zumindest einem Fenster oder zumindest einem weiteren Verschluss in dem Gehäuse zugänglich sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kalibrierzelle ist vorgesehen, dass diese abwechselnd durch zwei voneinander abweichende Substanzen durch eine Medium-Zuführeinrichtung befüllbar ist. Eine solche Zelle weist vorteilhafterweise ein durchströmbares Raumvolumen auf. Beispielsweise kann aufeinanderfolgend eine Trockenluft und darauffolgend ein Wasserdampf mit einem hohen Sättigungsdruck dem Raumvolumen zugeführt werden. Dadurch kann ermöglicht werden, dass bei Befüllung des Raumvolumens der Zelle mit Trockenluft eine Referenzmessung durchgeführt wird und darauffolgend bei der Befüllung des Raumvolumens der Zelle mit einem Wasserdampf direkt nach der Referenzmessung eine Kalibriermessung durchgeführt wird.
Die Zelle der Kalibriervorrichtung kann eine Temperatureinrichtung umfassen, um zumindest das Raumvolumen der Zelle zu temperieren. Dies ermöglicht eine Steuerung des Sättigungsdampfdrucks innerhalb der Zelle. Des Weiteren wird durch diese Temperatureinrichtung ermöglicht, dass in dem Raumvolumen der Zelle eine höhere Temperatur als in der Umgebung angesteuert werden kann. Dies dient zur Verhinderung der Kondensation an dem Fenster des Raumvolumens. Alternativ kann die Kondensationsbildung auch durch das Aufbringen einer hydrophoben Beschichtung verhindert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kalibriervorrichtung kann die Zelle mit einem geschlossenen Raumvolumen ausgebildet sein, wobei das zumindest eine Fenster als eine Membran ausgebildet ist. Diese Membran ist für die THz-Strahlung durchlässig. Diese Membran kann beispielsweise mit einem lösbaren Verschluss an dem Gehäuse der Zelle befestigbar sein. Alternativ kann die Membran auch fest mit der Zelle verbunden sein. Beispielsweise kann dies durch Kleben, Laminieren oder Schweißen erfolgen. Diese Membran wird bevorzugt unter Vorspannung zum Raumvolumen der Zelle positioniert, um eine nachteilige Wölbung der Membran zu vermeiden. Dadurch können auch nachteilige Einflüsse von Positionier- und Winkeltoleranzen reduziert werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das durch die Membran ausgebildete Fenster aus einer Kunststofffolie ausgebildet ist. Vorzugsweise besteht diese Kunststofffolie aus einem niedrigvernetzten Polymer. Beispielsweise ist ein Low Density Polyethylen (LDPE) vorgesehen. Solche Folien, aus denen die Membran gebildet ist, weisen vorteilhafterweise eine Dicke von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 50 µm auf. Dadurch können insbesondere Transmissionen im Bereich von größer 70 % erzielt werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das zumindest eine Fenster der Zelle, insbesondere die Membran, eine hohe Oberflächenqualität aufweist. Beispielsweise kann die Oberflächenqualität mindestens λ/3 bei 5 THz und λ/10 bei 1 THz, insbesondere mindestens λ/30 bei 5 THz und λ/100 bei 1 THz aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kalibriervorrichtung ist vorgesehen, dass die Zelle als eine offene Zelle ausgebildet ist und das zumindest eine Fenster der Zelle durch einen das Fenster überströmenden Luftstrom, insbesondere Trockenluftstrom, geschlossen ist. Das Fenster der Zelle, welche nicht durch eine Membran geschlossen ist, wird beispielsweise durch ein aerodynamisches Fenster geschlossen. Durch das Beströmen des offenen Fensters mit einem Luftstrom, insbesondere Trockenluft, kann eine analoge Wirkung wie bei dem durch eine Membran ausgebildeten Fenster erzielt werden. Durch diesen Luftstrom kann die Ausbreitung des Wasserdampfes in dem Raumvolumen der Zelle begrenzt werden. Durch den Einsatz einer ungiftigen Substanz, insbesondere Wasserdampf, kann gegebenenfalls austretender Wasserdampf aus dem Strahlenganz der THz-Strahl durch den Luftstrom befördert werden. Das aerodynamische Fenster kann einseitig an der Zelle ausgebildet sein, um eine Reflexionszelle auszubilden. Auch kann die Zelle durch zwei offene Fenster ausgebildet sein, die in Eintrittsrichtung der THz-Strahlung gesehen als zwei hintereinander angeordnete Fenster ausgebildet sind und diese beiden offenen Fenster durch den Luftstrom geschlossen werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung, welche mit einem THz-Transmitter eine THz-Strahlung auf ein Messobjekt richtet, gelöst, bei welchem eine Referenzmessung von der auf ein Referenzobjekt gerichtete THz-Strahlung durchgeführt und zumindest durch eine Transmission oder Reflexion an dem Referenzobjekt ein Referenzsignal erzeugt und von einem Detektor der Messvorrichtung erfasst wird und aus dem Referenzsignal ein Referenzwert MRef1, MRef2 ermittelt wird und dass eine Kalibriermessung von der auf eine Kalibriervorrichtung gerichtete THz-Strahlung durchgeführt wird, wobei die Kalibriervorrichtung nach einem der vorbeschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist und von der Kalibriervorrichtung ein Kalibriersignal erfasst und daraus ein Kalibrierwert Ma ermittelt wird. Bei der Kalibriermessung handelt es sich bevorzugt um eine Zeit- und/oder Frequenzkalibration. Durch das Verfahren kann die THz-Zeit- und/oder Frequenzachse kalibriert werden bzw. es wird die Bestimmung des zeitlichen Referenzpunktes ermittelt.
Dadurch kann eine genaue Frequenzkalibrierung über einen großen Frequenzbereich ermöglicht sein. Zudem ermöglicht dieses Verfahren, dass es extern differenzierbar ist ohne zusätzlich Umbauten durch den Einsatz der Kalibriervorrichtung. Der übliche Messablauf mittels THz-Strahlung durch erstens eine Referenzmessung und zweitens eine Messung am Messobjekt kann beibehalten werden.
Beispielhaft kann mit Hilfe dieser Frequenzkalibration für ein THz System, welches nach dem „electronically controlled optical sampling“ (ECOPS) Prinzip THz-Pulse liefert, der zeitliche Offset ermittelt werden. Dieser Offset ist system- und parameterspezifisch und bedarf einer Kalibrierung.
