Als zerstörungsfreie Untersuchungsverfahren befindet sich derzeit die Ultraschallprüfung in einer Erprobungsphase. Die bisherigen Ergebnisse bezüglich einer Prüfung von Kunststoffschweißnähten erscheinen allerdings noch unbefriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Materialuntersuchung an Proben, insbesondere zur Prüfung von stoffschlüssigen Kunststoffverbindun- gen, zerstörungsfrei, reproduzierbar und zuverlässig zu ermöglichen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Materialuntersuchung einer Probe die Terahertz-Spektroskopie anzuwenden und gemäß den im Anspruch 1 angegebenen Schritten zur Identifikation von Materialunregelmäßigkeiten der Probe zu verwenden. Die Verwendung von elektromagnetischen Wellen im Te- rahertz-Frequenzbereich ist grundsätzlich ein relativ neues technisches Gebiet, da effiziente Terahertz-Generatoren erst seit ca. 18 Jahren verfügbar sind, z.B. zunächst als auf Femtosekunden-Titan-Saphir-Lasern basierenden Quellen oder später, als kostengünstigere Variante, in Form geringfügig gegeneinander verstimmter Diodenlaser, deren bei einem Mischprozess auftretende Differenz- frequenz im Terahertz-Bereich liegt. Hieraus hat sich das Gebiet der gepulsten Terahertz-Spektroskopie entwickelt. So wurde beispielsweise in der Veröffentlichung„Analyzing sub-100-μΐΎΐ samples with transmission terahertz time domain spectroscopy", Maik Scheller, Christian Jansen, Martin Koch, erschienen in Op- tics Communications 282 (2009), Seiten 1304 bis 1306, die Verwendung der Terahertz-Spektroskopie vorgeschlagen, um von einer Probe die geometrische Dicke, den Absorptionskoeffizienten und den Brechungsindex im Terahertz- Frequenzbereich zu bestimmen.

Im Gegensatz hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Terahertz- Spektroskopie zur Identifikation von Materialunregelmäßigkeiten zu verwenden, wobei das Verfahren gegenüber der zuvor genannten Veröffentlichung deutlich vereinfacht und in seiner technischen Anwendbarkeit verbessert ist. So ist eine Bestimmung der genannten Materialparameter geometrische Dicke, Absorptionskoeffizient und Brechungsindex nicht erforderlich. Dies erlaubt eine Imple- mentierung der vorliegenden Erfindung mit deutlich verringertem Bedarf an Rechenleistung bzw. Rechenzeit eines Computers.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgangssignal einer Tera- hertzwellen-Empfangseinrichtung durch eine erste Spektral-Transformation in ein Frequenzbereichssignal gewandelt wird, soweit das Ausgangssignal im Zeitbereich vorliegt. Soweit das Ausgangssignal bereits im Frequenzbereich zur Verfügung steht, kann dieser Schritt entfallen. Schließlich wird das Fre- quenzbereichssignal mittels einer zweiten Spektral-Transformation in eine Ausgabefunktion gewandelt. Weitere aufwendige Rechenprozeduren sind für eine Implementierung der Erfindung nicht erforderlich. Hierdurch lässt sich die Erfindung mit relativ wenig Rechenaufwand realisieren, so dass eine Signalauswertung in Echtzeit möglich wird.

Im Ergebnis erfolgt somit eine zusätzliche Spektral-Transformation der empfangenen Signalinformation. Es wurde erkannt, dass ein solches Vorgehen es ermöglicht, zu Ausgangsgrößen zu gelangen, die direkt zur Bestimmung von Materialunregelmäßigkeiten der Probe geeignet sind. Vorteilhaft wird eine Aus- gangsfunktion der zweiten Spektral-Transformation derart bestimmt, dass ermittelte Anomaliewerte entsprechenden optischen Tiefenwerten der Probe zugeordnet sind. Die optischen Tiefenwerte entsprechen dabei einem Produkt aus der geometrischen Tiefe der jeweiligen Anomalie in der Probe multipliziert mit dem optischen Brechungsindex des Materials der Probe, das die elektro- magnetischen Wellen bis zu der Anomalie durchlaufen. Der optische Brechungsindex bezieht sich auf elektromagnetische Wellen im Terahertz-Bereich. Vorteilhaft ist eine Bestimmung des optischen Brechungsindex für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Die Anomaliewerte sind ein Indikator für Materialunregelmäßigkeiten. Ist die Amplitude der Anomaliewerte bei einem gewissen optischen Tiefenwert relativ hoch, deutet dies auf eine Unregelmäßigkeit oder auf eine Grenzfläche an dieser Stelle der Probe hin. Vorteilhaft ist die Ausgangsfunktion damit eine einfach auswertbare Funktion vom Typ y = f(x), die auf einem Anzeigegerät beispiels- weise tabellarisch oder in einem Koordinatensystem als Graph dargestellt werden kann. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Bewertung der Ergebnisse durch eine die Materialprüfung durchführende Person. Ebenso ist eine ver- gleichsweise einfache automatische Auswertung der Ausgabefunktion möglich, indem mittels wenigstens eines vorgegebenen Vergleichskriteriums automatisch wenigstens eine Materialunregelmäßigkeit der Probe ermittelt wird. Dies kann z.B. durch Festlegen eines Grenzwertes für die Anomaliewerte erfolgen. Überschreiten die Anomaliewerte den Grenzwert, wird automatisch eine Unregelmäßigkeit bzw. ein Defekt der Probe erkannt.

