ストークスパラメータを用いて繊維材料を特徴付けるためのシステム及び方法
製造工程中に材料のシートの繊維配向パラメータを求めるための装置２００が、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を与えるように動作することができる被偏光放射生成システム２０１、２０２を備える。該偏光した放射は、特徴付けられる材料のシート２０３に入射するように位置合わせされる。偏光計２０４、２０５が、材料のシート２０３によって透過される放射を受信するように位置合わせされる。光検出器２０６が、偏光計による偏光処理後に受信される放射を測定するために提供される。プロセッサ２０７が、光検出器２０６に接続され、受信した放射の強度に基づいて、動いているシートのストークスパラメータを計算し、該ストークスパラメータに基づいて動いているシートの繊維配向に関連する少なくとも１つのパラメータを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維配向を測定するための方法及び装置に関し、より詳細には、動いているシートにおいて繊維配向を測定するのに適している、ストークスパラメータに基づく方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維材料の繊維配向が、多くの場合に材料の或る特性を決定付けることが知られている。紙製品におけるセルロース繊維の配向は、その製造中に監視し、制御すべき重要な特性である。
【０００３】
繊維配向は、一枚の紙内に繊維が如何なる状態で置かれているかを表すために用いられる用語である。繊維の大部分が整列している方向（繊維配向角）及びその整列の程度（繊維比又はアスペクト比）を特定することによって、繊維配向が特徴付けられる。繊維配向角は典型的には、シートの縦方向（ＭＤ）の動きと繊維配向の主方向との間の角度を測定するものである。繊維比は、シート異方性を測定するものであり（異なる方向において測定されるときに異なる値を有する特性を示す）、９０°だけ離れた最大繊維分布と最小繊維分布との比である。等方性シートは１の繊維比を有する。アスペクト比は、繊維配向角の方向に向けられる繊維数と繊維配向角に対して垂直に向けられる繊維数との相対的な繊維数を表す。
【０００４】
紙の繊維配向は、強度及び反り（捩れ／巻き）のような重要な特性を決定付けることが知られている。強度は、厚紙品質（強い箱）を得るのに、そして紙袋品質（強い袋）を得るのに特に重要である。反りは、箱を真四角にしたい箱製造業者にとって重要であり、さらには、フォトコピー用紙の用紙ジャムを防ぐのに重要である。一般的に、紙を印刷機からできる限り迅速に「引き抜く」ことが望ましいので、強度は印刷工程においても重要である。このため、製紙業者は、強度を最大にし、且つ反りを最小にするために、繊維配向を最適にすることを望む。処理条件を変更して所望の最適な配向を与えることができるように、紙製造中に繊維配向測定が実行されることが好ましい。しかしながら、完成品として得られた紙の繊維配向を求めるために、繊維配向測定を品質制御ステップとして用いることもできる。
【０００５】
このための種々の装置が知られている。１つの方法は、拡散効果（すなわち、導光効果）を用いて、繊維配向の２つの極値の大きさの差を検出するようになっている繊維配向測定装置を用いる。既知の技術によるこの繊維配向測定装置は、ロール紙、特に動いているロール紙において現れる任意の極端な繊維配向を検出し、且つ／又はそのような２つの極端な繊維配向の大きさの差を検出する。この場合、ペーパウエブが、その断面において少なくとも１８０°にわたって鮮明な境界を有する電磁放射、特に可視スペクトルのレーザビーム（可視光）を照射される。その際、ペーパウエブの入射側にある入射スポットの近くで、又はその反対側において、ペーパウエブを透過したビームが、複数の所定の扇形に分割され、入射スポットと非入射領域との間の境界からの所定の距離にある位置において測定され、電気的な値の形で測定された値が互いに比較される。そのような電気的な値を得るために、ペーパウエブを透過した光ビームを光学的に拡大し、撮像レンズを通して導光して、画像を入手し、その後、その画像が光電変換にかけられる。
【０００６】
上記のような紙繊維配向を測定する既知の方法及び装置は、検出器が入射レーザビームの光学軸を中心にして回転し、入射レーザビームを所与の角度を成す複数の所定の形状に分割し、それにより、最大値と最小値との間の差又は比が得られるようにする原理に基づく。しかしながら、そのような方法及び装置には以下のような種々の問題が伴っている。第一に、検出器の回転中にウエブが動いているため、製造されているペーパウエブ上の１つの同じ位置において最大値及び最小値を検出することができない場合がある。既知の技術によるそのような装置が所望の測定を達成できるようにするために、特定されることになる紙繊維配向がペーパウエブ上の任意の位置において一定でなければならないことが不可欠である。残念なことに、繊維配向は多かれ少なかれ、製造されているペーパウエブ上の特定の位置に依存し、それゆえ、既知の技術によるこの装置は、ペーパウエブが動くのに応じて変動している繊維配向を検出することができない場合がある。したがって、製紙機の中で動いているウエブの繊維配向をオンラインで求めることは実質的に不可能である場合がある。言い換えると、製造されている紙において測定結果を瞬時に反映させること、それゆえ、所望の繊維配向を有する紙を得ることが不可能である場合がある。
【０００７】
さらに、ペーパウエブは可変の稼動速度及び巻取ロールの可変の直径によって影響を及ぼされる場合があり、その表面に対して概ね垂直な方向において震動及び／又は振動する場合がある。結果として、ペーパウエブと撮像レンズとの間の距離を一定に保つことは難しく、それゆえ、画像を十分に合焦した状態に保持することは難しい。撮像面内の画像の鮮明度及び形状が、ウエブの震動及び／又は振動に起因して異なる場合がある。そのような変動は、繊維配向の実際の変動に関連しない場合があり、所定の測定位置において検出器によって求められる光ビームの強度は、実際の繊維配向とは関係なく変化する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでに説明されてきたような問題に鑑みて、本発明の目的は、動いているペーパウエブのような繊維材料内の繊維配向をオンラインで確実に測定することができるような、紙を含む繊維材料の繊維配向を測定する方法及び装置を提供することである。提供されると、絶えず高い品質の紙を得るために、製造されている紙に測定結果を瞬時に反映させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の性質及び内容を簡潔に示す発明の概要を要求する米国特許法施行規則１．７３条に準拠するために概要が提供される。その概要は特許請求の範囲又は意味を解釈又は限定するために用いられないという了解のもとで提示される。
【００１０】
製造工程中に材料のシートの繊維配向パラメータを求めるための方法であって、特徴付けられる材料のシートに、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を照射するステップと、材料のシートによって透過される放射強度を測定するステップと、測定された放射強度に基づいてシートのためのストークスパラメータを計算するステップと、ストークスパラメータから少なくとも１つの繊維配向パラメータを求めるステップとを含む方法。一実施の形態では、シート材料は、例えば紙、繊維材料を含むセルロースのような、製造中の動いている材料のシートである。
【００１１】
一実施の形態によると、偏光した放射は、偏光子を用いて無偏光テラヘルツ若しくはマイクロ波源から生成されるか、又は偏光したテラヘルツ若しくはマイクロ波源から直接得られる。求めるステップは、ポアンカレ球上にストークスパラメータを表示すること、及びポアンカレ球を用いてシートの複屈折及び繊維配向パラメータを求めることを含むことができる。
【００１２】
本方法は、ストークスパラメータ又は繊維配向パラメータに基づいて、製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するステップをさらに含む。一実施の形態では、製造工程のパラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）及びスライスリップ開度のうちの少なくとも１つを含む。
【００１３】
測定ステップのために、直線偏光子に光学的に結合される回転式４分の１波長板を備える偏光計を用いることができる。一実施形態では、本方法は、材料のシートが存在しない状態で、偏光した放射の入力偏光状態を特定するステップと、計算するステップにおいてその入力偏光状態を用いるステップとをさらに含む。別の実施形態では、本方法の間に、材料のシートと偏光した放射との間の角度が一定に保持される。
【００１４】
