JP2015508160A5

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Publication number: JP2015508160A5
Application number: JP2014555901A
Authority: JP
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2033-01-24

Description

[0006] サンプル・パルスの位相および振幅が追跡されることがありえ、修正されることがありえるそれによって、リファレンス・パルスの連続一組を作成するテラヘルツタイムドメイン分光（ＴＨｚ―ＴＤＳ）により実装されるときに、キャリパー測定は特に正確および正確である。本発明は、好ましくは２つのセンサヘッドを使用する装置で実装されることがありえ、センサヘッドの間のｚ―距離を計量するための手段を備えている。作動中、分析されている（例えば不均一性の厚みを有している進行しているウェブ）サンプルは、２つのセンサヘッドの間に位置する。リアルタイムのｚ―距離およびＴＨｚ信号を測定することによって、ＴＨｚ信号は、分光計測定精度を強化するために修正されることがありえる。ベース基板（例えばコーティングが適用される紙）の基礎重量、厚みまたは他の物理的なパラメータにおける変化に、非接触キャリパー・コーティング測定値は、実際に無関心である。

[0007] ある態様では、本願発明は、コーティングされた連続ウェブ（４０）上のコーティングの厚みを計量する方法であって、
[0008] (a)一つ以上の被膜層（６）および基板層（７）を有しているコーティングされた連続ウェブ（４０）の分析モデルを展開するステップであって、
（ｉ）各被膜層（６）の厚さと、
（ｉｉ）基板層の厚さ（７）と、
（ｉｉｉ）値がまず最初に割り当てられる基板（７）および各被膜層（６）の屈折率と、
（ｉｖ）コーティングされた連続ウェブ（４０）の上のテラヘルツ放射線の入射の角度と、の関数として、モデルが、コーティングされた連続ウェブ（４０）による電磁界の伝送を表すことを特徴とする、展開するステップと、
[0009] (b)放射線（１８）のパルスを生成するエミッタ（１２）および放射線のパルスを受信する検出器（１４）を包含するタイムドメインテラヘルツ分光装置（１０）を使用することによって、コーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しサンプル測定を行うステップであって、
[0010] (i) サンプル（４０）と相互作用しないリファレンス放射線パルス（２０）とサンプル（４０）に向けられるサンプル放射線パルス（２２）と、リファレンス放射線パルス（２０）を形成するためにエミッタ（１２）と検出器（１４）の間の光路に沿ってビーム・スプリッタ（１６）を配置するステップと、
[0011] (ii) 検出器（１４）にサンプル放射線パルス（２３）を反射する第１の鏡（３２）を配置するステップと、
[0012] （ｉｉｉ）検出器（１４）にリファレンス放射線パルス（２１）を反射するように第2の鏡（３０）を位置決めし、同位相で変動をモニタする反射された放射線パルス（２１）およびリファレンス放射線パルス（２０）の振幅を使用するステップと、
を包含することを特徴とするサンプル測定を行うステップと、
[0013] (c)測定に関しサンプル（４０）の配置なしで、ステップ（ｂ）（ｉ）、（ｂ）（ｉｉ）および（ｂ）（ｉｉｉ）を実行することによって、タイムドメイン分光を有するコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しリファレンス測定を行うステップと、
[0014] （ｄ）コーティング（６）の厚みを決定するようにサンプル測定とリファレンス測定の間のベストフィットな関係を成し遂げるように、サンプル測定をリファレンス測定と比較し、ステップ（ａ）において、定められるモデルに基づいて基板層（７）の厚さとコーティングの厚み（６）に関する値を反復的に割り当てるステップと、
を有することを特徴とする。

[0015] 別の態様では、本願発明は、連続ウェブ・サンプル（４０）上のコーティング（６）の厚みを計量するために一つ以上の被膜層（６）および基板層（７）を有しているコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）を分析するための装置であって、
[0016] タイムドメインテラヘルツ分光装置を包含するコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関するサンプル測定データ（１０）をもたらすための手段と、
[0017] タイムドメインテラヘルツ分光装置を包含するコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しリファレンス測定データ（１０）をもたらすための手段と、
[0018] サンプル測定データおよびリファレンス測定データを処理するためにプログラムされ、有効に接続された電子データ処理手段（１２５）と、
を有し、
コーティングの厚み（６）を決定するために、サンプル測定データとリファレンス測定データの間のベストフィットの関係を達成するように、データ処理手段（１２５）は、サンプル測定データをリファレンス測定データと比較するようにプログラムされ、コーティングされた連続ウェブ（４０）の分析モデルに基づいてコーティングの厚み（６）および基板の層（７）の厚さの値に関し反復的に割り当てられることを特徴とする。

