JP5314015B2 - 光学的特性センサー - Google Patents

Description

本発明は、光学的特性用センサーに関連する。より具体的には、このセンサーは、移動するウェブ（webs）からの情報を実時間で提供するのに適用する。

生産工程、例えば光学フィルムの生産工程において、合格製品を厳密に製作するために、１つ以上の光学的特性を制御することが必要になることが時々ある。例えば、光学パネル表示用のようなフィルムの製作において、トランスミッション・ヘイズ（transmission haze）、透明度、透過率の特性が、しばしば大きく注目されることがある。

トランスミッション・ヘイズは、光がフィルムを通過するときに生じる可視光の広角散乱を記述するために、当業者内で使用される用語である。ヘイズのパーセントは、フィルムまたは基材を通過する光の全透過に対する拡散光の透過の割合として、種々の標準的な試験方法（例えば、ASTM D1003，ISO 13468）において一般に規定されている。より具体的には、トランスミッション・ヘイズは、光が測定する基材に対して直角に通過するとき、コリメートな光線に対して外側に２.５度まで広汎に散乱する光成分として規定されている。透明度は、２.５度の角度の範囲内で検出される低角度の散乱光を記述するのに使用される光学用語であり、また透過率は、フィルムに入射される全部の光に対する基材を通過する光の比率として規定されている。

ヘイズおよび他の光学的特性を測定する技術は、既知であり、技術文献は、オフライン用の使用として、ビック ガードナー有限会社（BYK-Gardner Gmbh）から市販されている測定装置等を、上記測定を行うデバイスとして説明している。当該デバイスは、分析的な試験のために有用であるが、一方で生産中のオンラインに使用するのは困難である。何故なら、ASTM D1003の標準プロトコルで要求されるようなフィルムを通過する全透過光を得るために、各へイズの測定用に、積分球の出口部分におけるカバーを、配置しかつ除去する必要な時間のために、応答性が遅くなるためである。スタンドアロンでヘイズを絶対測定するために、フィルムを通過する全透過光を決定するためのいくつかの方法が要求される。

ドイツ国内のＯＣＳ（Optical Control Systems）有限会社は、ビック ガードナー有限会社のデバイスと同様な制限を伴う、同一のASTM D1003標準をベースにするオンライン用センサーを開発している。

更に、上記デバイスは、大きく、かつ分厚いので、オンラインでの均一性測定のために、走査用フレームに組み込んで使用することが困難である。

また、技術文献は、飛行機用ウィンドスクリーン材の試験に使用する携帯可能なヘイズ測定デバイスを説明している。しかし、このデバイスのデザインは、特定波長のレーザー源を使用しており、このレーザー源が、別の波長で一層拡散させる材料の問題を呈示する可能性がある。

営業的に運転可能なライン速度で移動するウェブの幅全体に亘って、ヘイズおよび透明度の両方を測定できる装置に対する、実現されていないニーズが存在する。

１つの実施態様において、本発明は、サンプルの少なくとも１つの光学的特性を感知する装置を提供する。当該感知装置は、
軸に沿って実質的にコリメートな光の光源と、
光用注入口、軸上の開口部、および軸外の開口部を有する積分球と、
前記軸外の開口部に配置される散乱用センサーと、
前記軸上の開口部に隣接して配置される光用トラップ（light trap）であって、内部に透過用センサーを有する光用トラップと、
前記軸上の開口部を通過する光を前記透過用センサーに反射させるために配置される放物面ミラーと、
前記散乱用センサーおよび前記透過用センサーからの強度情報を受信し、前記光源と前記積分球との間に置かれたサンプルの前記光学的特性に相関する値を報告するための分析回路と、を備える。

別の実施態様において、本発明は、サンプルの少なくとも１つの光学的特性を感知する方法を提供する。当該感知方法は、
（Ａ）下記を含むセンサーの一組を提供すること、該センサーの一組は、
（ｉ）軸を有する光用注入口、軸上の開口部、および軸外の開口部を有する積分球と、
（ii）前記軸外の開口部に配置される散乱用センサーと、
（iii ）前記軸上の開口部に隣接して配置される光用トラップであって、内部に透過用センサーを有する光用トラップと、
（iv）前記軸上の開口部を通過する光を前記透過用センサーに反射させるために配置される放物面ミラーと、を含む、提供すること、
（Ｂ）前記軸に沿って実質的にコリメートな光線を、前記サンプルを通過させ、前記光用注入口の方に方向付けること、並びに
（Ｃ）前記散乱用センサーおよび前記透過用センサーからの強度情報を分析すること、および前記サンプルの光学的特性に相関する値を報告すること、を備える。

