通過中紅外波長掃描干涉測量的織物產品的厚度確定的制作方法
本發明一般地涉及用于移動片材(例如多孔聚合物和紙張)的非接觸厚度或卡尺厚度測量的干涉測量技術，并且更特別地涉及檢測通過來自片材的頂面和底面的反射光創建的中-IR干涉條紋和之后從條紋間距提取厚度的方法。
背景技術：
卡尺厚度是紙張和塑料產品的最重要的質量規格之一。傳統的商業化在線卡尺厚度測量需要測量頭去物理接觸織物(web)。接觸織物導致了很多問題，其中兩個最顯著的問題是在片材上的標記和在測量頭上積聚的污垢，這導致測量值漂移和不準確。更先進的技術使用激光三角測量法或共聚焦顯微鏡技術，但是它們仍然需要測量頭與織物的一側相接觸。而且，現有技術的光學技術不適合所有的紙張產品，因為它們對片材的散射特性是很敏感的。另外，獲得好于1微米的精確度是具有挑戰性的，因為這些技術依賴于兩個獨立的距離測量結果之間的差。照此，兩個測量結果相對于彼此必須是穩定的，以便獲得需要的輪廓精度。在紙張掃描儀環境中這是難以實現的，其中測量頭暴露于頻繁的溫度變化中，并且紙張和測量頭的位置遭受經常的波動。本領域渴望發展在生產期間準確地測量織物材料的厚度的可靠的在線技術。
技術實現要素：
本發明部分地基于中-IR干涉測量在測量織物厚度中是特別有效的示范。一方面，本發明針對一種測量織物厚度的方法，該織物具有第一側和第二側，該方法包括以下步驟：
支持所述織物，使得織物具有無支撐部分，在這種情況下所述織物在第一側上具有暴露的外表面以及在第二側上具有內表面；
將激光束以選定的入射角引導到所述第一側上的暴露的外表面上的單個點，其中所述激光束包括具有3-50微米范圍內的波長的基本上的單色的輻射；
當激光束被引導到所述暴露的外表面上的所述點上時，通過選定的波長范圍掃描激光束；
測量干涉圖樣的強度，該干涉圖樣由在暴露于織物時出現的輻射的疊加形成；以及
通過利用激光束入射角、波長、織物折射率以及織物厚度之間的關系來提取織物的厚度。
獲得厚度的優選技術是通過將干涉圖樣擬合到由干涉關系給出的公式，
關于入射角(θ1)，波長(λ0)，空氣的折射率(n1)，織物的折射率(n2)和織物厚度(d)，其中角度，波長和折射率是已知的，并且織物厚度被認為是變量參數，例如通過調整變量來找到最小方差，該變量為厚度。
另一方面，本發明針對非接觸卡尺厚度傳感器，其用于測量散射材料的織物的厚度，該散射材料的織物其具有第一側和第二側，所述傳感器包括：
基本上單色的激光器，其提供了具有3-50微米范圍內的波長的入射輻射的射束；
用于引導入射輻射朝向片材的第一側上的暴露的外表面上的單個點的裝置，其中所述入射輻射以相對于織物表面法線0到60度的入射角到達所述暴露的表面上的固定位置；
用于檢測干涉圖樣的裝置，所述干涉圖樣由從所述暴露的外表面反射的第一輻射和從第二側的內表面反射的第二輻射的疊加形成；以及
用于分析干涉圖樣以計算織物厚度的裝置。
在優選實施例中，中紅外波長(3-50微米)內的輻射(其優選在8-25微米范圍內)被引導到紙張織物，并且由織物的頂面和底面處反射的光創建的干涉條紋被記錄。與更短波長的輻射相比，中-IR波長更少受到紙張的散射的影響，這使得本發明的技術適合于現有技術不適用的應用。如果卡尺厚度傳感器波長延伸到遠-IR(通常具有50微米到1mm的波長)或太赫茲范圍(通常具有100微米到1mm的波長)，在20微米到2-3毫米范圍內的織物厚度可以被測量。織物不會與放置了卡尺厚度傳感器的測量頭接觸。可以在反射幾何結構中執行測量，這僅需要一個測量頭。
附圖說明
圖1圖示了引導到織物的射束和射束被織物的頂面和底面的散射；
圖2和3示出了卡尺厚度傳感器的實施例；
圖4描述了寬波長范圍多路復用QCL光源；
圖5示出了片材制造系統，其在雙探頭掃描儀中實施了卡尺厚度傳感器；
圖6是采用過程測量來計算織物卡尺厚度的系統的示圖；以及
圖7是在強度極小值處的波數相對圖示了條紋干涉信號的條紋級次的曲線圖，其示出了干涉極小值的位置，對于80微米厚的產品以θ＝30°的入射角，并且織物折射率假定為1.5。
具體實施方式
本發明涉及用于測量膜、織物或片材厚度的非接觸傳感器裝置。雖然所述傳感器將以計算紙張卡尺厚度的形式舉例說明，但應該理解的是所述傳感器能夠測量多種平面材料的厚度，所述平面材料包括例如涂覆材料、塑料、織物等。所述傳感器特別適用于對由聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯制成的多孔聚合物(塑料)進行厚度檢測。
圖1圖示了電磁輻射射束在厚度為d、并且具有上側和下側或平面(平面3和平面5)的織物產品2上的幾何入射、反射和折射，真空波長λ0的入射電磁輻射從平面3和平面5反射(7，9)。此外，入射電磁輻射的傳播進入織物的部分被折射，因為在平面3的不同側上折射率是不同的。上(平面3)側和下(平面5)側之間的距離是d。織物周圍的空氣的折射率是n1，并且織物內的折射率是n2。射束7和射束9之間的光程長度差是Δ＝2n2dcosθ2。相關相位差是δ＝k0Δ-π，其中k0＝2π/λ0。根據入射角θ1，相位差是：
干涉極小值出現在δ＝(2m+1)π處，其中m＝0，1，2，...
