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Gut geschätzt ist halb gerechnet: Gute Schätzungen sind oft die Basis für noch bessere Berechnungen | Forschungsprojekt THz-KOMPASS erfolgreich abgeschlossen

Ausgangssituation

Terahertzanwendungen, die typischerweise in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden, bestechen dadurch, dass dünne, trockene und metallfreie Materialien mit einer noch vertretbaren lateralen Auflösung durchdrungen und vermessen werden können. Spektroskopische Informationen werden dabei nur in den seltensten Fällen ausgewertet. Labortechnik im THz-Bereich hingegen arbeitet mit einzelnen, von sogenannten Femtosekunden-Lasern erzeugten, elektromagnetischen Wellen (Pulse), die eher zufällig im Terahertz-Wellenlängenbereich liegen. Diese Wellen werden in Materie abgebremst und geschwächt sowie an Grenzflächen gespiegelt und gebeugt.

Zusammengenommen kann man die Technik ebenso verwenden, wie ein Bodenradar-System zur Erkennung von Bodenschätzen oder Hohlräumen; allein die Tiefenauflösung ist eine ganz andere. Die Abbildung 1 zeigt ein solches, an einem ca. 1 mm dicken Kunststoffteil erstelltes Bild, in dem Ober- und Unterseite als Grenzflächen erscheinen, aber auch innere Grenzflächen zu erkennen sind.

 

Abb. 1: 3-d Ausschnitt (20 x 20 x 1 mm) einer Plastik-Chip-Karte

Problem dieser Herangehensweise ist, dass von tiefer liegenden Schichten abhängig von verschiedensten Material- und Optikeigenschaften keine genauen quantitativen Aussagen zu einzelnen Schichtdicken zu erhalten sind

Kurztitel:» KOMPASS (Entwicklung eines Verfahrens zur zerstörungs- und berührungsfreien Messung von Schichtdicken, Brechungsindizes, Eindringtiefen und Streuparametern von Vielschichtsystemen mittels Terahertz–Pulsen)

Laufzeit: » 01.09.2017 - 31.12.2019

Projektnummer: » IK-MF 170017

Forschungsstelle: » Papiertechnische Stiftung (PTS) Dr. Patrick Plew, Projektleiter

Projektziel

Ziel von KOMPASS war die Entwicklung eines Verfahrens zur zerstörungs- und berührungsfreien Vermessung von Mehrschichtaufbauten mittels Terahertz-Wellen. Der Fokus lag auf der Bestimmung innenliegender Schichten, insbesondere von Drei- und Vierschichtaufbauten. Der Einsatz ist für Verbundwerkstoffe mit faserbasierten Materialkomponenten konzipiert. Es sollten flächige Proben einer Gesamtdicke von bis zu mehreren Millimetern messbar sein. Die Einzelschichten sollten jeweils Dicken von mindestens 100 µm haben. Die Vermessung soll dabei in einer Auflösung von 10 µm bei einer Ge- nauigkeit von ± 1 µm möglich werden. Zusätzlich wurde die Nutzbarkeit des Verfahrens an Proben kleinerer Schichtdicken geprüft. Insbesondere sollte dabei eine Transceiver-Antenne zum Einsatz kommen, bei der Sender und Empfänger in einer 0°-Geometrie auf die zu untersuchende Probe gerichtet sind.

Lösungsansatz

Werden THz-Pulse in Reflexion auf eine Mehrschichtprobe aufgegeben, treten eine hinreichende Anzahl an Einzel- und Mehrfachreflexionen auf, die sich unabhängig voneinander messen lassen, wie Abbildung 2 zeigt. Ein typisches Beispiel für eine Mehrschichtprobe wäre ein Klebeetikett mit Decklage, Kleber und Releasepapier. Da sich die Signale aus einer begrenzten Anzahl an Schichten und Materialeigenschaften ergeben, kann ein komplexes Gleichungssystem aufgestellt werden, in dem viele Unbekannte auf dem Wege zu den Zielgrößen (d1, d2, d3) wieder herausgerechnet werden können; aber eben nicht Alle. KOMPASS, ein Ansatz zur mehrdimensionalen Schätzung von unbekannten Parametern, im Wesentlichen bearbeitet von einem studierten Logiker, sollte dazu führen, auf Grund von vernünftigen Annahmen, physikalischen Gesetzen und letztlich Messungen, dennoch präzise alle Schichtdicken komplexer Proben zu bestimmen.

 

 

Abb. 2: Mögliche innere Reflexionen in einer Dreischichtprobe (Auswahl)

 

Parameterschätzalgorithmus

Es wurde eine Routine entwickelt, die Messrohdaten der THz-Pulse anwendungsspezifisch vorverarbeitet. Als Vorverarbeitungsschritte kamen Filtern, Detrending und Rauschreduktion zum Einsatz. Kernstück der Schätzalgorithmen ist die Auswahl und Anpassung der bestgeeignete Kombination aus einem Informationskriterium und einem Optimierungsverfahren. Im weiteren Verlauf wurden

• mehrere Kombinationen aus Informationskriterium und Optimierungsverfahren in einer Hochsprache implementiert und quantitativ validiert sowie

• erfolgversprechende Kombinationen dahingehend angepasst, dass in erster Linie Parameter der Messproben in größtmöglicher Übereinstimmung zur Referenzmethode (Rasterelektronen- mikroskop) geschätzt werden.

Da es zur Parameterschätzung in einem mathematisch hochdimensionalen Raum vieler Millionen Iterationsschritte bedarf, wurde die Auswahl und Anpassung der Kombination in zweiter Linie auf geringe Rechenzeiten hin optimiert. Es wurde eine Plausibilitätsprüfung entwickelt, um bei Proben, die nicht die vorgegebenen Randbedingungen (z.B. Gesamtdicke, Flächenmasse, Anzahl der Schichten) erfüllen, zu warnen.

Grob zusammengefasst wird versucht, das reale reflektierte Pulsbild mit auf der Basis von Schätzungen, Modellen und Rechnungen erzeugten Bild in Übereinstimmung zu bringen. Ist dies erreicht, können die Zielgrößen (Schichtdicken), aber auch alle anderen Einflussgrößen ausgegeben werden. Als Wermutstropfen muss an dieser Stelle angemerkt werden, dass die avisierte Transceiver-Antenne in der Projektlaufzeit nicht zugeliefert werden konnte und mit dem dann benutzten 8°-Aufbau ein weiterer Parameter ungewollt in den Schätzalgorithmus aufgenommen werden musste.

Umsetzung

Der beschriebene Algorithmus wurde bis zu einem 5-Schichtaufbau von flächigen Proben unter Verwendung eines x-y-Tisches mit Hilfe der PTS-Software-Plattform DOMAS gestestet. Das System ist dabei soweit offengehalten, dass Schnittstellen zu verschiedenen x-y-Tischen und gepulsten THz-Geräten, auch bei externen Anwendern, möglich sind. 

 

Dr. Patrick Plew,

patrick.plew@ptspaper.de