DE102011001106B3 - Method for distinguishing between fiber crossing and fiber bonding in fiber network, involves illuminating point of fiber network with polarized light from direction that is more than certain degree - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft die Analyse von Fasernetzwerken, wie sie beispielsweise in der Papierforschung angewendet wird. Genauer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterscheiden von Faserkreuzungen und Faserbindungen in einem Fasernetzwerk.The present invention relates to the analysis of fiber networks, such as those used in paper research. More particularly, the invention relates to an apparatus and method for discriminating fiber intersections and fiber bonds in a fiber network.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die Papierforschung sucht seit langem nach einem schnellen, zerstörungsfreien Verfahren zur Entschlüsselung eines Fasernetzwerks. Ein solches Verfahren soll insbesondere ermöglichen, zwischen Einzelfasern, Hintergrund, ungebundenen Faserkreuzungen, auch als „Kreuzungsflächen” bezeichnet, und Faserbindungen, auch als „Bindungsflächen” bezeichnet, zu unterscheiden.Paper research has long been searching for a fast, non-destructive process for decoding a fiber network. Such a method should in particular make it possible to distinguish between individual fibers, background, unbound fiber crossings, also referred to as "crossing surfaces", and fiber bonds, also referred to as "bonding surfaces".
Die Reißfestigkeit von Papier hängt neben der Festigkeit der einzelnen Fasern in erster Linie von der Fähigkeit der Fasern ab, Faserbindungen zu bilden. Die Festigkeit der Bindungen hängt dabei von der Größe der gebundenen Fläche und der spezifischen Bindungskraft ab, beispielsweise der Bindungskraft pro Fläche. Dementsprechend kann die Papierfestigkeit im Allgemeinen dadurch erhöht werden, dass die Flexibilität der Fasern erhöht wird, wodurch die Bindungsflächen vergrößert werden, oder indem die Bindungsfestigkeit dadurch erhöht wird, dass die Fasern auf bestimmte Weise behandelt werden, beispielsweise durch Zugabe von geeigneten Chemikalien.The tear strength of paper, in addition to the strength of the individual fibers, depends primarily on the ability of the fibers to form fiber bonds. The strength of the bonds depends on the size of the bonded surface and the specific binding force, for example the binding force per surface. Accordingly, the paper strength can generally be increased by increasing the flexibility of the fibers, thereby increasing the bond areas, or by increasing the bond strength by treating the fibers in a particular manner, for example by adding suitable chemicals.
Zur Analyse eines Fasernetzwerkes müssen die Bindungsflächen von Faserbindungen ermittelt werden. Dazu sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Verfahren bekannt. In Yang et al., Measurements of geometrical parameters of fibre networks, Part. 1 Bonded surfaces, aspect ratios, fibre moments of inertia, bonding state probabilities, Svensk Papperstidning 13, 426–433 (1978) wurde die Bindungsfläche unter Verwendung von Bildern von Proben ermittelt, die mit einem Mikrotom geschnitten wurden. G. Jayme und G. Hunger, Electron microscope 2- and 3-dimensional classifacation of fibre bonding, formation and structure of paper, in: Transactions of the 2nd Fundamental Research Symposium, Oxford, UK, British Paper and Board Maker's Association, Technical Section, pp. 135–170 (1961) schlugen die Verwendung eines Elektronenmikroskops zur Analyse der (zuvor) gebundenen Flächen von Faserbindungen vor, die auseinandergerissen wurden. In A Torgnysdotter, The link between the fibre contact zone and the physical properties of paper: a way to control paper properties, J. Compos. Mater. 41, 1619–1633 (2007) wurde der Kontaktbereich zwischen Fasern unter Verwendung von Lichtmikroskopie und einer geeigneten Einfärbung untersucht.To analyze a fiber network, the bonding surfaces of fiber bonds must be determined. For this purpose, a number of methods are known from the prior art. In Yang et al., Measurements of geometric parameters of fiber networks,
In C. I. Thomson, Probing the nature of cellulosic fibre interfaces with fluorescence resonance energy transfer, PhD Thesis, School of Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, USA (2007) wurde der Fluoreszenzresonanz-Energietransfer verwendet, um Faserbindungen zu analysieren.Fluorescence resonance energy transfer was used in C.I. Thomson, Probing the nature of cellulosic fiber interfaces with fluorescence resonance energy transfer, PhD Thesis, School of Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, USA (2007) to analyze fiber bonds.
Bereits in den 60er Jahren wurde von Page and Tydeman (D. H. Page, Fibre-to-fibre bonds, Part 1. A method for their direct observation, Paper Technol. 1, 407–411 (1960) und (D. H. Page and P. A. Tydeman, Fibre-to-fibre bonds, Part 2. A preliminary study of their properties in paper sheets, Paper Technol. 1, 519–530 (1960)) ein Verfahren eingeführt, in dem der gebundene Bereich einer Faserbindung mit Hilfe von Mikroskopie mit polarisiertem Licht ermittelt wurde.Already in the 1960's, Page and Tydeman (DH Page, Fiber-to-fiber bonds,
In E. Gilli et al., An optical model for polarisation microscopy analysis of pulp fibre-to-fibre bonds, Composite Interfaces 16 (2009) 901–922 wurden Faserbindungen vergleichend unter Verwendung von Polarisationsmikroskopie und Mikrotomschnitten untersucht. Die Experimente zeigten, dass diese beiden bekannten Verfahren zu ganz erheblich unterschiedlichen Ergebnissen führen können Es wurde festgestellt, dass mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie nicht immer eindeutig zwischen gekreuzten, aber nicht gebundenen Fasern (Faserkreuzungen) einerseits und gebundenen Fasern (Faserbindungen) unterschieden werden kann. In dieser Arbeit wurde ein optisches Modell vorgestellt, das die Abbildung von Faserbindungen in der Polarisationsmikroskopie, wie sie von Page und Tydeman vorgeschlagen wurde, sehr zuverlässig beschreibt. Anhand dieses Modells konnte erklärt werden, weshalb manche Faserbindungen in der Polarisationsmikroskopie erkennbar sind und andere nicht. In E. Gilli et al., An optical model for polarization microscopy analysis of pulp fiber-to-fiber bonds, Composite Interfaces 16 (2009) 901-922, fiber bonds were studied using polarization microscopy and microtome sections. The experiments showed that these two known methods can lead to significantly different results. It was found that polarization microscopy can not always clearly differentiate between crossed but unbound fibers (fiber intersections) on the one hand and bonded fibers (fiber bonds) on the other hand. In this work an optical model was presented, which describes the imaging of fiber bonds in polarization microscopy, as proposed by Page and Tydeman, very reliable. On the basis of this model it was possible to explain why some fiber bonds are recognizable in polarization microscopy and others are not.
