JP2007519932A - 光ファイバー式測定装置 - Google Patents

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Abstract

電磁放射線源（２２）を含む照射ユニット（２０）と、光ファイバー装置（３０）と、検出装置（４０）とから成る測定装置（１０）が提供される。光ファイバー装置は、放射線源から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための入力端（１１４）と、受け取った放射線を材料ウエブ（１００）へ差し向けるための出力端（１１６）を有する第１光ファイバー構造体（１１０）と、材料ウエブから反射された放射線を受け取るための入力端（８４）と、該反射放射線を検出装置へ差し向けるための出力端（８６）を有する第２光ファイバー構造体（８０）を含む。検出装置は、第１波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第１出力信号を発生するための第１検出器（９０）と、第２波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第１特性を表示する対応する第２出力信号を発生するための第２検出器（９０）から成る。

Description

本発明は、一般に、物質特性を測定するための器械に関し、特に、散乱モード、多波長吸収差分光法によって物質特性をオンライン測定するための改良された器械に関する。
米国特許第５，３３８，３６１号は、移動する紙シートのコーチングをオンライン測定するためのセンサーを開示している。このセンサーは、赤外線のビームを移動シートに向けて発信するための光源を有する。赤外線は、広い波長範囲を包含する。紙シート上のクレーやラテックス等のいろいろなコーチング並びに水分が、いろいろな異なる波長を異なる量で吸収する。一実施例では、赤外ビーム線のうちの反射された部分の強度を測定するために移動シートの、光源が置かれている側と同じ側に受信器が置かれる。受信器は、少くとも１つのビームスプリッターと、複数の個別検出器から成る。帯域フィルターが、各検出器に関連して設けられ、スペクトルのうちの、該フィルターの通過帯域内に入る部分を通過させるようになされている。従って、第１検出器に関連する第１帯域フィルターは、スペクトルのうちの、紙シート上の第１コーチング材、例えばラテックスによって強く吸収される波長を通過させる。第２検出器に関連する第２帯域フィルターは、スペクトルのうちの、第２コーチング材、例えばクレーによって強く吸収される波長を通過させる。第３検出器に関連する第３帯域フィルターは、スペクトルのうちの、ベースシート（紙）によって強く吸収されるが、上記第１及び第２コーチング材分によっては弱くしか吸収されない波長を通過させる。第４検出器に関連する第４帯域フィルターは、スペクトルのうちの、水分によって強く吸収されるが波長を通過させる。
上記米国特許第５，３３８，３６１号に開示されたセンサーの第１の欠点は、放射線（赤外線）源から紙シートまで、そして紙シートから各検出器への経路が長いことに関連したものである。即ち、経路が長いことの結果として、各検出器が受け取る信号の総量が少なくなる。第２の欠点は、各検出器への経路の長さが同じではないことであり、その結果として、各検出器の視野が異なることである。又、反射された放射線はビームスプリッターの軸線に沿って正確に整列させなければならないが、このセンサーではそれができるかどうかは疑わしい。
上記米国特許第５，３３８，３６１号に開示されたものと類似したもので、光ビームを移動基体に衝突する前に通す実質的に透明な窓を備えた反射式赤外線測定装置（センサー）も知られている。しかしながら、この窓面に少しでも塵が存在すると、光が１つ又は複数の検出器に向けて後方散乱されるので、そのような散乱光が放射線（赤外線）検出器に到達するのを防止するためにセンサーハウジングに遮蔽部材が設けられている。遮蔽部材は、塵によって散乱せしめられた光の相当な部分を遮蔽する働きをするが、移動基体から反射された光の一部分をも遮蔽する働きもするので、基体から後方散乱される被検出放射線総量を減少させることになり、従って、器械のＳＮ比（信号対雑音比）を低下させる。更に、光源によって放出された光は、上記窓の、基体によって後方散乱される光とは異なる区域を通過するので、窓面上の塵（通常、分布は均一ではない）は、基体に衝突する光の特性に対して、基体によって後方散乱される光の特性に対するのとは異なる態様に影響を及ぼすことである。このセンサーは、又、上記米国特許第５，３３８，３６１号に開示されたセンサーに関連して上述した第１及び第２の欠点と同じ欠点をも有する。
従って、各検出器が同じ視野を有するように各検出器までの経路長が実質的に等しくされ、光源と移動基体との間の距離、及び、移動基体と各検出器との間の距離が最小限にされた赤外線測定装置を求める要望がある。
米国特許第５，３３８，３６１号 米国特許出願２００４／００６５８２９Ａ１
本発明によれば、散乱モード、多波長吸収差分光法によって物質特性をオンライン検出するための改良された器械が提供される。
本発明の第１側面によれば、電磁放射線源を含む照射ユニットと、光ファイバー装置と、検出装置とから成る測定装置が提供される。光ファイバー装置は、放射線源から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための入力端と、受け取った放射線を材料ウエブへ差し向けるための出力端を有する第１光ファイバー構造体と、材料ウエブから反射された放射線を受け取るための入力端と、該反射放射線を検出装置へ差し向けるための出力端を有する第２光ファイバー構造体を含む。検出装置は、第１波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第１出力信号を発生するための第１検出器と、第２波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第１特性を表示する対応する第２出力信号を発生するための第２検出器から成る。
第１光ファイバー構造体は、好ましくは、各々放射線源から放出された電磁放射線の前記部分を受け取るための第１入力端と、各々該受け取った放射線を材料ウエブ上へ差し向けるための第１出力端を有する第１光ファイバーの束から成る。第２光ファイバー構造体は、好ましくは、各々材料ウエブから反射された放射線を受け取るための第２入力端と、各々該反射放射線を検出装置へ差し向けるための第２出力端を有する第２光ファイバーの束から成る。これらの第１出力端は、第２入力端とランダムに混ぜ合わせることができる。
第１波長帯域の電磁放射線は、第１赤外線波長帯域の電磁放射線とすることができ、第２波長帯域の電磁放射線は、第２赤外線波長帯域の電磁放射線とすることができる。前記第１出力信号は、基準信号を構成するものとし、材料ウエブの第１特性を判定するために第２出力信号をプロセッサを介して第１出力信号と比較することができる。第１及び第２波長帯域は、紫外線、可視、近赤外線又は中間赤外線波長帯域とすることができる。
前記検出装置は、更に、第３，第４，第５及び第６検出器を含むものとすることができる。第３検出器は、第３赤外線波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第２特性を表示する対応する第３出力信号を発生する。第３出力信号は、材料ウエブの第２特性を判定するためにプロセッサを介して第１出力信号（基準信号）と比較することができる。第４検出器は、第４赤外線波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第３特性を表示する対応する第４出力信号を発生する。第４出力信号は、材料ウエブの第３特性を判定するためにプロセッサを介して第１出力信号と比較することができる。第５検出器は、第５赤外線波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第４特性を表示する対応する第５出力信号を発生する。第５出力信号は、材料ウエブの第４特性を判定するためにプロセッサを介して第１出力信号と比較することができる。第６検出器は、第６赤外線波長帯域の電磁放射線を検出して、材料ウエブの測定すべき第５特性を表示する対応する第６出力信号を発生する。第６出力信号は、材料ウエブの第５特性を判定するためにプロセッサを介して第１出力信号と比較することができる。
光ファイバーの前記第１出力端と第２入力端は、該第２入力端が材料ウエブから反射された実質的に拡散電磁放射線だけを受け取るように、該材料ウエブに対して約３０°から約６０°までの角度で位置づけすることができる。
前記第１光ファイバーは、それらの第１入力端と第１出力端がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回す（通す）ことができ、前記第２光ファイバーも、それらの第２入力端と第２出力端がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回すことができる。
前記第２光ファイバーは、すべて実質的に同じ長さとすることが好ましい。
前記照射ユニットは、更に、電磁放射線源を結合するための支持体を含むものとすることができる。前記測定装置は、好ましくは、更に、チョッパー素子を含むチョッパー機構を備えたものとすることができる。照射ユニットの支持体は、電磁放射線源によって発せられた光が該支持体に形成された主照射開口を介して第１光ファイバー構造体の入力端へ通るのを防止するように前記チョッパー素子を挿入することができる第１スロットを有する。測定装置は、又、更に、シャッターを含む標準化機構を備えたものとすることができる。照射ユニットの支持体は、電磁放射線源によって発せられた光が開口を介して第３光ファイバー構造体の入力端へ通るのを防止するように前記シャッターを通すことができる第２スロットを有する。
前記第３光ファイバー構造体は、前記シャッターが前記第２スロットに挿入されていないとき、各々電磁放射線源から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための第３入力端と、各々受け取った光を前記検出装置へ差し向けるための第３出力端を有する第３光ファイバーの束から成るものとすることができる。
前記光ファイバー装置は、更に、前記第１及び第２光ファイバー構造体の少くとも一部分を収容する光ファイバーハウジングを備えたものとすることができる。
本発明の第２側面によれば、電磁放射線源を含む照射ユニットと、電磁放射線ガイド装置と、検出装置と、プロセッサから成る測定装置が提供される。電磁放射線ガイド装置は、放射線源から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための入力端と、受け取った放射線を材料ウエブ上へ差し向けるための出力端を有する第１放射線ガイド構造体と、材料ウエブから反射された放射線を受け取るための入力端と、該反射放射線を検出装置へ差し向けるための出力端を有する第２放射線ガイド構造体を含む。検出装置は、第１波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第１出力信号を発生するための第１検出器と、第２波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第２出力信号を発生するための第２検出器から成る。プロセッサは、第１出力信号と第２出力信号を受け取り、それらの出力信号を用いて材料ウエブの１つの特性を判定する。
