DE202016008433U1

DE202016008433U1 - Terahertz-Messvorrichtung zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung

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Publication number: DE202016008433U1
Application number: DE202016008433.0U
Authority: DE
Original assignee: Inoex GmbH
Current assignee: Inoex GmbH
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: WO2016188515A1; DE102015108190A1

Abstract

Terahertz-Messvorrichtung 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 (B1) und einen zweiten elliptischen Brennpunkt (B2) ausbildet, und der zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen den Brennpunkten (B1, B2) in der ersten x-y-Ebene (Exy) zumindest abschnittsweise elliptisch gekrümmt ist, – b2) einem im Bereich des ersten elliptischen Brennpunkts (B1) 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 (B1') ausbildet, und – c2) einem zweiten parabolischen Spiegel (19'), der in der zweiten x-y-Ebene (Exy’) parabolisch ausgebildet ist und einen zweiten parabolischen Brennpunkt (B2') 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 (B1', B2') parabelförmig gekrümmt sind, und c3) einem im Bereich des ersten Brennpunkts (B1') angeordneten dritten Spiegel (8') zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen einer quer zu der zweiten x-y-Ebene (Exy') verlaufenden z-Richtung und der zweiten x-y-Ebene (Exy'), 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 (Exy') der zweiten Spiegel-Anordnung (4´) in der z-Richtung versetzt zu der ersten x-y-Ebene (Exy') der ersten Spiegel-Anordnung (4) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Messvorrichtung zur Vermessung von Prüfobjekten mittels Terahertz-Strahlung. Die zu vermessenden Prüfobjekte weisen insbesondere zumindest abschnittsweise mindestens eine hohlzylinderförmige Materialschicht auf.
Aus der DE 102008046988 A l 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.. Die Terahertz-Messvorrichtung 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 Rotations-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 Bereich des ersten Brennpunkts ist ein zweiter Spiegel angeordnet, der durch den ersten Brennpunkt verläuft und relativ zu der xy-Ebene geneigt angeordnet 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 reflektierte 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.
In 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 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. 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 hohlzylinderförmige Materialschicht oder mehrere hohlzylinderförmige Materialschichten auf. Vorzugsweise können die Dicke der mindestens einen Materialschicht ermittelt werden, insbesondere zur Überprüfung, dass eine homogene 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 zweiten Spiegel-Anordnung angeordnet ist, wird der von dem elliptischen ersten Spiegel bzw. den beiden parabolischen Spiegeln begrenzte Raum bzw. Innenraum 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, sodass 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 jeweiligen 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:
1 eine Seitenansicht eines Teils einer Terahertz-Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Draufsicht auf die elliptische erste Spiegel-Anordnung in 1,
3 eine Seitenansicht auf die erste oder zweite Spiegel-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4 eine Aufsicht auf die parabolische zweite Spiegel-Anordnung in 1,
5 eine Draufsicht auf die Messvorrichtung mit beiden Spiegel-Anordnungen aus 2 und 4, und
6 eine erste Seitenansicht einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
7 eine zweite und um 90° gedrehte Seitenansicht der Messvorrichtung in 6.
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 E_xy 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 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 E_xy ausgebildet und angeordnet ist. Die x-y-Ebene E_xy ist durch eine x-Richtung und eine senkrecht dazu verlaufende y-Richtung definiert. Der erste elliptische Spiegel 7 ist in der x-y-Ebene E_xy und parallel dazu elliptisch gekrümmt. Der erste elliptische Spiegel 7 bildet also in der x-y-Ebene E_xy eine Spiegeloberfläche S₁ in Form einer Ellipse aus. Aufgrund der elliptischen Krümmung weist der erste elliptische Spiegel 7 in der x-y-Ebene E_xy zwei Brennpunkte B₁ und B₂ auf. Die Brennpunkte B₁ 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 B₁ 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 E_xy einen Winkel α ein, wobei für α – 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 B₁ 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 Detektieren 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 B₁ und B₂. Demgegenüber dient der zweite Spiegel 8 zur Umlenkung der Strahlung S, R zwischen einer quer bzw. senkrecht zu der x-y-Ebene E_xy verlaufenden z-Richtung und der x-y-Ebene E_xy. 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 erste Sender-Empfänger-Einheit 3 ist in der z-Richtung beabstandet zu der ersten x-y-Ebene E_xy angeordnet. Die erste Sender-Empfänger-Einheit 3 ist entlang einer ersten z-Achse Z₁ angeordnet, die parallel zu der z-Richtung durch den ersten Brennpunkt B₁ verläuft.
