TW201940836A - 測定裝置及測定方法 - Google Patents

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Abstract

為提供一測定裝置以精確地量測具有片狀形狀的測定目標之物理量，本發明提供一測定裝置以量測具有片狀形狀的測定目標之物理量。該測定裝置包含：一第一積分球，與測定目標的一第一表面隔著一間隙，具有面對該第一表面的一第一開口，並且不設有偵測用於物理量之計算的光強度的光偵測器；一第二積分球，與測定目標的一第二表面隔著一間隙，其中該第二表面位在該第一表面相反側，且具有面對該第一開口的一第二開口而測定目標夾在兩者之間；一光源，將光射進第一積分球；一光偵測單元，偵測在第二積分球內的光強度；以及一計算單元，根據由光偵測單元所偵測到的光強度計算測定目標的物理量。

Description

測定裝置及測定方法
本發明與一測定裝置及一測定方法相關。
傳統上，一測定目標的透射率等藉由向該測定目標發射光並偵測其反射光及透射光而加以量測。已知的是，藉由使用一積分球以量測反射光及透射光，可精確地量測諸如透射率的物理量（例如，可參見專利文件1及2）。亦已知的是，將具有不同於彼此之光學波長的測定光及參考光發射至一測定目標（例如，可參見專利文件3及4）。
專利文件1：日本專利申請案公開號第2004-361149號
專利文件2：日本專利申請案公開號第2012-63333號
專利文件3：日本專利申請案公開號第Sho56-168502號
專利文件4：日本專利申請案公開號第2016-95258號
然而，在測定目標係雙折射的情況下或是其他狀況，干涉可能在反射光中發生，使物理量的準確測定變得困難。
本發明的第一個實施態樣提供一測定裝置，以量測具有片狀形狀的測定目標的物理量。該測定裝置包含：（a）一第一積分球，與測定目標的一第一表面隔著一間隙，具有面對該第一表面的一第一開口，並且不設有用以偵測用於物理量之計算的光強度的光偵測器；（b）一第二積分球，與測定目標的一第二表面隔著一間隙，其中該第二表面位在該第一表面相反側，且具有面對該第一開口的一第二開口而測定目標夾在兩者之間；（c）一光源，將光射進第一積分球中；（d）一光偵測單元，偵測在第二積分球內的光強度；以及（e）一計算單元，根據由光偵測單元所偵測到的光強度計算測定目標的物理量。
本發明的第二個實施態樣提供一測定方法，以量測具有片狀形狀的測定目標的物理量，該測定方法包括：（a）將光射進第一積分球中；（b）偵測在第二積分球內的光強度；以及（c）根據在該偵測步驟中所偵測到的光強度計算測定目標的物理量。該第一積分球係與該測定目標的一第一表面隔著一間隙，具有面對該第一表面的一第一開口，並且不設有用以偵測用於該物理量之計算的光強度的光偵測器，並且該第二積分球係與位於該第一表面相反側的該測定目標的一第二表面隔著一間隙，且具有面對該第一開口的一第二開口而測定目標夾在兩者之間。
此發明內容條款並不必要描述所有本發明實施例的必要特徵。本發明亦可為上述特徵的子組合。
以下，本發明將透過本發明的實施例加以描述。然而，後續的實施例並不應限制所請發明。並且，所描述與實施例相關之特徵部的每個組合不應視為對由本發明實施態樣所提供的方法而言是必要的。
圖1顯示根據本實施例的測定裝置100連同測定目標10的設置示例。測定目標10可具有片狀形狀。舉例而言，測定目標10具有大約從若干微米到若干毫米的厚度。舉例而言，測定目標10亦具有一預定的寬度。測定目標10亦可具有在縱向方向上連續的形狀。舉例而言，測定目標10在縱向方向上延伸。舉例而言，測定目標10具有大約若干公尺的寬度。圖1顯示一範例，其中測定目標10在y方向上具有一預定寬度，且x方向為縱向方向。測定目標10亦至少包含例如紙或樹脂（PET等）的材料。
根據本實施例的測定裝置100在不使用來自測定目標10之前方表面及後方表面的反射光強度的情況下，量測有這樣的片狀形狀的測定目標10的一物理量。本實施例描述一示例，其中由測定裝置100所偵測的一物理量係測定目標10的厚度。測定裝置100包含一框架110、一量測頭120、一頭部移動單元130、以及一目標移動單元140。
框架110包含讓測定目標10穿過的一開口。圖1顯示一示例，其中框架110的位置固定且測定目標10在x方向上運送。量測頭120安裝於框架110的開口內部，使得穿過該開口的測定目標10的物理量可被量測。
量測頭120包含諸如一光源以及一光偵測器的光學元件並且光學性地量測測定目標10的物理量。量測頭120包含一第一頭部122以及一第二頭部124。第一頭部122面對測定目標的第一表面，而第二頭部124面對位於第一表面相反側之的測定目標的第二表面。圖1顯示一示例，其中面對+z方向的測定目標10表面稱為一第一表面，而面對-z方向的表面稱為一第二表面。
設有第一頭部122及第二頭部124，使它們面對彼此而測定目標10夾設在其間。意即，布置第一頭部122及第二頭部124，使得當測定光從第一頭部122及第二頭部124中的任意一個發射至測定目標10時，穿過測定目標10的該測定光可由第一頭部122及第二頭部124中的另一者所偵測。這樣的藉由量測頭120所執行的物理量偵測將在下方描述。
頭部移動單元130在大約垂直於測定目標10之運輸方向的方向上移動量測頭120。意即，頭部移動單元130在寬度方向上移動量測頭120。換句話說，頭部移動單元130將量測頭120固定於框架110，使得量測頭120可在y方向上移動。頭部移動單元130包含一第一頭部移動單元132以及一第二頭部移動單元134。
