CN106662430B - 通过中红外波长扫描干涉测量的织物产品的厚度确定 - Google Patents
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Abstract
无支撑的片材的非接触卡尺厚度测量检测由从片材的顶面和底面的光的反射创建的中‑IR干涉条纹。所述技术包括将激光束以选定的入射角引导到所述暴露的外表面上的单个点上，并且当激光束被引导到所述暴露的外表面上时，通过选定的波长范围来扫描激光束，并测量干涉图样的强度，该干涉图样由从暴露的外表面和从内表面反射的辐射的叠加而形成。可替换地，由直接透射穿过所述织物的辐射和在来自织物的内表面的内部反射之后透射穿过织物的辐射的叠加形成干涉图样的强度。可以从干涉图样的条纹间距提取厚度。
Description
技术领域
本发明一般地涉及用于移动片材(例如多孔聚合物和纸张)的非接触厚度或卡尺厚度测量的干涉测量技术，并且更特别地涉及检测通过来自片材的顶面和底面的反射光创建的中-IR干涉条纹和之后从条纹间距提取厚度的方法。
背景技术
卡尺厚度是纸张和塑料产品的最重要的质量规格之一。传统的商业化在线卡尺厚度测量需要测量头去物理接触织物(web)。接触织物导致了很多问题，其中两个最显著的问题是在片材上的标记和在测量头上积聚的污垢，这导致测量值漂移和不准确。更先进的技术使用激光三角测量法或共聚焦显微镜技术，但是它们仍然需要测量头与织物的一侧相接触。而且，现有技术的光学技术不适合所有的纸张产品，因为它们对片材的散射特性是很敏感的。另外，获得好于1微米的精确度是具有挑战性的，因为这些技术依赖于两个独立的距离测量结果之间的差。照此，两个测量结果相对于彼此必须是稳定的，以便获得需要的轮廓精度。在纸张扫描仪环境中这是难以实现的，其中测量头暴露于频繁的温度变化中，并且纸张和测量头的位置遭受经常的波动。本领域渴望发展在生产期间准确地测量织物材料的厚度的可靠的在线技术。
发明内容
本发明部分地基于中-IR干涉测量在测量织物厚度中是特别有效的示范。一方面，本发明针对一种测量织物厚度的方法，该织物具有第一侧和第二侧，该方法包括以下步骤：
支持所述织物，使得织物具有无支撑部分，在这种情况下所述织物在第一侧上具有暴露的外表面以及在第二侧上具有内表面；
将激光束以选定的入射角引导到所述第一侧上的暴露的外表面上的单个点，其中所述激光束包括具有3-50微米范围内的波长的基本上的单色的辐射；
当激光束被引导到所述暴露的外表面上的所述点上时，通过选定的波长范围扫描激光束；
测量干涉图样的强度，该干涉图样由在暴露于织物时出现的辐射的叠加形成；以及
通过利用激光束入射角、波长、织物折射率以及织物厚度之间的关系来提取织物的厚度。
获得厚度的优选技术是通过将干涉图样拟合到由干涉关系给出的公式，
关于入射角(θ1)，波长(λ0)，空气的折射率(n1)，织物的折射率(n2)和织物厚度(d)，其中角度，波长和折射率是已知的，并且织物厚度被认为是变量参数，例如通过调整变量来找到最小方差，该变量为厚度。
另一方面，本发明针对非接触卡尺厚度传感器，其用于测量散射材料的织物的厚度，该散射材料的织物其具有第一侧和第二侧，所述传感器包括：
基本上单色的激光器，其提供了具有3-50微米范围内的波长的入射辐射的射束；
用于引导入射辐射朝向片材的第一侧上的暴露的外表面上的单个点的装置，其中所述入射辐射以相对于织物表面法线0到60度的入射角到达所述暴露的表面上的固定位置；
用于检测干涉图样的装置，所述干涉图样由从所述暴露的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；以及
用于分析干涉图样以计算织物厚度的装置。