Die Sender-Empfänger-Einheit 3, die Spiegel-Anordnung 4, der Prüfobjekthalter 5 und die Steuereinheit 6 sind an einem Grundgestell 11 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 E_xy 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 Mittellängsachse L deckungsgleich mit der zweiten z-Achse Z₂ ist. Das Prüfobjekt 2 ist zweischichtig ausgebildet und weist zwei hohlzylinderförmige Materialschichten K₁ und K₂ auf. Das Prüfobjekt 2 ist aus Kunststoff, wobei insbesondere die zwei Materialschichten K₁ 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 1 veranschaulicht ist, weist die Spiegeloberfläche S₁ 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 beispielsweise optisch mittels Femtosekunden-Laserpulsen und photoleitenden Schaltern erzeugt. Die Strahlung S wird im Wesentlichen in der z-Richtung emittiert und auf den ersten Brennpunkt B₁ fokussiert.
Durch den zweiten Spiegel 8 wird die Strahlung S von der z-Richtung in die x-y-Ebene E_xy umgelenkt und trifft auf die Spiegeloberfläche S₁ des ersten Spiegels 7. Aufgrund der elliptischen Krümmung wird die aus Richtung des ersten Brennpunkts B₁ kommende Strahlung S an der Spiegeloberfläche S₁ in Richtung des zweiten Brennpunkts B₂ reflektiert. Da sich im Strahlengang zwischen der Spiegeloberfläche S₁ 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 K₁ und K₂. Die THz-Pulse werden von der Sender-Empfänger-Einheit 3 somit 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. Der Aufbau des Empfängers 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 d_W des Prüfobjekts 2 sowie Schichtdicken d₁ und d₂ der Materialschichten K₁ und K₂ bestimmt. Die Messung der Wanddicke d_W sowie der Schichtdicken d₁ 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 d_W, d₁ und d₂ ermittelt.
In den 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 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 B₁ 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 Δφ_R in der x-y-Ebene E_xy und einen Divergenzwinkel Δφ_Z in der z-Richtung auf. Durch die elliptische Krümmung des ersten Spiegels 7 in der xy-Ebene E_xy wird die Strahlung S, R auf den jeweiligen Brennpunkt B₁ 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 Δφ_R und einem Radius r des Prüfobjekts 2 ab.
Der zweite Spiegel 8 ist derart angeordnet, dass die Strahlung S idealerweise mit einem Winkel φ_R zu der x-Richtung zu dem ersten Spiegel 7 reflektiert wird, wobei die Strahlung S aufgrund der realen Strahlausbreitung einen Divergenzwinkel Δφ_R aufweist. Aufgrund der festen Anordnung des zweiten Spiegels 8 gilt für den Winkel φ_R: φ_R = 90°. Die Strahlung S trifft bei idealer Strahlausbreitung mit einem Winkel φ_L relativ zu der z-Richtung auf das Prüfobjekt 2, wobei die Strahlung S beim Auftreffen auf das Prüfobjekt 2 einen Divergenzwinkel Δφ_L aufweist. Für den Divergenzwinkel bzw. Öffnungswinkel Δφ_L gilt Gleichung (1).
Für eine Abmessung d des Messbereichs in der x-y-Ebene E_xy gilt näherungsweise Gleichung (2):
Die Abmessung d des Messbereichs unter einem bestimmten Winkel ist somit direkt proportional zum Radius r des Prüfobjekts 2. Für einen möglichst kleinen Messbereich sollte Δφ_L möglichst klein sein. Der Öffnungswinkel Δφ_L ist vom Winkel φ_R abhängig. Der Winkel Δφ_L ist umso kleiner, je kleiner φ_R ist.