第一頭部移動單元132相對於該測定目標在第一表面側上以寬度方向移動該第一頭部122。第二頭部移動單元134在與該測定目標第二表面相同側上以寬度方向移動該第二頭部124。第一頭部移動單元132以及第二頭部移動單元134在寬度方向上移動第一頭部122及第二頭部124，而該第一頭部122與該第二頭部124面對彼此且測定目標10夾設在其間。因此，較佳的是在量測頭120由頭部移動單元130所移動的同時可持續量測測定目標10。
目標移動單元140在縱向方向上運送測定目標10。在圖1的示例中，如箭頭所示，目標移動單元140移動測定目標10的運輸方向大約平行於x方向。舉例而言，目標移動單元140具有滾輪等在測定目標10的第一表面以及/或者第二表面上，以運送測定目標10。目標移動單元140亦可藉由以滾輪等捲拉測定目標10而運送該測定目標10。
上述的頭部移動單元130及目標移動單元140可運作為一協作移動單元。意即，移動單元在平面方向上相對於測定目標10移動量測頭120。例如，該移動單元在使測定目標10在縱向方向上移動的同時，使量測頭120在測定目標10的寬度方向上往復。以這種方式，移動單元可在測定目標10的平面方向上以之字形路線相對地移動量測頭120。因此，量測頭120可在任意位置較佳地量測測定目標10的一物理量。
圖1將量測頭120在測定目標10平面方向上的相對移動方向描繪作量測路線12。量測頭120量測在量測路線12上的測定目標10之物理量。較佳的是，移動單元在針對測定目標10的量測頭120進行測量的同時，相對於測定目標10持續地移動量測頭120。
應注意的是，在上述示例中，根據此實施例的測定裝置100包含頭部移動單元130及目標移動單元140，但是此實施例並不限於此。例如，測定裝置100可僅包含頭部移動單元130及目標移動單元140中的任意一個。測定裝置100亦可包含複數個量測頭120。在這個情況下，測定裝置100可包含可個別移動複數個量測頭120的一頭部移動單元130。測定裝置100亦可包含移動框架110的一框架移動單元，而不是移動測定目標10的目標移動單元140。
舉例來說，當在上述測定裝置100中測定光從第一頭部122發射至測定目標10時，來自測定目標10之前方表面的反射光被導向第一頭部122，而穿透過測定目標10的透射光被導向第二頭部124。基於這樣的反射光及透射光，可量測各種物理量，例如測定目標10對該測定光的光吸收量、光吸收率、光吸收係數、以及光透射率；以及測定目標10的水含量、厚度、以及基重（grammage）。
舉例而言，測定目標10對測定光的光吸收量IABS 、光吸收率CABS 、以及光透射率CTR 可以下列方程式表示：
（方程式1）



其中，IIN 為測定光的強度，IREF 為反射光強度，而ITR 為透射光強度。
下列方程式亦適用：
（方程式2）

其中，t為測定目標10的厚度，而α為光吸收係數。
已知的是，可藉由使用裝設在第一頭部122上以偵測反射光的光偵測器以及裝設在第二頭部124上以偵測透射光的光偵測器，以分別偵測反射光強度（IREF ）及透射光強度（ITR ），將各種物理量加以量測。值得注意的是，測定光的強度（IIN ）可以第一頭部122的光偵測器偵測。或者，可預先觀察供應至光源的電流以及/或者電壓等與光輸出之間的關係，以根據電流以及/或者電壓等之供應量來計算測定光的強度（IIN ）。
然而，隨著測定目標10的反射光強度增加，由於干涉的發生，反射光的強度可能會改變。意即，這可能導致在反射光強度（IREF ）的偵測結果以及實際所反射的光強度之間的誤差。因此，已知的是，當測定光進入測定目標10的入射角為抑制反射光發生的布魯斯特角時，可降低這樣的干涉的影響。然而，當測定目標10是雙折射的，在測定目標10前方表面上之反射光的發生可被抑制，但反射可能發生在後方表面上。在此，雙反射是指由於偏振軸的旋轉而導致進入一材料的線性偏振光的一部份變成橢圓偏振光的性質。
圖2顯示測定光根據此實施例以布魯斯特角進入測定目標10的一個示例。圖2顯示一示例，其中，由於測定目標10的雙折射性，儘管P偏振測定光以布魯斯特角進入，仍發生干涉。從測定目標10的前方表面進入的測定光，穿透過測定目標10且接著到達測定目標10的後方表面。若測定目標10為雙折射的，該P偏振測定光的一部份在測定目標10的後方表面上變為橢圓偏振光，且一部分的該橢圓偏振光被反射。即使測定光以布魯斯特角進入，這樣的反射可能在測定目標10的前方表面及後方表面造成干涉等等，導致物理量量測結果的不自然行為。
PET通常以雙軸拉伸製造。雙軸拉伸是指在長及寬的方向上拉長（拉伸）熱塑樹脂（塑膠）。這樣的拉伸使得測定目標10能變薄。此外，藉由控制在各軸向上的拉伸力以調節分子定向，可給予測定目標10機械強度以及/或者光學性質。
以這種方式，當測定目標10在兩端（緣）固持住的情況下拉伸，可能發生曲折現象─一種分子定向的方向及強度在寬度方向上改變的現象。舉例而言，若是在測定目標10的拉伸步驟前將一直線拉引在一膜幅（film web）上，在拉伸步驟後該直線可能轉變為在測定目標10中的一弧線。該曲折現象造成在測定目標10的整個前方表面上變動的光學性質的分布。在此情況下，即使佈置測定光的入射角使得反射的影響降低，反射率等也根據該分布而變化。也就是說，測定光可能很難以一致的布魯斯特角進入測定目標10。
圖3顯示根據此實施例之測定目標10的定向方向的第一示例。在所示的例子中，第一示例的定向方向大約平行於x軸。例如，顯示於圖3中的測定目標10的定向角假設為零度。
圖4顯示了示於圖3中的測定目標10之透射性質的一個例子。圖4中的橫軸顯示進入測定目標10的光的波長（1.67-2.50 μm），而縱軸顯示透射率（%）。應注意的是，進入測定目標10的光為P偏振光。圖4顯示藉由使用FTIR（傅立葉轉換紅外光譜）而得的透射性質的量測結果的一個例子。