例如，假定入射角為30°，織物厚度為80μm，空氣折射率為1，且織物折射率是1.5，為了產生從m＝22到m＝21的干涉極小值中的一階變化需要0.622μm的λ0的增加。被測量的織物的折射率優選地在計算厚度之前獨立地被確定。
圖1還示出了在從平面3和5的內表面的內部反射之后的直接透射射束11，和透射射束13。用于反射射束7和9的干涉極小值條件與用于透射射束11和13的干涉最大值條件相對應。
在操作中，一旦干涉圖樣被獲得，標準技術可以被實施以確定織物厚度。優選的技術包括通過使用織物厚度作為擬合參數將干涉圖樣強度分布和波長最小二乘擬合到一數學關系。一種從頻譜提取材料厚度的方法是使用以上方程1給出的干涉關系擬合干涉級次頻譜。可以從所述擬合中提取厚度d。另一方法是記錄反射模式的零交點或干涉極小值的波長，其在滿足方程2時出現。在透射模式中，干涉最大值被測量，并且它們的形成通過由方程2給出的相同的關系來控制。通過根據m的函數來繪制在零交點處的波數1/λ0的值，得到傾斜線假定n1(典型地空氣(n1＝1))是已知的并且材料的折射率n2獨立地獲得，然后根據斜率和d之間的關系計算厚度d。
本發明的卡尺厚度傳感器優選地使用量子級聯激光器(QCL)，其操作在8-25微米范圍內的可變化波長下。適當的QCL可以從Daylight Solutions有限公司(圣地亞哥，加利福尼亞州)購買。激光束優選地以0到60度范圍內的角度被引導到被監控的織物，并且隨著激光輻射波長在干涉圖樣中足以產生至少兩個干涉極小值的范圍內變化而測量鏡面反射強度(specular intensity)。
圖2示出了在反射模式中操作的卡尺厚度傳感器，其包括固定的QCL36，一對轉向鏡20、22，一對中繼反射鏡28、30，和固定的檢測器38，它們定位在移動中的織物2的相同側，織物由滾筒32、34支持。轉向鏡20和22分別被安裝到旋轉機構24和26上。操作中QCL36生成激光束，其被引導朝向轉向鏡22，轉向鏡22被示出處于第一位置，使得反射的射束被中繼反射鏡28引導到移動中的織物2上的固定位置上。來自織物2的反射輻射通過中繼反射鏡30和轉向鏡20引導到檢測器38。檢測器14可以包括光電二極管，其測量捕獲的輻射的強度。每個中繼反射鏡優選是固定的、單個常規凹球面鏡。一旦射束被設定為特定的入射角，激光源被順序地通過一系列波長而掃描，同時檢測器測量干涉圖樣的強度。波長掃描控制器40生成適合的同步波長信號給QCL36和計算機42兩者以進行坐標測量。計算機用掃描過程中的激光束的波長使來自檢測器38的測量信號相關。各波長處的測量信號被標準化為取決于QCL的輸出而獨立確定的波長。轉向鏡20和22在掃描過程中保持固定。掃描過程持續直到整個范圍被覆蓋。適合的檢測器包括例如，HdCdTe(碲鎘汞)固態檢測器。
QCL光源能夠覆蓋的波長范圍可以通過使用多個QCL設備擴展，每個QCL設備在它自己的窄波長范圍內是可調的，并且通過反射鏡和二向色性分束器的系統多路復用在一起，以創建可以通過寬波長范圍掃描的激光源。
圖3圖示了在透射模式中操作的卡尺厚度傳感器，其包括QCL50和相關的準直光學器件54，它們被定位在移動織物2的一側，并且檢測器52和相關的收集光學器件56被定位在織物2的另一側。檢測器可以包括單點檢測器。波長掃描控制器60生成適合的同步波長信號到QCL50和計算機58兩者以進行坐標測量。計算機用掃描過程中的激光波長來使來自檢測器52的測量信號相關。