Das Verfahren eignet sich daher besonders gut für eine automatische Materialprüfung in der industriellen Produktion ohne Zerstörung der zu untersuchenden Objekte. Mittels der Erfindung können beispielsweise Grenzflächen und Zwischenschichten in stoffschlüssigen Kunststoffverbindungen, z.B. Klebe- oder Schweißverbindungen, untersucht und Defekte darin detektiert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, Kunststoffbauteile oder andere dielektrische Materialien wie z.B. Papier, Lackbeschichtungen, Keramiken oder auch Lebensmit- tel schnell und einfach auf Materialunregelmäßigkeiten wie Einschlüsse von Fremdmaterialien oder unerwünschte Lunkerbildungen zu untersuchen.

Die Erfindung erlaubt auch eine schnelle Bestimmung der optischen Schichtdicke der gesamten Probe oder einzelner Schichten der Probe. Die optische Di- cke bezeichnet das Produkt aus geometrischer Dicke und optischem Brechungsindex. Insbesondere im Falle eines bekannten optischen Brechungsindexes der Probe bzw. der einzelnen Schichten ist die Information der optischen Schichtdicke von Interesse. Die Erfindung beruht auf der Transmission von elektromagnetischen Wellen im Terahertz-Frequenzbereich durch das Material. Unregelmäßigkeiten des Materials führen zu zusätzlichen Echopulsen im empfangenen Signal. Es handelt sich hierbei um Fabry-Perot-Reflexionen, die gemäß der Erfindung auf einfache Weise detektiert und anschaulich dargestellt oder automatisch ausgewertet werden können. Als Prüfsignal werden elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz im Terahertz-Bereich verwendet, die auf die zu untersuchende Probe gesendet werden. Es kann sich hierbei um einen einzelnen Prüf-Puls oder auch um eine Pulsfolge handeln.

