WO2016188515A1 - Terahertz-messvorrichtung und verfahren zur vermessung von prüfobjekten mittels terahertz-strahlung - Google Patents

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WO2016188515A1
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mirror
radiation
parabolic
test object
measuring device
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PCT/DE2016/100234
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Arno Neumeister
Ralph Klose
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Inoex Gmbh
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges

Definitions

  • the invention relates to a terahertz measuring device and a method for measuring test objects by means of terahertz radiation.
  • the test objects to be measured have, in particular at least in sections, at least one hollow cylindrical material layer.
  • DE 102008046988 A1 discloses a reflectometer for characterizing materials with regard to at least one optical reflection property.
  • the reflectometer comprises an ellipsoidal mirror, in the first focal point of which a sample to be characterized is held by means of a sample holder.
  • the sample is rotatable about a rotation axis by means of the sample holder.
  • the irradiation of the sample takes place through an opening in the ellipsoidal mirror by means of a radiation source.
  • the ellipsoid mirror images the radiation reflected by the sample illuminated in the first focal point through a diaphragm positioned in the second focal point onto a detector located behind it.
  • the measurement data of the reflectometer are then evaluated to characterize the sample.
  • the invention has for its object to provide a terahertz measuring device that allows the measurement of test objects in a simple and flexible manner.
  • the terahertz measuring device is intended in particular to enable the measurement of test objects which have at least in sections at least one hollow cylindrical material layer. This object is achieved by a terahertz measuring device according to claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • a method for the measurement of test objects by means of terahertz radiation is provided.
  • the terahertz measuring device or terahertz reflection measuring device is preferably used for carrying out reflection measurements on the test object to be measured. It is preferably provided a transit time measurement for determining wall thicknesses of pipes, in particular plastic pipes or layers of plastic pipes.
  • elliptical mirror denotes a mirror which is elliptical at least in sections and forms two focal points; Preferably, an “elliptical mirror” is completely elliptical in its xy plane
  • parabolic mirror denotes a mirror which is at least partially parabolic and forms a focal point;
  • a “parabolic mirror” in its xy plane is completely parabolic, in particular as a parabolic trough or rotation paraboloid.
  • a “pair of parabolic mirrors” means first and second parabolic mirrors facing each other with their openings and having a common optical axis; Thus, in particular, the two focal points are on the common optical axis.
  • the first mirror of the at least one mirror arrangement is elliptically curved at least in sections and forms a first focal point and an associated second focal point in an xy plane.
  • a second mirror is arranged, which runs through the first focal point and is inclined relative to the xy plane. is ordered, so with this an angle other than 0 ° includes.
  • the test object to be measured is arranged by means of the test object holder in the region of the second focal point.
  • the at least one transmitter-receiver unit is arranged outside the xy plane, that is to say in a z-direction at a distance from the xy plane. This is possible due to the deflection by means of the second mirror.
  • the measurement of the test object is preferably carried out independently of one another in both mirror arrangements.
  • the transmitter of the transmitter-receiver unit emits radiation in the direction of the deflecting mirror or second mirror.
  • the emitted radiation is deflected by means of the second mirror in the xy plane and then strikes the first mirror. Due to the elliptical curvature of the first mirror, the radiation is reflected in the direction of the second focal point.
  • the test object is preferably arranged such that a central longitudinal axis of the test object extends through the second focal point, so that the radiation or the beam impinges radially on the test object and the angle of incidence of the radiation corresponds to the reflection angle.
  • the radiation reflected on the test object has the same beam path, but in the opposite direction, as the incident radiation.
  • the reflected radiation is reflected by the first mirror due to its elliptical curvature in the direction of the first focal point and there meets the second mirror.
  • the second mirror deflects the reflected radiation transversely, in particular vertically, to the xy plane in the direction of the transceiver unit.
  • the receiver detects the reflected radiation and forwards the measured values to the control unit, which evaluates the detected radiation or the measured values.
  • the transmitter of the transceiver unit first emits radiation in the direction of the third mirror.
  • the emitted radiation is deflected by the third mirror in the xy plane and then strikes the first parabolic mirror.
  • the radiation is then deflected by the first parabolic mirror and then hits the second parabolic mirror due to its parabolic curvature.
  • the parabolic curvature of the second mirror reflects the radiation from the second mirror in the direction of the second focal point.
  • the test object is preferably arranged such that a central longitudinal axis of the test object extends through the second focal point, so that the radiation or the beam impinges radially on the test object and the angle of incidence of the radiation corresponds to the reflection angle. Due to the arrangement of the test object in the region of the second focal point by means of the test object holder and the second mirror in the region of the first focal point, the test object can be measured in a flexible manner.
  • the measuring device is comparatively simple in construction, since the at least one transmitter-receiver unit due to the associated mirror arrangement outside, ie in the z-direction
  • test object in particular a thickness of at least one hollow cylindrical material layer, can be measured over the entire circumference.
  • the test object is in particular designed as a hollow cylinder, ie as
  • the test object is in particular made of plastic.
  • the test object has a hollow-cylinder-shaped material layer or a plurality of hollow-cylindrical material layers.
  • the thickness of the at least one material layer can be determined, in particular for checking that a homogeneous wall thickness is present over the circumference.
  • the at least one transmitter-receiver unit is designed such that electromagnetic terahertz radiation having a frequency in the range from 0.01 THz to 50 THz, in particular from 0.05 THz to 20 THz, and in particular from 0.1 THz to 10 THz emits or detects. This allows in particular the measurement of test objects made of plastic.
  • the measurement of the test object by means of the radiation or THz radiation is based on the measurement of a transit time difference of the radiation which is reflected at the boundary layers. Boundary layers are the surfaces of the test object, for example, the tube outer wall and the tube inner wall, and contiguous material layers within the test object.
  • the at least one transmitter-receiver unit is in particular designed such that THz pulses can be emitted or detected.
  • the space bounded by the elliptical first mirror or the two parabolic mirrors becomes or in unnecessarily affected by the transmitter-receiver unit, with a deflection of the radiation takes place in a simple manner.
  • the second mirror or third mirror provided for deflecting from the respective xy plane requires a comparatively small space requirement, so that the first and second mirror arrangement is constructed in a comparatively compact manner.
  • the size of the mirror arrangement is determined only by the size of the largest test object to be measured.
  • the z-axis is perpendicular to the xy plane. Accordingly, the second mirror or third mirror is inclined for deflecting the radiation by preferably 45 ° to the respective xy plane.
  • the mirror arrangements are aligned with one another in such a way that the area shaded by the first mirror arrangement can be measured by means of the second mirror arrangement and vice versa, thus by each mirror arrangement the area shaded by the other mirror arrangement can be detected ie in different z-positions, wherein in particular the test object is guided in the z-direction by both mirror arrangements.
  • the two mirror arrangements are offset in the z direction, so that they do not interfere. In principle, more than two mirror arrangements can be provided, if this is advantageous.
  • the further mirror arrangements are then parabolic and / or elliptical.
  • 1 is a side view of a portion of a terahertz
  • Fig. 2 is a plan view of the elliptical first mirror assembly in
  • Fig. 1, 3 shows a side view of the first or second mirror arrangement according to a further embodiment
  • FIG. 4 is a plan view of the parabolic second mirror arrangement in Fig. 1,
  • Fig. 5 is a plan view of the measuring device with two mirror assemblies of FIGS. 2 and 4, and
  • FIG. 6 is a first side view of a measuring device according to another embodiment.
  • FIG. 7 shows a second and rotated by 90 ° side view of the measuring device in Fig. 6th
  • Fig. 8 shows a time course of one emitted as THz pulses
  • a terahertz measuring device 1 for measuring a test object 2 has two transmitter-receiver units 3 and 3 ' , two associated mirror arrangements 4 and 4 ' , a test object holder 5 and a control unit 6.
  • a first elliptical mirror arrangement 4 is provided in a first xy plane E xy and a second parabolic mirror arrangement 4 'is provided in a second xy plane E ' xy, which are spaced apart in the z-direction.
  • the first, elliptical mirror arrangement 4 will first be described below with reference to FIG.
  • the first mirror arrangement 4 comprises an elliptical first elliptical mirror 7, which is designed and arranged symmetrically to an xy plane E xy .
  • the xy plane E xy is defined by an x-direction and a perpendicular y-direction.
  • the first elliptical mirror 7 is curved in the xy plane E xy and parallel thereto elliptically.
  • the first elliptical mirror 7 thus forms a mirror surface Si in the form of an ellipse in the xy plane E xy .
  • the first elliptical mirror 7 has two focal points Bi and B 2 in the xy plane E xy .
  • the focal points Bi and B 2 each have a distance e from a center M of the ellipse in the x-direction.
  • the ellipse or the ellipse shape of the first elliptical mirror 7 is defined by a first half-axis A with an associated length a and a shorter compared to the first half-axis A second half-axis B with a length b.
  • a ratio of the lengths a / b a ratio of the lengths a / b: a / b ⁇ 1, 3, in particular a / b ⁇ 1, 2, and in particular a / b ⁇ 1, 1.
  • the first mirror arrangement 4 further comprises a second mirror 8, which is arranged in the region of the first focal point Bi.
  • the second mirror 8 is planar, thus has a plane mirror surface S 2 .
  • the second mirror 8 closes with the xy plane E xy an angle ⁇ , wherein for a - depending on the arrangement of the transmitter-receiver unit 3 is: 30 ° ⁇ ⁇ 60 °, in particular 35 ° ⁇ ⁇ 55 ° , And in particular 40 ° ⁇ ⁇ 50 °.
  • the angle ⁇ 45 °.
  • the second mirror 8 is preferably arranged such that the first focal point Bi lies substantially centrally on the mirror surface S 2 .
  • the first transmitter-receiver unit 3 comprises a first transmitter 9 for emitting radiation S.
  • the emitted radiation is denoted by S from the transmitter 9 to the test object 2 below.
  • the at the Test object 2 reflected radiation is subsequently designated by the test object 2 to a receiver 10 with R.
  • the receiver 10 serves to detect the radiation R reflected at the test object 2. For the measurement of the test object 2, the detected radiation R is evaluated by means of the control unit 6.
  • the radiation S, R is deflected between the focal points Bi and B 2 .
  • the second mirror 8 serves to deflect the radiation S, R between a transverse or perpendicular to the xy plane E x y extending z-direction and the xy plane E xy .
  • the z direction is perpendicular to the x direction and the y direction, so that the x, y and z directions form a Cartesian coordinate system.
  • the first transceiver unit 3 is arranged in the z-direction at a distance from the first xy plane E xy .
  • the first transceiver unit 3 is arranged along a first z-axis Zi, which runs parallel to the z-direction through the first focal point Bi.
  • the transmitter-receiver unit 3, the mirror assembly 4, the excumblehalter 5 and the control unit 6 are attached to a base frame 1 1 of the terahertz measuring device 1.
  • the second z-axis Z 2 extends parallel to the z-direction through the second focal point B 2 .
  • the test object holder 5 has, for example, two holding receptacles 12, 13 which are arranged on both sides of the xy plane E xy and concentric with the second z-axis Z 2 .
  • the test object 2 is hollow-cylindrical and has a circular or annular cross-section.
  • the test object 2 is arranged by means of the test object holder 5 such that a central longitudinal axis L is congruent with the second z-axis Z 2 .
