(57)【要約】テラヘルツ時間領域スペクトロメータ走査型センサシステムは、可動式スキャナヘッドに固定された送信機及び受信機を含む。スキャナヘッドから遠隔に配置された静止レーザから発射される短パルスの形態の光ポンプ光は、関連した光ファイバ送信である時間パルス中継の変動が最小化されるように、制御された光ファイバケーブル配置を通って送信機及び受信機へ配信される。このようにして、光のパルスが光ファイバケーブルを通って送信されている時に、ケーブルの曲げを制御し、したがって、そうしなければ生じる可能性がある時間遅延の変動を最小化するために、光ファイバケーブルの移動は、規定された経路に沿って操作される。レーザから光ファイバ内に発射されたレーザ光のパルスは、一貫した（ｉ）到達時間、（ｉｉ）位相持続時間、並びに（ｉｉｉ）偏光状態及びエネルギーでケーブルを出る。
2011508226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル（３２）の少なくとも１つの選択された特性を測定する走査型テラヘルツセンサヘッド（８２、８４）を、主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で移動させるための走査型センサシステムであって、
放射のパルス（３８）を生成するレーザ源（２）と、
前記放射のパルス（３８）を分割して、第１の放射パルス（４４）及び第２の放射パルス（４２）を発生させるための手段と、
前記レーザ源（２）からの前記第１の放射パルス（４４）によって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルス（４８）を生成する送信機（１０）であって、該送信機（１０）は、前記テラヘルツ周波数信号パルス（４８）を前記サンプル（３２）に方向付けるように構成され、該送信機（１０）は、可動式キャリッジ（２７２）に固定される、送信機（１０）と、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバ（６）であって、該第１の光ファイバ（６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記送信機（１０）に方向付けられるように、前記第１の放射パルス（４４）は前記第１の端部内に方向付けられる、第１の光ファイバ（６）と、
前記サンプル（３２）から現れるテラヘルツ周波数放射（５０）を受信するための検出器（１４）であって、前記第２の放射パルス（４２）によって励起されると検出信号（４６）を生成する検出器（１４）と、
第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバ（１６）であって、該第２の光ファイバ（１６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記検出器（１４）に方向付けられるように、前記第２の放射パルス（４２）は前記第１の端部内に方向付けられ、前記第１の光ファイバ（６）及び該第２の光ファイバ（１４）は、前記可動式キャリッジ（２７２）が前記主走査方向に沿って移動している時、巻き取り機構（６２、６４）を通じて移動する、第２の光ファイバ（１６）と、
前記可動式キャリッジ（２７２）を前記主走査方向に沿って駆動するための手段（２７６、２８４、２８８、２９０）と
を備える走査型センサシステム。
【請求項２】
前記送信機（１０）に接続される変調電気入力源（１２）を備える、請求項１に記載の走査型センサシステム。
【請求項３】
前記検出信号（４６）を処理する分光分析器（４）を備える、請求項１に記載の走査型センサシステム。
【請求項４】
前記第１の放射パルス（４４）は、第１の光路に沿って方向付けられ、前記第２の放射パルス（４２）は、第２の光路に沿って方向付けられ、該システムは、前記第１の光路又は前記第２の光路のいずれかの長さを変更するための手段（８）をさらに備える、請求項１に記載の走査型センサシステム。
【請求項５】
前記検出器（１０）は、前記サンプル（３２）から反射又は透過されるテラヘルツ周波数放射を受信する、請求項１に記載の走査型センサシステム。
【請求項６】
前記第１の光ファイバ（６）及び前記第２の光ファイバ（１６）は、同一の広がりを持つ経路に沿い前記巻取り機構を通じて配線される、請求項１に記載の走査型センサシステム。
【請求項７】
走行製品シート（２４０）がシート製造機の中を進んでいる時又はシート製造機から出る時に前記走行製品シート（２４０）の１つ又は複数の特徴を検出できるオンライン走査型センサシステムであって、
前記走行製品シート（２４０）の両端にわたる支持部材（２１２）と、
前記支持部材（２１２）にスライド可能に取り付けられ、送信機（１０）が固定される可動式キャリッジ（２７２）であって、前記送信機（１０）は、放射のパルス（４４）によって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルス（４８）を生成し、前記送信機（１０）は、前記テラヘルツ周波数信号パルス（４８）を前記走行シート（２４０）に方向付けるように構成される、可動式キャリッジ（２７２）と、
放射のパルス（３８）を生成し且つ前記可動式キャリッジ（２７２）から遠隔に配置されるレーザ源（２）と、