Als Spektral-Transformation kommt grundsätzlich jede Transformation in Frage, die ein Signal mit einer bestimmten Periodizität in ein Spektralsignal wan- delt. Als Beispiele für geeignete Spektral-Transformationen seien die Fourier- Transformation, die Z-Transformation, die Laplace-Transformation oder die Wavelet-Transformation genannt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Probe wenigs- tens zwei Kunststoffteile auf, die stoffschlüssig (z.B. geschweißt, geklebt) miteinander verbunden sind. Die Ausgabefunktion wird hinsichtlich wenigstens einer Materialunregelmäßigkeit ausgewertet, die einen Defekt in der stoffschlüssigen Verbindung indiziert. Hierdurch ist vorteilhaft eine automatische, zerstörungsfreie Untersuchung von stoffschlüssig verbundenen Kunststoffbau- teilen möglich. So können beispielsweise unerwünschte Lufteinschlüsse an der Fügestelle oder Delaminationen automatisch erkannt werden. Es können Schwellwerte hinsichtlich noch tolerierbarer Werte der Anomaliewerte der Ausgabefunktion festgelegt werden. Hierdurch ist eine automatische Gutteil/Schlechtteil-Unterscheidung z.B. in der industriellen Produktion möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kunststoffteile über eine Kunststoffschweißnaht oder -fläche und/oder eine Klebstoffnaht oder -fläche miteinander verbunden. Die Ausgabefunktion wird hinsichtlich wenigstens einer Materialunregelmäßigkeit ausgewertet, die einen Defekt in der Kunststoffschweißnaht oder -fläche und/oder der Klebstoffnaht oder -fläche indiziert. Als Materialunregelmäßigkeit kann dabei z.B. ein unregelmäßiger Verlauf der Grenzfläche eines Kunststoffteils, ein unregelmäßiger Materialauftrag des Klebers oder eine Delamination bei geschweißten/geklebten Flächen de- tektiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Probe wenigstens einen dielektrischen Stoff auf. Die Ausgabefunktion wird hinsichtlich wenigstens einer Materialunregelmäßigkeit in dem dielektrischen Stoff ausgewer- tet. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit neben Kunststoffteilen beispielsweise auch Lebensmittel auf Einschlüsse und ähnliches untersucht werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Probe wenigstens eine Beschichtung auf einem Trägermaterial auf. Die Ausgabefunktion wird hinsichtlich wenigstens einer Materialunregelmäßigkeit, die einen Defekt zwischen der Beschichtung und dem Trägermaterial indiziert, ausgewertet. Vorteilhaft kann eine solche Untersuchung der Probe mittels einer Reflexionsmes- sung durchgeführt werden, z.B. unter Verwendung der als Ausführungsbeispiel nachfolgend beschriebenen Reflexionsanordnung. Die Beschichtung kann beispielsweise Papier, Lack und/oder Keramik oder andere dielektrische Schichten aufweisen, die beispielsweise auf einem Trägermaterial aus Metall aufgebracht ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Ausgabefunktion hinsichtlich der optischen Dicke der Probe und/oder wenigstens einer Schicht der Probe ausgewertet. Es kann somit die optische Dicke der gesamten Probe und die optischen Dicken einzelner Schichten der Probe bestimmt werden. Hierdurch kann die Erfindung ergänzend zur einfachen und schnellen optischen Schichtdickenbestimmung verwendet werden. Es sind keine aufwendigen zusätzlichen Rechenschritte erforderlich, da die optische Schichtdicken- Information, also das Produkt aus geometrischer Dicke und optischem Brechungsindex, ebenfalls bereits in der Ausgabefunktion enthalten ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bereinigt die Auswerteeinrichtung das Frequenzbereichssignal unter Verwendung eines aufgenommen Referenzfrequenzspektrums. Das Referenzfrequenzspektrum wurde im Falle einer Transmissionsmessung ohne Probe im Strahlengang der elektro- magnetischen Wellen aufgenommen. Im Falle einer Reflexionsmessung wird anstelle der Probe eine metallische Fläche eingebracht und das von dieser Fläche reflektierte THz-Signal als Referenzfrequenzspektrum verwendet. Hier- durch ist eine rechnerische Eliminierung von Störeinflüssen (z.B. atmosphärische Dämpfung, überlagerte Fabry-Perot-Reflexionen der terahertzstrahlfüh- renden Optiken) bei der eigentlichen Materialuntersuchung möglich. Die Bereinigung um die Störeinflüsse erfolgt vorteilhaft auf der Ebene des Frequenzbe- reichssignals, d.h. vor der zweiten Spektral-Transformation. Die Eliminierung der Störeinflüsse erfolgt z.B. durch Division des von der Probe aufgenommenen Frequenzspektrums, d.h. des Frequenzbereichssignals, durch das Referenzfrequenzspektrum. Vorteilhaft kann als erste und/oder zweite Spektral-Transformation eine Spekt- ral-lntegraltransformation angewandt werden. Mit einer Spektral-Integraltrans- formation wird ein zeitkontinuierliches Signal in ein Spektralsignal transformiert. Insbesondere kann die Laplace-Transformation verwendet werden. Vorteilhaft kann als erste und/oder zweite Spektral-Transformation eine diskrete Summen- transformation angewandt werden. Die diskrete Summentransformation transformiert ein zeitdiskretes Signal in ein Spektralsignal. Insbesondere ist eine Ausbildung als schnelle Fourier-Transformation (FFT) vorteilhaft. Hierdurch ist insbesondere eine preisgünstige datenverarbeitungstechnische Realisierung der Erfindung möglich. So kann beispielsweise ein einfacher und preisgünstiger Mikrocontroller, ggf. in Kombination mit einem Signalprozessor (Direct Signal Processor - DSP), oder ein feldprogrammierbares Gatter (Field Programmable Array - FPGA) für die Berechnung der Ausgabefunktion verwendet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Erfindung im großen Umfang kostengünstig in der Qualitätsprüfung in der industriellen Produktion einzusetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der verwendete Terahertz-Bereich den Bereich von 0,1 bis 100 THz. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der verwendete Terahertz-Bereich den Bereich von 0,3 THZ bis 10 THz. Dies erlaubt ebenfalls eine kostengünstige Realisierung der Erfindung, zumal Terahertzwellen-Sendeeinrichtungen für diesen Frequenzbereich mittlerweile kostengünstig herstellbar sind. Eine vorteilhafte Terahertz-Spektroskopie-Untersuchungseinrichtung zur Materialuntersuchung einer Probe beinhaltet wenigstens eine Terahertzwellen- Sendeeinrichtung, eine Terahertzwellen-Empfangseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die Terahertzwellen-Sendeeinrichtung und die Terahertzwel- len-Empfangseinrichtung können auch als kombinierte Sender-/ Empfängereinrichtung (Transceiver) ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung kann als einzelnes, zentrales elektronisches Gerät ausgebildet sein, das separat angeordnet oder integriert in die Sende- oder Empfangseinrichtung angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung kann auch aus mehreren verteilt angeordneten Geräten, wie z.B. einer Signalkonditionierschaltung und einem Auswerterechner, ausgebildet sein. Allgemein umfasst der Begriff der Auswerteeinrichtung alle Elemente, über die ein empfangenes Terahertzwellen-Signal schließlich in die Ausgabefunktion gewandelt wird. Die Terahertzwellen-Sendeeinrichtung und die Terahertzwellen-Empfangs- einrichtung sind jeweils auf die Probe ausgerichtet. Die Ausrichtung auf die Probe kann direkt oder indirekt, über Umlenkmittel, realisiert sein.

