CN101223436B - 用于纤维取向测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于图像的，在一张移动的非织造材料纤维网上测量纤维取向的技术，包括如下步骤：(a)基本上同时地在所述纤维网的第一面用至少四条具有不同偏振特性的，大体上垂直的平面偏振入射光束照射出至少四个光斑，(b)沿至少一个线性截面测量位于所述纤维网的反面的所述出射光斑的弥散，该线性截面与对应平面偏振入射光束的偏振平面之间形成了一个已知的夹角，其中至少一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展，(c)对所述至少四条平面偏振光束，计算所述透射出射光斑的弥散偏差，以及(d)根据所述偏差估计所述纤维取向。

Description

用于纤维取向测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及确定由非织造材料形成的纤维网中的纤维取向的技术，具体涉及基于图像的并使用线偏振光或平面偏振光的弥散(dispersion)来对纸张的纤维取向平均值进行的测量。
背景技术
在连续造纸机械上的造纸过程中，在移动的筛网，造纸帆布，或夹网(wire)上会从水状纤维悬浮液(原料)中形成一张纸纤维网，且水分则在重力和吸力作用下穿过帆布排出。所述纤维网然后被传送到挤压区，在该区用压力和真空去除更多的水分。接下来所述纤维网进入干燥区，在该区域由蒸汽加热干燥机和热空气完成干燥过程。造纸机实质上是一个水分去除系统。本技术领域内熟知的造纸设备在如下的文献中有描述，例如：Angus Wilde出版有限公司，1992年，G.A.Smook著，纸浆和造纸技术人员手册(第2版)；以及McGraw Hill公司，1970年版，R.MacDonald著，纸浆和造纸第三卷(造纸和纸板制造)。而纸张制造系统则在如下文献中有进一步的描述，例如：授予He的美国专利No.5,539,634，授予Hu的美国专利No.5,022,966，授予Balakrishnan的美国专利No.4,982,334，授予Boissevain等人的美国专利No.4,786,817，以及授予Anderson等人的美国专利No.4,767,935。
在现代高速造纸技术中，众所周知，为了监测完成产品的质量，需要持续测量纸张材料的某些属性。这些在线测量值常包括纤维取向(FO)，纸张基重，水分含量，以及纸张厚度，即厚度。测量值可用于控制过程变量，其目的在于保持产出品质，并使得由于制造过程中的扰动而导致必须拒收的产品数量最少。所述在线纸张属性测量常通过周期性地从一边到另一边横跨纸张材料的扫描传感器完成。
造纸中的纤维取向指的是纤维网上个体纤维的优先方向。由于流浆箱内的流动状态和夹网上的喷气冲击，纤维有在纤维网里按照纵向(MD)而非其他方向排列的趋势。如果纤维网里所有的纤维都完美地分布，则纸张在所有方向都将有相同的属性。这种纸称为各向同性纸，且它的纤维分布可在极坐标图上以圆圈的形式绘制曲线。
如果一个方向上的纤维比其他方向上的纤维多，那么纤维就是非均匀分布，且纸张为各向异性。如图22所示，所述各向异性纤维分布可在极坐标图上绘制成对称的椭圆形几何图2。各向异性纸张的纤维率大于1，对于较高的纤维率，极性分布趋向于数字8的形状。所述纤维率(各向异性)被定义为彼此分开90°的最大分布和最小分布之间的比值，各向同性纸张的纤维率为1。纤维角α被定义为椭圆2的主轴6与纵向4之间的夹角。副轴8与主轴6垂直。图23还显示了一张纸中的FO比(Max3和Min5的比值)的定义以及纤维分布的FO角。对于其它垂直方向也可以定义纤维率，且在造纸中也经常使用纵向4的纤维分布与垂直纵向9的纤维分布之间的比值。
已成形纤维网中的纤维取向可对最终产品的许多属性产生影响。特别是如果所述纤维取向分布不正确，那么将会发生以扭曲，卷曲，以及歪斜形式出现的尺寸不稳定性，且强度轴线也不会和制造轴线对应。这会导致有缺陷的产品，例如在打印机/复印机中发生卡纸的纸张，在弥散项目集装箱中发生压碎的包装箱，以及堆放时发生歪斜或倒塌的盒子。通过在生产过程中精确地在线测量纤维取向，可以由人工干预或纤维取向控制系统及时地纠正问题。
人们已经提出了多种测量纤维取向的技术，其中有一些基于激光的传播或基于来自偏振或非偏振光源的微波激射点(maser spot)。通过这些技术可以测量到，穿过纤维网时光斑在传输中的变形，或照射光斑反射亮度的镜像式或非镜像式方向性变化。由于光斑照射区域相对较小，这些技术不需要因为纸张而放弃代表性测量值。许多这种测量纤维定向的非直接技术都基于这一物理原理，即纤维在垂直其对齐方向上对光的散射要比沿其对齐方向上对光的散射多。
例如，授予Karasikov等人的CA 2,012,351文献公开了一种确定静止或移动纤维网中纤维取向的系统，其中一个小圆形光斑被聚焦在纤维网的第一表面上，从而在纤维网的第二或相反表面上形成椭圆形的光斑。所述椭圆形光斑被聚焦到一个光敏元件阵列上，这些光敏元件按预先设定的距离在纤维网的第二表面上平行排列。所述纤维取向通过对图像中椭圆形光斑的大小，方向和纵横比进行评估而定。
授予Blecha等人的美国专利No.4,955,720公开了一种在线测量方法，该方法用一个一致光的圆形光斑照射移动薄片的一面，并在反面获得一个透射光斑的稳定图像。所述纤维取向角根据假定形状为椭圆形的透射光斑形状进行估计。
同样地，授予Kazuhiko等人的美国专利2003/0156293公开了一种方法，此方法使用非偏振聚焦光束在薄片的一面照射一个圆点，并在相反的一面形成透射光斑的图像。纤维取向角以及各向异性通过透射光斑和椭圆的接近程度来估计。
所有上述的方法都采用入射光的圆形光斑照射薄片，且它们的测量原理要求出射透射光斑形状为椭圆形。事实上，投射光的出射光斑只有在纸张的纤维取向分布具有特定特性，如单峰分布且在其最大值附近对称时，才会成椭圆形。单峰分布有一个最大值和一个最小值。在某些实例中，纤维取向分布可为双峰或多峰，使得在所述纤维取向分布中有多个最大值和多个最小值。此外，即便所述纤维取向分布为单峰，角的分布也不总是在最大值附近对称，在这种情况下出射光斑不是椭圆形。如果所述薄片的纤维取向分布不是单峰或不对称的话，上述方法产生的对纤维取向角以及纤维取向各向异性的估计就不可靠。
例如，在多层纸板中会产生多峰或非对称分布，这是由于将两张或更多张单独形成的，具有不同纤维取向分布的纸张结合在一起而造成的。当来自流浆箱的喷射流中有局部漩涡，或在通过喷嘴的流场中有其它结构差异，尤其是流浆箱的薄片通道装有把浆流隔成层的叶片时，结果也会在单层纸张中出现这些分布。
非对称分布可为单峰分布或多峰分布，而多峰分布可以是对称分布或非对称分布。纤维取向的非对称性或多峰性的检测和量化对于所生产产品的过程监测和缺陷诊断很重要。
授予Hartig的DE 3,413,558专利描述了一种采用偏振激光在薄片的一面照射一个激光光斑的技术。在薄片的反面，四个光电二极管沿x和y轴位于预计出射光斑位置的名义边上。所述纤维取向和各向异性根据每条轴上相加的透射亮度比例确定。在上述系统中，所述Hartig装置还测量薄片内的总纤维取向或平均纤维取向。