圖4是寬波長范圍多路復用QCL光源的示圖。每個QCL源的輸出(QCL1(61)具有波長范圍Δλ1，QCL2(62)的波長范圍Δλ2，QCL3(63)的波長范圍Δλ3，QCL4(64)的波長范圍Δλ4，等等)被對準并通過反射元件70，72，73和74分別引導以產生單個寬波長范圍可調激光光源。元件70、72、73和74可以是二向色性分束器，其提供輸出78。優選地，每個QCL所期望的強度是已知的并且進行了修正。因為單個QLC在某時刻被激活，可以采用開關來同步它們的激活。可替代地，可以采用定位在每個QLC前的快門機構。QCL掃描控制器80在每個QCL的波長范圍掃描每個QCL，并且在各QCL之間切換以提供QCL光源，該光源在被QCL的集合(其為多路復用的)覆蓋的寬波長范圍是多路復用的。雖然僅示出了4個QCL，應該理解的是除有4個QCL以外的多路復用陣列也可以被使用以跨越期望的波長范圍。
圖5圖示了掃描傳感器系統90，通過其卡尺厚度傳感器被結合到雙探頭掃描儀98中，其在持續的生產中測量片材96的卡尺厚度。掃描儀98被兩個橫梁92、94支持，在兩個橫梁92、94上安裝了上掃描頭和下掃描頭88、86。掃描儀頭的可操作面限定了容納片材96的測量空隙。在卡尺厚度傳感器在反射模式中操作的特定實施例中，傳感器的QLC和檢測器均合并到掃描儀頭88內，其在跨片材96的寬度的橫向上重復地前后移動，片材96在縱向(machine direction)(MD)移動，使得整個片材的厚度可以被測量。例如，當傳感器在如圖2所示的反射模式中操作時，輻射源和接收器兩者均可以容納在較高的掃描儀頭88內。可替代地，當卡尺厚度傳感器在如圖3所示的透射模式中操作時，QLC被定位在掃描儀頭88內并且檢測器被定位在掃描儀頭86內。
雙掃描儀頭86、88的移動在速度和方向是同步的，使得它們彼此對齊。隨著傳感器在跨移動中的片材96的寬度的CD內重復地前后移動，輻射源在片材96上產生光照(點)，使得整個片材的厚度可以被監控。本發明的卡尺厚度傳感器將輻射射束引導到片材上的相同點上，同時改變波長。關于這點，波長在其中變化的時間尺度需要足夠快，使得在橫向和縱向上由傳感器觀察的長度(因為掃描儀頭是移動的)被最小化。
圖6描繪了用于通過連續測量織物的卡尺厚度來控制紙張或其他多孔膜或類似織物的制造的過程。當波長范圍被掃描時，表示測量到的從織物反射的輻射的強度的數字信號通過信號調理和數字化階段100被生成，并且被微處理器102采用以計算卡尺厚度104信號，其可以控制掃描儀系統90(圖5)上游和/或下游的致動器以響應于卡尺厚度測量來調節生產機構。
中紅外輻射的特別的特征是相比可見或近紅外而言更長以使得它對織物表面不規則或粗糙造成的散射更不敏感的波長。另外，中紅外波長具有與典型織物產品(例如紙張和塑料膜)的厚度相同的數量級。干涉條紋中的兩個結果的結合具有足夠高的可視性，這樣它們可以被測量和分析。通過水的輻射透射窗存在于大約22微米的波長λ0左右。就是說，在該波長處檢測到的透射輻射的總量對水最不敏感。因此，在該波長處的輻射特別適合于測量紙張厚度，特別是具有通常在10微米到200微米范圍內厚度的紙張。圖7圖示了在使用本發明的卡尺厚度傳感器形成的干涉條紋強度極小值情況下的期望的波數。所計算的值假定織物是80微米厚，并且具有1.5的折射率，使用相對于織物法線方向30°入射角的輻射。
前述已經描述了本發明的原理、優選實施例和操作模式。然而，本發明不應認為被限定到討論的特定實施例。因此，上述的實施例應被認為是用于舉例說明而非限定，并且應該領會的是本領域技術人員在不背離由下面的權利要求限定本發明的范圍的情況下可以在那些實施例中進行變化。
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