前記放射のパルスを分割して、第１の放射パルス（４４）及び第２の放射パルス（４２）を発生させるための手段と、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバ（６）であって、該第１の光ファイバ（６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記送信機（１０）に方向付けられるように、前記第１の放射パルス（４４）は前記第１の端部内に方向付けられる、第１の光ファイバ（６）と、
前記サンプル（２４０）から現れるテラヘルツ周波数放射（５０）を受信するための検出器（１４）であって、前記第２の放射パルス（４２）によって励起されると検出信号（４６）を生成する検出器（１４）と、
第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバ（１６）であって、該第２の光ファイバ（１６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記検出器（１４）に方向付けられるように、前記第２の放射パルス（４２）は前記第１の端部内に方向付けられ、前記第１の光ファイバ（６）及び該第２の光ファイバ（１４）は、前記可動式キャリッジ（２７２）が前記主走査方向に沿って移動している時、巻き取り機構（６２、６４）を通じて移動する、第２の光ファイバ（１６）と、
前記可動式キャリッジ（２７２）が、前記移動シート（２４０）の幅方向に沿って前記製品の少なくとも実質的な部分にわたって前後して走査するように、前記可動式キャリッジ（２７２）を前記主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で駆動するための手段（２７６、２８４、２８８、２９０）と
を備えるオンライン走査型センサシステム。
【請求項８】
前記検出器（１０）は、前記可動式キャリッジ（２７２）に固定される、請求項７に記載のオンライン走査型センサシステム。
【請求項９】
第１の可動式キャリッジ（８２、２７２）が前記主走査方向に沿って移動している時に前記第１の光ファイバ（６）が第１の巻き取り機構（６２）を通じて移動するように、前記送信機（１４）は、前記第１の可動式キャリッジ（８２、２７２）に固定され、第２の可動式キャリッジ（８４、２７２）が前記主走査方向に沿って移動している時に前記第２の光ファイバ（１６）が第２の巻き取り機構（６４）を通じて移動するように、前記検出器（１０）は、前記第２の可動式キャリッジ（８４、２７２）に固定される、請求項７に記載のオンライン走査型センサシステム。
【請求項１０】
主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間でサンプル（３２）の少なくとも１つの選択された特性を検出する走査型テラヘルツセンサで測定を実行する方法であって、
（ａ）送信機（１０）を可動式キャリッジ（２７２）に固定するステップであって、前記送信機（１０）は、放射のパルスによって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルス（４８）を生成し、前記送信機（１０）は、前記テラヘルツ周波数信号パルスを前記走行シート（３２）に方向付けるように構成される、送信機（１０）を可動式キャリッジ（２７２）に固定するステップと、
（ｂ）放射のパルス（３８）をレーザ生成し且つ前記可動式キャリッジ（２７２）から遠隔に配置されるレーザ源（２）を設けるステップと、
（ｃ）前記放射のパルス（３８）を分割するステップであって、第１の放射パルス（４４）及び第２の放射パルス（４２）を発生させる、分割するステップと、
（ｃ）第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバ（６）を設けるステップであって、前記第１の光ファイバ（６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記送信機（１０）に方向付けられるように、前記第１の放射パルス（４４）は前記第１の端部内に方向付けられる、第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバ（６）を設けるステップと、
（ｄ）前記サンプル（３２）から現れるテラヘルツ周波数放射を受信し、検出信号（４６）を生成する検出器（１４）を設けるステップと、
（ｅ）第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバ（１６）を設けるステップであって、前記第２の光ファイバ（１６）を通って送信される放射のパルスが前記第２の端部から出て、前記検出器（１４）に方向付けられるように、前記第２の放射パルス（４２）は前記第１の端部内に方向付けられる、第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバ（１６）を設けるステップと、
（ｆ）前記可動式キャリッジ（２７２）を前記主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で移動させるステップと、
（ｇ）前記レーザ源（２）を動作させるステップであって、放射のパルスを前記第１の光ファイバ（６）及び前記第２の光ファイバ（１４）内に入射させる、動作させるステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、紙又は他のシート製品の特定の成分の存在を検出するためのテラヘルツ放射を用いる走査型センサに関する。特に、この技法は、光のパルスが光ファイバケーブルを通って送信されている時に通常ならば生じる時間パルス遅延の変動が最小化又は除去されるように、レーザからの短パルスの形態の光ポンプ光が、制御された光ファイバケーブル配置を通って送信機及び受信機へ配信される、テラヘルツ時間領域スペクトロメータを用いる。