Darüber hinaus ist der Winkel Δφ_L von 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 S₁ 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 B₁ zusammenfällt und ein zweiter Brennpunkt auf der äußeren Oberfläche des Prüfobjekts 2 liegt. Dies ist in 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 Z₁ mittels einer Spiegel-Antriebseinheit 16 verschwenkbar, insbesondere um 360° drehbar. Der Winkel φ_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 2 sind zusätzliche Strahlverläufe der Strahlung S eingezeichnet, die eine Vermessung des Prüfobjekts 2 veranschaulichen. Unabhängig von dem Winkel φ_R wird die Strahlung S mittels des ersten Spiegels 7 zwischen den Brennpunkten B₁ und B₂ umgelenkt. Beim Vermessen des Prüfobjekts 2 trifft die Strahlung S unabhängig von dem Winkel φ_R immer radial bzw. senkrecht auf das Prüfobjekt 2.
Bei einem Winkel φ_R,max tangiert die zu dem Prüfobjekt 2 verlaufende Strahlung S das Prüfobjekt 2, so dass das Prüfobjekt 2 bei größeren Winkeln als φ_R,max an einer dem zweiten Spiegel 8 abgewandten Seite abgeschattet wird. Der abgeschattete Bereich D des Prüfobjekts 2 ist in 2 gestrichelt dargestellt und mit D bezeichnet. Für den Winkel φ_R,max gilt Gleichung 3: φ_R,max = π – arcsin( r / 2e)
Die Strahlung S trifft bei einem Winkel φ_R,max unter einem Winkel φ_L,max auf das Prüfobjekt 2, so dass der maximal vermessbare Winkelbereich des Prüfobjekts 2, wenn dieses um die zweite z-Achse Z₂ fest steht, 2φ_L,max beträgt.
Gemäß Gleichung (1) ist der Divergenzwinkel Δφ_L abhängig von dem Winkel φ_R. Die Änderung von Δφ_L in Abhängigkeit von dem Winkel φ_R 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 φ_R, je näher das Verhältnis a/b bei 1 liegt.
Gemäß der Ausführungsform der 3 ist der erste Spiegel 7 in der z-Richtung parabolisch gekrümmt ist, wobei der erste Brennpunkt B₁ bei allen Winkeln φ_R mit dem Brennpunkt der Parabel zusammenfällt. Durch Reflexion der Strahlung S wird die Strahlung S in der z-Richtung kollimiert. Dies ist in 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 Δφ_Z gegeben ist bzw. einstellbar ist.
Nachfolgend wird mit Bezug zu 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 xz-Ebene Exz ausgebildet ist. Die x-z-Ebene Exz ist durch eine x-Richtung und eine senkrecht dazu verlaufende z-Richtung definiert. Der erste Spiegel 7´ ist in einer zweiten x-y-Ebene E_xy´, die senkrecht zu der x-z-Ebene verläuft und parallel dazu parabelförmig gekrümmt. Die zweite x-y-Ebene E_xy´ ist von der ersten x-y-Ebene E_xy in z-Richtung beabstande. Der erste Spiegel 7´ bildet also in der zweiten x-y-Ebene E_xy´eine Spiegeloberfläche S₁ in Form einer Parabel aus. Aufgrund der parabelförmigen Krümmung weist der erste Spiegel 7 in der zweiten x-y-Ebene E_xy´ einen ersten Brennpunkt B₁ ´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 E_xy´ und parallel dazu parabelförmig gekrümmt. Der zweite Spiegel 19 bildet also in der zweiten x-y-Ebene E_xy´ eine Spiegeloberfläche S₂ in Form einer Parabel aus. Aufgrund der parabelförmigen Krümmung weist der zweite Spiegel 19 in der zweiten x-y-Ebene E_xy´ einen zweiten parabolischen Brennpunkt B₂ ´ auf. Die Brennpunkte B₁´ 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 E_yz spiegelsymmetrisch zueinander. Die y-z-Ebene E_yz verläuft senkrecht zu der zweiten x-y-Ebene E_xy´.