  • the test object 2 is double-layered tig formed and has two hollow cylindrical material layers Ki and K 2 .
  • the test object 2 is made of plastic, wherein in particular the two material layers Ki and K 2 are made of different plastic materials.
  • the transmitter-receiver unit 3 is designed such that the electromagnetic radiation S, R with a frequency in the range of 0.01 THz to 50 THz, in particular from 0.05 THz to 20 THz, and in particular of 0, 1 THz to 10 THz is emissive or detectable.
  • the radiation S is preferably emitted in pulsed form, that is to say generates THz pulses.
  • the first mirror 7 is concavely curved in the z-direction. As illustrated in FIG. 1, the mirror surface Si of the first mirror 7 in the z-direction z. B. an elliptical curvature.
  • the operation of the terahertz measuring device 1 is as follows.
  • the transmitter 9 emits radiation S in the form of THz pulses.
  • the generation of THz pulses is basically known.
  • THz pulses are generated optically by means of femtosecond laser pulses and photoconductive switches.
  • the radiation S is emitted substantially in the z-direction and focused on the first focal point Bi.
  • the radiation S is deflected from the z-direction into the xy plane E x y and impinges on the mirror surface Si of the first mirror 7. Due to the elliptical curvature, the radiation S coming from the direction of the first focal point Bi becomes the mirror surface Si in the direction of the second focal point B 2 reflected. Since the test object 2 is located in the beam path between the mirror surface Si and the second focal point B 2 , the radiation S strikes the test object 2 radially and is reflected at the different boundary layers of the test object 2. The individual boundary layers are the outer surface and the inner surface of the test object 2 and the intermediate boundary layer of the material layers Ki and K 2 . The THz pulses are thus radiated radially by the transceiver unit 3 onto the test object 2 or the tube 2.
  • the reflected radiation R or the reflected THz pulses travel along the same beam path back to the transceiver unit 3 and are detected there by the receiver 10.
  • the structure of the receiver 10 is basically known. THz pulses are detected, for example, by optical sampling with femtosecond laser pulses.
  • a wall thickness d w of the test object 2 and layer thicknesses di and d 2 of the material layers Ki and K 2 are determined.
  • the measurement of the wall thickness d w and the layer thicknesses d 1 and d 2 are based on the measurement of transit time differences of the THz pulses reflected at the individual boundary layers.
  • the control unit 6 the transit time differences are evaluated and the thicknesses d w , d 1 and d 2 determined.
  • FIGS. 1 and 2 an ideal ray is shown by solid lines.
  • the radiation S hits the test object 2 punctiformly as an ideal beam, so that the test object 2 is measured at a measuring point.
  • the test object holder 5 can also be moved linearly along the z-direction, so that the test object 2 is also completely measured along its length.
  • the drive unit 15 also z. B. be included in a device for producing the formed as a plastic tube test object 2;
  • a plastic pipe 2 in particular after its extrusion can be measured directly, so that the terahertz measuring device 1 remains stationary and the plastic tube 2 is passed through the terahertz measuring device 1 linearly in the z direction.
  • Figs. 1 and 2 is further a real beam propagation of the radiation
  • the emitted radiation S is focused by means of the transmitter-receiver unit 3 first in the first focus Bi.
  • the transmitter-receiver unit 3 for example, a lens.
  • the radiation S reflected at the second mirror 8 has a beam divergence.
  • the radiation S, R has one hand
  • Divergence angle A (p R in the xy-plane E xy and a divergence angle ⁇ in the z-direction.) Due to the elliptical curvature of the first mirror 7 in the xy plane E xy the radiation S, R to the respective focal point Bi and B 2 focused. the radiation S encountered in a real beam propagation not spotted on the test object 2, but in a measurement region, meet the individual beams or sub-beams in each case radially on the test object 2. the size of the measurement range depends on the divergence angle a (p R and a radius r of the test object 2.
  • the dimension d of the measuring range at a certain angle ⁇ _ is thus directly proportional to the radius r of the test object 2.
  • Acp L should be as small as possible.
  • the opening angle ⁇ _ is dependent on the angle ⁇ .
  • the angle ⁇ is the smaller, the smaller (p R is.
  • the angle ⁇ , ⁇ the lengths a and b of the semi-axes A and B depends.
  • the test object 2 can thus be measured - without rotation of the test object or the measuring device - down to a shaded area D.
  • the radiation S or the respective THz pulse impinges radially on the boundary layers of the test object 2, ie perpendicular to the boundary layers and also at the same points in time. This ensures that the reflected radiation R has a high signal quality and in particular the reflected THz pulses are not washed out and are attenuated in their amplitude. Since the mirror surface Si is also elliptically curved in the z-direction, the radiation S, R is also focused in the z-direction.
  • the first mirror 7 is preferably elliptically curved in the z-direction such that a first focal point coincides with the first focal point Bi and a second focal point lies on the outer surface of the test object 2. This is illustrated in FIG. 1.
  • the radiation S thus also has an optimized, ie the smallest possible measuring range in the z-direction.
  • the second mirror 8 is pivotable about the first z-axis Zi by means of a mirror drive unit 16, in particular rotatable through 360 °.
  • the angle c R is thus variable by the rotation.
  • the test object 2 even if it is fixed about the second z-axis Z 2 , can be measured over a wide circumferential range.
  • FIG. 2 shows additional beam paths of the radiation S, which illustrate a measurement of the test object 2. Irrespective of the angle (p R) , the radiation S is deflected between the focal points Bi and B 2 by means of the first mirror 7. When the test object 2 is measured, the radiation S impinges on the test object 2, regardless of the angle c R, always radially or vertically.
  • the radiation S strikes the test object 2 at an angle 9R, max at an angle (pi_, ma>), so that the maximum measurable angle range of the test object 2, if this is fixed about the second z-axis Z 2 , 2 (p L , max is.
  • the divergence angle ⁇ _ is dependent on the angle cp R.
  • the change of ⁇ _ in dependence on the angle cp R is the lower, the closer the lengths a of the large half-axis A and b of the small half-axis B are closer to each other.
  • the accuracy of measurement of the measuring device 1 is thus less dependent on the angle cp R , the closer the ratio a / b is 1.
  • the first mirror 7 is parabolically curved in the z-direction, the first focal point Bi coinciding with the focal point of the parabola at all angles cp R.
  • the radiation S is collimated in the z-direction.
  • FIG. 3 Due to the parabolic curvature of the first mirror 7, the radiation S is collimated in the z-direction, so that all the beams or partial beams always fall perpendicular to the test object 2 independently of the radius r of the test object 2.
  • the extent of the measuring range in the z-direction is the diameter of the collimated radiation S, which is given by the divergence angle ⁇ ⁇ or is adjustable.
  • the parabolic second mirror arrangement 4 ' has a first parabolic mirror 7 ' , which is formed symmetrically to an xz plane ⁇ .
  • the xz plane ⁇ is defined by an x direction and a z direction perpendicular thereto.
  • the first mirror 7 ' is in a second xy plane E x y ' , which is perpendicular to the xz plane and parallel to parabolic curved.
  • the second xy plane E xy ' is spaced from the first xy plane E xy in the z-direction.
  • the first mirror 7 ' thus forms a mirror surface Si in the form of a parabola in the second xy plane E xy ' .
  • the mirror assembly 4 also includes a second parabolic mirror 19 formed symmetrically to the xz plane E xz .
  • the second mirror 19 is curved in the second xy plane E xy ' and parabolically parallel thereto.
  • the second mirror 19 thus forms a mirror surface S2 in the form of a parabola in the second xy plane Exy ' . Due to the pelabelförmigen curvature, the second mirror 19 in the second xy plane E xy ' a second parabolic focal point B 2 ' on.
  • the focal points ⁇ and B 2 ' each have a distance e from a center M of the mirror arrangement 4 ' in the x direction.
  • the openings of the mirrors 7 ' , 19 ' face each other.
  • the mirrors 7 ' , 19 ' are arranged directly opposite one another and are mirror-symmetrical with respect to a yz-plane E yz .
  • the yz plane E yz is perpendicular to the second xy plane Exy ' .
  • the second mirror arrangement 4 ' further comprises a third mirror
  • the third mirror 8 which is arranged in the region of the first focal point B-1 ' .
  • the third mirror 8 is planar, thus has a plane mirror surface S3.
  • the angle ⁇ 45 °.
  • the third mirror 8 is preferably arranged such that the first focal point Bi lies substantially in the middle of the mirror surface S3.
  • the second transceiver unit 3 ' is preferably formed separately from the first transceiver unit 3 and formed according to the first transceiver unit 3.
  • the two transmitter-receiver units 3, 3 ' - as will be described below - emit an offset in the x direction.
  • THZ radiation S can also be divided by a single transmitter-receiver unit 3 into both mirror arrangements 4 and 4 ' . Due to the parabolic curvature of the first and second mirrors 7 and 19, the radiation S, R is deflected between the focal points Bi ' and B 2 ' .
  • the third mirror 8 serves to deflect the radiation S, R between a transverse or perpendicular to the xy plane E xy ' extending z-direction and the xy plane E xy ' .
  • the z-direction is perpendicular to the x-direction and the y-direction, so that the x-, y- and z-directions form a Cartesian coordinate system.
  • the transmitter-receiver unit 3 ' is arranged in the z-direction at a distance from the xy plane E xy ' .
  • the transmitter-receiver unit 3 ' is arranged along the z-axis and thus radiates onto the first focal point ⁇ -1 ' .
  • the z-axis Z1 ' is spaced from the z-axis Z1 of the first mirror arrangement 4, in particular in the x-direction.
  • the transmitter-receiver unit 3 ' and the mirror assembly 4 ' are also attached to the base frame 1 1 of the measuring device 1.
  • the first parabolic mirror 7 ' and the second parabolic mirror 19 ' are concavely curved in the z-direction.
  • the mirror surface Si of the first mirror 7 and the mirror surface S 2 of the second mirror 19 have an elliptical curvature in the z-direction together according to an embodiment.
  • the mode of operation of the second mirror arrangement 4 ' corresponds essentially to the first mirror arrangement:
  • the radiation S is emitted substantially in the z-direction along the axis Z2 and focused on the first parabolic focal point Bi ' .
  • the third mirror 8 ' deflects the radiation S from the z direction into the xy plane Ex y ' and strikes the mirror surface Si of the first parabolic mirror 7 ' . Due to the parabolic curvature of the second parabolic mirror 19, the radiation S coming from the first parabolic mirror 7 becomes in the direction of the second parabolic mirror.
  • the first parabolic mirror 7 deflects the radiation S and then strikes the mirror surface S 2 of the second parabolic mirror 19 Focus B 2 reflected.
  • the radiation S strikes the test object 2 radially and is reflected at the different boundary layers of the test object 2.
  • the individual boundary layers are the outer surface and the inner surface of the test object 2 and the intermediate boundary layer of the material layers K 1 and K 2 .
  • the THz pulses of the transceiver unit 3 ' are also radiated radially from the second parabolic mirror arrangement 4 ' of the second mirror arrangement 4 - as described above for the first mirror arrangement 4 - onto the test object 2 or the tube 2.
  • the reflected radiation R or the reflected THz pulses travel along the same beam path back to the transceiver unit 3 ' and are detected there by the receiver 10 ' .
