CN106104199A - 薄材厚度传感器和使用中红外干涉测量法的方法 - Google Patents

Abstract

独立的薄片(诸如多孔聚合物和纸)的非接触薄材厚度测量检测由来自薄片的上表面和下表面的光反射所创建的中红外干涉条纹。该技术包括以选定的入射角度将激光束引导到在暴露外表面的单个点上(其中激光束包括具有在3‑50微米范围内波长的辐射)和在将激光束引导到暴露外表面上时扫描通过选定角度范围的激光束以及测量由从暴露外表面和从内表面反射的辐射叠加形成的干涉图案的强度。可以从干涉图案中的条纹间隔提取厚度。旋转和聚焦元件确保在改变入射角度时在薄片上的点位置保持不变。

Description

薄材厚度传感器和使用中红外干涉测量法的方法

技术领域

本发明一般地涉及用于移动的薄片(诸如多孔聚合物和纸)的非接触厚度测量或薄材厚度(caliper)测量的干涉测量技术，并且更特别地涉及检测由来自薄片的上表面和下表面的光的反射创建的中红外干涉条纹并且其后从条纹间隔提取厚度的方法。

背景技术

薄材厚度是纸和塑料产品最重要的质量规格之一。传统的市售在线薄材厚度测量需要测量头物理地接触卷材(web)。接触卷材导致许多问题，其中两个最显著问题是薄片的标记和测量头上的灰尘累积，其导致测量漂移和不精确。更先进的技术使用激光三角测量或共焦显微镜技术，但它们仍然需要测量头接触卷材的一侧。此外，现有技术的光学技术不适合于所有的纸产品，因为它们对薄片的散射性质非常敏感。此外，实现优于1微米精度是一个挑战，因为这些技术依赖于两个独立距离测量结果之间的差。同样地，两个测量结果必须相对于彼此稳定以便获得所需的轮廓精度。这在测量头暴露于频繁的温度变化并且纸和测量头的位置经受持续波动的纸扫描器环境中是难以实现的。本发明期望开发用于在生产期间精确测量厚度卷材材料的可靠在线技术。

发明内容

本发明部分地基于中红外干涉测量在测量卷材厚度方面特别有效的论证。在一个方面中，本发明针对一种测量卷材厚度的方法，所述卷材具有第一侧和第二侧，该方法包括如下步骤：

支撑卷材以便该卷材具有独立的(free standing)部分，在该独立的部分处卷材具有在第一侧上的暴露外表面和在第二侧上的内表面；

以选定的入射角度将激光束引导到暴露外表面上的单个点上，其中该激光束包括典型地具有在3-50微米范围内并且优选地在8-25微米范围内波长的辐射；

在将激光束引导到暴露外表面上的点时扫描通过选定角度范围的激光束；

测量由从暴露外表面和从内表面反射的辐射的叠加形成的干涉图案的强度；以及

从干涉图案中的条纹间隔提取卷材的厚度。优选的提取技术包括通过使用卷材厚度作为可变参数由干涉图案强度与激光束角度的最小二乘拟合到所建立关系的回归分析。另一种技术测量干涉极小值的出现。

获得厚度的优选技术是通过将干涉图案拟合到由如下关系给出的公式：

I＝A cos(δ) (1)

其中I是所测量的强度，A是干涉图案的幅值并且δ是从外表面反射的辐射与从内表面反射的辐射之间的相位差。相位差δ是

$\mathrm{\δ}=\frac{4\mathrm{\π}d}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{(n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1)}-\mathrm{\π}---\left(2\right)$

相位差依据入射角度(θ₁)、波长(λ₀)、空气折射率(n₁)、卷材折射率(n₂)和卷材厚度(d)表达，其中角度、波长和折射率是已知的，以及将卷材厚度当作可变参数，诸如通过由调整厚度变量来找到最小二乘误差。