Diese Arbeit erleichtert die korrekte Interpretation von Mikroskopbildern mit polarisiertem Licht, zeigt jedoch gleichzeitig die Grenzen auf die dieses bekannte Verfahren hinsichtlich der Unterscheidbarkeit von Faserbindungen und Faserkreuzungen aufweist.This work facilitates the correct interpretation of microscope images with polarized light, but at the same time shows the limits of this known method with regard to the distinctness of fiber bonds and fiber intersections.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Es besteht daher immer noch Bedarf für ein zuverlässiges Verfahren zur zerstörungsfreien Entschlüsselung eines Fasernetzwerkes, welches insbesondere eine sichere Unterscheidung von Faserkreuzungen und Faserbindungen ermöglicht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein hierfür geeignetes Verfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung anzugeben.There is therefore still a need for a reliable method for nondestructive decryption of a fiber network, which in particular enables a reliable differentiation of fiber intersections and fiber bonds. The object of the present invention is to specify a method suitable for this purpose and a device suitable for this purpose.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Beleuchten einer Stelle des Fasernetzwerkes mit polarisiertem Licht aus einer Richtung, die maximal 15°, vorzugsweise maximal 10°, und besonders vorzugsweise maximal 5° von der Normalen abweicht,
- b) Bestimmen der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) des unmittelbar reflektierten Lichtes oder von reflektiertem Licht, welches nach der Reflektion eine oder mehrere optische Komponenten durchlaufen hat, wobei in den Schritten a) und b) ein Winkel Θ zwischen einer vorbestimmten Raumrichtung des Netzwerkes und mindestens einer polarisationsempfindlichen optischen Komponente im Lichtweg des einfallenden Lichtes (
12 ) und/oder des reflektierten Lichtes (18 ) eingestellt ist, - c) Wiederholen der Schritte a) und b) für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Winkeln Θ,
- d) Vergleichen des Verlaufs von Ψ(Θ) und/oder Δ(Θ) mit mindestens einem Referenzwert, und
- e) Entscheiden anhand des Vergleiches, ob an der betreffenden Stelle eine Faserkreuzung oder eine Faserbindung vorliegt.
- a) illuminating a position of the fiber network with polarized light from a direction which deviates from the normal by a maximum of 15 °, preferably a maximum of 10 °, and particularly preferably a maximum of 5 °,
- b) determining the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) of the directly reflected light or reflected light which has passed through one or more optical components after reflection, wherein in steps a) and b) an angle Θ between a predetermined Spatial direction of the network and at least one polarization-sensitive optical component in the light path of the incident light (
12 ) and / or the reflected light (18 ) is set, - c) repeating steps a) and b) for a plurality of different angles Θ,
- d) comparing the course of Ψ (Θ) and / or Δ (Θ) with at least one reference value, and
- e) On the basis of the comparison, decide whether there is fiber crossing or fiber bonding at the point concerned.
In der konzeptionell einfachsten Ausgestaltung könnte der Schritt c) darin bestehen, dass das Fasernetzwerk relativ zur Optik entsprechend dem Schritt b) genannten Winkel Θ gedreht wird. Wie unten näher erläutert wird, ist es jedoch auch möglich, und unter praktischen Gesichtspunkten gegebenenfalls vorzuziehen, die Probe unbewegt zu lassen und stattdessen polarisationsempfindliche optische Komponenten zu drehen.In the conceptually simplest embodiment, step c) could consist in that the fiber network is rotated relative to the optical system in accordance with the angle Θ mentioned in step b). However, as will be explained in more detail below, it is also possible, and optionally, in practical terms, to prefer to leave the sample stationary and instead to rotate polarization-sensitive optical components.
Gemäß der Erfindung wird zwischen Faserkreuzungen und Faserbindungen anhand des Verlaufs der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) unterschieden. Die Erfinder haben festgestellt, dass für den Fall einer senkrechten Beleuchtung, oder einer Beleuchtung, die maximal 15°, vorzugsweise maximal 10° und besonders vorzugsweise maximal 5° von der Normalen abweicht, Faserbindungen und Faserkreuzungen in einem Phasenraum, der aus den Ellipsometrieparametern Ψ und Δ und dem Rotationswinkel Θ gebildet wird, trennbar sind. Aus diesem Grund kann in der Tat anhand des Verlaufs von Ψ(Θ) und Δ(Θ) für eine Mehrzahl von Winkeln Θ entschieden werden, ob eine Faserbindung oder eine Faserkreuzung vorliegt.According to the invention, a distinction is made between fiber intersections and fiber bonds on the basis of the course of the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ). The inventors have found that, in the case of vertical illumination, or illumination that deviates from the normal at most 15 °, preferably at most 10 ° and particularly preferably at most 5 °, fiber bonds and fiber intersections in a phase space consisting of the ellipsometry parameters Ψ and Δ and the rotation angle Θ, are separable. For this reason, it can be decided whether a fiber bond or a fiber intersection exists for a plurality of angles Θ based on the course of Ψ (Θ) and Δ (Θ).
