WO2011050959A1 - Verfahren und vorrichtung zum identifizieren eines materials - Google Patents

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WO2011050959A1
WO2011050959A1 PCT/EP2010/006590 EP2010006590W WO2011050959A1 WO 2011050959 A1 WO2011050959 A1 WO 2011050959A1 EP 2010006590 W EP2010006590 W EP 2010006590W WO 2011050959 A1 WO2011050959 A1 WO 2011050959A1
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WO
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thz
phase
frequency component
determined
received signal
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PCT/EP2010/006590
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Bernd Sartorius
Helmut Roehle
Dennis Stanze
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/90—Investigating the presence of flaws or contamination in a container or its contents

Definitions

  • the invention relates to a method for identifying a material from a class of THz radiation transparent materials.
  • Plastics are increasingly being used as a material for packaging, vessels or other products of relatively short life, so that more and more corresponding waste is produced. Adding this waste to a recycling chain is desirable for a variety of reasons. For one thing, it is important to minimize waste in the interests of environmental protection and, in particular, to sort out polluting materials. On the other hand, it makes sense for economic reasons to recycle valuable substances.
  • the first step in a recycling chain is to identify different substances so that they can be recycled to the right recycling processes. Methods of automatically identifying different types of plastic for this purpose have not yet been established. To z. B. determine from what a plastic empty containers are made, they must be marked accordingly, for example by using a barcode.
  • the present invention has for its object to propose a method and a corresponding device, which allow to identify plastics and, if possible, other materials automatically or at least a limited
  • the device should be as simple as possible and the method should be simple and fast and, if possible, be carried out without contact and should not rely on a label to be examined objects.
  • Wavelength whereby an object to which at least partially from the one to be identified
  • Material is formed, is irradiated with this THz radiation and the THz radiation emerging from the object is detected with a phase-sensitive THz receiver, wherein further at least for the first frequency component caused by the subject time offset or phase offset of a through the THz radiation in the THz receiver generated received signal is measured, from which at least approximately a measure of a material thickness of the object is determined, and wherein at least for the second frequency component caused by the object attenuation of the received signal is determined from the using the determined measure for the Material thickness, an absorption coefficient for at least this second frequency component is calculated.
  • said material may be in particular a plastic, because
  • THz radiation is electromagnetic waves having a frequency of between 50 GHz and 10 THz.
  • the Thz radiation can thus contain these frequency components at the same time as spectral components or as temporally successive components.
  • a time position or phase is determined in addition to a power or amplitude when the THz radiation is detected by the phase-sensitive THz receiver.
  • the phase-sensitive THz receiver may preferably be synchronized with the THz transmitter, for example by a synchronization connection between the THz transmitter and the THz receiver. Such a synchronization function can provide a stable common time base for the detection of the
  • THz radiation Timing or phase of the THz radiation can be ensured.
  • the use of THz radiation initially has the advantage that plastics, including colored plastic materials, and paper for radiation from the aforementioned spectral range, in particular for THz radiation of a frequency of up to about 3 THz, are transparent. With the proposed method can therefore also z. B. colored bottles and those which are provided with labels to be examined. In the investigation of plastic materials, however, it has been shown that these have no characteristic absorption lines in the THz spectral range, whose
  • THz waves of different frequencies show different levels of absorption.
  • this absorption or an absorption coefficient describing this absorption typically rises flat with increasing frequency, with different ones
  • the absorption is a product of material thickness and absorption coefficient
  • the material thickness must be determined as accurately as possible. This is done in the proposed method in that at least for the first of at least two frequency components used the time offset or phase offset caused by the object to be examined caused by the THz radiation in the THz receiver received signal is measured.
  • This time or phase offset may, assuming a refractive index typical of the class of materials mentioned, at least approximately serve as a measure of the material thickness or to determine such a measure of material thickness.
  • the refractive indices of the various plastics are typically in the range between 1.5 and 1.75, so that z.
  • Plastic materials are identified, even if the articles made of these plastic materials otherwise wear no material-closing marking, for example in the form of a barcode. In these objects to be examined, it may, for. For example, to drink bottles, shampoo bottles, plastic cups or other vessels for household products. It is harmless if these items are additionally provided with labels or colored. Due to the fact that the THz radiation used comprises at least two different frequency components, a wavelength of the first frequency component can advantageously be chosen so large that the phase offset caused by the object clearly allows to conclude the material thickness, while an absorption in the material to be identified for this wavelength is still so low that the
  • Phase offset is particularly easy to measure.
  • the wavelength of the second frequency component can thereby be selected to be smaller than the wavelength of the first frequency component, so that the absorption coefficients of different materials differ significantly for this second frequency component.
  • the first frequency component can be chosen so that it electromagnetic waves with
  • the evaluation unit is set up to measure a time offset or phase offset of a THz radiation in the THz radiation.
  • Receiver generated received signal at least for the first frequency component and for determining an amplitude of the received signal or at least one of the second frequency component corresponding proportion of the received signal
  • the evaluation unit is further set programmatically, from the time or phase offset to determine a measure of a material thickness of a transmitted article and to determine from the measured amplitude an attenuation of the received signal caused by the article and to calculate an absorption coefficient using the determined measure of material thickness.
  • the time offset to be measured by the evaluation unit is designed to designate a change in a delay of the received signal with respect to the THz radiation emitted by the THz transmitter which, when the device is used as intended, is examined by a material that has been tested for its material and is therefore used caused a beam path of the device brought object.
  • the phase-sensitive THz receiver is not only suitable for determining a power or amplitude, but also a time slot or phase.
  • the mentioned time offset or phase offset of the receive signal denotes a time or phase offset relative to a comparison signal which is generated in the receiver if the examined object is not located in a beam path between the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver.
  • the time or phase offset can thus z.
  • Example be measured by comparing the received signal with a generated in a comparison measurement without irradiated object comparison signal. Damping is defined as an attenuation of the received signal by the irradiated object, which can be determined by comparing the measured power with a comparative power value which is determined in a comparison measurement without the transmitted object.
  • the absorption coefficient over the context P P o * exp (-d * a) are determined when P denotes the measured power, P 0 the comparative power value, d the material thickness and a the absorption coefficient.
  • P the measured power
  • P 0 the comparative power value
  • d the material thickness
  • a the absorption coefficient
  • the evaluation unit can advantageously be set up in terms of programming technology, the calculated absorption coefficient or a variable derived therefrom, eg. For example, a frequency-dependent fraction of the absorption coefficient may be compared with comparative values and the irradiated object assigned to a material or a group of possible materials if the absorption coefficient or the quantity derived therefrom falls within an interval assigned to the material or group of materials.
  • the evaluation unit can also be set up for carrying out the further method steps, which serve to evaluate the measurement results and to allocate or identify the material, and which are described here in connection with advantageous embodiments of the method.
  • the material from which the irradiated article is at least partially and typically largely formed can therefore be identified or assigned to a group of possible materials by the calculated absorption coefficient or a From this determined frequency-dependent proportion of the absorption coefficient is compared with comparative values.
  • the latter can be stored in a database.
  • different intervals for permissible damping or absorption coefficients can be defined for different materials, wherein the decision as to which material is or can be assigned to the material for a group of possible materials may then depend on it in which the intervals fall the experimentally determined absorption coefficients. Reflection losses can be taken into account in the determination of the absorption coefficient, be it mathematically, for example by determining a reflection rate R by means of the formula
  • R (n-1) 2 / (n + 1) 2 , be it by a comparative measurement, for example, carried out for the first frequency component at a different wavelength.
  • a preliminary decision or a supplementary decision can already be made as to what materials or groups of materials or what types of articles are suitable for the object being examined .
  • intervals for material thicknesses may also be stored in the database.
  • a bottle made of glass has a wall thickness between 3 mm and 6 mm.
  • For bottles for shampoo or rinsing agent is chosen as cheap as possible material, preferably HDPE, and wall thicknesses of about 1 mm are common.
  • For food on the other hand, taste neutrality and food authenticity are absolutely necessary.
  • the material of choice here is PET, which is expensive and therefore used with the thinnest possible wall thickness. Typical are thicknesses of about 0.3 mm for one-way bottles and about 0.6 mm for returnable bottles.
  • the time or phase offset of the reception signal is measured not only for the first frequency component but also for the second frequency component and evaluated accordingly to a more accurate thickness determination.
  • the attenuation or absorption of the received signal is again determined not only for the second frequency component but also for the first frequency component and evaluated accordingly, so that a portion of the attenuation or absorption which is based on unspecific losses is detected and typically frequency-independent
  • Such nonspecific losses can z. B. by scattering to Farbpigmen- th, caused by contamination or by a surface roughness. Then, a frequency-dependent part of the attenuation or absorption of the further analysis can be used, the z. B. by subtraction between the determined for the different wavelengths or frequency components attenuations or absorption coefficients can be determined.
  • An independent of the material to be identified influence of nonspecific losses, whether on surfaces by reflection, whether by scattering of roughness or contamination, can be so very accurately recorded and eliminated in the manner described become.
  • the time or phase offset and the attenuation are preferably determined by comparing the received signal with a comparison signal which is generated in the same way without the object being in a beam path between the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver and with the THz Radiation is irradiated.
  • the THz radiation generated with the THz transmitter and detected with the phase-sensitive THz receiver contains further
  • both the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver two or more by the desired amount of the THz beat frequency have detuned or detuned lasers.
  • two lasers may be provided, one of which is switched between two frequencies. Instead, three mutually detuned lasers can be provided, which allow a simultaneous measurement of two or three frequency components generated thereby. Beating frequencies between the different lasers correspond to the resulting THz frequencies. For a simultaneous
  • the laser powers of the different lasers can be differently modulated.
  • Synchronization function or synchronization connection between the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver so that a stable common time base for the detection of the timing or
  • a common light source for activating both the THz transmitter and the THz receiver may be provided.
  • This light source can z. B. be connected via glass fibers or other waveguide with the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver.
  • the THz transmitter can be realized by a photoconductor or a photodiode with an integrated antenna, while the phase-sensitive THz receiver can be provided by a photoconductor with integrated antenna that is sensitive to light of the same wavelength if possible.
  • a variable optical delay circuit can be connected between the light source and the phase-sensitive THz receiver or between the light source and the THz transmitter.