Bei „continous wave“ THz Systemen wird die THz-Erzeugung bei einer bestimmten Frequenz über zwei zueinander verstimmte Laserquellen erreicht. Die Kalibriervorrichtung ermöglicht beispielsweise eine Kontrolle der THz-Frequenzachse und/oder eine Korrektur der Laserquellen oder Phasensta bi l isieru ng.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus dem Kalibrierwert Ma die spektralen Absorptionslinien der gasförmigen Substanz ermittelt werden und dass die ermittelten Absorptionslinien mit bekannten Absorptionslinien der gasförmigen Substanz verglichen und daraus eine Frequenzachse zur Kalibrierung der Messvorrichtung ermittelt wird.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass aus dem Kalibrierwert Ma Einflüsse auf das Kalibriersignal, welche durch die Kalibriervorrichtung bedingt sind, eliminiert werden. Beispielsweise kann bei einer mit Wasserdampf gefüllten Zelle der Kalibriervorrichtung zunächst eine Transferfunktion des Wasserdampfes aus den Messungen bestimmt werden, die jedoch noch Einflüsse der Membran aufweist. Darauffolgend kann eine Eliminierung des Einflusses der Membran durchgeführt werden, um darauffolgend experimentelle Linienpositionen bestimmt werden, die wieder aus den literaturbekannten Absorptionslinien verglichen werden, um darauf die Frequenzachse zu bestimmen.
Vorteilhafterweise wird die Referenzmessung und die Kalibriermessung durch die Messvorrichtung aufeinanderfolgend, vorzugsweise unmittelbar aufeinanderfolgend, durchgeführt. Dadurch können weitere äußere nachteilige Einflüsse reduziert oder ausgeschlossen werden.
Die Referenzmessung wird bevorzugt an einem Referenzobjekt durchgeführt, bei welchem der Sollwert oder die Sollwerte bekannt und abgespeichert sind. Beispielsweise kann eine Referenzmessung als Reflexionsmessung einer THz-Strahlung an einem Objekt aus Silizium oder Metall durchgeführt werden, um einen Referenzwert MRef1 zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Transmissionsmessung an einem Objekt Trockenluft als Referenzierung für die Messung in Transmissionsaufbauten verwendet werden.
Optional beschreibt ein solcher Referenzwert (wie auch die nachfolgend erläuterten Kalibrierwerte) nicht einen einzelnen Wert (Zahlenwert), sondern ein Transmissionsspektrum (oder je nach Betrachtungsweise ein Absorptionsspektrum) für ein vorgegebenes THz-Frequenzintervall.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein weiterer Referenzwert MRef2 ermittelt wird, wobei dieser Referenzwert durch eine Referenzmessung an der Kalibriervorrichtung durchgeführt wird, bei der die Zelle mit einer gasförmigen Substanz ohne Absorptionslinie, wie beispielsweise Trockenluft, befüllt oder geflutet wird. Optional können der Sollwert oder die Sollwerte bekannt und abgespeichert sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann basierend auf dem Referenzwert MRef1 oder MRef2 eine Transferfunktion T-Ref1 = Ma-Spek/MRef1-Spek oder T-Ref2 = Ma-Spek/MRef2-Spek bestimmt werden. Dabei beschreibt die Transferfunktion zumindest den Einfluss der in das Raumvolumen 36 der Kalibriervorrichtung 25 eingefüllten gasförmigen Substanz auf die Absorption der THz-Strahlung. Hier beschreibt X-Spek (mit X = Ma, Mref1 oder MRef2) den jeweiligen durch Fouriertransformation in den Frequenzraum überführten Wert. Da Ma-Spek in Abhängigkeit der eingefüllten gasförmigen Substanz ermittelt wird, was jedoch für MRef1 und MRef2 nicht gilt, weist die jeweilige Transferfunktion T-Ref1 bzw. T-Ref2 gerade zumindest den Einfluss der gasförmigen Substanz, vorzugsweise Wasserdampf, auf das Transmissionsspektrum (bzw. Absorptionsspektrum) auf.
Des Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass eine Auswahl von Messwerten der Kalibriermessung, welche nicht oder nur geringfügig von Absorptionslinien der gasförmigen Substanz beeinflusst sind, durch eine mathematische Funktion oder Modell bestimmt und die Kalibriermessung durch diese mathematische Funktion oder Modell bestimmt wird.
Zur Durchführung des Kalibrierverfahrens ist des Weiteren bevorzugt vorgesehen, dass von der Kalibriervorrichtung zumindest ein zweiter Kalibrierwert Mb erfasst wird. Hierbei kann es sich um eine einmalige Bestimmung des Materials einer an der geschlossenen Zelle vorgesehenen Membran handeln. Auch kann eine Reflexion eines in der Zelle vorgesehenen Reflektors oder Bodens erfasst werden.
Der Kalibrierwert Mb wird zur Bestimmung der Eigenschaften der Membran, wie beispielsweise ein Brechungsindex und/oder Extinktion verwendet. Der Kalibrierwert wird daraufhin durch ein Modell, welches Ma und Mb verwendet, korrigiert.
Des Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass von der Kalibriervorrichtung zumindest einmalig ein Kalibrierwert Mc erfasst wird, wobei die Kalibriervorrichtung als eine geschlossene Zelle ausgebildet ist und die Zelle frei von einer gasförmigen Substanz ist. Der Kalibrierwert Ma kann daraufhin durch den Kalibrierwert Mc korrigiert werden. Dabei kann eine Referenzmessung an einer bekannten Referenz berücksichtigt werden. Die bekannte Referenz kann beispielsweise ein Metall oder Silizium umfassen.
Des Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass von der Kalibriervorrichtung ein weiterer Kalibrierwert Md ermittelt wird, wobei durch diesen Kalibrierwert eine Transmission der Membran durch eine einmalige Messung in Reflexion Md-2 oder durch Transmission Md-1 ermittelt wird und der Kalibrierwert Ma durch ein mathematisches Modell um den Kalibrierwert Md korrigiert wird. Dabei kann eine Kalibriermessung an dem Referenzobjekt zur Ermittlung eines Teilwerts durchgeführt und bei der Korrektur von Ma berücksichtigt werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung für eine Reflexionsmessung,
2 eine schematische Ansicht einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung für eine Transmissionsmessung,
3 eine schematische Schnittansicht einer Kalibriervorrichtung für die Reflexionsmessung,
4 eine schematische Ansicht von oben auf die Kalibriervorrichtung gemäß 3,
5 eine schematische Schnittansicht eines Fensters der Kalibriervorrichtung gemäß 3,
6 eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Kalibriervorrichtung gemäß 3,
7 eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführung der Kalibriervorrichtung für die Transmissionsmessung,
8 eine schematische Schnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Kalibriervorrichtung zu 3 mit einer Medium-Zuführeinrichtung,
9 eine schematische Schnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Kalibriervorrichtung zu 3,
10 eine schematische Ansicht von Schritten zum Kalibrieren der Kalibriervorrichtung,
11 eine schematische Ansicht eines beispielhaften frequenzabhängigen Transferfunktionsspektrums,
12 eine schematische Ansicht eines beispielhaften frequenzabhängigen Transferfunktionsspektrums mit kompensiertem Membraneinfluss, und
13 eine schematische Ansicht einer beispielhaften frequenzabhängigen Abweichung von gemessenen Peakpositionen gegenüber Literaturwerten zur Korrektur der Frequenzachse.

In 1 ist schematisch eine Messvorrichtung 11 zum Senden und/oder Empfang einer THz-Strahlung TS1, TS2 dargestellt. Diese Messvorrichtung 11 umfasst einen THz-Transmitter 14 zum Senden der THz-Strahlung TS1 und einen THz-Empfänger 16 zum Empfangen bzw. Detektieren der THz-Strahlung TS2.