Dabei weist der Begriff „Verlauf” darauf hin, dass die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ für eine Mehrzahl von Winkeln Θ an derselben beleuchteten Stelle gemessen werden. Auf welche Weise dieser „Verlauf” dann konkret ausgewertet wird, um die Entscheidung zu treffen, hängt vom Einzelfall und von praktischen Erwägungen ab. Beispielsweise wäre es möglich, den „Verlauf” von Ψ(Θ) bzw. Δ(Θ) mit einer Referenzkurve zu vergleichen. In vielen Fällen wird dies jedoch nicht nötig sein, vielmehr wird es ausreichen, bestimmte charakteristische Stellen des Verlaufs von Ψ(Θ) bzw. Δ(Θ) mit bestimmten einzelnen Referenzwerten zu vergleichen, um zwischen Faserbindungen und Faserkreuzungen zu unterscheiden, was die Auswertung hinsichtlich des Rechenaufwandes wesentlich vereinfacht. In diesem Sinne ist der „Vergleich des Verlaufs” von Ψ(Θ) und/oder Δ(Θ) mit „mindestens einem Referenzwert” zu verstehen. Wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels gezeigt ist, kann es z. B. ausreichen, wenn ein bestimmter Wert eines Ellipsometrieparameters aus dem beschriebenen Verlauf mit einem bestimmten Referenzwert verglichen wird.The term "course" indicates that the ellipsometry parameters Ψ and Δ are measured for a plurality of angles Θ at the same illuminated location. The way in which this "course" is then evaluated concretely to make the decision depends on the individual case and practical considerations. For example, it would be possible to compare the "course" of Ψ (Θ) or Δ (Θ) with a reference curve. In many cases, however, this will not be necessary, but it will be sufficient to compare certain characteristic points of the course of Ψ (Θ) or Δ (Θ) with certain individual reference values in order to differentiate between fiber bonds and fiber intersections the computational effort significantly simplified. In this sense, the "comparison of the course" of Ψ (Θ) and / or Δ (Θ) is to be understood as meaning "at least one reference value". As shown below with reference to an embodiment, it may, for. B. be sufficient if a certain value of Ellipsometrieparameters from the described course is compared with a certain reference value.
Die Ellipsometrie bestimmt die Änderung des Polarisationszustandes von Licht bei Reflexion an einer Probe. Die Änderung des Polarisationszustandes kann durch das komplexe Verhältnis ρ^ der Reflexionskoeffizienten rs und rp beschrieben werden: wobei rs den Reflexionskoeffizienten des s-polarisierten Lichtes (senkrecht zur Einfallsebene) und rp den Reflexionskoeffizienten für p-polarisiertes Licht (parallel zur Einfallsebene) bezeichnet.Ellipsometry determines the change in polarization state of light when reflected on a sample. The change of polarization state can be described by the complex ratio ρ ^ of the reflection coefficients r s and r p : where r s denotes the reflection coefficient of the s-polarized light (perpendicular to the plane of incidence) and r p the reflection coefficient for p-polarized light (parallel to the plane of incidence).
Der Wert für ρ ^ wird üblicherweise durch Ellipsometrieparameter Ψ und Δ beschrieben, wobei tan(Ψ) dem Betrag von ρ ^ und Δ der Änderung der Phasendifferenz zwischen s- und p-polarisiertem Licht entspricht:
Ellipsometriemessungen werden üblicherweise für schräg einfallendes Licht durchgeführt. Bei senkrecht einfallendem Licht, wie es der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, sind die Polarisationsrichtungen s und p streng genommen nicht definiert, weshalb man die Ellipsometrie aus senkrechtem Einfall auch als „Reflexions-Anistropie” bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung können die s- und p-Richtungen willkürlich festgelegt werden. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit als p-Richtung die Richtung eines aktuellen Polarisationswinkels Θ von linear polarisiertem einfallenden Licht definiert, und die s-Richtung entsprechend senkrecht hierzu definiert, also p(Θ) = Θ und s(Θ) = Θ + 90°.Ellipsometry measurements are usually made for obliquely incident light. In the case of perpendicularly incident light, as in the preferred embodiment of the present invention, the polarization directions s and p are strictly not defined, which is why the vertical incidence ellipsometry is also referred to as "reflection anisotropy". Within the scope of the invention, the s and p directions can be determined arbitrarily. In the following embodiment, the direction of a current polarization angle Θ of linearly polarized incident light is defined without limiting the generality as the p-direction, and the s-direction is defined perpendicular thereto, ie p (Θ) = Θ and s (Θ) = Θ + 90 °.
