(57)【要約】【解決手段】製紙装置にて紙を含む移動するシート中の水分のような成分を測定する小型、長寿命のセンサは、関心のある規定された波長領域の光線を発生させる光源を採用し、光源は非機械的技術を使用して高周波数にて変調される。いろいろな光源を有する単一の検出器は、情報が分離された状態に維持しつつ、全ての周波数にて測定することができる。超光発光ダイオード又はレーザダイオード光源は、雑音の排除を向上させ得るよう直接、電気的に変調することができる。これらの高パワー及び光輝な光源は、光ファイバの優れた励振効率を提供し且つセンサが監視される紙に渡って遥かに高速度で走査することを許容する。
2008539422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサにおいて、
組成物中の１つの成分を検出するため所望の波長の範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源であって、光を組成物に向ける形態とされた前記少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの光源を変調する駆動手段であって、少なくとも１つの光源を機械的には変調しない前記駆動手段と、
組成物から発する光を受け取る検出手段とを備える、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源は、超光発光ダイオード又はレーザダイオードを備える、センサ。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源を変調する駆動手段は、少なくとも１つの光源の駆動電流を直接変調する、センサ。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源を変調する駆動手段は、１つ又はより多くの外部電子光学変調器を採用する、センサ。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源を変調する駆動手段は、１つ又はより多くの外部音響光学変調器を採用する、センサ。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源を変調する駆動手段は、少なくとも５ｋＨｚの率にて変調する、センサ。
【請求項７】
請求項１に記載のセンサにおいて、少なくとも１つの光源は、光ファイバに連結され、発光装置からの光が光ファイバを通して伝送されるようにする超光発光ダイオード又はレーザダイオードを備える、センサ。
【請求項８】
請求項７に記載のセンサにおいて、光ファイバに連結され且つ光を組成物に向ける形態とされた光学装置を備える、センサ。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサにおいて、光学装置は、組成物から発する光を受け取る形態とされる、センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載のセンサにおいて、光を受け取る検出手段は、受け取った光の強度に比例する信号を発生させ、
信号から雑音をろ過する手段を更に備える、センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセンサにおいて、雑音をろ過する手段は、変調した信号を増幅し且つ雑音を低通過フィルタにて抑制すると同時に、変調した信号を釣合った直流レベルに変換する、ロックイン増幅器を備える、センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサにおいて、ロックイン増幅器は背景雑音を除去する、センサ。
【請求項１３】
請求項１に記載のセンサにおいて、光を光フィルタにてろ過するステップは、所望の波長範囲を有する光を発生させるために不要である、センサ。
【請求項１４】
組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサにおいて、
成分に対してある感受性を有する第一の波長領域を有する第一の光を発生させる第一の光源と、
第一の光源を変調する第一の駆動手段であって、第一の光源を機械的には変調しない前記第一の駆動手段と、
成分に対して別の異なる感受性を有する第二の波長領域を有する第二の光を発生させる第二の光源と、
第二の光源を変調する第二の駆動手段であって、第二の光源を機械的には変調しない前記第二の駆動手段とを備える、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセンサにおいて、第一の光源を変調する第一の駆動手段は、第一の周波数の第一の光源を変調して第一の変調した光信号を発生させ、第二の光源を変調する第二の駆動手段は、第二の周波数の第二の光源を変調して第二の変調した光信号を発生させ、第一の周波数は第二の周波数と相違する、センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のセンサにおいて、第一の変調した光信号は、第二の変調した光信号と多重化され、光ファイバを通って伝送されるようにする、センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のセンサにおいて、第一及び第二の変調した光信号を多重化するため周波数分割多重化が採用される、センサ。
【請求項１８】
請求項１５に記載のセンサにおいて、光を受け取る検出手段は、単一の信号検出器と、第一の周波数及び第二の周波数を有する光を検出する単一の前置増幅器とを備える、センサ。
【請求項１９】
請求項１４に記載のセンサにおいて、（ｉ）第一の光源は、光ファイバに連結されて、第一の発光装置からの光が光ファイバを通って伝送されるようにする超光発光ダイオード又はレーザダイオードを有する第一の発光装置を備え、（ｉｉ）第二の光源は、光ファイバに連結されて、第二の発光装置からの光が光ファイバを通って伝送されるようにする超光発光ダイオード又レーザダイオードを有する第二の発光装置を備える、センサ。
【請求項２０】
組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定する装置において、
組成物中の１つの成分を検出する所望の波長範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源であって、組成物における複数の位置に送り出される形態とされた前記少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの光源を変調する駆動手段であって、少なくとも１つの光源を機械的には変調しない前記駆動手段と、
複数の位置にて組成物から発する光を受け取る複数の検出手段とを備える、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定する装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置において、
成分に対してある感受性を有する第一の波長領域を有する第一の光を発生させる第一の光源と、
第一の光源を変調する第一の駆動手段であって、第一の光源を機械的には変調しない前記第一の駆動手段と、
成分に対して別の異なる感受性を有する第二の波長領域を含む第二の光を発生させる第二の光源と、