Vorteilhafterweise arbeitet die Messvorrichtung 11 in einem Frequenzbereich zwischen 0,1 THz und 10 THz. Durch den THz-Transmitter 14 kann eine gepulste THz-Strahlung TS1 erzeugt und gesendet werden. Zur Durchführung einer Messung wird THz-Strahlung TS1 auf ein Messobjekt 18 gerichtet und die reflektierte THz-Strahlung TS2 durch den Empfänger 16 empfangen bzw. detektiert. Dadurch sind Messungen der Zeitbereichsreflektometrie möglich. Die Messvorrichtung 11 kann des Weiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung 19 sowie eine Schnittstelle 21 umfassen, um Daten mit einer weiteren externen Einheit auszutauschen.
Zur Kalibrierung der Messvorrichtung 11 kann aufeinanderfolgend ein Referenzobjekt 24 und eine Kalibriervorrichtung 25 zur Messvorrichtung 11 positioniert werden, so dass für das Referenzobjekt 24 als auch die Kalibriervorrichtung 25 jeweils eine reflektierte THz-Strahlung TS2 empfangen bzw. detektiert wird.
In 2 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Messvorrichtung 11 dargestellt. Bei dieser Messvorrichtung 11 sind der Transmitter 14 und der Empfänger 16 einander gegenüber liegend angeordnet. Durch den Transmitter 14 wird THz-Strahlung TS1 auf das Messobjekt 18 gerichtet. Aufgrund der Transmission der THz-Strahlung durch das Messobjekt 18 hindurch wird die THz-Strahlung TS2 von dem Empfänger 16 empfangen bzw. detektiert. Diese Messvorrichtung 11 arbeitet nach dem Transmissionsprinzip. Zur Kalibrierung dieser Messvorrichtung 11 kann wiederum aufeinanderfolgend das Referenzobjekt 24 und die Kalibriervorrichtung 25 zur THz-Strahlung TS1 positioniert werden.
Das Referenzobjekt 24 kann beispielsweise aus einem Silizium oder einem Metall für eine Reflexionsmessung oder als Luftstrecke oder freier Luftraum für eine Transmissionsmessung bestehen. Für dieses Referenzobjekt 24 ist ein für den Empfänger 16 ermittelter Sollwert bekannt und in der Datenverarbeitungseinrichtung 19 hinterlegt.
Diese in den 1 und 2 dargestellte Messvorrichtung 11 kann auch in Form eines Messkopfes beispielsweise zur Handhabung an einer Handlingseinrichtung, insbesondere Mehrachs-Roboter, ausgebildet sein.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Kalibriervorrichtung 25 dargestellt. Die 4 zeigt eine Ansicht von oben. Die Kalibriervorrichtung 25 umfasst ein Gehäuse 27 mit einem Boden 28. Dem Boden 28 gegenüberliegend ist das Gehäuse 27 offen ausgebildet und umfasst ein Fenster 30. In dem Gehäuse 27 und vorzugsweise an das Fenster 30 angrenzend ist eine Zelle 29 gebildet. Die Zelle 29 ist durch einen Reflektor 31 begrenzt. Dieser Reflektor 31 ist vorteilhafterweise mit Abstand zum Boden 28 im Gehäuse 27 positioniert. Der Reflektor 31 kann auswechselbar in dem Gehäuse 27 angeordnet sein. Die Zelle 29 umfasst ein Raumvolumen 36, welches durch das Gehäuse 27 sowie das Fenster 30 und den Reflektor 31 begrenzt ist.
Zwischen dem Reflektor 31 und dem Boden 28 ist ein Flüssigkeitsreservoir 32 vorgesehen. Vorteilhafterweise werden ungiftige Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in diesem Flüssigkeitsreservoir 32 bevorratet. Vorteilhafterweise kann in dem Flüssigkeitsreservoir 32 ein saugfähiges Medium 33, wie beispielsweise ein Schwamm, vorgesehen sein.
In dem Reflektor 33 sind mehrere Durchbrechungen 35 vorgesehen. Bevorzugt sind kreisförmig angeordnete Durchbrechungen 35 in dem Reflektor 31 vorgesehen. Innerhalb dieser Anordnung der Durchbrechung 35 ist eine Reflektorfläche 37 ausgebildet. Die Durchbrechungen 35 bilden eine Verbindung zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 32 und einem Raumvolumen 36 in der Zelle 29 gegeben ist.
Das Fenster 30 der Zelle 29 ist durch einen lösbaren Verschluss 38 verschlossen. Dieser lösbare Verschluss 38 nimmt eine Membran 39 auf und fixiert diese zum Gehäuse 27. Bevorzugt ist zwischen dem Verschluss 38 und dem Gehäuse 27 eine Dichtung vorgesehen, um das Raumvolumen 36 vollständig abzudichten.
Des Weiteren weist die Kalibriervorrichtung 25 im Gehäuse 27 eine verschließbare Öffnung 41 auf. Diese ist im Bereich des Flüssigkeitsreservoirs 32 oder des Raumvolumens 36 vorgesehen. Diese verschließbare Öffnung 41 dient dem nachträglichen Befüllen des Flüssigkeitsreservoirs 32 mit Flüssigkeit, ohne dabei die Position der Kalibriervorrichtung 25 und/oder ein Lösen des Verschlusses 38 mit der Membran 39 von dem Gehäuse 27 zu erfordern.
Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform der Kalibriervorrichtung 25 handelt es sich um eine sogenannte Reflexionszelle, welche zur Kalibrierung der Messvorrichtung 11 gemäß 1 eingesetzt werden kann.
Eine solche Kalibriervorrichtung 25 weist bevorzugt eine Höhe h des Raumvolumens 36 zwischen dem Fenster 30 bzw. der Membran 39 und dem Reflektor 31 in dem Gehäuse 27 auf, welche für einen späteren Vergleich der aus der Literatur bekannten Wasserlinien mit den aus der Kalibriermessung ermittelten Absorptionslinien so gewählt wird, dass die Absorptionslinien bei ωi gilt I(ωi)<<lo(ωi) und I(coi)>0, wobei für I gilt: Intensität der THz-Strahlung mit Wasserdampf im Strahlengang und für I₀ gilt: Intensität der THz-Strahlung ohne Wasserdampf im Strahlengang. Bei einer solchen Bedingung können scharfe und ungesättigte Absorptionslinien ermittelt werden.
Die Membran 39 bildet das Fenster 30 für die THz-Strahlung TS1, welche in das Raumvolumen 36 eindringt, am Reflektor 31 reflektiert und durch das Fenster 30 austritt und am Empfänger 16 als TS2-Strahlung empfangen bzw. detektiert wird. Die Membran 39 ist bevorzugt als eine Kunststofffolie ausgebildet. Insbesondere werden hierfür niedrigvernetzte Polymere, wie beispielsweise Low Density Polyethylen (LDPE) eingesetzt. Diese Kunststofffolien weisen eine Transmission von 60 %, vorzugsweise größere 80 % auf. Die Schichtdicke einer solchen Membran kann beispielsweise zwischen 20µm bis 50 µm ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weist die Membran eine Oberflächenqualität von λ/60 (5 THz) auf.