Vorzugsweise werden die Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) für eine Abfolge von Rotationswinkeln Θ gemessen, die mindestens einen Winkelbereich von 90° überdeckt und bei der das Intervall zwischenbenachbarten Rotationswinkeln der Abfolge maximal 25°, vorzugsweise maximal 15° beträgt. Mit anderen Worten wird der oben genannte „Verlauf” von Ψ(Θ) und Δ(Θ) für einen Winkelbereich ermittelt, der mindestens 90° abdeckt und aufgrund des maximalen Abstandes zwischen benachbarten Rotationswinkeln der Abfolge ausreichend dichte Datenpunkte enthält. Ein Intervall von beispielsweise 10° bis 15° zwischen benachbarten Rotationswinkeln stellt einen guten Kompromiss zwischen einer ausreichenden Datendichte zur Rekonstruktion des Verlaufs von Ψ(Θ) und Δ(Θ) einerseits und einer moderaten Anzahl von Messpunkten andererseits dar.Preferably, the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) are measured for a sequence of rotation angles Θ covering at least an angular range of 90 ° and at which the interval between adjacent rotation angles of the sequence is at most 25 °, preferably at most 15 °. In other words, the above "history" of Ψ (Θ) and Δ (Θ) is determined for an angular range covering at least 90 ° and containing sufficiently dense data points due to the maximum distance between adjacent rotation angles of the sequence. An interval of for example 10 ° to 15 ° between adjacent rotation angles represents a good compromise between a sufficient data density for the reconstruction of the course of Ψ (Θ) and Δ (Θ) on the one hand and a moderate number of measuring points on the other.
In der bevorzugten Ausführungsform ist das einfallende Licht linear polarisiert. Es ist jedoch auch möglich, ein ähnliches Verfahren mit zirkular polarisiertem einfallendem Licht durchzuführen. Auch in diesem Fall lassen sich Faserbindungen, Faserkreuzungen und Einzelfasern in einem Phasenraum (Ψ, Δ, Θ) separieren. Allerdings ergeben sich in diesem Fall selbstverständlich andere Referenzwerte bzw. Referenzkurven zu deren Unterscheidung. In the preferred embodiment, the incident light is linearly polarized. However, it is also possible to perform a similar method with circularly polarized incident light. Also in this case, fiber bonds, fiber intersections and individual fibers can be separated in a phase space (Ψ, Δ, Θ). However, in this case, of course, other reference values or reference curves result in their differentiation.
In einer bevorzugten Ausführungsform. wird anhand des Vergleichs des Verlaufs von Ψ(Θ) mit einem Referenzwert festgelegt, ob eine Bindung vorliegt, und für den Fall, dass festgestellt wird, dass keine Bindung vorliegt, wird anhand eines Vergleichs von Δ(Θ) mit einem Referenzwert festgestellt, ob eine Kreuzung oder eine Einzelfaser vorliegt.In a preferred embodiment. shall be determined by comparing the course of Ψ (Θ) with a reference value as to whether there is a bond, and in the event that it is determined that there is no bond, it shall be determined by comparing Δ (Θ) with a reference value an intersection or a single fiber is present.
Der Vergleich des „Verlaufs” von Ψ(Θ) und/oder Δ(Θ) kann mit einem Referenzwert kann beispielsweise darin bestehen, dass der Wert Ψ(Θ0) bzw. Δ(Θ0) für einen charakteristischen Winkel Θ0 mit einem zugehörigen Referenzwert verglichen wird. Der charakteristische Winkel Θ0 kann dabei ein Winkel sein, für den Ψ(Θ0) oder Δ(Θ0) einen charakteristischen Wert, insbesondere einen Extremalwert annimmt.The comparison of the "course" of Ψ (Θ) and / or Δ (Θ) with a reference value can be, for example, that the value Ψ (Θ 0 ) or Δ (Θ 0 ) for a characteristic angle Θ 0 with a associated reference value is compared. The characteristic angle Θ 0 can be an angle for which Ψ (Θ 0 ) or Δ (Θ 0 ) assumes a characteristic value, in particular an extremal value.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist Θ0 der Wert, an dem Ψ(Θ) ein Minimum annimmt, und der Vergleich des Verlaufs von Ψ(Θ) mit dem Referenzwert besteht darin, dass Ψ(Θ0) mit einem Referenzwert Ψkrit verglichen wird und festgestellt wird, dass eine Bindung vorliegt, wenn gilt: Ψ(Θ0) < Ψkrit.In a preferred embodiment, Θ 0 is the value at which Ψ (Θ) takes a minimum, and the comparison of the course of Ψ (Θ) with the reference value is that Ψ (Θ 0 ) is compared with a reference value Ψ crit and it is determined that a bond exists if: Ψ (Θ 0 ) <Ψ crit .
Mit Hilfe der Ellipsometrieparameter kann nicht nur zwischen Faserkreuzungen, Faserbindungen und Einzelfasern unterschieden werden, sondern gleichzeitig kann aus denselben Parametern der Winkel ξ einer Einzelfaser bestimmt werden, bzw. im Falle einer Faserbindung oder Faserkreuzung, der Winkel ξ der oben liegenden der beiden Fasern, jeweils im Bezug auf die vorbestimmte Raumrichtung. Diese weitere Information, zusätzlich zu der Unterscheidung zwischen Einzelfaser, Faserkreuzung und Faserbindung ermöglicht eine nahezu voll ständige Entschlüsselung des Netzwerks.With the help of the ellipsometry parameters, it is not only possible to distinguish between fiber intersections, fiber bonds and individual fibers, but at the same time the angle ξ of a single fiber can be determined from the same parameters, or in the case of a fiber bond or fiber intersection, the angle ξ of the upper one of the two fibers, respectively with respect to the predetermined spatial direction. This additional information, in addition to the distinction between single fiber, fiber crossing, and fiber binding, allows almost complete decryption of the network.
