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

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 Download PDF

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Abstract

The method involves illuminating a point of the fiber network with polarized light (12) from a direction that is more than 15 degree, particularly 10 degree and not more than 5 degree from the normal line. The ellipsometric parameter of the directly reflected light (18) on the optical components (20,22) is determined. The gradient of the ellipsometric parameter is compared with a reference value. An independent claim is also included for a device for analyzing a fiber network.

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, Part 1 Bonded surfaces, aspect ratios, fiber moments of inertia, bonding state probabilities, Svensk Papperstidning 13, 426-433 (1978), the binding area was determined using images of Detects samples that have been cut with a microtome. G. Jayme and G. Hunger, Electron microscope 2- and 3-dimensional classification of fiber bonding, formation and structure of paper, Transactions of the 2nd Fundamental Research Symposium, Oxford, UK, British Paper and Board Maker's Association, Technical Section , pp. 135-170 (1961) proposed the use of an electron microscope to analyze the (previously) bonded areas of fiber bonds that were torn apart. In A Torgnysdotter, The link between the fiber contact zone and the physical properties of paper: a way to control paper properties, J. Compos. Mater. 41, 1619-1633 (2007), the contact area between fibers was examined using light microscopy and a suitable coloring.

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, Part 1. A method for their direct observation, Paper Technol. 1, 407-411 (1960) and (DH Page and PA Tydeman, Fiber-to-fiber bonds, Part 2. A preliminary study of their properties in paper sheets, Paper Technol. 1, 519-530 (1960)) introduced a method in which the bound region of a fiber bond is determined by means of polarized light microscopy was determined.

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 claim 1 and an apparatus according to claim 16. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

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.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • 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:

Figure 00060001
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 :
Figure 00060001
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: ρ ^ = tan(Ψ)exp[i(δp – δs)] = tan(Ψ)exp(iΔ) The value for ρ ^ is usually described by ellipsometry parameters Ψ and Δ, where tan (Ψ) corresponds to the magnitude of ρ ^ and Δ corresponds to the change in the phase difference between s- and p-polarized light: ρ ^ = tan (Ψ) exp [i (δ p - δ s )] = tan (Ψ) exp (iΔ)

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:

1(a)–(c) schematische Darstellungen des optischen Aufbaus einer Vorrichtung zur Analyse eines Fasernetzwerks. 1 (a) - (c) schematic representations of the optical structure of a device for analyzing a fiber network.

2(a)–(f) den Verlauf der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) als Ergebnis einer Simulation von über einer Million Faserkonfigurationen. 2 (a) - (f) the course of the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) as a result of a simulation of over one million fiber configurations.

3(a) und (b) vergrößerte Ausschnitte aus 2(b). 3 (a) and (b) enlarged sections 2 B) ,

3(c) und (d) vergrößerte Ausschnitte aus 2(d). 3 (c) and (d) enlarged sections 2 (d) ,

3(e) und (f) vergrößerte Ausschnitte aus 2(f) 3 (e) and (f) enlarged excerpts 2 (f)

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.

1(a) zeigt auf schematische Weise den Aufbau einer Vorrichtung zur Analyse eines Fasernetzwerkes nach einer Ausführungsform der Erfindung. Wie 1(a) zu entnehmen ist, fällt ein Lichtstrahl 12 senkrecht auf eine Probe 14 des zu untersuchenden Fasernetzwerks ein. Der einfallende Lichtstahl 12 wird vor dem Auftreffen auf die Probe 14 mit einem Linearpolarisator 16 linear polarisiert. 1 (a) Fig. 12 schematically shows the structure of a fiber network analysis apparatus according to an embodiment of the invention. As 1 (a) can be seen, falls a ray of light 12 perpendicular to a sample 14 of the fiber network to be examined. The incident light beam 12 is tested before hitting the test 14 with a linear polarizer 16 linearly polarized.

Das an der Probe 14 reflektierte Licht 18 wird an einem Strahlenteiler 20 zumindest teilweise in horizontaler Richtung abgelenkt, durch ein λ/4-Plättchen 22 und einen Analysator 24 geführt und an einem Bildsensor (in 1(a) nicht gezeigt) empfangen. Dabei stellt der Analysator 24 zusammen mit dem Bildsensor (nicht gezeigt) ein Ausführungsbeispiel für die eingangs genannte Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter dar. Zur Ermittlung der Ellipsometrieparameter werden Intensitäten des reflektierten Lichtes 18 für vier unterschiedliche Einstellungen des Analysators (0°, 45°, 90°, 135°) gemessen, und aus diesen Intensitätswerten können die Ellipsometrieparameter Ψ und Θ berechnet werden, wie beispielsweise in dem Lehrbuch Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry – Principles and Applications, John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007 beschrieben ist.That at the rehearsal 14 reflected light 18 is at a beam splitter 20 at least partially deflected in the horizontal direction, by a λ / 4 plate 22 and an analyzer 24 guided and attached to an image sensor (in 1 (a) not shown). The analyzer is doing this 24 together with the image sensor (not shown) represents an exemplary embodiment of the device mentioned above for measuring the ellipsometry parameters. Intensities of the reflected light are used to determine the ellipsometry parameters 18 for four different settings of the analyzer (0 °, 45 °, 90 °, 135 °) and from these intensity values the ellipsometry parameters Ψ and Θ can be calculated, as for example in the textbook Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry - Principles and Applications, John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007.

