JPH06508683A

JPH06508683A - 平滑度検出器

Info

Publication number: JPH06508683A
Application number: JP4509617A
Authority: JP
Inventors: ポピル，ローマン　イーウェン
Original assignee: マクミラン　ブローデル　リミテッド
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1994-09-29
Also published as: CA2111842A1; WO1993000566A1; AU1761792A; US5162660A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称：平滑度検出器光肌グ匁Ｉ本発明は平滑度検出器（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）に関するもので、表面上の領域から鏡面反射した光を集め、それを平行調整（コリメート）し、次にその光の一部をアパーチャを通過させて検出器に送り、表面の平滑度をめるものである。

１肌０宜１反射光を利用して、相対移動するペーパーシートの平滑度（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を測定するオンラインセンサー、場合によっては平滑度と光沢（ｇｌｏｓｓ）の両方を測定するオンラインセンサーは、これまでにたくさん提案されているが、成功した例はない。

１９７７年４月１９日付でルーカス他に付与された米国特許第４．０１９，０６６号は、巻取り印刷用紙の表面に低角度で光を投射して印刷用紙を照明し、散乱光を集光レンズ系によって集め、アパーチャ（開口）を通過させて検出器上に鮮明像が得られるようにしたものである。検出器及び関連装置によって、検出器が検出した反射光のＡＣ成分とχ成分を測定し、主として、ＤＣ信号に対するＡＣ信号の比率に基づいて、平滑度指数（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　１ｎｄｅｘ）をめるようにしたものである。この装置は、平滑度指数とシェフイールド平滑度との間に合理的な相関関係をもたらすが、その結果には相当量の分散（ｓｃａｔｔｅｒ）が含まれている。

１９５６年７月２４日付でクーツに付与された米国特許第２，７５５　、７０２号もまた、表面の平滑度（ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ）を測定する装置を開示している。この装置は、微視的な表面特性を調べるものである。顕微鏡の対物レンズを通じて観察される不規則反射（鏡面反射又は正反射でないもの）した光を強調するために、光は表面に対して斜角で進み、アパーチャを通過する。アパーチャは走査領域を微粒子のオーダの寸法に限定する役割を果たす。アパーチャを通る光を測定して信号を作り出し、その信号はスペクトルアナライザーで分析される。

その動作原理は、偏光強度が表面粗さと斜光によって形成される影によって変動するという概念に基づいている。

巻取り印刷用紙の表面に対しである角度で光ビームを投射すること、及び、光ビームの鏡面反射成分を集めることについては、例えば、１９８７年８月発行の” Ｐｕ１ｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ”の第５６３〜５７３頁、Ｈａｎｓｕｅｂｓａｉ他による「ペーパー表面に新しい光を投じる光学的測定」という文献の中に記載されている。ここでは、異なる入射角を用いて、平行偏光又は垂直偏光のどちらかの偏光を評価し、ペーパーの表面特性を検出する最適モードを決定するものである。合理的な結果が得られたが、感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）に乏しい。

１９７６年４月発行の”ＴＡＰＰＩ”第５９巻Ｎｏ、４の第１０２〜１０６頁、Ｂｒｙｎｔｓｅ他による「印刷紙及び未印刷紙サンプルの表面反射と拡散反射率の変動を測定する方法」という文献の中に、本発明と同様な装置が記載されている。この装置では、表面に投射された偏光レーザー光が、レンズを介して集められ、「像」として投射される。像の一部はビン孔を通過し、プリズム上に光が集められて、ビームは垂直偏光成分と平行偏光成分とに分けられる。各成分は独立して測定され、ペーパーシートの表面特性を識別するのに使用される。この装置は、前述の装置と同じように、感度に制限を受ける。

聚肌旦皿単５１朋本発明の目的は、並品質（ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ｇｒａｄｅ）の新聞用紙のペーパーシートの平滑度（粗さ）を、表面で鏡面反射した光を感知することによってオンライン検出を行なう高感変表面平滑度検出器を提供することにある。