第二の光源を変調する第二の駆動手段であって、第二の光源を機械的には変調しない前記第二の駆動手段とを備える、装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置において、第一の光源を変調する第一の駆動手段は、第一の周波数の第一の光源を変調して第一の変調した光信号を発生させ、第二の光源を変調する第二の駆動手段は、第二の周波数の第二の光源を変調して第二の変調した光信号を発生させ、第一の周波数は第二の周波数と相違する、装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置において、第一の変調した光信号は、第二の変調した光信号と多重化され、光ファイバを通って伝送されるようにする、装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置において、第一及び第二の変調した光信号を多重化するため周波数分割多重化が採用される、装置。
【請求項２５】
組成物中の物質を感知する方法において、
（ａ）少なくとも第一及び第二の別個の波長領域の波長を含む光線にて組成物を照射するステップであって、光線は、非機械的に変調する光源によって提供され、第一の波長領域内の光線は、組成物中の物質に対して極めて感受性が高く、また、第二の波長領域の光線は、組成物中の物質に対して比較的感受性が低いようにする前記照射するステップと、
（ｂ）第一及び第二の別個の波長領域の組成物から発する光線の量を検出するステップとを備える、組成物中の物質を感知する方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、ステップ（ａ）は、第一の周波数にて変調された第一の変調した光信号にて及び第一の周波数と相違する第二の周波数にて変調された第二の変調した光信号にて組成物を照射するステップを含む、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、第一の変調した光信号は、第二の変調した光信号と多重化され、光ファイバを通って伝送され且つ組成物に向けられるようにした、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、第一及び第二の変調した光信号を多重化するため周波数分割多重化が採用される、方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法において、第一及び第二の波長領域の検出された光線の量に基づいて、組成物中の物質の量を計算するステップを更に含む、方法。
【請求項３０】
請求項２５に記載の方法において、組成物は、紙又はプラスチックから成る平坦なシート製品である、方法。
【請求項３１】
請求項２５に記載の方法において、紙中の水分レベルが計算される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、紙及びその他のシート製品の水分のような特定の成分の存在及び濃度を測定する、高速度、長寿命のセンサ及びそれらの測定方法に関する。この技術は、超光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）からの特定の波長帯域の赤外光線を移動する材料シートに向け且つ、その材料から発する光線を検出する装置を採用する。
【背景技術】
【０００２】
連続製紙機にて製紙するとき、紙ウェブが繊維の水懸濁液（原料）から移動するメッシュ製紙織物上に形成され、水は、織物を通じて重力及び吸引力によって排除される。次に、ウェブは、加圧部分に搬送され、この加圧部分にて、より多くの水が圧力及び真空力によって除去される。次に、ウェブは、乾燥機部分に入り、この乾燥機部分にて、蒸気加熱式乾燥機及び熱風が乾燥過程を完了させる。製紙機は、基本的に、水除去システムである。製紙機の典型的な形成部分は、テーブルロール、フォイル、真空フォイル、及び吸引ボックスのような、一連の水除去要素上を移動する無端の移動製紙織物又はワイヤーを含む。原料は、製紙織布の上面上を運ばれて、原料が連続的な脱水要素上を移動するとき、脱水されて紙シートを形成する。最後に、湿ったシートは、製紙機の加圧部分に搬送され、この加圧部分にて、紙シートを形成するのに十分な水が除去される。当該技術にて周知の製紙装置は、例えば、アンカスウイルデパブリケーションズ（Ａｎｇｕｓ  Ｗｉｌｄｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ）インクの１９９２年、Ｇ．Ａスモック（Ｓｍｏｏｋ）編集によるパルプ及び紙科学技術者ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｐ  ＆  Ｐａｐｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ）第２版に及びマグロウヒル（ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ）の１９７０年、Ｒ．マクドナルド（ＭａｃＤｏｎａｌｄ）編集の紙及び製紙第３巻（Ｐｕｌｐ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）（製紙及び板紙の製造）に記載されている。シート製造システムは、例えば、ヘー（Ｈｅ）への米国特許明細書５，５３９，６３４号、フー（Ｈｕ）への米国特許明細書５，０２２，９６６号、バラクリスナン（Ｂａｌａｋｒｉｓｈｎａｎ）への米国特許明細書４，９８２，３３４号、ボイスヴェイン（Ｂｏｉｓｓｅｖａｉｎ）への米国特許明細書４，７８６，８１７号、アンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）及びその他の者への米国特許明細書４，７６７，９３５号に更に記載されている。多くの因子が製造された紙の品質に最終的に影響を与えるであろう水の除去率に影響する。
【０００３】
近代の高速度の製紙技術において、完成した製品の品質を監視するため、紙材料の特定の性質を連続的に測定することが周知である。これらのオンライン測定は、坪量、水分含有量、及びシートキャリパ、すなわち厚さをしばしば含む。測定値は、製造品の品質を維持し且つ、不良な製造過程のため廃棄しなければならない製品量を最小限にするという目標のため過程の変動値を制御すべく使用することができる。オンラインシートの性質の測定は、縁から縁へとシート材料を周期的に縦断する走査センサを使用することがしばしばである。例えば、高速度の走査センサは、２０秒といった短時間内に走査を完了し、約１０ミリ秒の間隔にて測定値をセンサから読み取ることができる。同様のオンライン測定を行うため、一連の静止型センサを使用することもできる。
【０００４】
シート材料が主乾燥機部分又は巻取りリールから離れるとき、走査センサを採用してそのシート材料の水分含有量を測定することが従来の方法である。かかる測定値を使用して機械の作動を所望のパラメータを実現するよう調節することができる。水分含有量を測定する１つの技術は、赤外線（ＩＲ）領域の水の吸収スペクトルを利用することである。この目的のための監視又は計器装置が一般に使用されている。かかる装置は、従来、固定計器又は走査ヘッドに取り付けた計器の何れかを使用し、この走査ヘッドは、個々の機械により必要とされるように、乾燥機部分から出るとき及び（又は）巻取りリールへ入るとき、ウェブを渡って縦断的に反復的に走査される。計器は、典型的に、石英タングステンハロゲン（ＱＴＨ）灯のような広帯域の赤外線源、及び関心のある波長が例えば、干渉型フィルタのような、狭小帯域のフィルタにより選ばれる１つ又はより多くの検出器を使用する。使用される計器は、２つの主要な型式、すなわち、源及び検出器がウェブの両側部にあり、また、走査計器内にて、計器を渡って同期状に走査される透過型と、源及び検出器がウェブの一側部にて単一のヘッド内にあり、検出器はウェブから散乱した源光線の量に応答する、散乱型（典型的に、「反射型」と呼ばれる）とに分類される。