Wie eingangs beschrieben wurde, werden die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ für eine Mehrzahl von Rotationswinkeln Θ zwischen einer vorgegebenen Raumrichtung der Probe 14 und polarisationsempfindlichen optischen Komponenten gemessen. In der Ausführungsform von 1(a) wird dies dadurch erreicht, dass die Probe 14 gedreht und die Optik festgehalten wird. Dieser Ansatz ist in der unten folgenden mathematischen Beschreibung der einfachste und wird als Ausgangspunkt für die nachstehenden Berechnungen und Simulationen verwendet.As described above, the ellipsometry parameters Ψ and Δ for a plurality of rotation angles Θ between a predetermined spatial direction of the sample 14 and polarization-sensitive optical components. In the embodiment of 1 (a) This is achieved by adding the sample 14 rotated and the optics is held. This approach is the simplest in the mathematical description below and is used as a starting point for the following calculations and simulations.

Unter praktischen Gesichtspunkten ist es jedoch vorzuziehen, wenn die Probe und der Bildsensor (in 1(a) nicht gezeigt) feststehen und stattdessen die „polarisationsempfindlichen” optischen Komponenten entsprechend gedreht werden, wie in 1(b) und 1(c) angezeigt ist. Der Aufbau nach 1(b) ist mit demjenigen von 1(a) identisch, außer dass anstelle einer Drehung der Probe um einem Winkel Θ der Polarisator 16, das λ/4-Plättchen 22 und der Analysator 24 um einen Winkel-Θ gedreht werden.However, in practical terms, it is preferable that the sample and the image sensor (in 1 (a) not shown) and instead rotate the "polarization sensitive" optical components as shown in FIG 1 (b) and 1 (c) is displayed. The construction after 1 (b) is with that of 1 (a) identical, except that instead of a rotation of the sample by an angle Θ the polarizer 16 , the λ / 4 plate 22 and the analyzer 24 be rotated by an angle Θ.

In 1(c) ist eine weitere Variante gezeigt, bei der ebenfalls die Probe 14 feststeht und der Polarisator 16, das λ/4-Plättchen 22 und der Analysator 24 um einen Winkel-Θ gedreht werden. Im Unterschied zu dem Aufbau von 1(b) ist jedoch im Lichtweg des reflektierten Lichtes 18 ein nicht-polarisierender Spiegel 26 angeordnet, der dazu dient, einen Phasensprung, der durch den nicht-polarisierenden Strahlteiler 20 erzeugt wird, zu kompensieren, wie aus der unten angegebenen mathematischen Beschreibung der optischen Komponenten deutlich werden wird. Ferner sind in 1(c) eine Lichtquelle 28 und eine Beleuchtungsoptik 30 schematisch dargestellt, mit denen ein bestimmter Bereich der Probe 14 beleuchtet werden kann Ferner ist in 1(c) eine Abbildungsoptik 32 schematisch dargestellt, mit der das Reflexionsbild der Probe 14 auf einen Bildsensor 34 abgebildet werden kann. Solche Komponenten können selbstverständlich auch bei den Ausführungsformen von 1(c) und 1(b) vorgesehen sein, wurden dort jedoch der Übersichtlichkeit halber weggelassen.In 1 (c) Another variant is shown in which also the sample 14 is fixed and the polarizer 16 , the λ / 4 plate 22 and the analyzer 24 be rotated by an angle Θ. Unlike the construction of 1 (b) is however in the light path of the reflected light 18 a non-polarizing mirror 26 arranged to serve a phase jump through the non-polarizing beam splitter 20 as will be apparent from the mathematical description of the optical components given below. Furthermore, in 1 (c) a light source 28 and a lighting optics 30 shown schematically, which allow a specific area of the sample 14 Further, in 1 (c) an imaging optics 32 shown schematically, with the reflection image of the sample 14 on an image sensor 34 can be displayed. Naturally, such components may also be used in the embodiments of 1 (c) and 1 (b) be provided, but there have been omitted for clarity.

Der in 1(c) gezeigte Aufbau entspricht konzeptionell im wesentlichen demjenigen eines Auflichtmikroskops, welches jedoch um eine Einrichtung zur Messung von Ellipsometrieparametern für unterschiedliche Polarisationswinkel Θ ergänzt ist. Mit der Vorrichtung von 1(c) kann ein herkömmliches Mikroskopbild erzeugt und gleichzeitig, unter Verwendung derselben Optik 30, 32 und desselben Bildsensors 34 für jeden Bildpunkt das Paar von Ellipsometrieparametern Ψ und Δ ermittelt werden.The in 1 (c) Conceptually, the design shown corresponds essentially to that of a reflected-light microscope, which, however, is supplemented by a device for measuring ellipsometry parameters for different polarization angles Θ. With the device of 1 (c) can produce a conventional microscope image and simultaneously using the same optics 30 . 32 and the same image sensor 34 for each pixel the pair of ellipsometry parameters Ψ and Δ are determined.

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 1(a), 1(b) oder 1(c) so zu simulieren, dass die entsprechenden Ellipsometrie-Parameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) berechnet werden können. Zur Simulation wird ein Algorithmus verwendet, der von Matthias Schubert (Polarization-dependent optical Parameters of arbitrarily anisotropic homogenous layered systems, Physical Review B, 53: 4265–4274, 1996) vor geschlagen wurde. Der Algorithmus von Schubert ist eine allgemeine Lösung zu einem von Berreman vorgeschlagenem 4×4-Transfer-Matrix-Formalismus (Dwight W. Berreman, Optics in stratified and anisotropic media: 4×4-matrix formulation. Journal of Optical Society of America, 62(4): 502–510, 1972).The aim of the simulations is to make certain components of the superstructures of certain fiber models 1 (a) . 1 (b) or 1 (c) in such a way that the corresponding ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) can be calculated. For simulation, an algorithm proposed by Matthias Schubert (Polarization-dependent Optical Parameters of Arbitrarily Anisotropic Homogeneous Layered Systems, Physical Review B, 53: 4265-4274, 1996) is used. Schubert's algorithm is a general solution to a 4 × 4 transfer matrix formalism proposed by Berreman (Dwight W. Berreman, Optics in Stratified and Anisotropic Media: 4 × 4-matrix formulation.) Journal of Optical Society of America, 62 (4): 502-510, 1972).