  • the second parabolic mirror arrangement 4 ' as described above for the first mirror arrangement 4, one or more lenses may be provided for bundling; Furthermore, the curvature of the first and second parabolic mirrors 7 ' and 19 ' and the third mirror gels (deflecting mirror) 8 ' according to the embodiments of the first mirror arrangement 4 may be different.
  • the emitted radiation S is first focused by means of a lens into the first focal point B-1.
  • the radiation S reflected at the third mirror 8 ' has a beam divergence.
  • the radiation S, R has, on the one hand, a divergence angle A (p R in the xy plane E xy ' and a divergence angle ⁇ ⁇ in the z direction due to the parabolic curvature of the first parabolic mirror 7 ' and second parabolic mirror 19 ' in the xy-plane E x y ' , the radiation S, R is focused on the respective focal point Bi ' and B 2 '
  • the radiation S does not strike the test object 2 in a punctiform manner in a real beam propagation, but in a measuring range individual beams or partial beams in each case strike the test object 2 radially.
  • the size of the measuring area depends on the divergence angle A (p R and a radius r of the test object 2.
  • the radiation S strikes the test object 2 at an angle cp L relative to the z direction, the radiation S having a divergence angle ⁇ when it hits the test object 2.
  • the dimension d of the measuring range at a certain angle cp L is directly proportional to the radius r of the test object 2.
  • ⁇ _ must be as small as possible for the smallest possible measuring range.
  • the opening angle ⁇ _ depends on the angle cp R.
  • the angle ⁇ _ is the smaller, the smaller cp R is.
  • the first and second mirrors 7 ' and 19 ' are preferably elliptically curved together in the z-direction such that a first focal point coincides with the first focal point Bi ' and a second focal point lies on the outer surface of the test object 2. This is illustrated in FIG. 1.
  • the radiation S thus also has an optimized, ie the smallest possible measuring range in the z-direction.
  • the third mirror 8 ' about the z-axis Z- ⁇ ' by means of a third drive unit 160 is pivotable, in particular rotatable by 360 °.
  • the angle cp R is thus variable by the rotation.
  • the test object 2 even if it is fixed about the second z-axis Z 2 , can be measured over a wide circumferential range.
  • additional beam paths of the radiation S are shown, which illustrate a measurement of the test object 2.
  • the radiation S is deflected by means of the first parabolic mirror 7 ' and the second parabolic mirror 19 ' between the focal points Bi ' and B 2 ' .
  • the radiation S always impinges radially or perpendicularly on the test object 2 independently of the angle cp R.
  • the radiation S extending to the test object 2 is tangent to the test object 2, so that the test object 2 is shaded at angles greater than c R.max at a side facing away from the third mirror 8 ' of the test object 2 is shown in dashed lines in Fig. 4 and denoted by D.
  • the first and second mirror arrangement 4 and 4 ' thus complement one another, in each case by detecting the shaded areas D of the other mirror arrangement 4 and 4 ' .
  • the first parabolic mirror 7 ' and the second parabolic mirror 19 ' may be parabolically curved in the z-direction, the first focus Bi ' at all angles cp R to the focal point of the parabola coincides.
  • the radiation S is collimated in the z-direction.
  • the two mirror arrays 4 and 4 ' complement one another, being spaced apart in the z-direction and rotated relative to one another such that the second focal points B 2 and B 2 ' are spaced apart on the second z-axis Z 2 and the first focal points Bi and ⁇ - ⁇ 'in a through the second focal points B 2 and B 2 ' extending xz plane ⁇ .
  • the focal points Bi and ⁇ - ⁇ ' are thus of a through the second focal points B 2 and B 2 ' extending yz plane E yz maximum
  • the second mirrors 8, 8 ' are rotatable about their associated first z-axes Zi and ⁇ -1' extending through the respective first focal point ⁇ - ⁇ , ⁇ - ⁇ '.
  • the test object 2 is measured in-line in the manufacturing process and is accordingly about its own central longitudinal axis L, ie about the second z-axis Z 2 and Z 2 'not pivotable.
  • L central longitudinal axis L
  • the test object 2 in the measurement by the respective mirror arrangement 4, 4 'and the associated transmitter-receiver unit 3, 3' a shaded area D, D '.
  • the mirror arrangement 4' can measure the shaded area D of the mirror arrangement 4 and, correspondingly, the mirror arrangement 4 measures the shaded area D 'of the mirror arrangement 4'.
  • the test object 2 is fully vermessbar, although this is not pivotable or rotatable. Due to the manufacturing process, the test object 2 has an extrusion direction which runs in the z-direction, so that the test object 2 can also be measured or measured along its length.
  • test object 2 does not have to actively pivot or move linearly and accordingly can have a simplified construction such that only guidance of the test object 2 is ensured.
  • first and second mirror arrangement 4 and 4 ' according to a further embodiment, for. B. each need only detect an angular range slightly above 180 °, since they overlap.
  • the measuring device 1 is thus the in-line full testing of the wall thickness d w and the layer thicknesses di and d 2 of the test object 2 designed as a plastic tube in the extrusion process.
  • the outer measurement of the test object 2 takes place without contact and without any coupling medium in accordance with the preceding exemplary embodiments. Because only two transmitter-receiver units 3, 3 'are required for complete or complete measurement of the test object 2, the structure remains relatively simple, as a result of which the measuring device 1 ensures an acceptable cost-benefit ratio. If more than two mirror arrangements 4 and correspondingly associated transceiver units 3 are required, this is of course possible with the measuring apparatus 1.
  • the transmitter-receiver units 3, 3 ' are also stationary relative to the associated first mirrors 7, 7', which also ensures a simple structure. With regard to the further structure and further operation, reference is made to the preceding embodiments.
  • the features of the described embodiments can be combined with each other as desired.
  • the focusing or collimation of the radiation S in the z-direction can be carried out as required and combined as desired with other features of the measuring device 1.
  • the mirror surface Si of the respective first mirror 7 or 7 'in the z-direction can be optimized such that a measuring range or measuring point with an acceptable focus size is achieved for a predefined radius range of the test object 2.
  • the mirror surface Si may be formed in the z-direction as a free-form surface.
  • the preferred field of application of the measuring device 1 according to the invention is full testing or inline full testing of wall and / or layer thicknesses of plastic pipes, in particular in the production or extrusion process.
  • the emitted radiation is designed in particular as pulsed THz radiation, as CW-THz radiation (CW: Continuous Wave) and / or as FMCW-THz radiation (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave).
  • CW-THz radiation Continuous Wave
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • a time profile of a pulsed THz radiation is shown in FIG. 8.
  • the successive THz pulses Ti and T 2 and corresponding further THz pulses each have a frequency spectrum which lies in the mentioned THz range.
  • the position of the central longitudinal axis L of the test object 2 relative to the second focal point B 2 can be determined. Due to the elliptical the curvature of the first mirror 7 or 7 'is the path of a beam path, which passes from one focal point by reflection on the mirror surface Si in the other focal point, always constant. In a test object 2 arranged concentrically with respect to the second focal point B 2 , all beam paths accordingly have the exact same distance. Thus, the duration of the reflected radiation R or THz pulses does not change and the detected time position remains constant during scanning of the test object 2.
  • the central longitudinal axis L and the second focal point B 2 do not coincide, the temporal position of the THz pulses changes when the test object 2 is scanned.
  • the position of the central longitudinal axis L relative to the second focal point B 2 can thus be determined. This information can, for example, for the automatic Einjust Schlieren the test object 2 when starting the
  • Extrusion process or for any necessary readjustment of the measuring device 1 can be used.
  • a reference measurement is not required.
  • the diameter or radius r of the test object 2 as well as any deviations from the circular shape, such as, for example, eccentricity or ovality, can be determined from the transit time of the THz pulses.
  • the diameter of the test object 2 results in the case of known parameters of the elliptic mirror 7 or T directly from the transit time of the respective THz pulse.
  • Shape parameters, such as eccentricity and ovality can be calculated from the deviations of the transit time of individual THz pulses.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung (1) zur Vermessung von Prüfobjekten, insbesondere Kunststoff-Rohren (2, die aufweist: a) eine Sender-Empfänger-Einheit (3) mit einem Sender (9) zum Emittieren von Strahlung (S) im Terahertz-Bereich und einem zugehörigen Empfänger (10) zum Detektieren einer an einem Prüfobjekt (2) rekflektierten Strahlung (R), b) eine elliptische erste Spiegel-Anordnung (4), c) eine parabolische zweite Spiegel-Anordnung (4'), d) einem Prüfobjekthalter (5) und e) einer Steuereinheit (6) zur Auswertung der detektierten Strahlung (R) und Ermittlung mindestens einer Wanddicke des Prüfobjektes.

Description

Terahertz-Messvorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung
Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung. Die zu vermessenden Prüfobjekte weisen insbesondere zumindest abschnittsweise mindestens eine hohlzylinderförmige Materialschicht auf.
Aus der DE 102008046988 AI ist ein Reflektometer zur Charakterisierung von Materialien hinsichtlich wenigstens einer optischen Reflexionseigenschaft bekannt. Das Reflektometer umfasst einen Ellipsoidspiegel, in dessen ersten Brennpunkt eine zu charakterisierende Probe mittels eines Probenhalters gehalten wird. Die Probe ist mittels des Probenhalters um eine Drehachse drehbar. Die Bestrahlung der Probe erfolgt durch eine Öffnung im Ellipsoidspiegel mittels einer Strahlungsquelle. Der Ellipsoidspiegel bildet die von der im ersten Brennpunkt beleuchteten Probe reflektierten Strahlung durch eine im zweiten Brennpunkt positionierte Blende auf einen dahinter liegenden Detektor ab. Die Messdaten des Reflektometers werden anschließend zur Charakterisierung der Probe ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Terahertz- Messvorrichtung zu schaffen, die in einfacher und flexibler Weise die Vermessung von Prüfobjekten ermöglicht. Die Terahertz-Messvorrichtung soll insbesondere die Vermessung von Prüfobjekten ermöglichen, die zumindest abschnittsweise mindestens eine hohlzylinderförmige Materialschicht aufweisen. Diese Aufgabe wird durch eine Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weiterhin ist ein Verfahren zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung vorgesehen. Die Terahertz- Mess- Vorrichtung bzw. Terahertz-Reflexions- Messvorrichtung dient vorzugsweise zur Durchführung von Reflexionsmessungen an dem zu vermessenden Prüfobjekt. Es ist vorzugsweise eine Laufzeitmessung zur Ermittlung von Wanddicken von Rohren, insbesondere Kunststoff-Rohren oder Schichten von Kunststoff-Rohren vorgesehen.
Im Rahmen der Erfindung wird mit "elliptischer Spiegel" ein Spiegel bezeichnet, der zumindest abschnittsweise elliptisch ist und zwei Brennpunkte ausbildet; vorzugsweise ist ein "elliptischer Spiegel" in seiner xy-Ebene vollständig elliptisch
Im Rahmen der Erfindung wird mit "parabolischer Spiegel" ein Spiegel bezeichnet, der zumindest abschnittsweise parabolisch ist und einen Brennpunkt ausbildet; vorzugsweise ist ein " parabolischer Spiegel " in seiner xy- Ebene vollständig parabolisch, insbesondere als Parabolrinne oder Rotati- ons-Paraboloid.
Ein "parabolisches Spiegel-Paar" bezeichnet einen ersten und zweiten parabolischen Spiegel, die mit ihren Öffnungen einander zugewandt sind und eine gemeinsame optische Achse aufweisen; somit liegen insbesondere auch die beiden Brennpunkte auf der gemeinsamen optischen Achse.
