(57)【要約】本発明はシート表面分析装置（１０）に関する。分析装置はシート表面に陰影を投射させる照明手段（３２）と、陰影の画像を撮影する撮影手段（３６）と、撮影された画像を分析し、シート表面を分析する分析手段（４０）と、シートを湾曲させる湾曲手段（２２）とを含む。照明手段と湾曲手段は、シート表面の湾曲部に陰影が投射されるようにアレンジされている。撮影手段はその陰影を撮影するようにアレンジされている。
2007506072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート表面分析装置であって、
シート表面に陰影を投射させる照明手段と、
陰影の画像を撮影する撮影手段と、
撮影された画像を分析して、シート表面を分析する分析手段と、
シートを湾曲させる湾曲手段と、
を含んで構成され、前記照明手段と前記湾曲手段とは、照明手段にシート表面の湾曲部を照射させてシート表面の特徴部をシート表面上に陰影として投射させるようにアレンジされており、前記撮影手段はその陰影画像を撮影するようにアレンジされていることを特徴とする装置。
【請求項２】
湾曲手段は、その周囲に少なくともシートの一部が搭載できる湾曲面であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
湾曲面は円筒状ドラムの一部を形成することを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
シートを湾曲手段方向に前進させ、その周囲に搭載させる前進手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前進手段は湾曲手段と係わる少なくとも１つのローラであって、該ローラと湾曲手段との間に配置されたシートは該ローラの回転作用で前進し、湾曲手段の周囲に搭載されることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前進手段は、シートが湾曲手段周囲に搭載される際に張力を作用させることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
湾曲手段、照明手段、撮影手段及び前進手段は開口部を有したケース内に収容されており、該開口部内に挿入されたシートを湾曲手段方向に前進させてその周囲に搭載させ、分析後にケースから送り出すことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
撮影手段と係わる表示装置をさらに含み、シート表面分析に関連する入力パラメータを受領し、分析結果を視覚的に表示することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
分析手段は、
プロセッサーと、
プロセッサーで実行されると、撮影された陰影画像から光度値の二次元アレイを発生させ、該アレイからシート表面値を計算するコンピュータプログラムを保存するコンピュータ読取可能媒体と、
を含んで構成され、シート表面値の計算では、アレイの選択領域がアレイの残り領域よりも大きくシート表面値に貢献するように加重計算されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
二次元アレイは光度値の横列と縦列で構成されるマトリックスで表され、それぞれの横列と縦列の偏差値が計算され、該偏差値はその横列または縦列の光度値の、その横列または縦列の平均値からの平均偏差の測定値であり、選択領域は最大偏差値を有したマトリックスの１横列及び/縦列を含み、その横列及び/又は縦列の光度値はシート表面値の計算でさらに大きく貢献するように加重計算されることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
シート表面値は各横列及び/又は縦列に対して計算された偏差値の加重合計から計算され、各横列及び/又は縦列の加重値はその横列または縦列の偏差値と比例しており、各横列または縦列はシート表面値にその偏差値に比例して貢献することを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
シート表面値は、各マトリックス横列に対して計算された加重偏差値の平均値と、各マトリックス縦列に対して計算された加重偏差値の平均値との平均値であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
コンピュータプログラムは、シート表面値の計算前に、照明の不均質性に対する撮影画像を補正する補正手段を含んでいることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
補正手段は、各マトリックス横列の要素に低オーダ多項式を最良に適合させ、その要素において適合された多項式の値から各要素を差し引くようにアレンジされたコンピュータプログラムコードであることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
シート表面はシートの粗度であることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
シート表面の分析方法であって、
シートを湾曲させるステップと、
湾曲シートを照射することで湾曲シート表面に陰影を投射させるステップと、
該陰影の画像を撮影するステップと、
撮影した画像を分析するステップと、
を含んで成ることを特徴とする分析方法。
【請求項１７】
湾曲表面上にシートを前進させるステップと、
所定の間隔でシート表面に投影された陰影の画像を撮影するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１６記載の分析方法。
【請求項１８】
撮影された画像を分析するステップは、
撮影された画像から光度値の二次元アレイを導き出すステップと、
マトリックスからシート表面値を計算するステップと、
を含んでおり、シート表面値の計算にあたって、アレイの選択領域をアレイの残りの領域よりも大きくシート表面値に貢献させるべく加重計算させることを特徴とする請求項１７記載の分析方法。
【請求項１９】