  • the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver of the device should be arranged such that the object to be examined can be arranged in a beam path between the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver.
  • the object can be arranged spatially between the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver or between a mirror on one side and the THz transmitter and phase-sensitive THz receiver.
  • the THz radiation will pass through the article twice, typically penetrating four times the wall thickness of the article.
  • Both lenses may be provided for collimating or focusing the THz radiation both between the THz transmitter and the object to be examined and between this object and the phase-sensitive THz receiver. If bottles or similar shaped and shaped approximately cylindrical objects are to be examined, these lenses can z. B. be given by cylindrical lenses, which can be achieved that the THz radiation in each case occurs almost exactly perpendicular through a wall of the object.
  • the THz transmitter emits the THz radiation in the form of at least one pulse, which necessarily has a multiplicity of different frequency responses. contains shares.
  • the device may in particular comprise a pulse laser as the light source for activating the THz transmitter and the phase-sensitive THz receiver.
  • the time lag and the damping or absorption z. B be determined for a maximum amplitude of the received signal generated by the THz pulse. Since several frequency components are received in the maximum amplitude and their temporal position, a special case of the method described above is thereby realized.
  • the time offset can also be determined via a position of a defined edge of the received signal.
  • the received signal generated by the pulse is subjected to a Fourier transformation, wherein the attenuation or absorption is determined as a function of the frequency after the Fourier transformation has been carried out.
  • the received signal is preferably used in its form before the Fourier transformation, also in this case.
  • the Fourier transform can also be replaced by other types of frequency analysis.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for identifying a material from which a blank container made is
  • Fig. 2 is a diagram of a frequency dependence
  • FIG. 3 in a schematic representation important components of a preferred embodiment of a device of the type shown in Fig. 1 and
  • FIG. 4 shows a diagram which illustrates how a THz pulse generated and detected by this device is influenced in different ways by empty containers of various types.
  • the apparatus shown in Fig. 1 comprises a THz transmitter 1 for generating THz radiation of at least two different frequency components and a phase-sensitive THz receiver for detecting timing / phase and power / amplitude of this THz radiation.
  • the phase-sensitive THz receiver 2 is provided with a synchronization function - here represented as a synchronization line 3 connected to the THz transmitter 1.
  • This synchronization line 3 can, for. B. be realized by a light guide, via which both the THz transmitter 1 and the phase-sensitive THz receiver 2 is activated by a common light source.
  • lenses 4 are arranged, which form a THz imaging optics and the THz radiation so collimate and focus that one in one
  • the device shown in FIG. 1 also has an evaluation unit 6, which simultaneously serves as a control unit for the THz transmitter 1 and the phase-sensitive THz receiver 2.
  • a time offset or phase offset of a received signal caused by the plastic bottle 5 is then measured, at least for a first frequency component of the THz radiation having, for example, a frequency of 0.1 THz, the THz radiation in the phase-sensitive THz receiver 2 is generated. At least for a high-frequency second frequency component of the THz radiation having a frequency of, for example, 1 THz, a weakening or attenuation of the signal caused by the plastic bottle 5 is determined.
  • the time or phase offset and the attenuation or attenuation are thereby determined by comparing the received signal with a comparison signal which is generated in the same way before the plastic bottle 5 is placed in the device or after the
  • Plastic bottle 5 is taken out of the device.
  • the evaluation unit 6 is now programmatically set up, assuming a typical for plastics refractive index of, for example
  • n 1.62 at least approximately to determine a material thickness of the plastic bottle 5, which will correspond to twice a wall thickness of this plastic bottle 5, because a wall of the plastic bottle 5 in two places from the THz radiation is penetrated.
  • the evaluation unit 6 is programmed so that it, depending on the determined material thickness and the measured attenuation or attenuation, an absorption coefficient of the plastic bottle 5 forming material at least for said second
  • FIG. 2 illustrates how this makes it possible to deduce the material from which the plastic bottle 5 at least mainly consists. It is irrelevant if the plastic bottle
  • FIG. 2 illustrates frequency dependencies of absorption coefficients a for various plastics.
  • a curve 7 of the absorption coefficient for PET polyethylene terephthalate
  • a corresponding curve 8 for PC polycarbonate
  • a curve 9 of the absorption coefficient of HDPE high-density polyethylene with weakly branched polymer chains.
  • Plastic bottle 5 caused time or phase offset for the frequency component of this frequency can be conveniently measured.
  • the various plastics already show large deviations, with PET having an absorption coefficient at this frequency. coefficient of about 25 cm -1 and HDPE at the same frequency has an absorption coefficient of only about 2 cm -1 .
  • the material thickness is determined at least approximately by the measurement of the time or phase offset for the first frequency component and therefore the absorption coefficient for the second frequency component can be determined with similar accuracy, the differences in absorption behavior shown in FIG. 2 therefore already allow a very reliable decision about it What kind of plastic is the material forming the plastic bottle 5? If the time offset or phase offset in the described method is additionally determined for the second frequency component, the material thickness can be determined even more accurately.
  • the weakening of the received signal by the plastic bottle 5 is not exclusively attributable to absorption by the plastic material forming the plastic bottle 5, it is also partly due to reflections and scattering, which in turn may be due to roughness of the surface or dirt of the plastic bottle 5 .
  • the attenuation or attenuation of the received signal is additionally determined for the first frequency component, so that an in
  • the THz radiation which is generated with the THz transmitter 1, to contain further frequency components, for which the time or phase offset is likewise included and the attenuation or attenuation of the received signal is determined and evaluated accordingly.
  • the material forming the plastic material 5 can be identified or at least assigned to a group of possible materials by comparing the calculated absorption coefficient or a frequency-dependent component of the absorption coefficient derived therefrom with comparative values, wherein a preliminary decision or an additional decision as to what material it is, can already be made by the at least approximately certain material thickness.
  • a prior knowledge can be exploited as to what material thicknesses in the case of objects of the kind studied come into question for certain materials.
  • Fig. 3 some components of a device of the kind already described with reference to FIG. 1 are shown in more detail. Recurring features are again provided with the same reference numerals.
  • a laser light source 10, which serves to activate both the THz transmitter 1 and the phase-sensitive THz receiver 2, can be seen here.
  • the phase-sensitive THz receiver 2 is realized by a photoconductor with an integrated antenna that is sensitive to light generated by the laser light source 10 during the THz process.
  • Sender 1 is given by a corresponding photoconductor or by a light of the same wavelength sensitive photodiode with integrated antenna.
  • the laser light source 10 is optically coupled to the THz transmitter 1 and the phase-sensitive THz receiver 2 via a respective glass fiber 11.
  • a variable op ⁇ tical delay circuit 12 is connected in a course of one of these glass fibers 11.
  • the lenses 4 can advantageously be embodied as cylindrical lenses which have an axis of symmetry running parallel to an axis of symmetry of the plastic bottle 5, so that the THz radiation can be guided such that it penetrates vertically through a wall of the plastic bottle 5.
  • the laser light source 10 may, for. B. have two mutually slightly detuned laser, one of which has an adjustable resonant frequency. These lasers are so out of tune with each other that a beat frequency is in the THz range and corresponds to one of the THz frequencies to be generated. With this beat frequency then the THz transmitter 1 and the phase-sensitive THz receiver 2 are activated. The two different frequency components of the THz radiation are then generated by switching the one laser between two slightly different resonance frequencies. Instead, the laser light source 10 also z. B. have three lasers, each with slightly detuned resonance frequencies, so that several beat frequencies arise and, accordingly, the different frequency components of the THz radiation are generated simultaneously. For a simultaneous detection of the different frequency components, an output power of the different lasers can then be differently modulated.
  • the laser light source 10 is given by a pulse laser, which results in that the THz transmitter 1 emits the THz radiation in the form of one or more pulses, each a whole
  • FIG. 4 shows how a received signal 13 produced thereby in the phase-sensitive THz receiver 2 appears when the plastic bottle 5 is a returnable bottle made of PET.
  • the received signal 13 is offset by a time offset At, wherein an amplitude A of Receive signal 13 by a decrease .DELTA. ⁇ is less than an amplitude of the comparison signal 14.
  • the time offset At is determined using the variable optical delay circuit 12. With the evaluation unit 6 not shown in FIG. 3, the material thickness is determined from the time offset ⁇ t, which in the arrangement of FIG.
  • ⁇ can be eliminated by calculation.
  • the absorption coefficient thus determined will also be attributable to a frequency component which dominates the maximum amplitude of the pulse generated by the laser light source 10.
  • FIG. 4 Another reception signal 13 'is shown in Fig. 4, which is obtained with a corresponding measurement when the plastic see-see 5 is made of HDPE and has thicker walls.
  • HDPE vessels typically have a larger size Have wall thickness as bottles of PET, can already be made on the basis of differences in the time offset At a preliminary decision or a supplementary decision on what kind of material or what a plastic bottle 5 is. So z.
  • a time offset At of more than the 18 picoseconds indicated by a vertical dashed line in FIG. 4 may serve as an indication of a HDPE empty container, while a shorter time offset ⁇ t tends to close PET.
  • reusable bottles can also be distinguished from single use bottles because disposable bottles are typically made thinner walled.
  • the evaluation unit 6 can thus be set up to compare the at least approximately determined material thickness and the calculated absorption coefficient or a variable derived therefrom with comparative values and the plastic bottle 5 irradiated with the THz radiation to a material or a group of materials or a particular bottle type, when the material thickness and the absorption coefficient or the quantity derived therefrom each fall within an interval associated with the material or group of materials or bottle type. This is particularly possible with high accuracy when only a limited selection of materials in question, for example, glass, PET or HDPE.
  • the evaluation unit 6 can also be set up to subject the generated received signal 13 or 13 1 to a Fourier transformation and to determine the attenuation caused by the plastic bottle 5 frequency-dependent. Then a very accurate determination of the plastic bottle 5 forming material is also possible if the weakening z. Due to surface
  • Plastic bottle 5 is reinforced.
  • a radiation of the object given by the plastic bottle 5 in the present case with a THz pulse is an advantageous special case of using a multiplicity of different frequency components with which the thickness and absorption measurements can be refined. If different discrete frequency components are used, it is advantageous if one of the frequency components serves to carry out a reference measurement in which the absorption by the material is still very low, but the non-specific parasitic effects are already taken into account. This reference measurement can z. B. at a relatively small frequency of between 50 GHz and 0.3 THz.