【０００５】
ＩＲ水分計をより好ましい乾燥部環境内に配置することは最も一般的ではあるが、同様の計器は、製紙機の湿部にても採用されている。湿部水分計は、典型的に、加圧部分の端部に又は乾燥機部分の開始部に配置されている。これらの位置にある計器は、製紙機の加圧部分及び形成部分を診断し又は、乾燥機部分内に入るウェブを「準備する」ため有用である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在のＩＲ水分センサの速度は、光源を機械的に変調する必要性のため制限されている。紙中の水分を検出するため、センサは、典型的に、１．９μｍ（測定）及び１．８μｍ（基準）波長の光を利用する。現在、こうした波長の十分に強力、高信頼性であり且つ経済的な源は、機械的手段により１０，０００Ｈｚまで変調させることのできるＱＴＨ灯を使用してのみ実現できるが、実際には、１ｋＨｚ以下に変調される。機械的変調は、これらの低周波数に制限され、それは、変調周波数を増大させると、開口数が少し、従って、パワー又は変調深さの何れかが制限されることになるからである。更に、変調時の許容可能な位置変動値（ｊｉｔｔｅｒ）を得るため必要とされる機械的な許容公差の必要条件は達成できなくなる。これらの源は、また、制限された出力の輝度（単位立体角当たりの単位面積当たりパワー）を示し、また、典型的に、数千時間のみの寿命を有する。これら熱源の制限された輝度は、光ファイバ内への極めて劣化した結合効率を示し、また、小さい試料面積を正確に測定することを制限することになる。今日迄、全ての既知の紙及び平坦なシート製品用のＩＲ水分センサは、源としてＱＴＨ灯を使用する。ＱＴＨ灯と共に使用される実質的な機械的変調周波数は、センサの帯域幅を約１００ないし５００Ｈｚに制限することになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一部分、製紙装置における紙を含む移動するシート内の水分のような成分の測定に特に適した、極めて高速度、小型、長寿命のセンサを開発することに基づくものである。センサは、関心のある規定された波長領域のみの光線を発生させる光源を採用し、また、光源は、非機械的技術を使用して高周波数にて変調される。センサ当たり少なくとも２つの光検出器を使用する従来のセンサと相違して、本発明のセンサは、単一の検出器のみが必要であり、この場合、スペクトルチャネルの各々が異なる周波数にて変調され、これによりそれらの情報が分離されたままであるようにする。検出器は、それら内部の必要な全ての波長を有する光源、すなわち広帯域の光源を必要としないから、従来の水分センサの場合のように、帯域通過フィルタは一切、不要である。それら自身の個々のフィルタを有する２つの検出器の必要性を解消することに加えて、エレクトロニクスの多くの二重化を解消することもできる。例えば、１つのトランスインピーダンス型前置増幅器のみがあればよい。典型的なセンサの基準及び測定波長チャネル間にて単一の検出器及び共通の電気回路を使用することは、チャネル内の幾つかの雑音効果を共通のモードにて拒絶することにとって非常な助けとなる。例えば、別個の検出器が使用される場合、検出器間の温度差の変動は、センサ誤差を生じさせる可能性があるが、１つの検出器要素（及び共通の回路）のみが使用されれば、この効果の一部分は解消される。
【０００８】
１つの実施の形態において、本発明は、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサであって、
組成物中の１つの成分を検出するため所望の波長の範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源であって、光を組成物に向ける形態とされた上記少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの光源を変調する駆動手段であって、少なくとも１つの光源を機械的には変調しない上記駆動手段と、
組成物から発する光を受け取る検出手段とを含む上記のセンサに関する。
【０００９】
別の実施の形態において、本発明は、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定する装置であって、
組成物中の１つの成分を検出する所望の波長範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源であって、組成物における複数の位置に送り出される形態とされた上記少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの光源を変調する駆動手段であって、少なくとも１つの光源を機械的には変調しない上記駆動手段と、
複数の位置にて組成物から発する光を受け取る複数の検出手段とを備える上記装置に関する。
【００１０】
更なる実施の形態において、本発明は、組成物中の物質を感知する方法であって、
（ａ）少なくとも第一及び第二の別個の波長領域の波長を含む光線にて組成物を照射するステップであって、光線は非機械的に変調する光源によって提供され、第一の波長領域内の光線は、組成物中の物質に対して極めて高い感受性を有し、また、第二の波長領域の光線は組成物中の物質に対して比較的低い感受性を有するようにする上記照射するステップと、
（ｂ）第一及び第二の別個の波長領域にて組成物から発する光線の量を検出するステップとを含む、上記方法に関する。
【００１１】
１つの好ましい実施の形態において、採用された光源は、駆動電流が電気的に変調されるＳＬＥＤ又はＬＤである。これと代替的に、外部の電子光学的又は音響光学変調器を採用して光源を変調してもよい。光源を変調するのには、幾つかの理由がある、すなわち、（１）信号対雑音比を改良し且つ背景信号を排除すべくロックイン検出と共に使用するため、（２）例えば、１つ以上の源が使用されるとき、周波数分割多重化法によって異なる周波数にてチャネルの各々を変調することにより源のチャネルを判別するためである。ＳＬＥＤ又はＬＤ源の空間的モードが高品質であることは、これら型式の変調を単モード光ファイバ装置にて効率的に使用することを許容し、このことは、単モードファイバの結合が実際上不可能である、ＱＴＨ灯のような低輝度熱源では実現し得ないことである。
【００１２】
ＳＬＥＤ源は、例えば、従来の水分センサにて使用される広帯域源のような熱光源よりも水分帯域幅にて約１００倍以上のパワーを発生させ且つ水分帯域幅にて約５００，０００倍の輝度を発生させる。本発明のセンサと共に採用される光源の高パワー及び高輝度は、例えば、センサが監視される紙のような製品上を遥かに迅速に走査し且つ高い空間的分解能を実現することを許容する。ＳＬＥＤ及びＬＤ光源に付随する高パワー及び輝度レベルと関係した追加的な有利な効果は、光ファイバの励振（ｌａｕｎｃｈ）効率が優れる点である。これらの固相源は、単モード光ファイバ及び従来、電気通信業界にて使用されているその他の構成要素と適合可能であり、このため、固相光源を単モード光ファイバ及び関係した構成要素と共に使用する能力は、ＱＴＨ灯のような熱光源にて実現し得ない低コスト及びより高効率のセンサシステムを提供するものである。
【００１３】