製造工程中に材料のシートの繊維配向パラメータを求めるための装置が、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光したテラヘルツ又はマイクロ波放射を与えるように動作することができる被偏光放射生成システムを備える。該偏光した放射は、特徴付けられる材料のシートに入射するように位置合わせされる。偏光計が材料のシートによって透過される放射を受信するように位置合わせされる。光検出器が偏光計による偏光処理後に受信される放射を測定するために提供される。プロセッサが光検出器に接続され、受信した放射の強度に基づいて、動いているシートのストークスパラメータを計算し、該ストークスパラメータに基づいて動いているシートの繊維配向に関連する少なくとも１つのパラメータを求める。
【００１５】
一実施の形態では、材料のシートは処理システムによって処理され、処理システムは、ストークスパラメータ又は繊維配向パラメータに基づいて製造システムによって実行される工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために、プロセッサと処理システムとの間に閉ループ制御をさらに備える。閉ループ制御は、プロセッサに接続される送信機及びアンテナと、処理システムに接続される受信機とを備える有線フィードバック接続又は無線接続を備えることができる。
【００１６】
製造工程パラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）及びスライスリップ開度のうちの少なくとも１つを含むことができる。一実施形態では、被偏光放射生成システムは、第１の直線偏光子に結合される無偏光放射源を含む。無偏光放射源はテラヘルツ放射源を含むことができる。
【００１７】
本開示の上記の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び添付の特許請求の範囲から、当業者によって認識され、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を示すポアンカレ球を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による１つの例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図３ａ】図２に示される装置に類似しているが、プロセッサと製造システムとを通信可能に接続するフィードバックコネクタを含む閉ループ制御を追加する、本発明の一実施形態による別の例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図３ｂ】図３に示される装置に類似しているが、有線フィードバック接続の代わりに、送信機、アンテナ及び受信機を含む無線リンクを利用する、本発明の一実施形態による別の例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図４】テラヘルツビームのような、偏光した放射ビーム、又は部分偏光した放射ビームを受信する回転式４分の１波長板を含む、本発明の実施形態と共に用いることができる回転式４分の１波長板偏光計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
波長板は、速軸及び遅軸と呼ばれる一対の直交する軸を有する。速軸に対して平行な電界ベクトルを有する偏光した放射は、遅軸に対して平行な偏光した放射よりも速く進行する。紙及び厚紙が、その速軸が繊維配向に対して垂直であり、その遅軸が繊維配向に対して平行である波長板としての役割を果たすことが最近になってわかった（M. Reid, R. Fedosejevs著「Teraherts Birefringence and attenuation properties of wood and paper」（Applied Optics, pp. 2766-2772, vol. 45, No. 12, April 2006を参照されたい）。紙波長板のリターデイションは、波長板の厚み、並びに速軸及び遅軸屈折率によって求められる。
【００２０】
本発明は、紙シートのような材料のシートを透過した後の電磁放射のストークスパラメータを特徴付けることに基づく。ストークスパラメータは、偏光の状態を表す４つのパラメータである。ストークスパラメータを測定するとき、入射信号は典型的には、ビームスプリッタのようなスプリッタ、ハーフミラー又はフィルタを用いて、４つの光線に分割される。信号光線のそれぞれは、半波長板又は他の偏光子及び４分の１波長板又は他の移相器を用いて、異なる偏光及び位相を与えられ、分割された信号光線のそれぞれの光学的な成分が光検出器素子を用いて光電変換にかけられ、光電変換によって得られた電気信号成分に関して演算が実行されて、ストークスパラメータが得られる。放射を４つの光線に分割し、種々の摂動素子（すなわち、偏光子、４分の１波長板、移相器）のもとでこれらの光線を概ね同時に測定することによって、偏光状態を概ね瞬時に測定できるようになる。
【００２１】
当該技術分野において知られているように、偏光した放射は、ストークス偏光パラメータを参照することによって、又はまとめてストークスベクトルとして完全に表現することができる。第１のパラメータＩは、完全な光場（偏光した放射及び無偏光放射の両方）の全強度を表す。残りの３つのパラメータは、完全な光場の偏光状態を、すなわち、直線偏光及び円偏光した放射に関して記述する。当該技術分野において知られているように、偏光子が回転するときに、又は或るリターダンス値（紙によって引き起こされる値など）のリターダが光場に導入されるときに、無偏光放射の強度又は振幅は変わらないままであり、４つのストークスパラメータを、無偏光放射、部分偏光した放射及び完全偏光した放射に適用することができる。
【００２２】
本発明者らは、ストークスパラメータを特徴付けることによって、紙シートのような繊維シート内の繊維配向を求めることができることに気が付いた。透過測定が用いられる場合、放射は、紙のようなシート材料によって概ね透過される必要がある。紙の場合、放射は概ねＴＨｚ領域からマイクロ波に及ぶ。テラヘルツ放射は、テラヘルツ波、又はテラヘルツ放射としても知られており、一般的には、３００ギガヘルツ（３×１０１１Ｈｚ）から３テラヘルツ（３×１０１２Ｈｚ）までの電磁スペクトルの領域を指しており、１ミリメートル（マイクロ波帯の高周波数端）から１００マイクロメートル（遠赤外線放射の長波長端）までのサブミリメートル波長範囲に相当する。マイクロ波はテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数の波長よりも長いが、電波よりも相対的に短い波長を有する電磁波である。マイクロ波は、概ね３０ｃｍ（周波数＝１ＧＨｚ）から１ｍｍ（３００ＧＨｚ＝３×１０１１Ｈｚ）の範囲の波長を有する。赤外線放射が用いられる場合もある。その解析のために、一般的には任意の偏光計を用いることができる。
【００２３】
偏光測定は放射の偏光の測定である。偏光計は、これらの測定を行なうために用いられる科学機器である。偏光計は、完全偏光状態、すなわち、未知の入力ビームの偏光の変化を測定することができる。偏光測定を用いて、線形複屈折、円偏光複屈折（光学的な回転又は光学的な回転分散としても知られる）、直線二色性、円偏光二色性及び散乱を含む、材料の種々の光学的特性を測定することができる。これらの種々の特性を測定するために、偏光計の数多くの設計が存在しており、一般的にはその全てを本発明の実施形態と共に用いることができる。時代遅れのものもあれば、現在使用されているものもある。大部分の高精度の偏光計は干渉計に基づいており、一方、より従来型の偏光計は、偏光フィルタ、波長板又は他のデバイスの配列に基づく。
【００２４】
ポアンカレ球表現は、４つの（正規化された）ストークスパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３に基づく偏光の完全な状態の視覚化を理解するための迅速で、且つ容易な方法を提供する。図１は、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を示すポアンカレ球を示す。信号の偏光した部分の変化によって、偏光状態がポアンカレ球の表面上で動く。
【００２５】
偏光計からの出力のストークスパラメータは多くの場合に、行列の形で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
入力偏光状態に対する摂動素子を表す４×４行列（ミュラー行列としても知られている）が、その４×１行列に対して乗算されて、以下の行列式が得られるようになる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
上記で言及されたように、ストークスパラメータを測定するための１つの方法は、たとえば、静止している（すなわち、非回転式の）４分の１波長板及び直線偏光子を用いて、ビームを、それぞれ摂動を受ける４つの光線に分割する。類似の方法では、ビームを分割するのではなく、同じ結果を達成するために、４分の１波長板及び偏光子が種々の方法で配向される。この方法は、その主題に関する大部分の教本において見ることができ、紙のようなシート材料の繊維配向を測定するための本発明の実施形態との関連で適用することができる。
【００３０】
