Entwicklung und Charakterisierung eines Roboter-basierten Terahertz-Zeitbereichsspektrometers für bildgebende Anwendungen auf dem Gebiet der Anthropologie und Kunstrestaurierung

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 d...

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Main Author: Stübling, Eva-Maria
Contributors: Koch, Martin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Physik
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary: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.
Physical Description:165 Pages
DOI:https://doi.org/10.17192/z2019.0107