第１放射線ガイド構造体は、各々放射線源から放出された電磁放射線の前記部分を受け取るための第１入力端と、各々該受け取った放射線を材料ウエブ上へ差し向けるための第１出力端を有する第１光ファイバーの束によって構成することができる。第２放射線ガイド構造体は、各々材料ウエブから反射された放射線を受け取るための第２入力端と、各々該反射放射線を前記検出装置へ差し向けるための第２出力端を有する第２光ファイバーの束によって構成することができる。これらの第１出力端は、第２入力端とランダムに混ぜ合わせることが好ましい。
前記検出装置は、更に、第３波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第３出力信号を発生するための第３検出器と，第４波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第４出力信号を発生するための第４検出器と，第５波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第５出力信号を発生するための第５検出器と、第６波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第６出力信号を発生するための第６検出器を含むものとすることができる。
本発明の第３側面によれば、電磁放射線を材料ウエブへ差し向け、該材料ウエブから後方散乱された放射線を受け取るための光学システムが提供される。このシステムは、各々電磁放射線を受け取るための第１入力端と、各々受け取った放射線を材料ウエブへ差し向けるための第１出力端を有する第１光ファイバーの束と、各々材料ウエブから後方散乱された電磁放射線を受け取るための第２入力端と、各々該ウエブから受け取った後方散乱放射線を少くとも１つの電磁放射線出力ポート、即ち検出器のフェルール(口輪）へ差し向けるための第２出力端を有する第２光ファイバーの束から成る。これらの第１出力端は、第２入力端とランダムに混ぜ合わせることが好ましい。
各図を通して同じ部品は同じ参照符号で示されている。先ず、図１〜３を参照すると、ウェブ製品の特性を測定するための本発明による測定装置１０の一実施形態がに示されている。本発明は、一般に、製造中のいろいろなウエブ製品（「材料のウエブ」又は「材料ウエブ」又は単に「ウエブ」とも称する）の測定に適用することができるが、ここでは移動する紙のウエブ１００（図１には示されていない）に関連して説明する。測定装置１０は、照射ユニット２０と、光ファイバー装置３０と、検出装置４０を含み、照射ユニット２０、光ファイバー装置３０及び検出装置４０を結合するためのベースプレートを有する。ベースプレート１２には、開口１２ｂを有するフェースプレート１２ａが結合されている。ベースプレート１２は、照射ユニット２０、光ファイバー装置３０及び検出装置４０と共に、ウエブ１００が移動する加工方向に対して横断方向の横スキャン方向に移動する。
照射ユニット２０は、広帯域幅光源又は白色光光源（以下、単に「光源」又は「電磁放射線源」とも称する）２２を用いる。この光源の光強度は、光源に印加される電圧のレベルによって制御される。光源２２は、例えば、金メッキ反射器２４と、ハロゲンガスによって囲包されたタングステンフィラメントを有するランプ２６から成る焦点投射ランプである（図３参照）。反射器２４は、照射ユニット支持体２８に結合され、照射ユニット支持体２８は、光ファイバー装置ハウジング３２に結合されている。検出装置４０は、図示の実施例では、近赤外線領域（１〜３μｍ）の放射線を検出しするので、光源に供給される電圧は、光源の放出曲線を可視スペクトルからそらすために設計電圧より低いレベルに、即ち、光源の寿命を延長するように約３５００Ｋの「色温度」から約２６００Ｋの目標値にまで低下させることができる。従って、光源２２は、好ましくは、赤外（及び可視）波長を放出し、その光は、光ファイバー装置ハウジング３２の一部を構成する光ファイバーの光源側フェルール（口輪）３４の縁３４ａに近接した、制御された焦点距離のところに位置する直径約１ｃｍのスポットに合焦される。光源２２は、ランプ寿命を延長するとともに、測定システムへの熱作用を少なくするために、慣用の冷却機構（図示せず）を用いて空冷することができ、あるいはその他の方法で冷却することができる。
又、この検出装置４０は、紫外線、可視、又は中間赤外線領域の電磁放射線を検出することも企図されており、その場合は、光源２２は、対応する領域の放射線を放出する。
照射ユニット２０には、チョッパー（以下、「チョッパー素子」とも称する）５２と、チョッパーステップモータ５４と、コントローラ５６から成るチョッパー機構５０が結合されている。チョッパーモータ５４は、後述するように、光源２２から放出された光を数ミリ秒間又はそれより長い時間遮断するためにチョッパー５２を動作させる働きをする。チョッパー５２は、照射ユニット支持体２８に形成された第１スロット２８ａ内を移動する。チョッパー５２は、光源２２から発せられた光を遮断する場合、光が照射ユニット支持体２８の主照射開口２８ｂを通って光ファイバーの光源側フェルール３４へ抜けるのを実質的に完全に阻止する。チョッパー５２は、公開された米国特許出願２００４／００６５８２９Ａ１に開示されたシャッターフラッグと基本的に同じ態様に構成することができる。
チョッパーモータ５４は、チョッパー５２が光源を選択的に遮蔽するようにチョッパー５２を移動させるステップモータ又は他の適当な駆動デバイスであってよい。コントローラ５６は、電気的にプログラム可能な論理デバイス（ＥＰＬＤ）と慣用のモータドライバーから成る。そのようなコントローラの１つが、ＳＴマイクロエレクトロニクス社から「Ｌ６５０６Ｄ ＩＣ」という製品名で市販されている。コントローラ５６は、１）後述する「暗状態」値を測定することができるように装置１０の正常な物質特性測定操作中チョッパー５２を往復動させる、２）「暗信号」値と「明信号」値を測定することができるように装置１０の標準化操作中チョッパー５２を光又は放射線遮蔽位置へ移動させる、及び３）診断操作を実施することができるようにチョッパー５２の移動を停止させるために、システムプロセッサ６０から受け取る指示に基づいてモータ５４を制御する働きをする。
照射ユニット２０には、更に、標準化用シャッター７２と、シャッターソレノイド７４と、コントローラ７６から成る標準化用シャッター機構７０が結合されている。シャッターソレノイド７４は、標準化用シャッター７２を光源２２によって発せられ、照射ユニット支持体２８に形成された開口又は内孔２８ｃを通る光の経路内外へ移動させる働きをする。標準化用シャッター７２は、内孔２８ｃを通して放出され光を遮蔽するように位置づけされるときは、光が光ファイバー装置ハウジング３２の一部を構成する標準化用フェルール３６内へ通るのを実質的に完全に阻止するように照射ユニット支持体２８に形成された第２スロット２８ｄ内へ挿入される。
標準化用シャッターソレノイド７４に代えて、シャッター７２が内孔２８ｃを通る光を選択的に遮断するようにシャッター７２を移動させる他の任意の駆動デバイスを設けることができる。コントローラ７６は、電気的にプログラム可能な論理デバイス（ＥＰＬＤ）と慣用のソレノイドドライバーから成る。そのようなコントローラの１つが、インターナショナル・レクチファイア社から「ＩＲＦＲ２４０５」という製品名で市販されている。コントローラ７６は、後述する標準化操作中シャッター７２を移動させるようにシステムプロセッサ６０から受け取る指示に基づいてソレノイド７４を制御する働きをする。
光ファイバー装置３０の一部を構成する光ファイバー装置ハウジング３２は、第１側壁３２ａと第２側壁３２ｂ（図３参照）を有する。第１側壁３２ａは、照射ユニット２０に結合され、第２側壁３２ｂは、検出装置ハウジング４２に結合されている。上記光ファイバーフェルール３４と標準化用フェルール３６は、第１側壁３２ａに装着されている。光ファイバーの光源側フェルール３４は、約０．２４ｉｎ（６．０９６ｍｍ）の直径を有し、標準化用フェルール３６は、約０．１８１ｉｎ（４．４９７４ｍｍ）の直径を有する。図示の実施例では、第２側壁３２ｂに、第１、第２、第３、第４、第５及び第６検出器フェルール４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆが装着されている（図２及び３参照）。各フェルール４４ａ〜４４ｆは、約０．２４５ｉｎ（６．２２３ｍｍ）の直径を有する。光ファイバー装置ハウジング３２は、又、前壁３２ｃ、後壁３２ｄ、底壁３２ｅ及び上壁３２ｆを有する。上壁３２ｆの１つからほぼ円筒形の光ファイバー保持部材３２ｇが、ウエブ１００に対して約３０°〜約６０°、好ましくは約４５°の角度で延長している。この円筒形部材３２ｇは、約０．６２５ｉｎ（１５．８７５ｍｍ）の直径を有する。
光ファイバー装置３０は、第１光ファイバー構造体１１０を含む。第１光ファイバー構造体１１０は、各々光源２２から放出された光の一部分を受け取るための、光ファイバー光源側フェルール３４内に挿通された第１入力端１１４と、各々該受け取った光をウエブ１００上へ差し向け、ウエブ１００上に光のスポット（照射スポット）Ｓを創生するための、円筒形部材３２ｇ内に挿通された第１出力端１１６を有する第１光ファイバー１１２の束から成る（図２、３及び５参照）。光ファイバー装置３０は、更に、第２光ファイバー構造体８０を含む。第２光ファイバー構造体８０は、各々材料ウエブ１００から拡散反射された光を受け取るための、円筒形部材３２ｇ内に挿通された第２入力端８４と、各々該反射光を検出装置４０へ差し向けるための第２出力端８６を有する第２光ファイバー８２の束から成る。第２出力端８６は、設けられた検出器フェルール４４ａ〜４４ｆと同数の分割束８６ａ〜８６ｆに分離される。分割束８６ａ〜８６ｆの各々は、ほぼ同数の出力端８６を有するものとすることができる。一実施例では、各々約０．００３ｉｎ（０．０７６２ｍｍ）の直径を有する約６８００本の第１光ファイバー１１２が設けられ、各々約０．００３ｉｎ（０．０７６２ｍｍ）の直径を有する約４０９００本の第２光ファイバー８２が設けられる。光源２２から後述する各検出器素子までの光路の差異を小さくするために、第１光ファイバー１１２はすべて実質的に同じ長さとし、第２光ファイバー８２も、すべて実質的に同じ長さとする。光ファイバー１１２，８２は、好ましくは、赤外線伝送光ファイバー材、例えばドイツのショット・ガラス社によって製造され、ニューヨーク州オーバーンのショット−フォステック社から「ＩＲ１」という製品名で販売されている光ファイバー材で形成される。