授予Fukuoka等人的美国专利No.5,475,233，授予Hellstrom等人的美国专利No.5,640,244，以及授予Komppa的美国专利No.6,643,022公开了多种方法，其中激光被斜射到薄片上，并在不同的方向和斜角对非镜面反射的激光进行测量。表面纤维取向确定基于从多个方向测量的照射反射率。这些公开的方法所采用的照射光几何形状在某种程度上有所区别。
由于这些方法中照射光所用的低入射角，它们的反射光测量值只提供了关于薄片表面一个薄层内纤维取向分布的信息。由于反射大部分发生在面向薄片表面的纤维表面，且典型情况下所述纤维表面位于薄片表面以下20微米范围之内，所述测量值主要表现了第一层纤维的情况。且因此这些测量值所提供的关于薄片内更深处纤维取向情况的信息很少甚至没有，而这些信息在造纸中更重要。此外，如果薄片表面疏松，使得一些纤维部分地突出薄片，或如果薄片表面粗糙度具有毫米级别的高幅度，则这些方法还会产生具有偏差的结果。这些方法对于正在测量的纸张平面内的细微变化也很敏感，这种细微变化既包括与测量装置相关的位置变化，也包括纸张平面的几何关系以及在光的照明和检测中所用的多种方向变化。
图像分析是一种用于纸张纤维取向测量的标准实验室技术，由此将取自平底扫描仪或相似装置的静止薄片透射图像进行分析。由于纸会使光严重散射，因此所用样品通常必须被剥成数层，以便能够透射或反射成像。所述层典型情况下都非常薄，并且重量每平方米仅几克(gsm)。这种实验室过程是劳动密集型过程，不适合对移动纤维网的在线测量。
因此，尽管这些纤维取向测量系统宣称了与之相关的各种优势，但这些设备没有一种提供了一种简单，耐用，精确的，用于对移动纤维网或采用非织造成分制成的薄片进行在线纤维取向测量的装置。
发明内容
本发明部分基于这样的判别，即沿含纤维的，非不透明纤维网的整个深度或厚度方向的纤维取向可以通过对透射过所述纤维网的线性或平面偏振准直光束的弥散进行分析来测量。整个纤维取向计算部分基于这样的原理，即，一条平面偏振光束的弥散程度和它的偏振平面及位于它光路上的平均纤维取向之间的差异有关。此外，具有不同偏振平面的光束的弥散差异也是所述纤维网各向异性程度的特征。
一方面，本发明指向一种用于测量移动纤维网的纤维取向的方法，该方法包括如下步骤：
(a)用具有不同偏振特性的至少四条平面偏振入射光束基本上同时地在所述纤维网的第一面照射出至少四个光斑，其中，所述至少四条平面偏振光束的每一条都大体上垂直所述纤维网表面入射，并透射过所述纤维网，在所述纤维网的第二面，即第一面的反面，形成至少四个对应的透射出射光斑；
(b)对所述至少四条束平面偏振光束的每一条，沿至少一个线性截面测量所述出射光斑的弥散，该线性截面相对所述对应平面偏振入射光束的偏振平面有一个已知夹角，其中至少一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展；
(c)对所述至少四条平面偏振光束，计算所述透射出射光斑弥散的偏差(如果有的话)；并
(d)根据所述偏差估计所述纤维网的纤维取向。
另一方面，本发明指向一种测量纤维网的纤维取向的系统，该系统包括：
将具有不同偏振特性的至少四条平面偏振入射光束基本上同时地在所述纤维网的第一面照射出至少四个光斑的机构，其中，所述至少四条平面偏振光束的每一条都大体上垂直所述纤维网表面入射，并透射过所述纤维网，在所述纤维网的第二面，即第一面的反面，形成至少四个对应的透射出射光斑；
用于在所述纤维网的第二面上的一个照射区域获取至少一个图像的图像获取机构，其中，所述照射区域包含来自所述至少四条入射光束的透射出射光斑；
和每条所述至少四条平面偏振光束关联的控制机构，用于测量沿至少一个线性截面的所述出射光斑的弥散，其中至少一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展；
用于对所述至少四条平面偏振光束，对所述透射出射光斑弥散中的偏差(如果有的话)进行计算的机构；
用于根据所述偏差估计所述纤维网的纤维取向的机构。
所述基于图像的测量技术特别适合集成到一个连续的纤维网制造过程(如造纸过程)当中，在这种过程中对移动纤维网的纤维取向要进行监控。移动纤维网的图像可在纵向或横向相对移动纤维网的一个或多个固定位置确定。图像还可以在图像检测器横向(典型情况下)跨越移动纤维网进行前后扫描时确定。例如，所述图像探测器可安装在横移传感器平台上，以便所述纤维网的整个宽度能够大体上被测量。本发明还可作为一个装置阵列使用，每个装置测量所述纤维网的一部分，使得大体上整个纤维网宽度上的纤维取向可以同时被测量。
用于测量纤维取向的本发明使用多条平面偏振光束同时照射所述纤维网的一个表面。作为推论，本发明技术相对现有技术展现出重要的优势，包括，例如：(i)它不需要移动零件，例如旋转偏振器或旋转探测器，从而使其结构更加简单而坚固；(ii)它不易受所述纤维网各向异性的快速变化的影响，因而测量结果更可靠；(iii)它在时间范围提供了更高分辨率的测量值；(iv)它对所测量薄片平面中相对测量装置的位置或几何变化不敏感；且(v)在扫描测量的情况下，它可以在位置范围提供更高分辨率的测量值。
本发明还和许多依赖透射光成像测量纤维取向的常规方法不同，因为本发明并不是基于测量透射过薄片或纤维网的已知光斑形状的几何变形。实际上，本发明不要求所述照射为具有良好边界限定的光斑，或所述照射区域显示出任何特定的形状(圆形或其它形状)。但是，在本发明的一些实例中，以下情况是有益的，即，每个光斑具有接近正方形或矩形的截面，且光的偏振平面和所述光斑的一条边平行。
此外，本发明并未试图通过测量所述出射照射的形状，或通过确定亮度等值线或其它与出射照射形状相关联的代理指标来估计纤维网的纤维取向。相反，使用本发明，纤维取向是基于对透射偏振光弥散的测量。
附图说明
图1图解说明了一种利用偏振光的弥散，对平均纤维取向进行基于图像的在线测量的设备；
图2图解说明了所述基于图像的在线测量设备的校准；
图3A，4A和5A每个图描绘了在纤维网照射一侧具有相同亮度的偏振入射光斑，以及在反面具有弥散亮度的出射或透射光斑；
图3B，4B和5B每个图都是弥散透射光斑的一个图像，显示了所述出射光的亮度等值线；
图3C和5C每个图都是沿穿过出射光的选定截面上的亮度曲线图；
图6A描绘了所述纤维网上的照射情况，该照射包括了一个用具有四个偏振平面的偏振光线段对组成的排列；
图6B描绘了所述纤维网上的照射情况，该照射包括了一个用具有四个偏振平面的单条偏振光线段组成的排列；
图6C描绘了所述纤维网上的照射情况，该照射包括了一个用具有四个偏振平面的单条偏振光线段组成的排列；
图6D图解说明了共享相同偏振平面的线段对或更大的线段复合可由一个普通偏振光源生成为重叠图形；
图6E描绘了所述纤维网上的照射情况，该照射包括了一个排列，该排列由具有四个偏振平面的偏振光线段对重叠所形成的形状组成；