図２は、本発明の一実施形態による、紙繊維配向測定装置２００を概略的に示すブロック図である。ペーパウエブは２０３として示されており、それは紙製造システム２１３によって処理されており、典型的な応用形態では、装置２００が動作している間にペーパウエブは直線的に動く。一実施形態では、現在の機械と比べて、その製紙機上の同じような場所において（たとえば、ヘッドボックス及びワイヤの後で）、ＥＸＰＲＥＳＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ（商標）走査プラットフォーム（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌによって製造される）を用いることができる。パルスフェムト秒レーザ源及び光伝導アンテナ又はＺｎＴｅのような非線形整流結晶を用いて生成されるパルスＴＨｚ源のような放射源２０１が、０．１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの周波数範囲内の放射を与えることができ、プロジェクタ手段としての役割を果たし、ペーパウエブ２０３の表面のうちの繊維配向が求められることになる１つの表面に面するように配設され、結果として、ペーパウエブ２０３が、アンテナ源２０１から放射されるＴＨｚビームを照射され得るようになる。パルスＴＨｚ源に対する代替形態は、連続波ＴＨｚ、又はたとえば、後進波発振器から生成されるマイクロ波源であろう。放射源２０１から放射されるビームは、偏光しないか、部分偏光するか、又は偏光する場合がある。ＴＨｚ源２０１からのビームは、ペーパウエブ２０３のＺ軸に沿って位置合わせされるように示される。Ｚ軸は、図２に示されるように、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して直交する。
【００３１】
図には示されないが、雑音が制限されることが望ましいときなどに、変調器を追加して、ＴＨｚビームを変調することができる。この実施形態では、後に説明される検出回路は一般的にはロックイン増幅器を含む。
【００３２】
ビーム源２０１とペーパウエブ２０３との間に配置される偏光板（偏光子）２０２が示されており、一実施形態では、Ｙ軸に対して平行に偏光するような、直線偏光した放射を出力する。ペーパウエブ２０３と検出器２０６との間に配置される偏光板（解析器）２０４及び４分の１波長板２０５が示されており、それらは組み合わせてストークスパラメータを求めるために用いられる。偏光板２０４は、ストークスパラメータＳ０、Ｓ１及びＳ２を求めるために、ペーパウエブ２０３によって透過される放射を３つの異なる向きに偏光させるように配設される。本発明の実施形態では、これらの３つの向きは、（１）Ｘ軸方向に対して平行、（２）Ｙ軸方向に対して平行、及び（３）Ｘ軸とＹ軸との間で４５°を成す方向とすることができる。ストークスパラメータＳ３を求めるために、偏光板２０４の偏光方向から４５°を成す軸方向において、装置２００に４分の１波長板２０５を挿入することができる。行なわれる測定及び取るべき測定方法に応じて、４分の１波長板２０５を、ペーパウエブ２０３と偏光板２０４との間に挿入することができるか、又は図１の装置から取り出すことができる。
【００３３】
検出器２０６が、偏光板２０２、ペーパウエブ２０３、偏光板２０４及び４分の１波長板偏光板２０５（存在する場合）を透過する放射の強度を測定し、被透過電気強度信号を生成する。検出器２０６は、たとえば、同期ゲートＴＨｚアンテナ、非線形整流結晶とフォトダイオードとの組み合わせ、焦電検出器又は他の熱検出器とすることができる。ＴＨｚ内以外のＥＭスペクトルの部分（たとえば、赤外線又はマイクロ波）内の電磁放射が用いられる場合には、それらを生成し、検出するのに適している検出器及び放射源が用いられるであろう。その電気信号は一般的に、フィルタリング及びＡ／Ｄ変換のような種々の処理にかけられ、その後、画像／データプロセッサ２０７に出力される。
【００３４】
数学的な形では、ストークスパラメータは、種々の向きの偏光子２０４及び４分の１波長板２０５の下で、光検出器２０６において放射の強度を測定することによって求められる。θをＸ軸に対する直線偏光子２０４の角度とする。φを４分の１波長板２０５のリターデイションの程度とする。特定の強度測定値は、以下のように、Ｉ（θ，φ）として表すことができる。
【００３５】
Ｓ０＝Ｉ（０°，０°）＋Ｉ（９０°，０°） ４分の１波長板２０５なし
Ｓ１＝Ｉ（０°，０°）−Ｉ（９０°，０°） ４分の１波長板２０５なし
Ｓ２＝２Ｉ（４５°，０°）−Ｓ０ ４分の１波長板２０５なし
Ｓ３＝２Ｉ（４５°，９０°）−Ｓ０ ４分の１波長板２０５挿入（９０°＝λ／４）
画像／データプロセッサ２０７は、格納されたファームウエアを用いて所定の処理を実行し、一連の計算を実行する。具体的には、画像／データプロセッサ２０７は、光検出器２０６に到達する被透過放射強度信号に基づいて、ペーパウエブ２０３のストークスパラメータを計算し、そのストークスパラメータは、ペーパウエブ２０３の繊維配向パラメータを計算するために用いられる。このようにして計算されたデータは、グラフ又は数値データの形で、ＣＲＴディスプレイのようなディスプレイデバイスに表示することができる。所望により、そのデータは外部メモリデバイスに書き込まれるか、又はプリンタから出力される場合もある。プロセッサ２０７は、たとえば、パーソナルコンピュータとすることができ、測定された放射強度に基づいてストークスパラメータを計算するためのソースコードを含むことができる。
【００３６】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態による紙繊維配向測定装置３００を概略的に示すブロック図であり、その装置は図２に示される装置２００に類似しているが、フィードバックコネクタ３０８を含む閉ループ制御が追加されており、そのコネクタはプロセッサ２０７と、ペーパウエブ２０３を処理している製造システム２１３とを通信可能に接続する。このモードでは、プロセッサ２０７はプロセスコントローラとしての役割を果たす。閉ループ制御は、ストークスパラメータ、又はそれから得られた繊維配向パラメータ（複数可）に基づいて、紙製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために設けられる。たとえば、制御されるパラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）、及び／又はスライスリップ開度とすることができる。
【００３７】
図３（ｂ）は、本発明の別の実施形態による、紙繊維配向測定装置３５０を概略的に示すブロック図である。装置３５０は、図３（ａ）に示される装置３００に類似しているが、有線フィードバック接続の代わりに、送信機３１５、アンテナ３１９及び受信機３１４を含む無線リンクを利用する。
【００３８】
本発明の一実施形態では、偏光計は、L. Giudicotti, M. Brombin著「Data analysis for a rotating quarter-wave far-infrared Stokes polarimeter」（Applied Optics, pp. 2638-2648, Vol. 46, No. 14, May 2007）（これ以降、Giudicotti）において開示されるような回転式４分の１波長板タイプを含む。この偏光計は、図４に関して後に説明される。
【００３９】
Giudicottiにおいて開示されるように、４分の１波長板は、その軸を中心にして能動的に回転し、検出器における放射強度が異なる数学的形式で積分され、ストークスパラメータが得られ、それは上記で言及されたように、放射ビームの完全偏光状態を表現する。式１は以下のように書くこともできる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
ただし、Ｐ、ψ及びχはそれぞれ、偏光度、方位角及び楕円率角である。Ｐ、ψ及びχは、以下のように、Ｓの４つの要素から計算される。
【００４２】
【数４】
【００４３】
その後、ストークス又は（Ｐ、ψ及びχ）パラメータを用いて、紙又は他のシート材料の複屈折、及び紙又は他のシート材料の繊維配向パラメータを含む、パラメータを求めることができる。紙を用いる場合、及び用いない場合（すなわち、標準化又はオフシート動作中）のＳパラメータを測定することによって、紙そのもの（それは弱いリターダとしての役割を果たす）によって引き起こされる偏光状態の摂動を定量化できるようになる。たとえば、リターデイション強度φ及び入力偏光に対する角度（すなわち、繊維配向角）θを有するリターダのミュラー行列は、減衰がないものと仮定すると（ストークス解析に基づく）、以下の形をとる。
【００４４】
【数５】
【００４５】
それにより、以下の式が成り立つ。
【００４６】
【数６】
【００４７】
こうして、一実施形態において、上記の回転式４分の１波長板法又は他の同等の方法を用いて入力及び出力ストークスパラメータを測定することによって、φ及びθを求めることができる。これは、繊維配向角を得ることができる１つの方法である。当業者によって認識されるように、繊維配向パラメータを求める際に同等の結果を達成するために、偏光状態の摂動に基づくストークスパラメータ、ポアンカレ球又は（Ｐ、ψ及びχ）解析を用いる数多くの他の異なる方法もおそらく存在する。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態と共に用いることができる回転式４分の１波長板偏光計４００を示す。回転式４分の１波長板偏光計４００は、テラヘルツビームのような、偏光又は部分偏光した放射ビーム４０２を受信する回転式４分の１波長板４０５を備える。回転式４分の１波長板４０８の後方には直線偏光子４０８が配置される。検出器４１２は、同期したＴＨｚアンテナ、又は非線形整流結晶とフォトダイオードとの組み合わせとすることができる。