Die zweite Spiegel-Anordnung 4´ umfasst ferner einen dritten Spiegel 8´, der im Bereich des ersten Brennpunkts B₁´ 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 E_xy´ einen Winkel α ein, wobei für α – abhängig von der Anordnung der zweiten Sender-Empfänger-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 B₁ 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 Brennpunkten B₁´ und B₂´. Demgegenüber dient der dritte Spiegel 8 zur Umlenkung der Strahlung S, R zwischen einer quer bzw. senkrecht zu der x-y-Ebene E_xy´ verlaufenden z-Richtung und der x-y-Ebene E_xy´. 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 E_xy´ angeordnet. Die Sender-Empfänger-Einheit 3´ ist entlang der z-Achse angeordnet und strahlt somit auf den den ersten Brennpunkt B₁´ 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 11 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 S₁ des ersten Spiegels 7 und die Spiegeloberfläche S₂ des zweiten Spiegels 19 weisen in der z-Richtung zusammen gemäß einer Ausführungsform 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 B₁ ´ fokussiert.
Durch den dritten Spiegel 8´ wird die Strahlung S von der z-Richtung in die x-y-Ebene E_xy´ umgelenkt und trifft auf die Spiegeloberfläche S₁ 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 Spiegels (Umlenkspiegels) 8´ entsprechend der Ausführungsformen der ersten Spiegel-Anordnung 4 unterschiedlich sein.
Somit wird wiederum z. B. bei der realen Strahlausbreitung der Strahlung S, R gemäß 1 die emittierte Strahlung S zunächst mittels einer Linse in den ersten Brennpunkt B₁ fokussiert.. Die an dem dritten Spiegel 8´ reflektierte Strahlung S weist eine Strahldivergenz auf. Die Strahlung S, R weist einerseits einen Divergenzwinkel Δφ_R in der x-y-Ebene E_xy´ und einen Divergenzwinkel Δφ_Z in der z-Richtung auf. Durch die parabelförmige Krümmung des ersten parabolischen Spiegels 7´ und zweiten parabolischen Spiegels 19´ in der x-y-Ebene E_xy´ wird die Strahlung S, R auf den jeweiligen Brennpunkt B₁´ 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 Δφ_R und einem Radius r des Prüfobjekts 2 ab.
Der dritte Spiegel 8´ wiederum ist derart angeordnet, dass die Strahlung S idealerweise mit einem Winkel φ_R zu der x-Richtung zu dem ersten parabolischen Spiegel 7´ reflektiert wird, wobei die Strahlung S aufgrund der realen Strahlausbreitung einen Divergenzwinkel Δφ_R aufweist. Aufgrund der festen Anordnung des dritten Spiegels 8´ gilt für den Winkel φ_R: φ_R = 90°. Die Strahlung S trifft bei idealer Strahlausbreitung mit einem Winkel φ_L relativ zu der z-Richtung auf das Prüfobjekt 2, wobei die Strahlung S beim Auftreffen auf das Prüfobjekt 2 einen Divergenzwinkel Δφ_L aufweist.
Die Abmessung d des Messbereichs unter einem bestimmten Winkel φ_L ist direkt proportional zum Radius r des Prüfobjekts 2. Für einen möglichst kleinen Messbereich muss Δφ_L möglichst klein sein. Der Öffnungswinkel Δφ_L ist vom Winkel φ_R abhängig. Der Winkel Δφ_L ist umso kleiner, je kleiner φ_R ist.
Indem die Spiegeloberfläche S₁ 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 B₁´ zusammenfällt und ein zweiter Brennpunkt auf der äußeren Oberfläche des Prüfobjekts 2 liegt. Dies ist in 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 Z₁´ mittels einer dritten Antriebseinheit 160 verschwenkbar, insbesondere um 360° drehbar. Der Winkel φ_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. Hierbei sind zusätzliche Strahlverläufe der Strahlung S eingezeichnet, die eine Vermessung des Prüfobjekts 2 veranschaulichen. Unabhängig von dem Winkel φ_R wird die Strahlung S mittels des ersten parabolischen Spiegels 7´ und zweiten parabolischen Spiegels 19´ zwischen den Brennpunkten B₁´ und B₂´ umgelenkt. Beim Vermessen des Prüfobjekts 2 trifft die Strahlung S unabhängig von dem Winkel φ_R immer radial bzw. senkrecht auf das Prüfobjekt 2.
