KR20100033487A - 광학 특성 센서 - Google Patents

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Abstract

통상의 제조 속도로 움직이는 웹의 탁도 및 투명도 모두를 측정할 수 있는 장치이다. 이 장치는 집적 구 및 신규 거울 배열을 이용한다. 이러한 배열로써, 본 발명은 목적하는 측정 범위를 포괄하도록 선택된 기지의 샘플, 및 와이드 및 로우 앵글 산란 신호를 측정하는 두 개의 광 검출기의 응답을 사용하여 생성된 보정 곡선을 이용하여, 목적하는 광학 특성값을 실시간으로 알아낼 수 있다. 이 방법은 센서의 속도 및 반응을 유의하게 증가시키며, 균일도 측정 및 조절을 위해 온-라인 단일 포인트 또는 전체 웹 스캐닝을 허용한다.
광학 특성 센서, 탁도, 투명도, 집적 구, 거울 배열

Description

광학 특성 센서 {OPTICAL PROPERTY SENSOR}
본 발명은 광학 특성 센서에 관한 것이다. 본 발명은 특히 움직이는 웹으로부터의 정보를 실시간으로 제공하도록 구성된다.
예를 들어 광학 필름의 제조에서, 때론 허용되는 제품 제조를 위해 하나 이상의 광학 특성을 꽤 근접하게 조절할 필요가 있다. 예컨대 광학 패널 디스플레이용 필름을 제조할 경우에 흔히 예를 들어 투과 탁도, 투명도, 및 투과율 특성이 매우 중요하다.
투과 탁도는 가시광선이 필름을 통과할 때 가시광선의 와이드 앵글 산란을 기술하기 위해 당업계에서 사용되는 용어이다. 탁도(%)는 일반적으로 다양한 표준 시험방법(예를 들어 ASTM D1003, ISO 13468) 내에서 필름 또는 기재를 통한 총 투과율에 대한 확산광 투과율의 비로서 정의된다. 더 구체적으로, 투과 탁도는 측정될 기재를 통해 수직으로 투과할 때 시준 광선에 대하여 2.5도 각도 외부로 확산 산란되는 광 성분으로 정의된다. 투명도는 2.5도 각도 내에서 발견되는 로우 앵글 광 산란을 기술하기 위해 사용되는 광학 용어이고, 투과율은 필름에 입사한 전체 광에 대한 기재를 투과한 광의 비로서 정의된다.
탁도 및 기타 광학 특성 측정 기술은 공지이고, 당업계에는 오프-라인에서 사용하는 BYK-Gardner GmbH 시판 제품과 같은 측정 장치가 있다. 이러한 장치는 분석 실험실에서 유용하지만, ASTM D1003 표준 프로토콜에서 필요한 필름을 투과한 전체 광을 얻기 위해서 각각의 탁도 측정용 집적 구의 출구 포트에 커버를 위치시키고 제거할 필요가 있어서 반응 시간이 느리므로 온-라인 제조에 활용하기가 곤란하다. 탁도의 독립적인 절대 측정을 위해서 필름을 투과한 전체 광을 결정할 몇가지 방법이 필요하다.
독일 OCS GmbH(Optical Control System)은 BYK-Gardner 장치와 동일한 제한을 갖는 동일한 ASTM D1003 표준에 기초한 온-라인 센서를 개발하였다. 이 디자인은 라인 속도가 느린 일부 응용에 적합하지만, 탁도만을 측정하고 단지 단일 포인트 측정으로 구성된다. 게다가, 장치가 크고 벌키하여 온-라인 균일도 측정을 위한 스캐닝 프레임에 활용 및 도입하기가 곤란하였다.
당업계는 또한 항공기 방풍 재료 시험에 사용되는 휴대용 탁도 측정장치를 개시한다. 그러나, 이 디자인은 특정 파장 레이저원을 활용하므로 다른 파장에서 더욱 산란하는 재료의 경우 문제가 될 수 있다.
상업적으로 실행되는 라인 속도로 움직이는 웹의 폭에 걸쳐서 탁도 및 투명도를 모두 측정할 수 있는 장치가 절실히 필요하다.
