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Titel:Entwicklung und Charakterisierung eines Roboter-basierten Terahertz-Zeitbereichsspektrometers für bildgebende Anwendungen auf dem Gebiet der Anthropologie und Kunstrestaurierung
Autor:Stübling, Eva-Maria
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0107
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-01073
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0107
DDC: Physik
Titel(trans.):Development and characterization of a robotic-based terahertz time domain spectrometer for imaging applications in the field of anthropology and art restoration

Dokument

Schlagwörter:
THz-Untersuchung an Mumien und Kunstobjekten, THz-tomography, Bildgebung, Physik,, THz-Tomographie, Terahertz, THz investigations on mummies and art objects, Tomographie, THz-Bildgebung, THz-imaging, Robotertechnik

Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Roboter-basiertes THz-System entwickelt, welches einen THz-Sensor relativ zu einer beliebig geformten Probe verfährt. THz-Messungen können in Transmission oder Reflexion ausgeführt werden. Häufig ist jedoch die Absorption einer Probe zu hoch, um sie vollständig zu durchdringen oder eine Transmissionsanordnung ist aus geometrischen Gründen nicht möglich. Das entwickelte System arbeitet daher mit einem THz-Sensor in Reflexionsgeometrie. Hierfür muss jedoch sichergestellt sein, dass der Sensor zu jeder Zeit senkrecht zur Probe steht und sich diese wiederum in der Fokusebene des Sensors befindet. Um das System möglichst individuell einsetzen zu können, gliedert sich das entwickelte Messverfahren in vier Schritte. In einem ersten Schritt wird die Oberfläche der zu vermessenden Probe mit einem Streifenprojektionsverfahren erfasst. Anhand dieses Oberflächenmodells wird der Verfahrweg für den Roboterarm so berechnet, dass der THz-Sensor an jedem Messpunkt senkrecht und in einem definierten Abstand zum Messpunkt steht. Um den Verfahrweg des Roboterarmes so effizient wie möglich zu gestalten, sollte dieser vorab simuliert werden. Während der Simulation der Messung erfolgt gleichzeitig eine Kollisionskontrolle, um die zerstörungsfreie Überprüfung wertvoller Objekte zu garantieren. Der simulierte Messpfad wird anschließend im letzten Schritt an eine THz-Messsoftware weitergereicht, sodass die Probe Punkt für Punkt untersucht werden kann. Bevor mit der tomographischen Untersuchung der eigentlichen Objekte begonnen werden kann, ist jedoch zunächst die Anlage einer Materialdatenbank sinnvoll. Kapitel 3 dieser Arbeit zeigt daher eine Übersicht über die dielektrischen Eigenschaften aller in den Gebieten der Anthropologie und Kunstrestaurierung relevanten Materialien. Es zeigt sich, dass im Falle der Einbalsamierungsmaterialien der historischen Menschenfunde, ein hohes Identifikationspotential anhand von THz-Messungen besteht. Um die mit dem Roboter-basierten System erfassten Daten tomographisch auszuwerten, steht ein spezieller Algorithmus zur Verfügung, der die THz-Pulse in den Daten automatisch detektiert und entsprechenden Schichten zuordnet. Das entwickelte System wird an verschiedenen Objekten, die beispielhaft für die Gebiete der Anthropologie und Kunstrestaurierung stehen, getestet. Im Bereich der historischen Menschenfunde erfolgt eine detaillierte Analyse einer menschlichen Mumienhand. Hierbei können anhand der THz-Messungen bis zu vier Schichten unterhalb der Haut rekonstruiert werden, die eine hohe Übereinstimmung mit Micro-CT-Aufnahmen zeigen. Der Vergleich der THz-Daten mit konventionellen CT-Aufnahmen zeigt hingegen, dass die Auflösung der THz-Messungen die des CTs deutlich übersteigt. Gegenüber dem Micro-CT-Scanner hat das THz-System zudem den Vorteil, dass auch größere Objekte untersucht werden können. Zudem besteht ein weiterer Vorteil in der Mobilität des Systems. Mobile Röntgengeräte weisen eine sehr schlechte Auflösung auf, sodass THz-Systeme in Zukunft eine sinnvolle Ergänzung bei der direkten Arbeit an Ausgrabungsstätten sein könnten. Außerdem sind hier die Anforderungen an den Arbeitsschutz deutlich geringer als bei Röntgengeräten. Auf dem Gebiet der Kunstrestaurierung wird das System an einer Holzskulptur (Putto) getestet. Diese Holzskulptur weist deutliche Schäden sowohl in der Holzstruktur als auch in den darüber liegenden Mal- und Grundierungsschichten auf. In einer ersten Vorabuntersuchung zeigt sich, dass oberflächennahe Schäden, wie sie beispielsweise durch den weit verbreiteten Borkenkäfer entstehen, sehr gut detektiert werden können. Auch der Schichtaufbau der Mal- und Grundierungsschichten an sich kann anhand der THz-Daten korrekt rekonstruiert werden.

Summary:
In the context of this work, a robotic-based THz system was developed, which moves a THz sensor relative to an arbitrarily shaped sample. THz measurements can be carried out in transmission or reflection configuration. Frequently, however, the absorption of a sample is too high to penetrate the sample completely or a transmission arrangement is not possible for geometrical reasons. The developed system works therefore with a THz sensor in reflection geometry. For this, however, it must be ensured that the sensor is perpendicular to the sample at all times and that the sample, in turn, is located in the focal plane of the sensor. In order to be able to use the system as individually as possible, the developed measuring method is divided into four steps. In a first step, the surface of the sample to be measured is detected by a fringe projection method. Based on this surface model, the measurement path for the robotic arm is calculated in such a way that the THz sensor stands vertically and at a defined distance to the measurement point. To make the measurement path of the robotic arm as efficient as possible, it should be simulated in advance. Simultaneously during the simulation of the measurement, a collision check is performed to guarantee the non-destructive inspection of valuable objects. The simulated measurement path is subsequently passed on to a THz measurement software in the last step so that the sample can be examined point by point. However, before the tomographic examination of the actual objects can be started, it is necessary to create a material database. Chapter 3 of this thesis therefore presents an overview of the dielectric properties of all relevant materials in the fields of anthropology and art restoration. It turns out that in the case of the embalming materials of ancient human remains, there is a high identification potential based on THz measurements. To tomographically reconstruct the data acquired with the robotic-based system, a special algorithm is available which automatically detects the THz pulses in the data and assigns them to the corresponding layers. The developed system is tested on various objects that are exemplary for the fields of anthropology and art restoration. In the field of ancient human remains, a detailed analysis of a human mummy hand takes place. Here, the THz measurements can be used to reconstruct up to four layers below the skin, which show a high degree of agreement with micro-CT images. By contrast, the comparison of the THz data with conventional CT images shows that the resolution of the THz measurements clearly exceeds that of the CT. Compared with the Micro CT scanner, the THz system also has the advantage that even larger objects can be examined. There is also another advantage in the mobility of the system. Mobile X-ray devices have a very poor resolution, so that THz systems could be a useful in addition to the direct work on archaeological excavation sites in the future. In addition, the requirements for occupational safety are significantly lower than for X-ray equipment. In the field of art restoration, the system is tested on a wooden sculpture (putto). This wooden sculpture has significant damages both in the wood structure and in the overlying painting and priming layers. In a first preliminary investigation, it can be seen that near-surface damages, such as that caused by the widespread bark beetle, can be detected very well. The layer structure of the painting and primer layers per se can also be correctly reconstructed on the basis of the THz data.


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