【００４９】
紙の繊維配向を特徴付けるための関連する方法に関して、１つの例示的な方法が提供される。テラヘルツ（遠赤外線）又はマイクロ波放射源のような、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射の放射源が設けられるか、又は偏光子を用いて無偏光放射源から生成される。偏光した放射は紙を透過する。
【００５０】
本発明の実施形態は、本発明によるプロトタイプシステムにおいて用いられる測定構成の制限のみに基づいて、３ＴＨｚの最大周波数に制限されている。しかしながら、本発明の実施形態は、将来のシステムにおいて利用可能な構成を含む、他の測定構成を用いて、少なくとも約１５ＴＨｚから約３０ＴＨｚまでの、ＴＨｚ範囲の上端を越える周波数までで実施することができる。
【００５１】
本方法は、偏光の変化（示差的な（differential）測定；偏光状態の変換）から繊維パラメータを導出することが好ましい。しかしながら、入力偏光状態が十分にわかっているときには特に、単一の測定を用いることができる。示差的な方法の一実施形態では、入力偏光状態（紙が存在しない場合）が偏光計を用いて最初に特徴付けられ、格納される。図４に示されるような回転式４分の１波長板を用いて、放射源からの放射の偏光状態を測定することができる。別の実施形態では、J. Baptistse著「Terahertz achromatic quarter-wave plate」（Optics Letters, January 15, 2006, Vol.31, No.2）において開示される色消し４分の１波長板のような、ＴＨｚスペクトル用の色消し４分の１波長板を用いることができる。その後、紙が製造されるのに応じて、放射源からの放射が紙を透過する。透過した偏光状態は、一般的には同じ偏光計を用いて特徴付けられる。紙を透過することに起因する偏光状態の変換がプロセッサ又は他のコンピューティングデバイスによって用いられ、たとえば、上記の関係を用いて、１つ又は複数の繊維パラメータが求められる。
【００５２】
本発明は、紙を特徴付けること、及び紙製造工程において使用すること関して包括的に説明されてきたが、厚紙、薄紙、ガラス繊維マット又は繊維強化複合材のようなシート材料を含む、種々の繊維に広く適用することができる。
【００５３】
本明細書において記述される実施形態の例示は、種々の実施形態の構造を広く理解してもらうことを意図しており、本明細書において記述される構造を利用する場合がある装置及びシステムの全ての構成要素及び特徴を完全に説明するものとなることは意図していない。上記の説明を再検討する際に、数多くの他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。上記の説明から他の実施形態が利用され、且つ導出される場合があるので、本開示の範囲から逸脱することなく、構造的及び論理的置換及び変更を行なうことができるようになる。図面も典型的なものにすぎず、縮尺通りに描かれていない場合もある。或る特定の大きさが誇張される場合があり、一方、他のものが最小にされている場合がある。したがって、明細書及び図面は、限定する意味ではなく、例示するものと見なされるべきである。したがって、本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、同じ目的を果たすように目論まれた任意の構成を、図示される具体的な実施形態の代わりに用いることができることは当業者には理解されたい。本開示は、種々の実施形態のありとあらゆる改変又は変更を包含することを意図している。上記の説明を再検討する際に、上記の実施形態の組み合わせ、及び本明細書において具体的には説明されない他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。それゆえ、本開示は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態（複数可）に制限されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含することを意図している。
【００５４】
読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるようにする要約書を要求する米国特許法施行規則１．７２（ｂ）条に準拠するために、開示の要約書が提供される。その要約書は特許請求の範囲及び意味を解釈又は制限するために用いられないという了解のもとで提示される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維配向を測定するための方法及び装置に関し、より詳細には、動いているシートにおいて繊維配向を測定するのに適している、ストークスパラメータに基づく方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維材料の繊維配向が、多くの場合に材料の或る特性を決定付けることが知られている。紙製品におけるセルロース繊維の配向は、その製造中に監視し、制御すべき重要な特性である。
【０００３】
繊維配向は、一枚の紙内に繊維が如何なる状態で置かれているかを表すために用いられる用語である。繊維の大部分が整列している方向（繊維配向角）及びその整列の程度（繊維比又はアスペクト比）を特定することによって、繊維配向が特徴付けられる。繊維配向角は典型的には、シートの縦方向（ＭＤ）の動きと繊維配向の主方向との間の角度を測定するものである。繊維比は、シート異方性を測定するものであり（異なる方向において測定されるときに異なる値を有する特性を示す）、９０°だけ離れた最大繊維分布と最小繊維分布との比である。等方性シートは１の繊維比を有する。アスペクト比は、繊維配向角の方向に向けられる繊維数と繊維配向角に対して垂直に向けられる繊維数との相対的な繊維数を表す。
【０００４】
紙の繊維配向は、強度及び反り（捩れ／巻き）のような重要な特性を決定付けることが知られている。強度は、厚紙品質（強い箱）を得るのに、そして紙袋品質（強い袋）を得るのに特に重要である。反りは、箱を真四角にしたい箱製造業者にとって重要であり、さらには、フォトコピー用紙の用紙ジャムを防ぐのに重要である。一般的に、紙を印刷機からできる限り迅速に「引き抜く」ことが望ましいので、強度は印刷工程においても重要である。このため、製紙業者は、強度を最大にし、且つ反りを最小にするために、繊維配向を最適にすることを望む。処理条件を変更して所望の最適な配向を与えることができるように、紙製造中に繊維配向測定が実行されることが好ましい。しかしながら、完成品として得られた紙の繊維配向を求めるために、繊維配向測定を品質制御ステップとして用いることもできる。
【０００５】
このための種々の装置が知られている。１つの方法は、拡散効果（すなわち、導光効果）を用いて、繊維配向の２つの極値の大きさの差を検出するようになっている繊維配向測定装置を用いる。既知の技術によるこの繊維配向測定装置は、ロール紙、特に動いているロール紙において現れる任意の極端な繊維配向を検出し、且つ／又はそのような２つの極端な繊維配向の大きさの差を検出する。この場合、ペーパウエブが、その断面において少なくとも１８０°にわたって鮮明な境界を有する電磁放射、特に可視スペクトルのレーザビーム（可視光）を照射される。その際、ペーパウエブの入射側にある入射スポットの近くで、又はその反対側において、ペーパウエブを透過したビームが、複数の所定の扇形に分割され、入射スポットと非入射領域との間の境界からの所定の距離にある位置において測定され、電気的な値の形で測定された値が互いに比較される。そのような電気的な値を得るために、ペーパウエブを透過した光ビームを光学的に拡大し、撮像レンズを通して導光して、画像を入手し、その後、その画像が光電変換にかけられる。
【０００６】
上記のような紙繊維配向を測定する既知の方法及び装置は、検出器が入射レーザビームの光学軸を中心にして回転し、入射レーザビームを所与の角度を成す複数の所定の形状に分割し、それにより、最大値と最小値との間の差又は比が得られるようにする原理に基づく。しかしながら、そのような方法及び装置には以下のような種々の問題が伴っている。第一に、検出器の回転中にウエブが動いているため、製造されているペーパウエブ上の１つの同じ位置において最大値及び最小値を検出することができない場合がある。既知の技術によるそのような装置が所望の測定を達成できるようにするために、特定されることになる紙繊維配向がペーパウエブ上の任意の位置において一定でなければならないことが不可欠である。残念なことに、繊維配向は多かれ少なかれ、製造されているペーパウエブ上の特定の位置に依存し、それゆえ、既知の技術によるこの装置は、ペーパウエブが動くのに応じて変動している繊維配向を検出することができない場合がある。したがって、製紙機の中で動いているウエブの繊維配向をオンラインで求めることは実質的に不可能である場合がある。言い換えると、製造されている紙において測定結果を瞬時に反映させること、それゆえ、所望の繊維配向を有する紙を得ることが不可能である場合がある。
【０００７】
