專利名稱：光學(xué)性質(zhì)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)性質(zhì)傳感器。其尤其適于實(shí)時地提供移 動幅材的信息。
背景技術(shù)：
在例如光學(xué)膜的制造中，為了制造出合格的產(chǎn)品，有時需要十分 嚴(yán)格地控制一種或多種光學(xué)性質(zhì)。例如，在制造用于例如光學(xué)平板顯 示器的膜時，穿透性霧度、透明度及透光率的性質(zhì)通常會得到極大的 關(guān)注。
穿透性霧度是本領(lǐng)域中使用的術(shù)語，用于描述可見光在穿過膜時
的廣角散射。在各種標(biāo)準(zhǔn)測試方法中(例如ASTMD1003, ISO 13468)， 百分比霧度通常定義為漫射光透光率與穿過膜或基底的總透光率的比 率。更具體而言，穿透性霧度被定義為，在正交地透射穿過待測量的 基底時，相對于準(zhǔn)直光束漫散射2.5度之外的光分量。透明度是用于描 述在2.5度角內(nèi)的小角度光散射的光學(xué)術(shù)語，而透光率被定義為穿過基 底的透射光與入射到膜上的總的光的比率。
用于測量霧度和其它光學(xué)性質(zhì)的技術(shù)是己知的，并且本領(lǐng)域描述 了用于進(jìn)行此類測量的裝置，如由BYK-Gardner公司進(jìn)行商業(yè)開發(fā)的 用于離線使用的那些。盡管對于分析實(shí)驗(yàn)室而言是有用的，但這些裝 置難以在制造中在線使用，因?yàn)闉榱双@得ASTM D1003標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定 的穿過膜的總透射光量，每次霧度測量都需要在積分球出口端口處定 位和拆下罩蓋，這就造成響應(yīng)時間較慢。為了對霧度進(jìn)行獨(dú)立的絕對 測量，就需要一些方法來確定穿過膜的總透射光。德國的OCS公司(光學(xué)控制系統(tǒng)(Optical Control Systems))己研發(fā) 出在線傳感器，其與BYK GARDNER裝置相比，基于相同的ASTM D1003標(biāo)準(zhǔn)并且具有相同的約束。盡管適于線速度較低的一些應(yīng)用， 但這種設(shè)計(jì)僅測量霧度，并且僅構(gòu)造為單點(diǎn)測量。此外，該裝置大而 笨重，使其難以使用及并入用于在線均勻性(uniformity)測量的掃描 機(jī)構(gòu)中。
本領(lǐng)域還描述了一種用于測試飛行器擋風(fēng)材料的便攜式霧度測量 裝置。然而，該設(shè)計(jì)使用特定波長的激光源，這對于更多地散射其它 波長的材料而言存在問題。
對于能夠測量以商業(yè)可用線速度移動的幅材的整個寬度上的霧度 和透明度的設(shè)備，存在著未得到滿足的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供了一種用于感測樣品的至少一種光學(xué)性 質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括
沿軸線基本上準(zhǔn)直的光源；
具有光入口、軸上開孔和軸外開孔的積分球；
定位在軸外開孔處的散射傳感器；
定位在軸上開孔附近的光阱，該光阱具有設(shè)置在內(nèi)部的透光率傳
感器；
定位成使得反射光朝向透光率傳感器穿過軸上開孔的拋物面鏡；
以及
分析電路，用于接收來自于散射傳感器和透光率傳感器的強(qiáng)度信 息，并且報告與放置在光源與積分球之間的樣品的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。
在另一個方面，本發(fā)明提供了一種感測樣品的至少一種光學(xué)性質(zhì) 的方法，該方法包括
(A)提供傳感器套件，該傳感器套件包括(i)積分球，該積分球具有光入口、軸上開孔及軸外開孔，其中光
入口具有軸線；
Cii)定位在軸外開孔處的散射傳感器；
(iii)定位在軸上開孔附近的光阱，該光阱具有設(shè)置在內(nèi)部的透光率 傳感器；以及
(i力定位成使得反射光朝向透光率傳感器穿過軸上開孔的拋物面
鏡；
(B) 將沿軸線基本上準(zhǔn)直的光束引導(dǎo)穿過樣品并且進(jìn)入光入口中；
以及
(C) 分析來自于散射傳感器和透光率傳感器的強(qiáng)度信息，并且報告 與樣品的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。
在本發(fā)明的實(shí)施例的描述中，將會理解到某些術(shù)語具有其普通的 意義。為了清楚起見，如下術(shù)語將具有本文所闡述的意義
"ASTM"是指ASTM國際(以前稱為美國試驗(yàn)與材料協(xié)會 (American Society for Testing and Materials)),以及ASTM國際許可的測 試方法(例如，ASTMD1003)。
