Projekte

Bildgebendes THz-System zur industriellen Materialanalyse

Eckdaten:

  • Start: 01.07.2008
  • Dauer: 30 +12 Monate
  • Förderung: FWF-Translational Programm
  • Projekt Nr. L 507-N20
  • Ziel: Entwicklung eines polaristions-sensitiven, scannenden THz-Systems

Scannendes THz-System

Ein Ziel des FWF-Translational Projekts „Bildgebendes THz-System zur industriellen Materialanalyse“ war die Entwicklung eines speziellen bildgebenden THz-Systems zur Materialuntersuchung. Das gepulste THz-System, welches als Laboraufbau realisiert wurde, arbeitet in Reflexion und ermöglicht somit eine tiefenaufgelöste Untersuchung von Proben. Ein Schema des Aufbaus ist in Abb. 1 links zu sehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen wird zum Abrastern nicht die Probe verschoben, sondern der THz-Strahl wird mittels eines Zweiachsen-Galavono-Scanners über die Probe geführt. Somit können auch sehr große Proben problemlos untersucht werden. Weiters bietet das System die Möglichkeit, zusätzlich zu konventionellen Querschnittsbildern transversale Bilder parallel zur Probenoberfläche aufzunehmen (Abb. 1 rechts).

Abb. 1: Links: Schematischer Aufbau des scannenden THz-Systems. Rechts: Schematische Darstellung eines Querschnitts- bzw. transversalen Bildes.

Das entwickelte System weist weitere Vorzüge auf: Zur Optimierung wurden eine spezielle THz-Linse sowie eine neue Messprozedur entwickelt, welche bereits während des Messvorgangs eine Anpassung der Phase des THz-Pulses ermöglicht. Dadurch können störende Krümmungen der Bildebene (entlang einer Richtung; eine Konsequenz des Einsatzes des Zweiachsen-Galvano-Scanners) eliminiert werden. Der Effekt dieser Phasenkorrektur ist Abb. 2 für eine Teststruktur dargestellt (links: ohne, rechts mit Phasenkorrektur). Dadurch können planare Strukturen wesentlich effizienter und bis zu 20x schneller als ohne Phasenkorrektur abgebildet werden. Für weitere Details siehe Ref. [5,7].

Abb. 2: Links: Teststruktur und THz-Bild mit gekrümmter Bildebene. Rechts: THz-Bild mit Phasenkorrektur.

PS-THz Bildgebung

Ein weiteres Ziel des Projekts war die Untersuchung und Implementierung von polarisations-sensitiver (PS) THz-Bildgebung, wobei die Polarisationseigenschaften der THz-Strahlung, ausgenutzt werden.

Die Änderungen der Polarisationseigenschaften elektro-magnetischer Strahlung, die beim Durchtritt durch ein Material entsteht, lässt Rückschlüsse auf gewisse Eigenschaften zu, wie zum Beispiel auf Doppelbrechung aufgrund von Anisotropien. Dieser Effekt wird im Sichtbaren für Spannungsoptik ausgenutzt. Nachteil hierbei ist jedoch, dass transparente Modelle der zu untersuchenden Proben hergestellt werden müssen. Bei der sogenannten polarisations-sensitiven Optischen Kohärenztomographie (PS-OCT), einem interferometrischen Reflexionsverfahren, werden die Polarisationseigenschaften von Licht im nahen Infrarot (NIR) verwendet, um tiefenaufgelöst die Doppelbrechung im Inneren von Materialien zu bestimmen. Diese Methode ist gut für semitransparente und durchscheinende Proben geeignet, ist aufgrund der geringen Eindringtiefe jedoch auf oberflächennahe Bereiche beschränkt. Somit stellt die große Endringtiefe von THz-Strahlung für viele nichtleitende Materialien einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu OCT dar.

In diesem Projekt wurden erstmalig die für PS-OCT entwickelten Konzepte für die Untersuchung von Doppelbrechung und somit von Anisotropien im Inneren von Materialien für PS-THz-Imaging untersucht und adaptiert. Dazu wurde der scannende THz-Aufbau um polarisations-optische Komponenten sowie einen speziellen PS-THz Detektor erweitert. Bei dem Detektor handelt es sich um eine Multi-Kontakt Antenne, welche die Detektion von horizontaler und vertikaler Polarisationskomponente gleichzeitig auf einem Chip ermöglicht. Diese PS-THz Antennen wurden durch den Projektpartner IHF entwickelt (siehe „Partner“), wobei im Rahmen des Projekts verschiedene Elektrodenstrukturen hergestellt, getestet und charakterisiert wurden (siehe Ref. [4]).