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 16, Strahlteiler 20, Spiegel 26 und λ/4-Plättchen 22 simuliert werden. Der Ansatz von Berreman geht von einer 6×6-Matrizen-Darstellung der Maxwell-Gleichungen für ebene Wellen aus und beschreibt das betrachtete optische System als 4×4-Transfermatrix, welche nach Schubert die folgende Form annimmt:

Figure 00140001
This algorithm is able to calculate arbitrarily multi-layered anisotropic samples with any orientation of the optical axes for all angles of incidence. As a result of this algorithm, either the ellipsometry parameters can be determined directly or alternatively a Jones matrix, which reflects the optical behavior of the sample. With the help of this Jones matrix, in addition to the sample, the entire optical setup, including the polarizer, can be used 16 , Beam splitter 20 , Mirror 26 and λ / 4 plates 22 be simulated. Berreman's approach starts from a 6 × 6 matrix representation of the Maxwell equations for plane waves and describes the considered optical system as a 4 × 4 transfer matrix, which according to Schubert takes the following form:
Figure 00140001

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

Figure 00150001
weil sich daraus unmittelbar die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ ermitteln lassen: Ψ = arctan |ρ ^| (1.3) Δ = –arg ρ ^ = –In(Im(ρ ^)), (1.4) The transfer matrix can be constructed from individual transfer matrices for the individual layers by multipllication, the wave equation having to be solved for each layer, taking into account the boundary values. From the individual elements of the entire transfer matrix, the optical quantities of interest can now also be determined. In the present case, this is the complex reflectivity ratio
Figure 00150001
because the ellipsometry parameters Ψ and Δ can be determined directly from this: Ψ = arctan | ρ ^ | (1.3) Δ = -arg ρ ^ = -In (Im (ρ ^)), (1.4)

Zur Einbettung dieser Ergebnisse in die Simulation des optischen Aufbaus wird auch noch die Reflexions-Jones-Matrix der Probe

Figure 00150002
benötigt. Ihre Elemente ergeben sich wie folgt (s. Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry – Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007):
Figure 00160001
To embedding these results in the simulation of the optical structure is also the reflection Jones matrix of the sample
Figure 00150002
needed. Their elements are as follows (see Hiroyuki Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry - Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2007):
Figure 00160001

Der optische Aufbau nach einer der Varianten 1(a) bis 1(c) enthält einen linearen Polarisator 16, die Probe 14, einen nicht-polarisierenden Strahlteiler 20, gegebenenfalls einen nicht-polarisierenden Spiegel 26, den Analysator 24 und den Detektor 34. Der Analysator 24 und der Detektor 34 können jedoch in der Berechnung weggelassen werden, da sie ja nur dazu dienen, im tatsächlichen Experiment die Ellipsometrieparameter zu vermessen, diese können jedoch in der Simulation nach Gleichungen 1.3 und 1.4 ermittelt werden.The optical structure according to one of the variants 1 (a) to 1 (c) contains a linear polarizer 16 , the sample 14 , a non-polarizing beam splitter 20 , optionally a non-polarizing mirror 26 , the analyzer 24 and the detector 34 , The analyzer 24 and the detector 34 however, they can be omitted in the calculation, since they only serve to measure the ellipsometry parameters in the actual experiment, but these can be determined in the simulation according to equations 1.3 and 1.4.

Im Folgenden werden die Jones-Matrizen JA für den Aufbau von 1(a) (im Folgenden Aufbau „A”),

Figure 00160002
für den Aufbau von 1(b) (im Folgenden Aufbau „B0”) und JB, für den Aufbau von 1(c) (im Folgenden Aufbau „B”) miteinander verglichen:
Figure 00160003
The following are the Jones matrices J A for the construction of 1 (a) (hereinafter structure "A"),
Figure 00160002
for the construction of 1 (b) (in the following structure "B 0 ") and J B , for the construction of 1 (c) (in the following structure "B") compared to each other:
Figure 00160003

Dabei gilt für die Jones-Matrizen für die optischen Elemente folgendes:

Figure 00170001
The following applies to the Jones matrices for the optical elements:
Figure 00170001

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 12 die p- und s-Polarisationsrichtungen nicht eindeutig definiert sind. Da in der Simulation und der tatsächlichen Messung immer ein bestimmter Bereich von Rotationswinkeln Θ abgedeckt wird und der Verlauf der Ellipsometrieparameter Ψ und Δ über diesen Winkelbereich betrachtet wird, ist es für das Ergebnis egal, welche Konvention man trifft, solange sie konsistent benutzt wird.Here it was assumed that the angle Θ corresponds to the p-polarization direction. As mentioned in the beginning, this is a pure convention question, since with a vertically incident light beam 12 the p and s polarization directions are not clearly defined. Since the simulation and the actual measurement always cover a certain range of rotation angles Θ and the course of the ellipsometry parameters Ψ and Δ is considered over this angular range, it does not matter for the result, which convention is used, as long as it is consistently used.