赤外線分光法は、水分含有量測定の１つの好ましい技術であり、１つのアプローチ法は、所定の吸収及び関心のある基準波長のＩＲ光線を発するＳＬＥＤを有するセンサを採用することである。現在、１．９ないし２．０μｍ光線範囲にて高パワー、高信頼性又は安定的なＳＬＥＤ又はＬＤ源で商業的に利用可能なものは存在しないと考えられるが、別の水感受性吸収ピークは１．４ないし１．５μｍの波長領域に存在する。この吸収ピークは、水分に対して低感受性であるが、これらの波長にて利用可能な適宜な高パワー及び高速度ＳＬＥＤ及び同調可能なＬＤ光源が存在する。これらの光源は、直流又は連続波（ＣＷ）レベルからＧＨｚレートまで容易に変調可能であり、このことは、その高パワーの出力と組み合わさって、センサがより正確に且つ極めて広帯域幅にて作動することを可能にする。これらの遥かに高レートにて変調する能力は、ロックイン検出の出力フィルタ段にて雑音を一層良好に排除することを許容する。
【００１４】
１．９ないし２．０μｍの水吸収帯域に渡って１．４ないし１．５μｍの水吸収帯域を使用することの第二の有利な効果がある。これらは、光ファイバ内の損失が少ないこと、フォトダイオード光検出器が高性能であることを含む。例えば、典型的なＩｎＧａＡｓフォトダイオードの雑音等価パワー（ＮＥＰ）は、１．９μｍ波長におけるよりも１．５μｍ波長にて一桁程度優れている。また、内部利得を有する固相検出器、すなわちアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、１．５μｍ波長にて容易に利用可能であるが、１．９μｍ波長にて利用することはできない。更に、測定のファイバの曲がりによる感度損失を減少させる、遥かに高開口数を有する、硬質クラッドシリカ（ＨＣＳ）多重モード光ファイバを採用することができる。ＨＣＳファイバは、比較的低廉でもある。更に、本発明の光源の増大した輝度は、低廉で、より小型のコア光ファイバを使用することを許容する。これらは、僅かに曲がったとき、より大型のコア光ファイバよりも遥かに高信頼性である。
【００１５】
ＳＬＥＤ又はＬＤ源の典型的な寿命は、約２０年である一方、ＱＴＨ灯は、４０００時間の典型的な寿命を有する。本発明によれば、ＱＴＨ灯と関係した機械的モータ及びチョッパも不要とされ、これによりコスト及び複雑さを軽減し且つＱＴＨ灯利用のシステムの信頼性を向上させる。特に、かかるシステムの場合、ロックイン検出エレクトロニクスにて使用される位相信号に対して別個のセンサが典型的に必要とされる。このことは、光源をシャッタにて電気的に又は機械的にスイッチオフしてＱＴＨ灯からの光を遮断するが、エレクトロニクスは作動を続行することを許容する。この動作は、背景光レベルを読み取るため、又はロックインエレクトロニクスが極めて弱い光レベルにて機能することを可能にするため必要とされる。本発明のＳＬＥＤ又はＬＤ源により、この余分な構成要素及びそれに伴う複雑さが解消される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、組成物の性質、特に、フィルム、ウェブ又はシートの形態をした材料の性質を検出するセンサシステムに関する。センサは、紙の水分を測定するものとして示されているが、センサは、例えば、被覆した材料、プラスチック、織物及び同様のものを含む多数の異なる材料中の多岐に亙る成分を検出するため採用することができることが理解される。
【００１７】
図１は、移動する紙シート中の水分を測定するのに特に適した高速度水分センサシステムの概略図である。システムは、（ｉ）測定（又は吸収）光源１６を変調し且つその温度を制御する測定（又は吸収）波長光源コントローラ４２と、（ｉｉ）基準光源１４を変調し且つその温度を制御する基準波長光源コントローラ４０とを含む。光源は、ペルチエ冷却器のような埋め込み型温度制御装置を有することが好ましい。電源４１は、コントローラ４０、４２と接続されている。光源１４、１６は、単モード光ファイバ指向性カプラー２２により多重モードグレーテッドインデックス型光ファイバ２３、２４に連結されている。グレーテッドインデックス型光ファイバ２３、２４は、多重モードステップ屈折率光ファイバ２３、２４の末端とそれぞれ接続されている一方、光ファイバ２６、２７は、それらの基端にてプローブ又は光学ヘッド２８と接続されている。
【００１８】
監視されている、紙のような移動する材料のシート３０は、光３１を光学ヘッド２８からシート３０に向けることができるように、光学ヘッド２８に隣接して配置されることが好ましい。反射光３３の一部は、光学ヘッド２８により集められる。光学ヘッド２８は、光学ヘッド２８からの光をＰＩＮ  ＩｎＧａＡｓフォトダイオードであることが好ましい検出器３４まで送り出す多重モード光ファイバ３２とも接続されている。この態様にて、多重モード光ファイバ２６は、光源ビームを提供し、また、多重モード光ファイバ３２は、検出器ビームを提供する。システムは、トランスインピーダンス前置増幅器３６と、基準波長ロックイン増幅器２０と、測定波長ロックイン増幅器１８とを更に含む。データ信号分析のため、コンピュータ１９が採用されている。トランスインピーダンス前置増幅器３６は、ＰＩＮフォトダイオード３４からの光誘導電流をロックイン増幅器１８、２０への入力のため電圧信号に変換する作用を果たす。幾つかの場合、トランスインピーダンス増幅器は、ロックイン増幅器の一体部分とすることができる。基準波長増幅器２０及び測定波長ロックイン増幅器１８は、変調した信号を増幅し、それと同時に、その信号を適正な直流レベルの信号に変換し且つ、形成される信号を低通過フィルタを通すことにより変調されない背景雑音を抑制することで低レベルの変調信号を背景から排除する作用を果たす。この出力低通過フィルタは、好ましくは、変調周波数よりも少なくとも２ないし３倍低く、典型的に、変調周波数よりも少なくとも１０倍低いカットオフ周波数を有する。低通過出力フィルタと変調周波数との間の周波数の差が大きければ大きい程、ロックイン検出の雑音性能は益々、良好なものとなる。これに反して、制限された１ｋＨｚＱＴＨ灯源の変調の場合、ロックイン性能は、極めて制限されるが、ＳＬＥＤ又はＬＤ源の高周波数変調能力を採用する本発明にてかかる制限は見られない。ロックイン増幅器１８、２０の内部発振器からの波形は、光源１４、１６の変調光出力を変調するため光源コントローラ４２、４０の基準波形として使用される。
【００１９】
基準光源１４及び測定光源１６からの光は、多重化によって共通の光ファイバ２３、２４を通して便宜に管理し且つ伝送することができる。１つの好ましい技術は、周波数分割多重化（ＦＤＭ）である。適宜なマルチプレクサ及びデマルチプレクサを光ファイバ２３、２４の基端及び末端にて採用することができる。ＦＤＭを実施するため、測定光源１４及び基準光源１６は、コントローラ４０、４２によりそれぞれ異なる周波数にて変調される。多重化を実施することの１つの利点は、光源の各々が異なる周波数にて変調されるから、双方の波長を検出するため単一の検出器３４及び前置増幅器３６のみが必要とされる点である。
【００２０】
センサシステムは、製造中、装置により移動する紙シートを走査することで紙の品質を監視するため採用されることが好ましい。光学ヘッド２８は、移動するシートに対して横断方向に沿って連続的に前後方向に動くであろう。光学ヘッド３８内の構成要素の数は、光をシートに送り出し且つシートから集めるため必要とされる必須のヘッドの光学要素を含むよう最小限に保たれる。信号処理構成要素及びファイバカプラーのような検出システム用の光源及びその他の装置は、シートの製造過程と通常、関係した好ましくない環境から遠方の位置のより望ましい環境内に配置される。このため、遠隔のプロセッサ室は、シート上を前後方向に縦断する光学ヘッドから離れている。光学ヘッドの重量は、１ｋｇ以下、より好ましくは、２００ｇ以下であることが好ましい。この場合、光ファイバ２３、２４、２６、２７、３２は、光学ヘッド２８とタンデムに動くケーブルの巻取り機構の一部とすることができる。ケーブルの巻取り機構の目的は、光学ヘッド３８が動いている間、光ファイバを管理し且つ、全体的な曲がり長さ及び半径を保持することである。