圖5顯示根據此實施例之測定目標10的定向方向的第二示例。第二示例的定向方向顯示一個例子，其中示於圖3中之測定目標10的定向方向轉了大約45度。例如，顯示於圖5中的測定目標10的定向角假設為45度。
圖6顯示了示於圖5中的測定目標10之透射性質的一個例子。如同圖4，圖6中的橫軸顯示進入測定目標10的光的波長（1.67-2.50 μm），而縱軸顯示透射率（%）。應注意的是，進入測定目標10的光為P偏振光。如同圖4，圖6顯示藉由使用FTIR（傅立葉轉換紅外光譜）所得之透射性質的量測結果的一個例子。
圖4及圖6為光以布魯斯特角進入測定目標10的例子。藉由比較圖4及圖6，可瞭解到的是，干涉發生及抑制的狀態依據測定目標10的旋轉而變化。以這種方式，可了解到的是，測定目標10的干涉程度依據測定目標10的定向角而改變。
圖7顯示根據本實施例之測定目標10的定向方向分布的一個例子。圖7顯示了在平面中測定目標10的寬度方向（y軸方向）上的光率體示意圖的一個例子，該測定目標10已經過雙軸拉伸。該雙軸拉伸步驟可造成測定目標10在單一寬度方向上以不同的力和不同方向拉伸，而導致不同的定向角。在這個情況下，舉例來說，即使測定光在整個寬度方向上以相同入射角進入，根據其所在測定目標10的寬度方向上的位置，干涉會以不同方式出現。以這種方式，當曲折現象發生時，光學性質可能傾向於改變，如圖4及圖6中所示。
上述的例子描述了具有雙折射性之測定目標10的量測結果的一個例子。然而，當散射光發生於測定目標10的前方表面以及/或者後方表面上時，量測結果亦可相似地呈現不自然的行為。意即，來自測定目標10之前方表面以及/或者後方表面的反射光由於干涉可能顯著地變化。因此，即使藉由使用反射光強度（IREF ）來計算物理量，如同在例如方程式1及方程式2中的那樣，可能與實際物理量存在誤差。
舉例而言，由於反射光強度（IREF ）因為干涉可變化大約若干百分比，因此以大約0.1%的誤差量測透射光強度等就可能是有挑戰性的。所以，根據本實施例的測定裝置100藉由使用積分球來發射測定光至測定目標10，以限制這樣的干涉的發生。接著，測定裝置100基於透射光強度（ITR ）的偵測結果，精確地量測該測定目標10的物理量，同時抑制干涉。測定裝置100的量測頭120將在後續內容描述。
圖8顯示根據本實施例的量測頭120連同測定目標10的設置示例。該量測頭120如圖1中所述，包含第一頭部122以及第二頭部124。此外，測定目標10放置於第一頭部122及第二頭部124之間。該量測頭120包含：一第一積分球210 、一光源單元220、一屏蔽板222、一第二積分球230、一光偵測單元240、以及一屏蔽板242。該測定裝置100亦更包含一計算單元250。
第一積分球210與測定目標10的第一表面隔著一間隙。第一積分球210較佳是位在不會接觸到測定目標10的位置。第一積分球210包含面對該第一表面的一第一開口。第一積分球210具有球體的一部份以一平面切斷這樣的形狀，而該切斷表面可形成為第一開口。第一積分球的第一開口可具有一圓形的形狀。此外，第一積分球210的該第一開口可位於第一積分球210的球心與第一表面之間。也就是說，第一積分球210的外廓形狀可比相對應的半球具有更大的表面區域且更相似於球形。
第一積分球210的內壁反射輸入光並且將其從該開口朝向測定目標10輸出。具有高反射性以及高擴散性的表面適合用於第一積分球210的內壁。舉例而言，藉由將粗糙化的表面鍍金所形成的表面，或是藉由將粗糙化的粗糙表面用諸如碳酸鋇的具有高反射性以及高擴散性的材料塗覆所形成的表面，是合適的。第一積分球210並不設有偵測用於計算物理量之光強度的光偵測器。亦即，第一積分球210不設有量測來自測定目標10之反射光的光偵測器。值得注意的是，第一積分球可設有偵測不是反射光的光（例如測定光）之強度的光偵測器。即使第一積分球210設有光偵測器且偵測到反射光，其結果可能不會用於測定目標10之物理量的計算。
光源單元220將光發射進第一積分球210中。光源單元220發出作為測定光發射至測定目標10的光進入第一積分球210中。光源單元220可設於第一積分球210內側，或者，可設於第一積分球210的外側。若光源單元220設於第一積分球210的外側，該光源單元可將光從有別於第一積分球210之第一開口的一個開口發射。舉例而言，光源單元220發出紅外光。光源單元220可發出具有一或多種波長的光。
屏蔽板222屏蔽了由光源單元220所發出的光的一部份。屏蔽板222防止由光源單元220所發射的光未在第一積分球210內壁反射就直接到達測定目標10。也就是說，由光源單元220所發出的光在發射至測定目標10以前，在第一積分球210內壁上反射一或多次。以這種方式，第一頭部122可以各種入射角發出測定光至測定目標10。到測定目標10的入射角可大於零度。這增加了由測定目標10所吸收之光的量，以提升對具有薄的厚度的測定目標10的量測精確度。應注意的是，該零度指的是光進入的入射角大約垂直於測定目標10的第一表面。
在此，舉例來說，干涉以下列機制發生：當在測定目標10前方表面上反射的光與在後方表面上反射的光之間的光程差是測定光波長的m倍大時，波組合而產生更強的波；而當它是（m+1/2）倍大時，波組合而產生更弱的波，其中m = 0, 1, 2,…。在此，當第一頭部122以各種入射角發出測定光，在測定目標10的前方表面與在後方表面上反射的光之間的光程差將會是各種不同數值而非一固定值。由於這樣的各種不同光程差，建設性干涉與破壞性干涉混合而被平均，導致整體反射光干涉的影響降低。
因此，即使測定目標10是雙折射的，或是在前方表面以及/或者後方表面上有反射光，干涉的影響藉由使用第一頭部122可受到抑制。此外，由於第一積分球210的多重反射，第一頭部122可藉由重複使用反射光，以有效率地將測定光發射至測定目標10。