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:

Figure 00180001
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:
Figure 00180001

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'

Figure 00180002
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 '
Figure 00180002

Schließlich erhält man für den Aufbau A

Figure 00180003
Finally, you get for the structure A
Figure 00180003

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

Figure 00190001
Equation (1.2) thus implies equations 1.19 and 1.20 for the complex reflection ratio ρ ^
Figure 00190001

Der Vorzeichenunterschied erzeugt, wie aus Gleichung 1.2 unmittelbar hervorgeht, einen Phasensprung in Δ von +/– 180°: ρ ^B'(–θ) = –ρ ^A(0) = ρ ^A(0)e±iπ = tanΨei(Δ±π), ΨB' = ΨA, ΔB' = ΔA ± 180°. (1.22) The sign difference generates, as is apparent directly from equation 1.2, a phase jump in Δ of +/- 180 °: ρ ^ B ' (-θ) = -ρ ^ A (0) = ρ ^ A (0) e ± iπ = tanΨe i (Δ ± π) , Ψ B' = Ψ A , Δ B ' = Δ A ± 180 °. (1.22)

Schließlich folgt aus Gleichung 1.6 für den Aufbau A

Figure 00190002
Finally, equation 1.6 for structure A follows
Figure 00190002

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. 2 und 3 unten), so fällt auf, dass aufgrund der Symmetrie des Systems ein Phasensprung in Δ um 180° einer Rotation der Faser um 90° entspricht. Für den hier vorgestellten Erkennungsalgorithmus ist es daher egal, ob der Aufbau A oder B' verwendet wird.Thus, the ellipsometry parameters can be determined directly from the transfer matrix elements. The underlying simulations were carried out here after construction A, since the calculation for this is the simplest and - as shown above - the results are equivalent to those from the structure B anyway. Considering the course of the ellipsometry parameters of the different simulated systems (s. 2 and 3 below), it is striking that due to the symmetry of the system, a phase jump in Δ of 180 ° corresponds to a 90 ° rotation of the fiber. For the recognition algorithm presented here, it therefore does not matter whether the structure A or B 'is used.

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 WO96/10168 verwiesen.The simulation was based on over 3 million single-fiber, fiber-cross and fiber-bond models, simulating the fibers as a two-layer system representing the thickest layer of the fiber, the secondary wall. This wall contains over 90% of the fiber material and is the only layer with a nearly crystalline structure. Therefore, it can be assumed that it is also decisive for the optical properties. For more details, see Gilli et. al., An optical model for polarization microscopy analysis of pulp fiber-to-fiber bonds, Composite Interfaces, 16 (5): 901-922, 2009 and the disclosure WO96 / 10168 directed.

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 1(a)) zugrunde gelegt wurde, werden unterschiedliche Polarisationswinkel durch unterschiedliche Drehwinkel der Probe erhalten, gleiche Ergebnisse lassen sich jedoch wie oben erläutert auch mit dem Ausbau B' (s. 1(c)) erhalten.In the simulation, for each (simulated) measurement, the ellipsometry parameters Ψ and Δ for a plurality of polarization angles Θ were measured from a range of 0 ° to 180 °, thereby generating a profile of the ellipsometry parameters Ψ, Δ as a function of the polarization angle Θ. Since the simulation of the structure A (corresponding to 1 (a) ), different polarization angles are obtained by different rotation angles of the sample, but the same results can be achieved with the expansion B '(see FIG. 1 (c) ) receive.

In 2a bis 2f sind die simulierten Ergebnisse für über 3 Millionen beispielhafte Fälle dargestellt, unterteilt nach Einzelfasern (2(a) für Ψ und 2(b) für Δ), Faserkreuzungen (2(c) für Ψ und 2(d) für Δ) und Faserbindungen (2(e) für Ψ und 2(f) für Δ). Bei der Simulation werden eine Abweichung ϕa des Einfallswinkels des einfallenden Lichtstrahls 12 von der Normalen um 0–5° berücksichtigt. In den Diagrammen wird die Häufigkeit der jeweiligen Ellipsometrieparameter mittels Höhenlinien dargestellt.In 2a to 2f The simulated results are presented for over 3 million exemplary cases, subdivided into individual fibers ( 2 (a) for Ψ and 2 B) for Δ), fiber crossings ( 2 (c) for Ψ and 2 (d) for Δ) and fiber bonds ( 2 (e) for Ψ and 2 (f) for Δ). In the simulation, a deviation φ a of the angle of incidence of the incident light beam 12 considered by the normal at 0-5 °. In the diagrams, the frequency of the respective ellipsometry parameters is represented by means of contour lines.

In 3(a) und 3(b) sind die für die Entschlüsselung des Fasernetzwerkes entscheidenden Bereiche des Diagramms 2(b), welches den Verlauf Δ(Θ) zeigt, vergrößert dargestellt. Auf ähnliche Weise zeigen 3(c) und (d) bzw. 3(e) und (f) vergrößerte Ausschnitte aus 2(d) bzw. 2(f). Den Simulationsergebnissen ist zu entnehmen, dass die unterschiedlichen Fälle anhand des Verlaufs der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) unterscheidbar sind. Man erkennt, dass der Verlauf Ψ(Θ) stets einen typischen Verlauf mit zwei Minima aufweist, s. 2(a), (c) und (e). Ferner erkennt man, dass die Minima im Falle einer Faserbindung stets geringer sind als im Falle einer Faserkreuzung oder einer Einzelfaser. Diese Beobachtung kann verwendet werden, um zwischen Faserbindungen einerseits und Faserkreuzungen oder Einzelfasern andererseits zu unterscheiden.In 3 (a) and 3 (b) are the critical areas of the diagram for decoding the fiber network 2 B) , which shows the course Δ (Θ), shown enlarged. Show in a similar way 3 (c) and (d) or 3 (e) and (f) enlarged excerpts 2 (d) respectively. 2 (f) , It can be seen from the simulation results that the different cases can be distinguished on the basis of the course of the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ). It can be seen that the course Ψ (Θ) always has a typical course with two minima, s. 2 (a) , (c) and (e). Furthermore, it can be seen that the minima are always lower in the case of a fiber bond than in the case of a fiber crossing or a single fiber. This observation can be used to differentiate between fiber bonds on the one hand and fiber intersections or single fibers on the other hand.

