JP2009506322A - 移動するシートのクレープを測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

移動するシート上のクレープパターンを直接測定する画像に基づく測定技術は、照明、光学素子、及び撮像装置の好適な配列を使用することでシート表面のデジタル画像を得る。この画像の解像度は、クレープのスケールにおいてティッシュのクレープ折り目を示すのに十分な解像度である。画像の一部又はすべてをスペクトル解析することで、クレープ折り畳みピッチが求められる。場合により画像をさらに解析することによって、クレープ折り目の配向角分布、及び折り目の直線長さの分布などの他のクレープ構造パラメータが求められる。クレープ構造の変化に応じて、修正措置を行うことができる。クレープのピッチは、クレープパターンを表す主要パラメータであり、さらに、勾配演算子を使用して画像を解析することによって、クレープ折り目の配向、フード側のクレープ溝の角度分布、又は同様にシリンダ側のクレープ継ぎ目の角度分布に関する情報を得ることができる。

Description

本発明は、ウェブ上の空間的構造特性を測定する技術に関し、特に、オンライン画像解析による紙の上のクレープ構造の画像に基づく測定に関する。

連続製紙装置上での製紙においては、移動するメッシュ、製紙用ファブリック、又はワイヤの上で繊維の水性懸濁液（製紙原料）から紙のウェブが形成され、重力と吸引とによって、ファブリックから脱水される。次に、このウェブはプレスセクションに移動して、圧力及び真空によってさらに脱水される。次に、このウェブは、ドライヤセクションに入り、蒸気加熱ドライヤ及び熱風によって乾燥プロセスが完了する。製紙装置は、基本的には脱水システムである。製紙装置の典型的な形成セクションの１つは、移動するエンドレスの製紙用ファブリック又はワイヤを含み、これはテーブルロール、フォイル、バキュームフォイル、及び吸引ボックスなどの一連の排水要素の上を移動する。上記製紙原料は、製紙用ファブリックの上面上で移動し、この製紙用原料が連続した脱水要素上を移動するときに脱水されて、紙シートが形成される。最後に、この濡れたシートは、製紙装置のプレスセクションに移動して、紙シートを形成するのに十分な脱水が行われる。

ティッシュの製造においては、エンドレスの製紙用ファブリックが、回転するヤンキードライヤシリンダ上まで運ばれ、そこで、蒸気によって内部から加熱されてウェブが乾燥される。このヤンキードライヤの上のフードには、燃焼排ガスを含むことが多い加熱ガスが供給され、これによってウェブが乾燥されて、ウェブから蒸発した水分が除去される。乾燥したウェブは、機械の幅にわたって延在するドクタブレードによってヤンキーシリンダから取り外される。この操作によって、ウェブの機械方向にクレープ、すなわち皺が形成され、それによって微小な折り目が形成され、その折り曲げ軸は機械軸に対して実質的に直交している。このクレープ形成によって、ウェブ全体にわたって延在する１つの折り目が形成されるというよりも、むしろ、機械全体にわたって数ミリメートルからセンチメートルの距離でそれぞれ延在して絡み合って非常に細長い分岐した折り目の外見上不規則なパターンが形成され、通常数百ミクロンの折り畳みピッチで分布する。フード側では、この折り畳みによって、なだらかな起伏で溝が形成された外観がティッシュ表面に得られ、シリンダ側では、この折り畳みは、狭い継ぎ目が交差した起伏の低い平滑な表面に類似する傾向にある。クレープが形成されたティッシュは次に、他の装置との接触を最小限にしながら、巻き取り装置まで運ばれる。この運搬によって加えられる機械的及び空気力学的な力によって、通常、クレープの折り畳みが部分的に広がることでティッシュが引き伸ばされて、巻き取り機におけるクレープピッチは通常３００〜９００ミクロンとなる。明らかなように、ティッシュの品質は、部分的には、ティッシュマシンにおけるクレープ形成によって決定される。

図１は、市販の１層（プライ）のティッシュのフード表面の画像であり、溝によって分離された隆起部分の網目構造を示している。クレープピッチすなわちクレープのスケールの指標の１つは、機械方向と平行に示されている線Ｈなどの直線経路に沿った単位長さ当たりの隆起部分又は溝の数によって決定することである。Ａ、Ｆ、及びＧなどのほとんどの隆起部分、ならびに溝は、ほとんど直線状である。Ｂ、Ｃ、及びＥなどの種々の接合部において分岐が発生し、そのため一群の隆起部分又は溝が結合することができる。個別の隆起部分又は溝の長さ、幅、及び角度、あるいは連続した隆起部分又は連続した溝部分は、ある値の範囲にわたって分布している。

クレープパターン、特にクレープの折り目又は継ぎ目のピッチは、ティッシュの製品品質の重要な指標の１つである。クレープ構造は、ティッシュの嵩、柔軟性、及び吸収性の特性と関係があり、これらは、ある目的に対するその有用性、及びティッシュ製品に対する顧客の満足度に大きな影響を与える。クレープパターンも、ティッシュ製造装置の重要な工程品質の指標の１つである。局所的又はシート全体のいずれかにおいてクレープパターンがずれした場合、それは、ドクタブレードの過度の摩耗、又はヤンキーシリンダへの添加剤の不規則な流動などの一連の工程上の問題を示している場合がある。

クレープ構造又はクレープ構造の変化に関する適時の情報があれば、そのプロセスを即座に調整することができ、それによって常に許容できる製品が製造される。このような調整としては、ドクタブレードの角度又は圧力の変更、あるいはヤンキーシリンダ表面に連続的に適用される水、接着剤、及びその他の物質の量及び相対比率又は空間分布の変更を挙げることができる。さらに、クレープ構造を知ることで、製造の中断が必要となる費用のかかる作業であるドクタブレードの取り替えの最適な計画が可能となる。

チェース（Ｃｈａｓｅ）らに付与された米国特許第５６５４７９９号には、移動する紙などのシートの平滑性の非常に高速な測定を行う装置が開示されており、この特許は、オンラインレーザの三角測量による位置感知システムを使用する装置を使用することで、ティッシュのクレープ波長を推定できると開示している。しかし、この動作方式では、この装置は、検出を行う位置の非常に近くでシート安定化装置によって非常に狭い面にティッシュの経路を制限する必要があり、このことが非常に問題となる。ウェブ経路を厳格に制限するためには、大きなウェブ張力又は他の直接的機械力、あるいは間接的に張力を発生させる強制渦又はブローボックスなどの実質的に空気力学的な要素のいずれかが必要となる。これらの方法のいずれにおいても、ほとんどのグレードのティッシュは強靱ではなく、クレープの折り畳みはごく弱く結合しているだけなので、作用する力によって、クレープがなくなったり、又はさらにはウェブが破壊されたりすることが起こりやすくなる。さらに、作用する力によってウェブ速度が非線形的に増加し、そのため、現在のティッシュマシンの高速動作においては問題が悪化する。さらに、機械的問題が克服できたとしても、表面粗さからのクレープ測定は、ヤンキーシリンダから離れた側のティッシュ表面であるウェブのフード側でのみ有用となる。その理由は、クレープ形成工程は非対象となり、それにより、フード側では曲面の折り目が形成され、シリンダ側ではより平滑な表面中に継ぎ目が形成されてしまう。

プアデヒミ（Ｐｏｕｒｄｅｙｈｉｍｉ）による米国特許出願２００５／０００４９５６号には、照明された表面のデジタル画像を解析することによって、試料の表面の特徴及び欠陥が推定されるという表面テクスチャーの評価方法が開示されている。特に、この技術は、カーペットの繊維配向分布及び坪量の不均一性（染み）などの選択された表面の特性及び物理的光学的特性の検出に関する。この出願には、紙の構造も評価できると補足的に記載されているが、この文献には、それを実施するための詳細は記載されていない。さらに、この出願は、配向分布の定量化に二次元フーリエ解析の使用についてのみ開示しているが、後述するように本発明では、非スペクトル方法によってクレープ折り畳みの配向の解析を行っている。

現在のところ、完成したリールから試料を取り出して実験室で分析できるようになるまでに、クレープ構造の測定を行う方法は知られていない。このため、製品品質の乱れ又はプロセス欠陥の発生と、その検出との間に遅れが生じる。そのため是正措置が遅れ、及び大量の許容されないティッシュが製造されてしまう。当産業においては、製造品質を維持し、製造方法の乱れから不良品とする必要がある製品数を最小限にすることを目標としたオンラインクレープ構造測定技術が必要とされている。

本発明は、部分的には、不織材料を通常含む移動するウェブ上のクレープパターンの配向を直接測定する、画像に基づいた測定技術の開発に基づいている。この技術は、紙などのウェブのより広い領域を測定することができるため、より代表的なウェブの測定値が得られる。本発明は、製造作業中のティッシュのクレープ構造の測定に特に適している。照明、光学素子、及び撮像装置の好適な配列によって、ティッシュ表面の画像が取得される。この画像の解像度は、クレープの尺度でティッシュのクレープの折り畳みを示すのに十分な解像度である。画像の一部又はすべてのスペクトル解析によって、クレープ折り畳みピッチが求められる。場合により、画像をさらに解析することによって、クレープ折り目の配向角の分布、及び折り目の直線長さの分布などの他のクレープ構造パラメータが求められる。したがって、クレープ構造の変化を迅速に検出することができ、修正措置を適時行うことができる。修正措置としては、（ｉ）ドクタブレードの取り替え、（ｉｉ）ドクタブレード角度の調整、及び（ｉｉｉ）ヤンキー表面への添加剤の適用の調整を挙げることができる。一部の修正措置は、クレープ測定を入力とする好適な制御システムによって行うことができる。本発明は、従来技術の欠点を解消して、移動するティッシュウェブのクレープピッチ及びその他のクレープパターンパラメータを測定するための解決方法を提供する。