Insbesondere kann in einer vorteilhaften Weiterbildung in einem Kreuzungs- oder Bindungspunkt anhand des Winkels ξ der oben liegenden Faser festgestellt werden, welche der beiden Fasern oben liegt. Dies ist eine zusätzliche Information, die mit keinem herkömmlichen zerstörungsfreien Verfahren erhalten werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel ξ aus dem Winkel Θ0 abgeleitet, für den Ψ(Θ) ein Minimum annimmt.In particular, it can be determined in an advantageous development in a crossing or binding point on the basis of the angle ξ of the overhead fiber, which of the two fibers is at the top. This is additional information that can not be obtained with any conventional non-destructive method. In a preferred embodiment, the angle ξ is derived from the angle Θ 0 , for which Ψ (Θ) assumes a minimum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das reflektierte Licht vor der Messung der Ellipsometrieparameter durch ein λ/4-Plättchen geführt. Die Erfinder haben anhand von ausführlichen Simulationen festgestellt, dass die Separierbarkeit der interessierenden Fälle im Phasenraum (Ψ, Δ, Θ) besonders gut ausgeprägt ist, wenn ein solches λ/4-Plättchen im Lichtweg des reflektierten Lichtes angeordnet wird.In an advantageous development, the reflected light is passed through a λ / 4 plate before the measurement of the ellipsometry parameters. The inventors have found from detailed simulations that the separability of the cases of interest in the phase space (Ψ, Δ, Θ) is particularly pronounced when such a λ / 4-plate is placed in the light path of the reflected light.
Wie eingangs erwähnt wurde, werden die Ellipsometrieparameter Ψ(Θ), Δ(Θ) an jeder Stelle des Fasernetzwerkes für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Rotationswinkeln Θ ermittelt. Hierzu kann beispielsweise die Probe zwischen unterschiedlichen Messungen gedreht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die unterschiedlichen Polarisationswinkel Θ jedoch eingestellt, indem ein Polarisator im Lichtweg des einfallenden Lichts gedreht wird, und ggf. im Lichtweg des reflektierten Lichts angeordnete polarisationsempfindliche optische Komponenten gemeinsam mit dem genannten Polarisator im Lichtweg des einfallenden Lichts gedreht werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die erzeugten Bilder für unterschiedliche Rotationswinkel stets deckungsgleich sind. As mentioned above, the ellipsometry parameters Ψ (Θ), Δ (Θ) are determined at each point of the fiber network for a plurality of different angles of rotation Θ. For this purpose, for example, the sample can be rotated between different measurements. However, in a preferred embodiment, the different polarization angles θ are adjusted by rotating a polarizer in the light path of the incident light and, if necessary, polarization-sensitive optical components disposed in the light path of the reflected light are rotated together with said polarizer in the light path of the incident light. This embodiment has the advantage that the images produced are always congruent for different angles of rotation.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ellipsometrieparameter mit Hilfe einer Mehrzahl von Intensitätsmessungen bei unterschiedlichen Einstellungen eines Analysators bestimmt. Dieses Messverfahren der Ellipsometrieparameter ist auch als „Rotating Analyser Setup” aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können dabei die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ aus vier Intensitätsmessungen bei Analysatoreinstellungen von 0°, 45°, 90° und 135° bestimmt werden. Für nähere Details wird auf Hirujuki Fujiwara (Spectroscopic Ellipsometry – Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007) verwiesen. In a preferred embodiment, the ellipsometry parameters are determined using a plurality of intensity measurements at different settings of an analyzer. This measurement method of the ellipsometry parameters is also known as "Rotating Analyzer Setup" of the prior art. For example, the ellipsometry parameters Ψ and Δ can be determined from four intensity measurements at analyzer settings of 0 °, 45 °, 90 ° and 135 °. For more details, refer to Hirujuki Fujiwara (Spectroscopic Ellipsometry - Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007).
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das reflektierte Licht mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels in Richtung auf eine Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter umgelenkt. Dabei kann das reflektierte Licht vorzugweise zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und der Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter mit Hilfe eines weiteren Spiegels umgelenkt werden. Dadurch wird ein vom Strahlteiler verursachter Phasensprung korrigiert, wie unten näher erläutert wird.In an advantageous embodiment, the reflected light is deflected by means of a partially transparent mirror in the direction of a device for measuring the Ellipsometrieparameter. In this case, the reflected light can preferably be deflected between the semitransparent mirror and the device for measuring the ellipsometry parameters with the aid of another mirror. As a result, a phase jump caused by the beam splitter is corrected, as explained in more detail below.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Beleuchtungsoptik verwendet, mit der ein Flächenbereich des Fasernetzwerks beleuchtet wird, und eine Abbildungsoptik verwendet, mit der das am Fasernetzwerk reflektierte Licht auf einen Bildsensor abgebildet wird. In dieser Ausführungsform kann somit ein ausgedehnter Flächenbereich des Fasernetzwerks als Ganzes analysiert werden, wobei gleichzeitig ein Mikroskopbild des Fasernetzwerks erzeugt wird und zusätzlich an jedem Punkt des Mikroskopbildesder Verlauf der Ellipsometrieparameter für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Rotationswinkeln ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich zerstörungsfrei und in Echtzeit sowohl ein Mikroskopbild des Netzwerkes erhalten, als auch zusätzliche Informationen bezüglich des Fasernetzwerkes aus den Ellipsometrieparameter gewinnen, insbesondere die Unterscheidung zwischen Faserbindungen, Faserkreuzungen, Einzelfasern und Faserwinkel und welche von zwei Fasern in einer Bindung oder Kreuzung oben liegt.In an advantageous embodiment, an illumination optics is used, with which a surface area of the fiber network is illuminated, and uses imaging optics with which the light reflected at the fiber network is imaged onto an image sensor. Thus, in this embodiment, an extended area of the fiber network as a whole can be analyzed, simultaneously creating a microscope image of the fiber network, and in addition, at each point of the microscope image, determining the course of the ellipsometry parameters for a plurality of different angles of rotation. In this way, a non-destructive and real-time image of the network can be obtained as well as additional information regarding the fiber network from the ellipsometry parameters, in particular the distinction between fiber bonds, fiber intersections, single fibers and fiber angles and which of two fibers in a bond or intersection above lies.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird. Darin zeigen:Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description in which the invention will be described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. Show:
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wir im Folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung durch diese konkrete Beschreibung nicht eingeschränkt werden soll.For a better understanding of the present invention, reference will now be made to the preferred embodiments illustrated in the drawings, which are described in terms of specific terminology. It should be noted, however, that the scope of the invention should not be limited by this specific description.