ウエブ１００と円筒形部材３２ｇとの間のパスライン距離Ｄ（図２参照）が変化しても、各第２光ファイバー８２の第２入力端８４が、各第１光ファイバー１１２の第１出力端１１６とウエブ１００上の実質的に同じ照射スポットＳを検出、即ち「見る」ことができるように、各第１光ファイバー１１２の第１出力端１１６を各第２光ファイバー８２の第２入力端８４とランダムに混ぜ合わせることが好ましい。図示の実施例では、ウエブ１００とフェースプレート１２ａの上面１２ｃとの間で測定した公称パスライン距離Ｄ（図２参照）は、３．５ｍｍである。図２には示されていないが、円筒形部材３２ｇの、ウエブ１００に最も近い最上縁は、フェースプレート１２ａの上面１２ｃより約１ｍｍ〜約１．５ｍｍ下に上面から離隔させて引込められた構成とすることができる。又、ウエブ１００から正反射された正反射光が実質的に全く第２入力端８４に受け取られないようにすることが好ましい。正反射光は、ウエブ１００の吸収センターと相互作用するのを防止するようにウエブ１００の第１表面１００ａから直接反射する。従って、正反射光は、ウエブ１００の特性に関する情報をほとんど提供しない。
光は、約３０°の円錐角ＡＣを有する光の円錐体として第１光ファイバー１１２の第１出力端１１６によって放出される（図２参照）。正反射光が第２入力端８４によって受け取られるのを防止するために、第１出力端１１６は、ウエブ１００に対して約３０°〜約６０°、好ましくは約４５°の角度に向けられている（図２参照）。第１及び第２光ファイバー１１２，８２は、円筒形部材３２ｇがそれらの光ファイバーのウエブ１００に対する角度を画定するように円筒形部材３２ｇ内に堅く締めて束ねられる。
第１出力端１１６及び第２入力端８４の露出縁は、磨き仕上げされている。又、第１出力端１１６及び第２入力端８４の磨き仕上げされた外表面に積もるおそれのある塵を吹き払うために加圧空気供給源（図示せず）から空気供給管１９０へ加圧空気を送る（図２参照）
第１光ファイバー１１２のルーティング（引き回し）は、たとえ何らかの像が第１入力端１１４に投射されたとしても、その像が第１出力端１１６で観られる光パターンに何ら関係することがないようにするために、第１入力端１１４が光ファイバーフェルール３４内に意図的にランダムに位置づけされ、第１出力端１１６が円筒形部材３２ｇ内に意図的にランダムに位置づけされるように行うことができる。同様に、第２光ファイバー８２のルーティングは、たとえ何らかの像が第２入力端８４に投射されたとしても、その像が第２出力端８６で観られる光パターンに何ら関係することがないようにするために、第２入力端８４が円筒形部材３２ｇ内に意図的にランダムに位置づけされ、第２出力端８６が検出器フェルール４４ａ〜４４ｆ内に意図的にランダムに位置づけされるように行うことが好ましい。
光ファイバー装置３０は、更に、第３光ファイバー構造体１４０を含む。第３光ファイバー構造体１４０は、各々内孔２８ｃを通る光を受け取るための、標準化用フェルール３６内に挿通された第３入力端１４４と、各々受け取った光を検出装置４０へ差し向けるための第３出力端１４６を有する第３光ファイバー１４２の束から成る（図２、３及び４参照）。第３出力端１４６は、設けられた検出器フェルール４４ａ〜４４ｆと同数の、図４に示される図解的に示される分割束１４６ａ〜１４６ｆに分離される。各検出器フェルール４４ａ〜４４ｆ内において、第３出力端１４６は、第２出力端８６とランダムに混ぜ合わされる。分割束１４６ａ〜１４６ｆの各々は、ほぼ同数の、例えば約６７０の出力端１４６を有するものとすることができる。一実施例では、各々約０．００３ｉｎ（０．０７６２ｍｍ）の直径を有する約４０００本の第３光ファイバー１４２（即ち、６７０本の光ファイバー×６つの分割束１４６ａ〜１４６ｆ）が設けられる。第３光ファイバー１４２は、すべて実質的に同じ長さである。これらの光ファイバー１４２は、好ましくは、赤外線伝送光ファイバー材、例えばドイツのショット・ガラス社によって製造され、ニューヨーク州オーバーンのショット−フォステック社から「ＩＲ１」という製品名で販売されている光ファイバー材で形成される。
検出装置ハウジング４２は、好ましくは吸収波長検出素子である検出器素子（以下、単に「検出器」とも称する）９０ａ〜９０ｆを収容している。図３には、検出器素子９０ａ、９０ｃ、９０ｅだけしか示されていないが、検出器フェルール４４ｂ、４４ｄ、４４ｆにそれぞれ対応する検出器素子９０ｂ、９０ｄ、９０ｆも設けられており、図３に示されている検出器素子９０ａ、９０ｃ、９０ｅの真前に配置されている。検出器素子９０ａ〜９０ｆは、ＩｎＧａＡｓ検出器であってよいが、測定したい特性に応じて他のタイプの検出器とすることもできる。例えば、より長い波長を測定したい場合は、セレン化鉛又はケイ化プラチナ検出器を用いることができる。図示の実施例では、検出器素子９０ａ〜９０ｆは、Ｇ８３７２−０６、Ｇ８７９２−０１及びＧ７９５３−２１という製品名でハママツから市販されているＩｎＧａＡｓ検出器である。本発明の測定装置１０は、検出器素子９０ａ〜９０ｆのような個別の波長検出器素子を使用することにより、ウエブ１００の同じサンプル（被検）部分から拡散反射されるそれぞれ対応する波長のエネルギーを測定することが可能にされ、従って、ウエブ１００の複数の特性／特徴の実質的に同時検出を可能にする。
再び図３を参照して説明すると、分割束８６ａ〜８６ｆ（図３には分割束８６ａ〜８６ｆのうちの８６ａ、８６ｃ、８６ｅだけが示されている）からの光信号は、帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆ及び好ましくは円錐形の形の集光器１１２ａ〜１１２ｆを通して検出器素子へ送られる。図３には帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆのうち１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｅだけしか示されていないが、フィルター１１０ｂ、１１０ｄ、１１０ｆも検出器素子９０ｂ、９０ｄ、９０ｆにそれぞれ対応して設けられており、図３に示されているフィルター１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｅの真前に配置されている。同様に、図３には集光器１１２ａ〜１１２ｆのうち１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅだけしか示されていないが、集光器１１２ｂ、１１２ｄ、１１２ｆも検出器素子９０ｂ、９０ｄ、９０ｆにそれぞれ対応して設けられており、図３に示されている集光器１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅの真前に配置されている。図３Ａには、検出器素子９０ａと、帯域フィルター１１０ａと、集光器１１２ａが拡大図で示されている。別法として、集光器１１２ａ〜１１２ｆに代えて、レンズを用いることもできる。各帯域フィルターは、特定の特性／特徴、例えばセルロース繊維、水分、ラテックスバインダ、クレー、炭酸カルシウム又はプラスチックフィルムなどによって容易に吸収される赤外線スペクトルのうちの所定の１つの帯域内にはいる赤外線を通すように選択されており、各フィルターに対応する検出器素子９０ａ〜９０ｆが測定する。
先に述べたように、ウエブ１００から拡散反射された光は、第２光ファイバー８２によって受け取られる。第２光ファイバー８２の第２出力端８６は分割束８６ａ〜８６ｆに分離されているので、第２光ファイバー８２によって収集された光は、それぞれ対応する光部分に分離され、各光部分は、まず、対応する帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆによってろ波された後それぞれの検出器素子９０ａ〜９０ｆによって受け取られる。従って、第２光ファイバー８２は、光ビーム分配器として機能する。
検出器素子９０ａ〜９０ｆは、それぞれの検出器素子によって発せられる信号を処理するための回路（図示せず）を含む検出器回路基板９４に取り付けられる。図示の実施例では、各波長検出器素子９０ａ〜９０ｆからの信号は、それぞれの対応する特定波長帯域内に入る反射赤外線の量に対応する電流信号である。これらの電流信号は、検出器回路基板９４上に配置されている検出器素子９０ａ〜９０ｆの１つに対応する、やはり検出器回路基板９４上に設けられた電流−電圧プリアンプによって処理される。各プリアンプからの出力電圧信号は、利得回路基板へ送られ、利得回路基板は、それらの信号を後述する態様で処理する。利得回路基板からは、アナログ信号がシステムプロセッサ６０へ送られる。
可視光を検出することができる規格シリコンフォトセルから成るシリコン「シンク（ｓｙｎｃｈ）」検出器９２が、ハウジング３２に近接して配置されている。そのような検出器は、フェアチャイルド・セミコンダクタ社からＱＳＣ１１４という製品名で市販されている。検出器９２からの光管９２ａは、主照射開口２８ｂに近接する位置にまで延長している。図示の実施例に用いられる検出器９２は、可視光スペクトル並びに１．１μｍまでの赤外線スペクトルに感応する。このシリコン「シンク」検出器９２は、チョッパー５２が光源２２からの光を遮断する位置へ移動されたときそれを知らせる信号を発する。この可視光検出器９２は、検出器素子９０ａ〜９０ｆのような赤外線検出素子に比べて、チョッパー５２の位置に関して遙かに良好なＳＮ比を有する。
作動において、光源２２からの赤外線光は、第１光ファイバー１１２によって円筒形部材３２ｇに近接し定置する移動紙ウエブ１００の小さな区域（「被測定区域」と称する）又は単一のサンプル（被検）部分上へ光のスポットＳとして伝送される。紙ウエブ１００の材料、及び、紙ウエブにコーチングが被覆されていれば、そのコーチングは、この入射赤外線光と相互作用し、被測定特性／特徴、例えばセルロース繊維、水分、又は紙シート上のクレー、ラテックスバインダ、炭酸カルシウム又はプラスチック（それらはすべて入射赤外線光の特定波長を異なる態様で吸収する）などのコーチングに応じていろいろなスペクトル成分を吸収又は反射する。これらの被測定特徴としては、水分、セルロース繊維、クレー、ラテックスバインダ、炭酸カルシウム、プラスチック等の特定の個別赤外線吸収帯域を有する特性などがある。先に述べたように、拡散反射された光は、第２光ファイバー８２の第２入力端８４によって受け取られ、第２出力端８６の分割束８６ａ〜８６ｆによって帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆへ、次いで、検出器素子９０ａ〜９０ｆへ分配される。
第１及び第２光ファイバー１１２，８２のルーティングは、ランダム態様に行われるので、ウエブ１００からの反射にいかなる不均一があっても、それは、すべての集光器１１２ａ〜１１２ｆ、帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆ及び検出器素子９０ａ〜９０ｆのところでほぼ同じ影響を及ぼす。
