JP7199945B2

JP7199945B2 - 光学的測定装置

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Publication number: JP7199945B2
Application number: JP2018229155A
Authority: JP
Inventors: 大輔深山; 大亮寺田; 隆介瀧川
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: JP2020091225A

Description

本発明は、例えば生産ライン上を搬送される紙、シート、フィルムなどを測定対象として、水分、厚さ、塗工量などの成分を測定する光学的測定装置に関するものである。

例えば工場などの生産ラインでは、ライン上を搬送される測定対象の成分（例えば紙、シート、フィルムなどの水分、厚さ、塗工量など）の測定を広範囲で行う手法の一つとしてトラバースシステムが従来より利用されている。

トラバースシステムでは、ライン上を搬送される測定対象に対し、測定機を測定対象の上で測定対象の搬送方向と直交する方向に所定速度で移動させることにより広範囲の成分測定を可能にしている。

従来、この種のトラバースシステムを採用した測定装置としては、例えば下記特許文献１に開示される測定装置が知られている。この特許文献１に開示される測定装置では、ラミネートフィルムを測定対象とし、搬送されるラミネートフィルムの幅方向に対し、ラミネートフィルムより広幅に非接触式厚み検知センサーを定速で往復運動させる。これにより、ラミネートフィルムの斜め方向に対し、非接触式厚みセンサーをジグザグにトラバースして走査を行い、ラミネートフィルムの幅方向の厚みを測定している。

特開２００３－１８１９０５号公報

トラバースシステムは、図６に示すように、測定機２１を測定対象Ｗの幅方向に走査することで測定を行う。測定対象Ｗの幅方向の成分分布を測定することが目的のため、測定範囲は測定対象Ｗの幅方向の端から端までである。測定対象Ｗのフィルムが送られると、走査中に測定対象Ｗが動くことになり、測定領域（図６中の丸で囲む領域）が点線で示すように幅方向から斜め方向になる。測定領域が斜め方向になると測定不可領域（図６中の斜線で囲む領域）が発生し、トラバース速度とフィルム送り速度の間に大きな差があると、測定不可領域は大きくなる。また、フィルム送り速度が速くなっても、トラバースシステムはフィルムの幅方向の端から端まで走査し続けるため、測定範囲は変わらず、測定不可領域だけが大きくなっていく。

このように、上述した特許文献１に開示されるトラバースシステムを採用した従来の測定装置では、測定対象の斜め方向に対し、測定機（非接触式厚みセンサー）をジグザグにトラバースして走査を行うので、測定対象の搬送方向と直交する方向の複数箇所の測定を同時に行うことができなかった。しかも、測定対象を搬送する送り速度とトラバースシステムの測定機の移動速度との間に大きな差があると、測定できない測定不可領域が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、測定不可領域を小さくして広範囲で測定対象の測定を行うことができる光学的測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された光学的測定装置は、所定速度または所定間隔で搬送される測定対象の成分を測定する光学的測定装置であって、
前記測定対象に該測定対象の吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長を有する光を照射する光源部と、
前記測定対象側に配置される複数のレンズで構成され、前記光源部から照射された光のうち前記測定対象の搬送方向と直交する当該測定対象の幅方向表面の複数の位置からの光を前記複数のレンズで集光する第１レンズと、
前記第１レンズにて集光された光を、前記測定対象の吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長の光に分光する複数のバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタにて分光された前記異なる複数の波長の光を同時に検出する１本のラインセンサと、
前記第１レンズと前記バンドパスフィルタとの間に複数配置され、前記ラインセンサの検出面上で複数の像が互いに重ならないように、前記第１レンズにて集光した光を、前記バンドパスフィルタを介して前記ラインセンサの検出面に同時に結像させる第２レンズと、
前記測定対象ごとの標準物質の成分と測定値との関係を示す検量線を記憶する記憶部と、
前記ラインセンサにて前記異なる複数の波長の光に分光して検出された光の測定値と前記記憶部に記憶された検量線に基づき、前記複数の位置の波長ごとの成分を測定する測定部とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載された光学的測定装置は、前記第１レンズに代えて鏡を用いることを特徴とする。

請求項３に記載された光学的測定装置は、請求項１または２の光学的測定装置において、
前記光源部は、棒状の光源、ランプ、ＬＥＤの何れかを複数並べた光源であることを特徴とする。

請求項４に記載された光学的測定装置は、請求項３の光学的測定装置において、
前記光源部は、照射面を均一にするための拡散板を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載された光学的測定装置は、請求項４の光学的測定装置において、
前記光源部は、前記照射面に光を効率よく与えるための高反射率の反射体を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、測定対象の搬送方向と直交する方向の複数箇所における成分の測定を同時に行うことができる。これにより、従来のトラバースシステムと比較して、測定不可領域を小さくでき、より広範囲の測定を行うことが可能となる。