本発明の実施例の記載において、特定する用語は、通常の意味を有すると理解すべきである。明解にするため、以下の用語は、その意味を説明しておく。

用語「ＡＳＴＭ」とは、ＡＳＴＭ国際機関（公的には、”American Society for Testing and Material”として公知）およびＡＳＴＭ国際機関によって認可された試験方法（例えば、ASTM D1003）に言及する。

用語「ＩＳＯ」は、種々の産業用の技術的標準の国際機関である国際標準化機構（ＩＳＯ）、およびＩＳＯによって認可された試験方法（たとえば、ASTM D1003）に言及する。

用語「ＬＥＤ」は、発光ダイオードに言及する。

本発明の実施例の記載において、実施例は、図面を参照しながら記載しており、構造的特徴は、参照番号を使用することで特定される。
本発明の一実施例における装置のブロック図である。 図１の装置に関連して使用できる代替可能な２種類の開口プレートの上面図である。

本発明は、通常の生産ライン速度で移動しているウェブについて、ヘイズおよび透明度の両方を測定できる装置を提供することである。本発明は、積分球および新規のミラー配置を使用する。新規のミラー配置によって、本発明は、要求される光学特性値を実時間で推定するための測定範囲をカバーするために選択された既知のサンプルを使用して生成された、較正用曲線を利用することができる。いくつかの実施例において、比較的長い時間のシステムの変動（例えば、光源輝度のドリフト）を補償するための手段、内蔵されたヘイズ、透明度、及び/又は透過率用の標準品は、定期的に測定される。この技法は、高速、堅固であり、かつ認められたプロトコルで測定するように構築されたオフライン・ツールとの相関関係において良好で繰り返し可能であることを示す。このアプローチは、センサーの速度および応答性を著しく向上させ、均一性の測定と制御のために、オンラインでの一点または全点のウェブ走査を可能にする。

１つの実施態様において、本発明は、サンプルの少なくとも１つの光学的特性を感知する装置を提供する。上記装置は、光源を含み、該光源の光は実質的に軸に沿ってコリメートである。積分球は、光軸、軸上の開口部、および軸外の開口部と位置合せされる光用注入口を呈示する。散乱用センサーは、軸外の開口部に配置される。光用トラップは、軸上の開口部に隣接して配置され、更に、このトラップは透過用センサーを内部に有する。放物面ミラーが配置され、軸上の開口部を通過する光を透過用センサーの方向に反射させる。分析回路が呈示され、この回路は、散乱用センサーおよび透過用センサーからの強度情報を受信し、光源および積分球の間に置かれたサンプルの光学的特性に相関する値を報告する。

図に関連して説明すると、図１は、サンプル１２の少なくとも１つの光学的特性を感知するための装置１０のブロック図である。装置１０は、光線を提供する光源１４を含み、この光線は、実質的に軸に沿ってコリメートである。光源は、信号経路２０を介してＬＥＤドライバー１８によって制御されるＬＥＤモジュール１６を含むことができる。ＬＥＤモジュール１６の光出力がコリメートでないとき、当該光出力は、光ファイバーライン２４を介して光学コリメータ２２に結合させることが好都合である。

光源１４からの光は、開口部２６から外に向けられ、サンプル１２を通過する。そして、光は、光用注入口３０を介して、積分球２８に入っていく。いくつかの実施例において、光用注入口３０は、光学的保護用窓３２を有するであろう。光学的保護用窓３３は、光学コリメータ２２を保護するために提供することができる。光学的保護用窓３３は、光源１４に戻る不用意な反射を最小限にするために、光学コリメータ２２の軸に対する直交面からずれるように傾斜させることができる。