先に述べたように、検出器素子９０ａ〜９０ｆは、ＩｎＧａＡｓ検出器素子とすることが好ましい、より具体的にいえば、検出器素子９０ａ〜９０ｆは、多重拡バンドギャップ型砒化インジウム−ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）検出器素子９０ａ〜９０ｆとする。本発明においては任意のサイズの検出器素子を用いることができるが、約１ｍｍの直径を有するＩｎＧａＡｓ検出器素子が好ましい。「波長」検出器素子９０ａ〜９０ｆは、実質的に同時に異なる波長帯域に亘って赤外線光を測定し、対応する信号を出力する。各特定帯域は、ウエブ１００の測定対象となっているスペクトル吸収特性／特徴を表示すように選択される。このため、各検出器素子９０ａ〜９０ｆは、測定対象とする特定波長帯の赤外線を検出する能力を最適化するために、拡張バンドギャップと称されるわずかに異なる設計を有するものとすることができる。単一のタイプのＩｎＧａＡｓピンダイオードでは、すべての異なる波長に亘って良好な感光性を発揮しない。従って、検出器９０ａ〜９０ｆは、ハママツからＧ８３７２−０６、Ｇ８７９２−０１及びＧ７９５３−２１という製品名で市販されている検出器のような、インジウム対ガリウムの割合を異にする３つの異なるタイプのものとする。これによってそれらの検出器に異なるバンドギャップを与え、個々の検出器のそれぞれ対象とする波長に対する感度を高める。
帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆは、同調二色性干渉フィルターとすることができる。これらの同調二色性干渉フィルターは、通過帯域の中央波長をそのフィルターと直角を成す光のためのより長い波長へシフトさせる（ずらす）ために傾斜させることができる。あるいは、集光器１１２ａ〜１１２ｆの反射性を調節することによって、又は、光ファイバーに開口を形成することによって帯域フィルター１１０ａ〜１１０ｆを通る光の角度を制御することができる。
赤外線分光測定法において周知のように、第１波長、即ち、対象とされるスペクトル吸収波長として、測定すべきウエブの特性／特徴、例えば水分、セルロース繊維、ラテックスバインダ、クレー、炭酸カルシウム等による吸収量が高い領域の波長が選択される。次いで、第１波長に近い第２波長、即ち、基準波長として、ウエブの特性／特徴よる吸収量が低い領域の波長が選択される。ウエブ１００から反射されたこれらの２つの波長の赤外線の比関数が、測定すべきウエブ１００内又はウエブ上の１つの特性／特徴の区域重量（ａｒｅａ ｗｅｉｇｈｔ）又は量と相互に関連づけられる。水に関していえば、特定区域重量水分測定値をそれと孔軸域のウエブの総重量で除することによって特定区域重量水分測定値が水分率（％）に変換される。この総ウエブ重量は、被測定紙繊維の重量の関数から推量することができる。
慣用のＩｎＧａＡｓ検出器素子は、約１．７μｍ未満の波長の赤外線に感応し、１０ナノ秒単位の時定数を有する。しかしながら、ウエブの測定すべき特性／特徴のなかには、比較的長い波長の検出を必要とするものがある。パーキンエルマー社、エレクトロオプティックス社、ハママツＵＳＡなどの幾つかの製造会社が、波長感受性を２．７μｍまで拡張することができる拡張ＩｎＧａＡｓ検出器素子を提供している。しかしながら、検出可能波長領域のこの拡張の１つの特徴は、幾つかの性能パラメータ、特に、いわゆる「分路抵抗」と称される特性が劣化することである。分路抵抗が低くなる結果として、検出器素子に小さなオフセット電圧（μＶ）を印加しただけでも、そのようなオフセット電圧が被測定された信号に匹敵するほどの暗電流を発生する。その結果、信号に作用するノイズが高くなり、それを補償しない限り、得られる最大限利得が制限される。分路抵抗は、温度依存性が高い。暗電流は、検出器を冷却することによって減少させることができる。
検出器素子９０ａ〜９０ｆの能動素子を熱電冷却することにより、各検出器素子９０ａ〜９０ｆを同様な分路抵抗で作動させることができる。従って、感応可能波長の拡張度を大きくすればするほど、拡張波長で作動する検出器素子９０ａ〜９０ｆをより低い温度で作動させなければならない。各検出器素子９０ａ〜９０ｆの作動「分路抵抗」このように均等化することにより、すべての検出器信号の数学的関数組合せによって実施することができる全体の測定のノイズフロアを最小限にすることができる。ペルチエクーラーなどの熱電冷却デバイスや、サーミスタなどの温度測定デバイスが、市販のＩｎＧａＡｓ検出器素子の内蔵部品として現在入手可能である。更に、ＩｎＧａＡｓ検出器素子は、所望の冷却温度を達成するために、必要ならば、圧縮空気による放熱法（ヒートシンク）を用いることができる。これらの冷却デバイスは、冷却すべき検出器素子をそれらの設定温度から３°Ｃ以内に維持することが好ましい。好ましくは、これらのＩｎＧａＡｓ検出器素子９０ａ〜９０ｆのうちの一部分、例えば、拡張波長で作動する素子、例えば２．１μｍ以上の波長を検出する素子を温度制御し、他のＩｎＧａＡｓ検出器素子、例えば２．１μｍより短い、非拡張波長で作動する素子は、温度制御しない。波長拡張ＩｎＧａＡｓ検出器素子の温度による感応性の低下を正確に補償することができることにより、従来の測定装置とは異なり、本発明による多重ＩｎＧａＡｓ検出器素子が実質的に同時に信号を得ることを可能にする。
ＩｎＧａＡｓフォトダイオード検出器素子は、通常、３〜５ＶＤＣの逆バイアスで作動される。この逆バイアスを（絶縁破壊限度にまで）増大させれば、検出器の応答時間が改善される。逆バイアスが高いということは、電荷（電子と正孔）が集まるのが早くなり、接合容量が低くなることを意味する。しかしながら、逆バイアスが印加されると、光の入射なしでいくらかの電流が流れる。これを「暗電流」といい、上述したように分路抵抗の関数である。フォトダイオードの温度を変えると、暗電流（分路抵抗）が変わる。本発明では、各検出器をゼロバイアスに近いバイアスで作動させることが好ましい。そうすることにより、各検出器の厳密な温度制御の必要性を最少限にすることができる。ゼロに近いバイアスでの作動は、検出器の遮断周波数を低くするが、それでも、ゼロに近いバイアスでの作動の結果として得られる遮断周波数は、約１ＭＨｚ（メガヘルツ）である。この多少遅い応答は、検出器信号を５ｋＨｚでサンプリングする現行の用例が要求する要件を超える。本発明では、頻繁な「暗状態」修正（後述する）の必要なしに、又、被測定物質の特性に悪影響を及ぼすことなく、検出器温度の最高５°Ｃまでの変動が許容される。
次ぎに、チョッパー機構５０の作動を説明する。装置１０の平常の物質特性測定操作中は、チョッパー５２は、光源２２によって放出された光が開口２８ｂを通るのを周期的に遮断し、それによって、各検出器素子９０ａ〜９０ｆの残留信号を光源からの照射（光入射）がない状態で測定することを可能にする。残留信号は、被測定パラメータから生じない、即ち、ウエブ１００から反射された電磁放射線から生じない信号成分である。従来の方法によれば、赤外線測定装置は、測定における低周波ノイズを少なくするために信号遮断を用いることができる。低周波ノイズ（ＤＣから約１００Ｈｚまでの範囲）は、検出器特性のゆっくりしたドリフチング（変動又は乱れ）と、外部からの無制御の入射赤外線源によって起こる。通常、従来の赤外線測定装置では、信号遮断（断続）は、通常、旋回アパーチャー（開口付き）ホイールによって、又は、音叉型のシャッターを駆動する共振発振器によって赤外線源を周期的に急速に遮断することにより行われている。
しばしば「ｌ／ｆノイズ」とも称される低周波ノイズは、これらの従来慣用の装置では、低周波成分を除去する同調順次エレクトロニクス段（フィルター）によって低減される。例えば、信号を直列キャパシタに通すようにした容量性結合を用いる濾過は、ＤＣ及び低周波成分を有効に遮断することができる。信号遮断法は、光源が遮蔽されている間検出器素子が被検体を測定しないことになるので、望ましくない。音叉型シャッターによって信号を遮断するような周期的遮断装置では、遮断される信号は、利用可能な信号のうちの５０％以上にもなる。更に、周期的な信号遮断は、エイリアシングエラーをもたらす原因ともなり、遮断周波数がセンサーのサンプリング周波数に干渉するので偽信号パターンを発生したり、ノイズや、測定されたサンプリングの何らかの擬似乱数パターンを発生することがある。
本発明の測定装置１０は、チョッパー機構５０によって光源２２を低い可変レート（単位時間当たり遮断回数）で遮断する方法を採る。検出器素子９０ａ〜９０ｆは、光源２２がゼロ測定値即ち「暗状態」値として機能するように完全に遮蔽されているときに、測定値をとる。暗状態値信号は、３つの主要成分として、各検出器素子９０ａ〜９０ｆに固有の電子オフセットと、周囲赤外線によって発生される検出器素子信号と、検出器暗電流の変化を有する。静止状態では、何らかの周囲成分があると、それが、定常状態に留まる傾向があり、検出器素子に関連する成分が、温度及び長期にわたる検出器素子ドリフトの関数として非常にゆっくりと変化する。スキャンシステムでは、バックグラウンドが変化し、その結果として、バックグラウンドの赤外線源が有意に（相当に）変化するので、「暗状態」値をより頻繁に測定する必要がある。システムプロセッサ６０は、暗状態値を用いて、光源２２が遮蔽されていない問いに検出器素子９０ａ〜９０ｆによって発せられるオンライン測定信号を修正する。
チョッパーレート（チョッパーの単位時間当たり遮断（チョップ）回数）は、連続的回転運動ではなく、往復動遮断動作によって、毎秒０．１回から約３０回の遮断レート範囲に亘って変更するように制御することができる。遮断時間（遮断されている時間）の割合は、実時間（リアルタイム）の約１％とすることが好ましい。チョッパーステップモータ５４は、チョッパー５２を光源２２を完全に遮蔽する位置へ移動させるために非同期で作動し、加速度及び最大限速度を別途に制御することにより、チョッパーレートが変更されても、実際の遮断ドウェル（保持）時間を一定に維持することができるような角精度を可能にする。このようにチョッパーレートが比較的遅い（低い）ということは、低周波成分を除去するために以後の処理工程で高域フィルターを挿入する必要がないことを意味する。又、この比較的遅いチョッパーレートは、慣用の鉛塩検出器が用いる毎秒５０〜１０００回の遮断レートとは対照的である。名目上は、チョッパー５２は、毎秒１回の遮断レートで約８〜１６ミリ秒間光源２２を遮断する。この毎秒１回の公称（名目）チョッパーレートは、電子的安定性を維持する上ではほぼ十分である。しかしながら、このチョッパーレートは、バックグラウンド放射線の変動を補償するためには不十分な場合がある。例えば、毎秒１回のチョッパーレートと、それに対応する暗状態値の測定では、（検出器の視野内に移動する高温放射源が存在する工場環境などで起こりうる）急激に変化するバックグラウンド赤外線光源がある場合には不十分な場合がある。
十分であるが、頻繁すぎない遮断操作を行うために、チョッパーレートは、最初に、毎秒１回の遮断レートに設定される。通常、所要のチョッパーレートは、現行の暗状態又は対応する基準線ノイズ値を前の暗状態又は対応する基準線ノイズ値と比較することによって決定される。必要ならば、このチョッパーレートは、技術者が例えばこの測定装置１０が設置されているスキャナ装置に保存されている電子ファイル内の定数を変更することによって変えることができる。