【０００２】
［関連出願の参照］
本出願は、２００７年１２月３１日に出願された米国仮出願第６１／００９６４７号明細書の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
製造中にシート材料の選択された特徴の測定値を取得することが、多くの場合、望ましい。シート材料のさまざまな特性は、オフラインの実験室の試験によって検出することができるが、この手順は、多くの場合、サンプルの獲得及び解析に要する時間のために実際的ではない。また、実験室の試験は、実験用に取得されたサンプルが、作製されたシート材料を正確に表していない場合があるという短所も有する。
【０００４】
シート材料の実験室の試験の欠点を克服するために、「オンライン」で、すなわち、シート製造機が動作している間、シート製造機上で、シート特性を検出するためのさまざまなセンサシステムが開発されてきた。通常、オンラインセンサデバイスは、製造中にシート材料から成る走行ウェブを定期的にトラバース、すなわち「走査」するように動作される。走査は、通例、幅方向、すなわちシート走行方向に垂直な方向で行われる。シート製造動作に応じて、幅方向の距離は、約１２メートル以上にまで及ぶ可能性がある。
【０００５】
テラヘルツ時間領域スペクトロメータ（ＴＨｚ−ＴＤＳ）として知られているテラヘルツシステムは、多くの場合、各パルスが１０〜２００フェムト秒しか持続しないレーザパルスを使用して、それぞれ約１ピコ秒の間持続する電磁パルス（「Ｔ光線」）を生成、検出、及び測定する。Ｔ光線は、Ｔ光線を合焦し又は平行にするレンズ及びミラーから成る結像系を使用して、さまざまな物体を通じて送信することができる。Ｔ光線は、試験対象物体を通過している時、通常、歪められる。Ｔ光線信号のこれらの変化を分析して、物体の特性を求めることができる。材料は、検出器を通過するＴ光線の吸収、分散、及び反射からの歪みの量を測定することによって特徴付けることができる。デジタル信号処理ユニットは、データを処理し、そのデータを、コンピュータスクリーン上に現れるデータに変換する。デジタル信号プロセッサは、ＴＨｚ検出器からの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のいずれかで分析する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多くの合成物が、特徴的な方法（例えば、吸収又は分散）でＴ光線を変化させるので、分子及び化合物は、分子の「指紋」として働くことができる強い吸収線を示す。Ｔ光線分光法は、たとえ物体が可視光では一様に見えても、材料の内部の異なる化学組成を区別することができる。一般的なＴＨｚ−ＴＤＳデバイスは、バッチ処理の用途向けに設計され、したがって、オンラインの用途向けの配備には適していない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、走査が用いられるリアルタイム産業プロセスにおけるセンシング用途にＴＨｚ−ＴＤＳを使用するために、光ファイバケーブルが、センサのＴＨｚ送信機及びＴＨｚ受信機へ比較的長い距離にわたって光ポンプ光を配信するのに用いられるという認識に一部基づいている。光ポンプ光は、好ましくは、持続時間が通常１０〜２００フェムト秒（ｆｓ）である短パルスの形態で配信される。同様に、受信機からの信号も、光ファイバケーブルを通って分光分析器へ送信される。本発明の一特徴は、ファイバを通る送信による時間遅延の変動を最小化し、それによって、センサの測定誤差を実質的に削減又は除去するために、巻き取り機構が光ファイバケーブルの移動を制御するのに用いられるということである。移動光ファイバケーブルを通って送信される光のパルスは、一貫した（ｉ）到達時間、（ｉｉ）位相持続時間、並びに（ｉｉｉ）偏光状態及びエネルギーを示す。
【０００８】
したがって、本発明の一態様は、サンプルの少なくとも１つの選択された特性を測定する走査型テラヘルツセンサヘッドを、主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で移動させるための走査型センサシステムであって、
放射のパルスを生成するレーザ源、
放射のパルスを分割して、第１の放射パルス及び第２の放射パルスを発生させるための手段、
レーザ源からの第１の放射パルスによって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルスを生成する送信機であって、該送信機は、テラヘルツ周波数信号パルスをサンプルに方向付けるように構成され、該送信機は、可動式キャリッジに固定される、送信機、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバであって、該第１の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、送信機に方向付けられるように、第１の放射パルスは第１の端部内に方向付けられる、第１の光ファイバ、
サンプルから現れるテラヘルツ周波数放射を受信するための検出器であって、第２の放射パルスによって励起されると検出信号を生成する検出器、