Das an der Probe
Wie eingangs beschrieben wurde, werden die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ für eine Mehrzahl von Rotationswinkeln Θ zwischen einer vorgegebenen Raumrichtung der Probe
Unter praktischen Gesichtspunkten ist es jedoch vorzuziehen, wenn die Probe und der Bildsensor (in
In
Der in
Die Erfinder haben festgestellt, dass anhand der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ), die sich bei senkrechtem oder nahezu senkrechtem Lichteinfall und für eine Abfolge unterschiedlicher Polarisationswinkel Θ ergeben, überraschenderweise mit großer Zuverlässigkeit zwischen Einzelfasern, Faserkreuzungen und Faserbindungen unterschieden werden kann. Diese Erkenntnis ist das Ergebnis von Simulationen, die im Folgenden näher beschrieben werden.The inventors have found that it is surprisingly possible to differentiate between individual fibers, fiber intersections and fiber bonds on the basis of the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ), which result with normal or almost vertical incidence of light and for a sequence of different polarization angles Θ. This finding is the result of simulations, which are described in more detail below.
Ziel der Simulationen ist es, für bestimmte Fasermodelle sämtliche Komponenten der Aufbauten von
Dieser Algorithmus ist in der Lage, beliebig vielschichtige anisotrope Proben mit beliebiger Ausrichtung der optischen Achsen für alle Einfallswinkel zu berechnen. Als Ergebnis dieses Algorithmus lassen sich entweder unmittelbar die Ellipsometrieparameter ermitteln oder alternativ eine Jones-Matrix, die das optische Verhalten der Probe wiederspiegelt. Mit Hilfe dieser Jones-Matrix kann zusätzlich zu der Probe auch noch der gesamte optische Aufbau, inklusive Polarisator
Die Transfermatrix T beinhaltet hierbei sämtliche Eigenschaften des optischen Vielschichtsystems und stellt eine Abbildung der einfallenden Welle in p- und s-Polarisation (Ap, As) auf die reflektierte Welle (Bp, Bs) und die transmittierte Welle (Cp, Cs) dar. In der obigen Gleichung repräsentiert somit der linke Vektor die Wellen vor der Probe, der rechte Vektor die Wellen nach der Probe. Da davon ausgegangen wird, dass es nach der Probe keine rückwärtslaufende Welle gibt, sind die Komponenten Dp und Ds im rechten Wellenvektor 0.In this case, the transfer matrix T contains all the properties of the multilayer optical system and represents an image of the incident wave in p- and s-polarization (A p , A s ) on the reflected wave (B p , B s ) and the transmitted wave (C p , C s ). In the above equation, the left vector thus represents the waves before the sample, the right vector the waves after the sample. Since it is assumed that there is no backward wave after the sample, the components D p and D s in the right wave vector are 0.
Die Transfermatrix kann aus einzelnen Transfermatrizen für die einzelnen Schichten durch Multipllication aufgebaut werden, wobei für jede Schicht unter Beachtung der Randwerte die Wellengleichung gelöst werden muss. Aus den einzelnen Elementen der gesamten Transfermatrix können nun auch die interessierenden optischen Größen ermittelt werden. Im vorliegenden Fall ist dies des komplexe Reflexivitätsverhältnis weil sich daraus unmittelbar die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ ermitteln lassen:
Zur Einbettung dieser Ergebnisse in die Simulation des optischen Aufbaus wird auch noch die Reflexions-Jones-Matrix der Probe benötigt. Ihre Elemente ergeben sich wie folgt (s. Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry – Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007): To embedding these results in the simulation of the optical structure is also the reflection Jones matrix of the sample needed. Their elements are as follows (see Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry - Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007):
Der optische Aufbau nach einer der Varianten
Im Folgenden werden die Jones-Matrizen JA für den Aufbau von
Dabei gilt für die Jones-Matrizen für die optischen Elemente folgendes: The following applies to the Jones matrices for the optical elements:
Hierbei wurde angenommen, dass der Winkel Θ der p-Polarisationsrichtung entspricht Wie eingangs erwähnt wurde, ist dies eine reine Konventionsfrage, da bei einem senkrecht einfallenden Lichtstrahl
Mit dieser Formulierung kann die Äquivalenz der Konfigurationen A, B0 und B' überprüft werden. Dabei sind die Koordinatensysteme des Ausbaus B0 und B' im Verhältnis zum Aufbau A um den Winkel-Θ verdreht, was selbstverständlich ebenfalls berücksichtigt werden muss. Für den Ausbau B0 ergibt sich: With this formulation, the equivalence of the configurations A, B 0 and B 'can be checked. The coordinate systems of the expansion B 0 and B 'in relation to the structure A are rotated by the angle Θ, which of course must also be taken into account. For the expansion B 0 results:
Wie dem Ergebnis zu entnehmen ist, ergibt sich durch den Phasensprung am Strahlteiler, der nicht mitrotiert werden kann, ein Rotation-Term, der sich nicht mehr wegkürzen lässt. Im Vergleich hierzu ergibt sich fit den Aufbau B' As can be seen from the result, the phase jump at the beam splitter, which can not be co-rotated, results in a rotation term that can not be shortened. In comparison, fit results in the construction B '
Schließlich erhält man für den Aufbau A Finally, you get for the structure A
Der Unterschied zwischen dem Aufbau B' und A besteht also nur in einem verdrehten Koordinatensystem und einem Vorzeichenunterschied.The difference between the structure B 'and A thus exists only in a twisted coordinate system and a sign difference.