图7是在每个偏振平面上最大弥散和最小弥散的曲线，其中数据由光滑的曲线连接；
图8，9和10分别是描绘低度各向异性，中度各向异性和高度各向异性情况下相对偏振平面最大弥散和最小弥散的曲线；
图11是相对一个代理变量的各向异性或纤维取向指数的相互关联曲线；
图12，13，和14描绘了各种光源和偏振器的排列；
图15，16，和17描绘了纤维网上照射光斑的各种排列；
图18，19，20和21描绘了各种光源和图像装置的构造；
图22描绘了纤维定向测量的定义；
图23A和23B分别是相对偏振平面的最大弥散的笛卡儿坐标曲线和极坐标曲线；它们描绘了一个非对称纤维取向分布；且
图24A和24B分别是相对偏振平面的最大弥散的笛卡儿坐标曲线和极坐标曲线；它们描绘了一个多峰纤维取向分布。
具体实施方式
本发明涉及用于计算非织造材料中纤维取向的方法和装置，尤其是在所述材料以移动纤维网，薄膜或薄片的形式出现的地方。所述纤维网沿所述纤维网整个厚度方向的所述纤维取向均可以被测量。所述纤维取向的测量值可表达为一个或多个用于控制造纸过程，及/或表征产品属性特征的不同参数。所述参数包括，例如：平均纤维取向角和纤维取向各向异性指数。此外，来自所述纤维网两面的所述纤维取向的测量值可以产生和所述纤维网(如纸张)的卷曲及扭曲变形相关的信息。
虽然将就测量纸张的纤维取向方面对明本发明进行描述，但应该理解，本发明可用于分析多种由非织造纤维性材料构成的产品，包括例如纸板，纸巾以及类似产品。此外，本发明还可应用于采用纤维素制作的产品之外的其它产品。例如，所述测量技术可应用于玻璃纤维薄板的制造，其中纤维取向分布的控制也很重要。
如图1所示，一种用于测量移动纸纤维网或薄片10的纤维取向的在线设备位于光源阵列20和成像装置30之间，该设备可配备适当的光学器件(如镜头)来聚焦透射过所述纤维网的光。紫外(UV)，可见，以及近红外(NIR)辐射都特别适合用于所述分析，且优选光源为单色光，例如激光，或接近单色光，例如LED，其波长在0.1到5.0微米之间。但是，也可以采用多种波长的照明(rich illumination)，在这种情况下采用窄带滤光器来成像较为有益。典型的波长范围在100nm到5000nm之间，且优选范围为300nm到2000nm之间。如果所述纤维网包含荧光剂，所述照射在荧光激励波段优选为没有功率，或仅具有微量功率；作为备选，还可使用成像滤光器来阻挡来自所述照射的荧光发射波段。
光源阵列20发出至少四条线性或平面偏振准直光束13，15，17和19，这些光束以大体上垂直入射的方式指向到所述纤维网10的一面(如下表面)上，使得每条光束都照射出一个唯一的光斑。用语“光斑”或“入射光斑”指的是所述纤维网表面上的一个区域，在这个区域准直光束入射并透射。用语“出射光斑”指的是所述纤维网反面的对应区域，在这个区域所述准直光束出射。当只采用四条光束时，所述光束13，15，17，及19在不同的偏振平面被偏振。当采用多于四条光束时，使用了至少四条在四个不同偏振平面被平面偏振的光束。偏振滤光片12，14，16，和18可分别用于生成四条平面偏振光束13，15，17，和19，且所述光束的亮度优选为相同。在此范例中，如图1所示，偏振的四个方向相隔约45度。所述四条光束的亮度应足够高，从而使入射光束透射或穿透所述纤维网10的厚度，来照射所述纤维网10的上表面，以便成像区域32的图像聚焦到成像装置30(如相机)上。
每条准直光束13，15，17或19的宽度应使得所述光束可以通过在纤维网10中的散射而部分弥散。如本发明中所用的用语“弥散”指的是一条准直光束穿过一种散射介质时发生的散射。如本发明的进一步描述，所述被测量的纤维取向角被定义为偏振平面角，在这个角上，跨越所述透射光特定截面的弥散偏差最大。取向角根据最大弥散到最小弥散之间的偏差来测量。
对于纸纤维网中的可见波长和接近可见波长光，所述优选入射光斑尺寸宽度为从50微米到1000微米。对于其宽度大大超过所述纤维网厚度的均匀光束，出射光斑的中心部分也是均匀的，且弥散效果可以在中心周围的一个环形区域内进行测量，此处所述环形区域的宽度是纸张厚度的几倍。光束尺寸优选情况下要足够小，以便弥散效果能够在所述纤维网反面上的整个出射光斑上分辨清楚。如果要给厚度明显不同的多张纤维网测量纤维取向，提供包含合适尺寸小孔的遮罩可能是有利的做法，这样可以对多个操作范围优化光斑尺寸。对每个遮罩都要按本发明的进一步描述分别执行校准步骤。
如图1所示，四条光束13，15，17和19分别在所述纤维网10的上表面形成四个照射出射光斑22，24，26和28。与每条光束相关联的限定形状优选情况下对称，具有至少一根对称轴，或一个对称中心；最优选的情况下，所述限定的形状为圆形或矩形，或形成线段。所述每条光束限定的形状有至少这样一个宽度，即优选情况下小于纤维网厚度的10倍。所述限定形状区域内的照射亮度优选为对称的，且最优选情况下基本上均匀。
图像区域32的图像比例必须足够大，以允许跨越出射光斑的截面能够以足够的分辨率被探测到，从而使所述弥散能够被可靠地进行估计。因此，所述出射光斑不均匀但是具有可探测亮度的部分应至少有几个像素宽。例如，当采用一条小的照射光束使得所述弥散影响到整个光束时，所述出射光斑优选为在跨越要测量的截面上宽度大于20个像素。在实践中，所述亮度变化典型情况下会在每个光斑的名义边界以大于100微米的宽度出现，从而使10微米每像素的区域成像比例也已足够。
虽然可以使用多个圆形光斑，每个光斑具有不同的偏振平面，但这种构造要求照射和成像装置30之间有良好的对齐。因此，更优选的是矩形或分段矩形光斑，尤其是那些由拉长的矩形或线段形成的光斑。在这种情况下，对齐就没有那么重要，因为测量截面被仅限制在一根轴上。因此，可以采用多个截面，并且可以形成平均值或其它集合特征测量值。矩形或线性的照射光斑可通过使用合适的遮罩和镜头来形成，并且这还允许组合成分段的矩形形状，如十字形或L形，如本发明的进一步描述。
为了优化图像中的信息内容，此做法可能有益，即，确保所有光束具有相近的亮度。中等程度的亮度差异，或亮度分布的不均衡性可以通过测量校准图像中的光斑弥散来补偿。然而，饱和像素效果或检测器阴影效果不能补偿，并应该避免。这一目的可以通过改变发光器功率或图像曝光时间，从而使像素不会饱和来达成。对单条光束亮度的控制确保对每个光斑都有足够的动态范围。
根据所述纤维网的厚度不同，在所述纤维网10的上表面出现的出射光的部分或大部分被消偏振。对于如纸这样的纤维网，纤维随机，但非各向同性地排列，即，并非所有的排列角都是统计学上相等的角。作为推论，所述纤维网与偏振光相关联的散射行为取决于光的偏振平面：如果所述偏振平面和主要的纤维排列方向一致，则发生的散射要比偏振平面与主要纤维排列方向垂直的情况下发生的散射少。
当移动纤维网10较为稳定，从而使它与所述成像装置30之间的距离相对稳定时(这种情况下所述纤维网10有足够的支撑)，所述成像装置30(如相机)可采用常规镜头。光学成像比例可通过使用大或高放大倍数的光学器件获得。例如，如果空气动力效果导致所述移动纤维网10抖动，或者另外使其相对所述成像装置30的垂直位置移动，则可使用能够形成大景深的远心镜头，以便所述纤维网10相对所述相机的抖动不会造成图像尺寸的变化。远心设计还有助于得到例如1∶1这样的大比例。