広義において、本発明は光学センサーに関するもので、該センサーは、平行調整された偏光（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｌｉｇｈｔ）のビームを光源から角度をなして表面に投射する手段と、該ビームの光を表面に集めて、最大寸法が約１５０ミクロンよりも小さい領域を照明する手段と、該表面領域からの鏡面反射光を受けて、鏡面反射光に対応する反射光をコリメートするために、表面領域上に焦点が位置するように配置されたコリメートレンズを含み、該表面領域からの光を集める手段と、その表面領域からの平行調整鏡面反射光の一部を通過させるように配置されたアパーチャと、該アパーチャを通過した平行調整鏡面反射光の一部を検出器に集光するレンズを備えており、検出器は、アパーチャを通過した鏡面反射光の瞬間強度を検出し、該検出器が受光した鏡面反射光の瞬間強度を表わす信号を発生して、鏡面反射光の強度変化を表示し、これによって表面の表面特性を表示できるようにしている。

偏光は、表面と直交する平面内で直角方向に偏向させることが望ましく、検出器は鏡面反射光のうち、実質的に直角方向に偏向した部分だけを検出することが望ましい。

角度は、表面の垂直面から約４５度〜約８０度の範囲か望ましく、ブルースター角度（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ’ｓ　ａｎｇｌｅ）がより望ましい。

光源はレーザーが望ましい。

光源と検出器は、略平行な軸線上に位置することが望ましく、鏡手段は表面領域上に光を集める手段からの光に向けて配置され、コリメートレンズの焦点が該表面領域上に位置するように配置されることが望ましい。

区唾旦皿里μ暑朋更なる特徴、目的及び利点については、添付の図面に基づく本発明の望ましい実施例に関する以下の詳細な説明により明らかになるであろう。

図１は本発明を組み込んだ装置のモデルの概略図である。

図２は光源及び検出器のモニタリングをより都合良く行なうことができるようにミラーを組み込んだ装置の第２実施例の該略図である。

図３は本発明の検出器の略説明図である。

図４は同じ用紙のパーカー印刷表面（Ｐａｒｋｅｒ　Ｐｒ１ｎｔ　５ｕｒｆａｃｅ）の読み値に対するＡＣ電圧（ミリボルト）の二乗平均平方根（ｒｏｏｔ　ｍｅａｎ　５ｑｕａｒｅ）、つまり実効値をプロットしたグラフである。

図５は図３と同様なグラフであって、同じ用紙のガードナー光沢（Ｇａｒｄｎｅｒ　Ｇｌｏｓｓ）の読み値に対するＡＣボルトをプロットしたグラフである。

菫圭上上すロ１１空悦朋図１は、実験室用に使用する本発明の実施例を示しており、検査サンプルを取り付ける回転シリンダー（１０）を備えている。シリンダー（１０）は矢印（１４）の向きに回転する。サンプル（１２）がドラム（１０）の回転によって前進するので、異なる位置又は領域（１６）が照明される。

本発明のオンライン構成では、巻取り印刷用紙（ｗｅｂ　。

ｆ　ｐａｐｅｒ）は回転ドラム（１０）に支持されてドラム上を通過する。回転ドラム（１０）は、印刷用紙をセンサー（２０）に関して適当な位置で保持する。この印刷用紙は、図１中、符号（１２Ａ）で示される。

本発明のセンサー（２０）は、光を所定方向に向けて発する装置（１９）を含んでおり、該装置（１９）は平行調整された偏光源（２２）を有し、符号（２４）で示す如く、平行調整された偏光（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｌｉｇｈｔ）（２４）を焦点レンズ（２６）に向けて投射し、スポット又は領域（１６）上に光を集めて照明する。符号（１６）で示すスポット位置に集められる光の角度θｉは、スポット又は領域（１６）の表面に対する垂直面（２７）と、レーザーその他光源（２２）の焦点軸（２１）との間で形成される角度である。（１６）で示すスポット又は領域の主寸法（ｍａｊｏｒ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、通常の場合１５０ミクロンを越えることはない。照明された領域又はスポット（１６）のサイズ（面積）は十分に小さく、スポット（１６）からの鏡面反射は、表面の光沢又は一般的反射率に対するのとは反対に、印刷用紙（１２）の表面の固有平滑度によって著しく変化する。なお、本発明にあっては、反射光は、平滑度と光沢の両方を表わしている（但し、感度は異なる）ことがわかった。