Mit Gleichung (1.2) folgt somit für das komplexe Reflexionsverhältnis ρ ^ aus Gleichungen 1.19 und 1.20 unmittelbar Equation (1.2) thus implies equations 1.19 and 1.20 for the complex reflection ratio ρ ^
Der Vorzeichenunterschied erzeugt, wie aus Gleichung 1.2 unmittelbar hervorgeht, einen Phasensprung in Δ von +/– 180°:
Schließlich folgt aus Gleichung 1.6 für den Aufbau A Finally, equation 1.6 for structure A follows
Somit können die Ellipsometrieparameter unmittelbar aus den Transfermatrixelementen bestimmt werden. Die zugrundeliegenden Simulationen wurden hier nach dem Aufbau A ausgeführt, da die Rechnung hierfür am einfachsten ist und – wie oben gezeigt – die Ergebnisse zu denjenigen aus dem Aufbau B ohnehin äquivalent sind. Betrachtet man den Verlauf der Ellipsometrieparameter der verschiedenen simulierten Systeme (s.
Der Simulation wurden über 3 Millionen Modelle für Einzelfasern, Faserkreuzungen und Faserbindungen zugrunde gelegt, wobei die Fasern als zweischichtiges System simuliert wurden, welches die dickste Schicht der Faser, die sekundäre Wand, repräsentiert. In dieser Wand befinden sich über 90% des Fasermaterials, und es ist die einzige Schicht, die eine fast kristalline Ordnungsstruktur aufweist. Deshalb ist davon auszugehen, dass sie auch für die optischen Eigenschaften maßgeblich ist. Für nähere Details wird auf Gilli et. al, An optical model for polarization microscopy analysis of pulp fibre-to-fibre bonds, Composite Interfaces, 16(5): 901–922, 2009 und die Offenlegungsschrift
In Bezug auf die unterschiedlichen Faserparameter, insbesondere Faserwandstärke und Fibrillenwinkel wurden Literaturdaten herangezogen. Die Orientierung der Probe wurde in der Simulation für jeden (simulierten) Messvorgang zufällig vorgegeben, ähnlich wie in einem tatsächlichen Fasernetzwerk, in dem auch beliebige Winkel der Fasern auftreten können.With regard to the different fiber parameters, in particular fiber wall thickness and fibril angle, literature data were used. The orientation of the sample was randomized in the simulation for each (simulated) measurement, similar to an actual fiber network, where any angle of the fibers can occur.
In der Simulation wurden für jede (simulierte) Messung die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ für eine Mehrzahl von Polarisationswinkeln Θ aus einem Bereich von 0° bis 180° gemessen, um dadurch einen Verlauf der Ellipsometrieparameter Ψ, Δ in Abhängigkeit von dem Polarisationswinkel Θ zu erzeugen. Da der Simulation der Aufbau A (entsprechend
In
In
Eine mögliche Fallunterscheidung kann wie folgt vorgenommen werden: zuerst wird der Winkel Θ0 ermittelt, bei dem Ψ(Θ) ein Minimum annimmt. An diesem Wert Θ0 wird Ψ(Θ0) mit einem Referenzwert Ψkrit = 85,5° verglichen. Falls Ψ(Θ0) < Ψkrit = 85,5° liegt, dann liegt eine Faserbindung vor. Der Winkel Θ0 und Ψkrit sind in
Falls Δ(Θ0) > 0 ist, liegt eine Einzelfaser vor, wenn gilt Δ(Θ0) < Δkrit+ = 106,5°, und es liegt eine Kreuzung vor wenn gilt Δ(Θ0) > Δkrit+ = 106,5°.If Δ (Θ 0 )> 0, a single fiber is present if Δ (Θ 0 ) <Δ crit + = 106.5 °, and there is an intersection if Δ (Θ 0 )> Δ crit + = 106, 5 °.
Falls jedoch Δ(Θ0) < 0, liegt eine Einzelfaser vor, wenn gilt Δ(Θ0) < Δkrit– = –73,5°. Eine Kreuzung liegt vor, falls gilt Δ(Θ0) > Δkrit–. In
Man beachte, dass dies nur eine beispielhafte Art ist, um anhand des Verlaufs von Ψ(Θ) und Δ(Θ) zwischen Einzelfasern, Faserkreuzungen und Faserbindungen zu unterscheiden. Die allgemein zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass bei dem in
Die Simulation hat gezeigt, dass nach den obigen Kriterien bei über 3 Millionen Testkonfigurationen in allen Fällen richtig zwischen Einzelfaser, Faserbindung und Faserkreuzung unterschieden wurde.The simulation has shown that according to the above criteria in more than 3 million test configurations a distinction was made in all cases between single fiber, fiber binding and fiber crossing.
In den Simulationen wurde auch berücksichtigt, dass der Einfall des Lichtes nicht exakt normal zur Probe ist. Es konnte verifiziert werden, dass auch bei moderaten Abweichungen von der Normalen noch eine Unterscheidbarkeit der drei genannten Fälle gegeben ist. Ein Vergleich mit anderen, hier nicht im Detail beschriebenen Konfigurationen mit schräg einfallendem Licht, beispielsweise unter Winkeln die mehr als 15° von der Normalen abwichen, ergaben jedoch, dass die betreffenden Fälle weitaus schlechter unterschieden werden konnten. Ein Aufbau mit senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht einfallendem Licht ist daher zu bevorzugen.The simulations also took into account that the incidence of light is not exactly normal to the sample. It could be verified that even with moderate deviations from the normal there is still a distinctness of the three mentioned cases. However, a comparison with other oblique incident light configurations, for example, at angles more than 15 ° from normal, revealed that the cases in question could be distinguished much more poorly. A structure with perpendicular or at least almost vertical incident light is therefore to be preferred.