如本发明的进一步描述，测量非织造材料纤维网的纤维取向需要计算对于至少四条平面偏振光束的透射出射光斑的散射偏差(如果有的话)。出于这一点，所述用来测量纤维取向的系统优选情况下要用一种各向同性参考材料和一种各向异性参考材料进行校准。如图2所示，在所述基于图像的在线纤维取向测量设备的第一校准阶段，将一种具有已知透射系数的均匀各向同性参考材料34大体上置于如图1所绘测量时所述纤维网或薄片所占据的同一平面。所述参考材料34在校准期间以基本上和测量时对薄片相同的照射方式被照射。所述参考材料34的照射区域32在另一面成像，且对光弥散进行测量。校准期间测得的光亮度和光弥散值被用于表征所述照射区域的照射亮度或分布的差异，并从而使基于弥散测量值的计算标准化。通过这个标准化步骤，即使是使用在整个照射光斑区域内亮度不均衡的光束，也可以进行可靠的测量。在使用可见光的情况下，所述各向同性参考材料34可以是，例如，乳色玻璃薄片，其透射系数至少在由光源阵列20照射的区域内已知。对于所有的偏振平面，穿过参考材料34任何点的透射系数最优选的情况下是都相同。
相似地，在图2也显示的第二校准阶段，一种或更多种具有已知各向异性的均匀各向异性参考材料34被按顺序大体上置于测量时所述薄片所占据的同一平面。所述每种参考材料34在校准期间以基本上和测量时对薄片相同的照射方式被照射。每种参考材料的照射区域32在另一面成像，且对光弥散进行测量。作为可选情况，一种或多种各向异性参考材料可旋转到多个已知取向角度，并在每个取向角测量光弥散。使用对所述各向异性参考材料34测得的透射光散射值可估算出一个选择的代理变量，并且在所述估算的代理变量和已知的所述参考材料各向异性之间形成一种相互关系。所述各向异性参考材料可以是，例如，由具有与所测量薄片中纤维的名义尺寸相似尺寸的纤维组成的垫子。所述参考材料还可以是具有已知各向异性的均匀纸片。每种参考材料的各向异性应是已知的，例如，所述参考材料中的纤维角分布。
以下范例说明了使用不同形状的光束进行纤维取向测量的原理。在第一个范例中，如图3A所示，采用的是形状为对称的圆形(如圆或椭圆)光斑40的光束。所述光斑40代表在所述纤维网照射面具有均匀亮度的偏振光；两个入射偏振光斑具有如图所示的垂直偏振平面。显示在所述纤维网反面的出射或透射光斑42具有弥散的亮度等值线。亮度截面按多个大致穿过所述光斑中心的方向，在跨越整个所述透射光斑的范围内取出，所述亮度截面通过插入附近像素，或通过对附近的像素进行加权平均的方法，使用处在合适位置的像素。一个截面方向应与所述偏振平面一致，而另一个方向应与该方向垂直。其它方向上的亮度截面也可以进行求值。
图3B是发散光斑的图像，显示了所述出射光的亮度等值线。图像中的每个正方形代表一个像素/整个透射光斑范围内的亮度截面。x+y线(或线性截面)是沿与偏振平面垂直的平面测得的弥散亮度等值线，而x-y线(或线性截面)是沿偏振平面测得的弥散亮度等值线。最后，图3C显示了沿两个选定截面穿过所述出射光斑从径向射线r(从光斑中心引出)测得的亮度曲线图。在这种情况下，亮度曲线是针对位于偏振角
Figure 2006800250316_0
1之上(对应于图3B中x+y线)的透射光测得的曲线(曲线52)，以及针对位于偏振角
Figure 2006800250316_1
1±π/2之上(对应于x-y线)的透射光测得的曲线(曲线46)。σmax是从光斑中心点到点48测得的最大弥散距离，而σmin则是指从光斑中心点到点50所测得的最小弥散距离。
在图4A所示的下一个范例中，采用的是横截面基本上为矩形或正方形的光束。偏振光斑60代表在所述纤维网照射面上具有均匀亮度的偏振光；两个入射偏振光斑具有如图所示的垂直偏振平面。显示在所述纤维网反面的出射或透射光斑42具有弥散的亮度等值线。通过使用横截面基本上为矩形或正方形的光斑，所述亮度截面不需要距离光斑中心很近地交叉。这让检测器和光束之间的对齐不用那么精确。围绕所述名义中心可以取多个亮度截面。通过取平均值，可以选择或形成一个代表性亮度截面。有利的情况是：跨越接近入射光斑中心，且与光斑的边平行的多个不同亮度截面上的照射亮度相同。
图4B是散射光斑的图像，该图像显示了出射光的亮度等值线。x+y线(或线性截面)是沿偏振平面测得的散射亮度等值线，而x-y线(或线性截面)是沿与偏振平面垂直的平面测得的散射亮度等值线。最后，图3C显示了沿两个选定截面穿过所述出射光斑从径向射线r(从光斑中心引出)测得的亮度曲线图。
最后，可使用具有一定线性偏振范围的偏振光束来照射所述纤维网。在这种情况下，沿每条线可测量一个或多个亮度截面。这进一步放松了对检测器精确对齐的要求。亮度截面可在一条线的多个位置选取，优选情况下在沿大体上与所述线垂直的方向上选取。通过取平均值或其它技术，可从多个亮度截面选取或形成一个代表性亮度截面。有利的情况是：沿要取亮度截面的所述线的照射亮度基本上相同。
如图5A所示，偏振光斑80代表在所述纤维网照射面上具有均匀亮度的偏振光；两个入射偏振光斑具有如图所示的垂直偏振平面。显示在所述纤维网反面的出射或透射光斑82具有弥散的亮度等值线。图5B是散射线段的图像84，该图像显示了出射光亮度的等值线。最后，图5C显示了沿两个选定截面穿过所述出射光斑从径向射线r(从光斑中心引出)测得的亮度曲线图。在这种情况下，亮度曲线是针对位于偏振角
Figure 2006800250316_2
1之上的透射光测得的曲线(曲线92)，以及针对位于偏振角
Figure 2006800250316_3
1±π/2之上的透射光测得的曲线(曲线86)。σmax是从光斑中心点到点88测得的最大弥散距离，而σmin则是指从光斑中心点到点90所测得的最小弥散距离。
这些亮度等值线或截面可不使用偏振敏感检测器测量。应该注意，根据纸的厚度，所述出射光是部分或大部分消偏振的。然而，纸是一种纤维随机排列但并不各向同性(并非所有的排列角统计上都相等)的纤维网。因此，它对于偏振光的散射行为取决于光的偏振平面：如果所述偏振平面与主要的纤维排列方向一致，则发生的散射要比偏振平面与主要纤维排列方向垂直的情况下发生的散射少。
在厚纤维薄片中，当使用相对较短波长的光照射出所述偏振光斑时，光在仅穿过所述薄片的一部分之后就已经基本上完全被消偏振了。在这种情况下，具有不同偏振平面的出射光斑的弥散偏差将大部分由所述薄片中靠近所照射面的层内的纤维取向所决定。所述出射光斑的弥散还会被位于距离所述薄片出射面较近的层内的纤维取向影响，但这种影响不会取决于所述入射光斑的偏振平面，并因此对于所有光斑都会相同。