"ISO"是指國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization of Standardization), —個各行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際機(jī)構(gòu)，以及ISO許可的 測試方法(例如，ISO 13468)。
"LED"是指發(fā)光二極管。


在本發(fā)明的實(shí)施例的描述中，將會參照附圖，在附圖中使用了附 圖標(biāo)記來標(biāo)示結(jié)構(gòu)特征，并且在附圖中.-
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備的框圖；以及
圖2為可與根據(jù)圖1的設(shè)備結(jié)合使用的兩個備選型式的孔板的頂 部平面圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種能夠測量以常規(guī)制造線速度移動的幅材上的霧 度和透明度的設(shè)備。本發(fā)明使用了積分球和新型反射鏡布置。利用這 種布置，本發(fā)明能夠利用使用選擇的已知樣品產(chǎn)生的覆蓋所需要的測 量范圍的校準(zhǔn)曲線，來實(shí)時地推導(dǎo)出需要的光學(xué)性質(zhì)值。在一些實(shí)施 例中，周期性地測量固有霧度、透明度和/或透光率標(biāo)準(zhǔn)有利地補(bǔ)償長 期的系統(tǒng)變化(例如，光源強(qiáng)度偏移)。該技術(shù)快速而耐用，并且對于可 接受的協(xié)議表現(xiàn)出與離線工具的好且可重復(fù)的關(guān)聯(lián)。此方法顯著提高 了傳感器的速度及響應(yīng)，并且允許在線單點(diǎn)或全幅材掃描用于均勻性 的測量和控制。
在一個方面，本發(fā)明提供了一種用于感測樣品的至少一種光學(xué)性 質(zhì)的設(shè)備。該設(shè)備包括沿軸線基本上準(zhǔn)直的光源。提供了積分球，該 積分球具有與該軸線對準(zhǔn)的光入口，以及軸上開孔和軸外開孔。散射
傳感器定位在軸外開孔處。光阱定位在軸上開孔附近，并且該光阱具 有設(shè)置在內(nèi)部的透光率傳感器。拋物面鏡定位成使得反射光朝向透光 率傳感器穿過軸上開孔。提供了分析電路，其接收來自于散射傳感器 和透光率傳感器的強(qiáng)度信息，并且報告與放置在光源與積分球之間的 樣品的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。
現(xiàn)參考附圖，圖1為用于感測樣品12的至少一種光學(xué)性質(zhì)的設(shè)備 10的框圖。設(shè)備10包括光源14，以提供沿軸線大致準(zhǔn)直的光束。光 源可包括LED模塊16，其通過控制路徑20受到LED驅(qū)動器18的控 制。如果LED模塊16的光輸出還不是準(zhǔn)直的，則通過光纖線路24方 便地將其輸出耦合到光學(xué)準(zhǔn)直儀22上。
來自于光源14的光被引出開孔26，且穿過樣品12。其然后穿過 光入口 30進(jìn)入積分球28。在一些實(shí)施例中，光入口30將具有保護(hù)窗 口 32。可提供可選的保護(hù)窗口 33來保護(hù)準(zhǔn)直儀22。保護(hù)窗口33可傾 斜到垂直于準(zhǔn)直儀22的軸線的平面外，以便最小化向后朝光源14的 不當(dāng)反射。積分球28包括軸上開孔34和軸外開孔36。散射傳感器38定位 在軸外開孔36處。光阱40定位在軸上開孔34附近，且透光率傳感器 42設(shè)置在光阱40內(nèi)。拋物面鏡44定位成將穿過軸上開孔34的光反射 朝向透光率傳感器42。積分球28內(nèi)的虛線描繪了在沒有霧度(漫散射) 存在且透明度為100%時準(zhǔn)直光束穿過樣品12的光路徑。當(dāng)透明度變 差(<100%;>時，則存在準(zhǔn)直光束的小角度擴(kuò)散。當(dāng)反射離開拋物面鏡44 時，暈圈投射在會聚(focus)的主光束周圍。該暈圈的強(qiáng)度是其透明 度的函數(shù)。
可選的孔板45可在透光率傳感器42附近定位光阱40內(nèi)，以便將 落到透光率傳感器42上的光限制在相比于拋物面鏡44的中心軸線的 特定角度范圍內(nèi)。參考圖2，示出了可與設(shè)備10結(jié)合使用的孔板45的 兩個實(shí)施例。孔板45a僅允許偏離拋物面鏡44的中心軸線的光到達(dá)透 光率傳感器42。替選的孔板45b的限制更大，并且趨于僅允許由拋物 面鏡44朝其中心軸線會聚的光到達(dá)透光率傳感器42。還可使用放大型 式的孔板45b，以便允許發(fā)散和會聚的反射離開拋物面鏡44的光到達(dá) 透光率傳感器42。所使用的孔板45的類型很重要，因?yàn)槠湎薅▽y量 何種光學(xué)性質(zhì)?？装?5a最適于測量透明度，孔板45b用于測量各種形 式的透光率。