第二積分球230與位在測定目標10第一表面相反側的第二表面隔著一間隙。第二積分球230較佳是位在不會接觸到測定目標10的位置。也就是說，第一積分球210及第二積分球230設於相隔一預定距離的位置，且測定目標10放置在介於第一積分球210及第二積分球230之間的間隙中。移動單元將這樣的第一積分球210及第二積分球230在平面方向上相對於測定目標10移動。
第二積分球230具有面對該第一開口的一第二開口，而測定目標10夾在兩者之間。第二積分球230具有球體的一部份以一平面切斷這樣的形狀，而該切斷表面可形成為第二開口。第二積分球230的第二開口可具有一圓形的形狀。此外，第二積分球230的該第二開口可位於第二積分球230的球心與第二表面之間。也就是說，第二積分球230的外廓形狀可比相對應的半球具有更大的表面區域且更相似於球形。
第二積分球230的形狀可近似於第一積分球210的形狀。第二積分球230的形狀可與第一積分球210的形狀大致相同，或是與其不同。舉例而言，可形成第二積分球230的第二開口使其大於第一積分球210的第一開口。第二積分球230的內壁反射輸入光，以將該光發射至光偵測單元240。具有高反射性以及高擴散性的表面適合用於第二積分球230的內壁。舉例而言，藉由將粗糙化的粗糙表面鍍金所形成的表面，或是藉由將粗糙化的粗糙表面用諸如碳酸鋇的具有高反射性以及高擴散性的材料塗覆所形成的表面，是合適的。
光偵測單元240偵測在第二積分球230內部的光強度。光偵測單元240可設於第二積分球230內側，或者，可設於第二積分球230的外側。若光偵測單元240設於第二積分球230的外側，該光偵測單元240可接收來自有別於第二積分球230第二開口的一個開口的光。光偵測單元240可以是諸如光二極體的一感測器，其偵測光的電磁能量等等。
屏蔽板242反射了至少一部份在第二積分球230內部反射否則會洩漏到外側的光，並將其傳送回第二積分球230內。由光偵測單元240所接收到的光強度可依據將光反射的第二積分球230與測定目標10之間的相對位置而變化。舉例而言，在第二積分球230內部反射而在未經光偵測單元240偵測的情況下就被輸出到第二積分球230外的光，根據第二積分球230與測定目標10之間的相對位置（例如一間隙、測定目標10的傾斜、以及測定目標10諸如皺褶的表面狀況）而變化。因此，屏蔽板242將這樣的光傳送回第二積分球230內以降低由光偵測單元240所接收之光的量的變化。
面對測定目標10的屏蔽板242表面將從測定目標10進入第二積分球230內的光反射至該測定目標10。舉例而言，來自屏蔽板242的這樣的反射光穿透過測定目標10，回到第一積分球210，在第一積分球210以及/或者屏蔽板222上反射，穿透過測定目標10，然後再次進入第二積分球230。在這樣的情況下，因為再次進入第二積分球230的該光已穿透過測定目標10三次，由測定目標10所吸收的量可增加。也就是說，屏蔽板222以及/或者屏蔽板242允許測定光在第一積分球210與第二積分球230之間被重複使用若干次，並且按照重複使用的次數，可增加該測定光由測定目標10所吸收的量。因此，即使測定目標10係具有大約若干微米厚的薄膜，測定裝置100可精確地量測該測定目標10。
值得注意的是，可設計屏蔽板242的尺寸及位置使其相應於屏蔽板222的尺寸及位置。舉例而言，若是屏蔽板242與測定目標10之間的距離大致相同於屏蔽板222與測定目標10之間的距離，則屏蔽板242在x方向及y方向上的長度可大致相同或是小於屏蔽板222在x方向及y方向上的長度。
計算單元250根據由光偵測單元240所偵測到的光強度來計算測定目標10的物理量。計算單元250藉由例如使用已知的測定光的強度與由光偵測單元240所偵測到之光強度之間的關係，計算測定目標10的物理量。在此實施例中，由計算單元250所計算之物理量為測定目標10的厚度。在這樣的情況下，計算單元250包含一儲存單元252以及一厚度計算單元254。
儲存單元252儲存了當具有已知厚度之參考物件放置於該第一開口及該第二開口之間時所偵測到的光強度、以及參考物件的厚度。值得注意的是，將要儲存於儲存單元252中的光強度，較佳是當有預定光強度的測定光發射到參考物件時所偵測到的光強度。舉例而言，儲存單元252將這樣的光強度以及參考物件的厚度相關聯，並且將其之間的組合儲存。該儲存單元252較佳是將針對具有不同厚度之複數個參考物件所偵測到的各個光強度與參考物件的厚度相關聯並加以儲存。儲存單元252可以表格的形式儲存複數個參考物件的厚度與光強度之間的組合。
厚度計算單元254基於當測定目標10放置在該第一開口與該第二開口之間時所偵測到的光強度、以及儲存於儲存單元252中之參考物件的厚度與光強度，進而計算該測定物件10的厚度。舉例來說，厚度計算單元254基於複數個參考物件的厚度與光強度之間的組合來計算出厚度相對光強度的關連式表式。厚度計算單元254可藉由諸如最小平方法的迴歸分析來計算關連式表式。厚度計算單元254接著藉由把當放置測定目標10時所偵測到的光強度代入函數，來計算測定目標10的厚度。值得注意的是，儲存單位252可儲存由厚度計算單元254所計算出的關連式表式。
在上述例子中，計算單元250直接計算測定目標10的厚度，這並不應視為限制。舉例而言，計算單元250可首先計算測定目標10的基重，接著轉換成厚度。在此情形下，儲存單元252可儲存參考物件的基重。
如上所述，計算單元250藉由使用參考物件的已知物理量以及穿透過測定目標10的光強度以計算測定目標10的厚度。因此，測定裝置100可在不使用反射光強度的情況下，計算測定目標10的物理量。意即，即使反射光強度由於干涉等的發生而變化，測定裝置100仍可精確地量測測定目標10的物理量。