レンズ（２６）の焦点距離ｆｌ、は、レンズ（２６）とスポット（１６）の間の距離である。

センサー（２０）の検出器側つまり受光側には、焦点軸（２５）を有する検出器系（２３）が配備される。検出レンズ（２８）はスポット（１６）上に焦点が位置するように配置され、スポット（１６）から集められた光を、符号（３０）で示すように、鏡面反射光と略平行にコリメートする。従って、鏡面反射光又は実質的に鏡面反射した光だけが、鏡面角度に合わせて調整されたアパーチャ（３２）を通過する。アパーチャ（３２）を通過した鏡面反射光は、レンズ（３４）によって検出器（３６）に集められる。検出器（３６）には、ＨｅＮｅノツチフィルター（３７）（例えば、光を、光源（２２）により生じたものに限定する役割を果たす）と、偏光フィルター（３８）を配備することが望ましく、スポット（１６）に向けられた平行調整偏光（２４）と同じ方向に偏向された光を通過できるようにする。

表面（１２）に対する垂直面（２７）と、検出器系（２３）の焦点軸（２５）との間の測定角度θｒは、角度θｉと等しく、つまり鏡面角度である。また、レンズ（２８）の焦点長さｆ１２はスポット（１６）に関するレンズ（２８）の位置を決めるもので、レンズ（２６）の焦点距１ｊｌｆｌ、と略等しいか又はそれよりも大きいことが望ましい。

焦点距離ｆｉ＋は、３０−２００ｍｍの範囲であり、７５〜１５０ｍｍが望ましい。前記角度θｉ及びθｒは略等しいから、レンズ（２８）はスポット（１６）から鏡面反射した光を集めることかできる。角度θｉは約４５度よりも大きく、８０度よりも小さくすることが望ましい。θ、と０２はブルースター角度に設定することが望ましく、ペーパーの場合５７度である。

平行調整された偏光（２４）は、サンプル（１２）又は（１２Ａ）の表面に対して略直角に偏向されることが望ましく、偏光フィルター（３８）は同様な偏光だけを通過させることができる。

上記の記載から、検出器（３６）が受光する光は、実質的に光源（２２）から発せられる鏡面反射光だけに限定され、さらにフィルター（３８）によって制限されるから、系の感度は最大限まで高められる。

図２に示す構成は、図１に示すものと本質的に同じであるが、レンズ（２６）からの光はミラーＭ１で反射させられ、ライン（２６）から焦点軸線（２３）を曲げて、表面（１２）のスポット（１６）で所定角度θｉにて交差する。レンズ（２８）はミラーＭ２から離れた位置に焦点が合わされ、ライン（２８）からの焦点軸線（２５）はスポット（１６）上で角度θ２で交わる。この結果、レーザー（２２）（平行調整された偏光の光源）と検出器（３６）は、互いにかなり接近する略平行な軸線（又は任意に選択された軸）に沿って光を受けるように焦点軸（２３）　（２５）を配置することができるから、装置をより一部コンパクトに作ることができ、機械への取付けをより簡単に行なうことができる。

図３を参照すると、偏光フィルター（３８）を通過した光は検出器（３６）によって受光され、検出器（３６）の中で信号が作られる。この信号には、ＡＣ信号とＤＣ信号が含まれる。

ＤＣ電圧信号は（４０）で測定され、ＡＣ信号は、バッファ増幅器（４２Ｌバイパスフイルター（４４）及びスペクトルアナライザー（４６）に送られる。Ｒ５ −２３２ラインを介してコンピュータにインターフェースされたフィリップスＰＭ２５２５の如き、真のＡＣＲＭＳ電圧計を用いることができる。ＡＣ信号の２乗平均平方根は、（４８）にてめられ、これを用いて表面（１２）の平滑度（又は光沢）を決定することができる。２乗平均平方根は必要に応じて（５０）で表示することができる。

図４は、本発明を用いて、パーカー印刷表面（ミクロン）に対するＡＣＲＭＳ　ｍＶ（ミリボルト）の読み値をプロットしたものである。図４は、ミリボルトの読み値に非常に明確な変化のあることを示しており、特に、新聞印刷用紙の分析を行なうのに重要な領域である２、８〜３．４μｍの範囲において異なるパーカー印刷表面の読み値と良く相関している。図４のプロット結果は、焦点距離ｆｌ、３０ｍｍ。