【００２１】
図１に示したセンサシステムは、監視中のシートから反射した光線を測定する反射モードにて作用する。これと代替的に、センサシステムは、シート３０を透過した光線の強度を測定するよう容易に形態設定することができる。この透過モードにあるとき、システムは、シート３０を通過する光線を検出し得るようにシート３０の反対側部に配設された検出器２９を採用することができる。検出器２９の光学素子は、光ファイバ３２と接続されよう。その何れの場合でも、シート３０の水分量は、測定時、すなわち吸収時、シート３０から発する、すなわちシート３０から反射し又はシート３０を透過した光、及び基準帯域の波長を検出することにより決定することができる。
【００２２】
水分含有量を検出するためセンサシステムを採用するとき、１つのアプローチ法は、関心のある吸収及び基準ＩＲ波長を予め決定すること、また、適した水の重量の測定値を示すのに必要とされる波長の一定で高信頼性のエネルギ流を提供すべくセンサを採用することである。具体的には、水は、波長の関数として赤外線スペクトルを渡って光線を吸収する。シート中の水分含有率が高ければ高い程、シートから発する水吸収ピーク値付近の光線は益々減少する。水感受性の吸収ピークは、１．９ないし２．０μｍの光線範囲内にあり、また、別の水感受性吸収ピークは１．４ないし１．５μｍの光線範囲付近にある。
【００２３】
センサは、吸収及び基準ＩＲ帯域波長を使用して紙シートから発する、すなわち紙シートから反射し又は該紙シートを透過した光線の強度を同時に測定することができる。効果として、吸収ＩＲ帯域波長における吸収測定は、主としてシート中の水分量に対して高い感受性を示し、シートが乾燥しているとき、測定されるＩＲ光線は多くなり、シートが湿っているとき、測定される赤外光線はより少なくなる。これと逆に、基準測定の場合、光線は、水分吸収が少ないＩＲ帯域の波長である。この帯域における光の損失は、シートからの水に依存しない損失が原因である。これらの損失は、主として、シートからの散乱及びシートの水に依存しない減衰因子である。基準測定は、シートからの水に依存しない損失を補正する。このシステムにおいて、基準波長は、光ファイバの曲げ損失のような、水分に依存しない、その他の共通モードの光損失を補正することができる。これが可能な理由は、測定波長及び基準波長の双方が光ファイバの指向性カップル２２の後に同一のファイバの曲がりを受けるからである。水吸収帯域外に止まりつつ、測定波長に近い基準波長を有することが有益であることを認識すべきである。
【００２４】
図２に示したように、適宜な光学ヘッド２８は、光源ビームを送り出す光ファイバ１１２及び検出器ビームを送り出す光ファイバ１１４を接続する、作像レンズを含むカプラー１０４、１０６を有する本体１０２を備えている。光学ヘッドは、該ヘッドを環境から保護するハウジングを選択的に備えることができる。光ファイバ１１２から送り出された光１１６は、回転ミラー１０８から走査されている材料シートに反射される。適宜な合焦レンズ（図示せず）を採用することができる。シートからの散乱光１１８は、ミラー１１０から検出器ビーム光ファイバ１１４内に反射される。ミラー１０８、１１０の外形は、光を走査されている移動シートに対して適正な向きに作像し、次に、その向きから捕捉することができるような形態とすることができる。この場合、合焦レンズ（図示せず）は省略してもよい。ミラーの反射面は、金、銀、アルミニウム、誘電性又はその他の適当な反射性材料の層から成るものとすることができる。
【００２５】
図１に示したような測定光源４０及び基準光源４２の各々は、測定のために必要とされる波長の一定のエネルギ流れを提供し、更に、光源の各々からのエネルギの流れは、光線の流れを光源から物理的に遮断することにより光源を「機械的に変調する」、チョッパ、シャッタ、同調フォーク及び同様のもののような装置無しにて振幅を変調することができる。本発明により、光源は、光源と接続された駆動電流を直接変調する等によって非機械的な変調を受ける。その他の一例としての変調技術は、光源の光ビーム経路内に配置されたカーセル（Ｋｅｒｒ  ｃｅｌｌｓ）及びポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ  ｃｅｌｌｓ）又は音響光学同調型フィルタのような音響光学装置のような電子光学変調器を採用する。インファイバ型のこれらの変調器は、典型的に、高速度電気通信システムにて使用されている。本発明の光源は、単モード光ファイバ内に効率的に結合することができる。典型的に、光源は、１，０００Ｈｚ以上、好ましくは少なくとも５ＫＨｚ、より好ましくは少なくとも２０ｋＨｚないし１ＭＨｚ及びそれ以上のレートにて変調される。好ましい光源装置は、比較的高パワーにて作動し且つ超光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）として知られた比較的広いスペクトル幅を有する発光ダイオードである。ＬＥＤ光源は、放出面積が極めて小さい拡がり生成物を有する、すなわち高輝度であり、このことは、これらの光源を単モードファイバ内に効果的に励振することを許容する点にて従来のＬＥＤ光源と相違する。典型的に、２０年の長期の寿命を有するＳＬＥＤは、高周波数の駆動電流を介して直接変調することができる。ＳＬＥＤは、ＧＨｚ周波数にて変調する外部ファイバ変調器を使用することもできる。
【００２６】
０．７ないし１．６μｍの波長範囲にて光を発生するＳＬＥＤ光源は、商業的に入手可能であり、光は、典型的に５０ｎｍ程度のＦＷＨＭ（半値全幅値）線幅を有する。ＳＬＥＤは、極めて高輝度の光を発生させるため、これらは、典型的に、２ないし４５ｍＷのパワーを単モード光ファイバ内に送り出すことができる。紙中の水分を測定する測定光源に関して、現在利用可能なＳＬＥＤ光源は、高い感受性を示さない１．４ないし１．５μｍの波長帯域付近にてのみ作用し、１．９μｍにては作用しない。基準光源の点にて、０．８３、０．９３、１．３又は１．５５μｍにて作用する商業的に入手可能なＳＬＥＤを採用することができる。その何れの場合でも、干渉フィルタは不要である、すなわちセンサは、単に測定及び基準ＳＬＥＤ光源の自然の線幅を利用する。この態様にて、広帯域の光源からの光を採用する先行の装置と比較して、光ファイバを透過したエネルギを検出のため遥かに多量に使用することができる。上記に記載したように、性能が改良され且つコストが削減されることを含む、１．９ないし２．０μｍの水吸収帯域を使用する場合よりも１．４ないし１．５μｍの水吸収帯域を使用することに関係した多数の第二の利点がある。更に、高開口数のＨＣＳ多重モード光ファイバを使用することができる。
【００２７】
本発明のセンサに対する別の光源はレーザダイオードである。紙中の水分を感知するため、同調可能なレーザ光源が好ましく、それは、水の吸収ピークは温度の関数であり、同調可能なレーザダイオードは、監視されている紙の温度が変動するとき、センサがこの吸収ピークに従うことを可能にするからである。例えば、温度に対する１．９μｍ吸収ピークの感度は、約０．３ｎｍ／℃である。低感度の１．４μｍ吸収ピークは、０．４７ｎｍ／℃のより大きい温度感度を有するものと測定された。ダイオードポンプ型Ｎｄ：ＹＡＧレーザポンピング及び光学パラメータ発振器（ＯＰＯ）に基づき１．９μｍ波長範囲内にて固相同調可能なレーザ光源が商業的に入手可能であるが、現在、これら型式の光源は、経済的又は環境に対する感度上の理由のため好ましくない。１．４ないし１．５μｍ波長範囲の光線を発生する同調可能なレーザダイオードは、例えば、ニューフォーカス（Ｎｅｗ  Ｆｏｃｕｓ）（カリフォルニア州、サンホセ）から入手可能である。