[0019] 図１は、４つの層光学システムとして描写される被覆板用の分析モデルである。 [0020] 図２は、典型的なＴＨｚまたはニアＴＨｚ―ＴＤＳ伝送ベースのシート測定システムの代表である。 [0021] 図３は、タイムドメイン分光において、連続参照（ＣＲ）を生成するための装置を表す。 [0022] 図４は、ビーム・スプリッタにより生成される代表的な連続ＣＲトレースを示す。 [0023] 図５は、２セットのパルスの間のインターパルス・ジターを比較する。 [0024] 図６は、２セットのパルスとその修正遅延の間に遅延を示すグラフである。

式4
ここで、ｍ_ｉｊはマトリクスエレメントである。タイムドメインテラヘルツ測定において、いかなるサンプルもまたはコーティングされたボードＥ_ｏのないＴＨｚ電界は、最初に好ましくは測定される。今後、Ｅ_ｏは、システムのインシデント電界Ｅ_ｉと称する。モデルの使用が送信された電界Ｅ_ｔの代表に関しあるので、Ｅ_ｉとＥ_ｔの関係は以下の通りに伝達関数ブロックｔによって、与えられる：

式5
ＴＨｚビームが広がる所で、Ｙ関数（式３）に関しインデックスｏおよびｔはそれぞれ初めのおよび最終層に対応する。この場合、両方の層は、空気である。センサ感度を最適化するために好適な特定のアプリケーションにおいて、最終的な伝達関数ブロックが正方形にされる式５であるように、ＴＨｚパルスは二倍にコーティングされたボードを通過する。ボード厚が知られていない場合、好ましくは、コーティングとベース材料との充分な対比は良好な結果を産生するために技術のために確立される。軽微なコントラストは、センサ感度による。モデルおよび装置の１つの実装において、論文（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、第４８巻、ｎｏ．３３、６５４１―６５４６ページ参照）のようにボード屈折率ｎｂがみなされると共に、コーティング屈折率ｎ_ｃは周波数によって、一定に好ましくは保たれる。これらの屈折率が、式２および３で使われる。リファレンス・パルスに経路長差を検出する際のＴＨｚタイムドメインテクニックの緻密さのため、式２で位相ｋｄがそれに応じて調整されるべきである。ウェーブ番号を定めるためにｎ_ｃまたはｎ_ｂを単独使用する代わりに、（ｎ_ｃ―１）または（ｎ_ｂ―１）が使用され、それは真空または空気に対する正確な経路長差である。現在の本発明で、ｎ_ｃ、ｎ_ｂ、ＥｏおよびＥｔを非線形最小二乗法にフィットしているアルゴリズムに取り入れることによって、コーティング・キャリパーは、正確に抽出されることがありえる。角度が斜角でありえる分析モデルが、それに応じて調整されたものと、入射放射線がコーティングに正常な図１に示されるにもかかわらず、そして、理解される点に注意する。実際、角度はまず最初に測定されることがありえ、プロセッサにすでにプログラムされる適切なモデルはコーティング厚を算出するように選択される。一旦厚みが決定されると、基礎重量および関連した特性は密度データを有する標準的な技術を用いて算出されることもありえる。コーティングまたは基板層の各層が紙、ボード、プラスチック、ポリマー、天然ゴム、金属、天然ファイバーおよび／または合成繊維から作られる連続ウェブを測定することに関し、キャリパー・コーティング測定テクニックは、特に適している。