第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバであって、該第２の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、検出器に方向付けられるように、第２の放射パルスは第１の端部内に方向付けられ、第１の光ファイバ及び該第２の光ファイバは、可動式キャリッジが主走査方向に沿って移動している時、巻き取り機構を通じて移動する、第２の光ファイバ、並びに
可動式キャリッジを主走査方向に沿って駆動するための手段、
を備える走査型センサシステムを対象とする。
【０００９】
好ましい実施形態では、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバの双方が、巻き取り機構を通じて操作されているときに同じ程度の曲げを受けるように且つ双方が同じ温度勾配にさらされるように、同じケーブル構造にエンケースされる。このようにして、ソースポンプ光（第１の放射パルス）及び検出器ゲーティング光（第２の放射パルス）の双方は、本質的に同一の経路長を走行し、これら２つの光路の間の差分遅延は最小化される。
【００１０】
他の態様において、本発明は、走行製品シートがシート製造機の中を進んでいる時又はシート製造機から出る時、紙等の走行製品シートの１つ又は複数の特徴を検出できるオンライン走査型センサシステムであって、
走行製品シートの両端にわたる支持部材、
支持部材にスライド可能に取り付けられ、送信機が固定される可動式キャリッジであって、送信機は、放射のパルスによって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルスを生成し、送信機は、テラヘルツ周波数信号パルスを走行シートに方向付けるように構成される、可動式キャリッジ、
放射のパルスを生成し且つ可動式キャリッジから遠隔に配置されるレーザ源、
放射のパルスを分割して、第１の放射パルス及び第２の放射パルスを発生させるための手段、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバであって、該第１の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、送信機に方向付けられるように、第１の放射パルスは第１の端部内に方向付けられる、第１の光ファイバ、
サンプルから現れるテラヘルツ周波数放射を受信するための検出器であって、第２の放射パルスによって励起されると検出信号を生成する検出器、
第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバであって、該第２の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、検出器に方向付けられるように、第２の放射パルスは第１の端部内に方向付けられ、第１の光ファイバ及び該第２の光ファイバは、可動式キャリッジが主走査方向に沿って移動している時、巻き取り機構を通じて移動する、第２の光ファイバ、並びに
可動式キャリッジが、移動シートの幅方向に沿って製品の少なくとも実質的な部分にわたって前後して走査するように、可動式キャリッジを主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で駆動するための手段、
を備えるオンライン走査型センサシステムを対象とする。
【００１１】
さらなる態様において、本発明は、主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間でサンプルの少なくとも１つの選択された特性を検出する走査型テラヘルツセンサで測定を実行する方法であって、
（ａ）送信機を可動式キャリッジに固定するステップであって、送信機は、放射のパルスによって励起されると、テラヘルツ周波数信号パルスを生成し、送信機は、テラヘルツ周波数信号パルスを走行シートに方向付けるように構成される、送信機を可動式キャリッジに固定するステップ、
（ｂ）放射のパルスをレーザ生成し且つ可動式キャリッジから遠隔に配置されるレーザ源を設けるステップ、
（ｃ）放射のパルスを分割するステップであって、第１の放射パルス及び第２の放射パルスを発生させる、放射のパルスを分割するステップ、
（ｃ）第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバを設けるステップであって、第１の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、送信機に方向付けられるように、第１の放射パルスは第１の端部内に方向付けられる、第１の端部及び第２の端部を有する第１の光ファイバを設けるステップ、
（ｄ）サンプルから現れるテラヘルツ周波数放射を受信し、検出信号を生成する検出器を設けるステップ、
（ｅ）第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバを設けるステップであって、第２の光ファイバを通って送信される放射のパルスが第２の端部から出て、検出器に方向付けられるように、第２の放射パルスは第１の端部内に方向付けられる、第１の端部及び第２の端部を有する第２の光ファイバを設けるステップ、
（ｆ）可動式キャリッジを主走査方向に沿って第１の端部と第２の端部との間で移動させるステップ、
（ｇ）レーザ源を動作させるステップであって、それによって、放射のパルスを第１の光ファイバ及び第２の光ファイバ内に入射させる、レーザ源を動作させるステップ、