一実施形態においては、本発明は、移動するシートのクレープパターンを測定する方法であって、
（ａ）シートの少なくとも１つの面上の領域を照明するステップと、
（ｂ）照明された領域の少なくとも１つのデジタル画像を取得するステップと、
（ｃ）少なくとも１つのデジタル画像を処理することによってウェブのクレープパターンを計算するステップとを含む方法に関する。

別の実施形態においては、本発明は、移動するシートのクレープパターンを測定するためのセンサーシステムであって、
移動するシート上の照明された領域の少なくとも１つのデジタル画像を取得するための画像取得手段と、
少なくとも１つのデジタル画像を処理することによってシートのクレープパターンを計算するための制御手段とを含むセンサーシステムに関する。

さらに別の実施形態においては、本発明は、移動するシートのクレープパターンを測定する方法であって、
（ａ）シートの少なくとも１つの面上の領域を照明するステップと、
（ｂ）照明された領域の少なくとも１つのデジタル画像を取得するステップと、
（ｃ）少なくとも１つのデジタル画像を勾配演算子で処理することによって、シートのクレープ折り畳みを計算するステップとを含む方法に関する。

本発明の装置を使用した操作中、レンズ及びカメラによって得られた画像から、シート１００ミクロン未満に相当するピクセルスケールを有する画像が得られ、その画像収集中にシートがその半分未満の距離を移動する場合、その画像はクレープ構造のスケールでの特徴を表している。このように形成された画像は、クレープ構造の測定を行うための数種類の方法のいずれかによって、解析することができる。

たとえば、画像の１つ以上の区画スペクトル分解が行われ、これらの区画は機械軸、すなわちウェブの移動方向と実質的に合わされるが、その方向の画像の全幅で解析を行う必要はない。画像のこのような各区画は、１ラインのピクセルであってもよいし、複数ラインのピクセルの平均又は重み付けされた組み合わせであってもよい。複数ラインのピクセルが平均又は合成される場合、それらが互いに隣接している必要はないが、それらが隣接し連続したピクセルライン群を形成していると好都合である。

画像の区画のスペクトル分解は、フーリエ変換によって、あるいは連続又は離散ウェーブレット変換によって行われることが好ましい、というのもこれらで数値的には十分であるからである。フーリエ法では、周期構造の波長に関するスペクトルで表され、一方ウェーブレット法では、非周期的なスケールに関するスペクトルで表される。しかし、ハートレー（Ｈａｒｔｌｅｙ）変換又はウィグナ−ビレ（Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ）変換などの他のスペクトル分解を使用することもできる。これらのスペクトル分解技術、ならびにスペクトルの規格化又は統計的信頼区間の評価などのそれらのインプリメンテーションは、信号処理及び画像処理の分野においては標準的な方法である。このようにして得られたスペクトルは、スペクトル解析に使用される波長又はスケールにおける振幅又はスペクトルエネルギーを示す一連の因子を含んでいる。

クレープの十分な解析は広範囲のウェーブレットファミリのいずれかによって実施することができるが、ウェーブレットに基づくスペクトル解析において、正則性が高いコンパクトなウェーブレットを使用すると好都合である。コンパクト性が不十分であると、計算量が増加し、望ましくないエッジ効果がさらにスペクトル内まで伝わり、正則性が不十分であると、その周波数領域における局在化が不十分になる。別の望ましい性質は、対称又は反対称などの単純対称であり、それによって非熟練者でも容易に判断できるスペクトルが得られる。したがって、好適となる標準的なウェーブレットとしては、（ｉ）コンパクト性及び正則性は最大となるが非常に非対称である４次以上のドブシー（Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ）ウェーブレット、（ｉｉ）高いコンパクト性及び正則性が得られほぼ対称であるコイフレット（Ｃｏｉｆｌｅｔ）ウェーブレット、及び（ｉｉｉ）十分なコンパクト性及び正則性が得られ単純対称特性を有する双直交ウェーブレットが挙げられる。

離散メイエ（Ｍｅｙｅｒ）ウェーブレットなどの特にコンパクトではないが十分な正則性を有するウェーブレットを使用することも可能である。しかし、コンパクトな正則ウェーブレットを使用して得られる結果と同等の結果を得るためには、解析においてより多数のピクセル、すなわちより大きな画像が必要となり、より多数の計算操作を行う必要があるため、その使用はあまり好都合ではない。

ウェーブレットリフティング又はその他の周知の設計方法を使用して、既知の関数から好適な性質の非標準ウェーブレットを導出することができる。たとえば、この方法で整数係数のみを有するウェーブレット関数を生成することができ、それによって、整数値の画像ピクセルデータに使用すると計算の経済性及び速度が増大する。

ウィグナ−ビレ（Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ）変換を使用するスペクトル解析、すなわち、データのウィグナ（Ｗｉｇｎｅｒ）分布を形成するスペクトル解析は、ウェーブレット法と同様にスペクトルが適所に局在化されるが、各位置におけるスペクトル係数は、フーリエスペクトルの場合と同様に空間周波数として直接解釈することができるというさらなる利点が得られる。したがって、ウィグナ（Ｗｉｇｎｅｒ）分布は、データ中の各位置の瞬時のスペクトルを含み、フーリエ法とウェーブレット法との両方の長所を併せ持つ。この利点は、フーリエスペクトル解析又はウェーブレットスペクトル解析に必要な計算量をはるかに超えるさらなる計算を行うことで実現される。

明らかなように、ごくわずかの距離だけ離れた複数の区画についてスペクトル分解が得られる場合、それらのスペクトルを合成して、いずれか１つの区画のスペクトルよりも広い領域を表す複合体を形成することができる。一般に、この結果は、複数の区画のすべてを組み合わせ、それより１つのスペクトルを計算することによって得られるスペクトルとは異なる。同様に、このスペクトルの合成は、同じ画像のすべてではない区画からのスペクトルを使用して行うことができる。したがって、これらのスペクトルは、（ｉ）異なる時間における実質的に同じ位置の画像からのデータを組み合わせることによってより長い時間スケールを表すことができ、又は（ｉｉ）異なる位置の複数の画像からのデータを組み合わせることによってウェブのより広い領域を表すこともできる。

望ましい時間間隔にわたってウェブの選択された領域を表す好適なスペクトルが得られると、クレープピッチ及びその他のパラメータを推測することができる。そのスペクトル中の各ピーク又は極大値は、ウェブ画像中の顕著な波長又は特徴のスケールに対応している。スペクトル強度は照明と表面形状とによって決定されるため、大部分のスペクトルの特徴はウェブ上の表面特徴に対応するが、一部の長い波すなわちロングスケールのスペクトルの特徴は、照明の不規則性、又は移動するティッシュの経路のずれに対応している場合がある。したがって、クレープ構造と関係ないことが分かっている特徴又はスペクトル帯を排除することなどによって、後の処理の前にスペクトルを前処理したり、又は減少させたりすると好都合である。クレープ形成後のティッシュ上の主な表面特徴は、フード側又はシリンダ側のいずれから観察しようとも、クレープ自体である。その結果が、スペクトル中のある範囲内の顕著な波長又はスケールとなって現れ、クレープピッチ又はクレープスケールは、このようなスペクトルの特徴の波長又はスケールから直接推測することができる。

予測される波長又はスケールの中又はその近傍に顕著なスペクトルピークがないことは、クレープ形成プロセスが大きく間違っていることを示している。同様に、波長又はスケールの変化は、許容範囲内にあるかどうかに依存して修正措置が必要となりうるプロセスの変化を示している。スペクトルピークの顕著さの程度は、ウェブ表面上に見ることができる折り目又は継ぎ目の深さと関係があるので、クレープ形成プロセスの状態、及びクレープが形成されたティッシュの品質の有用な指標となる。

クレープのピッチは、クレープパターンを表すための主要パラメータであるが、本発明は、クレープパターンをさらに特性決定するための技術も提供する。特に、これらの技術は、フード側のクレープの溝の角度の分布の測定、又は同様にシリンダ側のクレープの継ぎ目の角度の分布の測定に使用することができる。使用される画像スケールによって、特徴のスケールが決定され、それらの配向はディファインテグラル（ｄｉｆｆｅｒｉｎｔｅｇｒａｌ）演算子によって測定される。

同様に、機械軸に直交する、すなわちウェブ移動方向に直交する区画のスペクトル解析を行うことによって、機械横断方向におけるクレープの折り畳み長さの分布を特徴付けることができる。これは、フード側の溝の長さの分布、及びシリンダ側の継ぎ目の長さの分布の両方の対応している。この測定は、特徴の起伏が大きいためフード側で行うことが好ましく、さらに、溝は継ぎ目よりも幅広であるため、フード側での測定がより良好となる。