使用積分球以發射測定光到測定目標10並且使用積分球以偵測透射光的測定裝置100可以此光學調整精確地執行測定，這可比使用布魯斯特角的入射角以執行測定的測定裝置更加容易執行。而且，即使第一頭部122與第二頭部124的相對位置變化（對準變化），因為由光軸等等的錯準所造成的影響小，所以該測定裝置100可輕易地應用於具有諸如線上量測的即時性質的測定。
此外，在這樣的線上量測中，因為在量測期間量測頭120與測定目標10的相對位置變化，所以測定目標10的位置可能在第一積分球210及第二積分球230之間的間隙之中，朝第一積分球210或第二積分球230（意即，在z軸上）擺盪（路線變化）。即使測定目標10的位置發生這樣的變化，測定裝置100可使用積分球以降低由光偵測單元240所接收到之光強度的變化，以輸出穩定的量測結果。此外，因為不需要在發出測定光的第一積分球210設有偵測反射光的偵測器，所以可降低成本且可提高空間自由度。
在上述的例子中，根據上述實施例的測定裝置100基於測定光的透射光（意即，測定光的吸收量）量測測定目標10的厚度，該測定光的透射光依據測定目標10的厚度而改變。在這樣的情形中，測定目標10具有對應於測定目標10所含之材料的特定吸收度光譜。若是測定目標10包含諸如紙以及樹脂（PET等）的材料，其通常在紅外波長帶具有特定吸收光譜。因此，光源單元220可較佳是發出在紅外線譜帶中的光。
圖9顯示根據此實施例，測定目標10吸收光譜的一個例子。圖9中的橫軸顯示波長，而縱軸顯示透射率。在圖9中，與低透射率相關聯的波長，代表具有此波長的光主要由測定目標10所吸收。根據此實施例的測定裝置100，基於由測定目標10所吸收之測定光的量，量測測定目標10的厚度，如圖9中所示。因此，由光源單元220所發出之測定光的波長較佳是在測定目標10呈現最低透射率的波長。
值得注意的是，在測定裝置100中，由於在測定目標10中對測定光的霧度（混濁度）、在表面上反射率的變化、干擾等等，由光偵測單元240所偵測之光強度可隨之變化，而無關於測定目標10的厚度。因此，光源單元220可發射具有與測定光不同波長的參考光。在這個情形下，光源單元220較佳是發出具有與測定目標10光吸收量較大之波長帶不同的波長的參考光。圖9顯示光源單元220發出具有比測定光M更短波長的第一參考光R1以及具有比測定光M更長波長的第二參考光R2的一個示例。
第一參考光R1以及第二參考光R2相較於測定光M而言，受測定目標10所吸收較少。也就是說，若是當光偵測單元240執行對第一參考光R1及第二參考光R2的偵測時光強度有變化，則此變化的最大肇因可假設與測定目標10的厚度無關。因此，藉由比較當測定目標10被第一參考光R1及第二參考光R2所照亮時與當其為測定光所照亮時所透射的光的偵測結果，可將不可歸因於測定目標10厚度的光強度變化減少。
藉由發出具有三種波長的光至測定目標10，以精確地量測光強度之變化的這種方法被稱為三波長測量技術。在三波長測量技術中，測定光及參考光之間的關係以下列方程式表述：
（方程式3）


其中，M為測定光的強度，R1、R2分別為第一參考光與第二參考光的強度。
此處，I0 表示在進入測定目標10前，測定光強度對參考光強度的比率。如同方程式2，下列方程式適用：
（方程式4）

其中t為測定目標10的厚度，而α為光吸收係數。
此處，I 表示在穿透測定目標10後，測定光強度對參考光強度的比率。以這種方法，與測定目標10厚度無關的光強度變化，可藉由以含有測定光及參考光之方程式4的形式，將穿透過參考物件以及測定目標10的透射光偵測結果相比較，加以抵銷及降低。上述執行三波長量測技術的光源單元220將於後續內容描述。
圖10顯示根據本實施例的光源單元220的設置示例。在所示的示例中，如圖10中所示的光源單元220使用一瀘光器，以從發光帶為包含測定光及參考光波長之波長帶的光源，將發射的測定光及參考光分隔開。光源單元220包含：一光源310、一過濾單元320、以及一旋轉控制單元330。
光源310發出具有包含測定光及參考光之波長的一波長帶的光。光源310可為具有在紅外線譜帶之發光帶的一光源，例如鹵素燈以及LED。
過濾單元320包含複數個過濾器，各對應到測定光及參考光。該複數個過濾器可為帶通濾光器，具有預定波長的光可穿過該帶通濾光器。過濾單元320以盤狀的形狀形成，且包含其中設有複數個過濾器的複數個穿孔。舉例而言，過濾單元320包含測定光穿過的一第一過濾器322。過濾單元320亦包含第一參考光穿過的一第二過濾器324，以及第二參考光穿過的一第三過濾器326。
旋轉控制單元330藉由旋轉過濾單元320以控制該複數個過濾器的佈置。旋轉控制單元330將過濾單元320旋轉，使得複數個過濾器中對應於將要由光源單元220所發出的光的過濾器面對光源310。舉例而言，當光源單元220要發出測定光時，旋轉控制單元330使第一過濾器322面對光源310，將具有測定光的波長的光從由光源310所輸出的光譜分隔出來，並將其輸出至光源單元220外。
以這種方式，因為濾光器可藉由將具有供發射之波長的光從光源310的發光帶中分隔出來而發射光，所以發出具有不同波長之複數光線的光源單元220可用低成本製作。在上述例子中，上述光源單元220可個別發出具有三種波長的光，這不應視為限制。光源單元220可為發出具有一種波長、兩種波長、或四種或更多種波長的光的一光源。光源單元220可藉由在一過濾單元中設有對應於將要發出之光波長的濾光器，而為發出具有一或多種波長的光。