チョッパー機構５０のチョッパー遮断レートには周期性や規則性が必要とされないので有利である。チョッパーコントローラ５６は、プロセッサ６０のセンサー制御部分によって各遮断毎に個々に指令され、レートに関して制御可能であり、非同期的に制御される。チョッパーレートは、変更可能であり、この可制御性が、本発明の測定装置１０をして、それが広範囲の条件下で測定している時間部分を実質的に正確に最大限にすることを可能にする。このチョッパー制御は、検出器のサンプリング操作とは独立していることが好ましい。サンプリング操作は実質的に連続的に行われ、必要に応じて中断される。
チョッパーモータ５４は、チョッパーレートを高い時間分解能で０．１Ｈｚから約３０Ｈｚまで調節することを可能にする。チョッパーモータ５４は、連続的回転遮蔽ではなく、毎秒３０回の遮断レートで往復動遮蔽を可能にするのに十分な応答性を有するものとするべきである。かくして、チョッパー５２は、実際上必要なだけ長い又は短い時間光源２２を遮蔽する。
更に、先に述べたように、本発明の測定装置１０は、好ましくは、正確な測定を可能にするようにチョッパー機構５０の正確なタイミングを検出するための「シンク」検出器９２を含む。システムプロセッサ６０は、このシリコン「シンク」検出器の信号を受け取る。「シンク」検出器の信号は、一実施例では、信号処理に用いるための、そして必要に応じて用いるための方形波パルスから成る。
実際の遮断動作は、チョッパーモータ５４を始動せよというシステムプロセッサ６０からコントローラ５６に発せられる指令によって行われる。コントローラ５６には、所定の加速、減速、及びいろいろな異なるチョッパーレートを予めプログラムしておくことができ、それらのうちの１つは、先に述べたように、技術者が決定することができる。チョッパーモータ５４は、チョッパー５２をある角度に亘って加速させ、次いで照射ユニット支持体２８に形成された第１スロット２８ａに進入させる（図３参照）。例えば、一実施例では、チョッパー５２は、３．１ミリ秒の第１遷移時間と、光源２２を完全に遮蔽する１０．４ミリ秒の時間と、３．１ミリ秒の第２遷移時間から成る１６．６ミリ秒の総遮断時間を有する。検出器素子９０ａ〜９０ｆからのサンプルが毎秒５０００サンプルの割合で収集されるとして、合計暗時間が１０．４ミリ秒であったとすると、チョッパー５２が光源２２完全に遮蔽しているときに収集されたサンプルの数は約５２であることを意味する。図示の実施例のＩｎＧａＡｓ検出器素子は第１応答時間を有するので、これらの測定は有効であると考えられる。ただし、パルスの立ち上がり縁と立ち下がり縁、即ち第１遷移時間と第２遷移時間に対応する区間の各々からそれぞれ追加の３つの測定を破棄することもできる。かくして、測定データを正規化（ノーマライズ）するために約４６（５２−６）の暗状態サンプルを用いることができる。上記の数を用いると、測定装置１０が紙ウエブ１００の特性／特徴を測定していない時間は、測定装置１０の作動時間の２％未満である。
図示の実施例では、システムプロセッサ６０は、チョッパー５２が光源２２を遮蔽しているときに収集されたどのサンプルが排除されたのかを判定するために方形波シンク検出器９２のパルスを用いる。例えば、方形波パルスの立ち上がり縁と立ち下がり縁の各々の外側の所定数のサンプルを破棄するとともに、方形波パルスの立ち上がり縁と立ち下がり縁の各々の内側の所定数のサンプルを破棄することができる。従って、第１遷移時間は、破棄される、パルスの立ち上がり縁の内側と外側の所定数のサンプルに対応し、第２遷移時間は、破棄される、パルスの立ち下がり縁の内側と外側の所定数のサンプルに対応する。
光源２２は、更に、ランプ２６に供給される電圧をその特定のランプに適する基準レベルに精細に制御するための光源強度コントローラ２７（図３参照）を含む。電圧強度は、選択されうるレベルがいずれも非常に安定したものとなるようにクリスタル制御カウンターでパルス幅変調されることが好ましい。光源２２のパワーは、最高限と最低限との間の遷移時間が無視しうるほど短くなるように、１０ｋＨｚの方形波ＡＣとして供給することが好ましい。光源２２の強度を制御するために供給されるパワーの範囲は、好ましくは、ゼロボルトから使用される特定の光源の最大限電圧レベルまでとし、光源強度が、ラッチデジタル指令、例えば０００００＝０％と１１１１１＝１００％を用いて１つの部分又はステップを３．１２５％として２５即ち３２の部分又はステップに分割されるように光源強度コントローラ２７によって制御される。もちろん、デジタル指令は、必要に応じて５ビット以下又は以上とすることができる。
ランプを高パワーで、即ちその定格１００％パワーで作動させると、ランプ寿命は急勾配で短かくなる。従って、光源２２は、上述した光源強度コントローラ２７からのデジタル制御信号によって制御して、その定格パワーの名目上で７５％で作動させることが好ましい。
先に述べたように、検出器素子９０ａ〜９０ｆからの信号は、各々検出器素子９０ａ〜９０ｆの１つに対応する電流−電圧プリアンプを通して送られる。電流−電圧プリアンプは、検出器回路基板９４に設置されている。それらの電流−電圧プリアンプからの出力信号は、利得回路基板（図示せず）へ供給される。利得回路基板は、各々検出器素子９０ａ〜９０ｆの１つに対応する複数のデジタル制御式オフセット零化（ｎｕｌｉｎｇ）回路（図示せず）から成る。各オフセット零化回路は、バックグラウンド放射線、検出器素子の暗電流漏れ及びアンプオフセットから生じる信号を無にする、即ち消去するように、それぞれの対応する電流−電圧プリアンプからの電圧信号をシステムプロセッサ６０によって与えられた設定によって制御されるオフセット零化電圧と合算合計する。このオフセット零化信号は、標準化操作中に決定される。オフセット零化信号は、光源２２からの光がウエブから反射されて対応する検出器素子に入射しないように遮蔽されているときのバックグラウンド放射線と、対応する検出器素子からの暗電流と、アンプオフセットの合計である。アンプオフセットは、対応するプリアンプ内の固有の電圧オフセットと、後述する、対応するデジタル制御式可変利得アンプ内の電圧オフセットによって生じる。
オフセット零化信号は、システムプロセッサ６０によって制御されるデジタル−アナログ変換によって発生される。標準化操作の１区間において、最高利得ステップで（照射（光の入射）なしに）検出器信号が測定される。システムプロセッサ６０は、各測定チャネル毎に該システムプロセッサが受け取る信号がほぼゼロボルトになるようにデジタル−アナログ変換器を各測定チャネル毎に１ステップずつ進める。標準化操作のこの区間は、アンプオフセット又は検出器の暗電流に起因するいかなるオフセット信号をも零化しない。
オフセット零化信号は、装置１０の物質特性測定操作中は以後の標準化操作中に変更されるまで一定に保持される。
利得回路基板は、更に、各検出器素子９０ａ〜９０ｆに対応してデジタル制御式可変利得チャンネルアンプ（図示せず）を含む。上述した工程によって創出されたオフセット零化信号は、各検出器のためのデジタル制御式可変利得アンプの入力端において各検出器信号と合算される。各デジタル制御式可変利得アンプは、その信号がデイジタイザ、即ちシステムプロセッサ６０の一部を構成するアナログ−デジタル変換器（図示せず）によって受け取られる十分な分解能を有するように、０〜９０ｄＢの利得を提供する。図示の実施例では、システムプロセッサ６０に単一のデジタイザが設けられている。各可変利得チャンネルアンプは、システムプロセッサ６０によって発せられるデジタル利得値に応答して、０〜９０ｄＢの間で６ｄＢづつ１６ステップで増幅を実行することができる。
システムプロセッサ６０は、デジタイザからの検出器素子９０ａ〜９０ｆの１つに対応する各出力が許容しうる値、即ちデジタイザの中心範囲近傍の値であるかどうかを周期的に判定する。そうでない場合は、システムプロセッサ６０は、デジタイザがその中心範囲内又はその近傍の信号を出力するように、検出器素子の対応する可変利得チャンネルアンプに対する利得ステップを変更するために対応するデジタル利得を変更する。
可変利得チャンネルアンプによって与えられる実際の利得は、構成部品の公差や電子ドリフトがあるために公称値とは異なることがある。従って、各可変利得チャンネルアンプは、標準化操作の１区間において１６の利得ステップ毎に検査され、その結果が、システムプロセッサ６０の実際の利得ステップ値の表に保存される。校正操作は、各利得チャンネルアンプに関して、システムプロセッサ６０が校正回路を制御し、対応する検出器素子及び対応するプリアンプをバイパスして利得回路基板へ第１校正電圧信号を供給させることによって行われる。対応する利得チャンネルアンプは第１増幅ステップにおいて増幅を与えるようにプログラムされており、利得チャンネルアンプからの出力が、デジタイザを用いて測定される。次いで、その出力がシステムプロセッサ６０によってメモリー内に保存される。第１校正電圧が、再び利得回路基板へ入力される。利得チャンネルアンプは第２増幅ステップにおいて増幅を与えるようにプログラムされており、利得チャンネルアンプからの出力がデジタイザによって測定され、第１増幅ステップ／第１校正電圧に関してメモリーに保存されているデジタイザの値と比較され、その比較値、即ち、第１増幅ステップ／第１校正電圧に関する値に対する第２増幅ステップ／第２校正電圧に関する値の比が、システムプロセッサ６０内の実際の利得ステップ値の表に修正された第１増幅又は利得ステップとして保存される。
次に、第１校正電圧のほぼ２分の１の第２校正電圧が利得回路基板へ供給される。対応する利得チャンネルアンプは第２増幅ステップにおいて増幅を与えるようにプログラムされている。デジタイザからの出力が測定され、次いで、その出力がシステムプロセッサ６０によってメモリー内に保存される。第２校正電圧が、再び利得回路基板へ入力される。利得チャンネルアンプは第３増幅ステップにおいて増幅を与えるようにプログラムされている。利得チャンネルアンプからの出力がデジタイザによって測定され、第２増幅ステップ／第２校正電圧に関してメモリーに保存されているデジタイザの値と比較され、その比較値、即ち、第２増幅ステップ／第２校正電圧に関する値に対する第３増幅ステップ／第３校正電圧に関する値の比が、システムプロセッサ６０内の実際の利得ステップ値の表に修正された第２増幅又は利得ステップとして保存される。この校正プロセスは、残りの増幅又は利得ステップ（３〜１６ステップ）の各々に関して実験的に導出された利得ステップが求められるまで継続される。これらの保存された実際の利得ステップ値は、各検出器素子９０ａ〜９０ｆの信号レベルを比較する目的で検出器素子９０ａ〜９０ｆ間の相対的信号レベルを算出するのに用いられる。