本発明の別の態様においては、画像に基づく測定技術を使用して、デジタル画像中の複数の位置における少なくとも２つの好ましくは直交する軸において勾配型演算子を使用してデジタル画像を解析することによって、クレープ折り目配向を評価することができる。

本発明は、移動するシート又はティッシュなどのウェブ製品の表面上のクレープパターン、並びに、関連する構造又は特徴を製造作業中に直接測定するための方法及び装置に関する。図２は、典型的なティッシュクレープ形成プロセスを示しており、クレープが形成されていないシート１０６が、連続フェルトライン１０８によって、回転するヤンキー乾燥シリンダ１００の表面まで運ばれている。ドライヤフード１０２は、シートの上面、すなわちフード側表面に向けて熱を加えている。スプレーブーム１０４から接着材料をシリンダ表面に加えることによって、シート１０６のシリンダへの接着が促進される。シートがドクタブレード１１４によってシリンダ表面からこすり取られるときに、クレープ形成済みシート１１０となる。クリーニングブレード１１６は、過剰の材料を表面から除去する。クレープ形成済みシート１１０のクレープパターンは、ヤンキーシリンダ１００とリール１１２との間に本発明の測定装置を配置することによって監視することができる。クレープ形成済みシート１１０上のクレープパターンは、スプレーされる接着剤の量を制御することによって、及び／又はドクタブレードの先端がシリンダ表面と成す角度を制御することによっても、ある程度制御することができる。

説明の目的で、クレープ形成済みシート１１０の断面構造を強調している。明らかなように、クレープ形成済みシートは、少なくとも２つの厚さによって画定することができ；その第１の厚さは、シート自体の真の本来の厚さであり、クレープ形成の程度とは無関係にほぼ一定である。第２の厚さは、クレープ形成済みシートの隆起部分すなわち山の最上部と、溝すなわち谷の最低部との間の最大距離である。図２中の移動するクレープ形成済みシート１１０の面に対する垂直距離として示される後者の厚さすなわち測定値は、一般にキャリパーと呼ばれている。クレープ形成済みシートは、ドクタブレード１１４によって形成された波形の折り目パターンを有する。各折り目の軸は、クレープ形成済みシートが移動する機械方向をほぼ横断する方向である。折り目のピッチ、すなわち折り畳みピッチは、波形パターン上の２つの対応する箇所の間の距離として定義される。通常、ピッチは、パターン中の２つの隣接する山すなわち隆起部分の間の水平経路に沿って測定される。本発明の場合、ＣＤ、ＭＤ、あるいはＣＤ及びＭＤの両方において移動するクレープ形成済みシートの複数の領域における測定を統合することによって、（ｉ）平均折り畳みピッチ、（ｉｉ）折り畳みピッチの分布、（ｉｉｉ）平均折り畳み長さ、（ｉｖ）折り畳み長さの分布、（ｉｖ）折り畳み角度の分布、及び（ｖ）その他の関連する特徴などの複合的なクレープパターン情報を把握することができる。

図示されるように、画像を停止させるために５００ナノ秒の照明パルスを使用し、７５ミクロンの画像スケールを使用することによって、本発明は、最高約７５メートル／秒の速度で移動する移動シート上の通常範囲内のクレープピッチ、すなわち３００ミクロンを超えるクレープピッチを測定することができる。ヤンキーシリンダから下流ではティッシュは、現在の機械上では通常３５メートル／秒未満で移動する。

本明細書において使用され、特に明記されない限り、シート又はウェブという用語は一般に、クレープあり又はクレープなし、混合されたもの、多層すなわち２つ以上の層を有するもの、あるいは単層、ならびにマルチプライ又はシングルプライのあらゆる種類の紙のシート、たとえば、ティッシュ、フェイスタオル、浴室用、又はより大きな坪量の製品を意味する。同様に、本明細書において使用される場合、ティッシュという用語は、限定するものではないが、浴室用、又はトイレットペーパー及びティッシュペーパーなどの坪量が低く軟質で吸収性のあらゆる種類の紙シートを意味する。

図３に示されているように、移動するウェブ１０すなわち紙のシートのクレープパターンを測定する装置は、撮像装置１４及び環状光源１２を含み、これらはどちらもウェブ１０の上方に配置されている。通常、撮像装置１４は、カメラであり、画像領域１６から反射された光の焦点をカメラに合わせるレンズなどの適切な光学素子が取り付けられている。この反射方式の構成では、移動するウェブ１０の表面画像は、表面から反射した光から得られる。この反射による運転方式は、不透明材料の層を含むウェブ、あるいは光の透過を妨害する布（ファブリック）、ワイヤ、又はその他の構造によって下から支持されたウェブのクレープパターンの測定に特に適している。光源１２からの光は、ウェブ１０に向けられて表面上の領域を照明し、撮像装置１４は、照明された領域内にある画像領域１６からの画像を検出する。照明領域の大きさは重要ではないが、少なくとも約２５ｍｍ^２、通常１００ｍｍ^２〜１０００ｍｍ^２の大きさの領域１６を撮像装置１４が撮像するのに十分な大きさであることが好ましい。明らかなように、ウェブ上の画像領域１６が大きいほど、測定されるクレープパターンをより十分に表すことになる。

移動するウェブ１０中のクレープの特徴を識別するのに十分な画像スケールが得られるように、撮像装置１４及び光源１２が構成される。したがって、撮像装置１４として使用すると好適なカメラなどの画像検出器は、１つのクレープの特徴又は構造の典型的な幅の４分の１を超えないピクセルサイズを有するべきである。これは、適切なレンズを使用した場合、画像検出器中の１ピクセル当たり約７５〜１００ミクロンに相当する。

移動するウェブ１０が安定しており、撮像装置１４からレンズまでの距離が比較的一定の距離となり、ウェブ１０が適切に支持されている場合に使用可能であれば、従来のレンズをカメラに使用することができる。しかし、空気力学的作用によって、撮像装置１４に対して垂直の位置で、移動するウェブ１０の振動又はその他の移動が引き起される場合には、より広いフィールド（視野）深度が得られるテレセントリックレンズ系を使用することで、カメラに対してウェブ１０が振動しても画像サイズの変化が生じないようにすることができる。いずれにしても、本発明においては、移動するシートを非常に狭い経路に束縛するスタビライザは不要である。

図３に示されるように、光源１２が撮像装置１４と同じ側に配置されている場合、照明が撮像装置１４の光軸のまわりに対称であることが好ましい。たとえば、垂直に対して通常約３０°〜７５°の角度で、光源１２からウェブ１０への照明が指向性である環状の光源１２を使用することができる。この範囲外の角度を有する照明が得られる光源を使用することもできるが、各クレープパターンに対する重み付けの均一性が低い画像が得られる。あるいは、複数の角度の照明を有する複数の光ビームを発生させる光源を使用することもできる。本明細書においてより詳細に説明されるように、照明は、１つ以上の同心環中に分布した複数の光源の配列から得ることができ、それによって、その照明はそれらの共通の軸のまわりに実質的に対称になる。異なる光ビームを、同時又は逐次的のいずれかでウェブ１０に向けることができる。照明は、単色でも多色でもよいし、複数の照明角度の間で照明の性質が異なっていてもよい。放射線の波長は重要ではないが、紙上のクレープパターンを測定するためには紫外線、又は可視光、及び特に近赤外線が好ましい。

監視される材料のウェブが多量の水、あるいは、樹脂、填料、又はサイジング用デンプンなどの非繊維性材料を含有する場合、異なる波長範囲において撮像することで、繊維性材料と非繊維性材料との間での識別をより確実に行うことができる。本発明の装置は、広帯域赤外線を供給する石英タングステンハロゲン（ＱＴＨ）ランプなどの光源１２と、干渉型フィルタなどの狭帯域フィルタによって選択される対象波長を有する１つ以上の検出器とを含むことができる。画像は、たとえば、プリズム又は部分ミラーによって、照明された同じ領域の複数の画像に分離することによって得ることができる。特に、蛍光を使用すると好都合となる場合があり、それによって、画像を測定するための波長範囲が蛍光発光帯域内となり、その帯域内では照明は低強度であるが、蛍光励起帯域内では高強度となる。

上記の考え方は、（ｉ）繊維成分と非繊維成分との間の区別を容易にするため、（ｉｉ）表面の繊維と表面下の繊維との区別を容易にするため、又は（ｉｉｉ）検出器上に画像を形成する光の量を増加させるための数種類の目的のいずれかのために、一部の紙にすでに存在する蛍光剤を利用することである。測定を容易にするために蛍光剤を意図的に加えることができる。

多くのグレードの紙は、知覚色を増強するために蛍光剤を含んでいる。たとえば、蛍光増白剤（チノパル（Ｔｉｎｏｐａｌ）ＵＰなど）は、写真複写／レーザ／インクジェットなどの事務用紙中に通常存在し、多くの場合、他の白色グレードのものにも使用されている。これらの物質の励起帯は通常３３０ｎｍ〜４１０ｎｍであり、発光は３８０ｎｍ〜５００ｎｍとなる。したがって、これらによって、照明がある程度紫外線を含んでいる場合には、再発光した光の青色成分量が増加する。このため、再発光した光が全体的に増加したときに紙はより明るく見え、完全には漂白されていないセルロース繊維中のリグニンに固有の黄色の色合いを打ち消すことで、より白く見えるようになる。