[0027] 図２は、エミッタ１２とタイムドメイン分光計の検出器１４の間に配してある連続リアルタイムリファレンス生成装置１０を例示する。装置１０は、コーティングされたサンプルに関しサンプルおよびリファレンス測定を行うのに特に適している。装置は、反射光２２および透過光２０に付帯的な光１８をエミッタ１２から切り取るビーム・スプリッタ１６を包含する。検出器１４により受信される前のビーム・スプリッタ１６による平面鏡３０による光２１として後ろに、透過光２０は、反射される。反射光２２は、サンプル４０で送信されて、その後で、それが検出器１４に送信されるビーム・スプリッタ１６の方へ後ろに、平坦な鏡３２による光２３として反射される。この装置１０が１テラヘルツ分光計を増大させる場合には、エミッタおよび検出器は、例えば、光導電アンテナでありえる。テラヘルツ放射線に関して、好適なビーム・スプリッタは、厚く高い抵抗力（＞１０，０００Ｏ―ｃｍ）シリコン・スラブを含む。その背面の反射が測定ウインドウの外にあるように、ビーム・スプリッタの厚みは十分に大きく選択される。より薄いビーム・スプリッタが用いられる場合、後方からの繰返し反射がウインドウにおいて、包含されるので、パルス形状は異なるように見える。原則として、いずれの構成も、現在の本発明で使用されることがありえる。それがより振動しやすくないので、より厚いビーム・スプリッタは好まれる。それがテラヘルツ周波数の受け入れられる吸収を有する高い屈折率を有するにつれて、高い抵抗力シリコン・スラブは特にビーム・スプリッタとして適している。別の実施形態として、それらがシリコンのそれより高い吸収を有するにもかかわらず、サファイヤまたはポリエチレンがビーム・スプリッタとして用いられることが可能である。

[0028] 好ましい実施例において、装置１０は、エミッタ１２（鏡３２を収納する検出器１４および鏡３０および下部のヘッド５２）を収納する上部ヘッドまたはモジュール５１を包含する。二重センサヘッドがスキャナの一部として動くとき、コーティングされた不均一性の連続ウェブサンプル４０が横断するセンサヘッド５１、５２の間のギャップまたは変位距離「ｚ」が特に変化することがありえる。このｚ「脱線（wander）」、及び、それ故進行される放射線の様々な長さに関し説明するために、ギャップ分離は、連続的に測定されることがありえる。動的測定値は従来の装置（例えば、変位量センサー２６）で成し遂げられることがありえる。そして、それは帰納的であるか磁気測定装置を使用する。ｚ測定値に基づいて時間遅れを算出し、時間遅延信号を生成するプロセッサに、ｚ測定値からの距離信号は、通信されることがありえる。分光学ベースの手段１０がそうであるテラヘルツタイムドメインが伝送モードで示すと共に、本発明が反射モードでも適用できるものと理解される。

[0029] 作動中、レーザパルスは、エミッタ１２および検出器１４にそれぞれ向けられる。（持続波光伝導体がその代わりに用いられることがありえる。）まず最初に、テラヘルツ放射線パルスは、光導電アンテナ・エミッタにより生成されて、垂直方向において、進んでいる２つのパルスに結果としてなっている４５度角度のシリコンビーム・スプリッタ１６上のインシデントである。あるパルスはサンプル４０で伝導され、他のパルスは時間内の変動および振幅を追跡するために用いられる。２つのパルスが同時に同じ位置で生成されるので、それらの位相および振幅は極めて強く相関し、この相関は測定エラーを訂正するために用いる。ファイバーおよび温度変動の曲げが振幅および位相測定の精度の強い副作用を有することができる光ファイバ・ベースのタイムドメインテラヘルツ分光計に関し、この方法は、特に適している。複数の検出器が使用されることがありえるにもかかわらず、１台の検出器だけは必要とされる。

[0041] 正確な位相測定が特に決定的であるファイバ・オプティックス・ベースのテラヘルツタイムドメイン分光計に関して、温度の副作用およびさもなければ位相測定を妨げる他の要因に関し、連続参照しているプロシージャは、補償することがありえる。特に、ファイバ・オプティックス・ベースの分光計に関し、分極化または経路長変化は、よられているファイバーの結果として、発生するかまたはそれを伸ばしたそれらがサンプルを走査するにつれて、センサのムーブメントによって、発生する。システムが抄紙機において、典型的に使用したスキャン・タイプに関しムーブメントの効果をシミュレーションするためにテラヘルツタイムドメイン分光計のファイバー接続が手動でねじられたので、図６の一番上のプロット線は２００の異なる測定されたパルスに関し「左」および「右」のパルス間のインターパルス回のジターである。図面は、分極化変化がパルスの遅延に影響を及ぼすことを示す。図6の下側のプロットは、本発明の技術が、追跡され、2つのパルスが同様に影響されるように、これらの遅延を補正するために用いることができ、一方が他方の変化を追跡するために使用できることを示している。