Der erste Spiegel der mindestens einen Spiegel-Anordnung ist zumindest abschnittsweise elliptisch gekrümmt und bildet in einer x-y-Ebene einen ersten Brennpunkt und einen zugehörigen zweiten Brennpunkt aus. Im Be- reich des ersten Brennpunkts ist ein zweiter Spiegel angeordnet, der durch den ersten Brennpunkt verläuft und relativ zu der xy- Ebene geneigt ange- ordnet ist, also mit dieser einen Winkel ungleich 0° einschließt. Das zu vermessende Prüfobjekt ist mittels des Prüfobjekthalters im Bereich des zweiten Brennpunkts angeordnet. Die mindestens eine Sender-Empfänger- Einheit ist außerhalb der x-y-Ebene, also in einer z- Richtung beabstandet von der x-y- Ebene, angeordnet. Dies ist aufgrund der Umlenkung mittels des zweiten Spiegels möglich. Der zweite Spiegel schließt mit der x-y-Ebene einen Winkel α ein, wobei für α gilt: 30° < α < 60°, insbesondere 35° < α < 55°, und insbesondere 40° < α < 50°. Vorzugsweise beträgt der Winkel α = 45°. Die Vermessung des Prüfobjekts erfolgt in beiden Spiegel-Anordnung vorzugsweise unabhängig voneinander. Zunächst wird von dem Sender der Sender- Empfänger-Einheit Strahlung in Richtung des Umlenkspiegels bzw. zweiten Spiegels emittiert. In der elliptischen Spiegel- Anordnung wird die emittierte Strahlung mittels des zweiten Spiegels in die x-y-Ebene umgelenkt und trifft anschließend auf den ersten Spiegel. Durch die elliptische Krümmung des ersten Spiegels wird die Strahlung in Richtung des zweiten Brennpunkts reflektiert. Aufgrund der Anordnung des Prüfobjekts im Bereich des zweiten Brennpunkts trifft die Strahlung auf das Prüfobjekt und wird von dort wiederum reflektiert. Das Prüfobjekt ist vorzugsweise derart angeordnet, dass eine Mittellängsachse des Prüfobjekts durch den zweiten Brennpunkt verläuft, so dass die Strahlung bzw. der Strahl radial auf das Prüfobjekt trifft und der Einfallswinkel der Strahlung dem Reflexionswinkel entspricht. Die am Prüfobjekt reflektierte Strahlung weist denselben Strahlengang, jedoch in entgegengesetzter Richtung, auf, wie die einfallende Strahlung. Die reflek- tierte Strahlung wird von dem ersten Spiegel aufgrund dessen elliptischer Krümmung in Richtung des ersten Brennpunkts reflektiert und trifft dort auf den zweiten Spiegel. Der zweite Spiegel lenkt die reflektierte Strahlung quer, insbesondere senkrecht, zu der x-y-Ebene in Richtung der Sender- Empfänger- Einheit um. Der Empfänger detektiert die reflektierte Strahlung und leitet die Messwerte an die Steuereinheit weiter, die die detektierte Strahlung bzw. die Messwerte auswertet. ln der parabolischen Spiegel-Anordnung wird von dem Sender der Sender-Empfänger-Einheit zunächst Strahlung in Richtung des dritten Spiegels emittiert. Die emittierte Strahlung wird mittels des dritten Spiegels in die x-y- Ebene umgelenkt und trifft anschließend auf den ersten parabolischen Spiegel. Die Strahlung wird dann von dem ersten parabolischen Spiegel umgelenkt und trifft aufgrund dessen parabelförmigen Krümmung anschließend auf den zweiten parabolischen Spiegel. Durch die parabelförmige Krümmung des zweiten Spiegels wird die Strahlung von dem zweiten Spiegel in Rich- tung des zweiten Brennpunkts reflektiert. Aufgrund der Anordnung des Prüfobjekts im Bereich des zweiten Brennpunkts trifft die Strahlung auf das Prüfobjekt und wird von dort wiederum reflektiert. Das Prüfobjekt ist vorzugsweise derart angeordnet, dass eine Mittellängsachse des Prüfobjekts durch den zweiten Brennpunkt verläuft, so dass die Strahlung bzw. der Strahl radial auf das Prüfobjekt trifft und der Einfallswinkel der Strahlung dem Reflexionswinkel entspricht. Aufgrund der Anordnung des Prüfobjekts im Bereich des zweiten Brennpunkts mittels des Prüfobjekthalters und des zweiten Spiegels im Bereich des ersten Brennpunkts kann das Prüfobjekt in flexibler Weise vermessen werden.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist vergleichsweise einfach aufgebaut, da die mindestens eine Sender-Empfänger-Einheit aufgrund der zugehörigen Spiegel-Anordnung außerhalb, also in der z-Richtung
beabstandet zu den x-y-Ebenen der Spiegel-Anordnungen positionierbar ist.
Durch die zwei Spiegel-Anordnungen kann ein Prüfobjekt, insbesondere eine Dicke mindestens einer hohlzylinderförmigen Materialschicht über den gesamten Umfang vermessen werden. Das Prüfobjekt ist insbesondere hohlzylinderförmig ausgebildet, also als
Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt. Das Prüfobjekt ist insbesondere aus Kunststoff ausgebildet. Das Prüfobjekt weist insbesondere eine hohlzy- linderförmige Materialschicht oder mehrere hohlzylinderförmige Materialschichten auf. Vorzugsweise können die Dicke der mindestens einen Materialschicht ermittelt werden, insbesondere zur Überprüfung, dass eine homo- gene Wanddicke über den Umfang vorliegt.
Somit kann insbesondere ein Rohr aus z. B. Kunststoff durch eine Messvorrichtung geführt werden und über seinen gesamten Umfang untersucht werden. Die Untersuchung kann somit bereits nach der Herstellung, z. B. der Extrusion des Kunststoff-Rohres, erfolgen.
Eine mechanische Verstellung, d.h. Drehen oder Schwenken des Prüfobjektes oder der Messvorrichtung ist somit nicht erforderlich. Die mindestens eine Sender-Empfänger-Einheit ist derart ausgebildet, dass elektromagnetische Terahertz-Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 0,01 THz bis 50 THz, insbesondere von 0,05 THz bis 20 THz, und insbesondere von 0, 1 THz bis 10 THz emittiert bzw. detektiert. Hierdurch wird insbesondere die Vermessung von Prüfobjekten aus Kunststoff ermöglicht. Die Vermessung des Prüfobjekts mittels der Strahlung bzw. THz-Strahlung basiert auf der Messung einer Laufzeitdifferenz der Strahlung, die an den Grenzschichten reflektiert wird. Grenzschichten sind die Oberflächen des Prüfobjekts, beispielsweise die Rohraußenwand und die Rohrinnenwand, und aneinandergrenzende Materialschichten innerhalb des Prüfobjekts. Die mindestens eine Sender-Empfänger-Einheit ist insbesondere derart ausgebildet, dass THz-Pulse emittierbar bzw. detektierbar sind.
Indem die mindestens eine Sender-Empfänger-Einheit entlang der z- Achse, also senkrecht beabstandet von der x-y-Ebene der ersten und zwei- ten Spiegel-Anordnung angeordnet ist, wird der von dem elliptischen ersten Spiegel bzw. den beiden parabolischen Spiegeln begrenzte Raum bzw. In- nenraum nicht unnötigerweise von der Sender-Empfänger-Einheit beeinträchtigt, wobei in einfacher Weise eine Umlenkung der Strahlung erfolgt. Der zur Umlenkung aus der jeweiligen x-y-Ebene vorgesehene zweite Spiegel bzw. dritte Spiegel benötigt einen vergleichsweise geringen Platzbedarf, so- dass die erste und zweite Spiegel-Anordnung jeweils vergleichsweise kompakt aufgebaut ist. Die Größe der Spiegel-Anordnung wird lediglich durch die Größe des größten zu vermessenden Prüfobjekts bestimmt. Die z-Achse verläuft senkrecht zu der x-y-Ebene. Entsprechend ist der zweite Spiegel bzw. dritte Spiegel zur Umlenkung der Strahlung um vorzugsweise 45° zu der je- weiligen x-y-Ebene geneigt.
Die Spiegel-Anordnungen sind derart zueinander ausgerichtet, dass der von der ersten Spiegel-Anordnung abgeschattete Bereich mittels der zweiten Spiegel-Anordnung vermessbar ist und umgekehrt, somit kann durch jede Spiegel-Anordnung kann jeweils der von der anderen Spiegel-Anordnung abgeschattete Bereich erfasst werden, d.h. in unterschiedlichen z-Positionen, wobei insbesondere das Prüfobjekt in z-Richtung durch beide Spiegel- Anordnungen geführt wird. Hierbei sind die beiden Spiegel-Anordnungen in z- Richtung versetzt, so dass sie sich nicht stören. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Spiegel-Anordnungen vorgesehen sein, wenn dies vorteilhaft ist. Die weiteren Spiegel-Anordnungen sind dann parabolisch und/oder elliptisch.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Terahertz-
Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine Draufsicht auf die elliptische erste Spiegel-Anordnung in
Fig. 1 , Fig. 3 eine Seitenansicht auf die erste oder zweite Spiegel- Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 4 eine Aufsicht auf die parabolische zweite Spiegel-Anordnung in Fig. 1 ,
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Messvorrichtung mit beiden Spiegel- Anordnungen aus Fig. 2 und 4, und
Fig. 6 eine erste Seitenansicht einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
Fig. 7 eine zweite und um 90° gedrehte Seitenansicht der Messvorrichtung in Fig. 6.
Fig. 8 einen zeitlichen Verlauf einer als THz-Pulse emittierten
Strahlung.
Eine Terahertz-Messvorrichtung 1 zur Vermessung eines Prüfobjekts 2 weist zwei Sender-Empfänger-Einheiten 3 und 3', zwei zugehörige Spiegel- Anordnungen 4 und 4', einen Prüfobjekthalter 5 und eine Steuereinheit 6 auf. Hierbei ist in einer ersten x-y-Ebene Exy eine erste elliptische Spiegel- Anordnung 4 und in einer zweiten x-y-Ebene E'xy eine zweite parabolische Spiegel-Anordnung 4' vorgesehen, die in z-Richtung beabstandet sind.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 zunächst die erste, elliptische Spiegel-Anordnung 4 beschrieben. Die erste Spiegel-Anordnung 4 umfasst einen elliptischen ersten elliptischen Spiegel 7, der symmetrisch zu einer x-y-Ebene Exy ausgebildet und angeordnet ist. Die x-y-Ebene Exy ist durch eine x-Richtung und eine senkrecht dazu verlaufende y-Richtung definiert. Der erste elliptische Spiegel 7 ist in der x-y-Ebene Exy und parallel dazu elliptisch gekrümmt. Der erste elliptische Spiegel 7 bildet also in der x-y-Ebene Exy eine Spiegeloberfläche Si in Form einer Ellipse aus. Aufgrund der elliptischen Krümmung weist der erste elliptische Spiegel 7 in der x-y-Ebene Exy zwei Brennpunkte Bi und B2 auf. Die Brennpunkte Bi und B2 haben in der x-Richtung jeweils einen Abstand e von einem Mittelpunkt M der Ellipse.
