Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMDie Terahertz-Wellen können viele Materialien durchdringen und eignen sich somit hervorragend für die zerstörungsfreie Prüfung von Objekten. Mittels der Terahertz-Bildgebung (engl. Imaging) können – ähnlich wie im Röntgen und Ultraschall – Aufnahmen des Objektinneren erzeugt werden. Auf diese Weise werden herstellungsbedingte Fehlstellen oder Schwachstellen im Objekt während der Produktion erkannt. Die Terahertz-Technik liefert damit einen wichtigen Beitrag zur industriellen Qualitätskontrolle und schont Ressourcen.
Messergebnisse Bildgebendes Terahertz
Visualisierung der Ergebnisse
Durch das Abtasten des Messobjekts gelangt das FMCW-Radarsystem zu Ergebnissen über Fehlstellen oder Schwachstellen.
© Fraunhofer ITWM
Bildgebendes FMCW THz Radarsystem
Terahertz-Radar
Mit dem Terahertz-Radar lassen sich Materialien berührungslos auf Fehlstellen prüfen.
© Fraunhofer ITWM
Terahertz-Bildgebung
Laterale versus axiale Auflösung
In der Terahertz-Bildgebung sind die laterale und axiale Auflösung zu unterscheiden. Die laterale Auflösung ist in erster Linie durch die verwendete Wellenlänge vorgegeben. Aufgrund des eingesetzten Frequenzbereichs reicht die Wellenlänge 3 mm (100 GHz) von 100 µm (3 THz). Weitere Faktoren, die die laterale Auflösung bestimmen, sind die eingesetzte Optik und das verwendete Aufnahmekonzept. Die axiale Auflösung ist durch die verwendete Aufnahmetechnik (TDS, FMCW oder MIMO) bestimmt. Diese Techniken erlauben eine Laufzeitmessung und somit eine tiefenaufgelöste Aufnahme. Die axiale Auflösung liegt hier je nach Aufnahmetechnik zwischen 10 µm und mehreren mm.
Für die zerstörungsfreie Prüfung wird die aktive Terahertz-Bildgebung eingesetzt, deren Umsetzung mit verschiedenen Konzepten erfolgen kann:
- Kombination aus Terahertz-Quelle und flächigen Detektor
- Array auf kohärenten Sender und Empfänger
- Mechanisch scannende Sender und Empfänger
Flächige Detektoren im Terahertz-Bereich sind aktuell nur Leistungsdetektoren, d. h. diese Detektoren detektieren nur die auftreffende Leistung, aber keine Phase der eintreffenden Welle. Somit sind keine Informationen zu Laufzeit u. ä. zugänglich. Dieses Konzept wird hauptsächlich in Transmission umgesetzt.
Typischerweise arbeiten die Arrays auf kohärenten Sender und Empfänger auf Basis des MIMO-Prinzips (Multiple-Input -Multiple-Output). In der Regel werden die Sender einzeln geschalten und die Detektoren sind immer aktiv und erfassen die vom Messobjekt reflektierten Signale in Amplitude und Phase. Auf diese Weise werden die Bilder rekonstruiert. Die Messungen erfolgen hier vorzugsweise in Reflexion.
Die meisten Terahertz-Detektoren sind Punktsensoren. Um mit diesem Sensortyp ein Bild zu erzeugen, muss ein Objekt rasterförmig erfasst werden. Hierbei werden entweder Sender und Empfänger relativ zum Objekt bewegt oder das Objekt wird bei ruhenden Sensoren bewegt. Hier werden sowohl Messungen in Transmission oder Reflexion durchgeführt.
Während das erste Verfahren nur ein Durchleuchtungsbild ermöglicht, schaffen die beiden Verfahren ein tiefenaufgelöstes Bild des untersuchten Objekts. Deshalb wird hier oft von Tomographie oder 3D-Bildgebung gesprochen – was nicht ganz korrekt ist. Da der Brechungsindex im Objekt ungleich Eins (=Luft) ist, sind die Aufnahmen in Strahlrichtung aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit verzerrt.