を含む方法を対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】走査型テラヘルツセンサシステムを示す図である。
【図２Ａ】ＴＨｚ送信機からの時間ＴＨｚパルスを示す図である。
【図２Ｂ】時間トレースのフーリエ変換を示す図である。
【図３Ａ】透過配置の走査型テラヘルツセンサを示す図である。
【図３Ｂ】反射配置の走査型テラヘルツセンサを示す図である。
【図３Ｃ】反射配置の走査型テラヘルツセンサを示す図である。
【図４Ａ】光ファイバケーブル巻き取り機構の側面模式図である。
【図４Ｂ】光ファイバケーブル巻き取り機構の側面模式図である。
【図５】光ファイバケーブル巻き取り機構の上面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、移動材料シート又は移動材料ウェブ３２の少なくとも１つの特性を監視するためのテラヘルツ時間領域スペクトロメータの構造を示す。このスペクトロメータの基本コンポーネントは、パルスレーザ源２、ビームスプリッタ２０、テラヘルツ送信機１０、変調電源１２、テラヘルツ受信機又はテラヘルツ検出器１４、分光分析器４、及び光遅延デバイス８を含む。これらコンポーネントのそれぞれは、従来のデバイスから成る。フェムト秒パルスレーザ等のパルスレーザ源２は、ビームスプリッタ２０に方向付けられたポンプ信号３８を生成する。ビームスプリッタ２０は、ポンプ信号３８の光パルスを分割して、励起光４４及び検出器ゲーティング光４２を生み出す。
【００１４】
励起光４４は、対物レンズ５２によって合焦され、配信光ファイバケーブル又は光ファイバ６内に入射され、配信光ファイバケーブル又は光ファイバ６を通って送信される。励起光４４は、送信機１０を照射して、テラヘルツ放射、すなわち、ミラー２４によって移動シート３２に方向付けられるＴ光線４８を生成する。変調電源１２は、電気入力３６をテラヘルツ送信機１０に供給する。移動シート３２から出てくるＴ光線５０は、ミラー２６によって反射され、検出器１４によって捕捉される。ミラー２４及び２６が用いられるとき、これらミラーは、通常、軸外し放物面鏡である。
【００１５】
検出器ゲーティング光４２は、光遅延デバイス８に方向付けられる。光遅延デバイス８は、検出器ゲート光４２のタイミングと励起光４４のタイミングとの間の差を設定又は変更するように働く。光遅延デバイス８は移動可能再帰反射器を含む。移動可能再帰反射器の位置を変化させることによって、検出器ゲーティング光４２の光路の長さが変化し、それによって、励起光照射タイミング（Ｔ光線生成タイミング）と検出器ゲーティング光照射タイミング（Ｔ光線検出タイミング）との間の差が変化し設定される。対物レンズ５４は、光遅延デバイス８からの検出器ゲーティング光５６を方向付け、その光を配信光ファイバケーブル又は光ファイバ１６内に入射させ、受信機又は検出器１４内に入射させる。光ファイバケーブル１６の端部から出るレーザパルスは、同期検出方式でテラヘルツ受信機を効果的にオンに切り替えるのに使用される。これらの同期パルスのテラヘルツ受信機への到達時間が変更されるとき、テラヘルツパルスは、図２Ａに示すように描くことができる。図２Ｂは、時間トレースの処理されたフーリエ変換を示す。受信機１４からの出力４６は、通常、増幅されてデジタル化され、分析のためにコンピュータ内に読み込まれる電気信号である。或いは、この電気信号は、デジタル信号プロセッサにおいて分析することができる。この電気信号は、トランスインピーダンス増幅器で増幅することができ、次いで、ロックイン増幅器内に供給することができる。ロックイン検出が用いられる場合、変調されたバイアス電圧が、通常、電源１２に印加される。ロックイン検出器は、その後、このバイアス変調と同期される。
【００１６】
検出器１４は、分光分析器４へ送信される検出信号４６を生成する。分光分析器４は、通常、コンピュータである。検出器によって生成された電気信号は、このコンピュータにおいて時間領域又は周波数領域で分析することができる。例えば、この分析は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）においても行うことができる。
【００１７】
光遅延デバイス８は、検出器光４２の光路に位置付けられていたが、光遅延デバイスは、その代わりに励起光４４の光路に位置付けることができる。好ましくは、レーザ源２、ビームスプリッタ２０、光遅延デバイス８、並びに対物レンズ５２及び５４は、コンパートメント６０に収容される。透過モードの実施形態では、テラヘルツ送信機１０及びミラー２４は、センサヘッド８４に配置されるのに対して、検出器１４及びミラー２６は、センサヘッド８２に配置される。センサヘッドは、関連コンポーネントを収容する任意の適した軽量構造とすることができる。
【００１８】
光整流が、ＴＨｚ放射を生成又は検出するのに使用される場合、ＴＨｚ送信機及びＴＨｚ受信機はポンプ光の偏光状態に依存するので、光ファイバは、好ましくは、光ファイバに注入される光の直線偏光状態を維持できる光ファイバから選択される。好ましい光ファイバは、フェムト秒パルスレーザで生成された光のパルスの偏光を維持する高複屈折フォトニックバンドギャップファイバ又は単一偏光フォトニックバンドギャップファイバである。ＴＨｚアンテナを使用してＴＨｚ放射の生成及び受信の双方を行うことが多くの場合好ましい。この場合、ＴＨｚ放射の生成及び検出は、偏光の影響を受けないので、無偏波保持光ファイバを使用することが好ましい。
【００１９】