（ａ）本発明に係る光学的測定装置の概略構成を示す図、（ｂ）光源部の概略断面図である。本発明に係る光学的測定装置で反射光を測定する場合の概略図である。本発明に係る光学的測定装置の検出部の他の構成を示す概略斜視図である。本発明に係る光学的測定装置に用いられる検量線の一例を示す図である。ポリエチレンフィルムの分光スペクトルを示す図である。トラバースシステムの測定概要の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

［本発明の概要について］
物体は特定の波長において固有の吸収ピークをもつことが知られている。図５はポリエチレンフィルムが厚み５０μｍの時と厚み１００μｍの時でそれぞれ測定した分光スペクトルを示す。図５において、横軸は波長、縦軸は吸光度である。

ここで、吸光度とは、分光法において、ある物体に光を通した際、光の強度がどの程度弱まるかを示す無次元量である。例えばポリエチレンフィルムは２３００ｎｍに一つのピークがある。これは、ポリエチレンフィルムが２３００ｎｍの波長の光を吸収し、弱めていることを示す。また、図５に示すように、ポリエチレンフィルムが厚み１００μｍの時の吸光度は厚み５０μｍの時の２倍の値となっている。これにより、吸光度は濃度と光路長に比例して大きくなることが分かる。

ここで、測定対象の基準となる物質の成分（例えば厚み、濃度など）と吸光度との関係を示す検量線を用いれば、吸光度を測定することで測定対象の成分（例えば厚み、濃度など）を測定することができる。

また、参照波長として、測定対象の吸収ピークに近く、かつ対象の成分の吸収がない波長（例えば２１００ｎｍ）を同時に測定し、演算することにより、測定対象の吸収ピーク以外の要因による強度変化を補正することができ、測定精度が向上する。

そこで、本発明では、例えば９００～２５５０ｎｍの波長に対応した１本のラインセンサに対し、レンズとバンドパスフィルタを複数取り付けた複眼型の光学系を備えた構成により、測定対象の広範囲の成分分布を同時に測定することを可能にした。

［光学的測定装置の構成について］
本発明に係る光学的測定装置は、例えば工場などの生産ラインに好適に採用され、ライン上を所定速度／所定間隔で搬送される紙、シート、フィルムなどを測定対象とし、水分、厚さ、塗工量などの成分の測定を広範囲で行う機能を有する。

そして、図１（ａ）に示すように、本実施の形態の光学的測定装置１は、上記機能を実現するため、光源部２、検出部３、記憶部４、測定部５、表示部６を備えて概略構成される。

光源部２は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、測定対象Ｗに対して、吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長を有する光を直線状に照射する光源２ａを備えた線状光源ユニットで構成される。光源部２は、例えば棒状のハロゲンヒーターが用いられる。測定対象Ｗと対面する光源部２の照射面には、光量ムラを抑制するための光拡散板２ｂを含む拡散部材などが配置される。また、光源部２には、光を照射面に効率よく与えるための反射板２ｃが光源を挟んで光拡散板２ｂの反対側に配置される。なお、光源部２としては、棒状の光源、ランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）の何れかを複数並べた光源を用いることができる。

光源部２は、光学的測定装置１で反射光を測定する場合、図２に示すように、測定エリアを照らすように、片側または両側に設置される。図２では、光源部２を測定エリアの両側に設置した場合を図示している。

検出部３は、測定対象Ｗの搬送方向と直交する測定対象Ｗの幅方向Ｘ表面の複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を、測定対象Ｗの吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長に分光して検出するもので、光学レンズ１１、バンドパスフィルタ１２、ラインセンサ１３を備える。以下では、異なる複数の波長として、測定対象Ｗの吸収ピークの測定波長λ１と測定対象Ｗの吸収ピークに近い参照波長λ２の２つ波長を例にとって説明する。

光学レンズ１１は、測定対象Ｗからの光をラインセンサ１３の検出面に結像させるもので、第１レンズ１１Ａと第２レンズ１１Ｂから構成される。なお、図１では、第１レンズ１１Ａと第２レンズ１１Ｂを簡易的に１枚のレンズで表現している。

第１レンズ１１Ａは、測定対象Ｗ側に配置され、１枚もしくは複数枚のレンズで構成される。なお、測定視野を広くし、収差を無い結像を可能とするためには、例えば１枚の凸レンズと１枚の凹レンズを組み合わせたダブレットレンズを複数群用いて第１レンズ１１Ａを構成するのが好ましい。第１レンズ１１Ａは、図１に示すように、測定対象Ｗの搬送方向（図１の紙面の奥行き方向）と直交する測定対象Ｗの幅方向Ｘ表面の複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を集光する。

