(57)【要約】  連続したリファレンスを生成しそれによりサンプルパルスの位相と振幅が観測され補正されることを可能とする時間領域分光システムに組み込むための装置は、ビームスプリッタを利用してサンプルパルスとリファレンスパルスを発生させる。サンプルと相互作用しないリファレンス放射パルスを受信するために、検出器が配置される。当該検出器は、サンプルから生じたサンプル放射パルスを受信するためにも配置されている。この装置は、テラヘルツ時間領域分光器の放射源と検出器との間に構成されることによって、容易に実現されることが可能である。サンプルパルスの時間と振幅の変化を観測するために、リファレンスパルスが利用される。リファレンスパルスにおけるどんな変化も、ほとんどの場合サンプルパルスに現れるので、サンプルパルスを補正しそれによってジッタの影響を低減するために、リファレンスパルスがモニタされ利用される。【選択図】図１
2013536422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する装置であって、
放射パルス（２０）を発生する放射源（４）と、
リファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とをもたらすように前記放射パルス（８）を分離するための手段と、
前記サンプル（１４）と相互作用しない前記リファレンス放射パルス（２２）と前記サンプルから生じる前記サンプル放射パルス（２４）とを受信するために配置された検出器（６）と、
を備えた装置。
【請求項２】
前記サンプル放射パルスは前記サンプル（１４）から反射されたものである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記サンプル（１４）を透過したサンプル放射パルス（２４）を反射するように配置された第１のミラー（１２）を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記リファレンス放射パルス（２２）を前記単一の検出器（６）へ向けて反射するように配置された第２のミラー（１０）を更に備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記放射パルス（８）を分離するための前記手段からの前記リファレンスパルスと前記サンプルパルス（２２，２４）は、前記リファレンスパルス（２２）が前記サンプルパルス（２４）に対して異なる時間に前記検出器（６）に到達するように、時間的に隔てられている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する時間領域分光装置（１００）であって、
放射パルス（２０）を発生する放射源（４）と、
前記サンプル（１４）と相互作用しないリファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とをもたらすように前記放射パルス（８）を分離するための手段と、
前記サンプルを透過し又は前記サンプルから反射したサンプル放射パルス（２４）を反射するように配置された第１のミラー（１２）と、
前記リファレンス放射パルス（２２）を反射するように配置された第２のミラー（１０）と、
前記反射されたリファレンス放射パルス（２２）と前記反射されたサンプル放射パルス（２４）とを受信するために配置された検出器（６）と、
を備えた時間領域分光装置。
【請求項７】
前記リファレンス放射パルスの検出に基づいて時間ジッタを補正するための手段（１２５）を更に備える、請求項６に記載の時間領域分光装置。
【請求項８】
前記リファレンス放射パルスの検出に基づいて振幅変動を補正するための手段（１２５）を更に備える、請求項６に記載の時間領域分光装置。
【請求項９】
放射パルスを発生する放射源（４）とサンプル（１４）から生じた放射パルス（２４）を受信する検出器（６）とを含んだ時間領域分光装置（１００）の精度を向上させる方法であって、
前記サンプル（１４）と相互作用しないリファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とを形成するように、前記放射源（４）と前記検出器（６）との間の光路に沿ってビームスプリッタ（８）を配置するステップと、
サンプル放射パルスを前記検出器（６）へ向けて反射するように第１のミラー（１２）を配置するステップと、
リファレンス放射パルス（２２）を前記検出器へ向けて反射するように第２のミラー（１０）を配置して、前記反射された放射パルスを、前記リファレンス放射パルスの位相と振幅のゆらぎをモニタするのに利用するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記リファレンスパルスと前記サンプルパルス（２２，２４）は単一の検出器（６）を用いて測定される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本発明は、概して時間領域システム及び方法に関し、特に、リファレンスパルスを用いてサンプルパルスの位相と振幅を観測し補正することを可能にし、それにより時間領域分光器の測定精度を大幅に向上させる、時間領域分光器のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  時間領域システムは、物体の特性を測定するための重要な分析ツールである。最近になって、テラヘルツ時間領域分光器（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＴＨｚ−ＴＤＳ）として知られるテラヘルツシステムが開発された。このシステムは、多くの場合、各パルスの持続時間がたったの１０乃至数百フェムト秒である可視−近赤外のレーザパルスから、各パルスの持続時間がピコ秒程度である電磁パルス（「Ｔ−ｒａｙ」）までを利用する。Ｔ−ｒａｙは、フォーカスやコリメート用のレンズとミラーからなる結像系を用いて、様々な物体を通り抜けて伝搬することが可能である。Ｔ−ｒａｙは、試験物体を通り抜ける際に、通常歪みを受ける。Ｔ−ｒａｙ信号におけるこのような変化を分析することで、物体の特性を測定することが可能である。物体を通り抜け検出器へやってきたＴ−ｒａｙの歪み−吸収、分散、及び反射による歪み−の量を観測することによって、物質の特徴を明らかにすることが可能である。デジタル信号処理システムが、ＴＨｚ検出器からデジタル化されたデータを取り込み、そのデータをスペクトル領域又は時間領域で分析する。