積分球２８は、軸上の開口部３４、および軸外の開口部３６を含む。散乱用センサー３８は、軸外の開口部３６に配置される。光用トラップ４０は、軸上の開口部３４に隣接して配置され、かつ透過用センサー４２が、光用トラップ４０内に配置される。放物面ミラー４４が、軸上の開口部３４を通過する光を透過用センサー４２の方向に反射させるように配置される。積分球２８内の点線は、ヘイズ（拡散による散乱）が無くて、透過率が１００％のとき、サンプル１２を通過するコリメートな光線の光経路を表現している。透過率が悪化（＜１００％）するとき、コリメートな光線の低角度の拡散が存在する。放物面ミラー４４で反射するとき、後光（halo）は、焦束化される中心の光線周辺に投射される。この後光の強度は、透過率の関数になる。

光学的開口プレート４５は、放物面ミラー４４の中心軸に対して特定角度の範囲内に、透過用センサー４２に向かう光を制限するように、透過用センサー４２に隣接する光用トラップ４０内に配置することができる。図２に関連して、光学的開口プレート４５の２つの実施例が示され、これらの光学的開口プレートは、装置１０との関連で使用することができる。開口プレート４５ａは、透過用センサー４２に到着するように、放物面ミラー４４の中心軸から駆動される光のみを許可する。代替の開口プレート４５ｂは、一層制限するもので、透過用センサー４２に到着するように、放物面ミラー４４によって中心軸に焦点化された光のみを許可する傾向になる。また、開口プレート４５ｂの拡大版は、透過用センサー４２に到着するように、放物面ミラー４４によって反射された発散光および焦点化光の両方を許可して使用することができる。使用する開口プレート４５の種類は、どの光学的特性を測定するかを規定することによって重要になる。開口プレート４５ａは、透明度を測定するのには最も適しているが、開口プレート４５ｂは、種々の形状の透過率を測定するのに使用される。

再び、図１に関連して、散乱用センサー３８および透過用センサー４２からの各々の情報は、信号線４６および４８を介して分析回路５０に送信される。分析回路５０は、強度情報を受信し、サンプル１２の注目される光学的特性に相関する値を報告する。分析回路５０は、好都合なことにセンサー増幅器５２を含むことができ、信号線４６および４８上の信号を調整することができる。分析回路５０が測定時の周辺光の影響を除去できるように、ＬＥＤドライバー１８は、ＬＥＤモジュール１６から放射される光を都合よくチョッピングすることができる。このような実施例において、チョッピングに関する情報は、ＬＥＤドライバー１８からセンサー増幅器５２に信号線５４を介して伝搬される。

センサー増幅器５２で調整された信号は、信号線５６および５８から、ロックイン増幅器６０およびアナログ/デジタル（Ａ/Ｄ）変換器６２に伝搬される。ロックイン増幅器６０は、チョッピング信号を連続する信号に戻すように変換する役割を果たす（チョッピング使用時）。Ａ/Ｄ変換器６２は、マイクロコンピュータ６６のために、伝搬信号を信号線６４に適応させる。上記処理が一旦なされると、得られた信号は、注目される光学的特性に相関付けることができ、測定値は、都合良い方法（信号線６８として表示）によって報告することができる。いくつかの実施例において、信号利得制御情報は、マイクロコンピュータ６６からセンサー増幅器５２に信号線７０に沿って提供される。

マイクロコンピュータ６６は、市販製品から得ることができ、着信情報を処理し、注目される光学的特性のために、処理情報を標準の較正曲線と比較するのに充分な能力を有している。装置１０は、測定する物と類似の標準物質を使用すること、および従来のオフライン機器での標準試験方法で決定されるような事前測定の光学的特性を有することで、較正することができる。また、従来のオフライン機器としては、例えば、ビック ガードナー有限会社（BYK-Gardner Gmbh）のオフライン用機器が活用できる。較正用曲線は、線形回帰法を使用することで準備することができ、例えば較正用データをマイクロコンピュータに格納して、営業運転可能なライン速度で駆動される移動中のウェブの幅全体に亘って、注目される光学的特性を計算することで使用することができる。特定の較正用標準曲線は、当業者には実行可能な範囲に存在するものである。