Zur definierten Aufnahme der Membran 39 kann der lösbare Verschluss 38 vorgesehen, der beispielhaft in 5 in einer Schnittansicht dargestellt ist. Der lösbare Verschluss 38 kann aus zwei Ringelementen 42, 43 bestehen. Zwischen den beiden Ringelementen 42, 43 kann die Membran 39 gespannt gehalten werden, so dass beim Verspannen des einen Ringelementes 42 gegenüber dem anderen Ringelement 43 die Membran 39 über einen Kraft- und/oder Formschluss gespannt gehalten werden kann. Dadurch wird eine Faltenfreiheit der Membran 39 erreicht. Dies führt zu einer sehr guten Ebenheit.
Das Ringelement 42 des lösbaren Verschlusses 38 kann ein Innengewinde 44 aufweisen, um diesen an einem Außengewinde des Gehäuses 27 lösbar zu fixieren. Bevorzugt ist das Gehäuse 27 topfförmig ausgebildet.
Bei der Montage des lösbaren Verschlusses 38 mit der Membran 39 an dem Gehäuse 27 kann es in dem Raumvolumen 36 der Zelle 29 zu einem Überdruck kommen. Dies gilt es zu vermeiden. Beispielsweise kann über die verschließbare Öffnung 41 im Gehäuse 21 ein Druckausgleich geschaffen werden. Zudem kann in dem Gehäuse 27 eine Art Ventil vorgesehen sein, um einen permanenten Druckausgleich zu ermöglichen.
Die Kalibriervorrichtung 25 kann des Weiteren eine Temperiereinrichtung aufweisen, durch welche das Raumvolumen 36 und/oder das Flüssigkeitsreservoir 32 temperiert werden kann. Gleichzeitig kann dadurch ein Dampf in dem Raumvolumen 36 der Zelle 29 durch Verdampfen der Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir 32 erzielt werden. Ein temperaturabhängiger Sättigungsdampfdruck kann innerhalb des Raumvolumens 36 der Kalibriervorrichtung 25 durch die Temperiereinrichtung angesteuert werden. Dadurch können die Absorptionslinien auch sehr amplitudenstabil gehalten werden.
Grundsätzlich kann durch die Temperiereinrichtung ermöglicht werden, dass zumindest an der Membran 39 eine höhere Temperatur anliegt als an der Umgebung. Dadurch kann eine Kondensation der Flüssigkeit an der Innenseite der Membran 39 verhindert werden. Alternativ kann die Membran 39 an der Innenseite auch eine hydrophobe Beschichtung zur Vermeidung der Bildung eines Kondensats aufweisen. Die Temperatureinrichtung kann sowohl in dem Gehäuse 27 als auch außerhalb des Gehäuses 27 und mit diesem verbunden angeordnet sein.
In 6 ist eine schematische Schnittansicht einer alternativen Kalibriervorrichtung 25 zu 3 bis 5 dargestellt. Diese Kalibriervorrichtung 25 ist ebenfalls als Reflexionszelle ausgebildet. Nachfolgend werden nur die Abweichungen zu den 3 bis 5 erörtert.
Für das Gehäuse 27 kann ein der Außenseite des Bodens 28 zugeordneter Speicher 45 zur Aufnahme von Flüssigkeit vorgesehen sein. In dem Boden 28 ist eine Durchbrechung vorgesehen. Durch ein Verbindungselement 44, beispielsweise eine Schnur oder ein saugfähiges Medium, kann das Flüssigkeitsreservoir 32 mit Flüssigkeit aus dem Speicher 45 durch Kapillarkräfte versorgt werden.
Bei einer solchen Ausführungsform kann eine verschließbare Öffnung 41 zum Befüllen des Flüssigkeitsreservoirs 32 im Gehäuse 27 entfallen.
Alternativ zu dem der Außenseite des Gehäuses 27 angeordneten Speichers 45 oder in das Gehäuse 27 einsetzbaren Speichers 45 kann auch eine kontinuierliche Durchströmung des Flüssigkeitsreservoirs 32 vorgesehen sein. Diesbezüglich kann eine Zuführöffnung und eine Abführöffnung in Verbindung mit dem Flüssigkeitsreservoir 32 stehen.
In 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Kalibriervorrichtung 25 zu den 3 bis 6 dargestellt. Diese Kalibriervorrichtung 25 ist als eine sogenannte Transmissionszelle ausgebildet. Das Gehäuse 27 dieser Kalibriervorrichtung 25 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet. An einer Oberseite und einer Unterseite ist jeweils ein Fenster 30 für die THz-Strahlung TS1 und TS2 ausgebildet. Diese Fenster sind jeweils durch eine Membran 39, vorzugsweise mit dem lösbaren Verschluss 38, geschlossen. Dadurch ist in der Zelle 29 der Kalibriervorrichtung 25 ein geschlossenes Raumvolumen 36 gebildet. Bevorzugt ist an der Oberseite und Unterseite des Gehäuses 27 dieselbe Membran 39 ausgebildet.
Das Gehäuse 27 umgibt die Zelle 29. Bevorzugt ist eine ringförmige Gehäusewand 46 ausgebildet. In der Gehäusewand 46 oder einer Innenseite der Gehäusewand 46 des Gehäuses 27 zugewandt ist das Flüssigkeitsreservoir 32 vorgesehen. Beispielsweise kann die Gehäusewand 46 doppelwandig ausgebildet sein, wobei dazwischenliegend ein Feuchtigkeit speicherndes Medium 33 vorgesehen ist. Der zum Raumvolumen 36 weisende Wandabschnitt der Gehäusewand 46 kann durch Durchbrechungen zum Austritt eines Dampfes in das Raumvolumen 36 der Zelle 29 ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass ein separat zur Kalibriervorrichtung anordenbarer Speicher 45 vorgesehen, durch welchen bedarfsweise Flüssigkeit in das Flüssigkeitsreservoir 32 der Kalibriervorrichtung 25 zugeführt wird. Im Übrigen wird auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen.
In 8 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Kalibriervorrichtung 25 vorgesehen. Bei dieser Kalibriervorrichtung 25 ist als eine durchströmbare Zelle bzw. ein durchströmbares Gehäuse 27 ausgebildet. Die in 8 dargestellte Zelle 29 ist beispielshaft als eine Reflexionszelle gemäß 3. Alternativ kann auch eine Transmissionszelle gemäß 7 vorgesehen sein.
Die durchströmbare Kalibriervorrichtung 25 weist eine semi-permeable Austrittsöffnung 48 auf. Diese semi-permeable Austrittsöffnung ist dem Raumvolumen 36 in der Zelle 29 zugeordnet. Durch die Austrittsöffnung 48 kann Dampf und/oder Flüssigkeit aus dem Raumvolumen 36 der Zelle 29 austreten.