【０００３】
[0003]  多くの複合物がＴ−ｒａｙを特有の様態（例えば吸収又は分散）で変化させるため、分子及び化合物は、その分子の「指紋」として利用することが可能な強い吸収線を呈する。Ｔ−ｒａｙ分光法は、たとえ物体が可視光では一様に見える場合においても、物質内部の様々な化学成分を識別することが可能である。Ｔ−ｒａｙの波長と同程度の厚さの紙のキャリパー（caliper）、水分、及び坪量を測定するために、例えばテラヘルツセンサを利用することが可能である。
【０００４】
[0004]  時間領域（テラヘルツ）分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）における振幅と位相の測定精度は、しばしば、システムのノイズによって制限される。ＴＨｚ−ＴＤＳで発生する支配的なノイズは、多くの場合、同一の物質（又は空気）を通って伝搬していき、環境パラメータのゆらぎ（例えば温度ゆらぎ又は振動）やハードウェアの誤差（例えば遅延線でのエンコーダ誤差）のせいで僅かに異なる時間に僅かに異なる振幅で検出器に到達する複数パルスによって特徴付けられる、時間軸上の振幅ジッタであることが、明らかとなってきた。ある特定のＴＨｚ−ＴＤＳシステムでは、ジッタはノイズに大きく寄与し、それ故システムの測定精度を制限する。他のＴＨｚ−ＴＤＳシステムでは、低い精度の主要な原因であるレーザから主として生じるのは、倍数的ノイズ（即ち振幅ノイズ）である。
【０００５】
[0005]  先行技術は、温度等の環境パラメータを制御することや振動を最小化することにフォーカスして、ジッタの悪影響を低減することを試みている。加えて、遅延段の特性を向上させることもまた、重要な検討事項であった。例えば、Ｂｅｓｅｌｔに属する米国特許出願公開２０１０／０００７９５５には、光の送受信用の光ファイバを利用したスキャン型テラヘルツセンサシステムにおいて用いるのに特に適している、大振幅、高周波数の光学的遅延が記載されている。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]  本発明は、連続した一群のリファレンスパルスを生成して、それによりサンプルパルスの位相と振幅が観測され補正されることを可能とする、時間領域分光法を実施するための装置の開発に部分的に基づくものである。この装置は、振幅と位相の両方が測定対象である任意の既存の時間領域分光器において、容易に採用されることが可能である。当該装置の特徴は、ＴＨｚ−ＴＤＳに利用された場合にジッタの影響が大幅に低減され得るということである。そしてまた、本発明手法がＴＨｚ−ＴＤＳと共に用いられた場合、放射源は、更なる分析の実施に必要なリファレンスパルスを集めるべくサンプルから離す必要がない。このことは、最終的なセンサの設計を潜在的に簡単なものにすることができるであろう。
【０００７】
[0007]  ある側面において、本発明は、サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する装置に向けられており、当該装置は以下のものを含む。
【０００８】
[0008]  放射パルスを発生する放射源。
【０００９】
[0009]  リファレンス放射パルスと前記サンプルに向かうサンプル放射パルスとをもたらすように前記放射パルスを分離するための手段。
【００１０】
[0010]  前記サンプルと相互作用しない前記リファレンス放射パルスと前記サンプルから生じる（透過又は反射した）前記サンプル放射パルスとを受信するために配置された検出器。
【００１１】
[0011]  別の側面において、本発明は、サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する時間領域分光装置に向けられており、当該時間領域分光装置は以下のものを含む。
【００１２】
[0012]  放射パルスを発生する放射源。
【００１３】
[0013]  前記サンプルと相互作用しないリファレンス放射パルスと前記サンプルに向かうサンプル放射パルスとをもたらすように前記放射パルスを分離するための手段。
【００１４】
[0014]  前記サンプルを透過し又は前記サンプルから反射したサンプル放射パルスを反射するように配置された第１のミラー。
【００１５】
[0015]  前記リファレンス放射パルスを反射するように配置された第２のミラー。
【００１６】
[0016]  前記反射されたリファレンス放射パルスと前記反射されたサンプル放射パルスとを受信するために配置された検出器。
【００１７】
[0017]  更に別の側面において、本発明は、放射パルスを発生する放射源とサンプルから生じた放射パルスを受信する検出器とを含んだ時間領域分光装置の精度を向上させる方法に向けられており、当該方法は以下のステップを含む。
【００１８】
[0018]  前記サンプルと相互作用しないリファレンス放射パルスと前記サンプルに向かうサンプル放射パルスとを形成するように、前記放射源と前記検出器との間の光路に沿ってビームスプリッタを配置するステップ。
【００１９】
[0019]  サンプル放射パルスを前記検出器へ向けて反射するように第１のミラーを配置するステップ。
【００２０】