在另一个方面，本发明针对一种用于测量具有第一侧和第二侧的散射材料薄片的厚度的非接触薄材厚度传感器，其包括：

提供入射辐射射束的激光器；

用于引导入射辐射朝向在薄片第一侧上的暴露表面上的暴露外表面上的单个点的装置，其中入射辐射以从0到60度的入射角度到达暴露表面；

用于检测由在从暴露外表面反射的第一辐射与从第二侧的内表面反射的第二辐射之间的干涉形成的干涉图案的装置；以及

用于分析干涉图案以计算薄片厚度的装置。

在优选实施例中，将在中红外波长(3-50微米)(其优选地在8-25微米范围内)内的辐射引导到纸卷材上并且记录由在卷材的上表面和下表面处的光反射创建的干涉测量条纹。与较短波长辐射相比，中红外波长较少被纸中的散射所影响，这使得本发明的技术适合于不适宜于现有技术的应用。如果薄材厚度传感器波长扩展到远红外(典型地具有50微米到1mm的波长)或者太赫兹范围(典型地具有100微米到1mm的波长)，可以测量在20微米到2-3mm范围内厚度的卷材厚度。卷材不与薄材厚度传感器放置在其中的测量头相接触。可以在需要仅一个测量头的反射几何结构中执行测量。

附图说明

图1图示了引导向卷材的射束和由卷材的上表面和下表面引起的射束散射；

图2-图6示出了薄材厚度传感器的不同实施例；

图7示出了在双头扫描仪中实现单侧薄材厚度传感器的薄片制作系统；

图8为采用过程测量来计算卷材的薄材厚度的系统的示图；以及

图9为强度相对于角度的曲线图，其图示了在λ＝15微米并且假设折射率为1.5的情况下针对80微米厚度产品的条纹干涉信号。

具体实施方式

本发明涉及用于测量薄膜、卷材或薄片的厚度的非接触传感器设备。虽然将以计算纸的薄材厚度的方式图示传感器，但所理解的是传感器可以测量各种平坦材料的厚度，所述平坦材料包括，例如，涂层材料、塑料、织物等等。传感器特别适合于由聚乙烯、聚丙烯、聚对酞酸乙二酯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯制成的多孔聚合物(塑料)的厚度检测。

图1图示在厚度为d的并且具有上侧和下侧或平面(平面3和平面5)的卷材产品2上入射、反射和折射的电磁辐射射束几何，波长λ₀的入射电磁辐射从所述上侧和下侧或平面反射。此外，因为在平面3的不同侧上折射率不同，入射电磁辐射传播到卷材的那部分被折射。上侧(平面3)和下侧(平面5)之间的距离为d。卷材周围空气的折射率为n₁，以及卷材内的折射率为n₂。在射束7和射束9之间的光程长度差为Δ＝2n₂d cosθ₂。相应相位差为δ＝k₀Δ·π，其中k₀＝2π/λ₀。在下式处产生干涉极小值：

δ＝(2m+1)π，其中m＝0，1，2，... (3)

例如，假设平均入射角度为45°，使用的激光波长是15μm，卷材厚度是80μm，并且折射率是1.5，需要±7°范围的入射角度以测量干涉的1个周期。在操作中，一旦获得干涉图案，可以实施标准技术来确定卷材厚度。从频谱提取材料厚度和折射率的一种方法是使用上面等式1中给出的干涉关系来拟合角频谱。可以从该拟合提取厚度d和折射率n₂。另一种方法是记录零交叉或干涉极小值的角度，其在满足等式3时出现。通过作为m²的函数绘制在零交叉处sin²θ₁的值，获得斜率(λ₀/2dn₁)²和截距(n₂/n₁)²。可以计算卷材厚度d。假设n₁(典型地空气(n₁＝1))是已知的，那么可以计算材料的折射率n₂。通常在隐含地或明确地计算卷材的折射率之后计算厚度。