さらに、ペーパウエブは可変の稼動速度及び巻取ロールの可変の直径によって影響を及ぼされる場合があり、その表面に対して概ね垂直な方向において震動及び／又は振動する場合がある。結果として、ペーパウエブと撮像レンズとの間の距離を一定に保つことは難しく、それゆえ、画像を十分に合焦した状態に保持することは難しい。撮像面内の画像の鮮明度及び形状が、ウエブの震動及び／又は振動に起因して異なる場合がある。そのような変動は、繊維配向の実際の変動に関連しない場合があり、所定の測定位置において検出器によって求められる光ビームの強度は、実際の繊維配向とは関係なく変化する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでに説明されてきたような問題に鑑みて、本発明の目的は、動いているペーパウエブのような繊維材料内の繊維配向をオンラインで確実に測定することができるような、紙を含む繊維材料の繊維配向を測定する方法及び装置を提供することである。提供されると、絶えず高い品質の紙を得るために、製造されている紙に測定結果を瞬時に反映させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の性質及び内容を簡潔に示す発明の概要を要求する米国特許法施行規則１．７３条に準拠するために概要が提供される。その概要は特許請求の範囲又は意味を解釈又は限定するために用いられないという了解のもとで提示される。
【００１０】
製造工程中に材料のシートの繊維配向パラメータを求めるための方法であって、特徴付けられる材料のシートに、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を照射するステップと、材料のシートによって透過される放射強度を測定するステップと、測定された放射強度に基づいてシートのためのストークスパラメータを計算するステップと、ストークスパラメータから少なくとも１つの繊維配向パラメータを求めるステップとを含む方法。一実施の形態では、シート材料は、例えば紙、繊維材料を含むセルロースのような、製造中の動いている材料のシートである。
【００１１】
一実施の形態によると、偏光した放射は、偏光子を用いて無偏光テラヘルツ若しくはマイクロ波源から生成されるか、又は偏光したテラヘルツ若しくはマイクロ波源から直接得られる。求めるステップは、ポアンカレ球上にストークスパラメータを表示すること、及びポアンカレ球を用いてシートの複屈折及び繊維配向パラメータを求めることを含むことができる。
【００１２】
本方法は、ストークスパラメータ又は繊維配向パラメータに基づいて、製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するステップをさらに含む。一実施の形態では、製造工程のパラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）及びスライスリップ開度のうちの少なくとも１つを含む。
【００１３】
測定ステップのために、直線偏光子に光学的に結合される回転式４分の１波長板を備える偏光計を用いることができる。一実施形態では、本方法は、材料のシートが存在しない状態で、偏光した放射の入力偏光状態を特定するステップと、計算するステップにおいてその入力偏光状態を用いるステップとをさらに含む。別の実施形態では、本方法の間に、材料のシートと偏光した放射との間の角度が一定に保持される。
【００１４】
製造工程中に材料のシートの繊維配向パラメータを求めるための装置が、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光したテラヘルツ又はマイクロ波放射を与えるように動作することができる被偏光放射生成システムを備える。該偏光した放射は、特徴付けられる材料のシートに入射するように位置合わせされる。偏光計が材料のシートによって透過される放射を受信するように位置合わせされる。光検出器が偏光計による偏光処理後に受信される放射を測定するために提供される。プロセッサが光検出器に接続され、受信した放射の強度に基づいて、動いているシートのストークスパラメータを計算し、該ストークスパラメータに基づいて動いているシートの繊維配向に関連する少なくとも１つのパラメータを求める。
【００１５】
一実施の形態では、材料のシートは処理システムによって処理され、処理システムは、ストークスパラメータ又は繊維配向パラメータに基づいて製造システムによって実行される工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために、プロセッサと処理システムとの間に閉ループ制御をさらに備える。閉ループ制御は、プロセッサに接続される送信機及びアンテナと、処理システムに接続される受信機とを備える有線フィードバック接続又は無線接続を備えることができる。
【００１６】
製造工程パラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）及びスライスリップ開度のうちの少なくとも１つを含むことができる。一実施形態では、被偏光放射生成システムは、第１の直線偏光子に結合される無偏光放射源を含む。無偏光放射源はテラヘルツ放射源を含むことができる。
【００１７】
本開示の上記の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び添付の特許請求の範囲から、当業者によって認識され、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を示すポアンカレ球を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による１つの例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図３ａ】図２に示される装置に類似しているが、プロセッサと製造システムとを通信可能に接続するフィードバックコネクタを含む閉ループ制御を追加する、本発明の一実施形態による別の例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図３ｂ】図３に示される装置に類似しているが、有線フィードバック接続の代わりに、送信機、アンテナ及び受信機を含む無線リンクを利用する、本発明の一実施形態による別の例示的な紙繊維配向測定装置を概略的に示すブロック図である。
【図４】テラヘルツビームのような、偏光した放射ビーム、又は部分偏光した放射ビームを受信する回転式４分の１波長板を含む、本発明の実施形態と共に用いることができる回転式４分の１波長板偏光計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
波長板は、速軸及び遅軸と呼ばれる一対の直交する軸を有する。速軸に対して平行な電界ベクトルを有する偏光した放射は、遅軸に対して平行な偏光した放射よりも速く進行する。紙及び厚紙が、その速軸が繊維配向に対して垂直であり、その遅軸が繊維配向に対して平行である波長板としての役割を果たすことが最近になってわかった（M. Reid, R. Fedosejevs著「Teraherts Birefringence and attenuation properties of wood and paper」（Applied Optics, pp. 2766-2772, vol. 45, No. 12, April 2006を参照されたい）。紙波長板のリターデイションは、波長板の厚み、並びに速軸及び遅軸屈折率によって求められる。
【００２０】
本発明は、紙シートのような材料のシートを透過した後の電磁放射のストークスパラメータを特徴付けることに基づく。ストークスパラメータは、偏光の状態を表す４つのパラメータである。ストークスパラメータを測定するとき、入射信号は典型的には、ビームスプリッタのようなスプリッタ、ハーフミラー又はフィルタを用いて、４つの光線に分割される。信号光線のそれぞれは、半波長板又は他の偏光子及び４分の１波長板又は他の移相器を用いて、異なる偏光及び位相を与えられ、分割された信号光線のそれぞれの光学的な成分が光検出器素子を用いて光電変換にかけられ、光電変換によって得られた電気信号成分に関して演算が実行されて、ストークスパラメータが得られる。放射を４つの光線に分割し、種々の摂動素子（すなわち、偏光子、４分の１波長板、移相器）のもとでこれらの光線を概ね同時に測定することによって、偏光状態を概ね瞬時に測定できるようになる。
【００２１】
当該技術分野において知られているように、偏光した放射は、ストークス偏光パラメータを参照することによって、又はまとめてストークスベクトルとして完全に表現することができる。第１のパラメータＩは、完全な光場（偏光した放射及び無偏光放射の両方）の全強度を表す。残りの３つのパラメータは、完全な光場の偏光状態を、すなわち、直線偏光及び円偏光した放射に関して記述する。当該技術分野において知られているように、偏光子が回転するときに、又は或るリターダンス値（紙によって引き起こされる値など）のリターダが光場に導入されるときに、無偏光放射の強度又は振幅は変わらないままであり、４つのストークスパラメータを、無偏光放射、部分偏光した放射及び完全偏光した放射に適用することができる。
【００２２】
