用于测量薄片性质的光学扫描仪的制作方法

专利名称：用于测量薄片性质的光学扫描仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量薄片(sheet)材料的性质的光学扫描^f义， 更特别地，涉及一种和用于测量塑料和纸张的性质的光谱仪结合的光学 扫描仪。
背景技术：
光谱仪在本领域中是熟知的。不同类型的光语仪被用来分析和识别 不同样品材料的特性。参考图1,示出的是传统的傅立叶变换红外 (FT-IR)光谱仪100。该光语仪包括红外源120。来自源120的辐射被 透镜140准直。得到的光束(以虛线示出)传到分束器160并被其分开。 光束的一半传到固定反射镜180,并且另一半被引导到移动的反射镜 125。移动的反射镜125是在图中箭头A所示的方向可移动的。
分开的光束被反射镜180和125反射，在分束器160处重新结合并 根据反射镜180和125与分束器之间的光程差产生相长或相消干涉。
在光谱仪的工作期间，移动反射镜125以 一定速度在一个方向移动。 结果，从分束器出来的光束是调制频率的混合。该混合反射离开反射镜 190并到路径155上。路径155穿过支撑将被分析的样品材料的窗165。
通常，光谱仪可以一种或两种模式操作，透射和反射模式。再次参 考图1, FT-IR光镨仪以透射模式操作时，窗由允许红外范围内的辐射 从其穿过而基本不发生吸收的材料制成。红外探测器(未示出)放置在 FT-IR光语仪远离样品的相反侧。在辐射穿过样品之后，作为结果的辐 射被聚焦到红外探测器上，响应检测到的辐射的幅度产生信号。这些信 号被FT-IR光谱仪以预定间隔采样并产生样品材料特有的干涉图。
当FT-IR光谱仪以反射模式操作时，红外辐射的路径155照射到 (impinge on)将被分析的样品上。不同于光谱仪以透射模式操作时所 用的窗，窗是反射红外辐射的。结果，辐射从窗返回并在最终传到探测 器之前第二次穿过样品。这两次穿过样品在很多情况下提供更好，更精 确的扫描和分析。
在纸和塑料工业中，通过在样品窗中放置薄片材料利用光栅光语仪能够测量诸如厚度和其它特性的薄片性质。在透射或反射模式，很多光 栅光谱仪的重要特性是在光谙仪上进行适当的读取所需要的积分时间 周期。积分时间周期通常是线性阵列探测器上的电荷耦合器件计算激励 探测器所有象素的所有光子所需要的时间。对于红外光谱法，积分时间
非常短(大约lms)。这通常需要在积分时间周期期间样品相对于光栅 光谱仪是固定的(stationary)。在实验室环境下，这不是问题。然而， 在在线制造环境下，特别是在纸和塑料工业中，由于短的积分时间，光 栅光谙仪的利用是受限制的。
此外，在积分时间期间薄片材料厚度的变化将导致破坏(wash out) 干涉图案。在分光技术中，希望利用单个信道探测器和声光可调滤光器 来测量所关心的红外区域。这种技术的问题是通常不能同时测量所有光 谱。薄片的移动导致测量的性质的不精确。测量薄片上的固定点能够增 加精度。可能能够利用闪光来利用薄膜干涉测量法克服积分时间问题。 然而，合适的近红外源是难以获得的并且用于红外源的机械断路器 (chopper)具有固有限制。
"A Noncontact, On-machine, Laser Ultrasonic Sensor for Measuring Paper and Paperboard Bending Stiffness and Shear Rigidities," E. Lafond, 等人，Proceedings of TAPPI Practical Papermaking Conference (2005年5 月23日)中公开了一种用于补偿移动薄片的方法。Lafond描述了耦合 到用于测量造纸机中纸的剪切特性的伺服机构的超声激光器的运用。 虽然，声学方法对于测量造纸机中纸的剪切特性可能是合适的，但
是其它性质只能在光学领域中测量。例如，当样品是薄膜(8pm数量级) 时，超声方法可能时不合适的。因此，非常需要一种利用光学领域中的 辐射的方法。

发明内容