本发明的薄材厚度传感器优选地使用操作在8-25微米范围内的固定波长处的量子级联激光器(QCL)。可以从(加州圣地亚哥的)Daylight Solution有限公司买到合适的QCL。激光束优选地以0到60度范围内的角度被引导到被监测的卷材，并且测量镜面反射强度。图2示出了薄材厚度传感器，其包括定位在由滚筒30、36支撑的移动的卷材2同侧上的固定QCL 12、一对转动反射镜8、10、一对中继反射镜4、6，以及固定检测器14。转动反射镜8和10相应地安装到旋转机构16和18。在操作中，QCL 12生成激光束1A，其被引导朝向示出为处于第一位置中的转动反射镜8，以便所反射的射束1B由中继反射镜4引导到移动的卷材2的固定位置上。来自卷材2的反射辐射1B由中继反射镜6和转动反射镜10引导到检测器14中。检测器14可以包括测量所捕捉辐射的强度的光电二极管。每个中继反射镜优选地是固定的、单个常规凹球面镜。随后，转动反射镜8和10被旋转到它们相应第二位置以便入射辐射以与初始射束1A的角度不同的角度到达卷材。扫描处理继续，直到覆盖整个范围为止。合适的检测器包括，例如，HdCdTe(碲镉汞)固态检测器。

图3图示了薄材厚度传感器的另一种配置，其包括定位在移动的卷材2同侧上的QCL 28，转动反射镜20、22、24和26，以及检测器30。每个转动反射镜安装到旋转机构，其与图2所示的旋转机构可以是相同的配置。四个转动反射镜的朝向相协调以便于允许来自QCL28的辐射在预定角度范围上扫描到卷材2的固定位置上。在如图2所示的优选实施例中，转动反射镜对24和26对称布置以及同样地转动反射镜对20和22对称布置。以这样的方式，在每对中的反射镜旋转通过相同的角度。

图4表示薄材厚度传感器的另一种配置，其包括带有相关调节光学器件40的量子级联激光器44和带有相关调节光学器件42的检测器46。包括聚焦透镜32和棱镜48的调节光学器件40安装在产生编码信号的旋转机构上，并且允许改变和确定在卷材2上的入射角度。可选地，聚焦透镜和棱镜安装到转换台上用于信号优化。相似地，调节光学器件42具有聚焦透镜34和棱镜56，其允许在检测器46处的信号优化。在操作中，QCL 44生成激光束，其通过调节光学器件40以初始入射角度被引导到卷材2上的固定位置上。在调节光学器件40和42中两个棱镜的同步移动允许在期望入射角度范围上的来自QCL 44的辐射射束的扫描，同时保持点位置在卷材上以及使在检测器46处的信号最大化。例如，在调节光学器件40和42中具有8英寸聚乙烯聚焦透镜的2英寸聚乙烯立方体将对卷材2上的预定初始入射角度给予7度的变化量。调节光学器件40和42的透镜和棱镜的优选材料是聚乙烯(因为从16-2500um的高传输范围带宽)，但也可以由在红外和远红外范围中都良好的硒化锌(ZnSe)、硅(Si)、溴化/碘化铊(KSR-5)或碘化铯(CsI)制成。

图5描绘了一种薄材厚度传感器结构，其采用检测器阵列52、相关的光学器件53(例如透镜或微透镜阵列)连同QCL 54、可旋转转动反射镜56、和中继反射镜58。优选的检测器阵列包括离散光电二极管的线性阵列，其配置成在无需移动检测器阵列或者光学器件以将反射辐射聚焦到检测器阵列上的情况下测量来自在卷材2上的固定位置的以不同角度反射的反射辐射的强度。在操作中，来自QCL 54的辐射被转动反射镜56以初始入射角度引导到卷材2上的固定位置上以及由检测器阵列52捕捉作为结果的反射辐射。随后，通过旋转转动反射镜到第二位置来改变入射角度以及由检测器阵列52捕捉作为结果的反射辐射。该过程确保来自QCL 54的辐射在期望入射角度范围上在卷材2上被扫描。