Die erzielten Resultate zeigen, dass mit der vorgeschlagenen Methode Informationen über die Anisotropie eines Materials gewonnen werden können, wobei ein Algorithmus entwickelt wurde, um die Doppelbrechung und Orientierung der optischen Achse (also die Richtung der Anisotropie) aus den Messdaten zu bestimmen. Ein wesentlicher Vorteil der Methode ist, dass die Notwendigkeit für mehrere Messungen mit verschiedenen Polarisationsrichtungen der THz-Strahlung entfällt, wie es bei den bisher vorgestellten Methoden der Fall war. Somit kann mit dem scannenden PS-THz System die Doppelbrechung und optische Achse eines anisotropen Materials relativ effizient bildgebend dargestellt werden, wie beispielsweise für faserverstärkte Polymerproben gezeigt wurde. Weitere Details in Ref. [1,3].

Anwendungen

Das entwickelte THz-System wurde insbesondere für industrielle Problemstellungen getestet, wie z.B. für Proben aus dem Automobilbereich [5], der Polymerindustrie oder der Solarthermie [2]. In Abb. 3 ist als Beispiel die Detektion von Defekten in einer Klebeschicht dargestellt, welche zur Verbindung eines Metallzylinders mit einer Kunststoffplatte verwendet wurde [5]. Dabei konnten die Defekte (Markierung durch Pfeile) in einem einzelnen transversalen Bild eindeutig dargestellt werden, wobei das Bild durch die (im Sichtbaren undurchsichtige) Kunststoffplatte hindurch aufgenommen wurde.

Abb. 3: Transversaler Scan einer Kleberschicht. Die Pfeile markieren die detektierten Defekte (Details siehe Ref. [5]).

Die potentiellen Anwendungen der PS-THz Bildgebung liegen in der Analyse von Anisotropien und Spannungen in Kunststoffen, Polymeren und faserverstärkten Kompositen. Insbesondere im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe konnte im Rahmen des Projekts das große Potential der neuartigen Methode sehr gut gezeigt werden.

Partner

Das Projekt wurde im Rahmen des D-A-CH Abkommens in Zusammenarbeit mit der Terahertz Systemtechnik Gruppe (TSG) am Institut für Hochfrequenztechnik (IHF), Technische Universität Braunschweig (Deutschland) durchgeführt. Das IHF beschäftigte sich dabei mit der Entwicklung optimierter THz-Emitter sowie spezieller PS-THz-Detektoren.

Publikationen

  1. Stefan Katletz et al., “PS-THz imaging: analysis of orientation and birefringence”, IRMMW-THz 2012 (Sept. 2012, Wollagong, Australia).

  2. Gerald Steinmaurer, Christian Hofer, Harald Dehner, Stefan Katletz, and Karin Wiesauer, „InSolTec – Qualitätssicherung von solarthermischen Kollektoren durch innovative Sensorik“, 22. Symposium Thermische Solarenergie (May 2012, Bad Staffelstein, Germany).

  3. Stefan Katletz, Michael Pfleger, Harald Pühringer, Nico Vieweg, Benedikt Scherger, Bernd Heinen, Martin Koch and Karin Wiesauer, „Polarization sensitive imaging with pulsed THz radiation“, in Proc. International THz Conference 2011 in Villach, Austria, Österreichische Computergesellschaft Wien, pp. 63 – 67 (2011).

  4. Michael Pfleger, Stefan Katletz, Harald Pühringer, Nico Vieweg, Benedikt Scherger, Bernd Heinen, Maik Scheller, Martin Mikulics, Martin Koch, and Karin Wiesauer, “Comparison of polarization-sensitive detection methods of THz radiation”, in Proc. International THz Conference 2011 in Villach, Austria, Österreichische Computergesellschaft Wien, pp. 149 – 154 (2011).

  5. Stefan Katletz, Michael Pfleger, Harald Pühringer, Nico Vieweg, Benedikt Scherger, Bernd Heinen, Martin Koch, and Karin Wiesauer, „Efficient Terahertz En-face Imaging“, Opt. Express 19, 23042–23053 (2011).

  6. H. Stephani, B. Heise, S. Katletz, K. Wiesauer, D. Molter, J. Jonuscheit, and R. Beigang, "A Feature Set for Enhanced Automatic Segmentation of Hyperspectral Terahertz Images", IMVIP 2011 - Irish Machine Vision and Image Processing Conference, pp. 117-122 (2011). DOI: http://doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/IMVIP.2011.34, ISBN: 978-0-7695-4629-2.

  7. Stefan Katletz, Nico Vieweg, Benedikt Scherger, Bernd Heinen, Martin Koch, and Karin Wiesauer, „Phase correction for rapid en-face scanning with pulsed terahertz radiation“, Proc. SPIE 8195, 81951L (2011); DOI: 10.1117/12.900994.

  8. K. Ezdi, B. Heinen, C. Jördens, N. Vieweg, N. Krumbholz, R. Wilk, M. Mikulics, K. Wiesauer, S. Katletz, and M. Koch, “Pulsed THz antennas – a time-domain approach”, in Proc. IRMMW-THz 2009 in Busan, South Korea, (2009).

  9. Henrike Stephani, Michael Herrmann, Karin Wiesauer, Stefan Katletz, and Bettina Heise, “Enhancing the interpretability of Terahertz Data Through Unsupervised Classification”, in Proc. XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology 2009 in Lisbon, Portugal, (2009).

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