二次元アレイは光度値の横列と縦列のマトリックスで表されており、それぞれの横列と縦列の偏差値が計算され、該偏差値はその横列または縦列の光度値の、その横列または縦列の平均値からの平均偏差の測定値であり、選択領域は最大偏差値を有したマトリックスの１つの横列及び/又は縦列を含んでおり、その横列及び/又は縦列の光度値はシート表面値の計算でさらに大きく加重計算されることを特徴とする請求項１８記載の分析方法。
【請求項２０】
シート表面値計算ステップは、
各マトリックス横列及び/又は縦列の偏差値を計算するステップと、
各偏差値に、その偏差値に比例する加重値を掛け算するステップと、
加重計算された偏差値を平均してシート表面値を計算するステップと、
を含んでおり、各横列または各縦列はその偏差値に比例してシート表面値に貢献することを特徴とする請求項１９記載の分析方法。
【請求項２１】
マトリックス横列の平均加重偏差値とマトリックス縦列の平均加重偏差値とを平均するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２０記載の分析方法。
【請求項２２】
シート表面値の計算の前に、不均質照明に対するマトリックスの補正ステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１６から２１のいずれかに記載の分析方法。
【請求項２３】
マトリックス補正ステップは、
マトリックスの各横列の要素に低オーダ多項式を最良に適合させるステップと、
その要素において該最良に適合された多項式の値を各要素から差し引くステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項２２記載の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紙の表面等であるシート面分析装置と、シート面分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのシート面の品質は、製造時及び製造後の処理において非常に重要なパラメータであり、シート材の価値の決定要因である。１例として、紙製品は表面粗度、孔質度及び毛羽度のごとき特性を有している。それらは製品の品質や利用性（印刷等）に大きな影響を及ぼす。１例として、本発明の背景を紙製品の表面粗度の重要性を述べることで解説する。しかしながら、この例は本発明の範囲を制限するものではない。
【０００３】
紙の“粗度”（逆に言えば“滑度”）は紙の印刷性、外観及び外観に影響を及ぼす重要な特性である。粗度は、様々な形態で表出される。例えば、表面の特徴、外観、孔質性または毛羽度である。
【０００４】
粗度は、紙の製造工程で使用される設備、製造時に紙が接触する機械表面、適用コーティング材及び光沢処理のごとき要因に影響を受ける。“光沢処理”とは、２つのスチールロール間で紙をニップに通すか、１つのスチールロールと１つのポリマーまたは綿でカバーされたロールとの間でニップに通して紙を滑らかにする製紙工程である。
【０００５】
粗度は漏気原理に基づき実験用計器を使用して測定されるのが一般的である。漏気計器は、所定の力を作用させて紙表面にリングを設置し、表面の粗度を測定する。加圧空気は紙表面とリングとの間の空隙を通ってリング内側から大気内に漏出する。粗度が高いシートは大きな間隙を有し、消失する空気量は増加する。その空気流量が測定され、粗度値の算出に利用される。３種の通常に使用される漏気計器には、ベンチェン(Bendtsen)、シェフィールド(Sheffield)並びにパーカープリントサーフテスター(Parker Print Surf tester)がある。そのような漏気計器が一般的に採用される。それらは相対的に測定が素早い。しかし、それらは限定された粗度情報のみを提供する。測定結果は、シートの孔部とシートの表面粗度を介して漏出する空気量に影響を受けると考えられる。また、測定がリングと紙との間の接触に関与するので、リングが紙の表面を変形させることもある。さらに、漏気計器は粗度の変化形態を提供しない。すなわち、シートの粗度がシート表面でどのように変化するのか、及び変化は周期的であるか否かの情報は提供しない。
【０００６】
紙の粗度は一般的にスタイラス計器を使用して測定される。スタイラスを紙表面上で滑らせ、その変動が測定される。この技術は紙の粗度の立体値を提供するものの測定速度が遅く、製紙工場の試験室で利用するには繊細すぎるためにあまり利用されない。また、測定時にスタイラスに掛かる力で紙表面が押圧されて変形するため、粗度情報が歪められる可能性が高い。
【０００７】
このスタイラス計器の代用の１例として、表面の偏差を測定するために紙表面に対する三角レーザ法が適用される。レーザは表面を歪めないが、レーザが紙表面を検出しているのか、紙表面下を検出しているのかが問題となる。紙面がレーザを完全に反射するとは限らないからである。スタイラス計器の場合と同様にレーザ利用粗度測定速度は遅く、品質コントロール目的ではあまり活用されない。
【０００８】
紙の粗度は紙シートの断面の画像分析でも測定できる。この方法は正確である。しかし、紙の非常に限られた部分のみが実用的に測定できるだけである。さらに、分析には専門機器と専門技術が必要である。
【０００９】
紙の粗度の別測定方法は米国特許４０１９０６６において解説されている。光線が比較的に低角度にて、移動する紙ウェブ上に投射され、紙表面を斜めに照明する。照明された表面から反射した光は収集装置内に入射される。そこで光は光電子工学システムによって電気信号に変換される。電気信号は直流成分と交流成分に分解され、粗度インデックスは、交流成分と直流成分との比を測定係数に掛け算することで算出される。
【００１０】
比較的に低角度で表面を照明することの重要性は米国特許４０１９０６６で解説されている。低角度で表面を照射する光は、表面の“風景”特徴で投影される光陰間のコントラストを強調する。最良角度外で表面に照射する光で投影された陰影は、その陰影が分析されても表面に関する情報を多くは提供できないであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