Vorteilhaft sind der Auswerteeinrichtung die Ausgangssignale der Tera- hertzwellen-Empfangseinrichtung zugeführt. Die Auswerteeinrichtung ist zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art hergerichtet. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise durch entsprechende Softwareprogrammierung zur Ausführung der im Anspruch 1 angegebenen Signalumwandlungsschritte hergerichtet sein, z.B. zum Berechnen der ersten und/oder der zweiten Spektral-Transformation.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinrichtung zur Ausführung der ersten und der zweiten Spektral-Transformation einen Mikrocontroller, ggf. in Kombination mit einem DSP, oder ein FPGA auf. Vorteilhaft kann hierfür auch ein einfacher und preisgünstiger Personal Computer verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Ver- Wendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Figuren 1 bis 3 - Ausführungsformen von Terahertz-Spektroskopie-Unter- suchungseinrichtungen und

Figur 4 - ein Frequenzbereichssignal und Figur 5 - eine erste Ausgabefunktion und

Figur 6 - eine zweite Ausgabefunktion.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Ele- mente verwendet.

Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Terahertz-Spektroskopie- Untersuchungseinrichtung. Vorgesehen ist eine Terahertzwellen-Sendeeinrich- tung 5, die ein Prüfsignal 6 im Zeitbereich in Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Terahertz-Bereich auf eine zu untersuchende Probe 3 sendet. Das Prüfsignal 6 kann beispielsweise über im Terahertz- Frequenzbereich wirksame Linsen 4 zunächst kollimiert und dann auf einem bestimmten Punkt der Probe 3 fokussiert werden. Das auf die Probe 3 eingestrahlte Prüfsignal tritt auf der gegenüberliegenden Seite der Probe 3 unter Bil- dung von Reflexionen an Materialunregelmäßigkeiten wieder aus und wird als Zeitbereichssignal 7 über weitere Linsen 2 zunächst wieder kollimiert und dann auf die Terahertzwellen Empfangseinrichtung 1 fokussiert, die das Zeitbereichssignal 7 aufnimmt. Das aufgenommene Signal wird einer Auswerteeinrichtung 10 zugeführt. In der Auswerteeinrichtung 10 werden die erfindungs- gemäßen Verfahrensschritte ausgeführt, insbesondere die erste und die zweite Spektral-Transformation.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung wird auch als Transmissionsanordnung bezeichnet, da das Prüfsignal 6 durch die Probe 3 hindurchtritt. Die Linsen 2, 4 können beispielsweise aus Kunststoffmaterial gefertigt sein, z.B. Polyethylen. Die Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Terahertz-Spektroskopie- Untersuchungseinrichtung, bei der die Terahertzwellen-Sendeeinrichtung 5 und die Terahertzwellen-Empfangseinrichtung 1 auf derselben Seite der Probe 3 angeordnet sind. Diese Anordnung wird auch als Reflexionsanordnung bezeichnet. Das von der Terahertzwellen-Sendeeinrichtung 5 ausgesandte Prüf- signal 6 wird an den äußeren (Luft-Probe, Probe-Luft) und ggf. inneren (Materialunregelmäßigkeiten) Grenzflächen der Probe 3 reflektiert. Das zurückreflektierte Signal 7 wird von der Terahertzwellen-Empfangseinrichtung 1 aufgenommen und der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt. Ähnlich wie in der Transmissionsanordnung lassen sich anhand von Fabry-Perot-Reflexionen Materia- lunregelmäßigkeiten erkennen. Die Reflexionsanordnung verbessert jedoch die Zugänglichkeit zu bestimmten Bauteilgeometrien wie z.B. Rohrverbindungen.