[0020]  リファレンス放射パルスを前記検出器へ向けて反射するように第２のミラーを配置して、前記反射された放射パルスを、前記リファレンス放射パルスの位相と振幅のゆらぎをモニタするのに利用するステップ。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、時間領域分光法において連続したリファレンスを発生させるための装置を表す。
【図２】図２は、ビームスプリッタにより発生した代表的な連続したリファレンス（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ：ＣＲ）のトレースを示す。
【図３】図３は、２組のパルスの間でパルス間ジッタを比較したものである。
【図４】図４は、２組のパルス間の遅延と補正された遅延を示すグラフである。
【図５】図５は、例示的なＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳ透過型シート測定システムの描写である。
【図６】図６は、図５に示す透過システム等の、ＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳシステムから、紙であるものとして説明するシート材料サンプルのキャリパー（厚み）、坪量及びパーセント水分を得る例示的な方法を示す。
【図７】図７は、水重量（ＷＷ）を、リファレンス透過パルス及び測定透過パルスの積分したパワースペクトル密度の比の対数に関連付ける較正曲線である。
【図８】図８は、コピー用紙から得られる水分の割合に対する測定値に基づく較正曲線適合を示す。
【図９】図９は、透過型ＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳシステムからの典型的なシミュレートされた入力時間パルス及び出力時間パルスを示す。上部トレースは、ＴＨｚ−ＴＤＳシステムから得られる時間リファレンス及びサンプルパルスの電界の時間トレース（時間はピコ秒）を示し、下部トレースはそれらのフーリエ変換である。
【図１０】図１０は、紙を通るＴＨｚパルスの透過によって得られる信号データに適合された物理モデルを示す。
【図１１】図１１は、製紙プロセス中にin-situ測定を提供する例示的な閉ループ制御シート材料製造システムのブロック図である。本システムは、生産物の品質を維持し不合格品の量を最小限にするようにプロセス変数を制御するために、in-situ測定値を使用するプロセスコントローラーを含む。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[0032]  本発明は、時間領域分光システムの精度を向上させるための手法に向けられており、当該システムは、通常の時間領域分光器を改良することによって実現されることが可能である。本発明はテラヘルツ時間領域分光器との関係で説明されるが、本発明は、放射パルスがサンプルに印加され、そのサンプルから生じた反射パルス又は透過パルスの時間分解特性が分析される、任意の時間領域分光器の精度を向上させるということが理解される。更に、テラヘルツ時間領域分光装置は透過型モードで説明されるが、本発明は、反射型モードにおいても適用可能であるということが理解される。
【００２３】
[0033]  図１は、通常の時間領域分光器における放射源４と検出器６の間に配置された、本発明の連続実時間リファレンス発生装置２の一実施態様を表している。ビームスプリッタ８は、放射源４からの入射光２０を反射光２２と透過光２４に分離する。反射光２２は、平面ミラー１０によって反射され、ビームスプリッタ８を通って検出器６により受光される。同様に、透過光２４は、サンプル１４を透過して、その後平面ミラー１２によりビームスプリッタ８へ向けて反射され、そこで検出器６の中へ反射される。装置２がテラヘルツ分光器を拡張したものである場合、放射源と検出器は、例えば、光伝導アンテナとすることが可能である。テラヘルツ放射に関して、好ましいビームスプリッタは、高い抵抗率（＞１０，０００Ω・ｃｍ）を有したシリコン板の厚い小片からなる。ビームスプリッタの厚さは、ビームスプリッタの裏面からの反射が観測ウィンドウの外側に存在するように、十分に大きく選択される。もし、より薄いビームスプリッタが使用されると、裏側からの多重反射がウィンドウ内に入るため、パルス形状が異なって見えるだろう。原理的には、どちらの構成も本発明と共に利用されることが可能である。厚いビームスプリッタの方が、振動をより生じさせにくいので好ましい。高い抵抗率を有したシリコン板は、テラヘルツ周波数においてまずまずの吸収と高い屈折率を有しているので、ビームスプリッタとして用いるのに特に適している。あるいはまた、サファイアやポリエチレンは、シリコンよりも高い吸収を有しているが、ビームスプリッタとして用いられることが可能であろう。
【００２４】
[0034]  動作時には、レーザパルス１６及び１８がそれぞれ放射源４と検出器６へと導かれる。初めに、テラヘルツ放射パルスが光伝導アンテナ放射源４によって発生し、シリコンのビームスプリッタ８に４５度の角度で入射して、直角な方向に伝搬する２つのパルスが生じる。一方のパルスはサンプル１４を透過し、他方のパルスは時間及び振幅におけるゆらぎを観測するのに利用される。この２つのパルスは同時に同じ場所で発生したものであるため、それらの位相と振幅は非常に強い相関を有しており、測定誤差を補正するのにこの相関が利用される。この方法は、光ファイバを用いた時間領域テラヘルツ分光器に特に適しており、当該分光器では、ファイバの曲げや温度ゆらぎが振幅及び位相の測定精度に大きな悪影響を及ぼすであろう。本発明の特徴は、１つの検出器６だけが必要であるということである。ただ１つの検出器の利用により、第２の検出器に伴う一組の変数の導入が回避される。
【００２５】