米国特許４０１９０６６で採用された“有用”な陰影を発生させる方法は、光源を特定の照明角で正確に設置し、表面の非常に限られた領域のみを照明することである。さらに、その集光装置は開口部を含み、集光を１ｍｍ2の１/１００程度の面積に絞った表面から反射されるものに限定する。
【００１２】
光源のシート表面に対する正確な角度アレンジは面倒であり、照明角の維持も困難である。装置が製紙工場で使用される場合はなお更である。加えて、漏気計器同様に米国特許４０１９０６６の装置はシート面全体の粗度を簡単には分析できない。
【００１３】
従って、従来技術のそれら欠点を克服する装置の提供は有益であろう。
【００１４】
本明細書において、文献、行為または知識に言及されている場合には、それらへの言及は、それら文献、行為または知識が本出願の優先日において、(a)一般知識、あるいは(b)本発明の課題の解消に関係が深いものと認識されていたと認めるものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の特徴によれば、シート面分析装置が提供される。この装置は、シート面を照明し、シート面上にシート面の特徴の陰影を形成させる照明手段と、陰影の画像を撮影する撮影手段と、撮影した陰影の画像を分析してシート面を分析する分析手段と、シートを湾曲させる湾曲手段とを含んでいる。
【００１６】
それら照明手段と湾曲手段は、照明手段にシート面の湾曲部分を照明させ、シート面状態がシート面に陰影を投射するように設計されており、撮影手段はその陰影画像を撮影するように設計されている。
【００１７】
平坦面ではなく湾曲面に陰影を投射させることは、シート面状態に関する情報をコード化する陰影を形成させる照明角が、照明手段をシート面に対して正確にアレンジせずとも“自動的”に撮影画像内に含まれて分析されることを意味する。さらに、高解像画像の撮影は、移動ウェブのシート面の非常に小さなスポットを測定するよりもさらに多くの情報を提供する。例えば、画像は空間情報を１方向だけではなく、シート面の全方向に提供する。また、紙を移動させる必要がないので、装置をベンチ試験用に単純化できる。
【００１８】
このようにすることで、陰影、すなわちシート面を分析するための複雑で高価な光電子設備の必要性は軽減され、その分析は標準型画像分析ソフトウェアで賄えるようになる。
【００１９】
本発明の湾曲手段はいかなる便利な方法でも提供できる。１好適実施例では、湾曲手段は湾曲面であり、その周囲で少なくともシートの一部が設置できるものである。この湾曲面は、例えば円筒ドラム体の一部でよい。
【００２０】
湾曲表面の１つの大きな利点は、ゴムローラを介してシートに軽い張力を加えるだけで、シートを知られた位置で安定的に保持させることである。もし平坦面が使用されるとすると、安定的に保持させるには、真空、静電または他の方法を利用してシートを保持させなければならないであろう。よって、装置は非常に複雑になる。
【００２１】
シート面分析装置はシートを前進させ、湾曲手段の周囲に配置する前進手段をさらに含むことができる。好適には、前進手段は湾曲手段と相対的に設置されたローラであり、そのローラと湾曲手段との間に配置されたシートがローラ作用によって前進するようになっている。
【００２２】
前進手段に沿って湾曲手段を使用するさらなる利点は、移動するウェブ（紙ウェブ等）上での測定を、ウェブを湾曲手段周囲に巻き付けるどの便利な位置にでも可能にすることである。カメラの光学素子が適した形態で設計されていることを条件に、ウェブの効果的な静止画像を撮影するためにフラッシュを利用したり高速カメラを利用することができる。
【００２３】
装置によって張力が紙に適用されているところでは、ローラは不要であろう。
【００２４】
好適実施例では、シート面分析装置はデスクトップ装置であり、湾曲手段、照明手段、撮影手段及び前進手段は開口部を有したケース内に収容されている。その設計は、シートを開口部からケース内に挿入し、湾曲手段の方向に前進させて湾曲手段の周囲に提供し、分析させ、ケースから排出させるものである。
【００２５】
好適には、ケースはシート面分析に関連する入力パラメータを入力させ、分析結果を可視的に表示する表示装置を含む。
【００２６】
典型的には、この分析手段は、プロセッサーと、プロセッサーで処理されると撮影された画像から光度値の２次元アレイを導き出し、そのアレイからシート表面値を計算させるコンピュータプログラムを保存するコンピュータ読み取り可能媒体とを含んでおり、シート表面値を計算するときアレイの選択領域は加重処理され、アレイの残り部分よりも多くシート表面値に貢献させる。
【００２７】
好適には、２次元アレイは光度値の縦横列のマトリックスで表され、それぞれの縦横列の偏差値が計算される。その偏差値はその横列または縦列の光度値の、その横列または縦列の平均値からの平均偏差の測定値（標準偏差等）である。その選択領域には最大偏差値を有したマトリックスの１横列及び/
又は縦列が含まれ、その横列及び/又は縦列の光度値はシート表面値の計算でさらに大きな比重を占める。
【００２８】
本発明の発明者は、平均光度値から高標準偏差の要素を有したマトリックス横列及び/又は縦列が、シート表面特性に関して低標準偏差の要素を有するものよりさらに多くの情報を提供することを発見した。従って、好適には選択領域は少なくとも１つのマトリックス横列及び/又は縦列であり、それら横列または縦列の標準偏差は、少なくとも１つの他の横列または縦列の標準偏差よりも大きい。
【００２９】
シート表面値は、各横列及び/又は縦列に対して計算された標準偏差の加重合計から計算できる。各横列及び/又は縦列の重量率はその横列または縦列の標準偏差と比例する。各横列または縦列はその標準偏差に比例してシート表面値に貢献する。
【００３０】
このようにデータを重量処理することは有利であるが、必須ではない。
【００３１】
シート表面値は、各マトリックス横列に対して計算された加重標準偏差の平均と、各マトリックス縦列に対して計算された加重標準偏差の平均との平均でよい。
【００３２】
コンピュータプログラムは、シート表面値を計算する前に、照明の非均等性による撮影画像を補正するための手段を含むこともできる。好適実施例では、この手段は、各マトリックス横列の要素に低オーダー多項式を最良形態で適合させ、各要素をその要素の適合多項式の値から引き算させるコンピュータプログラムコードである。