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 2(a), (c) und (e) als gestrichelte Linien eingezeichnet. Zur Unterscheidung zwischen Einzelfaser und Faserkreuzung wird auf 3(a) bis (d) verwiesen, in denen Ausschnitte der Diagramme von 2(b) und 2(d) vergrößert dargestellt sind. Daraus ergibt sich folgendes Unterscheidungskriterium: Falls keine Faserbindung vorliegt, kann anhand des Ellipsometrieparameters Δ zwischen einer Einzelfaser und einer Faserkreuzung unterschieden werden. Wie aus 2 zu ersehen ist, hat Ψ(Θ) zwei Maxima bei jeweils unterschiedlichen Werten Θ0. Es wird daher zunächst eine Fallunterscheidung vorgenommen, ob Δ(Θ0) > 0 oder < 0 ist.A possible case distinction can be made as follows: first, the angle Θ 0 is determined at which Ψ (Θ) assumes a minimum. At this value Θ 0 Ψ (Θ 0 ) is compared with a reference value Ψ krit = 85,5 °. If Ψ (Θ 0 ) <Ψ crit = 85.5 °, then there is a fiber bond. The angles Θ 0 and Ψ crit are in 2 (a) , (c) and (e) are shown as dashed lines. To distinguish between single fiber and fiber intersection is on 3 (a) to (d), in which excerpts from the diagrams of 2 B) and 2 (d) are shown enlarged. This results in the following distinguishing criterion: If there is no fiber bonding, it is possible to distinguish between a single fiber and a fiber intersection on the basis of the ellipsometry parameter Δ. How out 2 can be seen, Ψ (Θ) has two maxima at different values Θ 0 . Therefore, a case distinction is first made as to whether Δ (Θ 0 )> 0 or <0.

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 3(a) bis (f) sind jeweils die Werte für Θ0, Δkrit+ und Δkrit– durch gestrichelte Linien angezeigt. However, if Δ (Θ 0 ) <0, a single fiber is present if Δ (Θ 0 ) <Δ krit- = -73.5 °. An intersection exists if Δ (Θ 0 )> Δ krit- . In 3 (a) bis (f) the values for Θ 0 , Δ krit + and Δ krit- are indicated by dashed lines.

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 1 gezeigten Aufbau der Verlauf von Ψ(Θ) und Δ(Θ) für die genannten unterschiedlichen Fälle (Kreuzung, Bindung, Einzelfaser) charakteristisch ist, aber es bleibt praktischen Erwägungen überlassen, anhand welcher spezifischen Merkmale des Verlaufs letztlich die Unterscheidung getroffen wird.Note that this is only an exemplary way of distinguishing between single fibers, fiber intersections and fiber bonds based on the course of Ψ (Θ) and Δ (Θ). The general underlying insight is that the in 1 the structure of Ψ (Θ) and Δ (Θ) is characteristic for the mentioned different cases (crossing, binding, single fiber), but it is left to practical considerations, on the basis of which specific characteristics of the course ultimately the distinction is made.

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 ΔΔ / ΔΨ ≤ 6,75 gilt. Dies bedeutet, dass ein Signal/Rauschverhältnis von 0,5% im Wert Ψ einem Signal/Rauschverhältnis im Wert Δ von ca. 3,5% entspricht. Selbst für solches Rauschen wurde festgestellt, dass immer noch 99% der Bindungen zutreffend als solche erkannt wurden. Die Fehleranfälligkeit bei der Unterscheidung zwischen Kreuzungen und Einzelfasern erwies sich als größer, bei diesen Rauschwerten betrug sie zusammengenommen fast 15%. Dieser Fehler ist aber vergleichsweise unkritisch, da man Einzelfasern und Faserkreuzungen in dem aufgenommenen Bild ohne weiteres unterscheiden kann, der Fehler somit durch die Bildanalyse automatisch korrigierbar ist. Die höhere Fehleranfälligkeit bei der Unterscheidung zwischen Einzelfasern und Kreuzung liegt darin, dass diese Entscheidung über den Parameter Δ durchgeführt wird, für den das Rauschband breiter ist als für Ψ. Wichtiges Ergebnis ist jedoch, dass die grundsätzlich schwierigere Unterscheidung zwischen Faserkreuzung und Faserbindung auch unter Berücksichtigung von Rauschen mit hoher Zuverlässigkeit getroffen werden kann.In the simulation also a certain noise of the parameters was considered. It can be shown that for the noise band ratio ΔΔ / ΔΨ ≤ 6.75 applies. This means that a signal / noise ratio of 0.5% in the value Ψ corresponds to a signal / noise ratio in the value Δ of about 3.5%. Even for such noise, it was found that still 99% of the bindings were properly recognized as such. The susceptibility to distinction between crossbreeding and single fibers proved to be greater, at these noise levels totaled almost 15%. However, this error is relatively uncritical, since one can easily distinguish individual fibers and fiber intersections in the recorded image, the error is thus automatically corrected by the image analysis. The higher error susceptibility in the distinction between single fibers and crossing is that this decision is made on the parameter Δ, for which the noise band is wider than for Ψ. An important finding, however, is that the fundamentally more difficult distinction between fiber crossing and fiber bonding can be made with high reliability even taking noise into account.

