Phasenkontrast

Terahertz-Computertomographie mit höherer Genauigkeit
Die Röntgen-Computertomographie (X-CT) ist eine leistungsfähige Methode, die aber auch Nachteile hat, z.B. die Notwendigkeit, das Personal vor der schädlichen Strahlung zu schützen. Eine Alternative ist die Verwendung der Terahertz-Technologie (THz) zum Scannen von Objekten. Ein neuer Phasenkontrast-Bildgebung-Ansatz ermöglicht jetzt hochgenaue und schnelle Messungen.
Bild: Recendt

THz-Strahlung hat wesentlich weniger Energie als Röntgenstrahlung und ist daher bei typischen Dosen für den Menschen absolut ungefährlich. Andererseits besitzt die THz-Strahlung die Eigenschaft, tief in elektrisch nichtleitende Materialien eindringen zu können, was in der zerstörungsfreien Prüftechnik von großem Vorteil ist. Bislang fehlten jedoch effiziente Lösungen für die THz Computertomographie (Thz-CT). Im Rahmen des FFG COMET-Projekts PSSP (Photonic Sensing for Smarter Processes) baute Recendt (Research Center for Non-Destructive Testing) auf den jüngsten Fortschritten im Bereich der THz-Hardware auf und entwickelte einen neuen Ansatz für die THz-CT.

Ideal für längliche 3D-Objekte

Die flexible Lösung kombiniert Geschwindigkeit und hohe Genauigkeit. Mögliche Anwendungen sind die genaue Dickenbestimmung und die Erkennung versteckter Defekte in beispielsweise extrudierten Profilen. Industrielle Objekte, die sich sehr gut für Untersuchungen mit THz-CT eignen, sind längliche 3D-Objekte oder Profile (z.B. Fensterprofile oder Gummidichtungen) aus nichtmetallischen Materialien wie Kunststoff, Holz, Gummi, Keramik, etc. Es können jedoch auch Objekte mit anderen Geometrien untersucht werden. Die THz-Strahlung dringt je nach Material bis zu mehreren Zentimeter in die Objekte ein und ermöglicht so die Erkennung von versteckten Defekten, wie falschen Wandstärken, Löchern oder Einschlüssen.

Neuer Phasenkontrast- Bildgebungsansatz

Das neu entwickelte THz-CT-System basiert auf einer Kombination aus einem gepulsten THz-Messystem und neuartigen Ansätze für die Bildrekonstruktion. Das gepulste Messsignal erlaubt es, sowohl die Amplituden- als auch die Phaseninformation aus dem Signal zu extrahieren. Diese zweite Information ist nicht nur robuster gegen optische Streuungseffekte, sie liefert auch, Dank der großen Bandbreite des gepulsten Systems, eine sehr hohe Genauigkeit der Dickenbestimmung. So wird mit dem entwickelten Phasenkontrast-Bildgebung-Ansatz eine Genauigkeit <100µm für gerade (nicht-gekrümmte) Wände erreicht.

Gekrümmte Teile haben hinsichtlich der THz-Strahlung den Nachteil, dass der ankommende Strahl durch die Brechung seine Ausbreitungsrichtung ändert, was in klassischen Modellen für die CT-Rekonstruktion nicht berücksichtigt ist. Im THz-Bereich ist dieser Effekt aber in Gegensatz zum Röntgen-Bereich nicht vernachlässigbar. Deswegen wurde basierend auf Ray-Tracing-Simulationen ein Ansatz entwickelt, um diesem Problem entgegenzuwirken. Dieser verwendet ein CAD-Modell des zu vermessenden Teils, sowie den Brechungsindex des Materials, um die Ausbreitungsrichtung eines jeden THz-Strahls im Objekt während der CT-Messung zu simulieren. Das Ergebnis wird im Rekonstruktionsverfahren inkludiert was dazu führt, dass die Genauigkeit der Wanddickenbestimmung für gekrümmte Teile ebenfalls auf <150µm verbessert werden kann. Die Auflösung hingegen ist durch den endlichen Radius des THz-Strahls begrenzt, welcher in etwa 1mm beträgt. Daher ist das neue System in der Lage Löcher und Einschlüsse mit einer Größe von etwa 1mm zu erkennen. Zusätzlich zur CT kann der Aufbau leicht umkonfiguriert werden, um schnelle THz-Bildgebung und Spektroskopie durchzuführen. Dies ist besonders bei flachen Objekten interessant, z.B. für eine Transmissionsmessung durch eine mehrschichtige Platte oder eine Reflexionsmessung einer flachen Oberfläche. Damit können die Objekte spektroskopisch untersucht, um Materialeigenschaften zu evaluieren, bzw. um Strukturen zu messen oder Defekte zu erkennen.

Ausblick

Die Arbeiten am THz-CT Aufbau führten zu einer Zusammenarbeit mit der Toptica Photonics AG, welche unter anderem THz-Messsysteme herstellt. Gemeinsam wurde ein Prototyp für eine kommerziell erhältliche THz Spektroskopie- und Bildgebungsplattform entwickelt, der auf den THz-CT Entwicklungen im Forschungsprojekt PSSP basiert.

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