一部の特殊グレードでは他の蛍光剤を使用している。たとえば、蛍光染料を使用することによって非常に濃い色を実現することができる。これらは、蛍光励起及び発光の帯域がシフトすることを除けば蛍光増白剤と同様の方法で機能する。たとえば、ファスツソルイエロー（Ｆａｓｔｕｓｏｌ Ｙｅｌｌｏｗ）１４Ｌは、４５０ｎｍを中心とする青色で蛍光励起し、５１０ｎｍを中心とする緑色を発光する。通貨又はその他の金融商品、ならびに株券、商業債券などの証券用紙中には、特殊な励起及び発光挙動を有する蛍光剤が使用されることが多い。

通常、蛍光増白剤は製紙原料の流れの中に投入され、したがって、填料が加えられる前に繊維上に吸着する。紙に主として紫外線（ＵＶ−Ａ）が照射される場合、青色光で形成される画像は、主として繊維からの蛍光発光となる。填料は紫外光を吸収又は散乱することができるが、これらは青色の蛍光発光にはあまり寄与しない。

多層シートにおいては、蛍光増白剤は大部分が表面層中に導入される。この位置が最も効果が得られる場所であり、蛍光増白剤は高価であることが多いので、内部層に使用するのは経済的ではない。単層シートの場合でも、散乱効果のために、紫外光は可視光よりもシート中への透過が少なくなりやすい。したがって、可視光照明を使用して形成された可視光画像から推測されるクレープパターンと、紫外照明を使用して形成された青色光画像から推測されるクレープパターンとが異なる場合がある。

豊富な光源、すなわちＵＶ光と可視光との両方を含む豊富な光源でシートが照明される場合、可視光を感知する検出器によって受信される画像の強度が蛍光によって増加する。
特に、空気力学的効果が小さく、ウェブ１０が振動しない場合に、拡散照明を使用することもできる。光路内に拡散器を配置することで拡散照明を形成することができる。無指向性でより柔らかな照明が得られる１つ以上の反射面により、光源からの光を反射させることによって、拡散照明を形成することができる。

光源１２によって、測定に必要な波長内の一定のエネルギーの流れからなる高強度照明が得られることが好ましい。光源１２は、チョッパー、シャッター、チューニングフォーク（音叉）などの従来の機械装置によって信号対雑音比を増加させることによって、光源１２の振幅を変調することができる。別の代表的な変調技術では、光源の光ビーム経路内に配置されるカー（Ｋｅｒｒ）セル及びポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セルなどの電気光学シャッター、ならびに音響光学チューナブルフィルタなどの音響光学装置が使用される。あるいは、パルス状照明を発生させるために光源に結合された駆動電流の直接変調を使用することもできる。

好ましい光源装置としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、あるいはＬＥＤ又はレーザダイオードのアレイが挙げられる。たとえば、ストロボフラッシュ効果を得るために光源が変調される場合には、高変調速度が好ましい。この結果得られる短い露光時間と、これに対応した短い積分時間によって、ウェブ１０の移動方向における移動によるぶれによって生じる悪影響が軽減又は解消されることで、撮像装置１４は、画像領域１６のより良好な画像を得ることができる。電荷結合素子（ＣＣＤ）の場合、積分時間が短いとピクセルが収集する光が少なくなり、積分時間が長いとピクセルはより多くの光を収集する。光源の変調とは別に、又はこの変調に加えて、高露光量で動作する、すなわち短い積分時間で動作するＣＣＤアレイカメラ又はＣＭＯＳアレイカメラなどの撮像装置１４を選択することができる。この場合、照明は連続していてもよく、それによって、異なる測定で一貫した照明をより容易に維持することができる。

検出器上に形成された画像の画像スケールは、測定されるクレープの特徴の予測される範囲に対応することが好ましい。たとえば、測定されるクレープピッチが３００ミクロン以上である場合、画像スケールは好ましくは、検出器の１ピクセル当たり７５ミクロン以下である。ピクセルがより大きなスケールに対応する場合には、クレープ測定の精度が低下する。

一方、スペクトル精度を改善するために、より小さな画像スケールに対応するピクセルを有することが望ましいが、画像スケールにおいて小さすぎるピクセルを有することの欠点もある。たとえば、検出器の感度は、小さな画像スケールのピクセルに対して高くする必要がある。また、特定のクレープ折り目数を表すために必要なピクセル数が多くなるために、スペクトル又はその他の解析には、より多くの計算が必要となる。さらに、折り畳み角度分布の測定では、各ピクセルの画像スケールが小さすぎる場合には、クレープ折り目よりも狭い特徴が存在することによって、偏りが生じる。画像スケールが必要な値よりもはるかに小さい場合には、解析する前に、二次元平均及び再サンプリングなどによって、画像をより好適なスケールに変換することができる。あるいは、検出器上の直接的なピクセルビニングを使用することによって、画像中のより大きなスケールに対応するより少数のピクセルを得ることができる。

クレープパターン情報は、移動するシート表面の画像のスペクトル解析によって得られる。移動するティッシュを連続的に分析する好ましい方法の１つでは、クレープ特性を測定するために画像の配列の直線区画に対する線分析を使用し、この方法を方法Ｉと呼ぶ。方法Ｉは以下のステップにより行う。

ステップ１
移動するシートの中のある領域を照明し、その照明された領域の画像を生成する。この照明は好ましくは、シートの画像を取り込む光学素子と同軸である環又は円板から放射線を誘導することによって得られる。照明は、好ましくは、撮像される領域にわたって均一であり、各方向からの強度が等しく、さらに照明は好ましくは、光パルス間隔中にシートが移動する距離が、シートの隣接するクレープ折り目の間の推測される距離の４分の１未満となるのに十分短いパルス長さを有するストロボである。

ステップ２
照明された領域の光学画像を、好ましくはＣＣＤ又はＣＭＯＳアレイカメラを使用してデジタル形態で記録する。場合により、光学画像の一部の波長のみが記録されるように、波長選択フィルタを使用することもできる。画像のピクセル要素は、好ましくは直線配列であり、その軸の１つはシート移動方向と平行であり、それによって、画像の列がシート移動方向に合わせられる。ステップ１における照明が連続的である場合、カメラ露光時間が十分短く、そのため、露光時間中にシートが移動する距離が、シート上の隣接するクレープ折り目の間の推測される距離の４分の１未満となることが最も好ましい。

ステップ３
シート移動方向と平行である画像の少なくとも１つの区画を、画像から抽出する。これらの区画は、好ましくは複数の隣接するピクセル列の平均又は荷重平均を含む。これらのピクセル列又はそれらから形成される平均区画のそれぞれは、場合により、特定の特徴又はスペクトル特性を減衰又は増強させるために、シート移動方向でフィルタリングすることができる。

ステップ４
抽出された各区画について、スペクトル分解して、スペクトルを形成する。このスペクトル分解には、好ましくはフーリエ又はウェーブレット又はウィグナ−ビレ（Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ）の論法が使用される。スペクトルは、必要に応じてフィルタリングしたり縮小したりすることができる。場合により、複数の区画から個別に計算したスペクトルから平均スペクトルを形成し、この平均スペクトルを抽出した各区画のスペクトルから減ずることによって、縮小されたスペクトルを形成することができる。

ステップ５
抽出された各区画のスペクトル又は縮小されたスペクトルには１つ以上のピークがあり、各ピークについて、（ｉ）そのピークの波長又はスケール、（ｉｉ）そのピークの振幅、ならびに（ｉｉｉ）そのピークの分散係数又はスペクトル幅係数で定量化する。各ピークの有意性基準値は、その振幅回数とその分散係数又はスペクトル幅係数との積として計算される。

ステップ６
最高の有意性基準値を有するピークの波長又はスケールから、一次クレープピッチを計算する。場合により、二次及びその他のピークが存在する場合には、それらも同様に評価し、分類を行う。

クレープ折り目配向分布も、本明細書において詳述する分数次数のディファインテグラル勾配技術を使用して画像測定から求めることができる。この情報は、クレープ形成プロセスにおいて変化が生じたことを示すのでティッシュ製造における診断にも有用であり、クレープが形成されたティッシュのさらなる品質パラメータとなる。

移動するティッシュを連続的に解析する第２の好ましい方法では、好ましくはラインカメラからの線画像を使用し、この方法を方法ＩＩと呼ぶ。方法ＩＩは以下のステップにより行う。

ステップ１
移動するシートの中のある領域を照明し、その照明された領域の画像を生成する。照明は、画像に沿って、方向及び強度が均一である。照明は好ましくは、光パルスの間にシートが移動する距離が、シートの隣接するクレープ折り目の間の推測される距離の４分の１未満となるのに十分短いパルス長さを有するストロボである。