图6图示了一种薄材厚度传感器结构，其采用QCL 64、可旋转转动反射镜66、中继反射镜60、聚焦光学器件62和检测器68。聚焦光学器件62将反射的辐射聚焦到检测器68上。可以使用多于一个反射镜、透镜或组合。

图7图示了扫描传感器系统70，由此传感器结合到双头扫描仪78中，该双头扫描仪78在连续生产期间测量薄片76的薄材厚度。扫描仪78由上扫描头和下扫描头80、82安装在其上的两个横梁72、74所支撑。上扫描头和下扫描头80、82的操作面限定容纳薄片76的测量间隙。在薄材厚度传感器的一个特定实施方式中，传感器的检测器和QCL两者都结合到扫描头80中，扫描头80在跨越按照加工方向(MD)移动的薄片76宽度的横向上重复地前后移动，以便可以测量整个薄片的厚度。

当传感器正以如图2所图示的反射模式操作时，辐射源和接收器两者都容纳在上扫描头80中。当以传输模式操作时，辐射源定位在上扫描头80中而辐射接收器定位在下扫描头82中。

双扫描头80、82的移动关于速度和方向同步以便它们彼此对齐。当传感器按照CD跨越移动的薄片76的宽度重复地前后移动时，辐射源在薄片76上产生照明(光斑尺寸)，以便可以监视整个薄片的厚度。本发明的薄材厚度传感器引导辐射射束到薄片上的相同点，同时绕着该点或枢轴改变入射射束角度。就这一点而言，改变角度的时间尺度(timescale)需要足够快以便(当扫描仪头正在移动时)最小化在横向方向上由传感器观察到的长度。扫描周期典型地小于100ms并且优选大约为10ms。旋转和聚焦元件确保当改变入射角度时在薄片上的点位置保持不变。

图8描绘了用于通过连续测量卷材的薄材厚度来控制纸或其他多孔膜片或相似卷材的制造的过程。在扫描入射角度范围时表示从卷材反射的所测量辐射的强度的数字化信号由信号调节和数字化阶段90生成并且由微处理器92采用来计算薄材厚度94信号，其可以控制扫描仪系统70(图7)上游和/或下游的致动器以响应于薄材厚度测量结果来调节生产机构。

中红外辐射的特定特征是与可见或近红外相比更长的波长，使得对由卷材表面不规则或粗糙带来的散射不太敏感。此外，中红外波长与典型的卷材产品(诸如纸或塑料薄膜)的厚度具有相同的数量级。两者的组合导致具有足够高可见性的干涉条纹，以便它们可以被测量和分析。通过水的辐射传输窗口存在于大约22微米的波长λ₀附近。就是说，在该波长检测的传输的辐射总量对水最不敏感。因此，使用如该波长一样的辐射尤其适合于测量纸(尤其是典型地具有10微米到200微米范围内的厚度的纸)的厚度，图9图示了使用本发明的薄材厚度传感器形成的预期的条纹干涉。卷材为80微米厚，并且使用具有15微米波长的辐射时具有1.5的折射率。

上文已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应该被理解为限于所讨论的特定实施例。因此，上面描述的实施例应该被认为是说明性的而非限制性的，并且应该领会的是在不脱离如由下面权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可以在那些实施例中进行改变。

Claims (10)

1.一种测量卷材厚度的方法，所述卷材具有第一侧和第二侧，该方法包括如下步骤：

a.支撑卷材以便卷材具有独立的部分，在该独立的部分处所述卷材具有在第一侧上的暴露外表面和在第二侧上的内表面；

b.以选定的入射角度将激光束引导到在第一侧上的暴露外表面上的单个点上，其中所述激光束包括具有在3-50微米范围的波长的基本上单色的辐射；

c.在将激光束引导到暴露外表面上的点上时，扫描通过选定角度范围的激光束；

d.测量由从第一侧暴露外表面和从第二侧内表面反射的辐射的叠加形成的干涉图案的强度；以及

e.通过利用在激光束入射角度、波长、卷材折射率和卷材厚度之间的关系来提取卷材的厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括将干涉图案强度分布与激光束入射角度最小二乘拟合到通过使用卷材厚度作为拟合参数的数学关系。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括测量干涉极小值的出现。