[0035]  図１の連続実時間リファレンス発生装置が、図５に示され本明細書において更に説明されるＴＨｚ−ＴＤＳ透過型シート測定システムに組み込まれた。当該システムをそのように改良することによって、テラヘルツ分光器の放射源により発生したそれぞれのパルスに関して、ビームスプリッタは、２つのパルス、即ち測定対象のサンプルを通り抜ける一方のパルスと、空気中を伝搬する他方のパルスとを発生する。図２は、ビームスプリッタによって生成された２つの代表的なパルスを表す。各パルスは特有のプロファイルとピークを有しており、左のパルスを「左側」パルス、右のパルスを「右側」パルスと称する。この２つのパルスを隔てる中間部のどこか任意の点が選択されることが可能である。以下の分析では、「右側」パルスが、リファレンス（即ち、当該パルスは空気中を伝搬する）とサンプルパルス（即ち、当該パルスはサンプルを通り抜けて伝搬する）の両方として利用される。それらは、交互に行われる２つの別々の測定である。
【００２６】
[0036]  連続リファレンスの手順を実現する１つの方法は、初めに１組のリファレンスパルスを集めることである。当該１組の中で、２つのパルス（「左側」及び「右側」）が空気中を伝搬する。その後、測定対象のサンプルが分光器のアームの一方（即ち右のアーム）に挿入され、新たな１組のデータが収集される。これで、リファレンスとサンプルの「右側」パルスの測定を用いて、全ての分析が実施可能となる。右側パルスの時間及び振幅における変化を観測するために、左側パルスが利用される。「左側」パルスにおけるどんな変化も、ほとんどの場合「右側」パルスに現れるので、「右側」パルスを補正しそれによってジッタの影響を低減するために、「左側」パルスがモニタされ利用されることが可能であろう。
【００２７】
[0037]  図３は、１００個の異なる測定パルスについての、「左側」パルスと「右側」パルスの間のパルス間時間ジッタを示す。ｘ軸における「インデックス」という表示は、グラフ上の各点が１組の左側及び右側パルスに対応するように、実験の測定番号（１−１００）を表している。このプロットは、左側パルスと右側パルスの間におけるペアワイズな時間遅延を示す。この相関プロットは、更に、当該２つのパルスが同期的に動くことを明らかにしており、パルスの一方における時間ジッタの補正を可能としている。この比較は、ジッタの標準偏差が２分の１に低減できたことを示している。
【００２８】
[0038]  精密な位相測定が特に重大な意味を持つ光ファイバを用いたテラヘルツ時間領域分光器に関して、本発明の手法は、温度や、それ以外の面で位相測定の妨げとなり得る他の要因による悪影響を補償することが可能である。特に、光ファイバを用いた分光器に関しては、サンプルをスキャンする際のセンサの動きに伴ってファイバがねじれたり又は引き伸ばされたりする結果、偏光及び／又は光路長の変化が生じる。図４の上側のプロットは、抄紙機に典型的に用いられるスキャン型システムにおける動きの影響をシミュレートすべくテラヘルツ時間領域分光器のファイバ接続に人為的にねじれが与えられた場合の、２００個の異なる測定パルスについての「左側」パルスと「右側」パルスの間のパルス間時間ジッタである。このプロットは、偏光の変化がパルスの遅延に影響を及ぼすということを示している。図４の下側のプロットは、２つのパルスが同じように影響を受けて一方のパルスが他方のパルスにおける変化を観測するのに使用できることから、本発明の手法は、上記の遅延を観測し補正するために利用されることが可能である、ということを示している。
【００２９】
[0039]  この連続した１組のリファレンスパルスが得られると、サンプルパルスの位相と振幅が、必要に応じて観測され補正されることが可能である。例えば、当該リファレンスパルスを利用して、サンプルパルスに対して遅延を付加し又は差し引くことにより、時間ジッタが補正されることが可能である。当該リファレンスパルスを用いて振幅の変動を補正するには、倍数係数によるサンプル振幅のスケーリングが、その振幅の大きさを増加又は減少させるように利用されることが可能である。
【００３０】
[0040]  本発明は、時間領域分光システムにおいて実施されることが可能である。近ＴＨｚ又はＴＨｚ−ＴＤＳをin-situで使用して、水重量、物理的な厚み（キャリパー）及び乾燥重量体積分率を含むシート材料の１つ又は複数のパラメータ／特性を同時に取得することができることが明らかとされてきた。シート材料は、紙又はプラスチックを含むことができる。１つ又は複数の較正パラメータと組み合わせてこれらパラメータ／特性から、シート材料のＰＭ及び／又はＷＷを含むキャリパー、坪量及び水分含有量を取得することができる。
【００３１】
[0041]  較正パラメータは、概して、電磁スペクトルのＴＨｚ又は近ＴＨｚスペクトル領域における水の誘電率、試験対象の紙又は他のシート材料の乾燥成分屈折率、試験対象の紙の乾燥成分の密度、及び透過（又は反射）サンプル信号の電力に対するリファレンス信号の電力比の対数に対する水重量の適合係数を取得するダブル（double）デバイ（Debye）モデルで使用される既知のデバイパラメータを含む。
【００３２】
[0042]  含水率（パーセント水分（ＰＭ）で表されるもの等）及びＷＷを、サンプルを透過する近ＴＨｚ若しくはＴＨｚ電力又は電界を測定し、それをリファレンスパルス（サンプルなし）と比較し、したがって水がどれだけパルスを減衰させたかを得ることにより、取得することができる。本技術分野において既知であるように、ＰＭは以下の関係式を介してＷＷに関連する。すなわち、ＰＭ＝ＷＷ／ＢＷであり、ここでＢＷは坪量を表す（以下の式（１２）で繰り返す）。ＢＷ＝ＷＷ＋ＤＷであり、ここでＤＷは乾燥重量を表す（水は存在しない）。この減衰測定値及び（たとえば実験室の較正からの）較正データから、シート材料に存在する水の量に関連する測定値を確定することができる。
