[发明专利]用于测量薄片性质的光学扫描仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量薄片(sheet)材料的性质的光学扫描仪，更特别地，涉及一种和用于测量塑料和纸张的性质的光谱仪结合的光学扫描仪。

背景技术

光谱仪在本领域中是熟知的。不同类型的光谱仪被用来分析和识别不同样品材料的特性。参考图1，示出的是传统的傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪100。该光谱仪包括红外源120。来自源120的辐射被透镜140准直。得到的光束(以虚线示出)传到分束器160并被其分开。光束的一半传到固定反射镜180，并且另一半被引导到移动的反射镜125。移动的反射镜125是在图中箭头A所示的方向可移动的。

分开的光束被反射镜180和125反射，在分束器160处重新结合并根据反射镜180和125与分束器之间的光程差产生相长或相消干涉。

在光谱仪的工作期间，移动反射镜125以一定速度在一个方向移动。结果，从分束器出来的光束是调制频率的混合。该混合反射离开反射镜190并到路径155上。路径155穿过支撑将被分析的样品材料的窗165。

通常，光谱仪可以一种或两种模式操作，透射和反射模式。再次参考图1，FT-IR光谱仪以透射模式操作时，窗由允许红外范围内的辐射从其穿过而基本不发生吸收的材料制成。红外探测器(未示出)放置在FT-IR光谱仪远离样品的相反侧。在辐射穿过样品之后，作为结果的辐射被聚焦到红外探测器上，响应检测到的辐射的幅度产生信号。这些信号被FT-IR光谱仪以预定间隔采样并产生样品材料特有的干涉图。

当FT-IR光谱仪以反射模式操作时，红外辐射的路径155照射到(impinge on)将被分析的样品上。不同于光谱仪以透射模式操作时所用的窗，窗是反射红外辐射的。结果，辐射从窗返回并在最终传到探测器之前第二次穿过样品。这两次穿过样品在很多情况下提供更好，更精确的扫描和分析。

在纸和塑料工业中，通过在样品窗中放置薄片材料利用光栅光谱仪能够测量诸如厚度和其它特性的薄片性质。在透射或反射模式，很多光栅光谱仪的重要特性是在光谱仪上进行适当的读取所需要的积分时间周期。积分时间周期通常是线性阵列探测器上的电荷耦合器件计算激励探测器所有象素的所有光子所需要的时间。对于红外光谱法，积分时间非常短(大约1ms)。这通常需要在积分时间周期期间样品相对于光栅光谱仪是固定的(stationary)。在实验室环境下，这不是问题。然而，在在线制造环境下，特别是在纸和塑料工业中，由于短的积分时间，光栅光谱仪的利用是受限制的。

此外，在积分时间期间薄片材料厚度的变化将导致破坏(wash out)干涉图案。在分光技术中，希望利用单个信道探测器和声光可调滤光器来测量所关心的红外区域。这种技术的问题是通常不能同时测量所有光谱。薄片的移动导致测量的性质的不精确。测量薄片上的固定点能够增加精度。可能能够利用闪光来利用薄膜干涉测量法克服积分时间问题。然而，合适的近红外源是难以获得的并且用于红外源的机械断路器(chopper)具有固有限制。

“A Noncontact，On-machine，Laser Ultrasonic Sensor for MeasuringPaper and Paperboard Bending Stiffness and Shear Rigidities，”E.Lafond，等人，Proceedings of TAPPI Practical Papermaking Conference(2005年5月23日)中公开了一种用于补偿移动薄片的方法。Lafond描述了耦合到用于测量造纸机中纸的剪切特性的伺服机构的超声激光器的运用。

虽然，声学方法对于测量造纸机中纸的剪切特性可能是合适的，但是其它性质只能在光学领域中测量。例如，当样品是薄膜(8μm数量级)时，超声方法可能时不合适的。因此，非常需要一种利用光学领域中的辐射的方法。

发明内容

本发明提供一种和用于测量薄片性质的光谱仪一起使用的光学扫描仪。该光学扫描仪允许在光谱仪中观察行进的薄片材料卷幅(web)中相同的点以使得能够观察干涉图案而不考虑行进的薄片材料卷幅的厚度变化。

在一个方面，本发明是用于测量行进的薄片材料的性质的红外光谱仪，所述光谱仪包括：向行进的薄片材料发射辐射的源；分开发射的辐射的分束器；向行进的薄片材料引导发射的辐射的光学扫描仪；以及用于测量在与行进的薄片材料相互作用之后的辐射的探测器，其中所述光学扫描仪被配置成扫描辐射以抵消行进的薄片材料的运动。