  • An advantageous embodiment of the method provides that on the basis of the specific material thickness already a first assignment to a material or a group of materials and / or to a bottle type or vessel type is done by the determined material thickness is compared with values from a database. From a comparison of the absorption behavior observed in particular at higher frequencies with comparative values from the database, a second assignment of the material and the bottle type results.
  • the empty containers for example Bottles
  • the resulting phase shift or time delay is measured.
  • Thickness measurement based on this phase shift and time delay, assuming a mean refractive index, thus provides a very quick first classification and separation of the basic bottle types into valuable PET material and less valuable other plastics.
  • one-way beverage containers, reusable beverage containers and other cheaper plastics can be distinguished from one another.
  • Glass bottles are significantly thicker than plastic bottles and therefore also easily distinguishable.
  • Metals on the other hand, are not transparent to THz radiation and therefore can also be easily distinguished.
  • the result of the thickness measurement then also serves as an input value for the calculation of the expected amplitude attenuation. Without any knowledge of the material thickness, attenuation measurements would not be meaningful and meaningful. For the different materials of interest, besides the
  • Beam path are compared. This results in a second material order, with which the first assignment can be checked.
  • a critical point in the amplitude evaluation is that rough surfaces and dirty bottles can cause additional damping. For a more detailed examination, this can be detected and the measurement signal with respect to these disturbances corrected.
  • the perturbations can be detected by measurements at relatively low frequencies where there is almost no absorption in the material, but the perturbing effects are almost identical to higher frequencies used for absorption measurement. The difference of the attenuation at the different frequencies thus results with high accuracy pure material damping, which allows to close the material. Taking into account the previously determined material thickness, the absorption coefficient can then be calculated. Finally, by comparing the absorption coefficient with a database, the plastic or other material is identified and then fed to the appropriate recycling path in typical embodiments of the process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines Materials, bei dem mit einem THz-Sender (1) THz-Strahlung erzeugt wird, die zeitgleich oder sequentiell zumindest einen ersten Frequenzanteil und einen davon unterschiedlichen zweiten Frequenzanteil enthält, wobei ein aus dem zu identifizierenden Material gebildeter Gegenstand mit dieser THz-Strahlung durchstrahlt wird und die aus dem Gegenstand austretende THz-Strahlung mit einem phasenempfindlichen THz-Empfänger (2) detektiert wird, wobei ferner zumindest für den ersten Frequenzanteil ein durch den Gegenstand verursachter Zeit- oder Phasenversatz eines im phasenempfindlichen THz-Empfänger erzeugten Empfangssignals gemessen wird, aus dem ein Maß für eine Materialdicke bestimmt wird, und wobei zumindest für den zweiten Frequenzanteil eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals bestimmt wird, aus der unter Verwendung des Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Identifizieren eines für THz-Strahlung transparenten Materials.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Identifizieren eines
Materials
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz - Strahlung transparenten Materialien.
Immer häufiger werden Kunststoffe als Werkstoff für Verpackungen, Gefäße oder andere Produkte verhältnismäßig kurzer Lebensdauer eingesetzt, so dass auch immer mehr entsprechender Abfall entsteht. Diesen Abfall einer Wiederverwertungskette zuzuführen ist aus verschiedenen Gründen erstrebenswert. Einmal gilt es, im Interesse des Umweltschutzes Abfälle zu minimieren und insbesondere umweltbelastende Materialien auszusortieren. Zum anderen ist aus ökonomischen Gründen sinnvoll, wertvolle Stoffe einer Wiederverwertung zuzuführen . Erster Schritt einer Wiederverwertungskette ist es, unterschiedliche Stoffe zu erkennen, um sie dann den richtigen Wiederverwertungsprozessen zuführen zu können. Verfahren, zu diesem Zweck unterschiedliche KunststoffSorten automatisch zu identifizieren, sind bisher nicht etabliert. Um z . B. festzustellen, aus was für einem Kunststoff Leergebinde gefertigt sind, müssen diese bislang entsprechend gekennzeichnet sein, beispielsweise mithilfe eines Barcodes.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, die es erlauben, Kunststoffe und, wenn möglich, auch andere Materialien automatisch zu identifizieren oder zumindest einer eingeschränkten
Klasse von Stoffen zuzuordnen, wobei die Vorrichtung möglichst einfach aufgebaut sein soll und wobei das Verfahren einfach und schnell und, wenn möglich, berührungsfrei durchführbar sein und nicht auf eine Kennzeichnung zu untersuchender Gegenstände angewiesen sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche . Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz-Strahlung transparenten Materialien, bei dem mit einem THz-Sender THz-Strahlung erzeugt wird, die zumindest einen ersten Frequenzanteil und einen zweiten Frequenzanteil davon unterschiedlicher
Wellenlänge enthält, wobei ein Gegenstand, der zu- mindest teilweise aus dem zu identifizierenden
Material gebildet ist, mit dieser THz-Strahlung durchstrahlt wird und die aus dem Gegenstand austretende THz-Strahlung mit einem phasenempfindlichen THz-Empfänger detektiert wird, wobei ferner zumindest für den ersten Frequenzanteil ein durch den Gegenstand verursachter Zeitversatz oder Phasenversatz eines durch die THz-Strahlung im THz-Empfänger erzeugten Empfangssignals gemessen wird, aus dem zumindest näherungsweise ein Maß für eine Materialdicke des Gegenstands bestimmt wird, und wobei zumindest für den zweiten Frequenzanteil eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals bestimmt wird, aus der unter Verwendung des ermittelten Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet wird. Bei dem so untersuchten Gegenstand kann es sich insbesondere um ein Leergebinde, wie z. B. eine Flasche, oder um ein anderes Gefäß handeln, wobei das genannte Material insbesondere ein Kunststoff sein kann, weil
Kunststoff für THz-Strahlung transparent ist. Als THz-Strahlung seien dabei in der vorliegenden Schrift elektromagnetische Wellen einer Frequenz von zwischen 50 GHz und 10 THz bezeichnet.
Ob die Frequenzanteile zeitgleich oder sequentiell ausgestrahlt werden, ist unbeachtlich. Die Thz- Strahlung kann diese Frequenzanteile also zeitgleich als Spektralkomponenten oder als zeitlich aufeinander folgende Anteile enthalten. Zur Bestimmung der Dämp- fung oder Abschwächung und des Zeit- oder Phasenversatzes wird beim Detektieren der THz-Strahlung mit dem phasenempfindlichen THz -Empfänger außer einer Leistung oder Amplitude auch eine Zeitlage oder Phase bestimmt . Der phasenempfindliche THz-Empfänger kann vorzugsweise mit dem THz -Sender synchronisiert werden, beispielsweise durch eine Synchronisierungs-Verbindung zwischen dem THz-Sender und dem THz-Empfänger . Durch eine solche Synchronsierungsfunktion kann eine stabile gemeinsame Zeitbasis für die Detektion der
Zeitlage oder Phase der THz-Strahlung gewährleistet werden . Die Verwendung von THz-Strahlung bringt dabei zunächst den Vorteil mit sich, dass Kunststoffe, auch gefärbte Plastikmaterialien, und Papier für Strahlung aus dem genannten Spektralbereich, insbesondere für THz-Strahlung einer Frequenz von bis zu etwa 3 THz, transparent sind. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können also auch z. B. gefärbte Flaschen und solche, die mit Etiketten versehen sind, untersucht werden. Bei der Untersuchung von Plastikmaterialien zeigt sich jedoch, dass diese im THz-Spektralbereich keine charakteristischen Absorptionslinien haben, deren
Frequenzen oder Wellenlängen, wie in der klassischen Spektroskopie üblich, zur Identifizierung genutzt werden könnten. Mit der beanspruchten Erfindung wird eine Möglichkeit vorgeschlagen, wie für Kunststoffe typische Absorptionscharakteristiken im THz-Spektralbereich auch ohne scharfe Absorptionslinien zur Materialidentifizierung genutzt werden können. Dabei wird ausgenutzt, dass Kunststoffe und andere für THz- Strahlung transparente Materialien, auch wenn sie keine scharfen THz-Absorptionslinien aufweisen, für
THz-Wellen unterschiedlicher Frequenz eine unterschiedlich starke Absorption zeigen. Dabei steigt diese Absorption bzw. ein diese Absorption beschreibender Absorptionskoeffizient typischerweise mit zu- nehmender Frequenz flach an, wobei sich verschiedene
Materialien durch unterschiedliche Werte und Steigun- gen ihrer Absorptionskoeffizienten für THz-Strahlung voneinander unterscheiden. Daher kann man über eine Höhe einer Absorption von THz-Strahlung in einem Material Informationen darüber gewinnen, um
was für ein Material es sich handelt. Da in die Absorption jedoch ein Produkt aus Materialdicke und Absorptionskoeffizient eingeht, muss dazu auch die Materialdicke möglichst genau bestimmt werden. Das geschieht bei dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch, dass zumindest für den ersten von mindestens zwei verwendeten Frequenzanteilen der durch den zu untersuchenden Gegenstand verursachte Zeitversatz oder Phasenversatz des durch die THz-Strahlung im THz- Empfänger erzeugten Empfangssignals gemessen wird. Dieser Zeit- oder Phasenversatz kann unter Annahme eines für die genannte Klasse von Materialien typischen Brechungsindexes zumindest näherungsweise als Maß für die Materialdicke oder zum Bestimmen eines solchen Maßes für die Materialdicke dienen. So liegen die Brechungsindizes der verschiedenen Kunststoffe typischerweise im Bereich zwischen 1,5 und 1,75, so dass z. B. die Annahme eines mittleren Werts von n = 1,62 eine Bestimmung der Materialdicke auch ohne Kenntnis des Materials mit einem Fehler von weniger als 10 % zu bestimmen erlaubt. Dabei kann die nachfolgend als d bezeichnete Materialdicke bestimmt werden gemäß d = At · c/ (n-1) , wobei At für den gemessenen Zeitversatz, c für die Vakuumlichtgeschwindigkeit und n für den angenommenen Brechungsindex stehen. In dem dann zumindest für den zweiten Frequenzanteil eine durch den Gegenstand ver- ursachte Dämpfung des Empfangssignals bestimmt wird, kann dann unter Verwendung dieser Dämpfung und des ermittelten Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient des zu identifizierenden Materials für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet werden, der auf dieses Material zu schließen erlaubt oder zumindest eine Zuordnung zu einer eingeschränkten Gruppe in Frage kommender Materialien ermöglicht.