개요
일 면에서, 본 발명은 하기를 포함하는 샘플의 하나 이상의 광학 특성을 감지하는 장치를 제공한다:
실질적으로 축을 따라 시준되는 광원;
광 입구, 축상(on-axis) 개구, 및 축외(off-axis) 개구를 갖는 집적 구;
축외 개구에 위치하는 산란 센서;
축상 개구에 인접하여 위치하고 내부에 배치된 투과율 센서를 갖는 광 트랩;
축상 개구를 통과하는 광을 투과율 센서쪽으로 반사시키도록 위치된 포물면 거울; 및
산란 센서 및 투과율 센서로부터의 세기 정보를 수신하고 광원과 집적 구 사이에 배치된 샘플의 광학 특성에 상관되는 값을 보고하기 위한 분석 회로.
다른 면에서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 샘플의 하나 이상의 광학 특성을 감지하는 방법을 제공한다:
(A)
(ⅰ) 축을 갖는 광 입구, 축상(on-axis) 개구, 및 축외(off-axis) 개구를 갖는 집적 구;
(ⅱ) 축외 개구에 위치하는 산란 센서;
(ⅲ) 축상 개구에 인접하여 위치하고 내부에 배치된 투과율 센서를 갖는 광 트랩; 및
(ⅳ) 축상 개구를 통과하는 광을 투과율 센서쪽으로 반사시키도록 위치된 포물면 거울
을 포함하는 센서 세트를 제공하는 단계;
(B) 실질적으로 축을 따라 시준된 광선을 샘플을 통해 광 입구로 유도하는 단계; 및
(C) 산란 센서 및 투과율 센서로부터의 세기 정보를 분석하고 샘플의 광학 특성에 상관되는 값을 보고하는 단계.
본 발명의 실시양태에서, 특정 용어는 통상의 의미를 갖는 것으로 이해할 수 있다. 명료성을 위해서, 하기 용어는 본원에서 기재된 의미를 갖는다:
"ASTM"은 ASTM International(구 미국 재료 시험 협회로 알려짐) 및 ASTM International에 의해 인증된 시험법(예, ASTM D1003)을 지칭한다.
"ISO"는 다양한 산업의 기술 표준의 국제 단체인 국제 표준화 기구 및 ISO에 의해 인증된 시험법(예, ISO 13468)을 지칭한다.
"LED"는 발광 다이오드를 지칭한다.
본 발명의 실시양태에서, 참고 번호를 사용하여 구조적 특징부를 식별하는 도면을 참조로 기술한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 장치의 블록선도이다.
도 2는 도 1에 따른 장치와 관련하여 사용될 수 있는 개구 플레이트의 2 가지 버전을 도시한 평면도이다.
본 발명은 통상의 제조 라인 속도로 움직이는 웹의 탁도 및 투명도를 모두 측정할 수 있는 장치를 제공한다. 본 발명은 집적 구 및 신규 거울 배열을 이용한다. 이러한 배열로써, 본 발명은 목적하는 측정 범위를 포괄하도록 선택된 기지의 샘플을 사용하여 생성된 보정 곡선을 이용하여 목적하는 광학 특성값을 실시간으로 알아낼 수 있다. 일부 실시양태에서, 장기간 시스템 변화(예를 들어 광원 세기 표류), 구축된 탁도, 투명도, 및/또는 투과율 표준을 보상하는 수단을 주기적으로 측정한다. 이러한 기술은 신속하고, 견고하며, 허용된 프로토콜로 측정하도록 구축된 오프-라인 도구에 대해 우수하고 반복가능한 상관관계를 제시한다. 이 방법은 센서의 속도 및 반응을 유의하게 증가시키며, 균일도 측정 및 조절을 위해 온-라인 단일 포인트 또는 전체 웹 스캐닝을 허용한다.
