Time of Flight Diffraction-Technik (ToFD) mit THz-Strahlung zur Untersuchung von Kunststoffobjekten
(2010)
Als Terahertz-Strahlung bezeichnet man eine elektromagnetische Strahlung im
Frequenzbereich zwischen 0.3 und 6 THz. Sie ist zwischen der Mikrowellen- und der Infrarotstrahlung
eingeordnet und steht erst seit einigen wenigen Jahren infolge der Entwicklung von effizienten
THz-Systemen für Untersuchungen im Labormaßstab zur Verfügung. Weit verbreitet ist
heutzutage die THz-Spektroskopie (Time-Domain Spectroscopy, TDS) und THz Bildgebung
(THz-Imaging). Die THz-Strahlung hat wesentliche Vorteile für die Materialuntersuchung und -
charakterisierung. Sie ist nicht ionisierend und verfügt über eine vergleichsweise große Eindringtiefe
bei vielen nichtleitenden optisch opaquen Materialien. Verpackungsmaterialen wie z.B. Papier,
Kunststoffe, Keramiken und am menschlichen Körper getragene Kleidungsstücke erscheinen
im Wellenlängenbereich der THz Strahlung transparent. Unterschiedliche Materialien, wie z.B.
Sprengstoffe oder Drogen zeigen im THz-Spektrum infolge kollektiver molekularer Anregungsmechanismen
im Material charakteristische Absorptionsbereiche, die als 'Fingerprints' in der
Pharmazie oder bei der Kriminalitätsbekämpfung zu deren Identifizierung verwendet werden.
Beim THz-Imaging wird die Probe z.B. mit Hilfe eines fokussierten THz-Strahls berührungslos
abgetastet, um Reflexions- oder Transmissionseigenschaften (Amplitude, Zeitverzögerung, spektrale
Information) ortsaufgelöst zweidimensional zu detektieren. Sowohl das THz-Imaging als
auch die THz-Spektroskopie weisen ein hohes Anwendungspotential für die berührungslose zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung von Kunststoffen, Glasfaser-Verbundstoffen oder Keramiken auf.
Die ortsaufgelöste Messung der Feuchte in einem Bauteil, der Nachweis von Defekten oder von
Einschlüssen im Probeninneren oder die Delaminationsvorgänge in Verbundwerkstoffen sind
beispielgebend genannte Anwendungsmöglichkeiten. Die Auflösung lag dabei, bedingt durch die
Wellenlänge der THz-Strahlung, im Millimeter-Bereich und ist somit vergleichbar mit der typischen
Wellenlänge bei Ultraschalluntersuchungen. Die BAM verfügt über ein glasfasergekoppeltes
Picometrix T-Ray 2000 System, mit dem durch die Integration eines Mehrkreisgoniometers
der THz-Sender, THz-Detektor und der Probenkörper beliebig und unabhängig voneinander positioniert
werden können.
Bei getrennter V-förmige Reflexanordnung der Sende- und Empfangsantenne (z. B. 45º) in Bezug
zur Oberflächennormale des Prüfgegenstandes können z.B. Risse, Bohrungen oder Kerben, die
sich im Inneren des beleuchteten Probenvolumens befinden, nachgewiesen werden, weil die
eingelagerten Inhomogenitäten sowohl eine zusätzlich Reflexion als auch eine Beugung des THz
Pulses verursachen. Charakteristisches Merkmal von TOFD (Beugungslaufzeitmethode) ist die
Nutzung der von den Fehlerrändern verursachten (schwachen) Beugungssignale zur Bildgebung.
Damit bietet TOFD in Analogie zum gleichnamigen Ultraschallprüfverfahren generell nicht nur
die Möglichkeit zum Fehlernachweis, sondern vor allem auch die der Fehlergrößenbestimmung
und Fehlerlage. Der Beitrag zeigt, wie mit Hilfe der Time of Flight - Diffractions - Technik künstlich
in Kunststoffkörper eingebrachte Fehlstellen berührungslos nachgewiesen und deren laterale
Ausdehnungen bestimmt werden können.
We investigate a single-pixel camera (SPC) that relies on non-mechanical scanning with a terahertz (THz) spatial light modulator (SLM) and Compressed Sensing (CS) for image generation. The camera is based on a 350 GHz multiplier source and a Golay cell detector. The SLM consists of a Germanium disc, which is illuminated by a halogen lamp. The light of the lamp is transmitted through a thin-film transistor (TFT) liquid crystal display (LCD). This enables the generation of light patterns on the Germanium disc, which in turn produce reflecting patterns for THz radiation. Using up to 1000 different patterns the pseudo-inverse reconstruction algorithm and the CS algorithm CoSaMP are evaluated with respect to image quality. It is shown that CS allows a reduction of the necessary measurements by a factor of three without compromising the image quality.