走査型テラヘルツセンサとして機能するために、センサヘッド８２及び８４は、可動式でなければならない。これは、センサヘッド８４及び８２とそれぞれ光通信する光ファイバケーブル６及び１６の移動も対応されなければならないことを意味する。本明細書でさらに説明するように、光ファイバケーブル６及び１６は、ケーブルの曲げを制御するために巻き取り機構を通じて配線される。
【００２０】
図３Ａは、センサヘッド８４が、製紙機において紙等の移動シート３２の主走査方向に沿った幅方向に沿って前後して走行するように設計されている透過配置の走査型テラヘルツセンサのコンポーネントとの関連における取り入れ機構（take-mechanism）を示す。この幅は、１メートル〜１２メートル以上とすることができる。コンパートメント６０内のテラヘルツ送信機は、巻き取り機構（take-up mechanism）６４を通じて配線される光ファイバケーブル６と光通信する。適した取り込み機構（up-take mechanism）は、Beselt他の米国特許出願公開第２００６／０１０９５１９号明細書に説明されている。この米国特許出願は、参照により本明細書に援用される。センサヘッド８４が、シート３２の一方の端部から他方の端部へ移動している時、巻き取りメカニズムは、光ファイバケーブルの曲げを制御する。変調電源１２は、従来の可動式電力チェーン（mobile power chain）又は可動式電力トラック（mobile power track）７４に組み込むことができる回線又は電線７６を介してテラヘルツ送信機１０と電気通信する。同様に、同じく移動シート３２の幅方向に沿って移動するように設計されたセンサヘッド８２についても、センサヘッド８２内の検出器は、巻き取り機構６２を通じて配線される光ファイバケーブル１６と光通信する。最後に、分析器４は、センサヘッド８２内の検出器と回線又は電線７８を介して電気通信する。電線７８は、従来の可動式電力チェーン又は可動式電力トラック７６内に組み込むことができる。
【００２１】
動作中、デュアルスキャナヘッド８２、８４の移動は、これらのスキャナヘッドが互いに位置合わせされるように、速度及び方向に関して同期される。分析されるシートの反対側にセンサコンポーネントを有する走査型システムは、例えば、Sheadの米国特許第５，７７３，７１４号明細書及びDahlquistの米国特許第５，１６６，７４８号明細書に説明されている。これらの米国特許は、参照により本明細書に援用される。好ましくは、コンパートメント６０、変調電源１２、及び分析器４は、すべて、修理のためのアクセスに容易な、スキャナヘッド８２及び８４から遠隔の静止位置であって、シート製造機の過酷な環境から離れた静止位置に配置される。
【００２２】
図３Ｂ及び図３Ｃは、反射配置の走査型テラヘルツセンサのコンポーネントとの関係における取り入れ機構を示す。図３Ｂの実施形態では、テラヘルツ送信機１０、検出器１４、並びにミラー２４及び２６（図１）は、センサヘッド７０に収容される。光ファイバケーブル６及び１６は、一緒に束にして単一のケーブルにすることができ、巻き取り機構８６を通じて配線することができ、したがって、コンパートメント６０内のコンポーネントとセンサヘッド７０内のコンポーネントとの間の光通信を提供することができる。可動式電力トラック内に組み込むことができる電線７６及び７８は、変調電源１２及び分析器４とセンサヘッド７０内のコンポーネントとの間の電気通信を提供する（９２）。コンパートメント６０、変調電源１２、及び分析器４は、好ましくは、すべて、スキャナヘッド７０から遠隔の静止位置に配置される。
【００２３】
同じケーブル構造の配信光ファイバケーブル６及び１６を有することの利点は、双方のケーブルが、同じ温度環境を経験するということであり、これは、走査型センサシステムに温度変動がある場合に重要となり得る。代替的に、１つの構造に２つのケーブルを有する代わりに、２つのケーブルを横に並べて配備することもでき、この場合、巻き取り機構のプーリーは、本明細書でさらに説明するように２重溝を有する。
【００２４】
最後に、図３Ｃは、単一のセンサヘッド７０を有する走査型テラヘルツセンサが反射モードで動作するように構成される一代替的な実施形態を示す。テラヘルツ送信機１０、検出器１４、並びにミラー２４及び２６（図１）は、センサヘッド７０に収容されるが、光ファイバケーブル６及び１６は、本明細書でさらに説明するように、同じ巻き取り機構８６を通じて別々に配線される。この配置は、光ファイバケーブルが大幅な温度変動にさらされない場合に特に適している。コンパートメント６０が含むコンパートメント６０内のコンポーネントと、センサヘッド７０内のコンポーネントとの間の光通信が維持される。可動式電力トラック７２内に組み込むことができる電線７６及び７８は、変調電源１２及び分析器４と、センサヘッド７０内のコンポーネントとの間の電気通信を提供する。
【００２５】
図４Ａ及び図４Ｂは、移動シート又は移動ウェブ２４０の幅方向に沿ったスキャナヘッド２３０の移動を容易にするケーブル巻き取り機構２１０の一実施形態を示す。この巻き取り機構は、光ファイバケーブルを通った送信に付随する時間遅延の変動を最小化する。その結果、移動ファイバを通って送信される光のパルスは、次の特徴、すなわち、（ｉ）送信機ポンプパルスと受信ポンプパルスとの相対的な到達時間、（ｉｉ）ポンプパルスの位相持続時間、（ｉｉｉ）偏光状態、及び（ｉｖ）ポンプパルスのエネルギーの少なくとも１つ（又はすべて）において一貫性を示す。
【００２６】