【００２８】
本発明のセンサにおける光源として採用されたとき、固定型及び同調可能なレーザダイオード源は、同調可能なレーザダイオードの場合、温度に依存する波長の変化を補正することが必要である点を除いて、ＳＬＥＤ光源と関係したのと同一の多数の有利な効果を示す。センサは、該センサが作用する環境内の変化する力学に対して調節するよう容易に最適化することができる。例えば、紙中の水分を吸収し又は感知する中心波長は、典型的に、１．９３μｍであり、基準波長は、典型的な雰囲気状態にて、典型的に１．８４μｍであるが、吸収波長は温度に依存することが知られている。
【００２９】
水分含有量を測定することに加えて、シート材料のその他の物理的性質を監視することもできる。例えば、セルロースのような繊維、ラテックス、例えばＣａＣＯ３のような鉱物及び粘土並びに同様のものを検出することができる。各場合にて、例えば、測定及び基準ＩＲ帯域幅のような適正な光線領域を選ぶことが必要とされる。紙及び塗工紙製品の異なる成分によるＩＲの吸収は、チェース（Ｃｈａｓｅ）に対する米国特許明細書５，０１３，４０３号、チェース及びその他の者に対する米国特許明細書５，２３５，１９２号及びベロトセルフスキー（Ｂｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙ）及びその他の者に対する米国特許明細書５，７９５，３９４号に記載されており、これらの内容は、参考として引用し本明細書に含められている。
【００３０】
本発明のセンサシステムは、連続的なプラスチック製造過程にて形成されるフィルム中のポリマーの背向を測定するため使用することもできる。例えば、センサシステムは、当該技術にて既知の連続的なプラスチックフィルムの製造に適した任意の装置と共に採用することもできる。代表的な機械は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、例えば、キルジアバニアン（Ｋｉｒｊａｖａｉｎｅｎ）に対する米国特許明細書６，７９３，８５４号、クルスキー（Ｋｒｙｃｋｉ）に対する米国特許明細書６，５６５，３４３号、ヒロカワ（Ｈｉｒｏｋａｗａ）及びその他の者に対する米国特許明細書５，２３０，９２３号、ルインケ（Ｒｅｉｎｋｅ）及びその他の者に対する米国特許明細書４，７９７，２４６号及び米国特許明細書４，３１１，６５８号に更に記載されている。センサは、所望のように、製造ラインに沿った任意の位置に配置することができる。
【００３１】
センサの１つの好ましい適用例は、フィルムを形成する特定のポリマーの濃度（典型的に、平方メートル当たりのグラムｇｓｍにて測定される、単位面積当たりの重量）を測定することにより、フィルムの厚さを監視することである。フィルムが１つのポリマーの単一層から成る場合、センサは、ポリマーを測定すべく適正な帯域幅の光線、例えば、ＩＲ光線を向けるように設定される。プラスチックが２つ又はより多くの異なるポリマーの混合体から成る単一層である場合、又は、プラスチックが多層フィルムである場合、多数のセンサを採用し又は多重化した形態のセンサを採用して色々なポリマー成分を検出することができる。多層フィルムは、典型的に、互いに積層された複数の層から成っている。好ましくは、多層の構造において、隣接する層は、異なるポリマー材料にて形成されるものとする。物理的性質が相違する異なるポリマーを採用することにより、多層フィルムは、単一層フィルムにて存在しない物理的性質の組み合わせを持つことができる。例えば、多層フィルムは、耐水性、耐磨耗性を有し、しかも柔軟なままであることができる。本発明のセンサは、その他のものの内、フィルム内の各層が適正な厚さ又は重量（ｇｓｍ）を有し、多層フィルムが適正な性質の組み合わせを有することを保証し得るよう多層フィルムの製造を制御する点にて効果的である。
【００３２】
また、製紙機の断面方向、機械方向又はその双方に沿って水分を測定するため、高速度の水分センサシステムを採用することもできる。上述したように、図１に示した光学ヘッド２８は、移動するシートを渡って走査することができる。機械方向（ＭＤ）への水分を測定するため、複数のセンサが異なるＭＤ位置であるが、製紙機の端縁に対して同一の断面方向（ＣＤ）の位置にて実質的にタンデムに配備されることが好ましい。このようにして、水分ＭＤのプロファイルが形成される。明らかであるように、各々が少なくとも２つのＳＬＥＤを有し且つ測定及び基準波長を発生させる個別のコントローラを有する個別のセンサシステムを採用することができる。
【００３３】
これと代替的に、図３に示したように、例えば、ＳＬＥＤのような２つの光源、相応する測定及び基準波長光源コントローラのみを必要とするが、多数の光学ヘッドを有するセンサシステムを採用することができる。図示するように、センサシステムは、基準波長光源コントローラ５０と、測定（又は吸収）波長光源コントローラ５２と、１ないし１２として標識した１２の水分センサとを含む。明らかであるように、センサシステムは、より多く又は少ないセンサを有するものとしてもよい。センサ１は、前置増幅器１３８と、ロックイン増幅器１３４、１３６と、入力ポート１３９とを含む。その他の１１のセンサの各々は、同一の形態を有することが好ましい。コントローラ５０、５２は、光ファイバ内に及び光電子室５４内に収容された２つの相応するＳＬＥＤ光源５１、５３の温度及び駆動電流の双方を制御することができる。２つのＳＬＥＤ（基準及び測定）からの光は、単モード光ファイバの指向性カプラー５５により単モード光ファイバ５７と連結される一方、該単モード光ファイバは、スプリッタ５９により分割され且つ、１２の光出力ポートと接続されており、その最初のポート及び最後のポートは、参照番号１２１、１３２としてそれぞれ示されている。
【００３４】
このようにして、出力ポートは、基準及び測定ＳＬＥＤからの組み合わされた光の一部分に対してアクセスする。光は、室５４内に配置された出口ポートの各々にて同時に利用できる。出力ポートの各々からの光は、個別の水分センサ又は光学ヘッドに対する光源ビームである。例えば、センサ１２には、出力ポート１３２及び光学ヘッド５６が関係している。光は、多重モード光ファイバダウンリード５８を介して光学ヘッド５６に向けられる。これと代替的に、この光源ダウンヘッド５８に対する多重モードファイバに代えて、単モードファイバを使用することもできる。光学ヘッド５６は、レンズ及び（又は）ミラーを使用してダウンヘッド５８からの光１４１を紙シート６０上に作像する。シート６０からの散乱光１４３は、別のレンズ及び（又は）ミラーを使用して捕捉され且つ受光器ファイバ７４内に作像される。この受け取った光は、次に、入力ポート１４０を介して復調エレクトロニクスに送られ、該復調エレクトロニクスは、図示するように、フォトダイオードを有する受光器ポートと、前置増幅器と、センサ１２のロックイン増幅器とを含む。次に、２つのロックイン増幅器からの復調された出力は、センサ１２により測定されたシート中の水分レベルを得るため処理される。
【００３５】