ステップ２
照明された領域の光学画像を、好ましくはＣＣＤラインカメラ又はＣＭＯＳラインカメラによってデジタル形態で記録する。場合により、光学画像の一部の波長のみが記録されるように、波長選択フィルタを使用することもできる。画像のピクセル要素は、好ましくは直線配列であり、その直線軸はシート移動方向と平行であり、それによって、線画像がシート移動方向に合わせられる。場合により、ピクセル要素は、複数線のアレイを形成することができ、これは複数の直線アレイを含み、それぞれがシートの移動方向に合わせられる。ステップ１における照明が連続的である場合、カメラ露光時間が十分短く、そのため、露光時間中にシートが移動する距離が、シート上の隣接するクレープ折り目の間の推測される距離の４分の１未満となることが最も好ましい。

ステップ３
上記線画像をスペクトル分解して、スペクトルを形成する。このスペクトル分解には、好ましくはフーリエ又はウェーブレット又はウィグナ−ビレ（Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ）の論法が使用される。場合により、特定の特徴又はスペクトル特性を減衰又は増強させるために、スペクトル分解の前にフィルタリングすることができる。場合により、スペクトルは、フィルタリングしたり縮小したりすることができ、又は基準スペクトルを減じたりすることもできる。

ステップ４
結果として得られたスペクトルには１つ以上のピークがあり、各ピークについて、（ｉ）そのピークの波長又はスケール、（ｉｉ）そのピークの振幅、ならびに（ｉｉｉ）そのピークの分散係数又はスペクトル幅係数で定量化する。各ピークの有意性基準値は、その振幅回数とその分散係数又はスペクトル幅係数との積として計算される。

ステップ５
最高の有意性基準値を有するピークの波長又はスケールから、一次クレープピッチを計算する。場合により、二次及びその他のピークが存在する場合には、それらも同様に評価し、分類を行う。

方法Ｉ及びＩＩにおいて、好ましくは、シートの撮像と同じ側から照明が行われる。方法Ｉにおいて、たとえば、照明及び撮像がシートの同じ側で行われる場合には、環状照明が使用される。しかし、照明が反対側にある場合には、円板状光源又は環状光源のいずれかを使用することができる。

方法ＩＩのラインカメラの撮像及び線画像解析において、方法Ｉのように環状又は円板状の照明を使用することができる。しかし、方法ＩＩの技術では、このような高性能の照明装置は不要であり、その代わりに、撮像される線に沿った各点において実質的に同じ強度及び方向の光が得られるあらゆる形状の照明を使用することができる。例としては、（ｉ）撮像される線を照明する一方向から十分な厚さの均一にコリメートされた光シート、（ｉｉ）撮像される線を異なる方向からそれぞれ照明する複数の均一な光シート、（ｉｉｉ）撮像される線を均一に照明する拡散光が挙げられる。

光パルスの長さは、最も好ましくは非常に短く、通常、シートの移動速度及びクレープ折り畳みピッチの推測される範囲に依存してマイクロ秒未満から数マイクロ秒の長さとなる。したがって、キセノン放電アークは６ミリ秒を超える固有寿命を有するので、キセノンストロボは、速度が遅くクレープ折り目が長い場合にのみ使用することができる。

方法Ｉ及びＩＩの両方について、好ましい照明装置は、好適な形状に配列され、高速スイッチング電源が取り付けられた一連のＬＥＤ要素である。ＬＥＤは、１００ナノ秒までの短さの高強度パルスを出力することができ、方法Ｉに好ましい均一な環状照明などの自由な仕様の光を出力するように配置することができる。これらを使用して、方法ＩＩに好ましい技術である均一な光シートを出力することもできる。

レーザストロボは別の光源であり、これは、ＬＥＤよりもさらに短いパルスを出力しながら、同等の全光エネルギーレベルを維持することができる。拡大レンズ又はミラーを組み込むことで、レーザストロボを使用して所望の照明形状を実現することはより困難であるが、レーザストロボは、方法ＩＩにおける使用に特に適したコリメートされた均一な光シートを出力することができる。さらに、ビームスプリッター及びその他の光学素子を取り付けることで、レーザは、異なる入射角を有するコリメートされた光又は拡散光の複数のシートを出力することができる。複数のミラー、レンズ、スプリッター、ファイバーなどの適切に設計された光学装置を使用すると、レーザストロボによって、環状照明などのより複雑な照明形状を提供することもできる。

露光を十分短く設定できるのであれば、短露光のカメラを使用して連続照明を使用することも可能である。一部の市販の装置では、マイクロ秒レベルの露光が可能である。しかし、必要な照明強度の結果、熱の問題が生じたり、エネルギー消費が許容されなかったりすることがある。この方法は、ある距離から集束される照明などの場合には、照明として実現可能になる。

方法Ｉ又はＩＩのいずれの場合も、測定装置は好ましくは、シート幅全体を連続的に測定を行うトラバース（横断）装置である。あるいは、シート幅全体が実質的に連続的に測定されるように機械全体にわたって複数の装置のアレイを配置することもできる。

図４は、移動するウェブ１０すなわち紙シートのクレープパターンを測定するための透過型の運転方式を示している。この構成は、支持されておらず透明なウェブの監視に特に適している。実際、ウェブが透明であり、ワイヤ又はその他の構造によって支持されていない場合には、反射型及び透過型の両方の運転方式を使用することができる。図示されているように、この装置は、ウェブ１０の反対側に配置された光源１８と撮像装置１４とを含む。光源１８からの光の強度は、画像領域１６の画像の焦点をカメラなどの撮像装置１４に合わせるために、ウェブ１０の上面を照明してウェブ１０の厚さを透過するのに十分な強度である必要がある。ウェブに対して垂直な指向性照明が得られるように、撮像装置の真下に光源１８を配置することができる。あるいは、撮像装置１４の光軸のまわりに対称な指向性照明を得るために、環状又はその他の構成の光源１８を有することもできる。

図５は、移動するウェブ１０のクレープパターンを測定するための別の反射方式の構成を示しており、撮像装置１４と、ウェブ１０上の領域２０を照明する環状光源２４とを含んでいる。光源２４は、一連の光源２４、２６、及び２８を含み、これらはたとえば、指向性照明が軸のまわりに実質的に対称となるように、同心環に沿って分布している。

図６は、移動するウェブ１０のクレープパターンを測定するためのさらに別の反射方式の構成を示しており、撮像装置１４と、ウェブ１０上の領域３０を照明する環状光源３２とを含んでいる。この光源は、一連の光源３４、３６、及び３８を含み、これらはたとえば、指向性照明がそれらの共通の軸のまわりに実質的に対称となるように２つの同心環内に分布している。

図７は、反射方式で動作する測定装置の断面図である。光源７２は、移動する紙７１から約１０ｍｍ離して配置されたＬＥＤリングライトである。直流ＬＥＤストロボコントローラ６２は光源７２を制御して、高速移動するウェブ７１を撮像するためのストロボ照明を発生させる。好適なストロボコントローラは、アドバンスト・イルミネーション（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）（バーモント州ロチェスター（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，ＶＴ））のモデルＳ４０００である。カメラ６８は、ソニー・コーポレーション（Ｓｏｎｙ Ｃｏｒｐ．）（ニューヨーク州ニューヨーク（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ））の電荷結合素子モデルＸＣＤ−Ｘ７１０である。紙７１から反射した光７４は、光学的に平坦なミラー６４によって、カメラ６８に連結された非常に高解像度の５０ｍｍレンズ６６に向けられる。一実施形態においては、ウェブの表面上の直径１０〜１５ｍｍの照明スポットに下向きにカメラの焦点が合わされるように光学素子が構成される。

図８は、反射方式で動作する別の測定装置の断面図である。光源８８は、移動する紙８０から約７５ｍｍ離して配置されたＬＥＤリングライトである。直流ＬＥＤストロボコントローラ８２は光源８８を制御して、高速移動するウェブ８０を撮像するためのストロボ照明を発生させる。紙８０から反射した光９０は、非常に高解像度の５０ｍｍレンズを通して電荷結合素子カメラ８４によって取り込まれる。

本発明は、製紙プロセス全体にわたる重要な位置、特にヤンキーシリンダと、ティッシュが巻き取られるリールとの間で、クレープパターンを測定するために使用することができる。シートのクレープ構造を連続的に監視することによって、いつクレープが望ましい状態からずれ始めようと、制御システムによって修正措置を行うことができる。図９は、移動する紙材料４２の機械方向（ＭＤ）を横断する方向である横方向（ＣＤ）に沿った、ヘッドボックス４４から長網抄紙機の支持ワイヤ４７の上への湿潤材料の放出を制御するように配置された複数のアクチュエータを有する、紙材料４２の連続シートを製造するための典型的なシート製造システムの一部を示している。ワイヤ４７の上面上に形成される繊維スラリーのシートである紙材料４２は、ローラ４１とローラ４３との間をＭＤに移動し、続いて、ヤンキーシリンダ（図示せず）を含むドライヤセクションを通過する。ヘッドボックス４４付近の製紙プロセスの部分は一般に「ウェットエンド」と呼ばれ、巻き取りリール付近のプロセスの部分は「ドライエンド」と呼ばれる。図示されているように、一括して装置８０と示されている本発明の装置の撮像装置及び光源部分は、シート４２のフード側のクレープパターンを測定するために反射方式で配置されている。