In der Simulation wurden auch ein gewisses Rauschen der Parameter berücksichtigt. Es kann gezeigt werden, dass für das Rauschbandverhältnis
Ferner ist den Simulationen zu entnehmen, dass der Winkel Θ0, bei dem Ψ minimal wird, einer Polarisation entspricht, die in einem Winkel von 45° zur Faserhauptachse der Einzelfaser bzw. der oben liegenden von gekreuzten oder gebundenen Fasern liegt. Somit kann aus Θ0 auch der Winkel ξ zwischen der Faserhauptachse und der 0°-Polarisatorstellung berechnet werden. Allerdings ist hierbei wieder eine Faserunterscheidung unter Bezugnahme auf Δ nötig:
Auf diese Weise kann an jedem Bildpunkt aus dem Ellipsometrieparameter gleichzeitig der Winkel ξ der Faser unter Bezug auf eine vorbestimmte Richtung, beispielsweise die 0°-Stellung des Polarisators ermittelt werden. Über den Winkel ξ kann ferner im Falle einer Faserbindung oder Faserkreuzung festgestellt werden, welche der beiden Fasern oben liegt. Dazu braucht eine Einzelfaser nur bis zu einer Kreuzung/Bindung verfolgt zu werden. Wenn der Winkel ξ beim Verfolgen der Faser über eine Kreuzung oder Bindung stetig ist, liegt die entsprechende Faser oben, ist er unstetig, liegt sie unten. Dies ist eine wesentliche neue Information, die bis heute bei Untersuchungen von Faser-Bindungen im Lichtmikroskop, selbst im Polarisationsmikroskop noch nicht möglich ist.In this way, at each pixel from the ellipsometry parameter at the same time the angle ξ of the fiber with respect to a predetermined direction, for example, the 0 ° position of the polarizer can be determined. In addition, in the case of a fiber bond or fiber intersection, it can be determined via the angle ξ which of the two fibers lies at the top. This requires a single fiber to be followed only up to a crossing / bond. If the angle ξ is continuous when tracing the fiber over an intersection or bond, the corresponding fiber is at the top; if it is unsteady, it is at the bottom. This is a significant new piece of information that is still not possible in investigations of fiber bonds in a light microscope, even in a polarizing microscope.
Zusammenfassend kann daher mit dem Verfahren der Erfindung nicht nur für jeden Bildpunkt ermittelt werden, ob sich darauf eine einzelne Faser, eine ungebundene Kreuzung oder eine Bindung befindet, sondern es kann auch die vertikale Lage der Faser bestimmt werden, ihr Hauptachsenwinkel und der Bindungs- bzw. Kreuzungswinkel. Dies ist im Prinzip ein vollständiger Satz aller Information, die für eine Finite-Elemente-basierte Netzwerkmechaniksimulation benötigt wird, die anschließend an die optische Messung anhand von mechanischen Zerreißversuchen verifiziert werden kann. Kein noch so aufwendiges bekanntes Messverfahren ist zu etwas Ähnlichem in der Lage.In summary, therefore, with the method of the invention it can be determined not only for each pixel whether there is a single fiber, an unbound intersection or a bond, but also the vertical position of the fiber can be determined, its major axis angle and the binding or Crossroads angle. This is, in principle, a complete set of all the information needed for a finite element based network mechanics simulation, which can then be verified from the optical measurement by means of mechanical tearing tests. No amount of known measuring technology is capable of doing something similar.
Ferner ist es möglich, anschließend an die oben beschriebene Messung weitere Ellipsometrieparameter ohne des λ/4-Phasenplättchen zu bestimmen und dann mittels einer weiteren Simulation die Parameter Faserwandstärke und Fibrillenwinkel für jeden Bildpunkt abzuschätzen. Der hierfür benötigte zusätzliche Rechenaufwand erweist sich als moderat. Auf diese Weise kann man alle relevanten Daten zu Fasermechanik in einem einzigen Messgerät und in lediglich zwei Messdurchgängen ermitteln.Furthermore, it is possible, subsequent to the measurement described above, to determine further ellipsometry parameters without the λ / 4 phase plate and then to estimate the parameters fiber wall thickness and fibril angle for each pixel by means of a further simulation. The additional computational effort required for this proves to be moderate. In this way, all relevant data on fiber mechanics can be determined in a single instrument and in just two measurement cycles.
Es sei betont, dass der in
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn, wie in
Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführugsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeitig und künftig im Umfang der anhängigen Ansprüche liegen, geschützt werden sollen.Although preferred embodiments have been shown and described in detail in the drawings and foregoing description, this should be considered as illustrative and not restrictive of the invention. It should be understood that only the preferred embodiments are illustrated and described and all changes and modifications that are presently and to the extent that they come within the scope of the appended claims should be protected.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Vorrichtung zur Analyse eines FasernetzwerkesDevice for analyzing a fiber network
- 1212
- einfallender Lichtstrahlincident light beam
- 1414
- Probe des FasernetzwerkesSample of the fiber network
- 1616
- Polarisatorpolarizer
- 1818
- reflektierter Lichtstrahlreflected light beam
- 2020
- teildurchlässiger Spiegelsemitransparent mirror
- 2222
- λ/4-Plättchenλ / 4 plate
- 2424
- Analysatoranalyzer
- 2626
- Spiegelmirror
- 2828
- Lichtquellelight source
- 3030
- Beleuchtungsoptikillumination optics
- 3232
- Abbildungsoptikimaging optics
- 3434
- Bildsensorimage sensor
Claims (22)
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