直径１７ｍｍの焦点レンズ（２６）に、パワー２ｍｗで波長０．６３μｍの投射光を有するレーザーから光を当てて得られたもので、表面（１２）に直交する平面と平行に、線形的に偏光される。集光レンズ（２８）（３４）は両レンズとも焦点距離ｆ１□が１００ｍｍ、直径５０ｍｍであった。光学フィルターは、中心の波長が０．６３３μｍ、帯域幅が０．０１μｍ、ピーク透過（ｐｅａｋｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）が６６％であり、検出器（３６）のフォトダイオードの面積は０．８ｒ＋＋＋＋＋”であった。角度θｉ及びθｒは、両方とも５６度であった。領域（１６）は直径１００ミクロンであり、アパーチャ（３２）の直径は３．５ｍｍであった。

図５は、図４のプロット結果と同じ装置を用いて得られたＡＣＲＭＳミリボルトの光学的平滑度と、ガードナー光沢の読み値との相関関係を示している。ガードナー光沢とミリボルトの間には、非常に良好な相関関係があることがわかる。これは、異なるスケールでも本発明かガードナー光沢に対して高い感度を示すことがわかる。

図４及び図５から明らかなように、本発明の装置は、ガードナー光沢と、そしてより重要なパーカー印刷表面と、非常に広範囲に亘って良く相関する信号を作り出す。

従って、例えば、印刷適性をめる際に通常使用されるパーカー印刷表面を測定するための良好なオンラインシステムを提供することができる。

発明を説明したが、当該分野の専門家であれば、添付の請求の範囲に規定された発明の精神から逸脱することなく、変形をなすことはできる。

ＦＩＧ、　１ＦＩＧ、　２ＦＩＧ、　３パーカー印刷表面ＦＩＧ、　４ＦＩＧ、　５国際調査報告国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

（１）移動する表面に向けて、平行調整された偏光のビームを光源から角度をなして投射する手段と、最大寸法が約１５０ミクロンよりも小さいスポットを照明するために、前記表面に前記ビームを集光すると共に、スポットからの鏡面反射光を受光して、反射光を鏡面反射光と平行に調整するために、焦点がスポットに位置するように配置したコリメートレンズにより、スポットからの光を集める手段と、スポットからの平行調整鏡面反射光の一部を通過させるために配置されたアパーチャと、該アパーチャを通過した平行調整鏡面反射光の一部を検出器上に集光させるレンズ、を備えており、前記検出器は、アパーチャを通過した鏡面反射光の瞬間強度を検出し、該検出器が受光した鏡面反射光の瞬間強度を表わす信号を発生し、鏡面反射光の強度変化を表示し、これによって表面の表面特性を表示できるようにしている光学センサー。
（２）偏光は、表面と直交する平面内で直角に偏向され、検出器は鏡面反射光のうち、直角に偏向された部分だけを実質的に透過する手段を含んでいる請求項１に記載のセンサー。
（３）角度は表面の直交面から約５０度〜約７５度の範囲である請求項１に記載のセンサー。
（４）角度は表面の直交面から約５０度〜約７５度の範囲である請求項２に記載のセンサー。
（５）角度は、検出されるべき材料のブルースター角度である請求項１に記載のセンサー。
（６）光源はレーザーである請求項１に記載のセンサー。
（７）光源はレーザーである請求項２に記載のセンサー。
（８）光源はレーザーである請求項３に記載のセンサー。
（９）光源はレーザーである請求項４に記載のセンサー。
（１０）光源はレーザーである請求項５に記載のセンサー。
（１１）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項１に記載のセンサー。
（１２）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項２に記載のセンサー。
（１３）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項３に記載のセンサー。
（１４）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項４に記載のセンサー。
（１５）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項５に記載のセンサー。
（１６）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項６に記載のセンサー。
（１７）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項７に記載のセンサー。
（１８）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項８に記載のセンサー。
（１９）光源と検出器の焦点軸は略平行であり、スポット上に集光させる手段からの光が角度をなして進むように配置された第１の鏡手段と、コリメートレンズの焦点がスポット上に位置するように配置された第２の鏡手段を備えている請求項１０に記載のセンサー。