일 면에서, 본 발명은 샘플의 하나 이상의 광학 특성을 감지하는 장치를 제공한다. 장치는 실질적으로 축을 따라 시준되는 광원을 포함한다. 축과 정렬된 광 입구, 축상(on-axis) 개구, 및 축외(off-axis) 개구를 갖는 집적 구가 존재한다. 산란 센서는 축외 개구에 위치한다. 광 트랩은 축상 개구에 인접하여 위치하고 내부에 배치된 투과율 센서를 갖는다. 축상 개구를 통과하는 광을 투과율 센서쪽으로 반사시키도록 포물면 거울이 위치한다. 산란 센서 및 투과율 센서로부터의 세기 정보를 수신하고 광원과 집적 구 사이에 배치된 샘플의 광학 특성에 상관되는 값을 보고하기 위한 분석 회로가 존재한다.
도면으로 돌아가서, 도 1은 샘플(12)의 하나 이상의 광학 특성을 감지하기 위한 장치(10)의 블록선도이다. 장치(10)는 실질적으로 축을 따라 시준되는 광선을 제공하는 광원(14)을 포함한다. 광원은 제어 경로(20)를 통해 LED 드라이버(18)의 제어하에 있는 LED 모듈(16)을 포함할 수 있다. LED 모듈(16)의 광 출력이 시준되지 않은 경우, 이의 출력을 광섬유 라인(24)을 통해 광학 시준기(22)에 커플링시키는 것이 편리하다.
광원(14)으로부터의 광은 개구(26)로부터 샘플(12)을 통해 안내된다. 이어서 광은 광 입구(30)를 통해 집적 구(28)에 들어간다. 일부 실시양태에서, 광 입구(30)는 보호창(32)을 갖는다. 시준기(22)를 보호하기 위해 선택적인 보호창(33)이 존재할 수 있다. 광원(14)쪽으로 의도하지 않은 반사를 최소화하기 위해서 보호창(33)은 시준기(22)의 축에 수직한 평면으로부터 경사질 수 있다.
집적 구(28)는 축상(on-axis) 개구(34) 및 축외(off-axis) 개구(36)를 포함한다. 산란 센서(38)는 축외 개구(36)에 위치한다. 광 트랩(40)은 축상 개구(34)에 인접하여 위치하고, 광 트랩(40)내부에 투과율 센서(42)가 배치된다. 축상 개구(34)를 통과하는 광을 투과율 센서(42)쪽으로 반사시키도록 포물면 거울(44)이 위치한다. 집적 구(28) 내의 점선은 탁도(확산 산란)가 존재하지 않고 투명도가 100%일 경우 샘플(12)을 통해 시준된 광선의 광 경로를 묘사한다. 투명도가 악화될(<100%) 경우 시준된 광선의 로우 앵글 확산이 존재한다. 포물면 거울(44)로부터 반사될 경우 초점이 잡힌 주 광선 주위로 헤일로(halo)가 투사된다. 헤일로의 세기는 투명도의 함수이다.
포물면 거울(44)의 중심축에 비교되는 특정 각도 범위로 투과율 센서(42)에 입사한 광을 제한하기 위해서 투과율 센서(42)에 인접하여 광 트랩(40)내에 선택적인 개구 플레이트(45)가 배치될 수 있다. 도 2를 참고로, 개구(10)과 관련하여 사용될 수 있는 2개의 개구 플레이트(45) 실시양태를 예시한다. 개구 플레이트(45a)는 포물면 거울(44)의 중심축으로부터 발산하는 광만이 투과율 센서(42)에 도달하게 한다. 다른 개구 플레이트(45b)는 보다 제한적이어서 포물면 거울(44)에 의해 중심축 쪽으로 초점이 잡힌 광만이 투과율 센서(42)에 도달하게 하는 경향이 있다. 포물면 거울(44)로부터 반사하는 발산광 및 초점광 모두가 투과율 센서(42)에 도달하도록 하기 위해서 개구 플레이트(45b)의 확대 버전을 사용할 수도 있다. 사용된 개구 플레이트(45)의 버전은 측정될 광학 특성을 규정하기 때문에 중요하다. 개구 플레이트(45a)는 투명도 측정에 가장 적합하고, 개구 플레이트(45b)는 다양한 형태의 투과율 측정에 사용된다.