第２レンズ１１Ｂは、第１レンズ１１Ａと同様に、１枚もしくは複数枚のレンズで構成される。なお、収差を無い結像を可能とするためには、例えば１枚の凸レンズと１枚の凹レンズを組み合わせた第１レンズ１１Ａと同様のダブレットレンズを複数群用いて第２レンズ１１Ｂを構成するのが好ましい。第２レンズ１１Ｂは、第１レンズ１１Ａとバンドパスフィルタ１２との間に複数（図１の例では２つ）配置され、ラインセンサ１３上で複数の像が互いに重ならないように、第１レンズ１１Ａにて集光された複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を、バンドパスフィルタ１２を介してラインセンサ２Ｃの検出面に同時に結像させる。

なお、第２レンズ１１Ｂは、１枚の凸レンズを２枚の凹レンズで挟み込んだトリプレットレンズを用いることもできる。また、図１では、第２レンズ１１Ｂが２つの場合を図示したが、第２レンズ１１Ｂとバンドパスフィルタ１２の数を増やせば、第２レンズ１１Ｂとバンドパスフィルタ１２の数だけ波長を分けて測定することができる。さらに、測定視野が十分な場合には、第１レンズ１１Ａを省く構成としてもよい。

また、図３に示すように、検出部３において視野角を広くするために用いられた第１レンズ１１Ａを二枚のミラー１１Ｃ，１１Ｄに置き換えた光学系で構成することもできる。図３において、第１ミラー１１Ｃは、例えば凸面ミラーからなり、光源部２から照射され測定対象Ｗを透過、もしくは反射してきた光を集め平行光に変換した上で、第２ミラー１１Ｄへ導く。第２ミラー１１Ｄは、例えば平面ミラーからなり、第２レンズ１１Ｂへと平行光を導く。

なお、図３では、第１ミラー１１Ｃとして凸面ミラー、第２ミラー１１Ｄとして平面ミラーを用いた例を示すが、球面ミラーや放物線ミラーを用いてもよい。また、図３では、第１レンズ１１Ａの代わりにミラーを二枚用いた例を示したが、ミラーは一枚でも三枚以上でもよく、第１レンズ１１Ａとミラーを組み合わせた系としてもよい。

バンドパスフィルタ１２は、光学レンズ１１とラインセンサ１３との間に配置され、光学レンズ１１にてラインセンサ１３の検出面に同時に結像される複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を測定波長λ１と参照波長λ２に分けて通過させる。

ラインセンサ１３は、バンドパスフィルタ１２の後段に配置され、バンドパスフィルタ１２を通過して測定波長λ１と参照波長λ２に分光された複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を同時に受光検出する。ラインセンサ１３は、例えば９００～２５５０ｎｍの近赤外光の波長に対応しており、受光領域を測定する波長の数で分割して用いる。ここでは、測定する波長の数が２つ（測定波長λ１，参照波長λ２）なので、受光領域を２分割して用い、複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎから光学レンズ１１（第１レンズ１１Ａ，第２レンズ１１Ｂ）を介してバンドパスフィルタ１２を通過した測定波長λ１の光と参照波長λ２の光を同時に検出する。

記憶部４は、測定対象Ｗごとの検量線を記憶する。検量線は、予め測定により成分（例えば水分、厚さ、塗工量など）に対する測定値（例えば図４の黒丸で示す濃度に対する吸光度比）が判っている測定対象Ｗごとの標準物質の成分と測定値との関係を直線近似したものである。なお、測定値は、上述した吸光度比の他、光の強度、透過率、反射率などを含む。

測定部５は、検出部３にて分光検出した複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの測定波長λ１，参照波長λ２の光の強度Ｉ１，Ｉ２の比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）に対して記憶部４に記憶された検量線に基づき、複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎの成分（例えば水分、厚さ、塗工量など）を測定する。すなわち、測定部５は、複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの測定波長λ１，参照波長λ２の光の強度Ｉ１，Ｉ２の比Ｒに対応する成分（例えば厚さ、濃度など）を記憶部４に記憶された検量線から算出する。

なお、本例では光の強度Ｉ１，Ｉ２の比Ｒを計算したが、透過率や吸光度の比を計算してもよい。また、測定対象Ｗの複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎの位置情報をラインセンサ１３の画素に対応させて成分量と位置情報を結びつければ、測定部５にて測定波長λ１と参照波長λ２の光の強度、または透過率、吸光度、反射率などを同時に測定することができる。

表示部６は、液晶やＥＬなどの表示器で構成され、測定部５にて測定した測定対象Ｗの成分分布を測定結果として表示画面に表示する。

次に、上記のように構成される光学的測定装置１を用いた測定対象Ｗの成分（例えば厚さ、濃度）の測定方法について説明する。

ライン上を所定速度／所定間隔で搬送される測定対象Ｗの搬送方向（図１の紙面の奥行き方向）と直交する測定対象Ｗの幅方向Ｘ表面の複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を検出部３にて検出する。