【００３３】
本発明のシート面分析装置は様々な表面特性を分析できる。例えば、シート表面値はシートの粗度を表すことができる。
【００３４】
本発明の第２の特徴によれば、シート表面の分析方法が提供される。この方法は、シートを湾曲させるステップと、湾曲シートの表面を照明し、湾曲シート面上にシート面の特徴による陰影を投射させるステップと、陰影の画像を撮影するステップと、撮影陰影画像を分析するステップとを含んでいる。
【００３５】
好適には、この方法は、シートを湾曲面に向けて徐々に前進させるステップと、所定の間隔でシート面に投射された陰影の画像を撮影するステップとを含んでいる。
【００３６】
撮影画像の分析ステップは、撮影陰影画像から光度値の２次元アレイを導き出すステップと、アレイからシート表面値を計算するステップとを含んでおり、シート表面値の計算においては、アレイの選択領域を重量処理し、アレイの残余部分よりもシート表面値にさらに大きく貢献させる。
【００３７】
好適には、２次元アレイは縦横列の光度値のマトリックスで表される。そこで、それぞれの列の偏差値が計算され、偏差値はその横列または縦列の平均値からその横列または縦列の光度値の平均偏差の測定値（標準偏差等）である。その選択領域は最大偏差値を有した１つの横列及び/又は縦列のマトリックスを含み、その列の光度値はシート表面値の計算にさらに大きく加重される。
【００３８】
シート表面値を計算するステップは、各マトリックスの横列及び/又は縦列の偏差値を計算するステップと、各偏差値にその偏差値に比例する重量を掛け算するステップと、加重偏差値を平均してシート表面値を算出するステップとを含んでおり、各横列または縦列はその偏差値に比例してシート表面値に貢献する。
【００３９】
この方法は、マトリックス横列の平均加重偏差値とマトリックス縦列の平均加重偏差値を平均し、シート表面値を算出するステップをさらに含むことができる。
【００４０】
好適には、この方法は、シート表面値の計算の前に非均等照明による影響を排除するようにマトリックスを補正するステップも含むことができる。マトリックスの補正ステップは、低オーダー多項式をマトリックスの各横列の要素に最良適合させるステップと、その要素で最良適合した多項式の値を各要素から差し引くステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１と図２はシート面分析装置１０を図示する。分析装置のコンポーネントは金属製の不透明ケース１２に収容されている。ケースは脚部２２を含み、分析装置を製紙工場内の作業台にセットさせ、製造時に紙シートを分析させる。ケースは、分析対象紙シートの受皿として利用される軸方向に延び出る入力トレー１４を有している。入力トレー１４の長さは、クロスデッケルストリップ（機械の全幅に広がる製紙機械リールから回収する紙）を分析装置１０に供給し、分析させる長さである。排出口１６がケース前面の下方縁部に設けられ、シート分析後の排出用として利用される。図４で示すように、排出トレー１５が排出口１６にてケース１０に固定され、シートを分析装置から排出させる。
【００４２】
図３と図４を解説する。円筒ドラム２２と上方ローラ２４及び下方ローラ２６を含んだローラ構造体がケースの前端側に配置されている。上方ローラ２４と下方ローラ２６及び円筒ドラム２２の軸はそれぞれ平行である。円筒ドラム２２はケース内に軸２８により固定的に搭載され、金属等の硬質材料製である。上方ローラ２４と下方ローラ２６はドラム２２と較べて柔らかく、ゴムベース等の材料で製造されている。
【００４３】
光源３２はドラム２２の上方に設置され、搭載プレート３４と３５のペアを介してケースに取り付けられている。デジタルカメラ３６はドラム２２の湾曲面とほぼ垂直に設置されている。タッチスクリーン４２はケース１２の上方コーナーに設置されている。コンピュータプロセッサーとメモリ４０もケース１２内に収容されている。
【００４４】
紙シートのごときシートを分析するため、オペレータはまずタッチスクリーン４２にメインウィンドーとして表示された“メニュー”ボタン５５（図５）を選択する。専門家であれば理解しようが、タッチスクリーン上のユーザーインターフェースとオペレータコマンドはメモリ４０に保存されたコンピュータプログラムで制御され、プロセッサーで実行される。分析装置の様々なコンポーネントを操作する制御プログラムもメモリに保存され、プロセッサーで実行される。
【００４５】
メニューボタンは、マニュアル測定６２、自動測定用のセットアップ６６あるいは初期のシート面分析の結果表示６４をオペレータに選択させるパラメータウィンドー６０（図６）を表示する。マニュアル測定が選択される場合には（図７）、ウィンドー７０がタッチスクリーンに表示され、オペレータにマニュアル式にてローラ構造体をオン７１及びオフ７２にスイッチ操作させ、パルスモード７３にさせる。ローラ構造体２４、２６はチェックボックス７４を選択することで逆転させることもできる。同様に、光源３２はタッチスクリーンのボタン操作でオン７５とオフ７６にマニュアル式にスイッチ操作できる。ウィンドー７０はクローズボタン７８を選択することで閉鎖され、メニュースクリーン６０に戻す。
【００４６】
“セットアップ”６６の選択でウィンドー８０（図８）がタッチスクリーン４２に表示される。これでオペレータはシート面の自動分析に関係するパラメータを入力できる。これらパラメータはシート面から採集された測定値に数８１、測定値が採集されたシートの開始ポイント８２、及び各測定値間のインターバル８３である。以下でさらに詳細に説明するが、シート面の測定値はシート面を照射し、デジタルカメラで照射面を撮影することで得られる。入力されたパラメータは保存ボタン８４を押すことで保存され、後続のシートの分析に利用される。ウィンドー８０はクローズボタン８５を押して閉鎖し、メニュースクリーン６０に戻す。
【００４７】
パラメータが入力されると、シートは入力トレー１４を介して分析装置１０に供給され、シートの先端は上方ローラ２４とドラム２２との間に配置される。センサー（図示せず）はシートを検知し、コンピュータプロセッサー４０に電子信号を送る。プロセッサー４０はタッチスクリーンのウィンドー９０（図９）に表示させ、オペレータにサンプルの名前を入力させ、分析結果を保存させる。