So können in vorteilhafter Weise insbesondere
Plastikmaterialien identifiziert werden, auch wenn die aus diesen Plastikmaterialien gefertigten Gegenstände ansonsten keine auf das Material schließende Kennzeichnung, beispielsweise in Form eines Barcodes, tragen. Bei diesen zu untersuchenden Gegenständen kann es z. B. um Getränkeflaschen, Shampooflaschen, Plastikbecher oder andere Gefäße für Haushaltsprodukte handeln. Dabei ist es unschädlich, wenn diese Gegenstände zusätzlich mit Etiketten versehen oder gefärbt sind. Dadurch, dass die verwendete THz -Strahlung mindestens zwei verschiedene Frequenzanteile umfasst, kann eine Wellenlänge des ersten Frequenzanteils in vorteilhafter Weise so groß gewählt werden, dass der durch den Gegenstand verursachte Phasenversatz eindeutig auf die Materialdicke zu schließen erlaubt, während eine Absorption im zu identifizierenden Material für diese Wellenlänge noch so gering ist, dass der
Phasenversatz besonders einfach zu messen ist.
Gleichzeitig kann dadurch die Wellenlänge des zweiten Frequenzanteils kleiner als die Wellenlänge des ersten Frequenzanteils gewählt werden, so dass sich die Absorptionskoeffizienten verschiedener Materialien für diesen zweiten Frequenzanteil merklich unterscheiden. So kann z. B. der erste Frequenzanteil so gewählt werden, dass er elektromagnetische Wellen mit
Frequenzen zwischen 50 GHz und 200 GHz enthält, für die die meisten betroffenen Materialien noch eine sehr geringe Absorption zeigen, während der zweite Frequenzanteil so gewählt werden kann, dass er elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von z. B.
zwischen 0,5 THz und 4 THz, vorzugsweise zwischen
0,5 THz und 2,5 THz, enthält. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Wellenlänge des ersten Frequenz - anteils mindestens so groß wie eine Wandstärke des Gegenstands gewählt wird, was bei einem Brechungs- index von größenordnungsmäßig n = 1,5 und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bei dem Verfahren typischerweise zwei Wände des Gegenstands durchstrahlt werden und die Materialdicke daher zweimal der Wandstärke entspricht, dazu führt, dass der ge- messene Phasenversatz noch ohne Mehrdeutigkeiten auf die Materialdicke zu schließen erlaubt.
Eine vorteilhafte Vorrichtung, mit der sich das hier beschriebene Verfahren durchführen lässt und bei der es sich z. B. um einen Rücknahmeautomaten für Leergut oder einem Rückführungsprozess zuzuführende Abfälle handeln kann, umfasst dementsprechend einen THz- Sender zum Erzeugen von THz-Strahlung mit zumindest einem ersten Frequenzanteil und einem zweiten Fre- quenzanteil mit vom ersten Frequenzanteil unterschiedlicher Wellenlänge, einen phasenempfindlichen THz-Empfänger zum Detektieren der THz-Strahlung und eine Auswerteeinheit. Dabei ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum Messen eines Zeitversatzes oder Pha- senversatzes eines durch die THz-Strahlung im THz-
Empfänger erzeugten Empfangssignals zumindest für den ersten Frequenzanteil und zum Bestimmen einer Amplitude des Empfangssignals oder zumindest einem dem zweiten Frequenzanteil entsprechenden Anteils des Empfangssignals, wobei die Auswerteeinheit ferner programmtechnisch eingerichtet ist, aus dem Zeit- oder Phasenversatz ein Maß für eine Materialdicke eines durchstrahlten Gegenstands zu bestimmen und aus der gemessenen Amplitude eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals zu ermitteln und unter Verwendung des bestimmten Maßes für die Materialdicke einen Absorptionskoeffizienten zu berechnen. Der Zeitversatz, den zu messen die Auswerteeinheit eingerichtet ist, bezeichne dabei eine Änderung einer Verzögerung des Empf ngssignals mit Bezug auf die vom THz- Sender ausgesendete THz- Strahlung, die bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung durch einen auf sein Material hin untersuchten und dazu in einen Strahlengang der Vorrichtung gebrachten Gegenstand verursacht wird.
Der phasenempfindliche THz-Empfänger ist dabei nicht nur zur Bestimmung einer Leistung oder Amplitude, sondern auch einer Zeitlage oder Phase geeignet. Der erwähnte Zeitversatz oder Phasenversatz des Empfangs - signals bezeichnet dabei einen Zeit- oder Phasenversatz gegenüber einem Vergleichssignal, das im Empfänger erzeugt wird, wenn sich der untersuchte Gegenstand nicht in einem Strahlengang zwischen dem THz - Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger be- findet. Der Zeit- oder Phasenversatz kann also z. B. durch Vergleichen des EmpfangsSignals mit einem bei einer Vergleichsmessung ohne durchstrahlten Gegenstand erzeugten Vergleichssignal gemessen werden. Als Dämpfung wird eine Abschwächung des Empfangssignals durch den durchstrahlten Gegenstand bezeichnet, die durch einen Vergleich der gemessenen Leistung mit einem Vergleichsleistungswert bestimmt werden kann, der bei einer Vergleichsmessung ohne den durchstrahl - ten Gegenstand ermittelt wird. Im einfachsten Fall kann der Absorptionskoeffizient über den Zusammenhang P = P0 · exp(—d · a) bestimmt werden, wenn P die gemessene Leistung, P0 den Vergleichsleistungswert, d die Materialdicke und a den Absorptionskoeffizienten bezeichnen. Zusätzlich zur Absorption können jedoch auch Reflexionsverluste in die Dämpfung eingehen, die unter Umständen
rechnerisch berücksichtigt oder durch ein Abziehen frequenzunabhängiger Anteile der Dämpfung oder Absorption eliminiert werden können.
Zusätzlich kann die Auswerteeinheit in vorteilhafter Weise programmtechnisch eingerichtet sein, den be- rechneten Absorptionskoeffizienten oder eine daraus abgeleitete Größe, z. B. einen frequenzabhängigen Anteil des Absorptionskoeffizienten, mit Vergleichswerten zu vergleichen und den durchstrahlten Gegenstand einem Material oder einer Gruppe möglicher Materia- lien zuzuordnen, wenn der Absorptionskoeffizient oder die daraus abgeleitete Größe in ein dem Material oder der Gruppe von Materialien zugeordnetes Intervall fällt. Außerdem kann die Auswerteeinheit auch zur Durchführung der weiteren Verfahrensschritte eingerichtet sein, die einer Auswertung der Messergebnisse und einer Zuordnung oder Identifizierung des Materials dienen und die hier im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben werden.
Das Material, aus dem der durchstrahlte Gegenstand zumindest teilweise und typischerweise größtenteils gebildet ist, kann also identifiziert oder einer Gruppe von möglichen Materialien zugeordnet werden, indem der berechnete Absorptionskoeffizient oder ein daraus ermittelter frequenzabhängiger Anteil des Absorptionskoeffizienten mit Vergleichswerten verglichen wird. Letztere können dazu in einer Datenbank gespeichert sein. Dabei können für verschiedene Mate- rialien verschiedene Intervalle für zulässige Dämpfungen bzw. Absorptionskoeffizienten definiert sein, wobei die Entscheidung darüber, um was für ein Material es sich handelt oder was für einer Gruppe von möglichen Materialien das Material zuzuordnen ist, dann in Abhängigkeit davon fallen kann, in welches der Intervalle die experimentell bestimmten Absorptionskoeffizienten fallen. Reflexionsverluste können dabei bei der Ermittlung des Absorptionskoeffizienten berücksichtigt werden, sei es rechnerisch, beispiels- weise durch Bestimmung einer Reflexionsrate R mittels der Formel
R = (n - l)2 / (n + l)2, sei es durch eine beispielsweise für den ersten Frequenzanteil durchgeführten Vergleichsmessung bei einer anderen Wellenlänge.
In Abhängigkeit von dem über den gemessenen Zeit- oder Phasenversatz bestimmten Maß für die Materialdicke kann bereits eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber getroffen werden, was für Materialien oder Gruppen von Materialien oder was für Typen von Gegenständen für den untersuchten Ge- genstand in Frage kommen. Dazu können auch Intervalle für Materialdicken, die für bestimmte Materialien oder Typen von Gegenständen in Frage kommen, in der Datenbank gespeichert sein. So kann man bei einer Untersuchung von Leergebinden beispielsweise davon aus- gehen, dass eine Flasche aus Glas eine Wandstärke zwischen 3 mm und 6 mm hat. Bei Flaschen für Shampoo oder Spülmittel wird möglichst billiges Material gewählt, vorzugsweise HDPE, und Wandstärken von ca. 1 mm sind üblich. Für Lebensmittel dagegen sind Geschmacks-Neutralität und Lebensmittel-Echtheit unbe- dingt erforderlich. Material der Wahl ist hier PET, das aber teuer ist und deshalb mit möglichst dünner Wandstärke benutzt wird. Typisch sind Dicken von ca. 0,3 mm für Einwegflaschen und ca. 0,6 mm für Mehrwegflaschen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Zeit- oder Phasenversatz des EmpfangsSignals nicht nur für den ersten Frequenzanteil, sondern auch für den zweiten Frequenzanteil gemessen und zu einer genaueren Dickenbestimmung entsprechend ausgewertet.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Dämpfung oder Absorption des Empfangssignals wiederum nicht nur für den zweiten Frequenzanteil, sondern auch für den ersten Frequenzanteil bestimmt und entsprechend ausge- wertet wird, damit ein auf unspezifische Verluste zurückgehender, typischerweise frequenzunabhängiger Teil der Dämpfung oder Absorption erkannt und
herausgerechnet werden kann. Solche unspezifischen Verluste können z. B. durch Streuung an Farbpigmen- ten, durch Verschmutzung oder durch eine Oberflächenrauhigkeit verursacht sein. Dann kann ein frequenzabhängiger Teil der Dämpfung oder Absorption der weiteren Analyse zugrunde gelegt werden, der z. B. durch Differenzbildung zwischen den für die verschiedenen Wellenlängen oder Frequenzanteile ermittelten Dämpfungen oder Absorptionskoeffizienten bestimmt werden kann. Ein vom zu identifizierenden Material unabhängiger Einfluss unspezifischer Verluste, sei es an Oberflächen durch Reflexion, sei es durch Streuungen an Rauhigkeiten oder Verschmutzungen, kann so sehr genau erfasst und in beschriebener Weise eliminiert werden. Dadurch ergibt sich ein Verfahren, mit dem schnell, einfach und berührungsfrei sowohl eine Materialdicke als auch eine materialbedingte Absorption von THz-Strahlung ermittelt werden kann und gleich- zeitig störende Untergrundverluste so erfasst werden, dass ein allein auf das Material zurückgehender Anteil der Absorption ermittelt und zur Erkennung des Materials genutzt werden kann. Der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung werden vorzugsweise bestimmt, indem das Empfangssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das in gleicher Weise erzeugt wird, ohne dass der Gegenstand sich in einem Strahlengang zwischen THz-Sender und phasenempfindlichem THz-Empfänger befindet und mit der THz-Strahlung durchstrahlt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die mit dem THz-Sender erzeugte und mit dem phasenempfindli- chen THz-Empfänger detektierte THz-Strahlung weitere
Frequenzanteile, für die ebenfalls der Zeit- oder Phasenversatz und/ oder die Dämpfung oder Absorption des Empfangssignals bestimmt wird. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit erreicht werden. Unabhängig von ihrer Zahl können die verschiedenen Frequenzanteile der THz-Strahlung zeitgleich oder nacheinander ausgestrahlt und detektiert werden, wobei bei einer zeitgleichen Detektion eine Signaltrennung z. B. mithilfe verschiedener Modulationsfrequenzen für die verschie- denen Frequenzanteile erfolgen kann.