すなわち、検出部３は、光学レンズ１１の第１レンズ１１Ａが測定対象Ｗの複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの光を集光し、この集光した光をバンドパスフィルタ１２にて測定波長λ１と参照波長λ２に分け、２つの第２レンズ１１Ｂによりラインセンサ１３の検出面に同時に結像させる。

例えば図１の測定対象Ｗの位置Ｐ１からの光に着目して説明すると、光学レンズ１１の第１レンズ１１Ａが位置Ｐ１からの光を集光し、この集光した位置Ｐ１からの光をバンドパスフィルタ１２にて測定波長λ１と参照波長λ２に分け、２つの第２レンズ１１Ｂによりラインセンサ１３の検出面に同時に結像させる。他の位置Ｐ２，…，Ｐｎからの光についても同様であり、測定対象Ｗの複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎからの測定波長λ１と参照波長λ２の光がラインセンサ１３にて同時に検出される。

そして、測定部５は、ラインセンサ１３にて検出した測定対象Ｗの複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎの成分を、記憶部４に記憶された検量線を用いて、測定波長λ１と参照波長λ２の光の強度Ｉ１とＩ２の比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）について測定する。このとき、測定対象Ｗの複数の位置Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎの位置情報をラインセンサ１３の画素に対応させて成分量と位置情報を結びつけ、測定波長λ１と参照波長λ２の光の強度の比Ｒにより求められた成分分布を同時に測定する。測定波長λ１と参照波長λ２の光の強度の比Ｒをとることによって、測定対象Ｗの吸収以外の要因による強度変化を補正して測定精度を向上させることができる。なお、ここでは、光の強度の比Ｒを計算したが、透過率や吸光度の比を計算してもよい。

ところで、上述した実施の形態では、測定波長λ１と参照波長λ２による２波長のみに対応した構成を例にとって説明したが、複数の波長に対応して第２レンズ１１Ｂとバンドパスフィルタ１２を複数並設して構成することができる。また、ラインセンサ１３は、近赤外光に対応したものに限定されず、他の波長領域（例えば、紫外線や可視光線など）に対応したものであってもよい。

このように、本実施の形態によれば、測定対象の成分を測定するにあたって、測定対象の搬送方向と直交する測定対象の幅方向表面の複数箇所における成分の測定を同時に行うことができる。これにより、従来のトラバースシステムよりも高速な測定が可能となり、測定不可領域を極めて小さくでき、より広範囲の測定を行うことが可能となる。

以上、本発明に係る光学的測定装置の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１光学的測定装置
２光源部
２ａ光拡散板
２ｂ反射板
３検出部
４記憶部
５測定部
６表示部
１１光学レンズ
１１Ａ第１レンズ
１１Ｂ第２レンズ
１１Ｃ第１ミラー
１１Ｄ第２ミラー
１２バンドパスフィルタ
１３ラインセンサ
２１測定機
Ｗ測定対象

Claims

所定速度または所定間隔で搬送される測定対象の成分を測定する光学的測定装置であって、
前記測定対象に該測定対象の吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長を有する光を照射する光源部と、
前記測定対象側に配置される複数のレンズで構成され、前記光源部から照射された光のうち前記測定対象の搬送方向と直交する当該測定対象の幅方向表面の複数の位置からの光を前記複数のレンズで集光する第１レンズと、
前記第１レンズにて集光された光を、前記測定対象の吸収ピークの波長を含む異なる複数の波長の光に分光する複数のバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタにて分光された前記異なる複数の波長の光を同時に検出する１本のラインセンサと、
前記第１レンズと前記バンドパスフィルタとの間に複数配置され、前記ラインセンサの検出面上で複数の像が互いに重ならないように、前記第１レンズにて集光した光を、前記バンドパスフィルタを介して前記ラインセンサの検出面に同時に結像させる第２レンズと、
前記測定対象ごとの標準物質の成分と測定値との関係を示す検量線を記憶する記憶部と、
前記ラインセンサにて前記異なる複数の波長の光に分光して検出された光の測定値と前記記憶部に記憶された検量線に基づき、前記複数の位置の波長ごとの成分を測定する測定部とを備えたことを特徴とする光学的測定装置。
前記第１レンズに代えて鏡を用いることを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
前記光源部は、棒状の光源、ランプ、ＬＥＤの何れかを複数並べた光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的測定装置。
前記光源部は、照射面を均一にするための拡散板を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光学的測定装置。
前記光源部は、前記照射面に光を効率よく与えるための高反射率の反射体を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光学的測定装置。