【００４８】
名前が入力された後、コンピュータプログラムは制御信号を上方ローラ２４に送り、回転させ、オペレータが入力したドラム２２の湾曲面周囲の測定開始ポイントまでシートを前進供給する。シートはドラム２２の表面に保持され、ドラム２２の両部に提供されたガイドプレート２５のペアによって下方ローラ２４方向にガイドされる。第２センサー（図示せず）はシートの縁部が下方ローラ２６を通過するときに検知する。
【００４９】
続いて制御プログラムは光源３２にシート表面を照明させて一連の影を投影させ、カメラで照明面を撮影させる。シートはローラ構造体２４、２６で前進され、オペレータが入力する特定間隔で撮影される。撮影された画像の１例を図１０で示す。
【００５０】
従来技術のように、平坦シートではなく湾曲シート（円筒ドラム２２が提供するような湾曲面）の表面に陰影を投影することは粗度測定等の表面特性分析に有利である。表面特性を分析するために湾曲シートに陰影を投射させる原理は、図１０と図１１に関して説明されている。光源３２からの光線は複数の照明角でシート面を照射する。照明された領域の上部４０に向かって、照明角は表面に対して直角に近くなる。その結果、非鮮明陰影がこの領域に投影される。これは正午に陰影が形成されないのと同じである。
【００５１】
シートが照明領域の下部４２に向かって湾曲するに連れ、照明角は小さくなり、表面粗部によるもののごとき小さな“風景特徴部”によって長い陰影が投影される。これは明け方や夕暮れの時の長い影に相当する。
【００５２】
様々な照明角で表面を照射する光線による異なる長さの陰影を同時的に投射することは、以下で詳細を説明する画像分析プログラムの加重計算によりさらに技術的に促進される。特に、より良い解像度の陰影領域は一般的には照明領域の中央部で発生することが発見されている。従って、それら中央部の陰影は照明領域の上下周辺よりも分析に対してさらに大きく貢献する。
【００５３】
異なる照明角からの本質的感度も分析装置の全体的感度の調整に使用でき、幅広い種類の紙シートに対して利用できる。例えば、一般的にカメラは照明領域の下方縁部（図２参照）に沿って配置されるが、カメラは上方縁部側に持ち上げることができる。そこでは短い陰影が投影され、分析装置の感度を減じさせる。
【００５４】
カメラとドラムの距離及び/又は光源とローラの距離を変え、カメラの異なるレンズの使用により撮像視野を変えることで角度の範囲を変更することもできる。それらはそれぞれ分析装置の感度を変え、設計のフレキシビリティは感度とコンパクト性との間で折り合いをつけさせる。
【００５５】
さらに、ローラ構造体２４、２６は照明角（対応的に陰影の長さと表面地形との間の関係）を知らせ、キャリブレーションのためにモニターさせる。撮影画像に対する明暗間の境界位置の決定は参照境界線を提供する。なぜなら、この境界線では照明源からの入射角はシート面を接線方向に照射するからである。計器の仕様（ローラ径、カメラとシートとの距離、カメラとレンズの仕様及びローラからの光源距離）の知識で、照明角範囲は計算でき、分析装置をキャリブレーションするのに使用できる。
【００５６】
影の画像がカメラで撮影された後、コンピュータプログラムはその画像を分析することでシート面の分析を実行する。二次元マトリックスが画像から取得される。マトリックスの要素は画像の各ピクセルにおける光度を表す。分析の次のステップは光度値の各横列から、徐々に光度変動するコンポーネントを取り除くことである。このコンポーネントは光源の非均等照明及び/又はカメラのぼやけ現象によるものである。
【００５７】
図１２に関して、徐々に変動するコンポーネントは、チェビシェフ多項式のごとき低オーダー多項式を横列１００に最良にフィットさせることで横列から取り除かれる。最良フィットした多項式は横列の各要素から差し引かれ、補正光度値１０２の横列が提供される。ステップ１０４で、現行横列がマトリックスの最終横列であるか否かのテストが実行される。補正光度値のマトリックスはステップ１０６で出力される。そのとき最終横列に到達する。またはプロセスはステップ１００に戻り、徐々に変動するコンポーネントを必要に応じて次の横列から取り除く。
【００５８】
徐々に変動するコンポーネントは、光度の横列からフーリエ高パスフィルター処理または小波高パスフィルター処理のごとき別技術で取り除くこともできる。水平フーリエ変換と垂直フーリエ変換も異なるスケールでの粗度の情報を提供し、シートのワイヤマーク、カウチマーク、フェルトマーク、その他の周期的構造によるピークの位置を調べるのに使用できる。ピークの強度を測定し、サンプルの全体的な粗度への周期的構造物の影響程度の情報を提供することができる。
【００５９】
図１３の補正光度値のマトリックスは統計的に分析され、特定のシート面値が計算される。粗度の場合には、シート表面値はシート面の粗度インデックスとして解釈される。
【００６０】
ステップ１１０で横列の二乗平均の平方根（ＲＭＳ）光度値が次の式を適用して計算される。
【００６１】
【数１】
2007506072.tif 000003
式中Ｘrmsは横列のＲＭＳ光度値であり、Ｘiはその横列の特定ピクセルiでの光度値と、その横列の平均光度値との間の差であり、Ｎはその横列のピクセル数である。
【００６２】
ステップ１１２でその横列のＲＭＳにはその横列のＲＭＳ値に比例する加重値が掛け算される。ＲＭＳ値と比例させた横列の加重処理は、画像の中央側の陰影は、周辺の陰影よりも粗度インデックスの計算において高い影響力を行使する。これは図１４のグラフで簡単に説明される。これは標準偏差（Ｘrmsは上記公式）が横列２００と横列４００の間で最大であることを示す。このことはもちろん、画像の中央横列と一致し、その横列のＲＭＳに比例する横列の加重処理は粗度インデックスに対する高解像度中央陰影の貢献度を増加させる。実際の光度（または輝度）値は図１０と図１４で示すように湾曲表面で上下にほぼ直線的に減少する。
【００６３】
中央陰影部の高解像度は、シートが湾曲しているとき、光源と中央部のシート面との間の低照明角の結果である。さらに、画像の上部の横列は露出過多（ゼロＲＭＳまたは低ＲＭＳ値）となりやすく、下部の横列は露出過少となりやすい（この場合も低ＲＭＳ値）。