Die Ellipse bzw. die Ellipsenform des ersten elliptischen Spiegels 7 ist durch eine erste Halbachse A mit einer zugehörigen Länge a und einer im Vergleich zu der ersten Halbachse A kürzeren zweiten Halbachse B mit einer Länge b definiert. Für ein Verhältnis der Längen a/b gilt: a/b < 1 ,3, insbesondere a/b < 1 ,2, und insbesondere a/b < 1 , 1 .
Die erste Spiegel-Anordnung 4 umfasst ferner einen zweiten Spiegel 8, der im Bereich des ersten Brennpunkts Bi angeordnet ist. Der zweite Spiegel 8 ist plan ausgebildet, weist also eine plane Spiegeloberfläche S2 auf. Der zweite Spiegel 8 schließt mit der x-y-Ebene Exy einen Winkel α ein, wobei für a - abhängig von der Anordnung der Sender-Empfänger-Einheit 3 gilt: 30° < α < 60°, insbesondere 35° < α < 55°, und insbesondere 40° < α < 50°. Vorzugsweise beträgt der Winkel α = 45°. Der zweite Spiegel 8 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der erste Brennpunkt Bi im Wesentlichen mittig auf der Spiegeloberfläche S2 liegt.
Die erste Sender-Empfänger-Einheit 3 umfasst einen erste Sender 9 zum Emittieren von Strahlung S. Die emittierte Strahlung wird von dem Sender 9 bis zu dem Prüfobjekt 2 nachfolgend mit S bezeichnet. Die an dem Prüfobjekt 2 reflektierte Strahlung wird nachfolgend von dem Prüfobjekt 2 bis zu einem Empfänger 10 mit R bezeichnet. Der Empfänger 10 dient zum De- tektieren der an dem Prüfobjekt 2 reflektierten Strahlung R. Zur Vermessung des Prüfobjekts 2 wird mittels der Steuereinheit 6 die detektierte Strahlung R ausgewertet.
Durch die elliptische Krümmung des ersten elliptischen Spiegels 7 erfolgt eine Umlenkung der Strahlung S, R zwischen den Brennpunkten Bi und B2. Demgegenüber dient der zweite Spiegel 8 zur Umlenkung der Strahlung S, R zwischen einer quer bzw. senkrecht zu der x-y-Ebene Exy verlaufenden z-Richtung und der x-y-Ebene Exy. Die z-Richtung verläuft senkrecht zu der x-Richtung und der y-Richtung, sodass die x- y- und die z-Richtung ein kar- tesisches Koordinatensystem ausbilden. Die erste Sender-Empfänger-Einheit 3 ist in der z-Richtung beabstandet zu der ersten x-y-Ebene Exy angeordnet. Die erste Sender-Empfänger- Einheit 3 ist entlang einer ersten z-Achse Zi angeordnet, die parallel zu der z-Richtung durch den ersten Brennpunkt Bi verläuft. Die Sender-Empfänger-Einheit 3, die Spiegel-Anordnung 4, der Prüfobjekthalter 5 und die Steuereinheit 6 sind an einem Grundgestell 1 1 der Terahertz-Messvorrichtung 1 befestigt. Die zweite z-Achse Z2 verläuft parallel zu der z-Richtung durch den zweiten Brennpunkt B2. Hierzu weist der Prüfobjekthalter 5 beispielsweise zwei Halteaufnahmen 12, 13 auf, die beidseitig der x-y-Ebene Exy und konzentrisch zu der zweiten z-Achse Z2 angeordnet sind..
Das Prüfobjekt 2 ist hohlzylinderförmig ausgebildet und weist einen kreisförmigen bzw. ringförmigen Querschnitt auf. Das Prüfobjekt 2 ist mittels des Prüfobjekthalters 5 derart angeordnet, dass eine Mittel längsachse L deckungsgleich mit der zweiten z-Achse Z2 ist. Das Prüfobjekt 2 ist zweischich- tig ausgebildet und weist zwei hohlzylinderförmige Materialschichten K-i und K2 auf. Das Prüfobjekt 2 ist aus Kunststoff, wobei insbesondere die zwei Materialschichten Ki und K2 aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien sind. Zur Vermessung des Prüfobjekts 2 ist die Sender-Empfänger-Einheit 3 derart ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung S, R mit einer Frequenz im Bereich von 0,01 THz bis 50 THz, insbesondere von 0,05 THz bis 20 THz, und insbesondere von 0, 1 THz bis 10 THz emittierbar bzw. detektierbar ist. Vorzugsweise wird die Strahlung S pulsförmig emittiert, also THz-Pulse erzeugt.
Zur Fokussierung der Strahlung S, R in der z-Richtung ist gemäß einer Ausführungsform der erste Spiegel 7 in der z-Richtung konkav gekrümmt. Wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, weist die Spiegeloberfläche Si des ersten Spiegels 7 in der z-Richtung z. B. eine elliptische Krümmung auf.
Die Funktionsweise der Terahertz-Messvorrichtung 1 ist wie folgt:
Der Sender 9 emittiert Strahlung S in Form von THz-Pulsen. Die Erzeugung von THz-Pulsen ist grundsätzlich bekannt. THz-Pulse werden bei- spielsweise optisch mittels Femtosekunden-Laserpulsen und photoleitenden Schaltern erzeugt. Die Strahlung S wird im Wesentlichen in der z-Richtung emittiert und auf den ersten Brennpunkt Bi fokussiert.
Durch den zweiten Spiegel 8 wird die Strahlung S von der z-Richtung in die x-y-Ebene Exy umgelenkt und trifft auf die Spiegeloberfläche Si des ersten Spiegels 7. Aufgrund der elliptischen Krümmung wird die aus Richtung des ersten Brennpunkts Bi kommende Strahlung S an der Spiegeloberfläche Si in Richtung des zweiten Brennpunkts B2 reflektiert. Da sich im Strahlengang zwischen der Spiegeloberfläche Si und dem zweiten Brennpunkt B2 das Prüfobjekt 2 befindet, trifft die Strahlung S radial auf das Prüfobjekt 2 und wird an den verschiedenen Grenzschichten des Prüfobjekts 2 reflektiert. Die einzelnen Grenzschichten sind die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche des Prüfobjekts 2 sowie die dazwischenliegende Grenzschicht der Materialschichten Ki und K2. Die THz-Pulse werden von der Sender- Empfänger-Einheit 3 somit radial auf das Prüfobjekt 2 bzw. das Rohr 2 einge- strahlt.
Die reflektierte Strahlung R bzw. die reflektierten THz-Pulse laufen entlang desselben Strahlengangs zurück zu der Sender-Empfänger-Einheit 3 und werden dort von dem Empfänger 10 detektiert. Der Aufbau des Empfän- gers 10 ist grundsätzlich bekannt. THz-Pulse werden beispielsweise durch optisches Abtasten (Sampling) mit Femtosekunden-Laserpulsen detektiert.
Bei der Vermessung des Prüfobjekts 2 werden insbesondere eine Wanddicke dw des Prüfobjekts 2 sowie Schichtdicken di und d2 der Material- schichten K-i und K2 bestimmt. Die Messung der Wanddicke dw sowie der Schichtdicken d-ι und d2 basieren auf der Messung von Laufzeitdifferenzen der an den einzelnen Grenzschichten reflektierten THz-Pulse. Mittels der Steuereinheit 6 werden die Laufzeitdifferenzen ausgewertet und die Dicken dw, di und d2 ermittelt.
In den Figuren 1 und 2 ist mit durchgezogenen Linien ein idealer Strahl eingezeichnet. Die Strahlung S trifft als idealer Strahl punktförmig auf das Prüfobjekt 2, sodass das Prüfobjekt 2 in einem Messpunkt vermessen wird. Mittels einer Antriebseinheit 15 ist der Prüfobjekthalter 5 zudem entlang der z-Richtung linear verfahrbar, sodass das Prüfobjekt 2 auch entlang seiner Länge vollständig vermessen wird.
Hierbei kann die Antriebseinheit 15 auch z. B. in eine Vorrichtung zur Herstellung des als Kunststoffrohrs ausgebildeten Prüfobjektes 2 einbezogen sein; somit kann ein Kunststoffrohr 2 insbesondere nach seiner Extrusion direkt vermessen werden, so dass die Terahertz-Messvorrichtung 1 stationär verbleibt und das Kunststoffrohr 2 durch die Terahertz-Messvorrichtung 1 linear in z-Richtung hindurchgeführt wird. In den Fig. 1 und 2 ist ferner eine reale Strahlausbreitung der Strahlung
S, R mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Die emittierte Strahlung S wird mittels der Sender-Empfänger-Einheit 3 zunächst in den ersten Brennpunkt Bi fokussiert. Hierzu weist die Sender-Empfänger-Einheit 3 beispielsweise eine Linse auf. Die an dem zweiten Spiegel 8 reflektierte Strahlung S weist eine Strahldivergenz auf. Die Strahlung S, R weist einerseits einen
Divergenzwinkel A(pR in der x-y-Ebene Exy und einen Divergenzwinkel Δφζ in der z-Richtung auf. Durch die elliptische Krümmung des ersten Spiegels 7 in der x-y-Ebene Exy wird die Strahlung S, R auf den jeweiligen Brennpunkt Bi und B2 fokussiert. Die Strahlung S trifft bei einer realen Strahlausbreitung nicht punktförmig auf das Prüfobjekt 2, sondern in einem Messbereich, wobei die einzelnen Strahlen bzw. Teilstrahlen jeweils radial auf das Prüfobjekt 2 treffen. Die Größe des Messbereichs hängt von dem Divergenzwinkel A(pR und einem Radius r des Prüfobjekts 2 ab. Der zweite Spiegel 8 ist derart angeordnet, dass die Strahlung S idealerweise mit einem Winkel cpR zu der x-Richtung zu dem ersten Spiegel 7 reflektiert wird, wobei die Strahlung S aufgrund der realen Strahlausbreitung einen Divergenzwinkel A(pR aufweist. Aufgrund der festen Anordnung des zweiten Spiegels 8 gilt für den Winkel cpR: cpR = 90°. Die Strahlung S trifft bei idealer Strahlausbreitung mit einem Winkel cpL relativ zu der z-Richtung auf das Prüfobjekt 2, wobei die Strahlung S beim Auftreffen auf das Prüfobjekt 2 einen Divergenzwinkel AcpL aufweist. Für den Divergenzwinkel bzw. Öffnungswinkel Δφι_ gilt Gleichung (1 ). arccos
Figure imgf000015_0001
(1)
Für eine Abmessung d des Messbereichs in der x-y-Ebene Exy gilt näherungsweise Gleichung (2):
Figure imgf000015_0002
Die Abmessung d des Messbereichs unter einem bestimmten Winkel φι_ ist somit direkt proportional zum Radius r des Prüfobjekts 2. Für einen möglichst kleinen Messbereich sollte AcpL möglichst klein sein. Der Öffnungswinkel Δφι_ ist vom Winkel φ abhängig. Der Winkel Δψι ist umso kleiner, je kleiner (pR ist.
Darüber hinaus ist der Winkel Δφι, νοη den Längen a und b der Halbachsen A und B abhängig.