【００３３】
[0043]  含水率（ＰＭ又はＷＷとして表わされるもの等）はまた、反射配置を有するシステムにおいて同様の方法を介して得ることができる。反射型システムでは、ＴＨｚ送信機／放射源及びＴＨｚ受信機／検出器はサンプルの同じ側にある。こうしたシステムでは、リファレンス信号は、水を含まない反射面から取得され、サンプル信号は、サンプルからの反射したＴＨｚ信号又は近ＴＨｚ信号である。
【００３４】
[0044]  透過型システムの場合：サンプルのキャリパー及び乾燥重量体積分率を、単層フィルム（たとえば１枚の紙）に対する透過率関数のモデルを、実験的に取得された透過ＴＨｚパルスのモデルに適合させることによって得ることができる。使用することができる１つの物理モデルは以下の通りである。（Ｍ・ボーン（Born, M.）及びＥ・ウルフ（Wolf, E）著、「光学原理 第４版（Principles of Optics, 4th edition）」（Pergamon Press（1970））を参照されたい。）
【００３５】
【数１】
2013536422.tif 000003
【００３６】
ここで、ｔ１２及びｔ２３は、それぞれ第１のフィルム層界面及び第２のフィルム層界面における透過係数であり、ｒ１２及びｒ２３は、それぞれ第１のフィルム層界面及び第２のフィルム層界面における反射係数であり、β＝ω／ｃ・ｎｐ・ｈである。ここで、ωは、ＴＨｚ放射の角周波数であり、ｃは光の速度であり、ｈはフィルム厚みであり、ｎｐは、フィルム（たとえば紙）の複素屈折率である。式（１）の透過係数及び反射係数は以下によって与えられる。
【００３７】
【数２】
2013536422.tif 000004
【００３８】
ここで、ｎａ及びｎｐは、それぞれ、空気及び紙（又は他のシート材料）の屈折率である。空気の屈折率は、およそ１に等しく、紙の屈折率は、古典的Bruggemanモデル等の有効媒質理論を用いて決定される。乾燥成分屈折率は、概して較正ステップを介して得られ、著者により、紙のタイプによって決まることが分かった。水の屈折率は、その誘電関数を介して得られ、誘電関数を、概して、以下の形式のダブルデバイモデルで正確に記述することができる。
【００３９】
【数３】
2013536422.tif 000005
【００４０】
ここで、εｓは静的誘電率であり、ε∞は高周波数での極限値誘電率であり、ε２は誘電率の中間値であり、時定数τ１及びτ２は、並進拡散及び回転拡散、水素結合再配置及び構造再配置に関連する。本明細書では、水の誘電率を記述するために概してダブルデバイモデルについて説明するが、他のモデル、たとえばシングル（single）デバイモデル又はいくつかの非デバイベースモデルを使用することも可能である。シート材料の屈折率を、Bruggemanモデルを用いてシート材料（たとえば紙）の誘電率を介して得ることができる。
【００４１】
【数４】
2013536422.tif 000006
【００４２】
【数５】
2013536422.tif 000007
【００４３】
ここで、ｆｗ及びｆｄは、水の体積分率及び紙等の乾燥シート材料の体積分率である。紙が水及び乾燥成分（たとえばセルロース）のみを含む場合、ｆｗ＝１−ｆｄである。本発明者らは、εｄを、当該周波数範囲にわたる実定数として近似することができることが分かった。しかしながら、時間領域分光システムは、フィルムの誘電率が吸収的（誘電率に対して非ゼロ虚数成分）でありかつ分散的であり得る場合を含むことができる。
【００４４】
[0045]  屈折率は、以下の式により誘電関数に関連する。
【００４５】
【数６】
2013536422.tif 000008
【００４６】
[0046]  一実施形態では、紙を通るＴＨｚパルスの透過率は、式（１）によって与えられる透過率関数を用いてモデル化される。そして、実験的に取得された透過ＴＨｚパルスに対する上記モデルの２パラメータ最小二乗適合を実行することができる。適合から得られる２つの適合パラメータは、乾燥成分体積分率及び物理的な厚みである。上述したように、含水量を、透過パルスの振幅から得ることができる。
【００４７】
[0047]  反射ベースシステムの場合：透過率システム構成の場合に上述したものと同じ方法を、反射構成で使用することができる。この構成では、透過率に対する式（式（１））の代りに、以下の反射率に対する式を使用することができる。
【００４８】
【数７】
2013536422.tif 000009
【００４９】
[0048]  図５は、本発明の一実施形態による例示的なＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳ透過型シート測定システム１００の簡略図である。図５に示されたＴＨｚ−ＴＤＳシステムでは、ジッタがシステムの測定精度を制限するということが明らかとなった。本発明による連続的なリファレンスの手法の実施は、その精度を大幅に向上させるだろうということが期待される。種々の他のＴＨｚ−ＴＤＳに基づく測定システム構成を使用してもよく、それは、本発明の実施形態が、概して、水分含有率（ＰＭ及び／又はＷＷ等）、キャリパー（厚み）及び坪量を含むシート材料の複数の特性のin-situ同時測定を可能にする新たなアルゴリズム及び関連較正データによって支持される、ＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳシステムに対する新たな使用を含むためである。
【００５０】