【００６４】
図１３で示すように、最終横列に到達したか否かのテストはステップ１１４で実行される。到達していると、各横列の加重処理されたＲＳＭ光度値はステップ１１６で合算され、ステップ１１６で平均化されて、ステップ１１８で平均水平ＲＭＳ光度値が算出される。
【００６５】
順番に、あるいは同時的に横列と同様に分析されたマトリックスの各縦列の光度値は平均垂直ＲＳＭ値を提供する。
【００６６】
粗度インデックスは水平ＲＭＳ光度値と垂直ＲＭＳ光度値の平均値から計算される。画像取得と分析の方法はオペレータが指定したシートのポイントで反復され、その結果は図１２２で示すようにタッチスクリーンのウィンドー１２０に表示される。分析結果はエクセルボタン１２２（図１７）を押すだけでコンピュータプロセッサーにより作動しているスプレッドシートプログラムに移行させることができる。
【００６７】
紙シートの場合には、製紙機方向（ＭＤ）、クロス方向（ＣＤ）及び分析装置を通るシート通路方向（ＭＤとＣＤに対して）が知られているなら、水平ＲＭＳ光度値と垂直ＲＭＳ光度値はＭＤとＣＤの方向に粗度のゲージを提供する。
【００６８】
幅広い表面粗度を有した７つのサンプルが非常にスムーズなダブルコーティング（Impress）から非常に粗い（Threads）グレードまで３つの別々の製造ラインから選択された。それらサンプルのそれぞれの光学的粗度はシートの上下面で測定された。表１はサンプル各側の７つの測定値の平均から得られた結果を示す。
表１：７サンプルから測定された光学表面粗度
サンプル              平均光学粗度             平均光学粗度
上面                      下面
Impress                    51.5                     52.2
Thermal Base               65.8                     67.3
Saxton Smooth              63.0                     70.6
Saxton Vellum              80.0                     85.6
Glopaque Plus              88.4                     92.6
Tudor RP                  105.3                     97.8
Threads                   118.2                    123.7
この結果はベンドツエン、ＰＰＳ、液体貫通技術の主要パラメータである“エムテック”ＰＤＡ並びに光沢性（表面にオイル滴を広げ、表汚れの広がりの長さを測定）のごとき漏気粗度測定と比較された。
【００６９】
図１８と図１９は６サンプルの(a)上面と(b)下面のベンドツエン測定に対する光学粗度プロットを示す。光学粗度とベンドツエンとの間で優れた相関関係が観測された。上下面それぞれに対してＲ２＝０．９２と０．９６であった。
【００７０】
ＰＰＳと“エムテック”液体貫通測定は上下面から得られた平均値に対して相関した。図２０で示すようにＰＰＳは光学粗度に対して優れた相関関係を示した。
【００７１】
Ｗ、ＴmaxとＡ（２）は“エムテック”液体貫通測定から得られた主要なパラメータである。Ｗは湿潤性であり、孔質性、粗度及び表面サイジングによって影響を受ける。Ｔmaxは表面サイジングに関係し、Ａ（２）は前記とシートの内部サイジングの組み合わせである。これらパラメータと光学粗度との間の良好な相関関係が図２０、図２１及び図２２で観察される。本発明のシート表面分析装置は４０と１２０の間で幅広いグレードにて正確に粗度を測定できる。
【００７２】
同一グレード内でさらに細かい相違を検出する感度もテストされた。いくつかのＳａｘｔｏｎ  Ｓｍｏｏｔｈ製品と２つの輸入製品が比較された。図２４はＳａｘｔｏｎ  Ｓｍｏｏｔｈの異なる製品（１、２、３）間の粗度変化量を示す。シートの両面間の相違も明白である。すなわち、下面の粗度は常に上面よりも高い（上面が常に滑らか）。最も滑らかな表面は輸入４ＣＣの上面であり、最近のＳａｘｔｏｎ（サクストン）充填トライアル（ＴＳ）が続いた。
【００７３】
シート表面分析装置の上記の説明は好適実施例の形態で提供されており、様々な変形が可能である。例えば、シート湾曲手段は円筒状ドラムであるが、他のシート湾曲手段でも本発明の目的は達成できる。
【００７４】
光源（または照明手段）は好適にはフラッシュまたはストロボ光であり、画像撮影時の紙の移動の影響は最小限に抑えられる。
【００７５】
カメラ（撮影手段）はデジタルカメラでも、二次元チャージカップリング装置（ＣＣＤ）検出器または光ダイオードアレイを採用した標準ビデオカメラでよい。あるいは撮影手段はラインスキャンカメラであって、画像はローラ構造体の移動で撮影させものでよい。あるいは撮影手段は一次元ＣＣＤまたは光ダイオードアレイであって、シートの照明領域は円筒レンズで画像化するものでもよい。どの場合も、画像はプロセッサーにデジタルインターフェースを介して直接的に、あるいはフレームグラバーやアナログ−デジタルコンバータを介して間接的に移転させることができる。
【００７６】
シート表面分析装置はシート表面の他の特徴を分析するのにも利用でき、粗度のみの分析に留まらない。例えば、適当な拡大処理で、表面の孔部の陰影は画像化でき、標準的な画像分析法が閾値とブロブの分析に適用でき、孔サイズの分布を提供できる。典型的には、適当な閾値が視覚的基準に基づいて選択され、後続の測定のために固定され、異なるサンプルに対して比較測定が実行できる。閾値よりも低い光度値は０（黒）にセットされ、閾値以上の光度値は２５５（白）にセットされる。“ブロブ分析”のごとき技術で閾値処理された画像は複数領域に分割できる。各ブロブのピクセル領域は、そのビンが領域インターバルに対応するヒストグラムに堆積される。
【００７７】