Die Zelle 29 weist des Weiteren eine Zutrittsöffnung 51 auf, welche mit dem Raumvolumen 36 der Zelle 39 in Verbindung steht. An diese Zutrittsöffnung 51 ist eine Medium-Zuführeinrichtung 53 anschließbar. Diese Medium-Zuführeinrichtung 53 umfasst eine erste und zweite Zuführleitung 54, 55, welche abwechselnd durch ein Ventil 56 ansteuerbar sind, um das jeweilige der ersten Zuführleitung 54 und der zweiten Zuführleitung 55 zugeführte Medium über eine Anschlussleitung 57 der Zuführöffnung 51 dem Raumvolumen 36 zuzuführen. Über die erste Zuführleitung 54 kann beispielsweise Trockenluft dem Raumvolumen 36 zugeführt werden. Über die zweite Zuführleitung 55 kann beispielsweise ein Flüssigkeitsdampf dem Raumvolumen 36 zuführbar sein. Zur Erzeugung eines Flüssigkeitsdampfes, insbesondere Wasserdampf, kann eine Dampferzeugungseinrichtung 59 vorgesehen sein, durch welche ein Wasserdampf mit einem hohen Sättigungsdruck bereitgestellt werden kann.
Die Dampferzeugungseinrichtung 59 kann beispielhaft ein durchströmbares Gehäuse 27 aufweisen. Diesem Gehäuse 27 ist ein separater Speicher 45 zugeordnet. In dem Gehäuse 27 können mit Feuchtigkeit getränkte Elemente 61 wie beispielsweise Fäden, Gewebe, Vliese oder dergleichen vorgesehen sein. Diese werden beispielsweise mit Trockenluft durchströmt, welche beim Durchströmen der Elemente 61, die wassergetränkt sind, Feuchtigkeit in Form von Dampf aufnimmt.
Diese Kalibriervorrichtung 25 mit der vorgeschalteten Medium-Zuführeinrichtung 53 ermöglicht die Durchführung einer Referenzmessung mit der Messvorrichtung 11 als auch eine Messung bei einem mit Dampf gefüllten Raumvolumen 36. Dies weist den Vorteil auf, dass unmittelbar aufeinanderfolgend die Referenzmessung und Kalibriermessung durchgeführt werden kann.
In 9 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Kalibriervorrichtung 25 dargestellt. Diese Kalibriervorrichtung 25 ist als eine offene Reflexionszelle ausgebildet. Unter offene Reflexionszelle wird verstanden, dass das Fenster 30 im Gehäuse 27 nicht durch eine Membran 39 verschlossen ist. Das Raumvolumen 36 in der Zelle 29 ist von außen frei zugänglich. Somit ist das Raumvolumen 36 gegenüber dem Fenster 30 offen. Anstelle der Membran 39 wird mittels einer Strömungseinrichtung 63 ein Luftstrom 64 erzeugt, der oberhalb des Raumvolumens 36 des Gehäuses 27 entlanggeführt wird. Dadurch wird ein sogenanntes aerodynamisches Fenster gebildet, wodurch dieses Raumvolumen 36 quasi wieder geschlossen ist. Der Luftstrom 64 ist als ein Trockenluftstrom ausgebildet. Die weitere Anordnung und Ausgestaltung der Kalibriervorrichtung 25 kann gemäß den 3 bis 8 entsprechen.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Kalibriervorrichtung 25 gemäß 9 als offene Transmissionszelle ausgebildet ist. In diesem Fall wird anstelle der oberen und unteren Membran 39 ein oberer und unterer Luftstrom 64 ausgebildet. Das obere und untere Fenster 30 können durch die gebildeten aerodynamischen Fenster quasi geschlossen sein.
In 10 ist ein Ablaufdiagramm für eine spektrale Kalibrierung der Messvorrichtung 11 mit einer der in den Ausführungsformen beschriebenen Kalibriervorrichtungen 25 dargestellt.
In einem ersten Schritt 71 erfolgt eine Referenzmessung MRef. Bei einer Kalibriervorrichtung 25, welche als Reflexionszelle oder Transmissionszelle ausgebildet ist, erfolgt eine Reflexionsmessung der THz-Strahlung an einer bekannten Referenz, wie beispielsweise Silizium oder Metall, und es wird der Referenzwert MRef1 ermittelt. Die THz-Strahlung wird also, ausgehend vom Transmitter 14, auf die bekannte Referenz gerichtet und nach erfolgter Reflexion vom Empfänger 16 erfasst. Der Empfänger 16 ist zur frequenzaufgelösten Transmissionswertbestimmung eingerichtet.
Unter einem Wert, hier dem Referenzwert MRef1, ist vorliegend nicht ein einzelner numerischer Wert (Zahl) sondern ein Transmissionsspektrum (oder je nach Betrachtungsweise ein Absorptionsspektrum) für ein vorgegebenes THz-Frequenzintervall zu verstehen. Der Referenzwert MRef1 umfasst also zeitlich aufgelöste Transmissionsamplituden der bekannten Referenz. Die Transmissionsamplituden sind frequenzabhängig, da bei der Bestimmung der Spektren der Empfänger das vorbestimmte THz-Frequenzintervall durchläuft und die Intensität der einfallenden THz-Strahlung erfasst. Die entsprechend zeitlich aufgelösten Spektren des Referenzwerts MRef1 und der nachfolgend erläuterten Kalibrierwerte können mittels Fouriertransformation in den Frequenzraum überführt werden, so dass Spektren mit spektral aufgelösten frequenzabhängigen Transmissionswerten erhältlich sind. Entsprechend umfassen die nachfolgend erläuterten „Kalibrierwerte“ Spektren von zeitlich bzw. spektral aufgelösten Transmissionswerten.
Bei einer Kalibriervorrichtung 25 gemäß 8 wird alternativ dazu eine Reflexionsmessung der THz-Strahlung bei einem mit Trockenluft gefüllten Raumvolumen 36 der Kalibriervorrichtung 25 durchgeführt und der Referenzwert MRef2 ermittelt. Die THz-Strahlung wird dabei am Reflektor 31 reflektiert.
In einem Schritt 72 wird ein Kalibrierwert Ma ermittelt. Hierbei handelt es sich um eine Messung der THz-Strahlung an einer Kalibriervorrichtung 25, bei welcher das Raumvolumen 36 mit einem ungiftigen Dampf, vorzugsweise Wasserdampf, gefüllt ist. Das Spektrum des Kalibrierwerts Ma wird von den Spektren der Kalibrierwerte MRef1 oder MRef2 abweichen, zumindest aufgrund der durch den ungiftigen Dampf begründeten veränderten Transmissionseigenschaften bezüglich der THz-Strahlung.
Zusätzlich zum Schritt 72 können weitere Kalibriermessungen durchgeführt werden, um den Einfluss der Membran 36 zu korrigieren. Im Schritt 73 kann beispielsweise ein Kalibrierwert Mb ermittelt. Dabei werden Daten, wie beispielsweise Brechungsindex und/oder Extinktionskoeffizient, von der Membran 36 bestimmt.
In einem weiteren Schritt 74 kann ein Kalibrierwert Mc ermittelt werden. Hierbei kann eine einmalige Messung der THz-Strahlung an einer leeren Kalibriervorrichtung 25 mit zumindest einer Membran sowie der bekannten Referenz (beispielsweise Silizium oder ein Metall) durchgeführt werden. Die THz-Strahlung wird bezüglich der Kalibriervorrichtung 25 durch den Reflektor 31 reflektiert.