Die Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Terahertz-Spektroskopie- Untersuchungseinrichtung. Hierbei wird eine kombinierte Sende-/ Empfang- seinrichtung 8 verwendet, in der die Terahertzwellen-Sendeeinrichtung und die Terahertzwellen-Empfangseinrichtung integriert vorgesehen sind. Eine solche Anordnung wird auch als Transceiveranordnung bezeichnet. Die als Prüfsignal ausgesendeten elektromagnetischen Wellen verlaufen dabei auf dem gleichen Weg 9 wie die von der Probe 3 reflektierten Wellen.

Die Figur 4 zeigt ein Beispiel für ein von der Terahertzwellen-Empfangseinrich- tung 1 , 8 aufgenommenes Signal nach einer ersten Spektral-Transformation. Dargestellt sind Spektralwerte H über die Frequenz f. Zusätzlich zu der ersten Spektral-Transformation kann vorteilhaft eine Signalfilterung durchgeführt wer- den, um unerwünschte Störsignale herauszufiltern. Wie in der Figur 4 erkennbar ist, ist aus dem dargestellten Signalverlauf keine Information über Materialunregelmäßigkeiten der Probe abzulesen. Daher wird für eine auswertbare Darstellung der aufgenommenen Wellen eine weitere Spektral-Transformation durchgeführt.

Die Figur 5 zeigt ein Ergebnis einer zweiten Spektral-Transformation zur Bildung der Ausgabefunktion Q(x). Für die Untersuchung wurde eine Probe ohne Materialunregelmäßigkeiten verwendet. Die Probe besteht aus zwei miteinander verschweißten Kunststoffplatten (Polyethylen) mit je ca. 3,6 mm Stärke. Erkennbar ist eine deutliche Signalspitze bei einem optischen Tiefenwert x von ungefähr 11 mm, was der geometrischen Dicke der zwei Kunststoffplatten multipliziert mit dem Brechungsindex von typischerweise 1 ,54 für Polyethylen ent- spricht. Diese Signalspitze deutet auf die äußere Grenzfläche der Probe (Probe-Luft) hin. Damit sind in der Probe keine Materialunregelmäßigkeiten vorhanden.

Die Figur 6 zeigt eine Ausgabefunktion Q(x), die mit einer Probe ermittelt wur- de, die ebenfalls aus zwei jeweils ca. 3,6 mm starken miteinander verschweißten Kunststoffplatten besteht. Hier wurde absichtlich eine Delamination während des Fügens erzeugt. Erkennbar ist wiederum eine Signalspitze bei einem optischen Tiefenwert x von ungefähr 11 mm, der wiederum der hinteren Grenzfläche der Probe entspricht. Zusätzlich ist eine deutliche Signalspitze bei einem optischen Tiefenwert x von ungefähr 5,5 mm zu erkennen. Dies entspricht der optischen Dicke einer der Kunststoff platten. Die Signalspitze an dieser Stelle deutet auf einen Fehler in der Schweißfügefläche hin, in diesem Fall ist es die Delamination. Die sich hierbei zwischen den Kunststoffplatten bildende Luftschicht bewirkt infolge eines Sprungs im Brechungsindex zusätzliche Echopul- se im empfangenen Terahertz-Signal, die in der Ausgabefunktion Q(x) als Signalspitze wiedergegeben werden.