Claims

コーティングされた連続ウェブ（４０）上のコーティングの厚みを計量する方法であって、
(a)一つ以上の被膜層（６）および基板層（７）を有しているコーティングされた連続ウェブ（４０）の分析モデルを展開するステップであって、
（ｉ）各被膜層（６）の厚さと、
（ｉｉ）基板層の厚さ（７）と、
（ｉｉｉ）最初に値が割り当てられる基板（７）および各被膜層（６）の屈折率と、
（ｉｖ）コーティングされた連続ウェブ（４０）の上のテラヘルツ放射線の入射の角度と、の関数として、モデルが、コーティングされた連続ウェブ（４０）による電磁界の伝送を表すことを特徴とする、展開するステップと、
(b)放射線（１８）のパルスを生成するエミッタ（１２）および放射線のパルスを受信する検出器（１４）を包含するタイムドメインテラヘルツ分光装置（１０）を使用することによって、コーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しサンプル測定を行うステップであって、
(i) サンプル（４０）と相互作用しないリファレンス放射線パルス（２０）とサンプル（４０）に向けられるサンプル放射線パルス（２２）と、リファレンス放射線パルス（２０）を形成するためにエミッタ（１２）と検出器（１４）の間の光路に沿ってビーム・スプリッタ（１６）を配置するステップと、
(ii) 検出器（１４）にサンプル放射線パルス（２３）を反射する第１の鏡（３２）を配置するステップと、
（ｉｉｉ）検出器（１４）にリファレンス放射線パルス（２１）を反射するように第2の鏡（３０）を位置決めし、同位相で変動をモニタする反射された放射線パルス（２１）およびリファレンス放射線パルス（２０）の振幅を使用するステップと、
を包含することを特徴とするサンプル測定を行うステップと、
(c)測定に関しサンプル（４０）の配置なしで、ステップ（ｂ）（ｉ）、（ｂ）（ｉｉ）および（ｂ）（ｉｉｉ）を実行することによって、タイムドメイン分光装置でコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しリファレンス測定を行うステップと、
（ｄ）コーティング（６）の厚みを決定するようにサンプル測定とリファレンス測定の間のベストフィットな関係を成し遂げるように、サンプル測定をリファレンス測定と比較し、ステップ（ａ）において、定められるモデルに基づいて基板層（７）の厚さとコーティングの厚み（６）に関する値を反復的に割り当てるステップと、
を有することを特徴とする方法。
ステップ（ｂ）が測定遅延および振幅特性を呈する測定信号を生成し、
ステップ（ｃ）がリファレンス遅延および振幅特性を呈するリファレンス信号を生成し、
ステップ（ｄ）は、測定信号をリファレンス信号と比較する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
ステップ（ｂ）において、リファレンス・パルス（２０）がサンプル・パルス（２２）と関連して異なる時間に検出器（１４）に到達するように、ビーム・スプリッタ（１６）からのリファレンスおよびサンプル・パルス（２０,２２）は適時に分離される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
ステップ（ｂ）において、
リファレンス放射線パルス（２０）の検出に基づいて時間ジターを修正するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
リファレンス放射線パルス（２０）の検出に基づいて振幅バリエーションを修正するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
連続ウェブ・サンプル（４０）上のコーティング（６）の厚みを計量するために一つ以上の被膜層（６）および基板層（７）を有しているコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）を分析するための装置であって、
タイムドメインテラヘルツ分光装置を包含するコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関するサンプル測定データ（１０）をもたらすための手段と、
タイムドメインテラヘルツ分光装置を包含するコーティングされた連続ウェブ・サンプル（４０）に関しリファレンス測定データ（１０）をもたらすための手段と、
サンプル測定データおよびリファレンス測定データを処理するためにプログラムされ、有効に接続された電子データ処理手段（１２５）と、
を有し、
コーティングの厚み（６）を決定するために、サンプル測定データとリファレンス測定データの間のベストフィットの関係を達成するように、データ処理手段（１２５）は、サンプル測定データをリファレンス測定データと比較するようにプログラムされ、コーティングされた連続ウェブ（４０）の分析モデルに基づいてコーティングの厚み（６）および基板の層（７）の厚さの値に関し反復的に割り当てられることを特徴とする装置。