Mittels einer einzigen Sender-Empfänger-Einheit 3 sowie der zugehörigen Spiegel-Anordnung 4 kann das Prüfobjekt 2 somit - ohne Drehung des Prüfobjektes oder der Messvorrichtung - bis auf einen abgeschatteten Bereich D vermessen werden. Trotz der divergenten Strahlausbreitung trifft die Strahlung S bzw. der jeweilige THz-Puls radial auf die Grenzschichten des Prüfobjekts 2, also senkrecht auf die Grenzschichten und zudem zu gleichen Zeitpunkten. Hierdurch wird gewährleistet, dass die reflektierte Strahlung R eine hohe Signalqualität aufweist und insbesondere die reflektierten THz-Pulse nicht verwaschen und in ihrer Amplitude abgeschwächt sind. Indem die Spiegeloberfläche Si auch in der z-Richtung elliptisch gekrümmt ist, wird die Strahlung S, R auch in der z-Richtung fokussiert. Der erste Spiegel 7 ist in der z-Richtung vorzugsweise derart elliptisch gekrümmt, dass ein erster Brennpunkt mit dem ersten Brennpunkt Bi zusammenfällt und ein zweiter Brennpunkt auf der äußeren Oberfläche des Prüfobjekts 2 liegt. Dies ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die Strahlung S weist somit auch in der z-Richtung einen optimierten, also einen möglichst kleinen Messbereich auf.
Vorzugsweise ist der zweite Spiegel 8 um die erste z-Achse Zi mittels einer Spiegel-Antriebseinheit 16 verschwenkbar, insbesondere um 360° drehbar. Der Winkel c R ist somit durch die Drehung veränderbar. Hierdurch ist das Prüfobjekt 2, selbst wenn dieses um die zweite z-Achse Z2 fest steht, in einem weiten Umfangsbereich vermessbar. In Fig. 2 sind zusätzliche Strahlverläufe der Strahlung S eingezeichnet, die eine Vermessung des Prüfobjekts 2 veranschaulichen. Unabhängig von dem Winkel (pR wird die Strahlung S mittels des ersten Spiegels 7 zwischen den Brennpunkten Bi und B2 umgelenkt. Beim Vermessen des Prüfobjekts 2 trifft die Strahlung S unabhängig von dem Winkel c R immer radial bzw. senkrecht auf das Prüfobjekt 2.
Bei einem Winkel ( R,max tangiert die zu dem Prüfobjekt 2 verlaufende Strahlung S das Prüfobjekt 2, so dass das Prüfobjekt 2 bei größeren Winkeln als cpR.max an einer dem zweiten Spiegel 8 abgewandten Seite abgeschattet wird. Der abgeschattete Bereich D des Prüfobjekts 2 ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt und mit D bezeichnet. Für den Winkel ( gilt Gleichung 3:
Figure imgf000016_0001
Die Strahlung S trifft bei einem Winkel 9R,max unter einem Winkel (pi_,ma> auf das Prüfobjekt 2, so dass der maximal vermessbare Winkelbereich des Prüfobjekts 2, wenn dieses um die zweite z-Achse Z2 fest steht, 2(pL,max beträgt. Gemäß Gleichung (1 ) ist der Divergenzwinkel Δφι_ abhängig von dem Winkel cpR. Die Änderung von Δφι_ in Abhängigkeit von dem Winkel cpR ist jedoch umso geringer, je näher die Längen a der großen Halbachse A und b der kleinen Halbachse B beieinander liegen. Die Messgenauigkeit der Messvorrichtung 1 ist somit umso weniger abhängig von dem Winkel cpR, je näher das Verhältnis a/b bei 1 liegt.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 3 ist der erste Spiegel 7 in der z- Richtung parabolisch gekrümmt ist, wobei der erste Brennpunkt Bi bei allen Winkeln cpR mit dem Brennpunkt der Parabel zusammenfällt. Durch Reflexion der Strahlung S wird die Strahlung S in der z-Richtung kollimiert. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht: Durch die parabolische Krümmung des ersten Spiegels 7 wird die Strahlung S in der z-Richtung kollimiert, so dass alle Strahlen bzw. Teilstrahlen unabhängig vom Radius r des Prüfobjekts 2 immer senkrecht auf das Prüfobjekt 2 einfallen. Die Ausdehnung des Messbereichs in der z-Richtung ist der Durchmesser der kollimierten Strahlung S, der durch den Divergenzwinkel Δφζ gegeben ist bzw. einstellbar ist. Nachfolgend wird mit Bezug zu Fig. 4 die parabolische zweite Spiegel-
Anordnung 4' beschrieben. Die parabolische zweite Spiegel-Anordnung 4' weist einen ersten parabolischen Spiegel 7' auf, der symmetrisch zu einer x- z-Ebene Εχζ ausgebildet ist. Die x-z-Ebene Εχζ ist durch eine x-Richtung und eine senkrecht dazu verlaufende z-Richtung definiert. Der erste Spiegel 7' ist in einer zweiten x-y-Ebene Exy', die senkrecht zu der x-z-Ebene verläuft und parallel dazu parabelförmig gekrümmt. Die zweite x-y-Ebene Exy ' ist von der ersten x-y-Ebene Exy in z-Richtung beabstande. Der erste Spiegel 7' bildet also in der zweiten x-y-Ebene Exy 'eine Spiegeloberfläche Si in Form einer Parabel aus. Aufgrund der parabelförmigen Krümmung weist der erste Spie- gel 7 in der zweiten x-y-Ebene Exy ' einen ersten Brennpunkt B-ι 'auf. Die Spiegel-Anordnung 4 umfasst außerdem einen zweiten parabolischen Spiegel 19, der symmetrisch zu der x-z-Ebene Exz ausgebildet ist. Der zweite Spiegel 19 ist in der zweiten x-y-Ebene Exy 'und parallel dazu parabel- förmig gekrümmt. Der zweite Spiegel 19 bildet also in der zweiten x-y-Ebene Exy' eine Spiegeloberfläche S2 in Form einer Parabel aus. Aufgrund der pa- rabelförmigen Krümmung weist der zweite Spiegel 19 in der zweiten x-y- Ebene Exy ' einen zweiten parabolischen Brennpunkt B2 ' auf. Die Brennpunkte Β und B2 ' haben in der x-Richtung jeweils einen Abstand e von einem Mittelpunkt M der Spiegel-Anordnung 4'. Die Öffnungen der Spiegel 7', 19' sind einander zugewandt. Die Spiegel 7', 19' sind einander direkt gegenüberliegend angeordnet und sind bezüglich einer y-z-Ebene Eyz spiegelsymmetrisch zueinander. Die y-z-Ebene Eyz verläuft senkrecht zu der zweiten x- y-Ebene Exy'. Die zweite Spiegel-Anordnung 4' umfasst ferner einen dritten Spiegel
8', der im Bereich des ersten Brennpunkts B-ι ' angeordnet ist. Der dritte Spiegel 8 ist plan ausgebildet, weist also eine plane Spiegeloberfläche S3 auf. Der dritte Spiegel 8 schließt mit der zweiten x-y-Ebene Exy ' einen Winkel α ein, wobei für α - abhängig von der Anordnung der zweiten Sender- Emp- fänger-Einheit 3' gilt: 30° < α < 60°, insbesondere 35° < α < 55°, und insbesondere 40° < α < 50°. Vorzugsweise beträgt der Winkel α = 45°. Der dritte Spiegel 8 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der erste Brennpunkt Bi im Wesentlichen mittig auf der Spiegeloberfläche S3 liegt. Die zweite Sender-Empfänger-Einheit 3' ist vorzugsweise getrennt von der ersten Sender-Empfänger-Einheit 3 ausgebildet und entsprechend der ersten Sender-Empfänger-Einheit 3 ausgebildet. Hierbei strahlen die beiden Sender-Empfänger-Einheiten 3, 3' - wie weiter unten beschrieben wird - in x- Richtung versetzt ein. Grundsätzlich kann allerdings auch THZ-Strahlung S von einer einzigen Sender- Empfänger-Einheit 3 auf beide Spiegel- Anordnungen 4 und 4' aufgeteilt werden. Durch die parabelförmige Krümmung des ersten und zweiten Spiegels 7 bzw. 19 erfolgt eine Umlenkung der Strahlung S, R zwischen den Brenn- punkten Bi ' und B2 '. Demgegenüber dient der dritte Spiegel 8 zur Umlenkung der Strahlung S, R zwischen einer quer bzw. senkrecht zu der x-y- Ebene Exy ' verlaufenden z-Richtung und der x-y-Ebene Exy '. Die z-Richtung verläuft senkrecht zu der x-Richtung und der y-Richtung, sodass die x-, y- und die z-Richtung ein kartesisches Koordinatensystem ausbilden.
Die Sender-Empfänger-Einheit 3' ist in der z-Richtung beabstandet zu der x-y-Ebene Exy ' angeordnet. Die Sender-Empfänger-Einheit 3 ' ist entlang der z-Achse angeordnet und strahlt somit auf den den ersten Brennpunkt Β-ι ' ein. Die z-Achse Z1 ' ist von der z-Achse Z1 der ersten Spiegel-Anordnung 4 beabstandet, insbesondere in x-Richtung.
Die Sender-Empfänger-Einheit 3' und die Spiegel-Anordnung 4' sind ebenfalls an dem Grundgestell 1 1 der Messvorrichtung 1 befestigt. Zur Fokussierung der Strahlung S, R in der z-Richtung sind gemäß einer Ausführungsform der erste parabolische Spiegel 7' und der zweite parabolische Spiegel 19' in der z-Richtung konkav gekrümmt. Die Spiegeloberfläche Si des ersten Spiegels 7 und die Spiegeloberfläche S2 des zweiten Spiegels 19 weisen in der z-Richtung zusammen gemäß einer Ausführungs- form eine elliptische Krümmung auf.
Die Funktionsweise der zweiten Spiegel-Anordnung 4' entspricht im wesentlichen der ersten Spiegel-Anordnung: Die Strahlung S wird im Wesentlichen in der z-Richtung entlang der Achse Z2 emittiert und auf den ersten parabolischen Brennpunkt Bi ' fokus- siert. Durch den dritten Spiegel 8' wird die Strahlung S von der z-Richtung in die x-y-Ebene Exy ' umgelenkt und trifft auf die Spiegeloberfläche Si des ersten parabolischen Spiegels 7'. Durch den ersten parabolischen Spiegel 7 wird die Strahlung S umgelenkt und trifft dann auf die Spiegeloberfläche S2 des zweiten parabolischen Spiegels 19. Aufgrund der parabelförmigen Krümmung des zweiten parabolischen Spiegels 19 wird die von dem ersten parabolischen Spiegel 7 kommende Strahlung S in Richtung des zweiten parabolischen Brennpunkts B2 reflektiert. Da sich im Strahlengang zwischen der Spiegeloberfläche S2 und dem zweiten parabolischen Brennpunkt B2 das Prüfobjekt 2 befindet, trifft die Strahlung S radial auf das Prüfobjekt 2 und wird an den verschiedenen Grenzschichten des Prüfobjekts 2 reflektiert. Die einzelnen Grenzschichten sind die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche des Prüfobjekts 2 sowie die dazwischenliegende Grenzschicht der Materialschichten K1 und K2. Die THz-Pulse der Sender- Empfänger-Einheit 3' werden auch von der zweiten parabolischen Spiegel- Anordnung 4 ' von somit wiederum - wie oben bei der ersten Spiegel-Anordnung 4 beschrieben - radial auf das Prüfobjekt 2 bzw. das Rohr 2 eingestrahlt.