各デジタル制御式可変利得アンプが独立して利得供給能力を有するので、デジタイザをその最適（最も直線的で最善の分解能）範囲内で作動させることができる。例えば、低質量製品は、測定波長をいくらかは吸収するとしてもほとんど吸収しないので、個々の検出器素子９０ａ〜９０ｆから得られる信号は大きさがすべて近似している。従って、低質量製品を測定する場合は、各デジタル制御式可変利得アンプのための電子利得、即ち増幅又は利得ステップは、システムプロセッサ６０によって実質的に同じ値に、具体的にいえば、各アンプからの出力信号をシステムプロセッサ６０内のデジタイザのための入力範囲の中心に近くにもたらすような値に設定される。検出器素子９０ａ〜９０ｆの１つに対応する帯域内に入る電磁放射線の有意の一部分を吸収する製品の場合は、該１つの検出器素子は、僅かにしか吸収されず、他の帯域に属する電磁放射線を検出する他の検出器素子より遙かに小さい信号を創出する。このような高質量製品の測定においては、すべての可変利得アンプから、やはりシステムプロセッサ６０内のデジタイザの入力範囲の中心に近い、同様な信号出力レベルが得られるように、上記１つの検出器素子に対応するデジタル制御式可変利得アンプについては異なる利得、即ち異なる増幅ステップが選択される。システムプロセッサ６０は、各デジタル制御式可変利得アンプに割り当てられた（実際の利得ステップ値の表に保存されている）増幅又は利得ステップの実際の値を知ることによって、２つ又はそれ以上の検出器素子の間の吸収比を算定することができる。検出器素子９０ａ〜９０ｆ間の相対利得は、検出器素子９０ａ〜９０ｆ間の比測定を行う上で必要とされる。可変利得アンプのそれぞれ独立した、この利得供給方法は、本発明の測定装置１０の「ダイナミックレンジ」を大幅に拡張する。
各検出器素子の対応するデジタル制御式可変利得アンプがシステムプロセッサ６０内のデジタイザに同様な数の増幅された信号を供給するように、好ましくは、検出器素子の出力の各々毎秒５０００回の公称レートでサンプリング又は測定される。ＩｎＧａＡｓ検出器素子は比較的速い応答速度を有するので、同様に応答速度の速いエレクトロニクスシステムを用いて毎秒２０，０００回から１，０００，０００回の範囲の高い測定レートも可能である。各「波長」検出器素子９０ａ〜９０ｆの算出値は、その測定された出力を対応するデジタル制御式可変利得アンプの利得によって除した値である。可変利得アンプの利得は、各利得ステップを掛け合わせることによって求められる。例えば４つの利得ステップがある場合、可変利得アンプの利得は、利得ステップ１×利得ステップ２×利得ステップ３×利得ステップ４によって算出される。
「シンク」検出器素子、図示の実施例ではシリコン「シンク」検出器９２は、デジタル制御式可変利得アンプを必要としないが、調節不可の利得アンプ（図示せず）を必要とする。「シンク」検出器素子チャンネルは、光源が遮蔽されていることを示す１００ｍＶ（ミリボルト）未満と、光源が開放している、即ちＯＮの状態である４Ｖ以上との間で変化する。
各検出器素子９０ａ〜９０ｆの１回の測定で１組のデータが得られる。デジタイザは、毎秒５０００回の公称レートで慣用のマルチプレクサーと協同して各検出器素子をサンプリングし、合計毎秒３０，０００回のレートでサンプリングする。
測定装置１０は、検出器素子のドリフト、エレクトロニクスのドリフト又は光源のドリフトを補償する正規化を周期的に行うために３０〜１２０分毎に「標準化」操作を実施することができる。この操作中は、物質特性／特徴の測定は行われない。
標準化操作の１部分は、チョッパー５２を、光ファイバーフェルール３４に向けられた光エネルギーを完全に遮蔽する位置へ移動させることから成る（図３参照）。これによって、光が第１光ファイバー１１２によって形成される経路に進入するのを阻止され、従って、円筒形部材３２Ｇから光エネルギーは出ない。次いで、標準化用シャッター７２が、エネルギーを標準化用フェルール３６に進入させることができる開放位置へ移動される。かくして、光源からの光エネルギーは、ハウジング３２内にランダムに位置づけされている第３光ファイバー１４２を通り、各検出器素子９０ａ〜９０ｆを照射する。次いで、システムプロセッサ６０が、各検出器素子９０ａ〜９０ｆによって発せられる光信号をウエブ１００からの反射光の影響なしに読み取り、これらの光信号の値を「暗・開１Ｘ」値として保存する。
「暗・開１Ｘ」信号値が測定された後、しかし、チョッパー５２がまだ光ファイバーフェルール３４への光エネルギーの進入を阻止する閉鎖位置にある間に、シャッター７２が、内孔２８ｃに進入する光を完全に遮断し、従って、光エネルギーが標準化用フェルール３６に進入するのを阻止する、図３に示される閉鎖位置へ移動される。この閉鎖即ち遮蔽位置が、オンライン測定中のシャッター７２の「正常」位置である。光源２２からのすべてのエネルギーが検出器素子９０ａ〜９０ｆに対して遮断された状態で、システムプロセッサ６０は、検出器素子９０ａ〜９０ｆの信号を読み取り、それらの値を「暗・閉Ｘ」値として保存する。
「暗・閉Ｘ」信号値が測定された後、しかし、チョッパー５２がまだ光ファイバーフェルール３４への光エネルギーの進入を阻止する閉鎖位置にある間に、シャッター７２が、再び、光エネルギーが標準化用フェルール３６に進入するのを許す開放位置へ移動される。次いで、システムプロセッサ６０は、検出器素子９０ａ〜９０ｆによって発せられる光信号をウエブ１００からの反射光の影響なしに読み取り、これらの光信号の値を「暗・開２Ｘ」値として保存する。
システムプロセッサ６０は、標準化値を算定し、検出器素子９０ａ〜９０ｆの各々からのこれらの測定値に基づいて下記の方程式を用いて標準化比を決定する。
標準化値
標準化Ｒ値 ＝［（暗・開１Ｒ＋暗・開２Ｒ／２）］−暗・閉Ｒ
標準化Ｍ１値 ＝［（暗・開１Ｍ１＋暗・開２Ｍ１／２）］−暗・閉Ｍ１
標準化Ｍ２値 ＝［（暗・開１Ｍ２＋暗・開２Ｍ２／２）］−暗・閉Ｍ２
標準化Ｍ３値 ＝［（暗・開１Ｍ３＋暗・開２Ｍ３／２）］−暗・閉Ｍ３
標準化Ｍ４値 ＝［（暗・開１Ｍ４＋暗・開２Ｍ４／２）］−暗・閉Ｍ４
標準化Ｍ５値 ＝［（暗・開１Ｍ５＋暗・開２Ｍ５／２）］−暗・閉Ｍ５
ここで、
暗・開１Ｒは、標準化操作中、基準検出器素子によって測定された「暗・開１Ｘ」値である。図示の実施例では、検出器素子９０ａが基準検出器素子とされているが、検出器素子９０ａ〜９０ｆのうちの任意の１つを基準検出器素子と定めることができる。
暗・開２Ｒは、標準化操作中、基準検出器素子９０ａによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｒは、標準化操作中、基準検出器素子９０ａによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
暗・開１Ｍ１は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｂによって測定された「暗・開１Ｘ」値である。
暗・開２Ｍ１は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｂによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｍ１は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｂによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
暗・開１Ｍ２は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｃによって測定された「暗・開１Ｘ」値である。
暗・開２Ｍ２は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｃによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｍ２は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｃによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
暗・開１Ｍ３は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｄによって測定された「暗・開１Ｘ」値である。
暗・開２Ｍ３は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｄによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｍ３は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｄによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
暗・開１Ｍ４は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｅによって測定された「暗・開１Ｘ」値である。
暗・開２Ｍ４は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｅによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｍ４は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｅによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
暗・開１Ｍ５は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｆによって測定された「暗・開１Ｘ」値である。
暗・開２Ｍ５は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｆによって測定された「暗・開２Ｘ」値である。
暗・閉Ｍ５は、標準化操作中、基準検出器素子９０ｆによって測定された「暗・閉Ｘ」値である。
標準化比
標準化Ｍ１比 ＝（標準化Ｍ１値／標準化Ｒ値）＊内Ｍ１標準
標準化Ｍ２比 ＝（標準化Ｍ２値／標準化Ｒ値）＊内Ｍ２標準
標準化Ｍ３比 ＝（標準化Ｍ３値／標準化Ｒ値）＊内Ｍ３標準
標準化Ｍ４比 ＝（標準化Ｍ４値／標準化Ｒ値）＊内Ｍ４標準
標準化Ｍ５比 ＝（標準化Ｍ５値／標準化Ｒ値）＊内Ｍ５標準
ここで、内Ｍｘ標準＝後述するように計算される内標準Ｍｘ比定数
測定装置１０のオンライン作動中、システムプロセッサ６０は、検出器９０ａ〜９０ｆによって創出されたオンライン測定信号を以下の方程式に従って修正する。
生の測定比
以下は、生の比値である。
（Ｒ−Ｒ ０ ）／Ｒに対する総利得
生のＭ１比 ＝（Ｍ１−Ｍ１０）／Ｍ１に対する総利得

（Ｒ−Ｒ ０ ）／Ｒに対する総利得
生のＭ２比 ＝（Ｍ２−Ｍ２０）／Ｍ２に対する総利得

（Ｒ−Ｒ ０ ）／Ｒに対する総利得
生のＭ３比 ＝（Ｍ３−Ｍ３０）／Ｍ３に対する総利得

（Ｒ−Ｒ ０ ）／Ｒに対する総利得
生のＭ４比 ＝（Ｍ４−Ｍ４０）／Ｍ４に対する総利得

（Ｒ−Ｒ ０ ）／Ｒに対する総利得
生のＭ５比 ＝（Ｍ５−Ｍ５０）／Ｍ５に対する総利得
ここで、
Ｍ１は、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｂによって創出されるオンライン信号である。
Ｍ１０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｂによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｍ１に対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。例えば、４つの利得ステップの場合、総利得＝利得ステップ１×利得ステップ２×利得ステップ３×利得ステップ４