再次參考圖1，來自于散射傳感器38和透光率傳感器42的信息 可分別經(jīng)由信號線46和48發(fā)送給分析電路50。分析線路50接收強(qiáng)度 信息，并且報告與所關(guān)注的樣品12的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。分析線路50 可有利地包括傳感器放大器52，以調(diào)整信號線46和48上的信號。為 了分析電路50更好地排斥環(huán)境光對于測量的影響，方便的是，LED驅(qū) 動器18對LED模塊16所發(fā)出的光進(jìn)行斬光。在這些實(shí)施例中，關(guān)于 斬光的信息從LED驅(qū)動器18經(jīng)由信號線54傳遞到了傳感器放大器52。
來自于傳感器放大器52的調(diào)整后的信號在信號線56和58上傳遞給鎖定放大器60和模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器62。鎖定放大器60用于將斬 光后的信號(如果使用斬光)轉(zhuǎn)換回連續(xù)形式。A/D轉(zhuǎn)換器62使將要在 信號線64上輸送的信號適于微型計(jì)算機(jī)66。 一旦完成這些，信號就可 與所關(guān)注的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)，并且以任何方便的方式(表示為信號線68) 報告值。在一些方便的實(shí)施例中，信號增益控制信息從微型計(jì)算機(jī)66 沿信號線70饋送給信號放大器52。
微型計(jì)算機(jī)66可從市場上獲得，并且具有足夠的能力來處理輸入 信號，以及將其與所關(guān)注的光學(xué)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線比較?？墒褂脴?biāo) 準(zhǔn)材料進(jìn)行校準(zhǔn)，所述標(biāo)準(zhǔn)材料類似于正在被測量并且具有由標(biāo)準(zhǔn)測 試方法在常規(guī)離線儀器上確定的預(yù)先測量的光學(xué)性質(zhì)的材料，其中常 規(guī)離線儀器是例如可從BYK-Gardner公司獲得的用于離線使用的儀 器。例如，可使用線性回歸技術(shù)來準(zhǔn)備校準(zhǔn)曲線，并且校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可保 存在微型計(jì)算機(jī)中以在計(jì)算以商業(yè)上可用的線速度行進(jìn)的移動幅材的 寬度上所關(guān)注的光學(xué)性質(zhì)中使用。形成這些標(biāo)準(zhǔn)曲線是在本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。
實(shí)例
大致如圖1中所示地制備根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。該實(shí)施例尤其適于 測量不定長度幅材，且特征在于兩個堅(jiān)固的鋁制包殼，其間具有幅材 穿過的通路。 一個包殼中有開孔，市售的光學(xué)準(zhǔn)直儀，如加拿大安大 略的OZ Optics的型號#HPUCO-23-400/700-M-25AC，被安裝到該開 孔中。該光學(xué)準(zhǔn)直儀連接到市售的具有作為尾纖的光纖的LED模塊， 例如加拿大魁北克的Doric Lenses的LED Pigtail LuxeonIII Star WHI 400/430 0.37NA 0.5m FC/PC。 LED驅(qū)動器為在其開啟時將恒定電流輸 送給LED的定制電路。該驅(qū)動器設(shè)定成9kHz的斬光頻率，作為用以 限制環(huán)境光對膜的測量的影響的措施。薄的玻璃窗口安裝在與準(zhǔn)直儀 相對的開孔附近，準(zhǔn)直儀的法線從準(zhǔn)直儀的軸線傾斜了 3度。
在與開孔和準(zhǔn)直儀相對的第二包殼中，市售的積分球，如新罕布什爾，北薩頓的Labsphere Inc.的型號糾P-GPS-040-SF，被安裝成具有 與準(zhǔn)直儀軸線對準(zhǔn)的直徑為1英寸的光入口。薄的玻璃窗口安裝在光 入口附近。積分球具有與光入口相對的0.5英寸直徑的軸上開孔，以及 0.5英寸直徑的軸外開孔，如果光入口和軸上開孔認(rèn)作是"極點(diǎn)"，則軸 外開孔大致定位在"赤道"處。市售的散射傳感器，如加利福尼亞內(nèi)華達(dá) 的UDT Sensors Inc.的型號#PIN10DP，被定位在軸外開孔處。