本发明提供一种和用于测量薄片性质的光谱仪一起使用的光学扫 描仪。该光学扫描仪允许在光谱仪中观察行进的薄片材料巻幅(web) 中相同的点以使得能够观察干涉图案而不考虑行进的薄片材料巻幅的 厚度变化。
在 一个方面，本发明是用于测量行进的薄片材料的性质的红外光谱 仪，所述光谱仪包括向行进的薄片材料发射辐射的源；分开发射的辐
射的分束器；向行进的薄片材料引导发射的辐射的光学扫描仪；以及用 于测量在与行进的薄片材料相互作用之后的辐射的探测器，其中所述光 学扫描仪被配置成扫描辐射以抵消行进的薄片材料的运动。
在另一个方面，本发明是和红外光谱仪一起使用的光学扫描仪，所 述红外光谱仪配置成测量行进的薄片材料的性质，所述光谱仪包括用于 发射辐射的辐射源，用于分开发射的辐射的分束器，以及用于测量在与 行进的薄片材料相互作用之后的辐射的探测器，所述光学扫描仪包括 用于保持辐射光束相对于行进的薄片材料固定的振荡光束偏转装置；以 及用于驱动所述振荡光束偏转装置的驱动装置。


下面，将参考非限制型地示出本发明的实施例的附图进一步详细地 描述本发明，其中在所有附图中用相同的附图标记表示相同的部分。但 是,应该理解的是本发明并不限于所示的精确的配置和手段。其中
图1是传统傅立叶变换红外光谱仪的示意图2 (a)和2 (b)分别是通常用于纸和塑料工业中的薄片制造机
的示意性前一见图和侧面图3是根据本发明的实施例的光学扫描仪的示意图4是根据本发明的实施例的基于检流计的光学扫描仪的示意图5 (a)和5 (b)分别是根据本发明的实施例基于检流计的光学
扫描仪的示意性前视图和侧面图6是根据本发明的实施例的基于旋转反射镜的光学扫描仪的示意图。
具体实施例方式
现在，将详细参考本发明的优选实施例，用于测量薄片性质的分光 传感器，其例子在附图中示出。虽然结合优选实施例描述本发明，但是 可以理解的是并不打算限制本发明到这些实施例。相反，本发明打算覆 盖改变，改进和等价物，它们被包括在由附加权利要求限定的本发明的 精神和范围内。此外，在本发明下面的详细描述中，将阐述许多具体细 节以便提供对本发明全面的理解。然而，本领域技术人员将意识到本发 明可以以不同于这些具体细节而实施。在另一方面，将不详细地描述乂>知的方法，程序，部件和电路以便不必要地使本发明的内容变得模糊。
将根据表示对辐射信号进行操作的程序，步骤，逻辑块，处理和其 它符号来介绍随后的详细描述的一些部分。这些描述和表示是数据处理
的i作的主要内容时所^用二的手^段。这里所说的程序,曰计算机执行步骤， 逻辑块，过程等通常被构造成是产生所期望的结果的一系列自洽的步骤 或指令。步骤是需要物理量的物理操作的那些。
概括地地描迷纸和塑料工业中的制造环境，有助于说明本发明的原 理。通常，大的托架垂直于行进薄片的运动，而横越薄片材料运动，从 而对缺陷并为了质量控制进行扫描。因此，在在线制造环境中，优选地 是使光束相对于行进的薄片的方向和托架的方向固定。两个运动必须净皮 补偿以产生用于积分时间目的的"固定"光束。
参考图2 (a)和2 (b), —般性地示出了薄片制造机200的示意 图。图2 (a)是薄片制造机的前视图而2 (b)示出侧视图。固定框架 215支撑平行的引导构件230。托架245被安装在引导构件230上并包 含光语仪和其它扫描部件。托架245被构造成沿着箭头Y指示的方向4黄 跨薄片210来回移动。托架245被连接到驱动系统(未示出)，驱动系 统以稳定的速率驱动托架橫跨薄片210来回移动。现在参考侧视图2 (b),薄片210被沿着箭头X指示的方向引导。薄片可被驱动系统(未 示出)以稳定的速率驱动。
现在参考图3,示出的是根据本发明实施例的托架245的示意图。 在该特殊情况下，托架245包括被构造成以反射模式操作的FT-IR光谱 仪。光谱仪包括红外源120。红外源可以是白炽光源或激光器。虽然本 说明书以配置有红外源的示范性实施例讨论，但是可以理解的是光谱中 其它部分的辐射也可以被用于样品不同特性的探测。例如，可见、近红 外和中红外传感器可以被用来测量样品的不同的特性。明显地，光谱的 每一部分都需要产生光语该部分辐射的源。例如，LED可以产生可见光 谱中的辐射，产生超连续激光的激光器可以产生宽光谱中的辐射。透镜 140准直源120产生的辐射。准直后的光束(实线示出)传到分束器160 并被其分开。部分光束传到固定的光束收集器125，而另一部分光束被 引导到干涉仪310。