本発明のクレープパターン測定装置は、コンピュータ４５をさらに含み、これは、装置８０の撮像装置部分、及びヘッドボックス４４のアクチュエータ、及び本明細書おいてさらに記載されている他の装置に接続されている。本明細書で詳細に記載されているように、コンピュータ４５は、撮像装置のデジタル画像を解析して、紙４２のクレープパターンを評価する。さらにコンピュータは、装置８０による横方向測定に応答して動作する制御システムを含むプロファイルアナライザーを含む。運転中、装置８０は横方向に走査して、コンピュータ４５に横方向に沿った紙のデジタル画像を送ることができる。これらの画像から、種々の横方向の測定点におけるクレープパターンを示す信号を発生させる。プロファイルアナライザーは、上述のヘッドボックス４４のアクチュエータなどのシート製造システムの種々の構成要素の動作を制御するソフトウェアも含んでいる。所望の設定点又は目標からのクレープパターンのずれの程度に依存して、ウェットエンド及び／又はドライエンドのパラメータは、クレープパターンの変化に応じて調整することができる。たとえば、ティッシュ中のクレープパターンは、フィードストック中の水又は化学物質の量を変更することによって、変化させることができる。したがって、供給材料の水及びその他の成分の流れは、クレープパターンを制御するために操作することができる。

コンピュータ４５は、図２に示されるヤンキーシリンダの動作を調整するように意図することもできる。さらなる修正措置としては、（ｉ）局所的又は装置全体のいずれかで、スプレーブームを介してヤンキーシリンダ表面に適用される添加剤の流れの変更、（ｉｉ）局所的又は装置全体のいずれかで、ドクタブレードの角度又は圧力の調整、ならびに（ｉｉｉ）ヤンキーシリンダ内の蒸気圧の変更、又はフード内の加熱ガスの温度や流れの変更が挙げられる。制御システムは、横方向プロファイルコントローラ又は機械方向コントローラ、あるいは複合ＣＤ及びＭＤコントローラであってよい。同様に、たとえば、コントローラは、クレープのみを制御する場合もあるし、又はクレープと、最適化に基づく制御などの他のパラメータとを制御する場合もある。

クレープ形成プロセスを監視することによって、ドクタブレードの変更の計画を最適化させることができる。早すぎたり遅すぎたりすることなく、ブレードの一部が有効寿命の終了に近づくか、又は到達すると、すぐにタイミング良くドクタブレードを交換することができる。ドクタブレードの摩耗は機械全体にわたって均一ではなく、動作条件により時間のばらつきもあるため、ドクタブレードの有効寿命を正確に予測することができない。製造を中断する必要があり、ドクタブレードに固有の費用が必要となるために、ドクタブレードの交換には費用がかかる。まだ有効寿命が残っているときにドクタブレードを交換すると、生産の損失及びブレードの消費による費用が不必要に高くなる。しかし、一部が摩耗した後もドクタブレードを使用すると、許容されない製品が製造され、その結果、エネルギーと消耗材料とが無駄になるので費用が不必要に高くなる。

明らかなように、本発明は、デジタル画像を解析することによって、移動するウェブのクレープパターンをオンライン測定する方法を提供する。この技術から得られる実験データを使用して、不織材料を含む製品を製造するためのシート製造システムのプロセスのモデリング、シミュレーション、及び制御を行うことができる。数学的モデルを作成する方法の１つは、シート製造プロセスに刺激又は摂動を与え、その結果生じる応答、すなわち変化があればそれを測定することである。この数学的モデルを使用して、システムを調整することで、シートのクレープピッチ及び／又はクレープ折り目配向分布を制御することができる。製紙装置のプロセス制御技術は、たとえば、マクハッティー（ＭａｃＨａｔｔｉｅ）らに付与された米国特許第６，８０５，８９９号明細書、ヘブン（Ｈｅａｖｅｎ）らに付与された第６，４６６，８３９号明細書、フー（Ｈｕ）らに付与された第６，１４９，７７０号明細書、ハガート−アレクサンダー（Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）らに付与された第６，０９２，００３号明細書、ヘブン（Ｈｅａｖｅｎ）らに付与された第６，０８０，２７８号明細書、フー（Ｈｕ）らに付与された第６，０５９，９３１号明細書、フー（Ｈｕ）らに付与された第６，８５３，５４３号明細書、及びホー（Ｈｅ）に付与された第５，８９２，６７９号明細書にさらに記載されており、これらすべてが本明細書に援用される。

図１０は、好ましくは張力又は空気力学などによってあまり振動が起こらずに比較的直線を移動するように位置的に束縛されているウェブ５６の両側のクレープパターンを、反射型及び透過型の両方の運転方式を使用して測定することができる一実施形態を示している。この場合、ウェブの上面及び下面の両方で、それぞれ装置５２及び５４によって照明及び／又は撮像が行われる。製紙装置のドライエンドなどのように、ウェブが支持されずに移動できる場合には、ウェブの両側を同時に測定することができる。支持されていないウェブが不透明又はほぼ不透明である場合には、それぞれ反射方式で動作する２つの別個の装置５２及び５４を使用してウェブの両側を独立に測定することができる。

一方、支持されていないウェブが透明又は部分的にのみ不透明である場合には、それぞれ反射方式で動作する２つの別個の装置５２及び５４を使用して両側を測定することができる。あるいは、両側の測定は、それぞれ透過方式で動作する２つの別個の装置５２及び５４を使用して行うことができ、又は、両側の測定は、一方が反射方式で動作し、他方が透過方式で動作する２つの別個の装置５２及び５４を使用して行うこともできる。最後に、両側の測定は、一方が反射方式で動作し、他方が透過方式で動作する２つの別個の装置５２及び５４を使用し、但しウェブの側面のみから照明を当てることによって行うことができる。

図１０の配置は、たとえば、形成された後に互いに継ぎ合わせて多層製品が形成される複数の層（プライ）を含むシート上のクレープパターンの測定に使用することができる。本発明は、多層製品の上面及び下面を形成する層中のクレープパターンの独立した測定及び制御を行うことができる。

移動するウェブのクレープパターンは、横方向及び機械方向の両方で監視することができる。後者の場合、クレープ形成後のプロセスを最適化するために、複数のクレープ測定装置を、クレープ形成装置とリールとの間にＭＤに直列に配置することができる。ヤンキー機の後のティッシュの連続クレープパターンプロファイルは、特定のグレードのティッシュの製造において「理想的な」プロファイルと比較することで得ることができる。理想からのずれの程度に依存して、それによってクレープ形成又は運搬のパラメータ（たとえば張力又は空気力学の影響）を調整することができる。たとえば、ハガート−アレクサンダー（Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）らに付与された米国特許第６，０９２，００３号明細書を参照することができ、この記載内容を本明細書に援用する。

同様に、ＣＤでの測定の場合、ＣＤに沿って製紙装置の任意の好適な位置に、複数の装置のアレイ配置することができる。あるいは、ウェブの幅にわたって走査する１つの装置を含む走査システムを使用することもできる。走査システムは一般に、監視される紙製品の幅にわたって水平方向に延在する１組のガイドトラックを含む。センサーはカートリッジに固定されており、これが測定時に紙製品の上の前後に移動する。製紙製造用のオンライン走査センサーシステムは、ダルキスト（Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ）に付与された米国特許第４，８７９，４７１号明細書、ダルキスト（Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ）らに付与された第５，０９４，５３５号明細書、及びダルキスト（Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ）に付与された第５，１６６，７４８号明細書に開示されており、これらすべてを本明細書に援用する。

反射及び透過の両方の運転方式を使用する図１０に示される構成は、紙のＣＤ及びＭＤの両方で上面及び底面のクレープパターンを測定する場合に特に適している。クレープパターンプロファイルは同時に得ることができる。これらの測定値は、嵩及び／又は柔軟性及び／又は吸収性などの他のシート特性と直接的又は間接的に関連している。シート特性が既知である紙を使用してクレープパターン測定の較正を行うことによって、クレープパターンの測定及びオンライン測定を、実際の嵩、柔軟性、吸収性、及びその他の特性と相関させるためのライブラリを確立することができる。

本発明の別の態様は、移動するシートの表面上のクレープ折り目配向の測定に関する。「クレープ折り目」は、たとえば、ティッシュのフード側のクレープの溝、又は同様にティッシュのシリンダ側のクレープの継ぎ目を意味する。クレープ折り目配向測定は、製紙プロセスの制御及び／又は製品の性質の特性決定に使用される１つ以上の異なるパラメータとして表すことができる。このようなパラメータとしては、たとえば、平均クレープ折り目配向角、クレープ折り目配向異方性指数、及びクレープ折り目配向角の統計分布が挙げられる。

クレープ折り目配向の解析方法では、監視されるシートから得られるデジタル画像中の複数の位置において、少なくとも２つの好ましくは直交する軸上で評価される分数次数（端数）の勾配が使用される。この評価位置は、少なくとも１０ｍｍのシート幅の画像に実質的に及ぶことが好ましい。好ましくは、分数次数の勾配は、小さなスケールにわたって平均又は平滑化される。各評価位置における少なくとも２つの分数勾配から、たとえばそれらの比のアークタンジェントをとることによって、特性角が得られる。次に、平均角度を評価することによる、又は角度分布を特定のパラメータ形式に適合することによるなどの種々の方法によって、角度分布を特性決定することができる。