由金屬片構(gòu)成的光阱定位在積分球的軸上開孔處。市售的透光率 傳感器，如加利福尼亞內(nèi)華達(dá)的UDT Sensors Inc.的型號弁PIN-10DP， 被定位在光阱內(nèi)。市售的具有2英寸的焦距的拋物面鏡，如加利福尼 亞的歐文的Newport公司的型號弁50329AL，被定位在光阱內(nèi)，以將從 軸上開孔露出的光朝透光率傳感器會聚。如圖2中所示的可選的孔板 定位在透光率傳感器附近的光阱內(nèi)。
定制信號調(diào)節(jié)放大器定位在第二包殼內(nèi)，且連接到市售的鎖定放 大器，如加利福尼亞的圣羅莎的Electro Optical Components, Inc.的型號 #LIA-BV-150-L，市售的A/D放大器，如賓夕法尼亞的州學(xué)院(State College) 0勺RTD Embedded Technologies, Inc.的型號#DM6420 HR-l， 以及市售的嵌入式PC，如加利福尼亞的蒙特羅斯的Micro/Sys的型號 #Netsock/415。
盡管己經(jīng)參考本發(fā)明的各種實(shí)施例來具體地示出和描述了本發(fā) 明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解到，可在不脫離本發(fā)明的精神和范 圍的情況下在其中做出形式和細(xì)節(jié)上的各種其它變化。
權(quán)利要求
1.一種用于感測樣品的至少一種光學(xué)性質(zhì)的設(shè)備，包括沿軸線大致準(zhǔn)直的光源；具有光入口、軸上開孔和軸外開孔的積分球；定位在所述軸外開孔處的散射傳感器；定位在所述軸上開孔附近的光阱，所述光阱具有設(shè)置在內(nèi)部的透光率傳感器；拋物面鏡，所述拋物面鏡定位成將穿過所述軸上開孔的光反射朝向所述透光率傳感器；以及分析電路，用于接收來自于所述散射傳感器和所述透光率傳感器的強(qiáng)度信息，并且報告與放置在所述光源與所述積分球之間的樣品的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述光源包括與光學(xué)準(zhǔn)直儀 光學(xué)耦合的LED發(fā)光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述LED發(fā)光器被驅(qū)動，以 提供至少5kHz斬光的光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括與所述光學(xué)準(zhǔn)直儀相關(guān)聯(lián) 的保護(hù)窗口，所述保護(hù)窗口傾斜出垂直于所述軸線的平面。
5. —種感測樣品的至少一種光學(xué)性質(zhì)的方法，包括 (A)提供傳感器套件，所述傳感器套件包括(i) 具有光入口、軸上開孔及軸外開孔的積分球，其中所述光入口 具有軸線；(ii) 定位在所述軸外開孔處的散射傳感器；(m)定位在所述軸上開孔附近的光阱，所述光阱具有設(shè)置在內(nèi)部的透光率傳感器；以及(iv)拋物面鏡，所述拋物面鏡定位成將穿過所述軸上開孔的光反射 朝向所述透光率傳感器；CB)引導(dǎo)沿所述軸線大致準(zhǔn)直的光束穿過所述樣品進(jìn)入所述光入 口中；以及(C)分析來自于所述散射傳感器和所述透光率傳感器的強(qiáng)度信息， 并且報告與所述樣品的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中通過與光學(xué)準(zhǔn)直儀光學(xué)耦合 的LED發(fā)光器形成大致準(zhǔn)直的光源光束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述LED發(fā)光器被驅(qū)動，以 便提供以至少5kHz斬光的光。
全文摘要
一種能夠測量以常規(guī)制造速度移動的幅材上的霧度和透明度的設(shè)備。該設(shè)備使用積分球和新型反射鏡布置。利用這種布置，本發(fā)明可利用在實(shí)時轉(zhuǎn)換所需要的測量范圍上使用已知樣品生成的校準(zhǔn)曲線，以及測量廣角散射信號和小角度散射信號的兩個光電探測器的響應(yīng)，來推導(dǎo)需要的光學(xué)性質(zhì)值。此方法顯著增加了傳感器的響應(yīng)及速度，并且能夠進(jìn)行在線單點(diǎn)或全幅材掃描，以用于均勻性的測量和控制。
文檔編號G01N21/47GK101680837SQ200880021463
公開日2010年3月24日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者大衛(wèi)·L·霍費(fèi)爾特, 格雷戈里·D·科斯圖齊 申請人:3M創(chuàng)新有限公司