本発明者らは、ストークスパラメータを特徴付けることによって、紙シートのような繊維シート内の繊維配向を求めることができることに気が付いた。透過測定が用いられる場合、放射は、紙のようなシート材料によって概ね透過される必要がある。紙の場合、放射は概ねＴＨｚ領域からマイクロ波に及ぶ。テラヘルツ放射は、テラヘルツ波、又はテラヘルツ放射としても知られており、一般的には、３００ギガヘルツ（３×１０１１Ｈｚ）から３テラヘルツ（３×１０１２Ｈｚ）までの電磁スペクトルの領域を指しており、１ミリメートル（マイクロ波帯の高周波数端）から１００マイクロメートル（遠赤外線放射の長波長端）までのサブミリメートル波長範囲に相当する。マイクロ波はテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数の波長よりも長いが、電波よりも相対的に短い波長を有する電磁波である。マイクロ波は、概ね３０ｃｍ（周波数＝１ＧＨｚ）から１ｍｍ（３００ＧＨｚ＝３×１０１１Ｈｚ）の範囲の波長を有する。赤外線放射が用いられる場合もある。その解析のために、一般的には任意の偏光計を用いることができる。
【００２３】
偏光測定は放射の偏光の測定である。偏光計は、これらの測定を行なうために用いられる科学機器である。偏光計は、完全偏光状態、すなわち、未知の入力ビームの偏光の変化を測定することができる。偏光測定を用いて、線形複屈折、円偏光複屈折（光学的な回転又は光学的な回転分散としても知られる）、直線二色性、円偏光二色性及び散乱を含む、材料の種々の光学的特性を測定することができる。これらの種々の特性を測定するために、偏光計の数多くの設計が存在しており、一般的にはその全てを本発明の実施形態と共に用いることができる。時代遅れのものもあれば、現在使用されているものもある。大部分の高精度の偏光計は干渉計に基づいており、一方、より従来型の偏光計は、偏光フィルタ、波長板又は他のデバイスの配列に基づく。
【００２４】
ポアンカレ球表現は、４つの（正規化された）ストークスパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３に基づく偏光の完全な状態の視覚化を理解するための迅速で、且つ容易な方法を提供する。図１は、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を示すポアンカレ球を示す。信号の偏光した部分の変化によって、偏光状態がポアンカレ球の表面上で動く。
【００２５】
偏光計からの出力のストークスパラメータは多くの場合に、行列の形で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
入力偏光状態に対する摂動素子を表す４×４行列（ミュラー行列としても知られている）が、その４×１行列に対して乗算されて、以下の行列式が得られるようになる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
上記で言及されたように、ストークスパラメータを測定するための１つの方法は、たとえば、静止している（すなわち、非回転式の）４分の１波長板及び直線偏光子を用いて、ビームを、それぞれ摂動を受ける４つの光線に分割する。類似の方法では、ビームを分割するのではなく、同じ結果を達成するために、４分の１波長板及び偏光子が種々の方法で配向される。この方法は、その主題に関する大部分の教本において見ることができ、紙のようなシート材料の繊維配向を測定するための本発明の実施形態との関連で適用することができる。
【００３０】
図２は、本発明の一実施形態による、紙繊維配向測定装置２００を概略的に示すブロック図である。ペーパウエブは２０３として示されており、それは紙製造システム２１３によって処理されており、典型的な応用形態では、装置２００が動作している間にペーパウエブは直線的に動く。一実施形態では、現在の機械と比べて、その製紙機上の同じような場所において（たとえば、ヘッドボックス及びワイヤの後で）、ＥＸＰＲＥＳＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ（商標）走査プラットフォーム（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌによって製造される）を用いることができる。パルスフェムト秒レーザ源及び光伝導アンテナ又はＺｎＴｅのような非線形整流結晶を用いて生成されるパルスＴＨｚ源のような放射源２０１が、０．１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの周波数範囲内の放射を与えることができ、プロジェクタ手段としての役割を果たし、ペーパウエブ２０３の表面のうちの繊維配向が求められることになる１つの表面に面するように配設され、結果として、ペーパウエブ２０３が、アンテナ源２０１から放射されるＴＨｚビームを照射され得るようになる。パルスＴＨｚ源に対する代替形態は、連続波ＴＨｚ、又はたとえば、後進波発振器から生成されるマイクロ波源であろう。放射源２０１から放射されるビームは、偏光しないか、部分偏光するか、又は偏光する場合がある。ＴＨｚ源２０１からのビームは、ペーパウエブ２０３のＺ軸に沿って位置合わせされるように示される。Ｚ軸は、図２に示されるように、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して直交する。
【００３１】
図には示されないが、雑音が制限されることが望ましいときなどに、変調器を追加して、ＴＨｚビームを変調することができる。この実施形態では、後に説明される検出回路は一般的にはロックイン増幅器を含む。
【００３２】
ビーム源２０１とペーパウエブ２０３との間に配置される偏光板（偏光子）２０２が示されており、一実施形態では、Ｙ軸に対して平行に偏光するような、直線偏光した放射を出力する。ペーパウエブ２０３と検出器２０６との間に配置される偏光板（解析器）２０４及び４分の１波長板２０５が示されており、それらは組み合わせてストークスパラメータを求めるために用いられる。偏光板２０４は、ストークスパラメータＳ０、Ｓ１及びＳ２を求めるために、ペーパウエブ２０３によって透過される放射を３つの異なる向きに偏光させるように配設される。本発明の実施形態では、これらの３つの向きは、（１）Ｘ軸方向に対して平行、（２）Ｙ軸方向に対して平行、及び（３）Ｘ軸とＹ軸との間で４５°を成す方向とすることができる。ストークスパラメータＳ３を求めるために、偏光板２０４の偏光方向から４５°を成す軸方向において、装置２００に４分の１波長板２０５を挿入することができる。行なわれる測定及び取るべき測定方法に応じて、４分の１波長板２０５を、ペーパウエブ２０３と偏光板２０４との間に挿入することができるか、又は図１の装置から取り出すことができる。
【００３３】
検出器２０６が、偏光板２０２、ペーパウエブ２０３、偏光板２０４及び４分の１波長板偏光板２０５（存在する場合）を透過する放射の強度を測定し、被透過電気強度信号を生成する。検出器２０６は、たとえば、同期ゲートＴＨｚアンテナ、非線形整流結晶とフォトダイオードとの組み合わせ、焦電検出器又は他の熱検出器とすることができる。ＴＨｚ内以外のＥＭスペクトルの部分（たとえば、赤外線又はマイクロ波）内の電磁放射が用いられる場合には、それらを生成し、検出するのに適している検出器及び放射源が用いられるであろう。その電気信号は一般的に、フィルタリング及びＡ／Ｄ変換のような種々の処理にかけられ、その後、画像／データプロセッサ２０７に出力される。
【００３４】
数学的な形では、ストークスパラメータは、種々の向きの偏光子２０４及び４分の１波長板２０５の下で、光検出器２０６において放射の強度を測定することによって求められる。θをＸ軸に対する直線偏光子２０４の角度とする。φを４分の１波長板２０５のリターデイションの程度とする。特定の強度測定値は、以下のように、Ｉ（θ，φ）として表すことができる。
【００３５】
Ｓ０＝Ｉ（０°，０°）＋Ｉ（９０°，０°） ４分の１波長板２０５なし
Ｓ１＝Ｉ（０°，０°）−Ｉ（９０°，０°） ４分の１波長板２０５なし
Ｓ２＝２Ｉ（４５°，０°）−Ｓ０ ４分の１波長板２０５なし
Ｓ３＝２Ｉ（４５°，９０°）−Ｓ０ ４分の１波長板２０５挿入（９０°＝λ／４）
画像／データプロセッサ２０７は、格納されたファームウエアを用いて所定の処理を実行し、一連の計算を実行する。具体的には、画像／データプロセッサ２０７は、光検出器２０６に到達する被透過放射強度信号に基づいて、ペーパウエブ２０３のストークスパラメータを計算し、そのストークスパラメータは、ペーパウエブ２０３の繊維配向パラメータを計算するために用いられる。このようにして計算されたデータは、グラフ又は数値データの形で、ＣＲＴディスプレイのようなディスプレイデバイスに表示することができる。所望により、そのデータは外部メモリデバイスに書き込まれるか、又はプリンタから出力される場合もある。プロセッサ２０７は、たとえば、パーソナルコンピュータとすることができ、測定された放射強度に基づいてストークスパラメータを計算するためのソースコードを含むことができる。