在优选实施例中，中红外波长(3-50微米)内的辐射(其优选在8-25微米范围内)被引导到纸张织物，并且由织物的顶面和底面处反射的光创建的干涉条纹被记录。与更短波长的辐射相比，中-IR波长更少受到纸张的散射的影响，这使得本发明的技术适合于现有技术不适用的应用。如果卡尺厚度传感器波长延伸到远-IR(通常具有50微米到1mm的波长)或太赫兹范围(通常具有100微米到1mm的波长)，在20微米到2-3毫米范围内的织物厚度可以被测量。织物不会与放置了卡尺厚度传感器的测量头接触。可以在反射几何结构中执行测量，这仅需要一个测量头。
附图说明
图1图示了引导到织物的射束和射束被织物的顶面和底面的散射；
图2和3示出了卡尺厚度传感器的实施例；
图4描述了宽波长范围多路复用QCL光源；
图5示出了片材制造系统，其在双探头扫描仪中实施了卡尺厚度传感器；
图6是采用过程测量来计算织物卡尺厚度的系统的示图；以及
图7是在强度极小值处的波数相对图示了条纹干涉信号的条纹级次的曲线图，其示出了干涉极小值的位置，对于80微米厚的产品以θ＝30°的入射角，并且织物折射率假定为1.5。
具体实施方式
本发明涉及用于测量膜、织物或片材厚度的非接触传感器装置。虽然所述传感器将以计算纸张卡尺厚度的形式举例说明，但应该理解的是所述传感器能够测量多种平面材料的厚度，所述平面材料包括例如涂覆材料、塑料、织物等。所述传感器特别适用于对由聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯制成的多孔聚合物(塑料)进行厚度检测。
图1图示了电磁辐射射束在厚度为d、并且具有上侧和下侧或平面(平面3和平面5)的织物产品2上的几何入射、反射和折射，真空波长λ0的入射电磁辐射从平面3和平面5反射(7，9)。此外，入射电磁辐射的传播进入织物的部分被折射，因为在平面3的不同侧上折射率是不同的。上(平面3)侧和下(平面5)侧之间的距离是d。织物周围的空气的折射率是n1，并且织物内的折射率是n2。射束7和射束9之间的光程长度差是Δ＝2n2dcosθ2。相关相位差是δ＝k0Δ-π，其中k0＝2π/λ0。根据入射角θ1，相位差是：
干涉极小值出现在δ＝(2m+1)π处，其中m＝0，1，2，...
例如，假定入射角为30°，织物厚度为80μm，空气折射率为1，且织物折射率是1.5，为了产生从m＝22到m＝21的干涉极小值中的一阶变化需要0.622μm的λ0的增加。被测量的织物的折射率优选地在计算厚度之前独立地被确定。
图1还示出了在从平面3和5的内表面的内部反射之后的直接透射射束11，和透射射束13。用于反射射束7和9的干涉极小值条件与用于透射射束11和13的干涉最大值条件相对应。
在操作中，一旦干涉图样被获得，标准技术可以被实施以确定织物厚度。优选的技术包括通过使用织物厚度作为拟合参数将干涉图样强度分布和波长最小二乘拟合到一数学关系。一种从频谱提取材料厚度的方法是使用以上方程1给出的干涉关系拟合干涉级次频谱。可以从所述拟合中提取厚度d。另一方法是记录反射模式的零交点或干涉极小值的波长，其在满足方程2时出现。在透射模式中，干涉最大值被测量，并且它们的形成通过由方程2给出的相同的关系来控制。通过根据m的函数来绘制在零交点处的波数1/λ0的值，得到倾斜线
假定n1(典型地空气(n1＝1))是已知的并且材料的折射率n2独立地获得，然后根据斜率和d之间的关系计算厚度d。
本发明的卡尺厚度传感器优选地使用量子级联激光器(QCL)，其操作在8-25微米范围内的可变化波长下。适当的QCL可以从Daylight Solutions有限公司(圣地亚哥，加利福尼亚州)购买。激光束优选地以0到60度范围内的角度被引导到被监控的织物，并且随着激光辐射波长在干涉图样中足以产生至少两个干涉极小值的范围内变化而测量镜面反射强度(specular intensity)。