Bei einem Winkel φ_R,max tangiert die zu dem Prüfobjekt 2 verlaufende Strahlung S das Prüfobjekt 2, so dass das Prüfobjekt 2 bei größeren Winkeln als φ_R,max an einer dem dritten Spiegel 8´ abgewandten Seite abgeschattet wird. Der abgeschattete Bereich des Prüfobjekts 2 ist in 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 B₁´ bei allen Winkeln φ_R mit dem Brennpunkt der Parabel zusammenfällt. Durch Reflexion der Strahlung S wird die Strahlung S in der z-Richtung kollimiert.
Gemäß 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 B₁ und B₁’ in einer durch die zweiten Brennpunkte B₂ und B₂’ verlaufenden x-z-Ebene Exz. Die Brennpunkte B₁ und B₁’ sind somit von einer durch die zweiten Brennpunkte B₂ und B₂’ verlaufenden, y-z-Ebene E_yz maximal beabstandet. Die zweiten Spiegel 8, 8’ sind um ihre zugehörigen und durch den jeweiligen ersten Brennpunkt B₁, B₁’ verlaufenden ersten z-Achsen Z₁ und Z₁’ 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 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 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 andere Positionen relativen zueinander vorgesehen sein.
Ein Anwendungsbereich der Messvorrichtung 1 ist somit die Inline-Vollprüfung der Wanddicke d_W und der Schichtdicken d₁ und d₂ des als Kunststoffrohr ausgebildeten Prüfobjekts 2 im Extrusionsprozess. Die Vermessung 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 Messvorrichtung 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 S₁ 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 S₁ 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 8 dargestellt. Die aufeinanderfolgenden THz-Pulse T₁ 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 elliptischen Krümmung des ersten Spiegels 7 bzw. 7’ ist die Wegstrecke eines Strahlengangs, der von einem Brennpunkt mittels Reflexion an der Spiegeloberfläche S₁ 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 Abtasten 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 Durchmesser des Prüfobjekts 2 ergibt sich bei bekannten Parametern des elliptischen Spiegels 7 bzw. 7’ direkt aus der Laufzeit des jeweiligen THz-Pulses. Formparameter, wie Exzentrizität und Ovalität, können aus den Abweichungen der Laufzeit einzelner THz-Pulse berechnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008046988 A [0002]

Claims

Terahertz-Messvorrichtung 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 (E_xy) einen ersten elliptischen Brennpunkt (B₁) und einen zweiten elliptischen Brennpunkt (B₂) ausbildet, und der zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen den Brennpunkten (B₁, B₂) in der ersten x-y-Ebene (E_xy) zumindest abschnittsweise elliptisch gekrümmt ist, – b2) einem im Bereich des ersten elliptischen Brennpunkts (B₁) angeordneten zweiten Spiegel (8) zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen einer quer zu der ersten x-y-Ebene (E_xy) verlaufenden z-Richtung und der ersten x-y-Ebene (E_xy), c) eine parabolische zweite Spiegel-Anordnung (4') mit – c1) einem ersten parabolischen Spiegel (7'), der in einer zweiten x-y-Ebene (E_xy’) einen ersten parabolischen Brennpunkt (B₁') ausbildet, und – c2) einem zweiten parabolischen Spiegel (19'), der in der zweiten x-y-Ebene (E_xy’) parabolisch ausgebildet ist und einen zweiten parabolischen Brennpunkt (B₂') 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 (B₁', B₂') parabelförmig gekrümmt sind, und c3) einem im Bereich des ersten Brennpunkts (B₁') angeordneten dritten Spiegel (8') zur Umlenkung der Strahlung (S, R) zwischen einer quer zu der zweiten x-y-Ebene (E_xy') verlaufenden z-Richtung und der zweiten x-y-Ebene (E_xy'), 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 (Exy') der zweiten Spiegel-Anordnung (4´) in der z-Richtung versetzt zu der ersten x-y-Ebene (Exy') 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 (B₁, B₁') verlaufenden z-Achse (Z₁, Z₁') 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 (B₁, B₁') 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 (B₁, B₁') der beiden Spiegel-Anordnungen (4, 4') auf verschiedenen Seiten einer durch die zweiten Brennpunkte (B₂, B₂') verlaufenden y-z-Ebene (E_yz) 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (B₂’) umlenkt.
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.