【００３６】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態による紙繊維配向測定装置３００を概略的に示すブロック図であり、その装置は図２に示される装置２００に類似しているが、フィードバックコネクタ３０８を含む閉ループ制御が追加されており、そのコネクタはプロセッサ２０７と、ペーパウエブ２０３を処理している製造システム２１３とを通信可能に接続する。このモードでは、プロセッサ２０７はプロセスコントローラとしての役割を果たす。閉ループ制御は、ストークスパラメータ、又はそれから得られた繊維配向パラメータ（複数可）に基づいて、紙製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために設けられる。たとえば、制御されるパラメータは、ジェット／ワイヤ比（ラッシュ／ドラッグ）、及び／又はスライスリップ開度とすることができる。
【００３７】
図３（ｂ）は、本発明の別の実施形態による、紙繊維配向測定装置３５０を概略的に示すブロック図である。装置３５０は、図３（ａ）に示される装置３００に類似しているが、有線フィードバック接続の代わりに、送信機３１５、アンテナ３１９及び受信機３１４を含む無線リンクを利用する。
【００３８】
本発明の一実施形態では、偏光計は、L. Giudicotti, M. Brombin著「Data analysis for a rotating quarter-wave far-infrared Stokes polarimeter」（Applied Optics, pp. 2638-2648, Vol. 46, No. 14, May 2007）（これ以降、Giudicotti）において開示されるような回転式４分の１波長板タイプを含む。この偏光計は、図４に関して後に説明される。
【００３９】
Giudicottiにおいて開示されるように、４分の１波長板は、その軸を中心にして能動的に回転し、検出器における放射強度が異なる数学的形式で積分され、ストークスパラメータが得られ、それは上記で言及されたように、放射ビームの完全偏光状態を表現する。式１は以下のように書くこともできる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
ただし、Ｐ、ψ及びχはそれぞれ、偏光度、方位角及び楕円率角である。Ｐ、ψ及びχは、以下のように、Ｓの４つの要素から計算される。
【００４２】
【数４】
【００４３】
その後、ストークス又は（Ｐ、ψ及びχ）パラメータを用いて、紙又は他のシート材料の複屈折、及び紙又は他のシート材料の繊維配向パラメータを含む、パラメータを求めることができる。紙を用いる場合、及び用いない場合（すなわち、標準化又はオフシート動作中）のＳパラメータを測定することによって、紙そのもの（それは弱いリターダとしての役割を果たす）によって引き起こされる偏光状態の摂動を定量化できるようになる。たとえば、リターデイション強度φ及び入力偏光に対する角度（すなわち、繊維配向角）θを有するリターダのミュラー行列は、減衰がないものと仮定すると（ストークス解析に基づく）、以下の形をとる。
【００４４】
【数５】
【００４５】
それにより、以下の式が成り立つ。
【００４６】
【数６】
【００４７】
こうして、一実施形態において、上記の回転式４分の１波長板法又は他の同等の方法を用いて入力及び出力ストークスパラメータを測定することによって、φ及びθを求めることができる。これは、繊維配向角を得ることができる１つの方法である。当業者によって認識されるように、繊維配向パラメータを求める際に同等の結果を達成するために、偏光状態の摂動に基づくストークスパラメータ、ポアンカレ球又は（Ｐ、ψ及びχ）解析を用いる数多くの他の異なる方法もおそらく存在する。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態と共に用いることができる回転式４分の１波長板偏光計４００を示す。回転式４分の１波長板偏光計４００は、テラヘルツビームのような、偏光又は部分偏光した放射ビーム４０２を受信する回転式４分の１波長板４０５を備える。回転式４分の１波長板４０８の後方には直線偏光子４０８が配置される。検出器４１２は、同期したＴＨｚアンテナ、又は非線形整流結晶とフォトダイオードとの組み合わせとすることができる。
【００４９】
紙の繊維配向を特徴付けるための関連する方法に関して、１つの例示的な方法が提供される。テラヘルツ（遠赤外線）又はマイクロ波放射源のような、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射の放射源が設けられるか、又は偏光子を用いて無偏光放射源から生成される。偏光した放射は紙を透過する。
【００５０】
本発明の実施形態は、本発明によるプロトタイプシステムにおいて用いられる測定構成の制限のみに基づいて、３ＴＨｚの最大周波数に制限されている。しかしながら、本発明の実施形態は、将来のシステムにおいて利用可能な構成を含む、他の測定構成を用いて、少なくとも約１５ＴＨｚから約３０ＴＨｚまでの、ＴＨｚ範囲の上端を越える周波数までで実施することができる。
【００５１】
本方法は、偏光の変化（示差的な（differential）測定；偏光状態の変換）から繊維パラメータを導出することが好ましい。しかしながら、入力偏光状態が十分にわかっているときには特に、単一の測定を用いることができる。示差的な方法の一実施形態では、入力偏光状態（紙が存在しない場合）が偏光計を用いて最初に特徴付けられ、格納される。図４に示されるような回転式４分の１波長板を用いて、放射源からの放射の偏光状態を測定することができる。別の実施形態では、J. Baptistse著「Terahertz achromatic quarter-wave plate」（Optics Letters, January 15, 2006, Vol.31, No.2）において開示される色消し４分の１波長板のような、ＴＨｚスペクトル用の色消し４分の１波長板を用いることができる。その後、紙が製造されるのに応じて、放射源からの放射が紙を透過する。透過した偏光状態は、一般的には同じ偏光計を用いて特徴付けられる。紙を透過することに起因する偏光状態の変換がプロセッサ又は他のコンピューティングデバイスによって用いられ、たとえば、上記の関係を用いて、１つ又は複数の繊維パラメータが求められる。
【００５２】
本発明は、紙を特徴付けること、及び紙製造工程において使用すること関して包括的に説明されてきたが、厚紙、薄紙、ガラス繊維マット又は繊維強化複合材のようなシート材料を含む、種々の繊維に広く適用することができる。
【００５３】
本明細書において記述される実施形態の例示は、種々の実施形態の構造を広く理解してもらうことを意図しており、本明細書において記述される構造を利用する場合がある装置及びシステムの全ての構成要素及び特徴を完全に説明するものとなることは意図していない。上記の説明を再検討する際に、数多くの他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。上記の説明から他の実施形態が利用され、且つ導出される場合があるので、本開示の範囲から逸脱することなく、構造的及び論理的置換及び変更を行なうことができるようになる。図面も典型的なものにすぎず、縮尺通りに描かれていない場合もある。或る特定の大きさが誇張される場合があり、一方、他のものが最小にされている場合がある。したがって、明細書及び図面は、限定する意味ではなく、例示するものと見なされるべきである。したがって、本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、同じ目的を果たすように目論まれた任意の構成を、図示される具体的な実施形態の代わりに用いることができることは当業者には理解されたい。本開示は、種々の実施形態のありとあらゆる改変又は変更を包含することを意図している。上記の説明を再検討する際に、上記の実施形態の組み合わせ、及び本明細書において具体的には説明されない他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。それゆえ、本開示は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態（複数可）に制限されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含することを意図している。
【００５４】
読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるようにする要約書を要求する米国特許法施行規則１．７２（ｂ）条に準拠するために、開示の要約書が提供される。その要約書は特許請求の範囲及び意味を解釈又は制限するために用いられないという了解のもとで提示される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造工程中に材料のシート（２０３）の繊維配向パラメータを求めるための方法であって、
特徴付けられる材料のシートに、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を照射するステップと、
前記材料のシートによって透過される放射強度を測定するステップと、
前記測定された放射強度に基づいて前記シートのためのストークスパラメータを計算するステップと、