実施例
本発明による装置は、一般に図１に示すようなもので準備された。実施例は、特に無限長のウェブの測定に適しており、２つの頑丈なアルミニウムの筐体を備え、この２つの筐体は、ウェブの移動のために両者の間に通路を有していた。装置の１つの筐体には、カナダ、オンタリオ州のオズ社（OZ Optics）からモデル#HPUCO-23-400/700-M-25ACとして入手可能な光学コリメータを搭載した。この光学コリメータには、カナダ、ケベック州のドリックレンズ社（Doric Lenses）からLED Pigtail LuxeonIII Star WHI 400/430 0.37NA 0.5m FC/PCとして入手可能なピッグテイル（Pigtailed）ファイバ付ＬＥＤモジュールを接続した。ＬＥＤドライバーは、ターンオン時にＬＥＤに一定電流を駆動するカスタム回路であった。このドライバーには、フィルム測定時の周囲光の影響を制限する手段として、９ＫＨｚのチョッピング周波数を設定した。薄いガラスの窓を、光学コリメータに対向する装置に隣接して搭載し、光学コリメータの光軸に対して垂直方向に３度傾けた。

上記装置および光学コリメータに対向する第２の筐体内において、ニューハンプシャー州、北サットンのラブスフェア（Labsphere）社からのモデル# 4P-GPS-040-SF として入手可能な積分球を、光学コリメータの軸方向に整列された直径１インチ（2.54cm）の光用注入口と共に搭載した。薄いガラスの窓を、光用注入口に隣接して搭載した。積分球は、光用注入口に対向する直径０.５インチ（1.27cm）の軸上の開口部を有し、さらに光用注入口および軸上の開口部を「極（pole）」として考慮して、「赤道（equator）」に近似させて配置した直径０.５インチ（1.27cm）の軸外の開口部を有するようにした。散乱センサーとして、カリフォルニア州、ホーソーンのＵＤＴセンサー社（UDT Sensors Inc.）からのモデル# PIN10DPとして入手可能なセンサーを、軸外の開口部に配置した。

金属シートから構築された光用トラップを、積分球の軸上の開口部に配置した。透過センサーとして、カリフォルニア州、ホーソーンのＵＤＴセンサー社（UDT Sensors Inc.）からのモデル# PIN10DPとして入手可能なセンサーを光用トラップ内に配置した。放物面ミラーは、焦点距離２インチ（5.08cm）を有し、カルフォルニア州、アービンのニューポート社（Newport Corporation）からのモデル# 50329ALとして入手可能なミラーを、軸上の開口部から入射した光を透過センサーに焦点を合わせるように、光用トラップ内に配置した。図２に示す光学的開口プレートは、透過センサーに隣接する光用トラップ内に配置した。

通常の信号調整用増幅器を採用し、この増幅器を、カルフォルニア州、サンタローザのエレクトロ・オプティカル社（Electro Optical Component, Inc.）からモデル# LIA-BV-150-Lとして入手可能なロックイン増幅器、ペンシルベニア州、ステートカレッジのＲＴＤエンベテッド・テクノロジー社（RTD Embedded Technologies, Inc.）からモデル #DM6420 HR-1として入手可能なＡ／Ｄ増幅器、およびカルフォルニア州、モントローズのマイクロ/シス社（Micro/Sys）からモデル #Netsock/415として入手可能な組込型ＰＣに接続し、第２の筐体内に配置した。

本発明を、本明細書において、特に種々の実施例に関連して、開示しかつ記載してきた。しかし、当業者には、本発明の範囲を逸脱すること無く、構成および詳細における種々の変更が、可能であることを理解されることであろう。

Claims (4)

1. サンプルの少なくとも１つの光学的特性を感知する装置であって、
   軸に沿って実質的にコリメートな光の光源と、
   光用注入口、軸上の開口部、および軸外の開口部を有する積分球と、
   前記軸外の開口部に配置される散乱用センサーと、
   前記軸上の開口部に隣接して配置される光用トラップであって、内部に透過用センサーを有する光用トラップと、
   前記軸上の開口部を通過する光を前記透過用センサーに反射させるために配置される放物面ミラーと、
   前記散乱用センサーおよび前記透過用センサーからの強度情報を受信し、前記光源と前記積分球との間に置かれたサンプルの前記光学的特性に相関する値を報告するための分析回路と、を備える感知装置。
2. 前記光源は、光学コリメータに光学的に結合したＬＥＤ発光体を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記ＬＥＤ発光体は、少なくとも５ｋＨｚでチョッピングされた光を提供するように、駆動される請求項２に記載の装置。
4. 前記光学コリメータに付随する保護用窓を更に含み、前記保護用窓は、前記軸に対して垂直な面から傾斜している請求項２に記載の装置。

Images