Alternativ kann in einem weiteren Schritt 75 ein weiterer Kalibrierwert Md ermittelt werden. Hierbei handelt es sich um eine Bestimmung einer Transmission der Membran 39, wobei bei der Kalibriervorrichtung 25 als Reflexionszelle ein Kalibrierwert Md-2 und bei einer Kalibriervorrichtung 25 als Transmissionszelle Md-1 bestimmt wird. Md-2 und Md-1 unterscheiden sich dahingehend, dass dieselbe Membran einfach (Md-2) oder zweifach (Md-1) von der THz-Strahlung durchlaufen wird. Bei der Erfassung von Md-1 und Md-2 ist die Kalibriervorrichtung 25 nicht gefüllt.
Ma, Mb, Mc, Md-1, Md-2, MRef1 und MRef2 können, wie bereits erläutert, mittels Fouriertransformation in eine spektrale Darstellung Ma-Spek, Mb-Spek, Mc-Spek, Md-1-Spek, Md-2-Spek, MRef1-Spek und MRef2-Spek überführt werden. Hieraus lassen sich, beispielsweise, zunächst die Transferfunktionen bestimmen, die den Einfluss des in das Raumvolumen 36 der Kalibriervorrichtung 25 eingefüllten ungiftigen Dampfes beschreiben. Abhängig von der Wahl des Referenzwerts (MRef1 oder MRef2) ergeben sich zwei abweichende Transferfunktionen T-Ref1 und T-Ref2: $T - R e f 1 = \frac{M a - S p e k}{M R e f 1 - S p e k}$
und $T - R e f 2 = \frac{M a - S p e k}{M r e f 2 - S p e k} .$
Es ergibt sich das beispielhaft in 11 gezeigte frequenzabhängige Transferfunktionsspektrum 80. In 11 ist auf der Ordinate der Absolutwert der Transferfunktion T-RefX in relativen Einheiten (a.u.) gegenüber der Frequenz f in THz auf der Abszisse dargestellt. Hier steht T-RefX für die Transferfunktionen T-Ref1 oder T-Ref2 in Abhängigkeit der Wahl des Referenzwerts MRef1 oder MRef2, was von der Art der Kalibriervorrichtung 25 abhängt (MRef2 bei Kalibriervorrichtung gemäß 8).
Diese Transferfunktionen weisen systematisch noch die Einflüsse der Membran 39 auf, die deshalb daraus eliminiert werden müssen. Die Einflüsse der Membran 39 zeigen sich in 11 als langwellige Transfergradvariationen neben den Peaks 81, die scharfe Transmissionsminima darstellen, im Bereich zwischen 0,8 und 1 des Absolutwerts der Transferfunktion. Zur Kompensation des Membraneinflusses können verschiedene Techniken genutzt werden, beispielsweise durch Anfitten eines Polynoms durch Taylorentwicklung, einer Interpolation oder einer Fourierreihe.
Gemäß einem ersten Ansatz sind die Positionen (Frequenzen) der Peaks 81 des ungiftigen Dampfes im Allgemeinen aus der Literatur bekannt, insbesondere wenn es sich um Wasserdampf handelt. Dann können bezüglich des Transferfunktionsspektrums 80 Stützstellen 82 bestimmt werden, die nicht mit den Positionen der Peaks 81 zusammenfallen. Die Stützstellen 82 können genutzt werden, um ein Polynom oder Fourierreihe oder Interpolationsmodell an das Transferfunktionsspektrum 80 derart anzufitten, dass der Einfluss der Membran durch lineare Regression (Methode der kleinsten Quadrate der Abweichung) kompensiert werden kann. Aus der linearen Regression ergibt sich eine Transferfunktion der Membran T-Pol-Spek.
Davon ausgehend kann im Schritt 76 anschließend die Transferfunktion des ungiftigen Dampfes, hier Wasserdampfs, deshalb T-H2O bestimmt werden. Die Bestimmung der Transferfunktion des Dampfes ist dabei gemäß verschiedenen Ansätzen möglich, nämlich abhängig davon, welche Kalibrierwerte zur Bestimmung von T-H2O herangezogen werden sollen.
Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform Wasserdampf genutzt wird, bestimmt sich die Transferfunktion des Wasserdampfs T-H2O gemäß einem ersten Ansatz zu: $T - H 2 O = \frac{T - R e f X}{T - P o l - S p e k} .$
Hier steht T-RefX für die Transferfunktionen T-Ref1 oder T-Ref2, je nachdem welcher Referenzwert gewählt wird, was von der Art der Kalibriervorrichtung 25 abhängt.
Gemäß einem zweiten Ansatz können die Einflüsse der Membran 39 auch durch Nutzung des Kalibrierwerts Mb kompensiert werden. Da der Kalbrierwert Mb die Folienparameter spezifiziert, können daraus spezifische Materialdaten (Brechungsindex und Extinktion) bestimmt werden. Unter Verwendung von Ma wird mit Hilfe dieser Materialdaten eine modellbasierte Transferfunktion T-mod-Spek bestimmt. Anschließend ergibt sich im Schritt 76 die Transferfunktion des Wasserdampfs T-H2O zu: $T - H 2 O = \frac{T - R e f X}{T - m o d - S p e k} .$
Wiederum steht T-RefX für die Transferfunktionen T-Ref1 oder T-Ref2, je nachdem welcher Referenzwert gewählt wird, was von der Art der Kalibriervorrichtung 25 abhängt.
Optional kann T-mod-Spek dabei auch um den Einfluss des Reflektors 31 auf die THz-Strahlung korrigiert werden, der aber aufgrund der guten reflektierenden Eigenschaften typischerweise in erster Näherung auch vernachlässigbar sein kann. Der Einfluss des Reflektors 31 kann beispielsweise durch eine komplementäre Reflexionsmessung am Reflektor 31 durchgeführt werden, jedoch ohne die Membran 39. Durch Quotientenbildung kann dann der Einfluss des Reflektors 31 kompensiert werden, lediglich der Einfluss der Membran 39 bleibt im Spektrum zurück.
Gemäß einem dritten Ansatz kann der Einfluss der Membran 39 auch durch Nutzung der Kalibrierwerte Mc, Md-1 und Md-2 kompensiert werden.
Der Kalibrierwert Md-2 umfasst die Reflexionsmessung an dem idealen Reflektor 31 mit der Membran 39 im Strahlengang. Aufgrund der Reflexionsanordnung wird die Membran 39 zweifach durchlaufen.
Der Kalibrierwert Mc umfasst die Messung an der leeren Kalibriervorrichtung 25 und der bekannten Referenz. Die THz-Strahlung durchdringt die Membran 39 also zweifach zur Erfassung von Mc. Wie bereits erwähnt, beeinflusst der „reale“ Reflektor das THz-Transmissionsspektrum im Wesentlichen nicht. Sein Reflexionsgrad ist nahe 100% weshalb er als der ideale Reflektor angenähert werden kann. Mc ist deshalb in erster Näherung gleich zu Md-2 (Reflexionsmessung an idealem Reflektor mit Membran im Strahlengang).