[0049]  システム１００は、光パルスのビームを放出する少なくとも１つのパルスレーザ源（たとえばフェムト秒（ｆｓ）レーザ）１０５を含む近ＴＨｚ又はＴＨｚ発生器を備えている。ビームスプリッタ１０６が、光ビームを２つのビーム、すなわち反射ビーム１０２及び透過ビーム１０３に分割する。反射ビーム１０２は、「ダミー」遅延段を含む反射遅延構成光学系１０８に向けられる。ダミー遅延の目的は、ＴＨｚ−ＴＤＳシステム１００の発信源（送信機）アーム及び受信機（検出器）アームの両方が、名目上等しい光路長を有するようにすることであり、これにより、発信源ｆｓパルス及び受信機ｆｓパルスが同じ元のｆｓパルスから導出されることになる。ダミー遅延の意図はノイズを最小限にすることである。しかしながら、このダミー遅延は概して必要ではなく、いくつかの応用形態では、ＴＨｚ−ＴＤＳシステム１００を、概してダミー遅延なしに動作させることも可能である。
【００５１】
[0050]  透過ビーム１０３は、ミラー１０４を介して、線形遅延段として示す遅延構成光学系１０９に向けられる。遅延構成光学系１０８及び１０９は、反射ビーム１０２の検出器１１０への光路長を、透過ビーム１０３の近ＴＨｚ又はＴＨｚ送信機１１１への光路長に名目上等しくするように構成されている。
【００５２】
[0051]  近ＴＨｚ又はＴＨｚ送信機１１１は、シート材料のサンプル位置に０．０５ＴＨｚ〜５０ＴＨｚの周波数を有するＴＨｚ又は近ＴＨｚ放射パルスを放出するように動作可能な送信アンテナを有している。ＴＨｚ送信アンテナには、概して、バイアス電圧が印加され（図５には示さず）、そのバイアス電圧を、システム１００においてロックイン検出方式を利用するために変調することができる。検出器１１０は、入射放射によって照射されるサンプル１３０上の位置によって透過される近ＴＨｚ又はＴＨｚ放射を受信するように動作可能な受信アンテナを有している。本発明の実施形態は、本明細書に記載されている光伝導アンテナの使用には限定されない。たとえば、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等の結晶を用いる光整流等の他の方法を用いてもよい。ＴＨｚ検出器１１０は、受信アンテナに結合され、また、シート材料サンプル１３０によって透過されるＴＨｚ又は近ＴＨｚ放射を同時に検出するために、遅延構成光学系１０８から遅延した光パルスを受け取るようにも結合されている。検出器１１０は、電気検出信号を発生する。図５は、サンプル１３０と相互作用するＴＨｚ集束ビームを示すが、当業者には、平行配置等の他の光学配置を使用することも可能であることが理解される。
【００５３】
[0052]  検出器１１０には、電気検出信号を受け取る信号処理システム１２５が結合されている。信号処理システム１２５は、概して、シート材料の水分含有量、キャリパー又は坪量の計算を可能にする較正係数の形式である較正データを格納するメモリ１２６を備えている。メモリ１２６はまた、シート材料の乾燥サンプルの屈折率及びシート乾燥成分の密度に対する格納された推定値も含むことができる。信号処理システム１２５はまた、概して、トランスインピーダンス（電流から電圧）増幅器、フィルタ及びアナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を含む、処理電子回路１２８も備えている。プロセッサ（たとえばＤＳＰ）１２７が、処理電子回路１２８から処理された電気信号（増幅され、フィルタリングされ、デジタル信号に変換された電気信号）を受け取る。プロセッサ１２７は、透過パルスに関連する信号を較正データ及びリファレンス信号パルスと合わせて結合することにより、水分含有量、坪量及びキャリパーから選択されたシート材料サンプルの少なくとも１つの特性を確定する。
【００５４】
[0053]  リファレンスパルスと補正を適用する手法とに関して、信号処理システム１２５（図５）のプロセッサ１２７は、連続した１組のリファレンスパルスをサンプルパルスと比較し、時間ジッタ及び振幅変化に対する必要な補正を実行することが可能である。
【００５５】
[0054]  検出電子回路は、概して、変調されたバイアス電圧が送信アンテナに印加されるロックイン検出方式（図５には示さず）を利用する。この変調信号はまた、システムの信号対雑音比を向上させると共にあらゆる背景雑音の影響を最小限にするロックイン検出電子回路にも供給される。発信源のフェムト秒レーザビーム１０５において、ＤＣバイアス電圧がアンテナに印可される場合、機械式チョッパを使用してロックイン検出を具現化することができる。
【００５６】
[0055]  以下、システム１００等のＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳシステムから、紙であるものとして説明するシート材料サンプルのキャリパー（厚み）、坪量及びパーセント水分を同時に取得する例示的な方法２００について説明する。図６を参照すると、ステップ２０１において、紙の各グレードに対して、本技術分野において既知である標準的な手続きに従って、「絶乾」サンプル（本質的に水分のないサンプル、以下「乾燥サンプル」）を作製する。ステップ２０２において、紙の各グレードに対して、種々の既知の水分レベルの広がりを有する加湿したサンプルのセットを用意する。これらのサンプルは、本システムが概して動作する水分範囲を網羅するべきである。ステップ２０３は、ＴＨｚ又は近ＴＨｚ−ＴＤＳシステムを使用するリファレンス空気走査（すなわち、サンプルなしの走査）を含む。ステップ２０４において、ステップ２０１で用意した乾燥サンプルをＴＨｚ−ＴＤＳシステムに挿入し、乾燥サンプル走査を取得する。ステップ２０５において、乾燥サンプルの厚みを独立して測定する。乾燥サンプルの厚みを測定する１つの方法は、ｌａｂ ＴＡＰＰＩゲージである。
【００５７】