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: ξ ≈ θ0 – 45° für Δ(θ0) > 0 ξ ≈ θ0 – 135° für Δ(θ0) < 0. (3.1) Furthermore, it can be seen from the simulations that the angle Θ 0 , at which Ψ becomes minimal, corresponds to a polarization which lies at an angle of 45 ° to the main fiber axis of the single fiber or of the upper one of crossed or bound fibers. Thus, from Θ 0 , the angle ξ between the main fiber axis and the 0 ° -Polarisatorstellung be calculated. However, here again a fiber distinction with reference to Δ is necessary: ξ ≈ θ 0 - 45 ° for Δ (θ 0 )> 0 ξ ≈ θ 0 - 135 ° for Δ (θ 0 ) <0. (3.1)

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 1 gezeigte Messaufbau nicht zwingend ist. Beispielsweise können weitere optische bzw. alternative optische Elemente in dem Strahlengang vorgesehen sein, die dann zu einem anderen Verlauf von Ψ(Θ) und Δ(Θ) führen werden. Für jeden in Frage kommenden Aufbau muss dann eine entsprechend angepasste Simulation durchgeführt werden, ähnlich wie sie oben für den Aufbau von 1 beschrieben wurde. Beispielsweise ist es möglich, auf das λ/4-Plättchen zu verzichten. Ferner ist es möglich, anstelle des Linearpolarisators 16 einen Zirkularpolarisator zu verwenden. Die Untersuchungen der Erfinder zeigen, dass solche Modifikationen möglich sind, obwohl der hier beschriebene Aufbau gegenwärtig als der Vielversprechenste angesehen wird. In jedem Fall erweist es sich jedoch als vorteilhaft, wenn das einfallende Licht senkrecht oder nahezu senkrecht zur Probe steht.It should be emphasized that the in 1 shown measuring structure is not mandatory. For example, further optical or alternative optical elements may be provided in the beam path, which will then lead to a different course of Ψ (Θ) and Δ (Θ). For each suitable structure then a correspondingly adapted simulation must be carried out, similar to the above for the construction of 1 has been described. For example, it is possible to dispense with the λ / 4 plate. Further, it is possible to use instead of the linear polarizer 16 to use a circular polarizer. The inventors' studies show that such modifications are possible, although the structure described herein is presently considered the most promising. In any case, it proves to be advantageous if the incident light is perpendicular or nearly perpendicular to the sample.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn, wie in 1(c) gezeigt, ein bestimmter Flächenbereich der Probe 14 mit einer Beleuchtungsoptik 30 beleuchtet und mit einer Abbildungsoptik 32 auf einen Bildsensor 34 abgebildet wird. Bei der Bildaufnahme werden dann unterschiedliche Einstellungen des Polarisators 16 vorgenommen, die insgesamt einen Winkelbereich von mindestens 90° überdecken und bei denen das Intervall zwischen benachbarten Rotationswinkeln maximal 25°, vorzugsweise maximal 15° beträgt. Für jede Einstellung des Polarisators 16 werden dann bei vier unterschiedlichen Einstellungen des Analysators für jeden Bildpunkt die Intensitäten gemessen, woraus wiederum die Ellipsometrieparameter Ψ und Δ für den betreffenden Rotationswinkel Θ ermittelt werden können. Wenn beispielsweise N unterschiedliche Rotationswinkel Θ gemessen werden sollen, missen für den gesamten abgebildeten Bereich des Fasernetzwerks lediglich 4×N Bilder aufgenommen werden. Diese Bilder repräsentieren zusätzlich ein optisches Bild des Fasernetzwerks. Auf diese Weise kann somit einfach und in Echtzeit ein Mikroskopbild des Fasernetzwerkes gewonnen, und gleichzeitig auf oben beschriebene Weise die Faserstruktur hinsichtlich Einzelfaser, Faserkreuzung, Faserbindung, Faserwinkel und vertikaler Anordnung gekreuzter bzw. gebundener Fasern analysiert werden.It proves to be particularly advantageous if, as in 1 (c) shown a certain area of the sample 14 with a lighting look 30 illuminated and with an imaging optics 32 on an image sensor 34 is shown. During image acquisition then different settings of the polarizer 16 made, covering a total of an angular range of at least 90 ° and in which the interval between adjacent angles of rotation is a maximum of 25 °, preferably a maximum of 15 °. For every adjustment of the polarizer 16 Then, with four different settings of the analyzer, the intensities are measured for each pixel, from which in turn the ellipsometry parameters Ψ and Δ for the respective rotation angle Θ can be determined. For example, if N different rotation angles Θ are to be measured, only 4 × N images must be taken for the entire imaged area of the fiber network. These images additionally represent an optical image of the fiber network. In this way, a microscope image of the fiber network can thus be obtained simply and in real time, and at the same time the fiber structure in terms of single fiber, fiber intersection, fiber bonding, fiber angle and vertical arrangement of crossed or bound fibers can be analyzed.