Die reflektierte Strahlung R bzw. die reflektierten THz-Pulse laufen entlang desselben Strahlengangs zurück zu der Sender-Empfänger-Einheit 3' und werden dort von dem Empfänger 10' detektiert.
Auch bei der zweiten parabolischen Spiegel- Anordnung 4 ' können wie oben bei der ersten Spiegel- Anordnung 4 beschrieben eine oder mehrere Linsen zur Bündelung vorgesehen sein; weiterhin kann die Krümmung des ersten und zweiten parabolischen Spiegels 7'und 19'sowei des dritten Spie- gels (Umlenkspiegels) 8' entsprechend der Ausführungsformen der ersten Spiegel- Anordnung 4 unterschiedlich sein.
Somit wird wiederum z. B. bei der realen Strahlausbreitung der Strah- lung S, R gemäß Fig. 1 die emittierte Strahlung S zunächst mittels einer Linse in den ersten Brennpunkt B-ι fokussiert.. Die an dem dritten Spiegel 8' reflektierte Strahlung S weist eine Strahldivergenz auf. Die Strahlung S, R weist einerseits einen Divergenzwinkel A(pR in der x-y-Ebene Exy ' und einen Divergenzwinkel Δφζ in der z-Richtung auf. Durch die parabelförmige Krüm- mung des ersten parabolischen Spiegels 7' und zweiten parabolischen Spiegels 19' in der x-y-Ebene Exy ' wird die Strahlung S, R auf den jeweiligen Brennpunkt Bi ' und B2 ' fokussiert. Die Strahlung S trifft bei einer realen Strahlausbreitung nicht punktförmig auf das Prüfobjekt 2, sondern in einem Messbereich, wobei die einzelnen Strahlen bzw. Teilstrahlen jeweils radial auf das Prüfobjekt 2 treffen. Die Größe des Messbereichs hängt von dem Divergenzwinkel A(pR und einem Radius r des Prüfobjekts 2 ab.
Der dritte Spiegel 8' wiederum ist derart angeordnet, dass die Strahlung S idealerweise mit einem Winkel cpR zu der x-Richtung zu dem ersten parabo- lischen Spiegel 7' reflektiert wird, wobei die Strahlung S aufgrund der realen Strahlausbreitung einen Divergenzwinkel AcpR aufweist. Aufgrund der festen Anordnung des dritten Spiegels 8' gilt für den Winkel cpR: cpR = 90°. Die Strahlung S trifft bei idealer Strahlausbreitung mit einem Winkel cpL relativ zu der z- Richtung auf das Prüfobjekt 2, wobei die Strahlung S beim Auftreffen auf das Prüfobjekt 2 einen Divergenzwinkel Δφι_ aufweist.
Die Abmessung d des Messbereichs unter einem bestimmten Winkel cpL ist direkt proportional zum Radius r des Prüfobjekts 2. Für einen möglichst kleinen Messbereich muss Δφι_ möglichst klein sein. Der Öffnungswinkel Δφι_ ist vom Winkel cpR abhängig. Der Winkel Δφι_ ist umso kleiner, je kleiner cpR ist. Indem die Spiegeloberfläche Si und S2 in der z-Richtung elliptisch gekrümmt ist, wird die Strahlung S, R auch in der z-Richtung fokussiert. Der erste und zweite Spiegel 7' bzw. 19' sind in der z-Richtung zusammen vorzugsweise derart elliptisch gekrümmt, dass ein erster Brennpunkt mit dem ersten Brennpunkt Bi ' zusammenfällt und ein zweiter Brennpunkt auf der äußeren Oberfläche des Prüfobjekts 2 liegt. Dies ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die Strahlung S weist somit auch in der z-Richtung einen optimierten, also einen möglichst kleinen Messbereich auf. Vorzugsweise ist wiederum der dritte Spiegel 8' um die z-Achse Z-ι ' mittels einer dritten Antriebseinheit 160 verschwenkbar, insbesondere um 360° drehbar. Der Winkel cpR ist somit durch die Drehung veränderbar. Hierdurch ist das Prüfobjekt 2, selbst wenn dieses um die zweite z-Achse Z2 fest steht, in einem weiten Umfangsbereich vermessbar. Hierbei sind zusätzliche Strahlverläufe der Strahlung S eingezeichnet, die eine Vermessung des Prüfobjekts 2 veranschaulichen. Unabhängig von dem Winkel cpR wird die Strahlung S mittels des ersten parabolischen Spiegels 7' und zweiten parabolischen Spiegels 19' zwischen den Brennpunkten B-i ' und B2 ' umgelenkt. Beim Vermessen des Prüfobjekts 2 trifft die Strahlung S unabhängig von dem Winkel cpR immer radial bzw. senkrecht auf das Prüfobjekt 2.
Bei einem Winkel (pR,max tangiert die zu dem Prüfobjekt 2 verlaufende Strahlung S das Prüfobjekt 2, so dass das Prüfobjekt 2 bei größeren Winkeln als c R.max an einer dem dritten Spiegel 8' abgewandten Seite abgeschattet wird. Der abgeschattete Bereich des Prüfobjekts 2 ist in Fig. 4 gestrichelt dargestellt und mit D bezeichnet.
Hierbei ergänzen sich somit die erste und zweite Spiegel-Anordnung 4 und 4', indem sie jeweils die abgeschatteten Bereiche D der anderen Spiegel-Anordnung 4 und 4'erfassen. Weiterhin können auch in der zweiten parabolischen Spiegel- Anordnung 4' der erste parabolische Spiegel 7' und der zweite parabolische Spiegel 19' in der z-Richtung parabolisch gekrümmt sein, wobei der erste Brennpunkt Bi 'bei allen Winkeln cpR mit dem Brennpunkt der Parabel zusammenfällt. Durch Reflexion der Strahlung S wird die Strahlung S in der z- Richtung kollimiert.
Gemäß Fig. 5 ergänzen sich somit die beiden Spiegel-Anordnungen 4 und 4', wobei sie in der z-Richtung zueinander beabstandet und derart zueinander gedreht sind, dass die zweiten Brennpunkte B2 und B2' beabstandet zueinander auf der zweiten z-Achse Z2 liegen und die ersten Brennpunkte Bi und Β-ι' in einer durch die zweiten Brennpunkte B2 und B2' verlaufenden x-z- Ebene Εχζ. Die Brennpunkte Bi und Β-ι' sind somit von einer durch die zwei- ten Brennpunkte B2 und B2' verlaufenden, y-z-Ebene Eyz maximal
beabstandet. Die zweiten Spiegel 8, 8' sind um ihre zugehörigen und durch den jeweiligen ersten Brennpunkt Β-ι , Β-ι' verlaufenden ersten z-Achsen Zi und Ζ-ι ' drehbar. Das Prüfobjekt 2 wird inline im Herstellungsprozess vermessen und ist dementsprechend um die eigene Mittellängsachse L, also um die zweite z-Achse Z2 bzw. Z2' nicht verschwenkbar. Wie zu dem zweiten
Ausführungsbeispiel bereits erläutert wurde, hat das Prüfobjekt 2 bei der Vermessung durch die jeweilige Spiegel-Anordnung 4, 4' und die zugehörige Sender-Empfänger-Einheit 3, 3' einen abgeschatteten Bereich D, D'. Durch die Positionierung der Spiegel-Anordnungen 4, 4' kann jedoch die Spiegel- Anordnung 4' den abgeschatteten Bereich D der Spiegel-Anordnung 4 vermessen und entsprechend die Spiegel-Anordnung 4 den abgeschatteten Bereich D' der Spiegel-Anordnung 4'. Somit ist das Prüfobjekt 2 vollumfänglich vermessbar, obwohl dieses nicht verschwenkbar bzw. drehbar ist. Das Prüfobjekt 2 weist aufgrund des Herstellungsprozesses eine Extru- sionsrichtung auf, die in der z-Richtung verläuft, so dass das Prüfobjekt 2 auch entlang seiner Länge vermessbar ist bzw. vermessen wird. Der Prüfobjekthalter 5 muss das Prüfobjekt 2 somit weder aktiv verschwenken noch linear verfahren und kann dementsprechend einen vereinfachten Aufbau derart aufweisen, dass lediglich eine Führung des Prüfobjekts 2 gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird auch erkannt, dass abweichend von Fig. 5 die erste und zweite Spiegel-Anordnung 4 und 4' gemäß einer weiteren Ausführungsform z. B. jeweils nur einen Winkelbereich etwas über 180° erfassen brauchen, da sie sich überschneiden. Weiterhin können abweichend von Fig. 5 die beiden Spiegel-
Anordnungen 4 und 4' auch nicht in x-Richtung, sondern davon abweichend relativ zueinander positioniert sein. Grundsätzlich ist zunächst nur eine deckungsgleiche Position der zweiten Brennpunkte B2 und B2' vorgesehen; somit können die ersten Brennpunkte bezüglich der xy-Ebene auch an ande- re Positionen relativen zueinander vorgesehen sein.
Ein Anwendungsbereich der Messvorrichtung 1 ist somit die Inline- Vollprüfung der Wanddicke dw und der Schichtdicken di und d2 des als Kunststoffrohr ausgebildeten Prüfobjekts 2 im Extrusionsprozess. Die Ve- rmessung des Prüfobjekts 2 erfolgt entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen kontaktfrei und ohne jegliches Kopplungsmedium. Dadurch, dass für die vollständige bzw. vollumfängliche Vermessung des Prüfobjekts 2 lediglich zwei Sender-Empfänger-Einheiten 3, 3' erforderlich sind, bleibt der Aufbau vergleichsweise einfach, wodurch die Messvorrich- tung 1 ein akzeptables Kosten-Nutzen-Verhältnis gewährleistet. Falls mehr als zwei Spiegel-Anordnungen 4 und entsprechend zugehörige Sender- Empfänger-Einheiten 3 benötigt werden, ist dies bei der Messvorrichtung 1 selbstverständlich möglich. Die Sender-Empfänger-Einheiten 3, 3' sind zudem ortsfest zu den zugehörigen ersten Spiegeln 7, 7' angeordnet, wodurch ebenfalls ein einfacher Aufbau gewährleistet ist. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann die Fokussierung bzw. Kollimation der Strahlung S in der z-Richtung je nach Bedarf erfolgen und beliebig mit anderen Merkmalen der Messvorrichtung 1 kombiniert werden. Zudem kann die Spiegeloberfläche Si des jeweiligen ersten Spiegels 7 bzw. 7' in der z-Richtung dahingehend optimiert werden, dass für einen vordefinierten Radiusbereich des Prüfobjekts 2 ein Messbereich bzw. Messpunkt mit akzeptabler Fokusgröße erzielt wird. Hierzu kann die Spiegeloberfläche Si in der z-Richtung als Freiformfläche ausgebildet sein.
Der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 ist die Vollprüfung bzw. Inline-Vollprüfung von Wand- und/oder Schichtdicken von Kunststoffrohren, insbesondere im Herstellungs- bzw. Extrusionsprozess.
Die emittierte Strahlung ist insbesondere als gepulste THz-Strahlung, als CW-THz-Strahlung (CW: Continuous Wave) und/oder als FMCW-THz- Strahlung (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave) ausgebildet. Ein zeitlicher Verlauf einer gepulsten THz-Strahlung ist in Fig. 8 dargestellt. Die aufeinanderfolgenden THz-Pulse Ti und T2 sowie entsprechende weitere THz-Pulse weisen jeweils ein Frequenzspektrum auf, das in dem erwähnten THz-Bereich liegt. Mittels der THz-Strahlung erfolgen die Messungen kontaktfrei und ohne Kopplungsmedium.