다시 도 1을 참고로, 산란 센서(38) 및 투과율 센서(42)로부터의 정보는 각각 신호 라인(46, 48)을 통해 분석 회로(50)로 보내진다. 분석 회로(50)는 세기 정보를 수신하고 샘플(12)의 관심 광학 특성에 상관되는 값을 보고한다. 신호 라인(46, 48)상 신호를 조절하기 위해 분석 회로(50)는 센서 증폭기(52)를 포함하는 것이 유리하다. 분석 회로(50)가 주변광이 측정에 미치는 영향을 더 잘 배제하기 위해서, LED 드라이버(18)는 LED 모듈(16)에 의해 방출된 광을 초핑하는 것이 편리하다. 이러한 실시양태에서, 초핑에 대한 정보는 신호 라인(54)을 통해 LED 드라이버(18)로부터 센서 증폭기(52)로 전달된다.
센서 증폭기(52)로부터의 조절된 신호는 신호 라인(56, 58) 상에서 락-인 증폭기(60) 및 아날로그-디지탈(A/D) 컨버터(62)로 전달된다. 락-인 증폭기(60)는 초핑된 신호(초핑이 사용된 경우)를 연속 형태로 전환시키는 작용을 한다. A/D 컨버터(62)는 신호가 신호 라인(64) 상에서 마이크로컴퓨터(66)로 전달되게 한다. 이후, 신호는 관심 광학 특성에 상관되고 임의의 편리한 방식으로(신호 라인(68)으로 나타냄) 값이 보고될 수 있다. 일부 편리한 실시양태에서, 신호 이득 제어 정보는 신호 라인(70)을 따라 마이크로컴퓨터(66)로부터 센서 증폭기(52)로 공급된다.
마이크로컴퓨터(66)는 상업적으로 입수할 수 있으며, 입력 신호를 처리하고 이를 관심 광학 특성을 위해 표준 보정 곡선과 비교하기에 충분한 용량을 갖는다. 장치(10)는 측정되는 물질과 유사하고 오프-라인용으로 BYK-Gardner GmbH로부터 입수가능한 통상의 오프-라인 기기상에서 표준 시험법으로 측정된 사전 측정된 광학 특성을 갖는 표준 물질을 사용하여 보정될 수 있다. 보정 곡선은 예를 들어 선형 회귀 기법을 사용하여 준비될 수 있으며, 보정 데이터는 마이크로컴퓨터에 저장되어 상업적으로 실행되는 라인 속도로 이동하는 움직이는 웹의 폭에 걸쳐서 관심 광학 특성을 연산하는데 이용할 수 있다. 이러한 표준 곡선의 생성은 당업자 능력 범위내에 있다.
일반적으로 본 발명에 따른 장치는 도 1에 예시된 대로 제조할 수 있다. 이 실시양태는 특히 무한 길이 웹 측정에 적합하고, 웹의 이동 동안 사이에 통로를 갖는 2개의 견고한 알루미늄 인클로우저를 특징으로 한다. 하나의 인클로우저에는 캐나다 온타리오주의 OZ Optics로부터 모델 #HPUCO-23-400/700-M-25AC로 시판되는 광학 시준기를 장착하는 개구가 있다. 이 광학 시준기는 캐나다 퀘벡주 Doric Lenses로부터 LED Pigtail LuxeonIII Star WHI 400/430 0.37NA 0.5m FC/PC로 시판되는 피그테일형(pigtailed) 섬유를 사용하여 LED 모듈에 연결된다. LED 드라이버는 켜질 때 LED에 일정한 전류를 전달하는 주문형 회로이다. 이 드라이버는 필름 측정시 주변광의 영향을 제한하는 방책으로서 9kHz의 초핑 주파수로 설정된다. 그 법선이 시준기의 축으로부터 3도 경사진 얇은 유리창이 시준기 맞은편 개구에 인접하여 배치된다.