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)

Verfahren zur Unterscheidung von Faserkreuzungen und Faserbindungen in einem Fasernetzwerk, mit den folgenden Schritten: a) Beleuchten einer Stelle des Fasernetzwerkes mit polarisiertem Licht (12) 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 (18) oder von reflektiertem Licht, welches nach der Reflektion eine oder mehrere optische Komponenten (20, 22, 26) 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 method of distinguishing fiber intersections and fiber bonds in a fiber network, comprising the steps of: a) illuminating a location of the fiber network with polarized light ( 12 ) from a direction that deviates a maximum of 15 °, preferably a maximum of 10 °, and particularly preferably a maximum of 5 ° from the normal, b) determining the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) of the directly reflected light ( 18 ) or of reflected light which, after reflection, has one or more optical components ( 20 . 22 . 26 ) 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 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) deciding on the basis of Compare whether there is fiber crossing or fiber bonding at the site in question. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) für eine Abfolge von Winkeln gemessen werden, die mindestens einen Winkelbereich von 90° überdeckt und bei der das Intervall zwischen benachbarten Polarisationswinkeln der Abfolge maximal 25°, vorzugsweise maximal 15° beträgt.The method of claim 1, wherein the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) are measured for a sequence of angles covering at least an angular range of 90 ° and wherein the interval between adjacent polarization angles of the sequence is at most 25 °, preferably at most 15 °. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das einfallende Licht (12) linear polarisiert ist.Method according to Claim 1 or 2, in which the incident light ( 12 ) is linearly polarized. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand des Vergleiches des Verlaufs von Ψ(Θ) mit mindestens einem Referenzwert festgestellt wird, ob eine Bindung vorliegt, und für den Fall, dass festgestellt wird, dass keine Bindung vorliegt, anhand des Vergleiches von Δ(Θ) mit mindestens einem Referenzwert festgestellt wird, ob eine Kreuzung oder eine Einzelfaser vorliegt.Method according to one of the preceding claims, wherein it is determined on the basis of the comparison of the course of Ψ (Θ) with at least one reference value, whether a bond is present, and in the case that it is determined that no binding, based on the comparison of Δ (Θ) is determined with at least one reference value, whether an intersection or a single fiber is present. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vergleich des Verlaufs von Ψ(Θ) und/oder Δ(Θ) mit mindestens einem Referenzwert darin besteht, dass der Wert Ψ(Θ0) bzw. Δ(Θ0) für einen charakteristischen Winkel Θ0 mit mindestens einem zugehörigen Referenzwert verglichen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the comparison of the course of Ψ (Θ) and / or Δ (Θ) with at least one reference value is that the value Ψ (Θ 0 ) or Δ (Θ 0 ) for a characteristic Angle Θ 0 is compared with at least one associated reference value. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem Θ0 der Wert des Winkels Θ ist, für den Ψ(Θ) oder Δ(Θ) einen charakteristischen Wert, insbesondere einen Extremalwert annimmt.Method according to Claim 5, in which Θ 0 is the value of the angle Θ for which Ψ (Θ) or Δ (Θ) assumes a characteristic value, in particular an extremal value. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Θ0 der Wert ist, an dem Ψ(Θ) ein Minimum annimmt, und der Vergleich darin besteht, dass Ψ(Θ0) mit einem Referenzwert Ψkrit verglichen wird und festgestellt wird, dass eine Bindung vorliegt, wenn gilt: Ψ(Θ0) < Ψkrit.The method of claim 6, wherein Θ 0 is the value at which Ψ (Θ) takes a minimum, and the comparison is that Ψ (Θ 0 ) is compared with a reference value Ψ crit and it is determined that there is a bond if: Ψ (Θ 0 ) <Ψ crit . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der Ellipsometrieparameter der Winkel ξ einer Einzelfaser bzw. im Falle einer Bindung oder Kreuzung, der obenliegenden Faser in Bezug auf die vorbestimmte Raumrichtung des Fasernetzwerks bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the angle ξ of a single fiber or, in the case of a binding or crossing, of the overhead fiber with respect to the predetermined spatial direction of the fiber network is determined on the basis of the ellipsometry parameters. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in einem Kreuzungs- oder Bindungspunkt anhand des Winkels ξ der oberliegenden Faser festgestellt wird, welche der beiden Fasern oben liegt.The method of claim 8, wherein it is determined in a crossing or binding point on the basis of the angle ξ of the upper fiber, which of the two fibers is above. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Winkel ξ aus dem Winkel Θ0 abgeleitet wird, für den Ψ(Θ) ein Minimum annimmt.The method of claim 9, wherein the angle ξ is derived from the angle Θ 0 for which Ψ (Θ) assumes a minimum. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das reflektierte Licht (18) vor der Messung der Ellipsometrieparameter durch ein λ/4-Plättchen (22) geführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the reflected light ( 18 ) before the measurement of the ellipsometry parameters by a λ / 4 plate ( 22 ) to be led. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die unterschiedlichen Winkel Θ eingestellt werden, indem ein Polarisator (16) im Lichtweg des einfallenden Lichtes gedreht wird, und gegebenenfalls im Lichtweg des reflektierten Lichts angeordnete polarisationsempfindliche optische Komponenten (22, 24) mit dem genannten Polarisator (16) im Lichtweg des einfallenden Lichts mitgedreht werden.Method according to one of the preceding claims, in which the different angles Θ are set by using a polarizer ( 16 ) is rotated in the light path of the incident light, and optionally in the light path of the reflected light arranged polarization-sensitive optical components ( 22 . 