紙の孔部構造も場合によっては分析できる。例えば、毛羽候補である繊維が紙面から部分的に延び出ている場合である。陰影画像は拡大され、少なくとも１つのバイナリ閾値の画像が創出される。閾値は画像の輝度変化の統計検査後に選択される。閾値は平均光度の上または下である特定数の標準偏差であり、他のサンプルのために一定に保たれ、内部サンプル比較が信頼性高く実施できる。
【００７８】
撮影画像の分析にはバイナリ閾値アルゴリズムが関与する。これは撮影画像を操作して、閾値よりも暗い孔部陰影が黒く変換され、孔部の外側（閾値より上）の画像領域が白に変換されている分析画像を創出する。黒領域の数、サイズ及び形状はブロブ分析アルゴリズムを用いて測定され、サイズ及び形状の分布として保存される。それは紙シートの孔部特性の予測に活用される。このように、分析手段は撮影手段で撮影された画像の特徴を分析する。
【００７９】
シート面の毛羽特性も分析可能である。紙の毛羽は紙繊維の特性でシート面上に延び出る。これら繊維は印刷品質を劣化させ、印刷時にシートから分離し、印刷工程で蓄積する。この場合、画像の分析は、毛羽が発生した対象シート材料の領域を強調する手段として毛羽を発生させないシート材料の領域またはサンプルとの統計的比較が関与する。毛羽の存在と毛羽の発生規模は測定された紙の粗度から予期される高光度陰影の予測数を超える暗陰影の余数で決定される。
【００８０】
専門家であれば、本発明の変更と改良は容易であろうがが、それらは本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
本発明の好適実施例を添付図面を利用して解説する。
【図１】図１は本発明によるシート面分析装置の正面図である。
【図２】図２は図１の装置の側面図である。
【図３】図３は一部で図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す平面図であり、装置の内蔵コンポーネントを図示している。
【図４】図４は図３のＢ−Ｂ線に沿った装置の断面図である。
【図５】図５はタッチスクリーンに表示されたシート面分析装置へのユーザーインターフェースのスクリーン図である。
【図６】図６はタッチスクリーンに表示されたシート面分析装置へのユーザーインターフェースのスクリーン図である。
【図７】図７はタッチスクリーンに表示されたシート面分析装置へのユーザーインターフェースのスクリーン図である。
【図８】図８はタッチスクリーンに表示されたシート面分析装置へのユーザーインターフェースのスクリーン図である。
【図９】図９はタッチスクリーンに表示されたシート面分析装置へのユーザーインターフェースのスクリーン図である。
【図１０】図１０は照明手段で湾曲シートのシート面に投影された陰影の撮影画像である。
【図１１】図１１は本発明の原理を示す概略図である。
【図１２】図１２は非均等照明に対して画像を補正するアルゴリズムのフローチャートである。
【図１３】図１３はシートの粗度値を計算するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図１４】図１４は、陰影分布の変動が画像の中央に向かっていかに最大となるか、並びにシートの湾曲部での光度の略線状衰退をそれぞれ示すグラフである。
【図１５】図１５は、陰影分布の変動が画像の中央に向かっていかに最大となるか、並びにシートの湾曲部での光度の略線状衰退をそれぞれ示すグラフである。
【図１６】図１６はタッチスクリーンに表示されたシート面分析のスクリーン図である。
【図１７】図１７はタッチスクリーンに表示されたシート面分析のスクリーン図である。
【図１８】図１８は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図１９】図１９は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２０】図２０は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２１】図２１は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２２】図２２は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２３】図２３は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２４】図２４は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図２５】図２５は、本発明を利用した場合と、従来装置と方法を使用した場合のシート面分析を比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2007506072.tif 000021
【図１９】
2007506072.tif 000022
【図２０】
2007506072.tif 000023
【図２１】
2007506072.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年7月18日(2005.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート表面分析装置であって、
シート表面に陰影を投射させる照明手段と、
陰影の画像を撮影する撮影手段と、
撮影された画像を分析して、シート表面を分析する分析手段と、
シートを湾曲させる湾曲手段と、
を含んで構成され、前記照明手段と前記湾曲手段とは、照明手段にシート表面の湾曲部を照射させてシート表面の特徴部をシート表面上に陰影として投射させるようにアレンジされており、前記撮影手段はその陰影画像を撮影するようにアレンジされており、前記分析手段はプロセッサーと、そのプロセッサーで実行されると前記撮影された陰影画像から光度値の二次元アレイを発生させ、該アレイからシート表面値を計算するコンピュータプログラムを保存するコンピュータ読取り可能な媒体とを含んでおり、シート表面値の計算では、該アレイの選択領域が、該アレイの残りの領域よりも大きくシート表面値に貢献するように加重計算されることを特徴とする装置。
【請求項２】