Sowohl bei der Verwendung von Mc als auch bei der Verwendung von Md-2 ergeben sich durch die Messung an der leeren Kalibriervorrichtung 25 bzw. der zweifach durchlaufenen Membran 39 und der bekannten Referenz zwei Teilwerte, die paarweise übereinstimmen (soweit der Reflektor 31 als ideal angenähert wird): Mc-Fol-t = Md2-Fol-T und Mc-Ref-Fol-t = Md2-Ref-Fol-t.
Die Teilwerte werden durch Fouriertransformation in den Frequenzraum überführt, also Mc-Fol-Spek und Mc-Ref-Fol-Spek. Die Transferfunktion der Membran T-Fol-Spek ergibt deshalb gemäß diesem Ansatz sowohl für Mc als auch für Md-2 zu: $T - F o l - S p e k = \frac{M c - F o l - S p e k}{M c - R e f - F o l - S p e k} .$
Die Transferfunktion des Wasserdampfs T-H2O ergibt sich folglich in Abhängigkeit der Wahl des Referenzpunkts als: $T - H 2 O = \frac{T - R e f}{T - F o l - S p e} .$
Im Gegensatz dazu wird Md-1 dadurch bestimmt, dass die Membran 39 in Transmissionsanordnung nur einmal durchlaufen wird. Dadurch ist natürlich auch die Wechselwirkung mit der THz-Strahlung nur einfach berücksichtigt. Die Teilwerte bezüglich Md-1 ergeben sich deshalb zu Md1-Fol-t und Md1-Ref-Fol-t, die wiederum per Fouriertransformation in den Frequenzraum überführt werden, zu Md1-Fol-Spek und Md1-Ref-Fol-Spek. Die Transferfunktion von Md-1 ergibt sich folglich zu: $T - F o l 1 - S p e k = \frac{M d 1 - F o l - S p e k}{M d 1 - R e f - F o l - S} .$
Da die Membran 39 bezüglich Md-1 nur einfach durchlaufen ist, stimmt die Transferfunktion von Md1: T-Fol1-Spek nicht mit derjenigen von Mc und Md-2: T-Fol-Spek überein. Anders ausgedrückt, die Transferfunktionen von Md-1 und Md-2 unterscheiden sich bezüglich der Art der Kalibriervorrichtung 25 (Transmissionszelle vs. Reflexionszelle). Der zweifache Membrandurchlauf drückt sich mathematisch als Eigenmultiplikation aus. Es gilt: $T - F o l - S p e k = {(T - F o l 1 - S p e k)}^{2} .$
Bei Verwendung des Kalibrierwerts Md-1 ergibt sich die Transferfunktion des Wasserdampfs T-H2O daher zu: $T - H 2 O = \frac{T - R e f X}{{(T - F o l 1 - S p e)}^{2}} = \frac{T - R e f X}{T - F o l - S p e k} .$
Als Resultat des Schritts 76 ergibt sich das um den Membraneinfluss kompensierte Transferfunktionsspektrum 83 des Wasserdampfs (bzw. des ungiftigen Dampfs, der in der Kalibriervorrichtung 25 enthalten ist, gezeigt in 12. Auch in 12 ist auf der Ordinate der Absolutwert der Transferfunktion T-RefX in relativen Einheiten (a.u.) gegenüber der Frequenz f in THz auf der Abszisse dargestellt. Aus 12 ist zu erkennen, dass die langwellige Transfergradvariation kompensiert ist und der Absolutwert der Transferfunktion eine „Basislinie“ bei 1 (keine Absorptionsanteile) aufweist.
Das resultierende Transferfunktionsspektrum 83 kann noch einen systemischen Fehler bezüglich der Frequenzachse aufweisen. Ein solcher Fehler kann durch intrinsische Eigenschaften des THz-Transmitters 14 und des zugeordneten Empfängers 16 begründet sein.
Deshalb wird in einem weiteren Schritt 77 zunächst das frequenzabhängige Transferfunktionsspektrum 83 des Wasserdampfs bezüglich der darin umfassten Linienpositionen von Absorptionslinien ausgewertet. Es werden diejenigen Absorptionslinien mit den zugehörigen Linienpositionen (also Frequenzen, bei denen sie auftreten) extrahiert, die ungesättigt sind, und die nicht mit anderen Absorptionslinien überlappen. In 12 ist dies beispielhaft durch die Hinweislinien 84 angedeutet. Welche Absorptionslinien miteinander überlappen, ist aus der Literatur bekannt. Zur Extraktion können typische empirische Verfahren genutzt werden, beispielsweise eine automatische Minimafindung oder das Anfitten einer Modellfunktion zur exakten Bestimmung der Peakposition.
In einem nachfolgenden Schritt 78 wird daraufhin die Frequenzachse des Transferfunktionsspektrums 83, falls nötig, basierend auf den Positionen der durch Messung ermittelten Absorptionslinien und den dazugehörigen Referenzlinien aus der Literatur korrigiert. Dazu wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein lineares Regressionsverfahren angewendet und, beispielsweise mittels der Methode der kleinsten Quadrate die Abweichung zwischen den gemessenen Peakpositionen und den Literaturwerten kompensiert. 13 zeigt beispielhaft einzelne Werte 85 der Differenz zwischen der gemessenen Peakposition und dem zugeordneten Literaturwert auf der Ordinate gegenüber der Frequenz f in THz auf der Abszisse. Die Werte 85 werden zur Bestimmung einer Modellfunktion 86 genutzt, um schlussendlich die Kompensation der Abweichung der Messaufbau-abhängigen Frequenzachse zur Frequenzachse der Literaturwerte zu ermöglichen.
Dadurch ist das Transferfunktionsspektrum sowohl um die Einflüsse der Membran 39 als auch um einen möglichen Frequenzversatz korrigiert.