Darüber hinaus können mit der erfindungsgemäßen Terahertz- Messvorrichtung 1 weitere Auswertungen bzw. Messungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Position der Mittellängsachse L des Prüfobjekts 2 relativ zu dem zweiten Brennpunkt B2 bestimmt werden. Aufgrund der ellipti- schen Krümmung des ersten Spiegels 7 bzw. 7' ist die Wegstrecke eines Strahlengangs, der von einem Brennpunkt mittels Reflexion an der Spiegeloberfläche Si in den anderen Brennpunkt übergeht, immer konstant. Bei einem konzentrisch zu dem zweiten Brennpunkt B2 angeordneten Prüfobjekts 2 haben dementsprechend alle Strahlengänge die exakt gleiche Wegstrecke. Somit ändert sich die Laufzeit der reflektierten Strahlung R bzw. THz-Pulse nicht und die detektierte zeitliche Position bleibt beim Abtasten des Prüfobjekts 2 konstant. Fallen die Mittellängsachse L und der zweite Brennpunkt B2 nicht zusammen, ändert sich die zeitliche Position der THz-Pulse beim Ab- tasten des Prüfobjekts 2. Die THz-Pulse, die entlang der durch die Mittellängsachse L und den zweiten Brennpunkt B2 definierten Geraden einfallen, weisen die maximalen Pulsverschiebungen auf. Somit ist die Richtung der Verschiebung als auch die Größe der Verschiebung aus der maximalen Laufzeitdifferenz gegeben und kann bei der Auswertung ermittelt werden. Die Position der Mittellängsachse L relativ zu dem zweiten Brennpunkt B2 kann somit bestimmt werden. Diese Informationen können beispielsweise für das automatische Einjustieren des Prüfobjekts 2 beim Anfahren des
Extrusionsprozesses oder für eine gegebenenfalls notwendige Nachjustierung der Messvorrichtung 1 verwendet werden. Eine Referenzmessung ist nicht erforderlich.
Aus der Laufzeit der THz-Pulse kann außerdem der Durchmesser bzw. Radius r des Prüfobjekts 2 sowie etwaige Abweichungen von der Kreisform, wie beispielsweise Exzentrizität oder Ovalität bestimmt werden. Der Durch- messer des Prüfobjekts 2 ergibt sich bei bekannten Parametern des elliptischen Spiegels 7 bzw. T direkt aus der Laufzeit des jeweiligen THz-Pulses. Formparameter, wie Exzentrizität und Ovalität, können aus den Abweichungen der Laufzeit einzelner THz-Pulse berechnet werden.

Claims

Patentansprüche
Terahertz-Messvomchtung zur Vermessung von Prüfobjekten, die mindestens aufweist:
a) eine Sender-Empfänger-Einheit (3) mit einem Sender (9) zum Emittieren von Strahlung (S) im Terahertz-Bereich und einem zugehörigen Empfänger (10) zum Detektieren einer an einem Prüfobjekt (2) rekflektierten Strahlung (R),
b) eine elliptische erste Spiegel-Anordnung (4) mit
- b1 ) einem elliptischen ersten Spiegel (7;), der in einer ersten x-y- Ebene (Exy) einen ersten elliptischen Brennpunkt (B-i) und einen zweiten elliptischen Brennpunkt (B2) ausbildet, und der zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen den Brennpunkten (B-i , B2) in der ersten x-y- Ebene (Exy) zumindest abschnittsweise elliptisch gekrümmt ist,
- b2) einem im Bereich des ersten elliptischen Brennpunkts (B-i ) angeordneten zweiten Spiegel (8) zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen einer quer zu der ersten x-y-Ebene (Exy) verlaufenden z-Richtung und der ersten x-y-Ebene (Exy),
c) eine parabolische zweite Spiegel-Anordnung (4') mit
- c1 ) einem ersten parabolischen Spiegel (7'), der in einer zweiten x-y- Ebene (EXy ) einen ersten parabolischen Brennpunkt (BT) ausbildet, und
- c2) einem zweiten parabolischen Spiegel (19'), der in der zweiten x-y- Ebene (EXy ) parabolisch ausgebildet ist und einen zweiten parabolischen Brennpunkt (Β2') ausbildet und gegenüberliegend zu dem ersten parabolischen Spiegel (7') angeordnet ist,
wobei der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite parabolische Spiegel (19') zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen den parabolischen Brennpunkten (Β1 ', Β2') parabelförmig gekrümmt sind, und c3) einem im Bereich des ersten Brennpunkts (Β1 ') angeordneten dritten Spiegel (8') zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen einer quer zu der zweiten x-y-Ebene (Exy1) verlaufenden z-Richtung und der zweiten x- y-Ebene (Exy1),
d) einem Prüfobjekthalter (5) zur Anordnung des Prüfobjekts (2) im Bereich der zweiten Brennpunkte (B2, B2') beider XY-Ebenen, und
e) einer Steuereinheit (6) zur Auswertung der detektierten Strahlung (R) und Ermittlung mindestens einer Schichtdicke des Prüfobjektes, wobei die zweite x-y-Ebene (Exy1) der zweiten Spiegel-Anordnung (4') in der z-Richtung versetzt zu der ersten x-y-Ebene (Exy1) der ersten Spiegel- Anordnung (4) vorgesehen ist.
Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) zur Ermittlung mindestens einer Schichtdicke des Prüfobjektes (2) durch Laufzeitmessung der Strahlung (S) im
Terahertz-Bereich unter Reflektion an Grenzschichten ausgebildet ist.
Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Sender-Empfänger-Einheit (3, 3') entlang einer parallel zu der z-Richtung durch den ersten Brennpunkt (B-i , Β- ) verlaufenden z-Achse (Ζ-ι , Ζ- ) angeordnet ist.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen zweiten Brennpunkte (B2, B2') der beiden Spiegel-Anordnungen (4, 4') auf einer Geraden (Z2) liegen, die parallel zu der z-Richtung verläuft.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ersten Brennpunkte (Β-ι , Β- ) der beiden Spiegel-Anordnungen (4, 4') quer oder senkrecht zu der z- Richtung beabstandet sind, vorzugsweise in x-Richtung. Terahertz-Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ersten Brennpunkte (Β-ι , Β- ) der beiden Spiegel- Anordnungen (4,4') auf verschiedenen Seiten einer durch die zweiten Brennpunkte (B2, B2') verlaufenden y-z-Ebene (Eyz) liegen.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spiegel-Anordnung (4,4') eine eigene Sender-Empfänger-Einheit (3, 3') zugeordnet ist. 8. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elliptische Spiegel (7, 7') entlang einer Ellipse gekrümmt ist, die definiert ist durch eine erste Halbachse (A) mit einer Länge a und einer im Vergleich zu der ersten Halbachse (A) kürzeren zweiten Halbachse (B) mit einer Länge b, wobei für ein Verhältnis der Längen gilt: a/b < 1 ,3, insbesondere : a/b < 1 ,2, und insbesondere a/b
< 1 , 1.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (7, 7') der ersten und/oder zweiten Spiegel-Anordnung (4,4') in der z-Richtung eine konkave Krümmung aufweist, wobei die Krümmung insbesondere aus der Gruppe parabolisch, elliptisch und sphärisch ausgewählt ist.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (7, 7') der ersten und/oder zweiten Spiegel-Anordnung (4,4') in der z-Richtung plan ausgebildet ist und mindestens ein Fokussier-Element (18) zur Fokussierung der Strahlung (S) in z-Richtung vorgesehen ist. 1 1 Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite parabolische Spiegel (19'), insbesondere in Form und/oder Größe, identisch ausgebildet sind.
Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') eine erste Öffnung aufweist und der zweite parabolische Spiegel (19') eine zweite Öffnung aufweist, wobei der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite parabolische Spiegel (19') derart angeordnet sind, dass die erste Öffnung und die zweite Öffnung einander zugewandt sind.
13. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite Spiegel (19') spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und ausgebildet sind.
14. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite parabolische Spiegel (19') beabstandet zueinander angeordnet sind.
15. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') und der zweite parabolische Spiegel (19') jeweils als Parabolrinne oder rotationssymmetrischer Parabolspiegel ausgeführt sind.
16. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Spiegel (8') die Strahlung (S) auf den ersten parabolischen Spiegel (, 7') umlenkt und der erste parabolische Spiegel (7') die Strahlung (S) auf den zweiten parabolischen Spiegel (19') umlenkt, wobei der zweite parabolische Spiegel (19') die Strahlung (S) auf den zweiten parabolischen Brennpunkt (Β2') umlenkt.
17. Terahertz-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parabolische Spiegel (7') die in unterschiedlichen Winkeln auftreffende Strahlung (S) derart auf den zweiten parabolischen Spiegel (19') umlenkt, dass die Strahlung (S) dann zwischen dem ersten parabolischen Spiegel (7') und dem zweiten parabolischen Spiegel (19') stets parallel, aber beabstandet zueinander verläuft. 18. Verfahren zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen einer Terahertz-Messvorrichtung (1 ) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche,
- Anordnen eines Prüfobjekts (2) derart, dass dessen Mittellängsachse (L) durch jeweils den zweiten Brennpunkt (B2; B2, B2') der elliptischen ersten
Spiegel-Anordnung (4) und der parabolischen zweiten Spiegel-Anordnung (4') verläuft,
- Emittieren von Strahlung (S), insbesondere von Terahertz-Strahlung, mittels mindestens eines Senders (9, 9') zu der elliptischen ersten Spiegel- Anordnung (4) und der parabolischen zweiten Spiegel-Anordnung (4')
- Umlenken der emittierten Strahlung (S) in der ersten xy-Ebene mittels des elliptischen Spiegels (8; 8, 8') in Richtung des zweiten elliptischen Brennpunkts (B2) und in der zweiten xy-Ebene mittels des ersten parabolischen Spiegels (7') und des zweiten parabolischen Spiegels (19') in Rich- tung des zweiten parabolischen Brennpunkts (Β2'),
- Reflektieren der Strahlung (S) an dem Prüfobjekt (2),
- Umlenken der reflektierten Strahlung (R) mittels des zweiten Spiegels (19; 19, 19') und des ersten Spiegels (7; 7, 7') und des dritten Spiegels (8; 8, 8') in Richtung des jeweiligen Empfängers (10, 10'),
- Detektieren der rekflektierten Strahlung (R) mittels des Empfängers (10,
10'), und - Auswerten der detektierten Strahlung (R) beider Spiegel-Anordnungen (4, 4') und Ermittlung von Wandeigenschaften des Prüfobjektes, insbesondere einer Dicke mindestens einer hohizylinderförmige Materialschicht (Ki, K2) durch Lauzeitmessung.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der elliptischen ersten Spiegel-Anordnung (4) und der parabolischen zweiten Spiegel-Anordnung (4') von verschiedenen Sendern (9, 9') und/oder zueinander in der xy-Ebene versetzt zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (2) relativ zu der Terahertz-Messvorrichtung (1 ) in z- Richtung ohne relative Drehung geführt und über seinen gesamten Umfang vermessen wird.
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