因此，在本发明的另一方面，通过在进行测量时采用多波长光，可以将一张厚薄片中不同层里的纤维取向进行区分。例如，使用相对较短波长光，具有不同偏振平面的光斑的弥散变化主要由位于照射面表面层的纤维取向决定，而使用相对较长波长光，具有不同偏振平面的光斑的弥散变化主要由表面和表面之下的层的纤维取向决定。所述表面和表面之下层的纤维取向可以因此而从所述两个波长上的测量值推断出来。很明显的是，通过使用更多的不同波长，可以推断出所述薄片中多于两层的纤维取向。可用具有不同波长的偏振单色光单独照射光斑，顺序照射或同时照射都可以。作为备选，通过使用具有丰富频谱或包含多个波长波段的偏振光来照射光斑，所关注的不同波长段可由所述成像装置来区分。例如，可使用响应不同波段的多个成像装置，或使用具有滤光器的单个成像装置，滤光器可选择所关注的波长。丰富频谱光源包括白炽灯丝，例如Tungsten-Halogen灯，以及电弧放电，例如滤光氙灯。多波段光源包括采用三重频带磷光质涂层，带水银蒸汽放电的荧光灯。
相似地，在本发明的又一方面，通过顺序或同时地采用具有不同偏振平面的光斑从两面照射一张薄片，并测量相应出射光斑的弥散，可以推断出所述薄片两个面纤维取向之间的差异。
本发明不依靠对亮度等值线的测量，但依靠沿选定线性截面所测得亮度的变化。优选情况下，对于具有给定偏振平面的光，一个截面与所述偏振平面一致，而另一截面与其垂直。如本发明的进一步描述，通过使用具有不同偏振平面的单独光束，相应的弥散揭示了所述薄片对不同偏振平面在偏振平面上以及与偏振平面交叉的方向上的散射能力。如果所述非织造纤维网是彩色纸，散射可能还伴随着吸收，对所有偏振平面它都会削弱所述透射光。然而，由于散射更大的光在透射时有更长的光路，因此吸收会放大偏振平面之间的差异。
除了以上显示的所述偏振光斑和线段形光束结构，还可以采用其他的示范性光束排列。图6A显示了两对具有四个偏振平面的偏振光线段。每一对的一条线段和它们的偏振平面平行，而另一条线段则和它们的偏振平面垂直。所述偏振光在所述纤维网的照射面具有均衡的亮度，而显示在所述纤维网反面的出射或透射光斑有弥散的亮度等值线。图6B显示了具有四个偏振平面的偏振光单独线段，每条线段的轴线都与其偏振平面平行。图6C显示了具有四个偏振平面的偏振光单独线段，每条线段的轴线都与其偏振平面垂直。
如图6D所描绘，从普通的偏振光源，通过合适的光学元件(如镜头，成形的遮罩，以及类似元件)，可将分享相同偏振平面的线段对或更大的复合线段生成为重叠的图形。在这种情况下，所测量的截面不会从太靠近线段交叉的点来取。图6E显示了形成重叠线段对的，具有四个偏振平面的偏振光的各种形状。每一对的一条线段都和它们的偏振平面平行，而另一条线段则和它们的偏振平面垂直。
计算纤维取向角(α)的一种优选方法是首先使用光斑照射确定对于所述至少四条平面偏振光束每一条光束的最大弥散(σmax)和最小弥散(σmin)，其中沿平行于和垂直于每个光斑偏振轴的截面的透射光亮度都被测量。优选情况下，所述弥散都使用校准期间测得的各向异性参考材料的弥散值进行了标准化。
作为备选，采用线段照射来取代光斑照射，所述线段照射有一条线段平行于所述偏振平面，而另一条线段垂直于所述偏振平面，其中对沿与每条线段轴线垂直的截面上的透射光亮度进行测量。图3C显示了沿光斑或线段的截面上的径向射线(r)在偏振角
Figure 2006800250316_4
1和
Figure 2006800250316_5
1±π/2上测得的透射光亮度的代表图形。
对应最大弥散和最小弥散之间最高比值或最大差异的偏振平面可通过插值或拟合(fit)，或从测量值中选择来进行估计。这个偏振平面的角就是测得的纤维取向角。例如，图7是分别在偏振平面和与该平面垂直的平面中从多个具有不同偏振平面(
Figure 2006800250316_6
)的照射光斑分别测得的最大弥散和最小弥散的曲线。图中对于不同的偏振平面绘制了通过最大弥散和最小弥散的光滑曲线。从这个图中，对于不同偏振平面的最大和最小弥散比值通过插值或拟合即可很容易地确认。如图7所示，所述具有最高比值的偏振平面角(
Figure 2006800250316_7
)就是测得的纤维取向角(α)。
作为备选，所述纤维取向角可以仅使用从具有不同偏振平面的多个光斑测得的最大弥散或最小弥散来估计。例如，如果所述对每个光斑测得的弥散仅在所述光斑的偏振平面中测量，则只测量了图7中的最大弥散σmax。在这种情况下，所述纤维取向角可以估计为对应所有这些最大值中最大值(此值可通过插值或拟合很容易地确认)的偏振平面。以相同的方式，如果只测量了最小弥散σmin，则所述纤维取向角可估计为对应所有这些最小值中最小值的偏振平面。
图8，9和10对应不同的偏振平面，这些偏振平面是纤维网中从低程度各向异性，中程度各向异性，到高程度各向异性变化的不同各向异性程度的特征。很明显的是，当存在高程度各向异性时，最大弥散和最小弥散之间的比值是最大的。
纤维和主要纤维取向方向对齐的程度可通过纤维取向指数或纤维取向各向异性来表征。有多种方法可以用来测量纤维取向指数或纤维取向各项异性，包括，基于超声传播的测量，图像分析，以及类似的方法。通常，高各向异性值暗示具有高度指向性的薄片，而低各向异性值暗示在一个薄片中纤维方向的分布更加一致。
在本发明的另一方面，所述移动纤维网或薄片的纤维取向指数还可以通过对一个代理变量(P)进行估值，并从具有已知相互关系的该代理变量对所述纤维网的纤维取向进行估计得出，该代理变量来自所述透射出射光斑所测得的弥散值。几个代理变量中的任何一个都可用作各向异性或纤维取向指数的相关数，包括例如：(i)偏振平面中最大弥散和最小弥散之间的比值，(ii)垂直于偏振平面的平面中最大弥散和最小弥散之间的比值，(iii)任何光斑的偏振平面中最大弥散和任何光斑的垂直其偏振平面的平面中最小弥散之间的比值，(iv)对同一个光斑，偏振平面中的弥散和垂直其偏振平面的平面中的弥散之间的最大比值，(v)对同一个光斑，偏振平面中的弥散和垂直其偏振平面的平面中的弥散之间的最小比值。很明显的是，所述代理变量比值可以无须改变它们在形成相互关系中的有效性而进行变换。例如，使用一个比值倒数形成的相互关系和使用该比值本身形成的相互关系等效。
在代理变量和各向异性或纤维取向指数之间形成相互关系的一种方法是通过与上述相似的一个校准程序。在这种情况下，使用两种或更多种为大体上平面的并且已知其各向异性值的各向异性半透明参考材料。对每种参考材料，用具有同一偏振特性的至少四条平面偏振入射光束在所述参考材料的一面基本上同时照射出至少四个光斑。所述光束优选情况下大体上垂直所述参考材料的表面，并穿过所述参考材料透射，在所述参考材料的反面形成至少四个对应的透射出射光斑。
此后，对于所述至少四条平面偏振光束的每一条，出射光斑沿至少一个线性截面而弥散，所述线性截面与对应平面偏振入射光束的偏振平面之间形成了一个已知的夹角。至少有一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上沿所述透射出射光斑的宽度而延展。对所述对于至少四条平面偏振光束的透射出射光斑的弥散变化进行测量，并使用在不同偏振平面上测得的弥散变化对每种参考材料估计出一个代理变量。最后，所述代理变量和已知参考材料的各向异性值之间形成一种相互关系，并将其存储为一个已知相互关系。
图1 1是各向异性(e)或纤维取向指数与代理变量(P)之间的代表性相互关系曲线。在这个范例中，曲线显示了各向异性单调地随所述代理变量值增长。