Ｍ２は、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０Ｃによって創出されるオンライン信号である。
Ｍ２０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｃによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｍ２に対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。
Ｍ３は、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｄによって創出されるオンライン信号である。
Ｍ３０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｄによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｍ３に対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。
Ｍ４は、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｅによって創出されるオンライン信号である。
Ｍ４０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｅによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｍ４に対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。
Ｍ５は、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｆによって創出されるオンライン信号である。
Ｍ５０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ｆによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｍ５に対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。
Ｒは、チョッパー５２がスロット２８ａに挿入されておらず、標準化用シャッター７２がスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ａによって創出されるオンライン信号である。
Ｒ０は、測定装置１０の、標準化操作を除く、オンライン作動中、チョッパー５２及び標準化用シャッター７２がそれぞれスロット２８ａ及びスロット２８ｄに挿入されているときに、検出器素子９０ａによって創出されるチョッパー遮蔽信号である。
Ｒに対する総利得は、対応する可変利得チャンネルアンプのための、システムプロセッサ６０内の利得ステップ表に保存されている実際の利得ステップ値を取りだし、その利得ステップにそれより低いすべての利得ステップを乗じることによって算定される。
標準化修正測定比
下記は、標準化修正（修正された）測定比である。
標準化修正Ｍ１測定比 ＝生のＭ１比＊標準化Ｍ１比
標準化修正Ｍ２測定比 ＝生のＭ２比＊標準化Ｍ２比
標準化修正Ｍ３測定比 ＝生のＭ３比＊標準化Ｍ３比
標準化修正Ｍ４測定比 ＝生のＭ４比＊標準化Ｍ４比
標準化修正Ｍ５測定比 ＝生のＭ５比＊標準化Ｍ５比
内標準Ｍｘ比定数の導出：
以下の計算は、センサーがその製造中初期校正されるときにのみ実施される。
センサーがその製造中初期校正されるとき、サンプル又は「黄金標準」が測定され、その黄金標準が、製造部門に残される。黄金標準は、まず最初に、対応する内Ｍ１標準、内Ｍ２標準、内Ｍ３標準、内Ｍ４標準及び内Ｍ５標準＝１と設定して標準化Ｍ１比、標準化Ｍ２比、標準化Ｍ３比、標準化Ｍ４比及び標準化Ｍ５比を算定するために測定される。次いで、これらの値が、やはり製造中に黄金標準に基づいて決定された収集された生のＭ１比、生のＭ２比、生のＭ３比、生のＭ４比及び生のＭ５比と組み合わせて用いられ、標準化修正Ｍ１比、標準化修正Ｍ２比、標準化修正Ｍ３比、標準化修正Ｍ４比及び標準化修正Ｍ５比の値を算出する。次いで、製造中に、黄金標準に基づいて算出された上記各標準化修正Ｘ比の値が、それぞれ、標準化修正Ｍ１比黄金標準、標準化修正Ｍ２比黄金標準、標準化修正Ｍ３比黄金標準、標準化修正Ｍ４比黄金標準及び標準化修正Ｍ５比黄金標準として定義される。
製造後にセンサーの光学系の何らかの主要部分が修理された場合には、黄金標準にまで追跡できる反射率特性を有する第二サンプルを用いて上述したプロセスが現場で反復される。そしてそれらの値から、以下の方程式を用いて内Ｍ１標準、内Ｍ２標準、内Ｍ３標準、内Ｍ４標準及び内Ｍ５標準が算定される。
１
内Ｍ１標準 ＝標準化修正Ｍ１比黄金標準

１
内Ｍ２標準 ＝標準化修正Ｍ２比黄金標準

１
内Ｍ３標準 ＝標準化修正Ｍ３比黄金標準

１
内Ｍ４標準 ＝標準化修正Ｍ４比黄金標準

１
内Ｍ５標準 ＝標準化修正Ｍ５比黄金標準
なお、検出器素子９０ａ〜９０ｆによって発せられたオンライン測定信号を修正するために用いられる「暗状態」値は、Ｍ１０、Ｍ２０、Ｍ３０、Ｍ４０及びＭ５０を介して生のＭ１比、生のＭ２比、生のＭ３比、生のＭ４比及び生のＭ５比を算出する際に考慮に入れられる。
標準化修正Ｍ１比、標準化修正Ｍ２比、標準化修正Ｍ３比、標準化修正Ｍ４比及び標準化修正Ｍ５比の各々は、上述した、ウエブ１００から反射された２つの波長の赤外線光に比であり、この比は、測定すべきウエブ１００内又はウエブ上の１つの特性／特徴の区域重量と相互に関連づけられる。システムプロセッサ６０は、ウエブ１００の繊維含量、含水量、及び、ラテックス、クレー、炭酸カルシウム及びプラスチック等のコーチング材などのいろいろな特性／特徴を測定するために、上記標準化修正Ｍ１比、標準化修正Ｍ２比、標準化修正Ｍ３比、標準化修正Ｍ４比及び標準化修正Ｍ５比を当業者には周知の主成分分析アルゴリズムへの入力として用いる。
図５の実施例では、例えば移動するウエブ１００の両面に被覆されているコーチング又はウエブ１００の両面上の表面水分を測定するために、ウエブ１００の両面に第１測定装置２０２と第２測定装置２０４が配置されている。第１，第２及び第３光ファイバー構造体１１０，８０，１４０は、各測定装置２０２，２０４の一部を構成しているが、図５に示されていない。測定装置２０２と２０４は、図１〜４に示された装置１０と基本的に同様の態様に構成され、それらの装置によって創生される光のスポットＳがノイズを発生したり、互いに干渉することがないように配置される。
図１は、本発明のに従って構成された赤外線測定装置の透視図である。 図２は、図１に示された赤外線測定装置の、光ファイバー装置を貫通する線２−２に沿ってみた断面図である。 図３は、図１の線３−３に沿ってみた断面図である。 図３Ａは、１個の検出器素子とその対応する帯域フィルターの断面図である。 図４は、図１の赤外線測定装置の光ファイバー装置の概略図である。 図５は、本発明の２つの赤外線測定装置から成るシステムの断面図である。
符号の説明
１０ 測定装置、測定装置システム
１２ ベースプレート
１２ａ フェースプレート
１２ｂ 開口
１２ｃ 上面
２０ 照射ユニット
２２ 光源
２４ 反射器
２６ ランプ
２７ 光源強度コントローラ
２８ａ スロット
２８ｂ 主照射開口
２８ｃ 内孔
２８ｄ スロット
２８ 照射ユニット支持体
３０ 光ファイバー装置
３２ 光ファイバー装置ハウジング
３２ａ 側壁
３２ｂ 側壁
３２ｃ 前壁
３２ｄ 後壁
３２ｅ 底壁
３２ｆ 上壁
３２ｇ 光ファイバー保持部材、円筒形部材
３４ 光ファイバー光源側フェルール
３４ａ 縁
３６ 標準化用フェルール
４０ 検出装置
４２ 検出装置ハウジング
４４ａ〜４４ｆ 検出器フェルール
５０ チョッパー機構
５２ チョッパー
５４ チョッパーステップモータ
５６ チョッパーコントローラ
６０ システムプロセッサ
７０ 標準化用シャッター機構
７２ シャッター
７４ シャッターソレノイド
７６ コントローラ
８０ 光ファイバー構造体
８２ 光ファイバー
８４ 入力端
８６ 出力端
８６ａ 分割束
９０ａ〜９０ｆ 検出器素子、検出器
９０ａ 検出器素子
９０ｂ 検出器素子
９０ａ 検出器素子
９０ｂ 検出器素子
９０ａ 検出器素子
９０ｂ 検出器素子
９２ 可視光検出器
９２ａ 光管
９４ 検出器回路基板
１００ 材料ウエブ
１００ａ 表面
１１０ 光ファイバー構造体
１１０ａ〜１１０ｆ フィルター
１１２ 光ファイバー
１１２ 光ファイバー
１１２ａ〜１１２ｆ 集光器
１１４ 入力端
１１６ 出力端
１４０ 光ファイバー構造体
１４２ 光ファイバー
１４４ 入力端
１４６ 出力端
１４６ａ 分割束
２０２，２０４ 測定装置
Ｓ 光のスポット

Claims (26)

  1. 電磁放射線源（２２）を含む照射ユニット（２０）と、
    光ファイバー装置（３０）と、
    検出装置（４０）とから成る測定装置であって、
    前記光ファイバー装置は、前記放射線源から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための入力端（１１４）と、該受け取った放射線を材料ウエブ（１００）へ差し向けるための出力端（１１６）を有する第１光ファイバー構造体（１１０）と、該材料ウエブから反射された放射線を受け取るための入力端（８４）と、該反射放射線を前記検出装置へ差し向けるための出力端（８６）を有する第２光ファイバー構造体（８０）を含み、
    前記検出装置は、第１波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第１出力信号を発生するための第１検出器（９０）と、第２波長帯域の電磁放射線を検出して、前記材料ウエブの測定すべき第１特性を表示する対応する第２出力信号を発生するための第２検出器（９０）から成ることを特徴とする測定装置。
  2. 前記第１光ファイバー構造体（１１０）は、各々前記射線源（２２）から放出された電磁放射線の前記部分を受け取るための第１入力端（１１４）と、各々該受け取った放射線を前記材料ウエブ（１００）上へ差し向けるための第１出力端（１１６）を有する第１光ファイバー（１１２）の束から成り、前記第２光ファイバー構造体（８０）は、各々前記材料ウエブ（１００）から反射された放射線を受け取るための第２入力端（８４）と、各々該反射放射線を前記検出装置（４０）へ差し向けるための第２出力端（８６）を有する第２光ファイバー（８２）の束から成り、前記第１出力端は、前記第２入力端とランダムに混ぜ合わされている請求項１に記載の測定装置。
  3. 前記第１波長帯域の電磁放射線は、第１赤外線波長帯域の電磁放射線であり、前記第２波長帯域の電磁放射線は、第２赤外線波長帯域の電磁放射線であり、前記第１出力信号は、基準信号を構成し、前記材料ウエブ（１００）の前記第１特性を判定するために前記第２出力信号がプロセッサ（６０）を介して前記第１出力信号と比較される請求項２に記載の測定装置。