Zum Erzeugen der verschiedenen Frequenzanteile kann die verwendete Vorrichtung als Lichtquelle zum
Aktivieren sowohl des THz-Senders als auch des pha- senempfindlichen THz-Empfängers zwei oder mehr um den gewünschten Betrag der THz-Schwebungsfrequenz gegen- einander verstimmte oder gegeneinander verstimmbare Laser aufweisen. Für eine sequentielle Messung der beiden Frequenzanteile können z. B. zwei Laser vorgesehen sein, von denen einer zwischen zwei Frequenzen umgeschaltet wird. Stattdessen können auch drei gegeneinander verstimmte Laser vorgesehen sein, die eine zeitgleiche Messung von zwei oder drei dadurch erzeugten Frequenzanteilen erlauben. Dabei entsprechen Schwebungsfrequenzen zwischen den verschiedenen La- sern jeweils den entstehenden THz-Frequenzen . Für eine zeitgleiche
Messung verschiedener Frequenzanteile können dazu die Laserleistungen der verschiedenen Laser unterschiedlich moduliert werden.
In vorteilhaften Ausfühungen besteht eine
Synchronisierungsfunkion oder Synchronisierungs- Verbindung zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz -Empfänger, damit eine stabile gemein- same Zeitbasis für die Detektion der Zeitlage oder
Phase gewährleistet ist.
Für die Synchronisierung des phasenempfindlichen THz- Empfängers mit dem THz-Sender kann eine gemeinsame Lichtquelle zum Aktivieren sowohl des THz-Senders als auch des THz -Empfängers vorgesehen sein. Diese Lichtquelle kann z. B. über Glasfasern oder andere Wellenleiter mit dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger verbunden sein. Der THz-Sender kann da- bei durch einen Photoleiter oder eine Photodiode mit integrierter Antenne realisiert sein, während der phasenempfindliche THz-Empfänger durch einen wenn möglich für Licht gleicher Wellenlänge empfindlichen Photoleiter mit integrierter Antenne gegeben sein kann . Zur Messung des Zeit- oder Phasenversatzes kann dabei eine variable optische Verzögerungsschaltung zwischen die Lichtquelle und den phasenempfindlichen THz- Empfänger oder zwischen die Lichtquelle und den THz - Sender geschaltet sein.
Der THz -Sender und der phasenempfindliche THz - Empfänger der Vorrichtung sollten so angeordnet sein, dass der zu untersuchende Gegenstand in einem Strah- lengang zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger angeordnet werden kann. Dazu kann der Gegenstand räumlich zwischen dem THz-Sender und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger angeordnet werden oder auch zwischen einem Spiegel auf einer Seite und dem THz-Sender und phasenempfindlichen THz-
Empfänger auf einer anderen Seite. Im letztgenannten Fall wird die THz -Strahlung zweimal durch den Gegenstand treten und dabei typischerweise ein Vierfaches einer Wandstärke des Gegenstands durchdringen. Sowohl zwischen dem THz-Sender und dem zu untersuchenden Gegenstand als auch zwischen diesem Gegenstand und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger können jeweils Linsen zum Kollimieren oder Fokussieren der THz - Strahlung vorgesehen sein. Sofern Flaschen oder ähn- lieh geformte und ungefähr zylinderförmige Gegenstände untersucht werden sollen, können diese Linsen z. B. durch Zylinderlinsen gegeben sein, womit sich erreichen lässt, dass die THz-Strahlung jeweils ziemlich genau senkrecht durch eine Wand des Gegenstands tritt.
Eine besonders präzise Untersuchung und Einordnung des Materials wird in einer Ausführung des Verfahrens möglich, bei dem der THz-Sender die THz-Strahlung in Form mindestens eines Pulses aussendet, der notwendigerweise eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenz- anteile enthält. In diesem Fall kann die Vorrichtung als Lichtquelle zum Aktivieren des THz-Senders und des phasenempfindlichen THz-Empfängers insbesondere einen Pulslaser aufweisen.
Sofern der zu untersuchende Gegenstand mit einem THz- Puls durchstrahlt wird, kann der Zeitversatz und die Dämpfung oder Absorption z. B. für eine maximale Amplitude des durch den THz-Puls erzeugten Empfangssig- nals ermittelt werden. Da in die maximale Amplitude und deren zeitliche Lage mehrere Frequenzanteile eingehen, wird dadurch ein Spezialfall des zuvor beschriebenen Verfahrens realisiert. Der Zeitversatz kann selbstverständlich auch über eine Lage einer de- finierten Flanke des Empfangssignals ermittelt werden .
Eine noch genauere Auswertung wird möglich, wenn das durch den Puls erzeugte Empfangssignal einer Fourier- Transformation unterzogen wird, wobei die Dämpfung oder Absorption frequenzabhängig nach Durchführung der Fourier-Transformation bestimmt wird. Zur Bestimmung des Zeitversatzes wird dagegen auch in diesem Fall vorzugsweise das Empfangssignal in seiner Form vor der Fourier-Transformation verwendet.
Selbstverständlich kann die Fourier-Transformation auch durch andere Arten der Frequenzanalyse ersetzt werden .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Identifizieren eines Materials, aus dem ein Leergebinde gefertigt ist ,
Fig. 2 als Diagramm eine Frequenzabhängigkeit
Absorptionskoeffizienten verschiedener Kunststoffe für THz -Strahlung,
Fig. 3 in schematischer Darstellung wichtige Komponenten einer bevorzugten Ausführung einer Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art und
Fig. 4 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein mit dieser Vorrichtung erzeugter und de- tektierter THz-Puls durch Leergebinde verschiedener Art auf verschiedene Weise beeinflusst wird.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist einen THz- Sender 1 zum Erzeugen von THz-Strahlung mindestens zweier verschiedener Frequenzanteile sowie einen phasenempfindlichen THz-Empfänger zum Detektieren von Zeitlage/Phase und Leistung/Amplitude dieser THz- Strahlung auf. Um eine möglichst zeitpräzise phasenempfindliche Detektion der mit dem THz-Sender 1 erzeugten THz-Strahlung durch den phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 zu ermöglichen, ist der phasenempfindliche THz -Empfänger 2 über eine Synchronisie- rungsfunktion - hier dargestellt als eine Synchroni- sierungsleitung 3 - mit dem THz-Sender 1 verbunden. Diese Synchronisierungsleitung 3 kann z. B. durch einen Lichtleiter realisiert sein, über den sowohl der THz-Sender 1 als auch der phasenempfindliche THz- Empfänger 2 durch eine gemeinsame Lichtquelle aktiviert wird. Zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 sind nur schematisch dargestellte Linsen 4 angeordnet, die eine THz- Abbildungsoptik bilden und die THz-Strahlung so kollimieren und fokussieren, dass eine in einem
Strahlengang zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 angeordnete Kunststoffflasche 5 mit der THz -Strahlung durchstrahlt wird. Schließlich weist die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung auch eine Auswerteeinheit 6 auf, die gleichzeitig als Steuereinheit für den THz-Sender 1 und den phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 dient.
Mit dieser Vorrichtung wird nun zumindest für einen ersten Frequenzanteil der THz-Strahlung, der beispielsweise eine Frequenz von 0,1 THz hat, ein durch die Kunststoffflasche 5 verursachter Zeitversatz oder Phasenversatz eines Empfangssignals gemessen, das durch die THz-Strahlung im phasenempfindlichen THz- Empfänger 2 erzeugt wird. Zumindest für einen hochfrequenteren zweiten Frequenzanteil der THz-Strahlung mit einer Frequenz von beispielsweise 1 THz wird eine durch die Kunststoffflasche 5 verursachte Abschwä- chung oder Dämpfung des Signals bestimmt. Der Zeitoder Phasenversatz und die Dämpfung oder Abschwächung werden dabei bestimmt, indem das Empfangssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das in gleicher Weise erzeugt wird, bevor die Kunststoffflasche 5 in der Vorrichtung platziert oder nachdem die
Kunststoffflasche 5 aus der Vorrichtung herausgenommen wird.