[0056]  ステップ２０６において、周波数の関数としての乾燥成分屈折率を、ステップ２０５で測定した乾燥サンプル厚みを用いて物理モデルを適合することによって確定する。そして、透過型システムの場合の透過率関数に対してモデルを適合することにより、サンプルの乾燥成分屈折率を計算することができる（式（１）又は反射型システムの場合は反射率関数（式（７））。適合を実行すると、ステップ２０５からの厚み測定値（たとえばＴＡＰＰＩキャリパーゲージから）を入力し、概して、サンプルの屈折率に対する水の寄与がごくわずかであり、すなわち、乾燥成分分率が１であるものと想定する。この適合から、概して較正パラメータのうちの１つを構成する乾燥成分屈折率が得られる。紙の場合、この乾燥成分屈折率パラメータは、通常ＴＨｚ領域において１．３〜１．５にある。
【００５８】
[0057]  ステップ２０６の物理モデルは、空気、乾燥成分（セルロース及び灰）及び水の混合物を含む薄い誘電体スラブとしてシート材料（たとえば紙）をモデル化することを含むことができる。混合物の比率及びシート材料の厚みを変化させることができるBruggemanモデルが利用された。種々の温度でのＴＨｚ帯の水の誘電率に対する既存のデータを取得することができる。ダブルデバイモデルを使用して、近ＴＨｚ又はＴＨｚ周波数で水の電磁応答をモデル化することができる。
【００５９】
[0058]  たとえば、ステップ２０６のモデル適合は、最小二乗適合を実行することを含むことができる。サンプルは、完全に乾燥サンプルから成る（すなわち、０％水分）と想定することができる。
【００６０】
[0059]  ステップ２０７は、ＴＨｚ−ＴＤＳシステムを使用して、ステップ２０２で用意した紙の加湿サンプルを測定することにより、透過型システムの場合は透過電力又は透過電界、反射型システムの場合は反射電力又は反射電界を取得することを含む。透過型システムの場合、その後、透過電力又は透過電界を、ステップ２０３で取得したリファレンス透過電力（サンプルなしの透過電力）と比較する。図７に示すように、ＷＷに対する較正曲線を表示することができる。以下の関数を、図７にプロットしている。
【００６１】
【数８】
2013536422.tif 000010
【００６２】
ここで、ＷＷは、グラム／平方メートル（ＧＳＭ）での水重量であり、ｙｉ（ｔ）はリファレンスパルス又は入射パルス（サンプルなし）であり、ｙｏ（ｔ）は出力パルス又はサンプルパルス（サンプルあり）であり、ｍ及びＣは較正定数である。ＰＳＤは、積分したパワースペクトル密度を意味し、ノルム二乗フーリエ変換の周波数にわたる積分として定義される。リファレンスパルス電力とサンプルパルス電力との比の対数に対してプロットされている、図７に示すＷＷを、本質的に線形であるように示すが、線形関数である必要はない。ステップ２０２において加湿サンプルセットから得られた同じデータセットを使用して、別の較正パラメータ、すなわち乾燥成分の密度ρｆを得ることができる。この較正パラメータを、水分含有率対（ｖｆ／（１−ｖｆ））のプロットを構成し、ρｆを得るように式（９）で与える式を適合することによって得ることができる。この適合を図８に示し、図８は、コピー用紙を含むサンプルから得られた、測定された水分の割合の値に基づく較正曲線適合を示す。この図の横座標は（ｖｆ／（１−ｖｆ））であり、ｖｆは、透過ＴＨｚパルスに対する物理的適合から得られる乾燥重量体積分率である。図８の縦座標は、試験対象のサンプルの含水率である。この含水率を、独立した測定技法を用いて取得することができ、通常は、実験室で重量測定によって取得することができる。乾燥紙成分の密度を、以下のモデルに対する最小二乗パラメータ適合によって取得することができる。
【００６３】
【数９】
2013536422.tif 000011
【００６４】
ここで、ＰＭはパーセント水分であり、ρｗ及びρｆは水及び乾燥紙成分の密度である。水の密度を、公開文献から取得することができる。
【００６５】
[0060]  図９に、シミュレーションにより得られたＴＨｚ−ＴＤＳからの典型的な入力時間パルス及び出力時間パルスを示す。上部トレースは、ＴＨｚ−ＴＤＳシステムから得られた時間リファレンス及びサンプルパルスに対する電界の時間トレース（時間はピコ秒）を示し、下部トレースはそれらのフーリエ変換（周波数はＴＨｚ）である。
【００６６】
[0061]  ステップ２０８において、透過率システムの場合、シート材料サンプルの物理的な厚み及び乾燥重量体積分率を得るために、シート材料の透過率関数を使用することができる（上述した式（１）を参照されたい）。透過率関数のパラメータを、計算された透過パルスと測定された透過パルスとの間の最小二乗誤差を最小化するように調整することができ、それにより、２パラメータ最小二乗適合を使用して物理モデルを適合する。図１０は、ＴＨｚパルスが紙を透過することによって得られる信号データに対して適合された物理モデルを示す。透過率関数を用いてリファレンスパルスの畳み込み（時間領域における）を使用することにより、計算された透過パルスを見つけることができる。以下のように定義する。
【００６７】
【数１０】
2013536422.tif 000012
【００６８】
誤差関数を以下のように定義することができる。
【００６９】
【数１１】
2013536422.tif 000013
【００７０】
ｈ：物理的な厚み
ｖｆ：乾燥重量体積分率
上記誤差関数を最小化することにより、紙又は他のシート材料の物理的な厚み（ｈ）及び乾燥重量体積分率ｖｆを提供することができる。ステップ２０９において、ＰＭ及びＢＷを以下のように計算することができる。
【００７１】
【数１２】
2013536422.tif 000014
【００７２】
【数１３】
2013536422.tif 000015
【００７３】
ここで、ρｗ：繊維密度、ρｆ：水密度である。
【００７４】