本発明のセンサは、シート製造システムにおける水系混合体（湿った原料と称する）の物理的性質を測定するため使用することができる。図４には、ヘッドボックス９２と、スチームボックス８８と、カレンダリングスタック９０と、巻取りリール７８と、本発明のセンサを含むスキャナシステム８０とを備える、連続的な紙材料シート９４を製造する典型的なシート製造システムが示されている。ヘッドボックス９２内には、湿った原料が横断方向に沿って支持ワイヤー又はウェブ９６に排出されるのを制御し得るようアクチュエータが配置されている。ワイヤー９６の頂部にて形成される繊維状材料のシートは、連続的とされてローラ９４、９８の間にて機械方向に移動し且つ、カレンダリングスタック９０を通過する。カレンダリングスタック９０は、紙ウェブを渡って付与される圧縮圧力を制御するアクチュエータを含む。シート製造システムは、水がシートから機械的に除去され、また、ウェブが圧密化される箇所である加圧部分（図示せず）を含む。その後、水は、乾燥機部分（図示せず）内にて蒸発により除去される。完成したシート製品９４はリール７８に集められる。実際には、ヘッドボックス付近の製紙過程の部分は、「湿部」と称される一方、巻取りリール付近の過程の部分は、「乾燥部」と称される。
【００３６】
スキャナシステム８０は、全体として、紙製品９４の幅を渡る複数対の水平に伸びる案内軌道８４を含む。案内軌道は、その両端にて直立の支柱８２により支持され且つ紙製品９４が軌道間にて動くための隙間を許容するのに十分な距離だけ垂直方向に隔てられている。センサは、測定が行われるとき、紙製品９４に対し前後方向に向けて移動するキャリッジ８６に固定されている。製紙用のオンライン走査センサシステムは、ダルキスト（Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ）に対する米国特許明細書４，８７９，４７１号、ダルキスト及びその他の者に対する米国特許明細書５，０９４，５３５号及びダルキストに対する米国特許明細書５，１６６，７４８号に開示されており、これらの全てはその内容の全体を参考として引用し本明細書に含まれている。
【００３７】
図３に示したようなセンサシステムは、製紙過程にて機械方向に向けた多数の位置にて水分レベルを測定するのに特に適している。システムの１２のセンサを例えば、ウェブを渡って機械方向に沿って採用し、ウェブにて紙原料の連続的な水分プロファイルを発生させ得るよう製紙機を最適にし、この水分プロファイルは、特定等級の紙を製造する「理想的」プロファイルと比較される。理想状態から偏倚する程度に依存して、湿部及び（又は）乾燥部のパラメータをこれに応じて調節することができる。適宜な制御過程は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、ハガート−アレクサンダー（Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）に対する米国特許明細書６，０９２，００３号に記載されている。例えば、加熱装置の温度のような乾燥部のパラメータは、所望の最終製品を実現し得るよう制御することができ、典型的に、湿部のパラメータがより重要である。製紙機械用の過程制御技術は、例えば、マックハッティ（ＭａｃＨａｔｔｉｅ）及びその他の者に対する米国特許明細書６，８０５，８９９号、ヘブン（Ｈｅａｖｅｎ）及びその他の者に対する米国特許明細書６，４６６，８３９号、フー及びその他の者に対する米国特許明細書６，１４９，７７０号、ハガート−アレクサンダー及びその他の者に対する米国特許明細書６，０９２，００３号、ヘブン及びその他の者に対する米国特許明細書６，０８０，２７８号、フー及びその他の者に対する米国特許明細書６，０５９，９３１号、フー及びその他の者に対する米国特許明細書６，８５３，５４３号、ヘーに対する米国特許明細書５，８９２，６７９号に更に記載されており、これらは全てその内容の全体を参考として引用し本明細書に含められている。
【００３８】
分光測定走査システムは、例えば、走査反射型赤外線被覆センサを開示するベルトロセルコフスキー（Ｂｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙ）及びその他の者に対する米国特許明細書５，７９５，３７４号及び反射型グロスセンサを開示するプレストン（Ｐｒｅｓｔｏｎ）及びその他の者に対する米国特許明細書６，４０４，５０２号に更に記載されており、この双方の特許は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含められている。製紙する間、繊維状シートの乾燥坪量、坪量及び水分含有量を光学的に測定するオンライン走査センサシステムは、ダルキストに対する米国特許明細書４，８７９，４７１号、ダルキスト及びその他の者に対する米国特許明細書５，０９４，５３５号、ダルキストに対する米国特許明細書５，１６６，７４８号に開示されており、これらの全てはその内容の全体を参考として引用し本明細書に含められている。
【００３９】
図１、図２に示したような形態とされた高速度水分測定センサは、スーパーラムダイオードリミテッド（ＳｕｐｅｒＬｕｍＤｉｏｄｅｓ，Ｌｔｄ．）（ロシア、モスクワ）からの２つのＳＬＥＤを使用して製造した。名目的中心波長が約１３１０ｎｍ及び半値全幅線幅（ＦＷＨＭ）が約５０ｎｍのＳＬＥＤを基準光源として、また、名目的中心波長が１４８０ｎｍ、及びＦＷＨＭが５０ｎｍのＳＬＥＤを測定光源としてそれぞれ使用した。これらの波長を選んだ理由は、高パワーＳＬＥＤ源はこれらの波長にて商業的に利用可能であり、また、測定ＳＬＥＤの１４８０ｎｍの名目的中心波長の帯域幅内にて水吸収ピーク値がある点にて便宜であるからである。ＩＬＸライトウェーブ（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ）（モンタナ州、ボーズマン）からの２つのレーザダイオードコントローラモデルＬＣＤ−３７２４Ｂを使用して２つのＳＬＥＤの駆動電流及び温度の双方を制御した。シグナル  リカバリー  オブ  アドバンスドメジャメント  テクノロジーインク（Ｓｉｇｎａｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ）（テネシー州、オークリッジ）からの２つのデジタル信号処理ロックイン増幅器にて内部発振器からのダイオードコントローラに対する外部変調入力を介して正弦波変調をＳＬＥＤの各々に印加した。一例において、基準及び測定ＳＬＥＤは、それぞれ４８ｋＨｚ及び２４．７８ｋＨｚにて変調した。しかし、多数の異なる組み合わせの変調周波数が使用可能である。３ｄＢ単モード光ファイバ指向性カプラーを使用して２つのＳＬＥＤからの光を組み合わせた。次に、指向性カプラーの２つの出力アームを多重モードファイバ内に結合した。これらの源送り出しファイバは、光学ヘッドにて終端とした。次に、多重モード光ファイバからの出力光を試験中の紙の上に作像した。
【００４０】
紙からの散乱光の一部分は、レンズによって捕捉し且つ送り出しファイバと同一型式である多重モード受光ファイバ内に連結した。受光ファイバは光源ファイバと同一型式とする必要はないことが理解される。受光ファイバの出力端からの光は、ＩｎＧａＡｓ  ＰＩＮフォトダイオード（ＯＳＩファイバーコムインク（ＯＳＩ  Ｆｉｂｅｒｃｏｍｍ，Ｉｎｃ）（カリフォルニア州、ホーソーン））に連結した。フォトダイオードの出力は、経インピーダンス前置増幅器に供給し、次に、この増幅器からの出力をロックイン増幅器に供給し、このロックイン増幅器は基準信号及び測定信号を復調した。ロックイン増幅器からの２つの電圧は、雑音を抑制する低通過エレクトロニクスフィルタを介して分析のためコンピュータに供給した。
【００４１】