24 ) with said polarizer ( 16 ) are turned in the light path of the incident light. Verfahren nach einem der folgenden Ansprüche, bei dem die Ellipsometrieparameter mithilfe einer Mehrzahl von Intensitätsmessungen bei unterschiedlichen Einstellungen eines Analysators (24) bestimmt werden.Method according to one of the following claims, wherein the ellipsometry parameters are determined by means of a plurality of intensity measurements at different settings of an analyzer ( 24 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das reflektierte Licht (18) mithilfe eines teildurchlässigen Spiegels (20) in Richtung auf eine Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter umgelenkt wird, wobei das reflektierte Licht zwischen dem teildurchlässigen Spiegel (20) und der Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter vorzugsweise mithilfe eines weiteren Spiegels (26) umgelenkt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the reflected light ( 18 ) using a semitransparent mirror ( 20 ) is deflected in the direction of a device for measuring the ellipsometry parameters, wherein the reflected light between the partially transmissive mirror ( 20 ) and the device for measuring the ellipsometry parameters, preferably with the aid of another mirror ( 26 ) is deflected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Beleuchtungsoptik (30) verwendet wird, mit der ein Flächenbereich des Fasernetzwerks beleuchtet wird, und bei dem eine Abbildungsoptik (32) verwendet wird, mit der das am Fasernetzwerk reflektierte Licht (18) auf einen Bildsensor (34) abgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, in which an illumination optical system ( 30 ) is used, with which a surface area of the fiber network is illuminated, and in which an imaging optics ( 32 ), with which the light reflected at the fiber network ( 18 ) to an image sensor ( 34 ) is displayed. Vorrichtung (10) zur Analyse eines Fasernetzwerkes, die folgendes umfasst: – eine Lichtquelle (28), die geeignet ist, ein Fasernetzwerk aus einer Richtung zu beleuchten, die maximal 15°, vorzugsweise maximal 10° und besonders vorzugsweise maximal 5° von der Normalen abweicht, – einen Polarisator (16), der geeignet ist, das Licht der Lichtquelle (28) zu polarisieren, – Mittel zum Einstellen unterschiedlicher Winkel Θ zwischen einer vorbestimmten Raumrichtung des Netzwerkes und mindestens einer polarisationsempfindlichen optischen Komponente der Vorrichtung (10), – eine Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter Ψ(Θ) und Δ(Θ) des unmittelbar reflektierten Lichtes (18) oder von reflektiertem Licht, welches nach der Reflektion eine oder mehrere optische Komponenten (20, 22, 26) durchlaufen hat, und – eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Verlauf von Ψ(Θ) und/oder Δ(Θ) für unterschiedliche Winkel Θ mit mindestens einem Referenzwert zu vergleichen und anhand des Vergleichs zu ermitteln, ob an der betreffenden Stelle eine Faser-Kreuzung oder eine Faserbindung vorliegt. Contraption ( 10 ) for analyzing a fiber network, comprising: - a light source ( 28 ), which is suitable for illuminating a fiber network from one direction which deviates from the normal by a maximum of 15 °, preferably a maximum of 10 ° and particularly preferably a maximum of 5 °, a polarizer ( 16 ), which is suitable, the light of the light source ( 28 ) - means for setting different angles Θ between a predetermined spatial direction of the network and at least one polarization-sensitive optical component of the device ( 10 ), - a device for measuring the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) of the directly reflected light ( 18 ) or of reflected light which, after reflection, has one or more optical components ( 20 . 22 . 26 ), and - a controller adapted to compare the course of Ψ (Θ) and / or Δ (Θ) for different angles Θ with at least one reference value and to determine, based on the comparison, whether at the relevant location there is a fiber crossing or a fiber bond. Vorrichtung (10) nach Anspruch 16, bei der der Polarisator (16) im Lichtweg des ein fallenden Lichtes (12) drehbar ist.Contraption ( 10 ) according to claim 16, wherein the polarizer ( 16 ) in the light path of a falling light ( 12 ) is rotatable. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei der der Polarisator ein Linearpolarisator (16) ist.Contraption ( 10 ) according to one of claims 16 or 17, in which the polarizer comprises a linear polarizer ( 16 ). Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der im Strahlengang des reflektierten Lichtes (18) ein λ/4-Plättchen (22) angeordnet ist.Contraption ( 10 ) according to one of claims 16 to 18, in which in the beam path of the reflected light ( 18 ) a λ / 4 plate ( 22 ) is arranged. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei der die Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparametern Ψ(Θ) und Δ(Θ) einen Analysator (24) und eine Einrichtung (34) zur Messung der Intensität des den Analysator (24) passierenden Lichtes umfasst.Contraption ( 10 ) according to one of claims 16 to 19, in which the device for measuring the ellipsometry parameters Ψ (Θ) and Δ (Θ) comprises an analyzer ( 24 ) and a facility ( 34 ) for measuring the intensity of the analyzer ( 24 ) passing light comprises. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei der im Lichtweg des reflektierten Lichtes (18) ein teildurchlässiger Spiegel (20) angeordnet ist, mit dem ein Teil des reflektierten Lichtes (18) in Richtung auf die Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter umgelenkt wird, wobei zwischen dem teildurchlässigen Spiegel (20) und der Einrichtung zur Messung der Ellipsometrieparameter vorzugsweise ein weiterer Spiegel (26) angeordnet ist.Contraption ( 10 ) according to one of claims 16 to 20, in which in the light path of the reflected light ( 18 ) a partially transparent mirror ( 20 ) is arranged, with which a part of the reflected light ( 18 ) is deflected in the direction of the device for measuring the ellipsometry parameters, wherein between the partially transmissive mirror ( 20 ) and the device for measuring the ellipsometry parameters, preferably another mirror ( 26 ) is arranged. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, mit einer Beleuchtungsoptik (30), mit der ein Flächenbereich der Fasernetzwerks beleuchtet werden kann, und mit einer Abbildungsoptik (32), mit der das am Fasernetzwerk reflektierte Licht (18) auf einen Bildsensor abbildbar ist.Contraption ( 10 ) according to one of claims 16 to 21, with an illumination optical system ( 30 ), with which a surface area of the fiber network can be illuminated, and with an imaging optics ( 32 ), with which the light reflected at the fiber network ( 18 ) is imaged on an image sensor.
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