Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMTerahertz-Wellen können viele Materialien wie Kunststoff, Keramik, Textilien und Holz durchdringen und eignen sich somit hervorragend für die zerstörungsfreie Prüfung von Objekten. Mittels Terahertz-Bildgebung (englisch Imaging) werden – ähnlich wie bei Röntgen- und Ultraschallprüfung – Aufnahmen des Objektinneren erzeugt. Auf diese Weise können herstellungsbedingte Fehlstellen oder Schwachstellen im Objekt frühzeitig während der Produktion erkannt werden. Die Terahertz-Technik liefert damit einen wichtigen Beitrag zur industriellen Qualitätskontrolle und schont Ressourcen.
Terahertz-Bildgebung
Mit dem Terahertz-Radar lassen sich Materialien berührungslos und zerstörungsfrei auf Fehlstellen und innere Strukturen prüfen. Im Bild: Zylindrischer Probenkörper, der mittels Terahertz-Wellen auf innere Fehlstellen untersucht wird. In Kombination mit einer Drehbühne können Tomographie-Daten generiert werden.
© Fraunhofer ITWM / Thomas Brenner
Keramik-Messung mit Terahertz
Unsichtbares sichtbar machen
Durch das Abtasten des Messobjekts können Fehlstellen der inneren Strukturen sichtbar gemacht werden
© Fraunhofer ITWM
Terahertz-Bildgebung
Bilderzeugung
Für die zerstörungsfreie Prüfung wird in der Regel die aktive Terahertz-Bildgebung eingesetzt, bei der der Prüfkörper aktiv bestrahlt und die reflektierte bzw. transmittierte Strahlung analysiert wird. Die Realisierung kann mit verschiedenen Konzepten erfolgen:
Mechanisch scannende Sender und Empfänger
Die meisten kohärenten Terahertz-Detektoren – also Strahlungsempfänger, die sowohl die Amplitude als auch die Phase des Messsignals erfassen – sind Punktsensoren. Um mit diesem Sensortyp ein Bild zu erzeugen, muss ein Objekt rasterförmig erfasst werden. Dabei werden entweder Sender und Empfänger relativ zum Objekt bewegt oder das Objekt wird bei ruhenden Sensoren bewegt. Die Messungen können sowohl in Transmission als auch in Reflexion durchgeführt werden. In Gegensatz zum Durchleuchtungsbild ermöglichen Messungen in Reflexion ein tiefenaufgelöstes Bild des untersuchten Objekts. Dabei ist zu beachten, dass die Aufnahmen in Strahlrichtung aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit verzerrt, da der Brechungsindex im Objekt ungleich Eins (=Luft) ist.
Schnelle Volumeninspektion durch das MIMO-Terahertz-System
Array aus kohärenten Sendern und Empfängern
Arrays von kohärenten Terahertz-Sendern und Empfängern arbeiten üblicherweise auf Basis des MIMO-Prinzips (Multiple-Input-Multiple-Output). Hier werden die Sender in der Regel einzeln geschaltet während alle Detektoren immer aktiv sind und die vom Messobjekt reflektierten Signale in Amplitude und Phase erfassen. Auf diese Weise können durch Signalauswertung aller Sender-Empfängerkombinationen vollständige, dreidimensionale Terahertz-Bilder rekonstruiert werden.
Mit dieser MIMO-Anordnung aus acht Sender und acht Empfänger wird eine etwa 50 cm breite, linienförmige Zeile realisiert. Bewegt sich die Probe relativ zu dieser Zeile, kann die Bildqualität zusätzlich durch die Verwendung von SAR-Algorithmen zur Bildrekonstruktion verbessert werden.
Kombination aus Terahertz-Quelle und flächigen Detektor
Flächige Detektoren im Terahertz-Bereich existieren aktuell nur vereinzelt und als reine Leistungsdetektoren, d. h. diese Detektoren detektieren nur die auftreffende Leistung, aber keine Phase der eintreffenden Welle. Somit sind keine Informationen zur Signallaufzeit zugänglich. Dieses Konzept wird hauptsächlich in einfachen Transmissionsmessungen umgesetzt.
Laterale versus Tiefenauflösung
In der Terahertz-Bildgebung sind laterale Auflösung und Tiefenauflösung zu unterscheiden.
- Die laterale Auflösung ist in erster Linie durch die verwendete Wellenlänge vorgegeben. Im üblicherweise eingesetzten Frequenzbereich reicht die Wellenlänge von 3 mm (100 GHz) bis 50 µm (6 THz). Weitere Faktoren, die die laterale Auflösung bestimmen, sind die verwendeten Optiken und Aufnahmekonzepte.
- Die Tiefenauflösung ist primär durch die verwendete Technik (TDS, FMCW oder MIMO) bestimmt. Diese Techniken erlauben eine Laufzeitmessung der Terahertz-Signale und somit eine tiefenaufgelöste Aufnahme. Die Tiefenauflösung liegt je nach Aufnahmetechnik zwischen
10 µm und mehreren Millimeter.