  4. 前記検出装置（４０）は、更に、
    前記材料ウエブ（１００）の第２特性を測定するために、第３赤外線波長帯域の電磁放射線を検出し、プロセッサ（６０）を介して前記第１出力信号と比較するべく、該材料ウエブ（１００）の測定すべき第２特性を表示する対応する第３出力信号を発生するための第３検出器（９０）と、
    前記材料ウエブ（１００）の第３特性を測定するために、第４赤外線波長帯域の電磁放射線を検出し、プロセッサを介して前記第１出力信号と比較するべく、該材料ウエブ（１００）の測定すべき第３特性を表示する対応する第４出力信号を発生するための第４検出器（９０）と、
    前記材料ウエブ（１００）の第４特性を測定するために、第５赤外線波長帯域の電磁放射線を検出し、プロセッサを介して前記第１出力信号と比較するべく、該材料ウエブ（１００）の測定すべき第４特性を表示する対応する第５出力信号を発生するための第５検出器（９０）と、
    前記材料ウエブ（１００）の第５特性を測定するために、第６赤外線波長帯域の電磁放射線を検出し、プロセッサを介して前記第１出力信号と比較するべく、該材料ウエブ（１００）の測定すべき第５特性を表示する対応する第６出力信号を発生するための第６検出器（９０）を含む請求項３に記載の測定装置。
  5. 前記光ファイバーの前記第１出力端（１１６）と第２入力端（８４）は、該第２入力端が前記材料ウエブ（１００）から反射された実質的に拡散電磁放射線だけを受け取るように、該材料ウエブ（１００）に対して約３０°から約６０°までの角度で位置づけされている請求項２に記載の測定装置。
  6. 前記第１光ファイバー（１１２）は、それらの第１入力端（１１４）と第１出力端（１１６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されており、前記第２光ファイバー（８２）も、それらの第２入力端（８４）と第２出力端（８６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されている請求項２に記載の測定装置。
  7. 前記第２光ファイバー（８２）は、すべて実質的に同じ長さである請求項２に記載の測定装置。
  8. 前記照射ユニット（２０）は、更に、電磁射線源（２２）を結合するための支持体（２８）を含む請求項１に記載の測定装置。
  9. チョッパー素子（５２）を含むチョッパー機構（５０）を備えており、前記照射ユニット（２０）の支持体（２８）は、前記電磁射線源（２２）によって発せられた光が該支持体（２８）に形成された主照射開口（２８ｂ）を介して前記第１光ファイバー構造体（１１０）の入力端（１１４）へ通るのを防止するように前記チョッパー素子を挿入することができる第１スロット（２８ａ）を有する請求項８に記載の測定装置。
  10. シャッター（７２）を含む標準化機構（７０）を備えており、前記照射ユニットの支持体（２８）は、前記電磁射線源（２２）によって発せられた光が（２８ｃ）開口を介して第３光ファイバー構造体（１４０）の入力端へ通るのを防止するように前記シャッターを通すことができる第２スロット（２８ｄ）を有する請求項９に記載の測定装置。
  11. 前記第３光ファイバー構造体（１４０）は、前記シャッター（７２）が前記第２スロット（２８ｄ）に挿入されていないとき、各々前記電磁射線源（２２）から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための第３入力端（１４４）と、各々該受け取った光を前記検出装置（４０）へ差し向けるための第３出力端（１４６）を有する第３光ファイバー（１４２）の束から成る請求項１０に記載の測定装置。
  12. 前記光ファイバー装置（３０）は、更に、前記第１及び第２光ファイバー構造体（１１０，８０）の少くとも一部分を収容する光ファイバーハウジング（３２）を備えている請求項１に記載の測定装置。
  13. 電磁射線源（２２）を含む照射ユニット（２０）と、
    電磁放射線ガイド装置（３０）と、
    検出装置（４０）と、
    プロセッサ（６０）から成る測定装置であって、
    前記電磁放射線ガイド装置は、前記射線源（２２）から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための入力端（１１４）と、該受け取った放射線を材料ウエブ（１００）上へ差し向けるための出力端（１１６）を有する第１放射線ガイド構造体（１１０）と、該材料ウエブ（１００）から反射された放射線を受け取るための入力端（８４）と、該反射放射線を前記検出装置（４０）へ差し向けるための出力端（８６）を有する第２放射線ガイド構造体（８０）を含み、
    前記検出装置（４０）は、第１波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第１出力信号を発生するための第１検出器（９０）と、第２波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第２出力信号を発生するための第２検出器（９０）から成り、
    前記プロセッサ（６０）は、前記第１出力信号と第２出力信号を受け取り、それらの出力信号を用いて材料ウエブ（１００）の１つの特性を判定することを特徴とする測定装置システム。
  14. 前記第１放射線ガイド構造体（１１０）は、各々前記射線源（２２）から放出された電磁放射線の前記部分を受け取るための第１入力端（１１４）と、各々該受け取った放射線を材料ウエブ（１００）上へ差し向けるための第１出力端（１１６）を有する第１光ファイバー（１１２）の束から成り、前記第２放射線ガイド構造体（８０）は、各々材料ウエブ（１００）から反射された放射線を受け取るための第２入力端（８４）と、各々該反射放射線を前記検出装置（４０）へ差し向けるための第２出力端（８６）を有する第２光ファイバー（８２）の束から成り、これらの第１出力端は、該第２入力端とランダムに混ぜ合わされている請求項１３に記載の測定装置システム。
  15. 前記検出装置（４０）は、更に、第３波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第３出力信号を発生するための第３検出器（９０）と，第４波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第４出力信号を発生するための第４検出器（９０）と，第５波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第５出力信号を発生するための第５検出器（９０）と、第６波長帯域の電磁放射線を検出して、対応する第６出力信号を発生するための第６検出器（９０）を含む請求項１４に記載の測定装置システム。
  16. 前記第１出力信号は、基準信号を構成し、前記プロセッサ（６０）は、前記材料ウエブ（１００）の第１、第２、第３、第４及び第５特性を判定するために、前記第２、第３、第４、第５及び第６出力信号の大きさと、該第１出力信号の大きさを用いる請求項１５に記載の測定装置システム。
  17. 前記第１出力端（１１６）と第２入力端（８４）は、該第２入力端が前記材料ウエブ（１００）から反射された実質的に拡散放射線だけを受け取るように、該材料ウエブに対して約３０°から約６０°までの角度で位置づけされている請求項１４に記載の測定装置システム。
  18. 前記第１光ファイバー（１１２）は、それらの第１入力端（１１４）と第１出力端（１１６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されており、前記第２光ファイバー（８２）も、それらの第２入力端（８４）と第２出力端（８６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されている請求項１７に記載の測定装置システム。
  19. 前記電磁射線源（２２）によって発せられた電磁放射線が前記照射ユニットの支持体（２８）に形成された主照射開口（２８ｂ）を通って前記第１放射線ガイド構造体（１１０）の前記入力端（１１４）に入るのを阻止するために該支持体（２８）に設けられたスロット（２８ａ）内で移動するチョッパー（５２）を含むチョッパー機構（５０）を備えている請求項１３に記載の測定装置システム。
  20. シャッター（７２）を含む標準化機構（７０）を備えており、前記照射ユニットの支持体（２８）は、前記電磁射線源（２２）によって発せられた電磁放射線が開口（２８ｃ）を通って第３放射線ガイド構造体の入力端に入るのを阻止するために、該シャッター（７２）を通す第２スロット（２８ｄ）を有する請求項１９に記載の測定装置システム。
  21. 前記第３放射線ガイド構造体（１４０）は、前記シャッター（７２）が前記第２スロット（２８ｄ）に挿入されていないとき、各々前記電磁射線源（２２）から放出された電磁放射線の少くとも一部分を受け取るための第３入力端（１４４）と、各々該受け取った光を前記検出装置（４０）へ差し向けるための第３出力端（１４６）を有する第３光ファイバー（１４２）の束から成る請求項２０に記載の測定装置システム。
  22. 電磁射線源を材料ウエブ（１００）へ差し向け、該材料ウエブ（１００）から後方散乱された放射線を受け取るための光学システムであって、
    各々電磁放射線を受け取るための第１入力端（１１４）と、各々該受け取った電磁放射線を材料ウエブ（１００）へ差し向けるための第１出力端（１１６）を有する第１光ファイバー（１１２）の束と、
    各々材料ウエブ（１００）から後方散乱された電磁放射線を受け取るための第２入力端（８４）と、各々該ウエブ（１００）から受け取った後方散乱放射線を少くとも１つの電磁放射線出力ポート(４４）へ差し向けるための第２出力端（８６）を有する第２光ファイバー（８２）の束から成り、これらの第１出力端（１１６）は、第２入力端（８４）とランダムに混ぜ合わされていることを特徴とする光学システム。
  23. 前記第１出力端（１１６）と第２入力端（８４）は、該第２入力端が前記材料ウエブ（１００）から反射された実質的に拡散磁放射線だけを受け取るように、該材料ウエブに対して約３０°から約６０°までの角度で位置づけされている請求項２２に記載の光学システム。
  24. 前記第１光ファイバー（１１２）は、それらの第１入力端（１１４）と第１出力端（１１６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されており、前記第２光ファイバー（８２）も、それらの第２入力端（８４）と第２出力端（８６）がランダムに位置づけされるようにランダムに引き回されている請求項２３に記載の光学システム。
  25. 前記第２光ファイバー（８２）は、すべて実質的に同じ長さである請求項２４に記載の光学システム。
  26. 各々放射線を受け取るための第３入力端（１４４）と、各々該受け取った放射線を前記少くとも１つの電磁放射線出力ポート(４４）へ差し向けるため第３出力端（１４６）を有する第３光ファイバー（１４２）の束を含む請求項２２に記載の光学システム。
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