在參照圖10描述的示例中，該光源310可為燈、LED等等，其不應視為限制。光源310可包含輸出具有預定波長的光的一或多個雷射等。光源310可包含具有可變波長的光源。在這樣的情形中，光源單元220可包含直接控制從光源310輸出的波長的控制單元，而非旋轉控制單元330。
值得注意的是，如圖10中所示的光源單元220可藉由使用旋轉控制單元330以旋轉該過濾單元320，而調變測定光及參考光的光強度。也就是說，光源單元220可藉由用一調變頻率以調變具有彼此不同之光學波長的參考光及測定光，將光發射至第一積分球210內。
在這個情況下，光偵測單元240接收穿透過測定目標10的調變光。計算單元250接著將由光偵測單元所偵測的調變光的光強度解調，以計算參考光及測定光的各個光強度。 計算單元250可從光源單元220接收調變頻率的資訊用以解調。因此，測定裝置100可對參考光及測定光執行同步偵測，並且可藉由降低雜訊等的影響而精確地量測物理量。
值得注意的是，在所示的例子中，示於圖10中的過濾單元320包含：一個第一過濾器322、一個第二過濾器324、以及一個第三過濾器326。在這個情況下，過濾單元320的每秒旋轉數 k 對應到參考光及測定光的調變頻率 k。
因此，過濾單元320可包含二或更多個第一過濾器322、二或更多個第二過濾器324、以及二或更多個第三過濾器326。舉例而言，過濾單元320針對各種過濾類型可包含n個過濾器。在這個情況下，n個第一過濾器322、n個第二過濾器324、以及n個第三過濾器326在圓周方向上各以相等間隔佈置。 舉例而言，過濾單元320在圓周方向上被分成3･n片，而第一過濾器322、第二過濾器324、以及第三過濾器326按順序佈置其中。
以這種方式，對於過濾單元320的每秒旋轉數k，參考光及測定光的調變頻率可以是其n倍高的n･k。意即，測定裝置100可輕易地達成具有更高頻率的調變。
過濾單元320亦可包含數量彼此不同的第一過濾器322、第二過濾器324、以及第三過濾器326。過濾單元320可包含，舉例而言，n個第一過濾器322、m個第二過濾器324、以及l個第三過濾器326。過濾單元320可，舉例而言，在徑向方向上分成三個部分以形成三個環狀區域，此時第一環狀區域可在圓周方向上分成n個部分，第二環狀區域可在圓周方向上分成m個部分，以及第三環狀區域可在圓周方向上分成l個部分。
因此，n個第一過濾器322、m個第二過濾器324、以及l個第三過濾器326可在圓周方向上以相等間隔分別放置於第一環狀區域、第二環狀區域、以及第三環狀區域中。以這種方式，當過濾單元320的每秒旋轉數為k時，測定光及兩道參考光的調變頻率可分別為：n･k、m･k、以及l･k，其為彼此不同的頻率。意即，光源單元220可將藉由以彼此不同之調變頻率將具有彼此不同之光學波長的參考光及測定光加以調變而形成的組合光發射到第一積分球210中。
由光偵測單元240所接收的光係穿透過測定目標10的組合光的一部份，其中該組合光係藉由將以不同頻率調變的測定光及參考光組合而得。在這個情況下，計算單元250藉由將光偵測單元240所偵測到的組合光的光強度解調，以計算參考光及測定光的各個光強度。厚度計算單元254接著根據相對於參考光的測定光衰減量，計算測定目標10的物理量。
值得注意的是，計算單元250使用不同頻率以將測定光及兩道參考光解調。舉例而言，計算單元250可藉由用n･k的頻率將組合光解調以計算測定光的光強度。計算單元250亦可藉由用nm･k的頻率將組合光解調以計算第一參考光的光強度。計算單元250可藉由用l･k的頻率將組合光解調以計算第二參考光的光強度。
以這種方式，因為測定裝置100可基於大致相同之組合光的偵測結果計算三道光的光強度，所以可改善即時性質。亦即，移動單元可藉由在光偵測單元240偵測用以計算測定目標10之物理量的光強度的同時，相對於測定目標10持續地移動第一積分球210及第二積分球230，以持續地執行物理量的測定。
除了能夠基於大致相同的組合光計算三道光的光強度，對外部雜訊的抗擾性還可顯著地改善。舉例而言，當測定目標10係連續製造的樹脂片或紙時，它持續保持在高溫狀態下。在這樣的情況下，測定目標10發出具有大致相同於量測測定光、參考光等的光之波長的近紅外光，該近紅外光可疊加作為雜訊成分。太弱以至於無法從這樣的雜訊成分加以分離的信號無法用於計算，導致較不精準的量測。因此，光源的光強度必須夠強以至於不被環境所影響。然而，舉例來說，當測定裝置100係可攜式儀器時，由於安裝的量測頭的尺寸、廢熱等而有上限。
為了捕捉這樣的弱信號並執行精確計算，可能需要對S/N的改善，諸如信號成分（S）的提升或雜訊成分的降低。因此，為了改善這樣的S/N，測定裝置100可使用鎖相放大器以擷取調變信號的同相成分以及/或者正交成分。例如，計算單元250包含並使用一鎖相放大器以解調由光偵測單元240所偵測之組合光的光強度，以計算參考光及測定光的各個光強度。以這種方式，測定裝置100可精確地計算弱信號。
已描述的是，根據本實施例的上述測定裝置100將測定目標10放置於以預定義距離分隔開的兩個積分球之間，使其能夠非接觸量測測定目標10的物理量。可設置測定裝置100以能夠防止量測頭120接觸到測定目標10。量測頭120將於後續內容說明。
圖11顯示根據本實施例，量測頭120的一個變形示例。在此變形示例中的量測頭120中，以與根據本實施例示於圖8中之量測頭120大致相同的方式運作的元件具有相同標號，便不再描述其細節。在本變形示例中的量測頭120更包含一間隙控制單元410。
間隙控制單元410維持介於第一開口與測定目標10之間的間隙、以及介於第二開口與測定目標10之間的間隙。間隙控制單元410包含設於第一頭部122上的一第一控制單元412以及設於第二頭部124上的一第二控制單元414。間隙控制單元410可藉由使用氣壓以維持各間隙。間隙控制單元410可設於積分球內側，或者，可設於積分球外側。圖11顯示一個例子，其中第一控制單元412設於第一積分球210內，而第二控制單元414設於第二積分球230內。