Die Auswerteeinheit 6 ist nun programmtechnisch dazu eingerichtet, unter Annahme eines für Kunststoffe typischen Brechungsindexes von beispielsweise
n = 1,62 zumindest näherungsweise eine Materialdicke der Kunststoffflasche 5 zu bestimmen, die einem Zweifachen einer Wandstärke dieser Kunststoffflasche 5 entsprechen wird, weil eine Wand der Kunststoffflasche 5 an zwei Stellen von der THz-Strahlung durchdrungen wird. Eine Wellenlänge des ersten
Frequenzanteils der THz-Strahlung ist dabei so groß, dass der gemessene Phasenversatz eindeutig auf die Materialdicke zu schließen erlaubt. Außerdem ist die Auswerteeinheit 6 so programmiert, dass sie in Abhängigkeit von der bestimmten Materialdicke und der gemessenen Dämpfung oder Abschwächung ein Absorptionskoeffizient des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials zumindest für den genannten zweiten
Frequenzanteil der THz-Strahlung berechnet wird.
In Fig. 2 ist veranschaulicht, wie es dadurch möglich wird, auf das Material zu schließen, aus dem die Kunststoffflasche 5 zumindest hauptsächlich besteht. Dabei ist es unerheblich, wenn die Kunststoffflasche
5 mit Papieretiketten versehen ist, weil Papier für THz-Strahlung nahezu vollständig transparent ist. In Fig. 2 sind Frequenzabhängigkeiten von Absorptions- koeffizienten a für verschiedene Kunststoffe ver- anschaulicht. Im Einzelnen sind dort ein Verlauf 7 des Absorptionskoeffizienten für PET (Polyethylen- terephthalat) , ein entsprechender Verlauf 8 für PC (Polycarbonat) und ein Verlauf 9 des Absorptions- koeffizienten von HDPE (Polyethylen hoher Dichte mit schwach verzweigten Polymerketten) gezeigt.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weisen diese Kunststoffe für elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von 0,1 THz jeweils noch einen sehr geringen Absorptionskoeffizienten auf, so dass der durch die
Kunststoffflasche 5 verursachte Zeit- oder Phasenversatz für den Frequenzanteil dieser Frequenz komfortabel gemessen werden kann. Bei der Frequenz des zweiten Frequenzanteils von 1 THz zeigen die ver- schiedenen Kunststoffe dagegen schon große Abweichungen, wobei PET bei dieser Frequenz einen Absorptions- koeffizienten von etwa 25 cm-1 und HDPE bei der gleichen Frequenz einen Absorptionskoeffizienten von nur etwa 2 cm-1 hat. Wenn nun durch die Messung des Zeitoder Phasenversatzes für den ersten Frequenzanteil die Materialdicke zumindest näherungsweise bestimmt wird und daher mit ähnlicher Genauigkeit der Absorptionskoeffizient für den zweiten Frequenzanteil bestimmt werden kann, erlauben die in Fig. 2 gezeigten Unterschiede im Absorptionsverhalten daher bereits eine sehr zuverlässige Entscheidung darüber, um was für einen Kunststoff es sich bei dem die Kunststoff - flasche 5 bildenden Material handelt. Wenn der Zeitversatz oder Phasenversatz bei dem beschriebenen Verfahren zusätzlich auch für den zweiten Frequenzanteil bestimmt wird, kann die Materialdicke noch genauer bestimmt werden. Da die Abschwächung des Empfangssignals durch die Kunststoffflasche 5 nicht ausschließlich auf eine Absorption durch den die Kunststoffflasche 5 bildenden Kunststoff zurückzuführen ist, son- dern teilweise auch auf Reflexionen und Streuungen, die wiederum auf eine Rauhigkeit der Oberfläche oder auf Verschmutzungen der Kunststoffflasche 5 zurückzuführen sein können, wird außerdem die Dämpfung oder Abschwächung des Empfangssignals zusätzlich auch für den ersten Frequenzanteil bestimmt, so dass ein in
Fig. 2 durch einen Doppelpfeil veranschaulichter frequenzabhängiger Anteil der Abschwächung bestimmt werden kann, der nur noch unwesentlich durch die anderen genannten Verluste beeinflusst wird, weil diese — al- so Reflexionen und Streuungen durch Oberflächen, Rauhigkeiten oder Verschmutzungen — praktisch frequenz- unabhängig sind. Schließlich ist es natürlich auch möglich, dass die THz-Strahlung, die mit dem THz- Sender 1 erzeugt wird, weitere Frequenzanteile ent- hält, für die ebenfalls der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung oder Abschwächung des Empfangs- Signals bestimmt und entsprechend ausgewertet wird.
Durch eine entsprechende Programmierung der Auswerte- einheit 6 kann also das die Kunststofflasche 5 bildende Material identifiziert oder zumindest einer Gruppe von möglichen Materialien zugeordnet werden, indem der berechnete Absorptionskoeffizient oder ein daraus ermittelter frequenzabhängiger Anteil des Ab- Sorptionskoeffizienten mit Vergleichswerten verglichen wird, wobei eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber, um was für ein Material es sich handelt, bereits durch die zumindest näherungsweise bestimmte Materialdicke getroffen werden kann. Dabei kann ein Vorwissen darüber ausgenutzt werden, was für Materialdicken bei Gegenständen der untersuchten Art für bestimmte Materialien in Frage kommen . In Fig. 3 sind einige Komponenten einer Vorrichtung der bereits anhand Fig. 1 beschriebenen Art detaillierter dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zu erkennen ist hier eine Laserlichtquelle 10, die zum Aktivieren sowohl des THz -Senders 1 als auch des phasenempfindlichen THz-Empfängers 2 dient. Dabei ist der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 durch einen Photoleiter mit einer integrierten Antenne realisiert, der für Licht empfindlich, das durch die La- serlichtquelle 10 erzeugt wird, während der THz-
Sender 1 durch einen entsprechenden Photoleiter oder durch eine für Licht gleicher Wellenlänge empfindliche Photodiode mit integrierter Antenne gegeben ist. Die Laserlichtquelle 10 ist über jeweils eine Glasfa- ser 11 optisch mit dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 gekoppelt. Zur Messung des Zeit- oder Phasenversatzes ist eine variable op¬ tische Verzögerungsschaltung 12 in einen Verlauf einer dieser Glasfasern 11 geschaltet. Die Linsen 4 können in vorteilhafter Weise als Zylinderlinsen aus- geführt sein, die eine parallel zu einer Symmetrieachse der Kunststoffflasche 5 verlaufende Symmetrieachse haben, so dass die THz -Strahlung so geführt werden kann, dass sie eine Wand der Kunststoffflasche 5 jeweils senkrecht durchdringt.
Die Laserlichtquelle 10 kann z. B. zwei gegeneinander leicht verstimmte Laser aufweisen, von denen einer eine verstellbare Resonanzfrequenz hat. Dabei sind diese Laser so gegeneinander verstimmt, dass eine Schwebungsfrequenz im THz -Bereich liegt und einer der zu erzeugenden THz -Frequenzen entspricht. Mit dieser Schwebungsfrequenz werden dann der THz-Sender 1 und der phasenempfindliche THz-Empfänger 2 aktiviert. Die zwei verschiedenen Frequenzanteile der THz -Strahlung werden dann durch Umschalten des einen Lasers zwischen zwei geringfügig verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugt. Stattdessen kann die Laserlichtquelle 10 auch z. B. drei Laser mit jeweils geringfügig gegeneinander verstimmten Resonanzfrequenzen aufweisen, so dass mehrere Schwebungsfrequenzen entstehen und dementsprechend die verschiedenen Frequenzanteile der THz -Strahlung simultan erzeugt werden. Für eine simultane Detektion der verschiedenen Frequenzanteile kann dann eine Ausgangsleistung der verschiedenen La- ser verschieden moduliert werden.
In einer anderen Ausführung ist die Laserlichtquelle 10 durch einen Puls-Laser gegeben, was dazu führt, dass der THz-Sender 1 die THz -Strahlung in Form eines oder mehrerer Pulse aussendet, die jeweils ein ganzes
Spektrum vieler verschiedener Frequenzanteile ent- halten. In Fig. 4 ist gezeigt, wie ein dadurch im phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 erzeugtes Empfangssignal 13 aussieht, wenn die Kunststoffflasche 5 eine aus PET gefertigte Mehrwegflasche ist. Gegenüber einem Vergleichssignal 14, das in gleicher Weise erzeugt wird, wenn sich die Kunststoffflasche 5 nicht zwischen dem THz-Sender 1 und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger 2 befindet, ist das Empfangssignal 13 um einen Zeitversatz At versetzt, wobei eine Amplitu- de A des EmpfangsSignals 13 um eine Abschwachung ΔΑ geringer ausfällt als eine Amplitude des Vergleichssignals 14. Der Zeitversatz At wird dabei mithilfe der variablen optischen Verzögerungsschaltung 12 bestimmt. Mit der in Fig. 3 nicht eingezeichneten Aus- werteeinheit 6 wird aus dem Zeitversatz At die Materialdicke bestimmt, die bei der Anordnung aus Fig. 3 einem Zweifachen der Wandstärke der Kunststoffflasche 5 entspricht, wobei ferner in Abhängigkeit von der so bestimmten Materialdicke und der Abschwächung ΔΑ der Absorptionskoeffizient des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials bestimmt wird, wobei der so bestimmte Absorptionskoeffizient mit Ungenauigkeiten behaftet sein kann, die auf Verunreinigungen oder Rauhigkeiten des Materials zurückzuführen sein kön- nen. Ein Beitrag von Reflexionen zu der Abschwächung
ΔΑ kann dagegen bei Bedarf rechnerisch eliminiert werden. Der so ermittelte Absorptionskoeffizient wird ferner einem Frequenzanteil zuzuordnen sein, der die maximale Amplitude des durch die Laserlichtquelle 10 erzeugten Pulses dominiert.
Zum Vergleich ist in Fig. 4 auch ein anderes Empfangssignal 13' eingezeichnet, das man mit einer entsprechenden Messung erhält, wenn die Kunststofffla- sehe 5 aus HDPE gefertigt ist und dickere Wände aufweist. Da HDPE-Gefäße typischerweise eine größere Wandstärke aufweisen als Flaschen aus PET, kann bereits auf Grundlage von Unterschieden im Zeitversatz At eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber getroffen werden, um was für ein Material oder was für eine Kunststoffflasche 5 es sich handelt. So kann z. B. ein Zeitversatz At von mehr als den in Fig. 4 durch eine vertikale gestrichelte Linie gekennzeichneten 18 Picosekunden als Indiz für ein HDPE-Leergebinde dienen, während ein kürzerer Zeitversatz At eher auf PET zu schließen erlaubt. In ähnlicher Weise können auch mit gewisser Sicherheit Mehrwegflaschen von Einwegflaschen unterschieden werden, weil Einwegflaschen typischerweise dünnwandiger ausgeführt sind.