개구 및 시준기 맞은편 제2 인클로우저에는, 뉴 햄프셔 노쓰 셔튼 소재 Labsphere, Inc.로부터 모델# 4P-GPS-040-SF로 시판되는 집적 구가 장착되고 이의 1인치 직경 광 입구는 시준기의 축과 정렬된다. 광 입구에 인접하여 얇은 유리창이 장착된다. 집적 구는 광 입구 맞은편에 0.5인치 직경 축상 개구, 및 광 입구 및 축상 개구를 "극"으로 간주할 경우 대략 "적도"에 위치한 0.5인치 직경 축외 개구를 갖는다. 캘리포니아 호돈 소재 UDT Sensors Inc.로부터 모델# PIN10DP로 시판되는 산란 센서는 축외 개구에 위치된다.
판금속으로 구성된 광 트랩은 집적 구의 축상 개구에 위치된다. 캘리포니아 호돈 소재 UDT Sensors Inc.로부터 모델# PIN-10DP로 시판되는 투과율 센서는 광 트랩내에 위치된다. 축상 개구로부터 나온 광을 투과율 센서쪽으로 집중시키기 위해서 캘리포니아 어빈 소재 Newport Corporation으로부터 모델# 50329AL로 시판되는 초점길이 2인치의 포물면 거울이 광 트랩내에 위치된다. 도 2에 도시된 선택적인 개구 플레이트는 투과율 센서에 인접하여 광 트랩내에 위치된다.
주문형 신호 조절 증폭기는 캘리포니아 산타 로사 소재 Electro Optical Components, Inc.로부터 모델# LIA-BV-150-L로 시판되는 락-인 증폭기, 펜실베니아 스테이트 컬리지 소재 RTD Embedded Technologies, Inc.로부터 모델# DM6420 HR-1로 시판되는 A/D 컨버터, 및 캘리포니아 몬트로스 소재 Micro/Sys로부터 모델# Netsock/415로 시판되는 내장 PC와 연결되어 제2 인클로우저내에 위치된다.
본 발명은 이의 다양한 실시양태를 참조하여 특별하게 예시 및 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항에서 다양한 다른 변화가 가능함을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 실질적으로 축을 따라 시준되는 광원;
    광 입구, 축상(on-axis) 개구, 및 축외(off-axis) 개구를 갖는 집적 구;
    축외 개구에 위치하는 산란 센서;
    축상 개구에 인접하여 위치하고 내부에 배치된 투과율 센서를 갖는 광 트랩;
    축상 개구를 통과하는 광을 투과율 센서 쪽으로 반사시키도록 위치된 포물면 거울; 및
    산란 센서 및 투과율 센서로부터의 세기 정보를 수신하고, 광원과 집적 구 사이에 배치된 샘플의 광학 특성에 상관되는 값을 보고하기 위한 분석 회로를 포함하는,
    샘플의 하나 이상의 광학 특성을 감지하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 광원은 광학 시준기와 광학적으로 커플링된 LED 조명기를 포함하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, LED 조명기는 적어도 5 kHz로 초핑된 광을 제공하도록 구동되는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 광학 시준기와 연계되고 축에 수직한 평면으로부터 경사진 보호창을 더 포함하는 장치.
  5. (A)
    (ⅰ) 축을 갖는 광 입구, 축상 개구, 및 축외 개구를 갖는 집적 구;
    (ⅱ) 축외 개구에 위치하는 산란 센서;
    (ⅲ) 축상 개구에 인접하여 위치하고 내부에 배치된 투과율 센서를 갖는 광 트랩; 및
    (ⅳ) 축상 개구를 통과하는 광을 투과율 센서 쪽으로 반사시키도록 위치된 포물면 거울을 포함하는 센서 세트를 제공하는 단계;
    (B) 실질적으로 축을 따라 시준된 광선을 샘플을 통해 광 입구로 유도하는 단계; 및
    (C) 산란 센서 및 투과율 센서로부터의 세기 정보를 분석하고 샘플의 광학 특성에 상관되는 값을 보고하는 단계를 포함하는,
    샘플의 하나 이상의 광학 특성을 감지하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 실질적으로 시준된 광선의 광원은 광학 시준기와 광학적으로 커플링된 LED 조명기에 의해 형성되는 방법.
  7. 제6항에 있어서, LED 조명기는 적어도 5 kHz로 초핑된 광을 제공하도록 구동되는 방법.
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