通过测量偏振光在至少四个偏振平面的每个平面上的弥散，还可以确定所述纤维取向分布是否对称及单峰，或其是否非对称或多峰。如果预计所述分布为明显不对称或明显多峰，则在测量中采用多于四个偏振平面的做法是有益的。图23A和23B显示在六个具有偏振角
Figure 2006800250316_8
的偏振平面中测得的弥散σmax。这些数据以笛卡儿坐标和极坐标形式绘制了曲线，并通过这些数据点绘制了一条光滑的曲线。所测得的数据位于所述极坐标曲线的右半面，且一个方向
Figure 2006800250316_9
与其反向
Figure 2006800250316_10
+180°之间相等的值被用于完成极坐标曲线0°到360°范围内的曲线。弥散数据和绘制的曲线是非对称的，这意味着所述纤维取向分布也是非对称的。这些图形暗示了三个可以从测量中估计的明显方向，两个纤维对齐具有局部最大值α1和α2的方向，以及平均对齐方向γ。在所示的范例中，由于它有两个明显的最大值，因此多峰分布是双峰分布，但多峰分布也可以有多于两个明显的最大值。多峰分布的指数可以通过例如从它们的多个最大值之间的角度和幅度差异来构建。
虽然在图23A，23B，24A和24B中只对每个光斑偏振平面中的弥散进行了测量，但也可以附加地或备选地使用与所述偏振平面垂直或成其它角度关系的平面中的弥散测量值。分布的非对称性及模式可以使用每个光斑偏振平面以及与偏振平面垂直平面中的弥散测量值来更精确和更可靠地进行量化。
图6A到6E，图15到17，以及图23A，23B，24A和24B描绘了多种设备和测量方法，其中，所述至少四个光斑的偏振平面跨越了一个宽范围的偏振角，这些偏振角在所述光斑的偏振平面之间具有大体上一致的角间隔。在很多情况下，优选采用这种排列，以便所述偏振平面以大体上一致的间隔跨越一个较宽的范围，例如相对纵向从-75°到75°。然而，所述偏振平面之间的角度间隔不要求一定一致，且所述至少四个偏振平面的总角度跨度不要求总是很大。特别地，如果预计会出现非对称或多峰纤维取向分布，则在预计包含最大和平均取向角的角度范围内或接近这些角度范围，所述偏振平面之间的角度间隔较小是有益的。
图12，13和14显示了一种备选构造，用于生成可指向到要分析的纤维网表面上的至少四条线性偏振或平面偏振光束。图12显示了一个小型偏振光源阵列，它包括光源122和衍射光学部件120，它有多个偏振元件121，123，125和127。来自光源122的光被单个衍射光学部件120衍射，该衍射光学部件将输入光束分开，而后每条被分开的光束被所述偏振元件121，123，125和127偏振，在不同的偏振平面形成四束成形的出射光束。作为备选，不是使用衍射光学部件，而是使用单独的非偏振准直光束，此光束可以被一个或多个分束镜分开，形成至少四条光束，然后这些光束每一条都通过常规方法偏振，例如通过不同的偏振滤光器。在另一个过程中，来自所述分束器的四条光束只有三条被改变，例如，通过将所述三条光束每条通过至少一个半波相位延迟器，或将每条光束通过一种具有已知光学深度的手征性材料。
图13显示了一种相似的装置，其中光源124被引导穿过一套光管路126，例如光纤，进入一个偏振元件阵列。图14显示了一个装置，该装置采用一对光源128，130，且两个光源发出的光穿过多个光管路126进入到偏振元件。使用任何所述装置，也可提供用于使光准直的装置。并且，还可提供用于使光削弱的装置(例如通过使用可控液晶阵列)，以便对于每个照射区域所述照射亮度基本上相同。
很明显的是，可采用多个光源和偏振器，以便从每个光源发出的光穿过至少一个偏振器，并用于照射所述纤维网上至少一个区域，并使得所述纤维网上的每个区域由来自至少一个光源的偏振光照射。每个照射区域的照射亮度可以通过例如调节光源功率的方法来控制。
每个所述光源122，124，128和130优选情况下提供由在测量所需的波长范围内恒定能量流组成的高亮度照射。所述光源可以由常规机械装置(例如斩波器，光闸，音叉以及类似装置)进行调幅，以增强信噪比。另一个调谐技术范例采用了电光光闸，例如克尔盒及鲍尔克盒，它们位于光源和诸如声光调谐滤光器之类声光装置的光束路径上。作为备选，可对耦合到光源以产生脉冲照射的驱动电流进行直接调制。
优选的光源装置包括发光二极管(LED)，激光二极管，或LED或激光二极管阵列。例如，当所述光源被调制产生频闪闪烁效果时，优选采用高调变率。所得到的短曝光时间让所述成像设备，加上对应的较短积分时间，通过减少或消除由所述纤维网运动方向上的运动模糊所产生不利效果，可获得所述成像区域较好的图像。在使用电荷耦合器件(CCD)的情况下，短积分时间让像素采集较少的光，而长积分时间让像素采集更多的光。作为备选，或除了调制光源，可选择以较高曝光速度，即较短积分时间工作的所述成像装置，例如CCD相机。在这种情况下，照射可以是连续的，这使在不同测量值上维持一致的照射更容易。
在本发明中，至少四条，且优选情况下最少八条偏振的成形光束(每条光束都具有不同的偏振平面)，都被指向到要分析的所述纤维网上。照射的光斑可以按不同的图案排列，以便测量所述纤维网不同位置上的纤维取向。例如，图15显示了四个照射的圆形光斑，每个都用不同的偏振平面照射，这些光斑排列成一个线性阵列，该阵列与所述纤维网移动方向对齐。一种采用所述照射光斑这种布局的本发明测量装置对所述纤维网基本上相同的部分进行测量(特别是如果对每个光斑所测得的弥散都被过滤或在时间上进行平均)。这根据所述装置是静止还是沿纤维网横向扫描而使用，因为纤维网运动的速度通常要比所述装置的横向移动速度快得多。
图16显示了照射所述纤维网一面的多个方形光斑。该图案包括三行光斑，每行中的每个光斑都用不同的偏振平面照射。每行中的光斑都排成一个线性排列，该排列与所述纤维网的移动方向对齐。顶行的四个光斑的形状布置和偏振平面和中间行的四个光斑相同。在这种构造中，所述三个线性排列的光斑可排列在所述纤维网的成像区域内，使得所述纤维取向可以从一个单个图像的几个位置基本上同时测量。这就允许使用更少的相机在跨越整个纤维网宽度的距离上，而不仅仅是几个测量位置上来测量所述纤维取向。它也允许使用一台扫描测试装置以更高的空间分辨率测量所述纤维取向。
图17显示了多个圆形的光斑，这些光斑在横向紧密地凑在一起。在这种情况下，在一个交错的图案中布置有六个线性行，每行有四个光斑，每个光斑都用具有不同偏振平面的光照射。单独的照射光斑横向间隔很近，而彼此没有干涉。这种排列允许通过所述纤维网的一部分来估算出一个真实的纤维取向平均值，并允许方便地针对给定宽度的子集给出平均值附近的变化值。例如，从位于1mm节距处的50阵列，可以估算50mm宽度范围内的平均值，以及该平均值附近1mm样品的标准偏差。
本发明可用于测量整个造纸过程中战略性位置的纤维取向。典型的用于生产纸原料连续纸张的薄片制造系统有多个执行机构，这些执行机构被安排用来控制沿横向从流浆箱将湿的原料卸到支撑的长网造纸机夹网上，该横向横跨移动纸原料的纵向。所述纸原料是一层纤维质浆组成的薄片，它形成于夹网的顶部，被拖动在前面的辊轴和长网造纸机夹网后端之间按MD(纵向)移动，并穿过一个砑光机组。