4.一种用于测量具有第一侧和第二侧的散射材料的卷材的厚度的非接触薄材厚度传感器，包括：

a.基本上单色的激光器，其提供具有在3-50微米范围内波长的入射辐射的射束；

b.用于引导入射辐射朝向薄片第一侧上暴露外表面上的单个点的装置，其中所述入射辐射以相对于卷材表面法线从0到60度的入射角度到达暴露表面上的固定位置；

c.用于检测由从暴露外表面反射的第一辐射和从第二侧的内表面反射的第二辐射的叠加形成的干涉图案的装置；以及

d.用于分析干涉图案以计算卷材厚度的装置。

5.如权利要求4所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射辐射的装置包括设置入射角度的电驱动闭环旋转反射镜系统。

6.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射激光辐射的装置包括：

a.光学平坦前表面可倾斜反射镜(8)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与光学平坦反射镜(8)的反射表面的平面一致，并且具有与旋转轴线一致的激光束冲击点；以及

b.固定的凹面前表面反射镜(4)，其具有回转的外形以便冲击在光学平坦前表面反射镜(4)上的并且中继到固定凹面前表面反射镜(4)的激光束被聚焦并且成像在卷材的第一表面上；以及

其中用于检测干涉图案的装置包括：

c.固定的凹面前表面反射镜(6)，其具有回转的外形以便由来自卷材的反射激光形成的干涉图案被聚焦并且引导朝向光学平坦前表面可移动反射镜(10)；以及

d.光学平坦前表面可移动反射镜(10)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便该旋转轴线中心线与光学平坦反射镜(10)的反射表面一致，并且以便干涉图案被引导和聚焦到红外辐射敏感检测器(14)上。

7.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射激光辐射的装置包括：

a.第一光学平坦前表面可倾斜反射镜(24)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与第一光学平坦前表面可倾斜反射镜(24)的反射表面的平面一致，并且具有与旋转轴线一致的激光束冲击点；以及

b.第二光学平坦前表面可倾斜反射镜(20)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与第二光学平坦前表面可倾斜反射镜(2)的反射表面的平面一致；

其中用于检测的装置包括：

c.第三光学平坦前表面可倾斜反射镜(22)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与第三光学平坦前表面可倾斜反射镜(22)的反射表面的平面一致，并且引导干涉图案的图像；以及

d.第四光学平坦前表面可倾斜反射镜(26)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与第二光学平坦前表面可倾斜反射镜(20)的反射表面的平面一致，并且将来自第三光学平坦前表面可倾斜反射镜(22)的干涉图案的图像中继到红外辐射敏感检测器(30)上。

8.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导干涉图案的辐射的装置包括一对面对的凹面前表面反射镜60、62，它们具有回转的外形以便形成来自卷材的干涉图案的离轴镜面反射激光被反射并且引导朝向红外辐射敏感检测器(68)而形成干涉图案的轴向激光在没有反射的情况下直接传输朝向红外辐射敏感检测器。

9.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于检测干涉图案的装置由跨越反射干涉图案角度范围的红外辐射敏感检测器阵列(52)接收。

10.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射激光辐射的装置包括信号调节光学器件(40)，其耦接到量子级联激光器(44)并且被安装到电驱动平移和旋转台上以便照明在卷材第一表面的外侧上的固定的点位置而同时地以期望照明角度定位和平移来保持所照明点位置为恒定，以及其中用于检测干涉图案的装置包括第二组调节光学器件(42)，其被安装在第二电驱动平移和旋转台上并且被控制以便在输出被引导到红外辐射敏感检测器(46)的情况下在卷材第一表面的外表面上的所照明点位置保持在第二调节光学器件(42)的轴线上并且该轴线保持平行于射束轴线。