デジタル画像が、シート移動方向で特徴のぶれを有する場合には、画像を解析する前に、前処理手順を実行することが好ましい。たとえば、ぶれを補償する操作は、直交する方向で行うことができるが、場合によっては、ぶれ除去すなわちシャープニングをぶれの方向で行うことができる。シートが透明であり背景にパターンが存在する場合、あるいは形成用布又はその他のテクスチャーを有する背景の上でシートが運ばれる場合は、角度の評価を修正することができる。製紙装置の長網抄紙機セクションの形成用繊維の場合など、背景のテクスチャーが方向性である場合には、このことが重要となる。たとえば、背景の主要部分に対応する角度は、平均角度又は分布のパラメータを評価する場合には、解析から除外することができる。好ましくは、シートなしで背景を測定することができ、それによってその特徴を求めることができる。

紙のクレープ折り目配向の測定におけるクレープ折り目配向の解析を説明しているが、この技術は、クレープの折り目すなわち皺、あるいは板紙、ティッシュなどの不織繊維材料から形成される種々の製品中の直線状又はほぼ直線状の特徴を有するその他の表面形状の配向の決定に使用できることを理解されたい。さらに、この配向の解析は、セルロースから誘導される製品以外にも適用することができる。

本発明の画像に基づく測定技術は、２つの好ましくは直交する方向において勾配型演算子を使用してデジタル画像を解析することによって、クレープ折り目配向を評価する。一部の突出部は、分数微積分学（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｃａｌｃｕｌｕｓ）と呼ばれる数学の一分野から得られることを以下に要約しており、この分数微積分学は、ディファインテグレーション（ｄｉｆｆｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれる１回の演算として微分及び積分を統合しており、非整数次の微分及び積分を含んでいる。分数微積分学の理論及び方法は、たとえば、Ｋ．オールダム（Ｋ．Ｏｌｄｈａｍ）及びＪ．スパニアー（Ｊ．Ｓｐａｎｎｉｅｒ）、「分数微積分学（Ｔｈｅ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ Ｃａｌｃｕｌｕｓ）」、アカデミックプレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）１９７４年に記載されており、この記載内容を本明細書に援用する。

解析的には、ディファインテグレーションは、簡潔には積分変換関数空間で表すことができる。たとえば、関数ｆ（ｘ）のラプラス変換をＦ（ｓ）と表すと、式中のｓは変数ｘの変換を示すラプラス空間パラメータであり、記号£が変換をとることを意味するものとする。したがって、

ｘに関する関数のｑ次のディファインテグレーションは、その変換と、変換パラメータｓのｑ乗との掛け算に対応している。

したがって明らかなように、分数次数のディファインテグレーションは、従来の整数次数の微分又は積分の組み合わせとして適切に表すことができず、別個の演算となる。たとえば、ｓ^１／２を１とｓの組み合わせで近似できないのと同様に、半微分（ｓｅｍｉｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を、関数とその導関数との一次結合として解釈することはできない。

記号数学的な解析においては有用であるが、ラプラス変換及び他の積分変換の演算子は、測定データの実際的な数値解析においては扱いにくい。しかし、一般化されたディファインテグレーションのいくつかの公式は、数学的に等価であり、数値的ディファインテグレーションのための種々のアルゴリズムを構成するために使用することができる。たとえば、グリュンワルド（Ｇｒｕｅｎｗａｌｄ）の公式は、ディファインテグレーション可能な関数ｆ（ｘ）のｑ次の一般化されたディファインテグラルを、

と定義しており、上式中の極限は、関数のａからｘの区間におけるあらゆる値に依拠している。ｑ＝１であり、任意にｘに近づく場合、これによって従来の導関数が得られる。ｑ＝−１の場合、ａ及びｘの値の選択に依存して、従来の原始関数（多くの場合「不定積分」と呼ばれる）又は従来の積分（多くの場合「定積分」と呼ばれる）が得られる。

定義（式（３））は、妥当であり、実数、複素数、又は四元数のすべてのディファインテグレーション可能な関数（それらが有限であれば不連続関数を含む）の数値的に収束級数となる。複素数及び四元数の値ｑを含めた任意の値ｑの場合にも収束する。ディファインテグレーションの他の公式としては、特にリーマン（Ｒｉｅｍａｎｎ）、リウヴィユ（Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅ）、ワイル（Ｗｅｙｌ）、ヘヴィサイド（Ｈｅａｖｉｓｉｄｅ）、及びシビン（Ｃｉｖｉｎ）の公式が挙げられる。これらの公式の一部は、周期関数のみに適用されるなどの特殊な状況に限定されている。グリュンワルド（Ｇｒｕｅｎｗａｌｄ）の公式が最も一般的であり、リーマン−リウヴィユ（Ｒｉｅｍａｎｎ−Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅ）の公式はその次に一般的である（これはｑの実部が正である場合にのみ収束し、ｑの実部が正である場合に従来の累次微分と解析接続することが必要であり、これらの場合では連続関数に限定される）。

非整数次の微分を行うための多数の数値アルゴリズムを利用することができ、それらはリーマン−リウヴィユ（Ｒｉｅｍａｎｎ−Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅ）の公式及びグリュンワルド（Ｇｒｕｅｎｗａｌｄ）の公式に基づいたアルゴリズムである。次数の実部が狭義の正である場合のディファインテグレーションに関する有限長の畳み込みが直接得られるため、グリュンワルド（Ｇｒｕｅｎｗａｌｄ）の公式が好ましいアルゴリズムの１つである。当然ながら、必要に応じて他の公式を代わりに使用することもできる。

式（３）中の極限を省略し、Ｎ＋１項の有限数で級数を打ち切ることによって、関数ｆ（・）における横座標間の固定区間が既知である場合、ｑ次のディファインテグラルの近似式が得られる。便宜上、一般性を失うことなく、ａ＝ｘ−Ｎｈとすることができ、それによって次式が得られる。

式（４）の右辺において関数に加えられた重み因子は、ディファインテグレーションの畳み込みの表示における畳み込みカーネルとして、又はディファインテグレーションの行列表示における行の要素として使用することができる。ｋ−ｑが負の整数である場合、ガンマ関数Γ（ｋ−ｑ）は非有界であるが、Γ（ｋ−ｑ）／Γ（−ｑ）の比は常に有限であり、第１種スターリング数を使用して計算することができる。（式４）の左辺の演算子上の負の下付き文字は、横座標でｘを超える関数値は使用できないため、右辺の式がｘにおけるディファインテグラルの後退差分近似であることを示している。しかし、区間［ａ，ｘ］の向きを反転させ、簡単にする前ではａ＝ｘ＋Ｎｈとすることで、同等の妥当性で式３から前進差分近似を行うこともできる。

式（５）の左辺の演算子上の正の下付き文字は、横座標でｘ未満の関数値は使用できないため、右辺の式がｘにおけるディファインテグラルの前進差分近似であることを示している。右辺の否定によって、ディファインテグレーションの方向の変化が修正される。前進差分近似式及び後退差分近似式を組み合わせることによって中央差分近似を得ることができる。したがって、２Ｎ＋１項を有するｑ次のディファインテグラルの中央差分近似の畳み込みの重みｗ_ｋは次式のようになる。

たとえば、ｈ＝１の場合、１を超えない分数次数のあるディファインテグラルの中央近似を求め、Ｎ＝４を使用して式（６）から誘導される９項の畳み込みカーネルは以下のようになる（明確にするため１／２の因数は無視している）。

カーネルのいずれかの終点において連続する項は大きさが減少し、次数が１に近づくよりも０に近づく場合の方が急速に減少しないことがわかる（このことは、０以下の次数、及び１を超える次数に一般化することはできない）。また、中央のいずれかの側の第１項は、ディファインテグラルの次数と大きさが同じであり、したがって次数が０に近づく場合よりも次数が１に近づく方が大きくなり、そのため引き続く項の有意性は１／２を超える次数で急速に低下する。ほとんどの目的では、次数が１／２を超える場合には５項近似で十分であるが、次数が１／４未満の場合には少なくとも９項が必要となりうる。

上記では、ディファインテグラルの数値近似を行うために、最も単純なアルゴリズムを使用した。その他のより高度なアルゴリズムを構成することで、よりすぐれた収束特性を得たり、又は必要な数値演算をより少なくしたり、又はより高次の近似を求めたりすることができる。たとえば、オールダム（Ｏｌｄｈａｍ）及びスパニアー（Ｓｐａｎｎｉｅｒ）も、より速く収束する、ラグランジュの補間が組み込まれたアルゴリズムを提供している。同様に、種々の解析技術を使用することによって、無限級数表示を単に打ち切ることによって得られる場合よりも、有限級数近似の精度を増加させることができる。

これよりディファインテグラル演算子のデジタル画像への適用について述べる。画像中の１組の複数の位置をＳとし、これらの位置は、好ましくは光軸のまわりに対称に分布しているか、光軸の周りに対称な領域内で不規則に分布しているかである。ｘ方向の勾配型演算子をＤ_ｘとし、ｙ方向の対応する演算子をＤ_ｙとする。これらの勾配演算子は、好ましくは１／４〜３／４の間の次数の非整数次数である。勾配型演算子が中央型であると好都合である。たとえば畳み込みによって勾配型演算子を画像に適用する。