配置分束器160以使得光谱仪接收辐射的适当的宽光谱。在一实施 例中，分束器是半银镜。这可以是具有薄的银涂层(通常由银蒸汽沉积)
的玻璃板，该银涂层具有一定厚度以使得以45度入射的光一半透射而 另一半反射。取代银涂层，也可以利用介电光学涂层。在另一实施例中， 分束器是二色分束器，其可以被配置成对于辐射光旙的某些部分是高透 射率的和/或对于辐射光谱的某些其它部分是高反射的。名称为"光波长 分束器，，的US 6,961,126公开了这种分束器，在此通过参考全部结合该 文献。
光束收集器125提供"黑"背景以使任何入射到该光束收集器上的 辐射都被吸收并且不进一步与源辐射相干涉。源光束在分束器160重新 结合并根据反射镜125与分束器160之间的光程差相长或相消干涉。包 括调制频率的混合的光束被引导到光学扫描仪330。光学扫描仪330引 导光束340到行进的薄片材料210上的点。光束被引导到图中所指示的 点B,并且当光束被引导来补偿X方向行进薄片的运动和Y方向托架的 运动时，光束可移动到350所指示的点。可以理解的是光束340和350 不是不同的光束，而通常是指不同时间的光束340的运动。光束的运动 抵消了薄片210和托架245的运动，因此，产生的光束350实际上固定 在移动薄片210的相同的点上。
光束路径340照射到行进的巻幅(web) 210上并且辐射纟皮行进的 巻幅210反射回来穿过光学扫描仪330且在干涉仪310处重新结合。由 于行进的薄片210上的束斑B相对于薄片保持固定，所以干涉仪具有足 够的积分时间周期来产生适当的干涉图案。
光学扫描仪可被耦合到指示移动薄片在X方向的速度和Y方向的 托架速度的电子信号(未示出)。实际上，移动薄片210的速度可通过 制造工艺预先确定，并且托架245的速度也可以通过制造工艺预先确定。 同样需要注意的是由于光学扫描仪330的速度相对光束的速度是可有效 忽略的，所以反射的辐射沿着相同的光学路径返回干涉仪或探测器构 造。
虽然已经示出了反射模式的光谱仪，但是可以理解的是光谱仪可以 以透射模式操作。在透射模式操作中，探测器(干涉仪)将通常被放在 行进的薄片材料下面的托架245中。可以理解的是，这种配置需要驱动 电子信号(指示出移动薄片的速度和托架速度)被同时耦合到托架的顶 部和底部以使探测器与透射光学扫描仪绝对同步。这种配置对于测量高
度半透明的或者反射光谱可忽略的薄片材料的性质是必需的。应该注 意，这种配置需要探测器配置的移动与光束运动同步。
下面将论述光学扫描仪330的操作的细节。在一个说明性的实施例 中，光学扫描仪是基于检流计的光学扫描仪。在基于检流计的光学扫描 仪中，输入进入光学扫描仪的光束通过诸如围绕垂直于光束轴的轴有角 度地振荡的反射镜等光束偏转元件横跨定向的平面移动。振荡通过诸如 移动的线圏、移动的铁或移动的磁铁驱动器等检流计型驱动器产生。图 4中示意性地示出了这种配置。偏转轴412和414由诸如反射镜等两个 光束偏转元件形成。为了说明的目的，反射镜被靠近放置在一起以形成 与输出光束处于相同平面内的输入光束的转移。焦轴416是两个透镜 410和420的公共焦点。图4中示出的简单例子说明了进入透镜410的 光束(以虚线示出)在离开透镜420之后被沿着相同的平面转移。
通过图5 (a)和5 (b)中示出的侧面图示出用于扫描二光束的基 于检流计的光学扫描仪400的实施。透镜530引导辐射光束到第一反射 镜510。反射镜510基于检流计围绕由D指示的轴振荡并且用来将光束 (虚线所示的)引导到另一反射镜520。反射镜520围绕由E指示的轴 振荡并且用来将光束引导到透镜540。公开的基于检流计的配置通过两 个基于检流计的光束偏转元件转移二维X和Y的光束运动。
驱动反射镜510振荡的检流计基于指示行进的薄片210速度的电信 号。驱动反射镜520振荡的检流计基于指示当托架横跨行进的薄片210 移动时的托架速度的电信号。所公开的实施例仅是用于说明的目的，因 为其它基于检流计的扫描配置也适于所期望的目的。