图2示出了在反射模式中操作的卡尺厚度传感器，其包括固定的QCL36，一对转向镜20、22，一对中继反射镜28、30，和固定的检测器38，它们定位在移动中的织物2的相同侧，织物由滚筒32、34支持。转向镜20和22分别被安装到旋转机构24和26上。操作中QCL36生成激光束，其被引导朝向转向镜22，转向镜22被示出处于第一位置，使得反射的射束被中继反射镜28引导到移动中的织物2上的固定位置上。来自织物2的反射辐射通过中继反射镜30和转向镜20引导到检测器38。检测器14可以包括光电二极管，其测量捕获的辐射的强度。每个中继反射镜优选是固定的、单个常规凹球面镜。一旦射束被设定为特定的入射角，激光源被顺序地通过一系列波长而扫描，同时检测器测量干涉图样的强度。波长扫描控制器40生成适合的同步波长信号给QCL36和计算机42两者以进行坐标测量。计算机用扫描过程中的激光束的波长使来自检测器38的测量信号相关。各波长处的测量信号被标准化为取决于QCL的输出而独立确定的波长。转向镜20和22在扫描过程中保持固定。扫描过程持续直到整个范围被覆盖。适合的检测器包括例如，HdCdTe(碲镉汞)固态检测器。
QCL光源能够覆盖的波长范围可以通过使用多个QCL设备扩展，每个QCL设备在它自己的窄波长范围内是可调的，并且通过反射镜和二向色性分束器的系统多路复用在一起，以创建可以通过宽波长范围扫描的激光源。
图3图示了在透射模式中操作的卡尺厚度传感器，其包括QCL50和相关的准直光学器件54，它们被定位在移动织物2的一侧，并且检测器52和相关的收集光学器件56被定位在织物2的另一侧。检测器可以包括单点检测器。波长扫描控制器60生成适合的同步波长信号到QCL50和计算机58两者以进行坐标测量。计算机用扫描过程中的激光波长来使来自检测器52的测量信号相关。
图4是宽波长范围多路复用QCL光源的示图。每个QCL源的输出(QCL1(61)具有波长范围Δλ1，QCL2(62)的波长范围Δλ2，QCL3(63)的波长范围Δλ3，QCL4(64)的波长范围Δλ4，等等)被对准并通过反射元件70，72，73和74分别引导以产生单个宽波长范围可调激光光源。元件70、72、73和74可以是二向色性分束器，其提供输出78。优选地，每个QCL所期望的强度是已知的并且进行了修正。因为单个QLC在某时刻被激活，可以采用开关来同步它们的激活。可替代地，可以采用定位在每个QLC前的快门机构。QCL扫描控制器80在每个QCL的波长范围扫描每个QCL，并且在各QCL之间切换以提供QCL光源，该光源在被QCL的集合(其为多路复用的)覆盖的宽波长范围是多路复用的。虽然仅示出了4个QCL，应该理解的是除有4个QCL以外的多路复用阵列也可以被使用以跨越期望的波长范围。
图5图示了扫描传感器系统90，通过其卡尺厚度传感器被结合到双探头扫描仪98中，其在持续的生产中测量片材96的卡尺厚度。扫描仪98被两个横梁92、94支持，在两个横梁92、94上安装了上扫描头和下扫描头88、86。扫描仪头的可操作面限定了容纳片材96的测量空隙。在卡尺厚度传感器在反射模式中操作的特定实施例中，传感器的QLC和检测器均合并到扫描仪头88内，其在跨片材96的宽度的横向上重复地前后移动，片材96在纵向(machine direction)(MD)移动，使得整个片材的厚度可以被测量。例如，当传感器在如图2所示的反射模式中操作时，辐射源和接收器两者均可以容纳在较高的扫描仪头88内。可替代地，当卡尺厚度传感器在如图3所示的透射模式中操作时，QLC被定位在扫描仪头88内并且检测器被定位在扫描仪头86内。
双扫描仪头86、88的移动在速度和方向是同步的，使得它们彼此对齐。随着传感器在跨移动中的片材96的宽度的CD内重复地前后移动，辐射源在片材96上产生光照(点)，使得整个片材的厚度可以被监控。本发明的卡尺厚度传感器将辐射射束引导到片材上的相同点上，同时改变波长。关于这点，波长在其中变化的时间尺度需要足够快，使得在横向和纵向上由传感器观察的长度(因为扫描仪头是移动的)被最小化。
图6描绘了用于通过连续测量织物的卡尺厚度来控制纸张或其他多孔膜或类似织物的制造的过程。当波长范围被扫描时，表示测量到的从织物反射的辐射的强度的数字信号通过信号调理和数字化阶段100被生成，并且被微处理器102采用以计算卡尺厚度104信号，其可以控制扫描仪系统90(图5)上游和/或下游的致动器以响应于卡尺厚度测量来调节生产机构。