上記式中、畳み込みは、Ｓで指定された各ピクセルにおいて計算することで、各方向Ｇ_ｘ及びＧ_ｙにおける局所勾配の推定値が求められる。特定のピクセルについて計算した勾配値が、複数のピクセルにおいて計算された値の加重平均となるように、平均演算を勾配型演算と併用すると好都合である。演算子Ｄ_ｘの適用に使用される平均が、ｙ方向で互いに相殺されるピクセルのみを使用し、演算子Ｄ_ｙの適用に使用される平均が、ｘ方向で互いに相殺されるピクセルのみを使用するように、このような平均が、勾配型演算子の方向と直交する方向でのみ行われると、特に好都合である。

浮動小数点演算の代わりに整数演算を使用して式（７）の畳み込みを実行することによって、かなりの計算効率が実現されることに留意されたい。このことは、畳み込みカーネル項が、グリュンワルド（Ｇｒｕｅｎｗａｌｄ）の公式から得たディファインテグラル近似である場合には自明であるが、その理由は、区間ｈが１である（好適な単位で表した場合）場合、ディファインテグラルの次数がそれ自身有理数であるときには、本質的に式（６）からカーネル係数として有理数が得られるからである。次に、単純な整数スケーリングによって、全整数カーネル値が求められる。あるいは、整数値のカーネルは、因数ｈ^−ｑをスケーリングに含めることによってｈの単位を変更せずに、行うこともできる。同様の検討が、勾配型演算の非畳み込みインプリメンテーションでも行われる。一般に、整数演算は浮動小数点演算よりもはるかに速いため、画像をより迅速に処理したり、又はあまり高速でない計算装置を使用して処理したりすることができる。

２方向でのこれらの勾配値は、画像中の対応するスケールにおける構造の配向情報を含んでいる。勾配型演算子に使用される方向が直交する必要はなく、画像の軸と一致する必要もないが、情報量が最大化され、後の処理が存在するとしても、それが簡略化されるという理由で、これらの軸が直交すると好都合であり、画像の軸と一致することも好都合である。勾配型演算子の次数は１（それによって従来の勾配となる）などの整数であってもよいが、勾配型演算子の次数が１未満の場合、特に１／４〜３／４の間である場合に、より信頼性の高い結果が得られることが分かっている。

クレープ折り目配向を表す要約情報は、種々の方法で勾配値から抽出することができる。代表的な方法についてここで述べる。配向角は、解析される各ピクセルに、

として割り当てられ、ピクセルの配向強度は、

が割り当てられる。

次に、ヒストグラムが形成されるが、この場合、−９０°〜＋９０°などの公称角度範囲が好ましくは等幅の複数の有限区間に分割され、割り当てられた配向角が同じ区間内にあるすべてのピクセルについて配向強度が合計されることで、ヒストグラムＨ（θ）が得られる。このヒストグラムは、解析される画像のピクセルに関する配向角の度数分布を表している。この度数分布は、紙のクレープ折り目配向の有用な統計的表示となる。これは配向分布の一般的なグラフ表示であり、多くの場合、大きさ対角度の極座標プロットとして表される。

この解析は、好適な形態の標準的な統計分布に適合させることで、度数分布を少数のパラメータに減少させることによってさらに処理することができる。たとえば、このヒストグラムは、最小自乗法又はその他の方法を使用して極座標パラメータ形式

に適合させることができる。平均又は特徴的なクレープ折り目配向の概算は、Ａ＞Ｂの場合にはフィットさせたパラメータα、その他の場合にはα±９０°によって求められる。平均クレープ折り目配向角は、基本的に機械方向に対して楕円の傾斜角である。同様に、Ａ＞Ｂの場合、クレープ折り目配向分布の異方性の概算は、

によって得られ、上式中、Ｂ＞Ａの場合はＡとＢを交換する必要がある。パラメータとしてｅを含む（１０）と同値の式、

である。

異方性０の場合、特徴的な配向方向は存在しない。ｅの値が大きいことは、あきらかに支配的なクレープ折り目配向方向を有する非常に強く配向したシートを示している。

クレープ折り目配向異方性指数は式１１で定義される。Ａは長軸の長さであり、Ｂは短軸の長さである。試料が等方性でありその分布が円形である場合、Ａ＝Ｂであり、ｅ＝０である。すべての折り目が完全に整列している場合、Ａは大きな値であり、Ｂ≒０であり、ｅ＝１である。最後に、統計的クレープ折り目配向は、特定の角度で折り目が配向する確率である。

式（１０）は、紙中のクレープ折り目配向分布を適合させるのに適した唯一のものでは決してなく、おそらくは最も一般的なものである。
勾配型演算子の好ましい次数は１未満であるが、本発明はそのような次数に限定されるものではなく、勾配型計算において、純整数次数などの任意の次数のディファインテグラル演算子の使用を包含している。

クレープ折り目配向の解析は、次数が１つ以上の０でない虚部を有する複素数及び四元数の次数のディファインテグラル演算子の使用も考慮している。この場合、１つ以上の追加のステップを場合により使用して、式（８）などのピクセル角度の計算、式（９）などのピクセルの大きさの計算を容易にするために使用することができる。この追加のステップは、値の２−ノルムを求めること、又はその実部をとること、又は好適な内積空間内のノルムを求めることなどによって、複素数又は四元数の好適なノルムを求めることである。明らかなように、ノルムは、式（８）又は式（９）などのピクセルの角度及び大きさの計算に使用される式中に使用される勾配値に基づいて計算することができ、あるいは非ノルム値から計算される角度及び大きさに基づいて計算することもできる。

以上に、本発明の原理、好ましい実施形態、及び実施例を説明した。しかし、本発明は、記載の特定の実施形態に限定されるように構成されたものではない。逆に、上述の実施形態は、限定的なものではなくむしろ説明的なものであると見なすべきであり、当業者によって、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱せずにこれらの実施形態の変更を行えることを理解すべきである。

ティッシュ表面上のクレープパターンのリアルタイム画像の図である。 ヤンキーシリンダの断面図である。 照明源及び撮像装置が移動するウェブの同じ側に配置されている、オンライン画像解析によるクレープパターン測定を示す図である。 照明源及び撮像装置が移動するウェブの反対側に配置されている、オンライン画像解析によるクレープパターン測定を示ｓう図である。 照明が、移動するウェブに対して撮像装置と同じ側にある環状光源である、オンライン画像解析によるクレープパターン測定を示す図である。 照明が、移動するウェブに対して撮像装置と同じ側にある環状光源である、オンライン画像解析によるクレープパターン測定を示す図である。 本発明の装置の一実施形態を示す図である。 本発明の装置の一実施形態を示す図である。 製紙装置中の本発明のクレープパターン測定装置の配置を示す図である。 クレープシートの両側が監視される、本発明のクレープパターン測定装置の配置を示す図である。

Claims (10)

1. 移動するシート（１０）のクレープパターンを測定する方法であって、
   （ａ）前記シート（１０）の少なくとも１つの面上の領域（１６）を照明するステップと、
   （ｂ）前記照明された領域（１６）の少なくとも１つのデジタル画像を取得するステップと、
   （ｃ）少なくとも１つのデジタル画像を処理することによって、前記シート（１０）のクレープパターンを計算するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、ステップ（ｃ）が、前記画像の直線区画に対する少なくとも１つのスペクトルを求めることを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、少なくとも１つのスペクトルがフーリエ変換を使用して評価されることを特徴とする方法。
4. 請求項２記載の方法において、少なくとも１つのスペクトルがウェーブレット変換を使用して評価されることを特徴とする方法。
5. 請求項１記載の方法において、各画像が複数のピクセルを含み、前記デジタル画像中の１ピクセルが、前記移動するシート（１０）の公称クレープピッチの４分の１を超えない、前記移動するシート（１０）中の大きさを表していることを特徴とする方法。
6. 移動するシート（１０）のクレープパターンを測定する方法であって、
   （ａ）前記シート（１０）の少なくとも１つの面上の領域を照明するステップと、
   （ｂ）前記照明された領域（１６）の少なくとも１つのデジタル画像を取得するステップと、
   （ｃ）少なくとも１つのデジタル画像を勾配演算子で処理することによって前記シートのクレープ折り畳みを計算するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、ステップ（ｃ）に関して、各画像が複数のピクセルを含み、前記勾配演算子によって、少なくとも１つの前記ピクセルに対する勾配の大きさ及び方向が求められることを特徴とする方法。
8. 移動するシート（１０）のクレープパターンを測定するシステムであって、
   移動するシート（１０）上の照明された領域（１６）の少なくとも１つのデジタル画像を取得するための画像取得手段（１４、１８）と、
   前記少なくとも１つのデジタル画像を処理することによって前記シート（１０）の前記クレープパターンを計算するための制御手段（４５）と
   を含むことを特徴とするシステム。
9. 請求項８記載のシステムにおいて、前記制御手段によって、前記画像中の直線区画に対する少なくとも１つのスペクトルが求められることを特徴とするシステム。
10. 請求項９記載のシステムにおいて、前記スペクトルが、フーリエ変換の使用、又はウェーブレット変換の使用、又はウィグナー−ビレ（Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ）変換の使用によって評価されることを特徴とするシステム。

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