在這樣的情況下，第一控制單元412可將第一積分球210內的氣壓上升至高於外部氣壓，而第二控制單元414可將第二積分球230內的氣壓上升至高於外部氣壓。或者是，第一控制單元412可將第一積分球210內部的氣壓降至低於外部氣壓，而第二控制單元414可將第二積分球230內部的氣壓降至低於外部氣壓。間隙控制單元410藉由使第一積分球210與第二積分球230內的氣壓大約相同，使得測定目標10的第一表面及第二表面受大約相同的力擠壓或牽曳，以穩定在z軸方向上測定目標10的位置。
若是測定目標10係以允許接觸的材料所製成，間隙控制單元410亦可包含物理性接觸測定目標10的一導引件等等。間隙控制單元410亦可包含一距離感測器以偵測與測定目標10的距離，以免測定目標10由於移動單元等的誤動作而接觸到量測頭120。
也就是說，第一控制單元412量測第一積分球210與測定目標10之間的間隙。第二控制單元414亦量測第二積分球230與測定目標10之間的間隙。例如，若是偵測到誤動作，第一控制單元412與第二控制單元414發送通知到移動單元以停止測定目標10的移動。以這樣的方式，測定裝置100可偵測移動單元的誤動作等，同時防止量測頭120接觸到測定目標10。
上述之本發明的各種實施例可參考流程圖或框圖加以說明。在流程圖及框圖中的區塊可以下列方式表示：（1）將要執行之操作的處理步驟、或是（2）負責執行操作之儀器的「部分」。特定步驟及「部分」可以專屬電路、與儲存於電腦可讀的儲存媒介之電腦可讀的指令一同供應的可程式電路、以及/或者與儲存於電腦可讀的儲存媒介之電腦可讀的指令一同供應的處理器加以實施。
應注意的是，專屬電路可包含數位以及/或者類比硬體電路，且可包含積體電路（IC）以及/或者離散電路。舉例而言，可程式電路可包含可配置硬體電路，包括：邏輯AND、OR、XOR、NAND、NOR、以及其他邏輯運算、正反器、暫存器、記憶體部件等，例如現場可程式閘陣列（FPGA）、可程式邏輯陣列（PLA）等等。
電腦可讀的儲存媒介可包含可儲存以合適裝置執行之指令的任何有形裝置。因此，使指令存於有形裝置中的電腦可讀儲存媒介包括含有指令的造物，可執行該指令以創造特定於流程圖或框圖中的執行操作的方法。
電腦可讀的儲存媒介的例子可包含：電子儲存媒體、磁性儲存媒體、光學儲存媒體、電磁儲存媒體、半導體儲存媒體等等。電腦可讀的儲存媒體之更特定的例子可包含軟磁碟（註冊標記）、磁碟片、硬碟、隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、可擦程式設計唯讀記憶體（EPROM或快閃記憶體）、電可擦程式設計唯讀記憶體（EEPROM）、靜態隨機存取記憶體（SRAM）、唯獨光碟（CD-ROM）、數位光碟（DVD）、藍光（註冊標記）光碟、記憶條、晶片卡等。
電腦可讀的指令可包含：組譯器指令、指令集架構（ISA）指令、機器指令、機器相關指令、微代碼、韌體指令、狀態設定資料等等。此外，電腦可讀的指令可包含以一或多種的程式語言的任何組合所編寫的原始碼或目標碼，該程式語言包含諸如Smalltalk、JAVA （註冊標記）、C++等.的物件導向程式設計語言；以及諸如C程式語言或相似程式語言的傳統程序程式語言。
電腦可讀指令可提供到通用電腦、專用電腦、或其他可程式資料處理儀器的處理器；或提供到可程式電路、本地的或者經由區域網路（LAN）、廣域網路（WAN），例如網際網路等。因此，通用電腦、專用電腦、或其他可程式資料處理儀器的處理器，或是可程式電路可執行電腦可讀指令，以創造用以執行流程圖或框途中指定之操作的方法。值得注意的是，處理器的例子包含：電腦處理器、處理單元、微處理器、數位信號處理器、控制器、微控制器等。
儘管已描述本發明的實施例，本發明之技術範疇並不受限於上述實施例。對精於本項技術者而言顯而易見的是，各種改變及改進可增添於上述實施例中。從申請專利範圍的範疇亦為顯而易見的是，增添了這樣的改變或改進的實施例亦可包含於本發明的技術範疇中。
顯示於專利申請範圍、實施例、或圖表中，由儀器、系統、程式、以及方法所執行的各個製程的操作、程序、步驟、以及階段，只要該順序沒有以「在……之前」、「之前」等指示、且只要前述製程的輸出不用於後續的製程中，則可以任何順序執行。即使在專利申請範圍、實施例、或是圖表中處理流程使用諸如「首先」、「接著」的詞語加以描述，並不代表該製程必須以這此順序進行。

附圖標記的說明
10 測定目標；12量測路線；100測定裝置；110框架；120量測頭；122第一頭部；124第二頭部；130頭部移動單元；132第一頭部移動單元；134第二頭部移動單元；140目標移動單元；210第一積分球；220光源單元；222屏蔽板；230第二積分球；240光偵測單元；242屏蔽板；250計算單元；252儲存單元；254厚度計算單元；310光源；320光源；322第一過濾器；324第二過濾器；326第三過濾器；330旋轉控制單元；410間隙控制單元；412第一控制單元；414第二控制單元。
10‧‧‧測定目標
12‧‧‧量測路線
100‧‧‧測定裝置
110‧‧‧框架
120‧‧‧量測頭
122‧‧‧第一頭部
124‧‧‧第二頭部
130‧‧‧頭部移動單元
132‧‧‧第一頭部移動單元
134‧‧‧第二頭部移動單元
140‧‧‧目標移動單元
210‧‧‧第一積分球
220‧‧‧光源單元
222‧‧‧屏蔽板
230‧‧‧第二積分球
240‧‧‧光偵測單元
242‧‧‧屏蔽板
250‧‧‧計算單元
252‧‧‧儲存單元
254‧‧‧厚度計算單元