フレーム２１２の一方の側には、ピン２１６によってフレームに固定された第１の固定回転プーリー２１４が配置される。フレームの他方の側には、ピン２２０によって固定された第２の固定回転プーリー２１８が位置付けられる。ピン２１６とピン２２０との間の距離は、好ましくは１〜１２メートルに及ぶ。２つの固定回転プーリー２１４、２１８の直径は、好ましくは同じである。各プーリーは、好ましくは、その外周部に溝を有し、この外周部は、柔軟なケーブルに対応するように寸法合わせされている。
【００２７】
剛性部材２２８によって互いにリンクされた一対の移動可能プーリー又は平行移動プーリー２２１、２２４がフレーム２１２内に位置し、２つの固定プーリー２１４、２１８の間に位置付けられる。一対の移動可能プーリー２２１、２２４は、それぞれピン２２２及び２２６によってレール２４２に固定される。レール２４２によって、移動可能プーリー２２１、２２４は、固定回転プーリー２１４、２１８の間の直線状経路に沿って前後に移動することが可能になる。好ましくは、移動可能プーリー２２１及び２２４の直径は同じであるが、それら直径は、好ましくは、固定回転プーリー２１４、２１８の直径よりも小さい。４つのプーリー２１４、２１８、２２１、及び２２４の中心は、好ましくは、水平軸に沿って位置合わせされている。
【００２８】
図３Ｃに示すように、単一の巻き取り機構のみが必要されるように、テラヘルツセンサが反射モードで動作している場合、光ファイバケーブル６（図１）を表す光ファイバケーブル２３６は、一部が、プーリー２２１及び２１８に巻きつけられる。ケーブル２３６は、センサヘッド２３０で終端する一方、位置２３２におけるケーブルは、フレーム２１２又は他の静止構造に固定される。光ファイバケーブル１６（図１）を表すもう１つの光ファイバケーブル２３７は、一部が、プーリー２２４及び２１４に巻き付けられる。ケーブル２３７も、センサヘッド２３０で終端する一方、位置２３４におけるケーブルは、フレーム２１２又は他の静止構造に固定される。ケーブル２３６及び２３７の双方は、過度なたるみを回避するのに十分な張力で固定されるべきである。２つの端部を固定するのに、バネも他の張力デバイスも必要とされない。
【００２９】
スキャナヘッド２３０は、移動シート２４０の両サイドの間の幅方向に沿って前後にスキャンしている時、ケーブル２３６及び２３７に動作可能に接続される。リンクされた平行移動プーリー２２１、２２４は、スキャナヘッド２３０の方向と逆方向に移動するが、２分の１の速度で走行する。このようにして、ケーブル２３６及び２３７は、たとえスキャナヘッド２３０が動いているときであっても、一方の端部２３２から他方の端部２３４まで全体にわたってピンと張った状態を維持する。別の実施形態では、巻き取り機構が或る期間にわたって動作している時、一定の量のクリープがケーブルに現れる場合があることが認識されている。したがって、巻き取り機構は、端部２３２及び２３４の一方又は双方にバネ又は他の張力デバイスを装備することができる。これによって、ケーブルが過度のたるみを示すことが防止される。代替的に、バネは、一対の移動可能プーリー２２１、２２４の間等、巻き取り機構の別の部分に位置付けることができる。この場合、剛性部材２２８によって接続する代わりに、バネデバイスを有する部材を用いて、移動可能プーリー２２１、２２４の２つを接続することができる。
【００３０】
明らかなように、図４Ａ及び図４Ｂに示すようなケーブル巻き取り機構では、光ファイバケーブルは、各光ファイバケーブルの曲げ直径を決定する一連のプーリーの周囲を回ってガイドされる。ケーブルは、規定されたルートを通って操作される。平行移動プーリー２２１、２２４のセットによって、ケーブルは、バネもローディングデバイスも必要とすることなく、張力を受けた状態を維持することが可能になる。平行移動プーリーは、一致して移動し、これらのプーリーによって、ケーブルの張力が、各ケーブルの長さの全体にわたって本質的に一定に維持されることが保証される。走査ヘッド２３０の方向と逆の方向での平行移動プーリーの移動が、スキャナヘッド２３０を移動させる力に応じて必要とされる場合に、この平行移動プーリーの移動は、各ケーブルをその方向に配送するように働く。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、スキャナヘッド２３０が、ケーブル巻き取り機構２１０の一方の側からケーブル巻き取り機構２１０の中央に向かって移動している時、固定回転プーリー２１４と平行移動プーリー２２４との間の一方のケーブルの長さの削減が、固定回転プーリー２１８と平行移動プーリー２２１との間の他方のケーブルの長さの対応する増加によってオフセット又は補償される。
【００３１】
スキャナヘッド２３０は、複数の機構により幅方向に沿って前後に進めることができる。一実施形態では、図５に示すように、ケーブル巻き取り機構２６０は、レール２６２及び２６４、固定回転プーリー２６６及び２６８、並びに一対の移動プーリー２８０及び２８２を含む。一対の移動プーリー２８０及び２８２は、ロッド２９４によってリンクされる。キャリッジ２７２が、レール２６２、２６４の上に置かれる。レール２６２、２６４は、キャリッジ２７２が前後に走行している時にキャリッジ２７２の低摩擦ガイドとして機能する。キャリッジ２７２は、ローラを有するプラットフォームとすることができ、スキャナヘッド２７４を支持する。この配置では、スキャナヘッド２７４は、分析されるウェブの下に位置付けられる。しかしながら、スキャナヘッド２７４が、ウェブの上面から特性を測定するためにウェブの真上になるように又はウェブに対して斜めになるように、ケーブル巻き取り機構２６０を用いることができることが理解される。