参考图6,示出的是根据本发明的光学扫描仪的可替换实施例。两 个光束偏转元件610和620平行设置在旋转盘640上。输入光束(以实 线指示的)照射到位于第一位置(以实色指示的)的反射镜610上并且 该光束被偏转到位于第一位置(以实色指示的)的平行反射镜620。该 光束然后被反射镜620偏转以产生输出光束(以实线指示的)。
当盘640旋转时，反射镜610和620被设置到新的位置(以白框指 示的)。输入光束照射到位于新位置的反射镜610上并被偏转到平行反 射镜620。该光束然后被反射镜620偏转以产生输出光束(以虛线指示 的)。旋转盘640被指示行进的薄片210的速度的电信号驱动。
所公开的实施例示出了用于转移 一 维的输入光束的旋转反射镜配
置。级联所公开的实施例和另 一个被指示托架速度的电信号驱动的旋转 反射镜配置将产生二维转移的光束。电流表示行进的薄片材料的速度。
已经利用傅立叶变换红外光谱仪说明了所公开的光学扫描仪配置。 然而，可以理解的是本发明的一个实施例中的光学扫描仪可以被用来， 例如，测量薄膜产品的厚度。固定的点需要用来测量薄膜产品的厚度。 因此，本技术包括在薄膜上的 一 个点上保持固定的点并且通过根据光谱 仪执行的测量拟合数学曲线来测量厚度。
另外，虽然光学扫描仪被参考傅立叶变换红外光谱仪来描述，但是， 可以理解的是也可以使用传统的基于光栅的耦合有探测器阵列的光谱 仪。
本发明的优选实施例，用在用于测量行进的薄片材料的性质的光谱 仪中的光学扫描仪被如此描述。虽然本发明被以特别的实施例描述，但 是应该意识到本发明不应该被这些实施例所限制，而是根据下面的权利 要求限定。
权利要求
1、一种用于测量行进的薄片材料的性质的光谱仪，所述光谱仪包括:向所述行进的薄片材料发射辐射的源(120)；用于分开所述发射的辐射和与所述行进的薄片材料相互作用之后的辐射的分束器(160)；用于向所述行进的薄片材料引导所述发射的辐射的光学扫描仪(330)；以及用于测量与所述行进的薄片材料相互作用之后的辐射的探测器(310)，其中所述光学扫描仪(330)被构造成扫描所述辐射以抵消所述行进的薄片材料的运动。
2、 根据权利要求l的光谱仪，其中所述辐射是红外的。
3、 根据权利要求1的光语仪，其中所述光学扫描仪是基于检流计 的光学扫描仪或旋转反射镜。
4、 根据权利要求1的光谱仪，其中所述光学扫描仪被构造成扫描 所述辐射以抵消容纳所述红外光谱仪的托架的运动。
5、 根据权利要求l的光谱仪，其中所述探测器是干涉仪。
6、 根据权利要求1的光谱仪，其中所述分束器是半银镜或二色分 束器。
7、 根据权利要求3的光i普仪，所述基于检流计的光学扫描仪还包括用于转移第一维中的所述辐射的第一振荡反射镜(510);以及 用于转移与所述第 一维正交的另 一维中的所述辐射的第二振荡反射镜(520 )。
8、 根据权利要求7的光谱仪，其中所述第一振荡反射镜被响应指 示所述行进的薄片材料速度的信号的检流计驱动；所述第二振荡反射镜 被响应指示容纳所述红外光谱仪的托架速度的信号的检流计驱动。
9、 根据权利要求3的光镨仪，所述光学扫描仪还包括 彼此平行设置的多个反射镜(610， 620 ),所述多个反射镜设置在旋转盘(64G)上。
10、根据权利要求9的红外光谱仪，其中所述旋转盘被指示所述行 进的薄片材料速度的信号驱动，或者所述旋转盘被指示容纳所述红外光 谱仪的托架速度的信号驱动。
全文摘要
本发明涉及一种和红外光谱仪一起使用的光学扫描仪。该光学扫描仪转移辐射光束到移动薄片材料上的固定点以便在该光谱仪内实现足够的积分时间。光束路径碰撞到移动织物上并且辐射被移动织物反射回来穿过光学扫描仪且在干涉仪处重新结合。辐射光束相对于移动薄片材料和收容光谱仪的托架两者保持固定。
文档编号G01N21/89GK101379391SQ200680053095
公开日2009年3月4日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月30日
发明者H·M·凯, S·蒂克西耶 申请人:霍尼韦尔国际公司