310‧‧‧光源
320‧‧‧過濾單元
322‧‧‧第一過濾器
324‧‧‧第二過濾器
326‧‧‧第三過濾器
330‧‧‧旋轉控制單元
410‧‧‧間隙控制單元
412‧‧‧第一控制單元
414‧‧‧第二控制單元
圖1顯示根據本實施例的測定裝置100連同測定目標10的設置示例。
圖2顯示測定光根據此實施例以布魯斯特角進入測定目標10的一個示例。
圖3顯示根據此實施例之測定目標10的定向方向的第一示例。
圖4顯示了示於圖3中的測定目標10之透射性質的一個例子。
圖5顯示根據此實施例之測定目標10的定向方向的第二示例。
圖6顯示了示於圖5中的測定目標10之透射性質的一個例子。
圖7顯示根據本實施例之測定目標10定向方向分布的一個例子。
圖8顯示根據本實施例的量測頭120連同測定目標10的設置示例。
圖9顯示根據此實施例，測定目標10吸收光譜的一個例子。
圖10顯示根據本實施例的光源單元220的設置示例。
圖11顯示根據本實施例，量測頭120的一個變形示例。

Claims (11)

  1. 一種用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，該測定裝置包含： 一第一積分球，該第一積分球係與該測定目標的一第一表面隔著一間隙，具有面對該第一表面的一第一開口，並且不設有用以偵測用於該物理量之計算的光強度的光偵測器； 一第二積分球，該第二積分球係與該測定目標的一第二表面隔著一間隙，其中該第二表面位在與該第一表面相反側，且具有面對該第一開口的一第二開口而該測定目標夾在兩者之間； 一光源單元，將光射進該第一積分球； 一光偵測單元，偵測在該第二積分球內的光強度；以及 一計算單元，根據由光偵測單元所偵測到的光強度計算該測定目標的該物理量。
  2. 如申請專利範圍第1項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，更包含一移動單元，該移動單元將該第一積分球及該第二積分球在一平面方向上相對於該測定目標移動。
  3. 如申請專利範圍第2項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中該移動單元在光偵測單元偵測用於計算該測定目標之該物理量的光強度的同時，持續將該第一積分球及該第二積分球相對於該測定目標移動。
  4. 如申請專利範圍第2或第3項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中該移動單元包含： 一目標移動單元，該目標移動單元將具有一預定寬度的該測定目標在其縱向方向上移動；以及 一頭部移動單元，該頭部移動單元將設有該第一積分球及該第二積分球的量測頭在寬度方向上移動。
  5. 如申請專利範圍第1到3項任一者之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，更包含： 一間隙控制單元，該間隙控制單元藉由使用氣壓，維持介於該第一開口與該測定目標之間的間隙、以及介於該第二開口及該測定目標之間的間隙。
  6. 如申請專利範圍第5項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中該間隙控制單元維持該第一積分球及該第二積分球內部的氣壓高於外部氣壓。
  7. 如申請專利範圍第1到3項任一者之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中 該光源單元將組合光發射到該第一積分球中，該組合光係藉由以彼此不同之調變頻率將具有不同之光學波長的測定光及參考光加以調變並且將調變的參考光及測定光組合而取得；以及 該計算單元： 將該光偵測單元所偵測之該組合光的光強度解調，以計算該參考光及該測定光各者的光強度；以及 根據相對於該參考光的該測定光之衰減量，計算該測定目標的該物理量。
  8. 如申請專利範圍第7項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中該計算單元包含並使用一鎖相放大器以解調由該光偵測單元所偵測之該組合光的光強度，用以計算該參考光及該測定光各者的光強度。
  9. 如申請專利範圍第1到3項任一者之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中由該計算單元所計算之該物理量為該測定目標的厚度。
  10. 如申請專利範圍第9項之用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定裝置，其中該計算單元包含： 一儲存單元，該儲存單元儲存了當具有一已知厚度之一參考物件放置於該第一開口及該第二開口之間時所偵測到的光強度、以及該參考物件的厚度；以及 一厚度計算單元，該厚度計算單元基於當測定目標放置於該第一開口與該第二開口之間時所偵測到的光強度、以及基於儲存於儲存單元中之參考物件的厚度與光強度，而計算該測定物件的厚度。
  11. 一種用以量測具有片狀形狀之測定目標的物理量的測定方法，該測定方法包含： 將光射進第一積分球中； 偵測在第二積分球內的光強度；以及 根據在該偵測步驟中所偵測到的光強度計算測定目標的物理量， 其中，該第一積分球係與該測定目標的一第一表面隔著一間隙，具有面對該第一表面的一第一開口，並且不設有用以偵測用於該物理量之計算的光強度的光偵測器，以及 該第二積分球係與位於該第一表面相反側的該測定目標的一第二表面隔著一間隙，且具有面對該第一開口的一第二開口而測定目標夾在其兩者之間。
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