Zur Identifizierung des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials kann die Auswerteeinheit 6 also programmtechnisch eingerichtet sein, die zumindest näherungsweise bestimmte Materialdicke und den berechne- ten Absorptionskoeffizienten oder eine daraus abgeleitete Größe jeweils mit Vergleichswerten zu vergleichen und die mit der THz-Strahlung durchstrahlte Kunststoffflasche 5 einem Material oder einer Gruppe von Materialien oder einem bestimmten Flaschentyp zu- zuordnen, wenn die Materialdicke und der Absorptionskoeffizient oder die daraus abgeleitete Größe jeweils in ein dem Material oder der Gruppe von Materialien oder dem Flaschentyp zugeordnetes Intervall fallen. Das ist insbesondere dann mit hoher Treffsicherheit möglich, wenn nur eine beschränkte Auswahl von Materialien in Frage kommt, beispielsweise Glas, PET oder HDPE.
Schließlich kann die Auswerteeinheit 6 auch dazu eingerichtet sein, das erzeugte Empfangssignal 13 oder 131 einer Fourier-Transformation zu unterziehen und die durch die Kunststoffflasche 5 verursachte Ab- schwächung frequenzabhängig zu bestimmen. Dann ist eine sehr genaue Bestimmung des die Kunststoffflasche 5 bildenden Materials auch dann möglich, wenn die Ab- Schwächung z. B. aufgrund von Oberflächen-
Rauhigkeiten oder wegen einer Verschmutzung der
Kunststoffflasche 5 verstärkt ist.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass eine Durchstrahlung des im vorliegenden Fall durch die Kunststoffflasche 5 gegebenen Gegenstands mit einem THz-Puls ein vorteilhafter Spezialfall einer Verwendung einer Vielzahl verschiedener Frequenzanteile ist, mit denen die Dicken- und Absorptionsmessungen verfeinert werden können. Sofern verschiedene diskrete Frequenzanteile verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn einer der Frequenzanteile zur Durchführung einer Referenzmessung dient, bei der die Absorption durch das Material noch sehr gering ist, die unspezi- fischen Störeffekte jedoch schon berücksichtigt werden. Diese Referenzmessung kann z. B. bei einer relativ kleinen Frequenz von zwischen 50 GHz und 0,3 THz erfolgen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass auf Grundlage der bestimmten Ma- terialdicke bereits eine erste Zuordnung zu einem Material oder einer Gruppe von Materialien und/oder zu einem Flaschentyp oder Gefäßtyp erfolgt, indem die ermittelte Materialdicke mit Werten aus einer Datenbank verglichen wird. Aus einem Vergleich des insbe- sondere bei höheren Frequenzen beobachteten Absorptionsverhaltens mit Vergleichswerten aus der Datenbank ergibt sich dann eine zweite Zuordnung des Materials und des Flaschentyps.
Bei einer typischen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die Leergebinde, beispielsweise Flaschen, also mit THz-Wellen durchstrahlt, wobei zunächst die dadurch bewirkte Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung gemessen wird. Eine Dickenmessung auf Grundlage dieser Phasenverschiebung bzw. Zeitverzögerung und unter Annahme eines mittleren Brechungsindexes liefert so eine sehr schnelle erste Einordnung und Trennung der Grund- Flaschentypen in wertvolles PET-Material und weniger wertvolle andere Kunststoffe. So können insbesondere Einweggetränke - behälter, Mehrweggetränkebehälter und sonstige billigere Kunststoffe voneinander unterschieden werden. Glasflaschen sind deutlich dicker als Plastikflaschen und daher ebenfalls gut unterscheidbar. Metalle wiederum sind für THz- Strahlung nicht transparent und können daher ebenfalls gut unterschieden werden. Das Ergebnis der Dickenmessung dient dann auch als Eingabewert für die Berechnung der erwarteten Ampli- tudendämpfung . Ohne jede Kenntnis der Materialdicke wären Dämpfungsmessungen dagegen nicht aussagekräftig und nicht sinnvoll nutzbar. Für die verschiedenen interessierenden Materialien sind neben den
Brechungsindizes n auch die Absorptionskoeffizienten a im THz -Bereich bekannt oder ermittelbar. Daher können auch die erwarteten Reflexionsverluste
Figure imgf000027_0001
an den Oberflächen und die von der Dicke abhängigen Absorptionsverluste, in die das Produkt aus Material - dicke und Absorptionskoeffizient a eingeht, berechnet werden. Die erwarteten Verluste können nun mit dem gemessenen Amplitudenverhältnis der Pulse oder
Frequenzanteile mit Flasche und ohne Flasche im
Strahlengang verglichen werden. So ergibt sich eine zweite Materialordnung, mit der die erste Zuordnung überprüft werden kann. Ein kritischer Punkt bei der Amplitudenauswertung ist, dass durch raue Oberflächen und verschmutzte Flaschen eine Zusatzdämpfung bewirkt werden kann. Für eine genauere Untersuchung kann diese erfasst und das Messsignal bezüglich dieser Störungen korrigiert werden. Die Störungen können erfasst werden durch Messungen bei relativ niedrigen Frequenzen, bei denen fast keine Absorption im Material auftritt, die Störeffekte aber nahezu identisch sind wie bei höheren Frequenzen, die der Absorptionsmessung dienen. Die Differenz der Dämpfungen bei den verschiedenen Frequenzen ergibt also mit hoher Genauigkeit eine reine Materialdämpfung, die auf das Material zu schließen erlaubt. Unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Materialdicke kann dann der Absorptionskoeffizient errechnet werden. Schließlich wird durch Vergleich des Absorptionskoeffizienten mit einer Datenbank der Kunststoff oder das andere Material identifiziert und bei typischen Ausgestaltungen des Verfahrens dann dem entsprechenden Recyclingweg zugeführt.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz-Strahlung transparenten Materialien, bei dem mit einem THz-Sender (1) THz-Strahlung erzeugt wird, die zeitgleich oder sequentiell zumindest einen ersten Frequenzanteil und einen zweiten Frequenzanteil mit vom ersten Frequenzanteil unterschiedlicher Wellenlänge enthält, ein Gegenstand, der zumindest teilweise aus dem zu identifizierenden Material gebildet ist, mit dieser THz-Strahlung durchstrahlt wird und die aus dem Gegenstand austretende THz-Strahlung mit einem phasenempfindlichen THz -Empfänger (2) detektiert wird, wobei zumindest für den ersten Frequenzanteil der THz-Strahlung ein durch den Gegenstand verursachter Zeitversatz (At) oder Phasenversatz eines durch die THz-Strahlung im phasenempfindlichen THz-Empfänger (2) erzeugten Empfangssignals (13, 13') gemessen wird, aus dem zumindest näherungsweise ein Maß für eine Materialdicke des Gegenstands bestimmt wird, und wobei zumindest für den zweiten Frequenzanteil der THz-Strahlung eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals (13, 13') bestimmt wird, aus der unter Verwendung des ermittelten Maßes für die Materialdicke ein Absorptionskoeffizient für zumindest diesen zweiten Frequenzanteil berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der phasenempfindliche THz-Empfänger (2) über eine Synchronisierungs-Verbindung und/oder durch Aktivierung mit einer gemeinsamen Lichtquelle mit dem THz-Sender (1) synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der so untersuchte Gegenstand eine Flasche oder ein anderes Gefäß und/oder das genannte Material ein Kunststoff ist .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge des ersten Frequenzanteils mindestens so groß wie eine Wandstärke des Gegenstands gewählt wird, während die Wellenlänge des zweiten Frequenzanteils kleiner als die Wellenlänge des ersten Frequenzanteils gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeit- oder Phasenversatz des Empfangsignals (13, 13') auch für den zweiten Frequenzanteil gemessen wird
und/oder dass die Dämpfung des Empfangssignals (13, 13') auch für den ersten Frequenzanteil bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeit- oder Phasenversatz und die Dämpfung bestimmt werden, indem das Empfangssignal (13, 13') mit einem Vergleichssignal (14) verglichen wird, das in gleicher Weise erzeugt wird, ohne dass der Gegenstand durchstrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die THz-Strahlung weitere Frequenzanteile enthält, für die ebenfalls der Zeit- oder Phasenversatz gemessen und/oder die Dämpfung des Empfangssignals (13, 13') bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der THz-Sender (1) die THz-Strahlung in Form mindestens eines Pulses aussendet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz (At) und die Dämpfung für eine maximale Amplitude (A) des durch den Puls erzeugten Empfangssignals (13, 13') ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Puls erzeugte Empfangs- signal (13, 13') einer Fouriertransformation unterzogen wird, wobei die Dämpfung frequenzabhängig nach der Fouriertransformation bestimmt wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material identifiziert oder einer Gruppe von möglichen Materialien zugeordnet wird, indem der berechnete Absorptionskoeffizient oder ein daraus ermittelter frequenzabhängiger Anteil des Absorptionskoeffizienten mit Vergleichswerten verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das bestimmte Maß für die Materialdicke eine Vorentscheidung oder eine ergänzende Entscheidung darüber ge- troffen wird, was für Materialien oder Gruppen von Materialien in Frage kommen.