湾曲手段は、その周囲に少なくともシートの一部が搭載できる湾曲面であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
湾曲面は円筒状ドラムの一部を形成することを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
シートを湾曲手段方向に前進させ、その周囲に搭載させる前進手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前進手段は湾曲手段と係わる少なくとも１つのローラであって、該ローラと湾曲手段との間に配置されたシートは該ローラの回転作用で前進し、湾曲手段の周囲に搭載されることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前進手段は、シートが湾曲手段周囲に搭載される際に張力を作用させることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
湾曲手段、照明手段、撮影手段及び前進手段は開口部を有したケース内に収容されており、該開口部内に挿入されたシートを湾曲手段方向に前進させてその周囲に搭載させ、分析後にケースから送り出すことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
撮影手段と係わる表示装置をさらに含み、シート表面分析に関連する入力パラメータを受領し、分析結果を視覚的に表示することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
二次元アレイは光度値の横列と縦列で構成されるマトリックスで表され、それぞれの横列と縦列の偏差値が計算され、該偏差値はその横列または縦列の光度値の、その横列または縦列の平均値からの平均偏差の測定値であり、選択領域は最大偏差値を有したマトリックスの１横列及び/縦列を含み、その横列及び/又は縦列の光度値はシート表面値の計算でさらに大きく貢献するように加重計算されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
シート表面値は各横列及び/又は縦列に対して計算された偏差値の加重合計から計算され、各横列及び/又は縦列の加重値はその横列または縦列の偏差値と比例しており、各横列または縦列はシート表面値にその偏差値に比例して貢献することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
シート表面値は、各マトリックス横列に対して計算された加重偏差値の平均値と、各マトリックス縦列に対して計算された加重偏差値の平均値との平均値であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
コンピュータプログラムは、シート表面値の計算前に、照明の不均質性に対する撮影画像を補正する補正手段を含んでいることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
補正手段は、各マトリックス横列の要素に低オーダ多項式を最良に適合させ、その要素において適合された多項式の値から各要素を差し引くようにアレンジされたコンピュータプログラムコードであることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
シート表面はシートの粗度であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
シート表面の分析方法であって、
シートを湾曲させるステップと、
湾曲シートを照射することで湾曲シート表面に陰影を投射させるステップと、
該陰影の画像を撮影するステップと、
撮影した画像を分析するステップと、
を含んで成り、該画像分析ステップは、撮影された陰影画像から光度値の二次元アレイを発生させ、シート表面値の計算では、該アレイの選択領域が、該アレイの残りの領域よりも大きくシート表面値に貢献するように加重計算されることを特徴とする分析方法。
【請求項１６】
湾曲表面上にシートを前進させるステップと、
所定の間隔でシート表面に投影された陰影の画像を撮影するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１５記載の分析方法。
【請求項１７】
二次元アレイは光度値の横列と縦列のマトリックスで表されており、それぞれの横列と縦列の偏差値が計算され、該偏差値はその横列または縦列の光度値の、その横列または縦列の平均値からの平均偏差の測定値であり、選択領域は最大偏差値を有したマトリックスの１つの横列及び/又は縦列を含んでおり、その横列及び/又は縦列の光度値はシート表面値の計算でさらに大きく加重計算されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の分析方法。
【請求項１８】
シート表面値計算ステップは、
各マトリックス横列及び/又は縦列の偏差値を計算するステップと、
各偏差値に、その偏差値に比例する加重値を掛け算するステップと、
加重計算された偏差値を平均してシート表面値を計算するステップと、
を含んでおり、各横列または各縦列はその偏差値に比例してシート表面値に貢献することを特徴とする請求項１７記載の分析方法。
【請求項１９】
マトリックス横列の平均加重偏差値とマトリックス縦列の平均加重偏差値とを平均するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の分析方法。
【請求項２０】
シート表面値の計算の前に、不均質照明に対するマトリックスの補正ステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１５から１９のいずれかに記載の分析方法。
【請求項２１】
マトリックス補正ステップは、
マトリックスの各横列の要素に低オーダ多項式を最良に適合させるステップと、
その要素において該最良に適合された多項式の値を各要素から差し引くステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の分析方法。
【国際調査報告】
2007506072.tif 000029
2007506072.tif 000030