前記ストークスパラメータから少なくとも１つの繊維配向パラメータを求めるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記材料は、製造中の動いている紙のシートである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記偏光した放射は、偏光子（２０２）を用いて無偏光テラヘルツ若しくはマイクロ波源（２０１）から生成されるか、又は偏光したテラヘルツ若しくはマイクロ波源から得られる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記求めるステップは、ポアンカレ球上に前記ストークスパラメータを表示すること、及び前記ポアンカレ球を用いて前記シートの複屈折及び前記繊維配向パラメータを求めることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ストークスパラメータ又は前記繊維配向パラメータに基づいて、前記製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記測定するステップのために、直線偏光子（４０８）に光学的に結合される回転式４分の１波長板（４０５）を備える偏光計（４００）が用いられる求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法中に前記材料のシート（２０３）と前記偏光した放射との間の角度が一定に保持される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
製造工程中に材料のシート（２０３）の繊維配向パラメータを求めるための装置（２００）であって、
少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を与えるように動作することができる被偏光放射生成システム（２０１、２０２）であって、該偏光した放射は、特徴付けられる材料のシート（２０３）に入射するように位置合わせされる、該被偏光放射生成システムと、
前記材料のシート（２０３）によって透過される放射を受信するように位置合わせされる偏光計（２０４、２０５）と、
前記偏光計（２０４、２０５）による偏光処理後に受信される放射を測定するための光検出器（２０６）と、
前記光検出器（２０６）に接続され、受信した前記放射の強度に基づいて、前記動いているシートのストークスパラメータを計算し、該ストークスパラメータに基づいて前記動いているシートの繊維配向に関連する少なくとも１つのパラメータを求めるためのプロセッサ（２０７）とを備える装置。
【請求項９】
前記材料のシートは処理システム（２１３）によって処理され、該処理システムは、前記ストークスパラメータ又は前記繊維配向パラメータに基づいて前記製造システムによって実行される工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために、前記プロセッサ（２０７）と前記処理システム（２１３）との間に閉ループ制御をさらに備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記被偏光放射生成システムは、第１の直線偏光子（２０２）に光学的に結合される無偏光放射源（２０１）を備える請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記無偏光放射源（２０１）はテラヘルツ放射源を含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記偏光計は第２の直線偏光子（４０８）に光学的に結合される回転式４分の１波長板（４０５）を備え、前記材料のシート（２０３）は、前記第１の偏光子（２０２）と前記回転式４分の１波長板（４０５）との間に入れられる請求項１０に記載の装置。
【請求項１】
製造工程中に材料のシート（２０３）の繊維配向パラメータを求めるための方法であって、
特徴付けられる材料のシートに、少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を照射するステップと、
前記材料のシートによって透過される放射強度を測定するステップと、
前記測定された放射強度に基づいて前記シートのためのストークスパラメータを計算するステップと、
前記ストークスパラメータから少なくとも１つの繊維配向パラメータを求めるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記材料は、製造中の動いている紙のシートである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記偏光した放射は、偏光子（２０２）を用いて無偏光テラヘルツ若しくはマイクロ波源（２０１）から生成されるか、又は偏光したテラヘルツ若しくはマイクロ波源から得られる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記求めるステップは、ポアンカレ球上に前記ストークスパラメータを表示すること、及び前記ポアンカレ球を用いて前記シートの複屈折及び前記繊維配向パラメータを求めることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ストークスパラメータ又は前記繊維配向パラメータに基づいて、前記製造工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記測定するステップのために、直線偏光子（４０８）に光学的に結合される回転式４分の１波長板（４０５）を備える偏光計（４００）が用いられる求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法中に前記材料のシート（２０３）と前記偏光した放射との間の角度が一定に保持される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
製造工程中に材料のシート（２０３）の繊維配向パラメータを求めるための装置（２００）であって、
少なくとも１×１０８Ｈｚの周波数を有する偏光した放射を与えるように動作することができる被偏光放射生成システム（２０１、２０２）であって、該偏光した放射は、特徴付けられる材料のシート（２０３）に入射するように位置合わせされる、該被偏光放射生成システムと、
前記材料のシート（２０３）によって透過される放射を受信するように位置合わせされる偏光計（２０４、２０５）と、
前記偏光計（２０４、２０５）による偏光処理後に受信される放射を測定するための光検出器（２０６）と、
前記光検出器（２０６）に接続され、受信した前記放射の強度に基づいて、前記動いているシートのストークスパラメータを計算し、該ストークスパラメータに基づいて前記動いているシートの繊維配向に関連する少なくとも１つのパラメータを求めるためのプロセッサ（２０７）とを備える装置。
【請求項９】
前記材料のシートは処理システム（２１３）によって処理され、該処理システムは、前記ストークスパラメータ又は前記繊維配向パラメータに基づいて前記製造システムによって実行される工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に変更するために、前記プロセッサ（２０７）と前記処理システム（２１３）との間に閉ループ制御をさらに備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記被偏光放射生成システムは、第１の直線偏光子（２０２）に光学的に結合される無偏光放射源（２０１）を備える請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記無偏光放射源（２０１）はテラヘルツ放射源を含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記偏光計は第２の直線偏光子（４０８）に光学的に結合される回転式４分の１波長板（４０５）を備え、前記材料のシート（２０３）は、前記第１の偏光子（２０２）と前記回転式４分の１波長板（４０５）との間に入れられる請求項１０に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【公表番号】特表２０１１−５０１１６６（Ｐ２０１１−５０１１６６Ａ）
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３０２２９（Ｐ２０１０−５３０２２９）
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００８／００１８５３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５２６１０
【国際公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（５０８３２２８３１）ハネウェル・アスカ・インコーポレーテッド (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００８／００１８５３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５２６１０
【国際公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（５０８３２２８３１）ハネウェル・アスカ・インコーポレーテッド (11)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]