图18显示用于在纤维网141上测量所述纤维取向的设备的一个实施例，当在造纸机械的干燥区域移动时，该纤维网以位置受限的方式以相对为直线的路径移动，没有很多由例如张力或空气动力引起的抖动。在这种情况下，偏振光源阵列142照射所述纤维网141的下表面，且成像装置(例如，透镜/相机)140从所述纤维网的上表面检测图像。本发明的纤维取向测量设备还可以包括计算机145，它连接到成像设备140和流浆箱143的执行机构。所述计算机145分析来自所述成像装置的数码图像，从而估算所述纸张141的所述纤维取向。此外，所述计算机145包括曲线分析仪，该分析仪包括一个控制系统，此控制系统对来自成像装置140的横向测量值作出反应，如本发明进一步描述。在工作过程中，成像装置140和偏振光源阵列142可在横向被扫描，从而给计算机145提供所述纸张沿横向的数码图像。从这些图像中，可生成指示在不同横向测量点上所述纤维取向的信号。所述曲线分析仪还包括用于控制造纸系统各种部件(包括，例如上述流浆箱143的执行机构)工作的软件。根据所述纤维取向相对期望设定值的偏离程度，可调节湿部及/或干部参数，从而相应地改变所述纤维取向。
例如，通过扭曲所述流浆箱唇板的形状，或改变从进料歧管到流浆箱的吸入流外形，可以改变所述纸张中的纤维取向曲线。在两种情况下，纸浆喷嘴到夹网的流速场都被改变，从而使纸张中的所述纤维取向曲线和其它属性被改变。因此，可以对多种参数(例如唇板结构或进料歧管吸入流外形)进行操控，从而控制纤维网中的纤维取向。
很明显的是，本发明提供了一种通过分析其数码图像来在线测量移动纤维网纤维取向的方法。从本技术取得的经验数据可用于处理用于制造由非织造材料所构成产品的薄片制造系统的建模，模拟和控制。并得到一种用于开发数学模型的方法，该数学模型用于模拟或干扰薄片制作过程，以及测量其反应，即，纤维取向的改变(如果有的话)。例如，可以不同的程度控制所述唇板及/或进料歧管，并测量反应。该数学模型可用于调节所述系统，从而控制所述薄片的纤维取向。例如，在下面的文献中，进一步描述了用于造纸机械的过程控制技术，如授予MacHattie等人的美国专利No.6,805,899，授予Heaven等人的美国专利No.6,466,839，授予Hu等人的美国专利No.6,149,770，授予Hagart-Alexander等人的美国专利No.6,092,003，授予Heaven等人的美国专利No.6,080,278，授予Hu等人的美国专利No.6,059,931，授予Hu等人的美国专利No.6,853,543，以及授予He的美国专利No.5,892,679，这些文献通过引用而结合在本发明中。
移动纤维网的所述纤维取向可以在横向和纵向进行监测。在后一种情况，多个设备可在纵向沿造纸机械的合适位置前后串联放置，以优化造纸机械。通过和一条“理想的”曲线进行比较，可生成所述纤维网上纸原料的连续纤维取向曲线，用于制造特定级别的纸张。虽然所述纤维网的纤维取向主要是由夹网上的形成过程决定，但是在干燥过程中它也会被改变。特别地，当纸张中湿气含量降到40％以下时，在进一步干燥时纸张会开始收缩。这种收缩在横向轴方向是不均匀的，并在靠近纸张自由边缘的位置最为显著，而这些自由边缘的位置没有受限。然而，由于有张力传递到所述纸张上，因而在纵向轴上，所述收缩被塑性和弹性扩张所抵消。因此，所述取向角分布就因为纤维网的几何变形而改变，且这种变形在整个纸张范围内不是均匀的。所述收缩，取向，张力，以及延长都被结合到湿度曲线的演变当中。根据相对理想曲线的偏差程度，湿部及/或干部参数可以相应调节。见如本发明中结合的授予Hagart-Alexander的美国专利6,092,003。
相似地，对于横向测量值，可在沿横向造纸机械的合适位置放置一个设备阵列。作为备选，还可以采用一个扫描系统，该系统包括跨越纤维网横向进行扫描的单独装置。扫描器系统通常包括数对横向延伸导轨，导轨跨越要监测纸产品的整个宽度。传感器被紧固在一个滑架上，当进行测量时，滑架在纸产品上方来回移动。用于造纸生产的在线扫描传感器系统在如下文献中进行了公开，如授予Dahlquist的美国专利No.4,879,471，授予Dahlquist等人的美国专利No.5,094,535，以及授予Dahlquist的美国专利No.5,166,748，所有这些文献通过引用而结合在本发明中。
光源阵列和相机可协同一起横跨纸张，使得大体上所述纸张的整个宽度都被顺序地测量。作为备选，还可以横跨纸张布置多个静止光源阵列和相机，使得每个这样的布置测量一个特定位置。作为备选，多个移动光源阵列和相机可每个横跨所述纸张的一部分，使得基本上整个纸张都被测量到。
图19显示了用于测量纤维网147上所述纤维取向的一个设备实施例，该设备特别适合用于从所述纤维网的顶面和底面两个方向测量所述纤维取向。在这种情况下，偏振光源阵列146和148分别照射所述纤维147的上表面和下表面，且成像装置150和144分别检测来自所述纤维网下表面和上表面的图像。纤维取向曲线可同时生成。这些测量值直接或间接地和其它纸张属性相关联，如强度及/或纤维网张力，及/或收缩和延展，及/或纸张卷曲和扭曲。通过使用具有已知纸张属性的纸进行校准纤维取向测量，可对与实际强度，纤维网张力，收缩，扭曲或卷曲，以及其它特征相关的纤维取向测量值建立一个库。
图20显示了当纸151在旋转支撑物156(可以是滚筒，干燥机圆筒，以及类似装置，该物体要用至少部分透明的材料制造)上移动时，被布置用于测量纸151的纤维取向的发明性设备。在这个实施例中，该设备包括(i)静止的偏振光源154，该装置指引偏振辐射穿过旋转支撑物156并射到纤维网151上，及(ii)成像装置152，例如，透镜/相机。
图21显示了当纸161在旋转支撑物158上移动时，被布置用于测量纸161的纤维取向的相似设备，其中在旋转支撑物158的内表面排列有多个按确定图案或阵列排列的偏振光源162。位于所述纤维网161另一侧的成像装置160的操作和多个偏振光源162的旋转同步。
以上描述了本发明的原理，优选实施例和工作模式。但是，本发明不应被解释为仅限于所讨论的特殊实施例。相反，以上描述的实施例应被认为例证性实施例而非限制性实施例，且应该理解，本领域技术人员可在不违背由下列权利要求定义的本发明范围的情况下，制造那些实施例的变化形式。

Claims (10)

1.一种用于测量移动纤维网(10)中纤维取向的方法，包括如下步骤：
(a)基本上同时地在所述纤维网(10)的第一面上用至少四条具有不同偏振特性的平面偏振入射光束(13，15，17，19)照射出至少四个光斑，其中，所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条都是大体上垂直所述纤维网表面入射，并穿过所述纤维网(10)透射，在所述纤维网(10)的与所述第一面相反的第二面上形成至少四个对应的透射出射光斑(22，24，26，28)；