Vorrichtung zum Identifizieren eines Materials aus einer Klasse von für THz-Strahlung transparenten Materialien, umfassend einen THz -Sender (1) zum Erzeugen von THz- Strahlung mit zeitgleich oder sequentiell zumindest einem ersten Frequenzanteil und einem zweiten Frequenzanteil davon unterschiedlicher Wellenlänge , einen phasenempfindlichen THz-Empfänger (2) zum Detektieren der THz-Strahlung und eine Auswerteeinheit (6) , die eingerichtet ist
- zum Messen eines Zeitversatzes (Ät) oder Phasenversatzes eines durch die THz-Strahlung im phasenempfindlichen THz-Empfänger (2) erzeugten Empfangssignals (13, 13') zumindest für den ersten Frequenzanteil und
- zum Bestimmen einer Amplitude (A) des Empfangssignals (13, 13') oder zumindest eines dem zweiten Frequenzanteil entsprechenden Anteils des Empfangssignals (13, 13'),
- wobei die Auswerteeinheit (6) ferner programmtechnisch eingerichtet ist, aus dem Zeit- oder Phasenversatz ein Maß für eine Materialdicke eines durchstrahlten Gegenstands zu bestimmen und aus der gemessenen Amplitude (A) eine durch den Gegenstand verursachte Dämpfung des Empfangssignals (13, 13') zu ermitteln und unter Verwendung des bestimmten Maßes für die Materialdicke einen Absorptionskoeffizienten zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Synchronisieren des phasenempfindlichen THz-Empfängers (2) mit dem THz- Sender (1) eine Synchronisierungs-Verbindung zwischen dem THz-Sender (1) und dem phasenempfindlichen THz-Empfänger (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) programmtechnisch eingerichtet ist, den berechneten Absorptionskoeffizienten oder eine daraus abgeleitete Größe mit Vergleichswerten zu vergleichen und den durchstrahlten Gegenstand einem Material oder einer Gruppe möglicher Materialien zuzuordnen, wenn der Absorptionskoeffizient oder die daraus abgeleitete Größe in ein dem Material
oder der Gruppe von Materialien zugeordnetes Intervall fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er eine gemeinsame Lichtquelle zum Aktivieren sowohl des THz- Senders (1) als auch des phasenempfindlichen THz-Empfängers (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er als Lichtquelle zum Aktivieren des THz-Senders (1) und des THz -Empfängers (2) einen Puls-Laser oder mindestens zwei gegeneinander verstimmte oder gegeneinander
verstimmbare Laser aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Zeit- oder Phasenversatzes eine variable optische Verzögerungsschaltung (12) zwischen die Lichtquelle und den phasenempfindlichen THz- Empfänger (2) oder zwischen die Lichtquelle und den THz-Sender (1) geschaltet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zur Durchführung eines Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2602030A1 (de) 2011-12-06 2013-06-12 Pellenc Selective Technologies (Societe Anonyme) Prüf- und/oder Sortierverfahren und -anlage mit kombinierter Oberflächen- und Volumenanalyse
WO2013086608A1 (en) * 2011-12-11 2013-06-20 Tetechs Inc. Methods and apparatus for identifying and sorting materials using terahertz waves
US9861286B1 (en) 2012-12-31 2018-01-09 Omni Medsci, Inc. Short-wave infrared super-continuum lasers for early detection of dental caries
TWI612297B (zh) * 2017-01-04 2018-01-21 亞東技術學院 容器材質識別系統
US9897584B2 (en) 2012-12-31 2018-02-20 Omni Medsci, Inc. Short-wave infrared super-continuum lasers for natural gas leak detection, exploration, and other active remote sensing applications
CN108885811A (zh) * 2016-04-08 2018-11-23 陶朗系统公司 欺诈检测
CN110793943A (zh) * 2019-11-20 2020-02-14 中国科学院电子学研究所 基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置
CN113325008A (zh) * 2021-06-02 2021-08-31 合肥工业大学 一种基于wifi设备的非接触式材料识别系统和方法
EP3985348A1 (de) 2020-10-15 2022-04-20 Instytut Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk Vorrichtung und verfahren zur prüfung der dicke einer wand eines dielektrischen rohrförmigen objekts

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011100203A1 (de) * 2011-05-02 2012-11-08 Synview Gmbh Verfahren zur Erfassung eines Dichtrings
DE102011112697B4 (de) 2011-08-31 2013-03-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Substanz unter Verwendung von THz-Strahlung
US9791414B2 (en) * 2012-08-06 2017-10-17 Sorpla Sp. Z O.O. Method and a device for identifying material types of spatial objects
DE102012110675A1 (de) * 2012-11-07 2014-05-08 Synview Gmbh Vorrichtung mit einer Betriebseinrichtung
DE102013217038A1 (de) * 2013-08-27 2015-03-05 Inoex Gmbh Messvorrichtung für Reflexionsmessungen an Prüfobjekten sowie Verfahren zur Messung von an Prüfobjekten reflektierter Strahlung
US9797710B2 (en) * 2013-09-16 2017-10-24 Steinfurth Mess-Systeme GmbH Method and device for establishing a geometry of a container for packaging a flowable medium
DE202016008526U1 (de) * 2015-03-03 2018-05-22 Sikora Ag Vorrichtung zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines Strangs
ITUA20164567A1 (it) * 2016-06-21 2017-12-21 Soffieria Bertolini S P A Metodo e impianto per la siliconatura interna in linea di flaconi per uso farmaceutico
FR3073043B1 (fr) * 2017-10-27 2019-11-15 Tiama Procede et installation de controle dimensionnel en ligne d'objets manufactures
JP6955462B2 (ja) * 2018-03-02 2021-10-27 浜松ホトニクス株式会社 光学計測装置及び光学計測方法
DE102018105352A1 (de) 2018-03-08 2019-09-12 Deutsche Post Ag Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung von Sendungen
DE102021125196A1 (de) * 2021-09-29 2023-03-30 CiTEX Holding GmbH THz-Messvorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines Messobjektes
GB2617330B (en) * 2022-03-31 2024-10-16 Teraview Ltd Method, system and sensor for analysing a sample, and process for manufacturing an electrode

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040155665A1 (en) * 2000-02-28 2004-08-12 Tera View Limited Imaging apparatus and method
US20070282206A1 (en) * 1999-02-23 2007-12-06 Tera View Limited Method and apparatus for Terahertz imaging

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2352512B (en) * 1999-07-23 2002-03-13 Toshiba Res Europ Ltd A radiation probe and detecting tooth decay
JP2004108905A (ja) * 2002-09-18 2004-04-08 Inst Of Physical & Chemical Res テラヘルツ波を用いた差分イメージング方法及び装置
DE102007011820B4 (de) * 2007-03-12 2013-04-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum schnellen Messen von Proben mit geringem optischen Wegunterschied mittels elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070282206A1 (en) * 1999-02-23 2007-12-06 Tera View Limited Method and apparatus for Terahertz imaging
US20040155665A1 (en) * 2000-02-28 2004-08-12 Tera View Limited Imaging apparatus and method

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IKEDA TAKESHI ET AL: "Investigation of inflammable liquids by terahertz spectroscopy", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 87, no. 3, 14 July 2005 (2005-07-14), AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, pages 34105 - 034105, XP012077206, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.1999847 *
MATTON S ET AL: "Generation and coherent detection of terahertz radiation by photomixing: dielectric media characterization", CONFERENCE ON INFRARED AND MILLIMETER WAVES AND 13TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON TERAHERTZ ELECTRONICS, 2005. IRMMW-THZ 2005. THE JOINT 30TH INTERNATIONAL . WILLIAMSBURG, VA, USA, vol. 2, 19 September 2005 (2005-09-19) - 23 September 2005 (2005-09-23), PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, pages 419 - 420, XP010875188, ISBN: 978-0-7803-9348-6, DOI: 10.1109/ICIMW.2005.1572591 *
MOURET G ET AL: "THz media characterization by means of coherent homodyne detection, results and potential applications", APPLIED PHYSICS B ; LASERS AND OPTICS, vol. 89, no. 2-3, 3 October 2007 (2007-10-03), SPRINGER, BERLIN, DE, pages 395 - 399, XP019562066, ISSN: 1432-0649, DOI: 10.1007/S00340-007-2785-5 *
WIETZKE S ET AL: "Applications of terahertz spectroscopy in the plastics industry", PROCEEDINGS OF THE SPIE TERAHERTZ PHOTONICS, vol. 6840, 68400V, 2007, THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING USA, pages 1 - 9, XP002623396, ISSN: 0277-786X *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2602030A1 (de) 2011-12-06 2013-06-12 Pellenc Selective Technologies (Societe Anonyme) Prüf- und/oder Sortierverfahren und -anlage mit kombinierter Oberflächen- und Volumenanalyse
EP2602030B1 (de) 2011-12-06 2015-03-04 Pellenc Selective Technologies (Societe Anonyme) Prüf- und/oder Sortierverfahren und -anlage mit kombinierter Oberflächen- und Volumenanalyse
WO2013086608A1 (en) * 2011-12-11 2013-06-20 Tetechs Inc. Methods and apparatus for identifying and sorting materials using terahertz waves
US9239286B2 (en) 2011-12-11 2016-01-19 Tetechs Inc. Methods and apparatus for identifying and sorting materials using terahertz waves
US9885698B2 (en) 2012-12-31 2018-02-06 Omni Medsci, Inc. Near-infrared lasers for non-invasive monitoring of glucose, ketones, HbA1C, and other blood constituents
US9861286B1 (en) 2012-12-31 2018-01-09 Omni Medsci, Inc. Short-wave infrared super-continuum lasers for early detection of dental caries
US9897584B2 (en) 2012-12-31 2018-02-20 Omni Medsci, Inc. Short-wave infrared super-continuum lasers for natural gas leak detection, exploration, and other active remote sensing applications
CN108885811A (zh) * 2016-04-08 2018-11-23 陶朗系统公司 欺诈检测
CN108885811B (zh) * 2016-04-08 2023-03-21 陶朗系统公司 欺诈检测
TWI612297B (zh) * 2017-01-04 2018-01-21 亞東技術學院 容器材質識別系統
CN110793943A (zh) * 2019-11-20 2020-02-14 中国科学院电子学研究所 基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置
EP3985348A1 (de) 2020-10-15 2022-04-20 Instytut Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk Vorrichtung und verfahren zur prüfung der dicke einer wand eines dielektrischen rohrförmigen objekts
WO2022079670A1 (en) 2020-10-15 2022-04-21 Instytut Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk Device and method for testing thickness of a wall of a dielectric tubular object
CN113325008A (zh) * 2021-06-02 2021-08-31 合肥工业大学 一种基于wifi设备的非接触式材料识别系统和方法
CN113325008B (zh) * 2021-06-02 2022-09-20 合肥工业大学 一种基于wifi设备的非接触式材料识别系统和方法

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Publication number Publication date
US20120217403A1 (en) 2012-08-30
US9103774B2 (en) 2015-08-11
DE102009051692B3 (de) 2011-04-07

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