その性能の特徴を把握するため、試料を乾燥させるときと異なる水分レベルにて新聞紙の試料を測定することにより再現性試験にてセンサを使用した。これは動的試料であるため、再現性試験は、約１００ｇｓｍ水分重量（６７％水分）から約８ｇｓｍ水分重量（１４％水分）の範囲に渡って多数回実行した。新聞紙は、乾燥重量水分含有量が４９．０５ｇｓｍであった。測定は雰囲気温度にて行い且つ、計算はナショナルインスルメンツ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）（テキサス州、オースチン）からのラブビュー（ＬＡＢＶＩＥＷ）ソフトウェアを使用してマイクロプロセッサにより実行した。本発明のセンサの場合、例えば、マイクロ秒以下の積分時間のような遥かに迅速な積分時間が可能である。図７及び図８には、１２，５００Ｈｚ（８０マイクロ秒）の帯域幅を有するセンサに対するデータが示されている。１つの比較例として、６４０Ｈｚにて作動するチョッパを有する機械的に変調したＱＴＨ光源を使用する先行技術のセンサの場合、例えば、最小積分時間は、約１０ｍｓ（１００Ｈｚ）であった。
【００４２】
１回目の試験において、センサに対して一定のロックイン時間は６４０μｓとし、基準及び測定変調周波数は、それぞれ４８ｋＨｚ及び２４．７８ｋＨｚとした。データの取得（又はサンプリング）レートは、２ｋＨｚとし、最小積分時間は５００μｓとした。この実験において、紙の水分含有量は乾燥紙として測定した。この時間の間、水分含有量は、１００．６５から９．２５ｇｓｍまで減少した。図５には、読み取り値（時間と等価的）の関数として８組みの別個の水分重量読み取り値データが示されている（ＡないしＨにて標識）。図６には、積分時間の関数として２つのｓｉｇｍａの再現性の結果が示されている。図６から、約６０％水分試料に対する２つのｓｉｇｍａの再現性は、１ｍｓの積分時間に対し約０．０９５％（又は水分重量０．１２ｇｓｍ）であることが理解できる。
【００４３】
第２回目の試験において、センサに対するロックイン時間定数は８０μｓとし、基準及び測定変調周波数はそれぞれ２１９，０８１．１０Ｈｚ及び１７５，５００．００Ｈｚとした。データの取得速度は５０ｋＨｚとし、積分時間は２５μｓとした。この実験において、紙の水分含有量は１００．６５から３．４４ｇｓｍまで乾燥した紙として測定した。図７には、読み取り回数（すなわち時間）の関数として水重量読み取り値（ＡないしＧにて標識）の７組みの別個のデータが示されている。図８には、約１．２％（約６０％水分）の２つのｓｉｇｍａの再現性が示されており、１ｍｓの積分時間にて、約０．２％（約６０％水分に対する）の２つのｓｉｇｍａの再現性が得られた。
【００４４】
８０μｓ時間定数に対する２つのｓｉｇｍａの結果は、６４０μｓ時間定数に対するものよりも良好なものではないが、システムは、帯域幅が８倍増大し、このため、水分の変化に対してより迅速に応答することができる。このことは、センサはより迅速に走査することが可能であることを意味する。再現性曲線から、両対数プロットは直線状ではないことが理解される、その理由は、光源の周波数分割多重化によって、電子的雑音は、最早、性質上、不規則的な白色雑音ではなく、基準及び測定源変調周波数及びその調波の混合のため、明確なスペクトル成分を有するからである。
【００４５】
これらの実験にて提供されたものよりも遥かに高いセンサ帯域幅とすることが可能であることを理解すべきである。採用した帯域幅は、実験にて使用した特定の装置による制限であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００４６】
上記にて、本発明の原理、好ましい実施の形態及び作動モードについて説明した。しかし、本発明は、説明した特定の実施の形態に限定されるものと解釈されるべきではない。そうではなくて、上述した実施の形態は、限定的ではなく単に一例であると見なされるべきであり、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに、当該技術の当業者は改変例を為すことが可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明によるセンサ装置の１つの実施の形態を示す概略図である。
【図２】光学ヘッドを示す図である。
【図３】本発明によるセンサ装置の別の実施の形態を示す概略図である。
【図４】本発明のセンサを含むシート製造システムを示す図である。
【図５】水重量対読み取り値のグラフである。
【図６】図５に示したデータに対する積分時間の関数として２つのｓｉｇｍａのパーセント誤差（坪量に対する）を示すグラフである。
【図７】水重量対読み取り値のグラフである。
【図８】図７に示したデータに対する積分時間の関数として２つのｓｉｇｍａのパーセント誤差（坪量に対する）を示すグラフである。
【図１】
2008539422.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008539422.tif 000005
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月8日(2008.1.8)
【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】
組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサにおいて、
組成物中の１つの成分を検出するため所望の波長の範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源（１４、１６）であって、光を組成物に向ける形態とされた前記少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源を変調する駆動手段（４０、４２）であって、前記少なくとも１つの光源を機械的には変調しない前記駆動手段と、
組成物から発する光を受け取る検出手段（２８）と、を備える、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定するセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、前記少なくとも１つの光源は、超光発光ダイオード又はレーザダイオードを備える、センサ。
【請求項３】
組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定する装置において、
組成物中の１つの成分を検出する所望の波長範囲を有する光を発生させる少なくとも１つの光源（１４、１６）であって、組成物における複数の位置に送り出される形態とされた前記少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源を変調する駆動手段（４０、４２）であって、少なくとも１つの光源を機械的には変調しない前記駆動手段と、
複数の位置にて組成物から発する光を受け取る複数の検出手段（２８）と、を備える、組成物中の少なくとも１つの選んだ成分を測定する装置。
【請求項４】
組成物中の物質を感知する方法において、
（ａ）少なくとも第一及び第二の別個の波長領域の波長を含む光線にて組成物を照射するステップであって、光線は、非機械的に変調する光源によって提供され、前記第一の波長領域内の光線は、組成物中の物質に対して極めて感受性が高く、また、前記第二の波長領域の光線は、組成物中の物質に対して比較的感受性が低いようにする前記照射するステップと、
（ｂ）第一及び第二の別個の波長領域の組成物から発する光線の量を検出するステップと、を備える、組成物中の物質を感知する方法。
【国際調査報告】
2008539422.tif 000011
2008539422.tif 000012
2008539422.tif 000013