(b)对于所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条光束，沿至少一个线性截面测量所述出射光斑(22，24，26，28)的弥散，该线性截面与对应平面偏振入射光束的偏振平面之间形成了一个已知的夹角，其中，至少一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展；
(c)对所述至少四条平面偏振光束，计算所述透射出射光斑的弥散偏差；及
(d)根据所述偏差来估计所述纤维网的纤维取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括获取所述纤维网(10)第二面上照射区域(32)的图像，其中，所述照射区域(32)包含来自所述至少四条入射光束(13，15，17，19)的透射出射光斑(22，24，26，28)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条，所述出射光斑的所述弥散沿下列线性截面进行测量：(i)沿一个线性截面，该截面位于一个大体上与所述入射光束的偏振平面一致的角度，或(ii)沿一个线性截面，该截面位于一个大体上垂直所述入射光束的偏振平面的角度，或(iii)沿第一线性截面并沿第二线性截面，该第一线性截面位于一个大体上和所述入射光束的偏振平面一致的角度，该第二线性截面位于一个大体上垂直所述入射光束的偏振平面的角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于步骤(d)，所述纤维取向是根据所述透射出射光斑(22，24，26，28)的弥散偏差进行估计，所述弥散对每个光斑都沿以下的线性截面测量：即，大体上与所述入射光束的偏振平面一致的第一线性截面，以及大体上垂直所述入射光束的偏振平面的第二线性截面。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少四条平面偏振入射光束(13，15，17，19)的每一条都有大体上矩形或分段矩形的横截面，使得每条平面偏振入射光束的相对边都大体上平行。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过使用已知参考弥散值对每个测得的弥散值进行标准化之后的标准化弥散，该参考弥散值沿一个对应线性截面测得，该线性截面位于大体上经过相应透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展；以及根据所述标准化弥散中存在的偏差估计所述纤维网的纤维取向。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括如下校准步骤：
(i)提供一种大体上平面的各向同性半透明参考材料(34)；
(ii)用具有不同偏振特性的至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)在参考材料(34)的第一面上基本上同时照射出至少四个光斑，其中，所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条大体上都垂直于所述参考材料(34)的表面入射，并穿过所述参考材料(34)透射出，在所述参考材料(34)的与所述第一面相反的第二面上形成至少四个对应的透射出射光斑(22，24，26，28)；
(iii)对于所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条，沿至少一个线性截面测量所述出射光斑的弥散，该线性截面相对于所述对应的平面偏振入射光束的偏振平面形成一个已知的角度，其中，至少一个这样的线性截面位于大体上经过相应透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展，此测量的附带条件为：在此步骤(iii)中，对于所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)，所述透射出射光斑沿步骤(a)和(b)中测量所述纤维网的纤维取向时所用的所述至少一个线性截面中的所有线性截面的弥散也要进行测量；
(iv)对所述至少四个平面偏振光束(13，15，17，19)，计算所述透射出射光斑的弥散中的偏差；及
(v)对于穿过所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每个截面，将测得的弥散作为已知参考弥散进行存储。
8.一种用于测量纤维网(10)的纤维取向的系统，包括：
在所述纤维网(10)的第一面上用具有不同偏振特性的至少四条平面偏振入射光束(13，15，17，19)基本上同时地照射出至少四个光斑(20，12，14，16，18)的机构，其中，所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条大体上垂直所述纤维网表面入射，并穿过所述纤维网(10)而透射出，在所述纤维网(10)的与所述第一面相反的第二面上形成至少四个对应的透射出射光斑(22，24，26，28)；
图像获取机构(30)，其用于获取所述纤网(10)的所述第二面上的照射区域(32)的至少一个图像，其中，所述照射区域(32)包含来自所述至少四条入射光束(13，15，17，19)的透射出射光斑(22，24，26，28)；
控制机构(145)，该控制机构与所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)中的每一条都相关联，用来测量沿至少一个线性截面的所述出射光斑的弥散，该线性截面与对应的平面偏振入射光束的偏振平面之间形成了一个已知的夹角，其中，至少一个这样的线性截面位于大体上经过所述透射出射光斑中心的位置，并大体上跨越所述透射出射光斑的宽度而延展；
计算对于所述至少四条平面偏振光束的所述透射出射光斑的弥散偏差的机构；及
根据所述偏差来估计所述纤维网(10)的所述纤维取向的机构。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，对于所述至少四条平面偏振光束(13，15，17，19)的每一条，所述出射光斑的所述弥散沿下列截面进行测量：(i)沿一个线性截面，该截面位于一个大体上与所述入射光束的偏振平面一致的角度，或(ii)沿一个线性截面，该截面位于一个大体上垂直所述入射光束的偏振平面的角度，或(iii)沿第一线性截面并沿第二线性截面，该第一线性截面位于一个大体上和所述入射光束的偏振平面一致的角度，该第二线性截面位于一个大体上垂直所述入射光束的偏振平面的角度。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少四条平面偏振入射光束(13，15，17，19)的每一条都有一个大体上矩形或分段矩形的横截面，使得每条平面偏振入射光束的相对边都大体上平行。
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