Die Kalibrierung ist daraufhin abgeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020113306 A1 [0002]

Claims

Kalibriervorrichtung zum spektralen Kalibrieren einer THz-Strahlung (TS 1, TS 2) erzeugenden Messvorrichtung (11), - mit einer Zelle (29), die ein Raumvolumen (36) begrenzt, welches mit einer gasförmigen Substanz befüllbar ist, und - mit zumindest einem dem Raumvolumen (36) zugeordneten Fenster (30) für zumindest einen Eintritt der THz-Strahlung (TS 1) in das Raumvolumen der Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Fenster (30) eine hohe Transmission im Spektralbereich der THz-Strahlung (TS 1, TS 2) aufweist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Fenster (30) eine Transmission von mehr als 70 %, vorzugsweise mehr als 80 %, im Spektralbereich der THz-Strahlung aufweist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Fenster (30) eine Änderung der Transmission im Spektralbereich der THz-Strahlung kleiner als 20 % innerhalb einer Änderung von 0,5 THz aufweist und/oder dass das zumindest eine Fenster (30) innerhalb des Spektralbereichs der THz-Strahlung, insbesondere im Bereich von 0.1 bis 4 THz maximal zwei Transmissionsminima aufweist, oder insbesondere im Bereich von 0.1 bis 6 THz maximal drei Transmissionsminima aufweist.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Raumvolumens (36) der Zelle (29) in Eintrittsrichtung der THz-Strahlung durch das Fenster (30) gesehen so gewählt ist, dass keine Sättigung der Absorptionslinien auftritt und mindestens eine Absorptionslinie eine Änderung der Transmission von 30 %, bevorzugt 80 %, hervorruft.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) als eine Reflexionszelle ausgebildet ist, welche ein Gehäuse (27) mit einem Boden (28) umfasst, dem ein Reflektor (31) für die durch das Fenster (30) eintretende THz-Strahlung zugeordnet ist, und vorzugsweise die Zelle (29) im Boden (28) oder dem Boden (28) zugeordnet ein Flüssigkeitsreservoir (32) für die Substanz in flüssiger Form aufweist.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) als eine Transmissionszelle ausgebildet ist, bei welcher das Gehäuse (27) in Eintrittsrichtung der THz-Strahlung gesehen zwei hintereinander angeordnete Fenster (30) aufweist, zwischen denen sich das Raumvolumen (36) befindet.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) mit einem Dampf der Substanz, vorzugsweise dem Dampf einer ungiftigen Substanz, insbesondere Wasserdampf, befüllbar ist.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf durch Verdampfen einer Flüssigkeit entsteht und ein Dampfdruck in der Zelle (29) durch den Sättigungsdampfdruck der Substanz, insbesondere Wasser, bestimmt ist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) zumindest eine Zuführöffnung (51) und/oder zumindest eine Abführöffnung (48) für die Substanz in das und/oder aus dem Raumvolumen der Zelle aufweist und/oder dass die Zelle (29) ein Gehäuse (27) umfasst, welches gegenüber der Umgebung öffenbar ist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) abwechselnd mit zwei voneinander abweichenden Substanzen durch eine Medium-Zuführeinrichtung (53) befüllbar ist.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) eine Temperatureinrichtung, zumindest zur Temperierung des Raumvolumens (36) der Zelle (29), aufweist.
Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) als eine geschlossene Zelle ausgebildet ist, welche ein das Raumvolumen (36) begrenzendes Gehäuse (27) aufweist, bei dem das zumindest eine Fenster (30) als eine Membran (39) ausgebildet ist und vorzugsweise die Membran (39) durch einen lösbaren Verschluss (38) an dem Gehäuse (27), insbesondere gespannt, vorgesehen ist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das durch eine Membran (39) ausgebildete Fenster (30) aus einer Kunststofffolie ausgebildet ist, welches vorzugsweise aus niedrig vernetzbarem Polymer besteht, insbesondere aus einer Low Density Polyethylenfolie ausgebildet ist, welche eine Dicke für die maximale Transmission in einem bestimmten Spektralbereich optimiert ist, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 50 µm, umfasst und/oder dass das durch eine Membran (39) ausgebildete eine Fenster eine Oberflächenqualität von mind. λ/10 (1 THz) und λ/3 (5 THz) aufweist.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (29) als eine offene Zelle ausgebildet ist und das zumindest eine Fenster (30) durch einen das Fenster (30) überströmenden Luftstrom (64), insbesondere Trockenluftstrom, geschlossen ist.
Verfahren zum Kalibrieren einer THz-Strahlung erzeugenden Messvorrichtung (11) - bei dem mit einem THz-Transmitter (14) der Messvorrichtung (11) eine THz-Strahlung auf ein Messobjekt (18) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Referenzmessung von der auf ein Referenzobjekt (24) gerichteten THz-Strahlung durchgeführt und zumindest durch eine Transmission oder Reflexion an dem Referenzobjekt (24) ein Referenzsignal erzeugt und von einem Empfänger (16) erfasst wird und aus dem Referenzsignal ein Referenzwert (MRef1, MRef2) ermittelt wird, - dass eine Kalibriermessung von der auf eine Kalibriervorrichtung (25) gerichteten THz-Strahlung durchgeführt wird, wobei die Kalibriervorrichtung (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist und von der Kalibriervorrichtung (25) ein Kalibriersignal erfasst und daraus ein Kalibrierwert (Ma) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kalibrierwert (Ma) die spektralen Absorptionslinien der gasförmigen Substanz ermittelt werden, und dass die ermittelten Absorptionslinien mit bekannten Absorptionslinien der gasförmigen Substanz verglichen und daraus eine Frequenzachse zur Kalibrierung der Messvorrichtung (11) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kalibrierwert (Ma) Einflüsse auf das Kalibriersignal, welche durch die Kalibriervorrichtung (25) bedingt sind, eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmessung und die Kalibriermessung durch die Messvorrichtung (11) aufeinanderfolgend, vorzugsweise unmittelbar aufeinanderfolgend, durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem Referenzwert (MRef1) oder dem Referenzwert (MRef2) eine Transferfunktion T-Ref1 = Ma-Spek/MRefl-Spek oder T-Ref2 = Ma-Spek/MRef2-Spek bestimmt wird, wobei die Transferfunktion zumindest den Einfluss der in das Raumvolumen (36) der Kalibriervorrichtung (25) eingefüllten gasförmigen Substanz auf die Absorption der THz-Strahlung beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl von Messwerten der Kalibriermessung, welche nicht oder nur geringfügig von Absorptionslinien der gasförmigen Substanz beeinflusst sind, durch eine mathematische Funktion bestimmt und die Kalibriermessung durch diese mathematische Funktion korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kalibriervorrichtung (25) ein Kalibrierwert (Mb) erfasst wird, wobei die Kalibriervorrichtung (25) als eine mit einer Membran (39) geschlossenen Zelle (29) ausgebildet ist und der Kalibrierwert (Mb) aus zuvor bestimmten Eigenschaften der Membran (39), insbesondere Brechungsindex und/oder Extinktion, ermittelt wird und die Kalibriermessung der Membran (39) durch ein mathematisches Modell, welche den Kalibrierwert (Ma) und den Kalibrierwert (Mb) verwendet, korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kalibriervorrichtung (25) mindestens einmal ein Kalibrierwert (Mc) erfasst wird, wobei die Kalibriervorrichtung (25) als geschlossene Zelle (29) ausgebildet ist und die Zelle (29) frei von der gasförmigen Substanz ist, wobei ferner eine Kalibriermessung an dem Referenzobjekt (24) zur Ermittlung eines Teilwerts (Mc-Ref-Fol-t) durchgeführt und berücksichtigt wird, und wobei der Kalibrierwert (Ma) durch den Kalibrierwert (Mc) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kalibriervorrichtung (25) ein Kalibrierwert (Md) ermittelt wird, wobei eine Transmission der Membran (39) durch eine einmalige Messung in Reflexion (Md-2) oder Transmission (Md-1) ermittelt wird, wobei ferner eine Kalibriermessung an dem Referenzobjekt (24) zur Ermittlung eines Teilwerts (Md1,2-Ref-Fol-t) durchgeführt und berücksichtigt wird, und wobei der Kalibrierwert (Ma) durch ein mathematisches Modell, welches den Kalibrierwert (Md) verwendet, korrigiert wird.