【００３２】
反射モードでは、スキャナヘッド２７４は、送信機、検出器、及び関連コンポーネントを収容する一方、パルスレーザ源及び分光分析器は、静止コンパートメント２７８にある。したがって、検出器信号は、スキャナヘッド２７４からケーブル２７０を通ってコンパートメント２７８へ送信される。キャリッジ２７２は、駆動プーリー２７６とモータ２９０に動作可能に接続される被駆動プーリー２８８とに巻き付けられたベルト２８４に接続される。動作中、モータ２９０の制御は、キャリッジ２７２の移動の速度及び方向を規制する。代替的に、ベルト２８４は、一対の移動可能プーリー２８０、２８２をリンクするロッド２９４に直接固定することもできる。このようにして、モータ２９０の起動によって、ケーブル２７０も移動する。別の代替案として、モータ２９０を固定回転プーリー２６６に動作可能に接続して、スキャナヘッド２７４を駆動することができる。
【００３３】
走査型テラヘルツセンサが、測定されている製品の各側に別々の巻き取り機構を有する図３Ａに示すような透過モードで動作している場合、図４Ａ及び図４Ｂに示すようなケーブル巻き取り機構２１０は、ケーブル２３６又は２３７の一方のみが配信光ファイバケーブル６又は１６（図３Ａ）であることを除いて、本質的に、前述したものと同じ方法で動作する。他方のケーブルは、対称性を維持するために非アクティブケーブルを構成することができる。
【００３４】
走査型テラヘルツセンサが、単一の巻き取り機構である、図４Ａ及び図４Ｂに示すようなケーブル巻き取り機構２１０を有する図３Ｂに示すような反射モードで動作している場合、ケーブル２３６又は２３７の一方は、配信光ファイバケーブル６及び１６（図３Ａ）の双方を含む単一ケーブル構造から成る。このようにして、２つの光ファイバケーブルは、同一の広がりを持つ経路に沿って巻き取り機構を通じて配線される。他方のケーブルは、対称性を維持するために非アクティブケーブルを構成することができる。代替的に、２つの配信光ファイバケーブルが、別々ではあるが横に並べて配備される場合、巻き取り機構のプーリーは、それら配信光ファイバケーブルに対応するために２重溝を有する。一対の非アクティブケーブルは、対称性を維持するために横に並べて配備することができる。
【００３５】
ケーブル巻き取り機構によって、光学ヘッドが走査中に前後に移動している時の全曲げ損失は、本質的に保存される。これは、２つ以上の異なる波長帯域で相対電力を測定する分光センサを使用するスキャナにとって重要である。光ファイバの曲げ損失は、曲げ半径及び全曲げ長に依存する。可動式光学ヘッドが走査されている時に曲げ長又は曲げ半径が変化した場合、測定誤差が導入される。ケーブル巻き取り機構は、光学ヘッドが移動している時であっても、角度のある曲げ長及び曲げ半径を一定に保つ。これは、さらに、あらゆるセンサ誤差を最小化する。（しかしながら、曲げ位置は変化していることに留意されたい。）光ファイバの曲げ長は、円の弓形部分である円弧の長さに類似している。円弧の曲げ長は、直径と、ラジアンで測定される２つの半径の間の角度との積に等しい。したがって、９０度に及ぶ円弧は、４５度にしか及ばない同じ半径を有する円弧の２倍の曲げ長を有する。ケーブル巻き取り機構は、走査中、本質的に同じ全曲げ長を維持する。２つの配信光ファイバケーブル６と１６との間の曲げ長及び張力を制御することによって、電源と検出器光ファイバケーブルとの間の光路差を保存することが助けられる。これは、さらに、例えば紙といったサンプルの材料特性によって引き起こされるＴＨｚパルスの時間遅延を計測する時間遅延測定における誤差を最小化又は除去する。
【００３６】
この走査型システムは、製紙機で繊維状紙シート等のさまざまなウェブ特性又はシート特性を測定するのに用いることができる。しかしながら、この走査型システムは、例えばプラスチックを含む他の材料の特性を測定するのに用いることもできることが理解される。現在の高速機械による製紙の技術では、シート特性を絶えず監視して制御しなければならない。最も頻繁に測定されるシート変数には、製造プロセスのさまざまな段階におけるシートの基本重量、水分含量、繊維配向、温度、及びキャリパ、すなわち厚さが含まれる。製紙デバイスは、当該技術分野において周知であり、例えば、Heの米国特許第５，５３９，６３４号明細書、Huの米国特許第５，０２２，９６６号明細書、Balakrishnanの米国特許第４，９８２，３３４号明細書、Boissevain他の米国特許第４，７８６，８１７号明細書、及びAnderson他の米国特許第４，７６７，９３５号明細書に説明されている。これらの米国特許は、参照により本明細書に援用される。
【００３７】
上記内容は、本発明の原理、好ましい実施形態、及び動作モードを説明したものである。しかしながら、本発明は、論述した特定の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。したがって、上述した実施形態は、制限的ではなく例示としてみなされるべきであり、当業者は、次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、それらの実施形態に変更を行えることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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