中红外辐射的特别的特征是相比可见或近红外而言更长以使得它对织物表面不规则或粗糙造成的散射更不敏感的波长。另外，中红外波长具有与典型织物产品(例如纸张和塑料膜)的厚度相同的数量级。干涉条纹中的两个结果的结合具有足够高的可视性，这样它们可以被测量和分析。通过水的辐射透射窗存在于大约22微米的波长λ0左右。就是说，在该波长处检测到的透射辐射的总量对水最不敏感。因此，在该波长处的辐射特别适合于测量纸张厚度，特别是具有通常在10微米到200微米范围内厚度的纸张。图7图示了在使用本发明的卡尺厚度传感器形成的干涉条纹强度极小值情况下的期望的波数。所计算的值假定织物是80微米厚，并且具有1.5的折射率，使用相对于织物法线方向30°入射角的辐射。
前述已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应认为被限定到讨论的特定实施例。因此，上述的实施例应被认为是用于举例说明而非限定，并且应该领会的是本领域技术人员在不背离由下面的权利要求限定本发明的范围的情况下可以在那些实施例中进行变化。
Claims (10)
1.一种测量织物厚度的方法，所述织物具有第一侧和第二侧，所述方法包括以下步骤：
a. 支持所述织物，使得所述织物具有无支撑部分，在这种情况下所述织物具有第一侧上的暴露的外表面和第二侧上的内表面；
b. 将激光束以选定的入射角引导到所述第一侧上的暴露的外表面上的单个点上，其中所述激光束包括具有3-50微米范围内波长的单色的辐射；
c. 当激光束被引导到所述暴露的外表面上的所述点上时，通过选定的波长范围扫描激光束；
d. 测量干涉图样的强度，所述干涉图样由在暴露于织物时出现的辐射的叠加形成；以及
e. 通过利用激光束入射角、波长、织物折射率以及织物厚度之间的关系来提取织物的厚度。
2.根据权利要求1 的方法，其中步骤d包括测量干涉图样的强度，所述干涉图样由从所述第一侧上的暴露的外表面和从所述第二侧上的内表面反射的辐射的叠加而形成。
3.根据权利要求1的方法，其中步骤d包括测量干涉图样的强度，所述干涉图样由直接透射通过织物的辐射和在从织物的第二侧和第一侧的内表面内部反射之后透射通过第二侧的辐射的叠加而形成。
4.根据权利要求1的方法，其中步骤（e）包括通过使用织物厚度作为拟合参数将干涉图样强度分布与波长拟合到数学关系。
5.根据权利要求1的方法，其中步骤（e）包括测量干涉极小值的出现。
6.根据权利要求1的方法，其中单色辐射具有8-25微米范围内的波长。
7.一种非接触卡尺厚度传感器，其用于测量散射材料的织物（2）的厚度，所述织物（2）具有第一侧和第二侧，所述传感器包括：
a. 单色的激光器(36)，其提供具有3-50微米范围内的波长的入射辐射的射束；
b. 用于引导入射辐射(22、26、28)朝向织物（2）的第一侧上的暴露的外表面上的单个点的装置，其中所述入射辐射以相对于织物（2）表面法线从0到60度的入射角到达所述暴露的表面上的固定位置；
c. 用于检测干涉图样(38)的装置，所述干涉图样由从所述暴露的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而形成；以及
d. 用于分析干涉图样(42)以计算织物(2)厚度的装置。
8.根据权利要求7的非接触卡尺厚度传感器，其中所述激光器（36）是动态可调量子级联激光器，其被顺序地调整为以透射通过织物（2）的可选择的波长来发射。
9.根据权利要求7的非接触卡尺厚度传感器，其中所述激光器包括多于一个的可调量子级联激光器（61、62、63、64），其每个以不同的窄波长范围发射，所述不同的窄波长范围通过反射镜和二向色性分束器（70、72、73、74）的系统被多路复用在一起以创建可以在宽波长范围内被扫描的激光源（78）。
10.根据权利要求7的非接触卡尺厚度传感器，其中用于将入射辐射引导到织物上的装置包括设定入射角的控制反射镜系统（20、22、24、26、28、30）。
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