[0062]  図１１は、シート材料（たとえば紙）作製プロセス中にシート材料の複数の特性のin-situ同時測定を可能にする例示的な閉ループ制御シート材料製造システム７００のブロック図である。後述するように提供される閉ループ制御は、プロセス変数を、生産物の品質を維持し不合格品の量を最小限にするように制御するのに役立つ。システム７００は、シート材料製造装置７２０と、in-situ測定システム７１５からのin-situ測定値を使用するプロセスコントローラー７３０とを備えている。測定システム７１５は、反射型システムか、又は図１に示すシステム１００等の透過型システムであり得る。システム７００のコンポーネント間の通信は、接続されたワイヤとして示すが、有線、光（たとえば光ファイバ）若しくは無線（たとえばＲＦ）又はそれらの組合せであり得る。
【００７５】
[0063]  コントローラー７３０は、受け取った電気検出信号を処理し、１つ又は複数の紙品質特性、たとえば達成された水分プロファイル、及び製紙プロセス中に水分プロファイルが、製紙システムの場合に「ウェットエンド」からプレスまでかつプレスから「ドライエンド」における乾燥機までどのように更新されるべきかを確定することができる。本技術分野において既知であるように、水分プロファイルは、シート張力プロファイル、シート破断、収縮、ワインダ効率、印刷所運転等、製紙プロセスにおける既知の変数に著しい影響を与える可能性がある。
【００７６】
[0064]  以上は、本発明の原理、好適な実施態様、及び動作の形態を説明してきた。しかしながら、本発明は、論じられた特定の実施態様に限定されるものと解されるべきではない。したがって、上述された実施態様は、限定的ではなく例証的であるとみなされるべきであり、以下の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者はそれら実施態様において変形を加えることができる、ということが認識されるべきである。
【図１】
2013536422.tif 000016
【図２】
2013536422.tif 000017
【図３】
2013536422.tif 000018
【図４】
2013536422.tif 000019
【図５】
2013536422.tif 000020
【図６】
2013536422.tif 000021
【図７】
2013536422.tif 000022
【図８】
2013536422.tif 000023
【図９】
2013536422.tif 000024
【図１０】
2013536422.tif 000025
【図１１】
2013536422.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月23日(2013.4.23)
【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】
サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する装置であって、
放射パルス（２０）を発生する放射源（４）と、
リファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とをもたらすように前記放射パルス（８）を分離するための手段と、
前記サンプル（１４）と相互作用しない前記リファレンス放射パルス（２２）と前記サンプルから生じる前記サンプル放射パルス（２４）とを受信するために配置された検出器（６）と、
を備えた装置。
【請求項２】
前記サンプル放射パルスは前記サンプル（１４）から反射されたものである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記サンプル（１４）を透過したサンプル放射パルス（２４）を反射するように配置された第１のミラー（１２）を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記放射パルス（８）を分離するための前記手段からの前記リファレンスパルスと前記サンプルパルス（２２，２４）は、前記リファレンスパルス（２２）が前記サンプルパルス（２４）に対して異なる時間に前記検出器（６）に到達するように、時間的に隔てられている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
サンプルの少なくとも１つの特性を測定するための連続リファレンスを有する時間領域分光装置（１００）であって、
放射パルス（２０）を発生する放射源（４）と、
前記サンプル（１４）と相互作用しないリファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とをもたらすように前記放射パルス（８）を分離するための手段と、
前記サンプルを透過し又は前記サンプルから反射したサンプル放射パルス（２４）を反射するように配置された第１のミラー（１２）と、
前記リファレンス放射パルス（２２）を反射するように配置された第２のミラー（１０）と、
前記反射されたリファレンス放射パルス（２２）と前記反射されたサンプル放射パルス（２４）とを受信するために配置された検出器（６）と、
を備えた時間領域分光装置。
【請求項６】
放射パルスを発生する放射源（４）とサンプル（１４）から生じた放射パルス（２４）を受信する検出器（６）とを含んだ時間領域分光装置（１００）の精度を向上させる方法であって、
前記サンプル（１４）と相互作用しないリファレンス放射パルス（２２）と前記サンプル（１４）に向かうサンプル放射パルス（２４）とを形成するように、前記放射源（４）と前記検出器（６）との間の光路に沿ってビームスプリッタ（８）を配置するステップと、
サンプル放射パルスを前記検出器（６）へ向けて反射するように第１のミラー（１２）を配置するステップと、
リファレンス放射パルス（２２）を前記検出器へ向けて反射するように第２のミラー（１０）を配置して、前記反射された放射パルスを、前記リファレンス放射パルスの位相と振幅のゆらぎをモニタするのに利用するステップと、
を含む方法。
【国際調査報告】
2013536422.tif 000027
2013536422.tif 000028