JP2011501130A - 紙および板のマイクログロス測定 - Google Patents

Abstract

マイクログロスは、ターゲット表面領域から光がどのくらい反射するかを示す新規な二次元表現である。マイクログロスを測定するシステムおよび方法は、表面の外観が重要になる様々な製品の反射特性を示すデータを算出することができる。これらの製品は、紙、プラスチック、およびセラミックを含む。マイクログロス特性は、製紙におけるスーパーカレンダリングプロセスを制御するためのパラメータとして使用することができる。製品を等級分けするのに、マイクログロス特性を標準グロスとともに使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね、ターゲット表面領域からの光の反射のされ方の二次元表現であるマイクログロスを検出する技術に関し、より詳細には、マイクロレベルの画像の生成、および、紙、塗装または被覆された物品、および外観が重要になる他の製品のマイクログロスの等級または評価値を計算する技術に関する。

マイクロレベルの画像は、表面の光の強度の二次元分布プロファイルであり、検査される表面のターゲット領域から反射される光から導かれる。ターゲット領域は、所定の入射角で導かれる光により照らされ、入射角度と等しい角度で反射した光が検出される。マイクロレベル画像は、様々な製品の反射特性を特徴つけるための新規なパラメータを導くために用いることができる。

連続製紙装置による紙の製造において、紙のウェブは、移動するメッシュ製紙ファブリック上のファイバー（製紙原料）の水性懸濁液から形成され、重力およびファブリックを通る吸引により排水される。その後、ウェブは圧縮区域に移動され、ここで圧縮および吸引により、より多くの水が取り除かれる。次にウェブは乾燥区域に入り、ここで蒸気が乾燥機を加熱し、熱空気が乾燥プロセスを完成させる。製紙機は、本質的に水分除去システムである。乾燥させた後、紙は所望の平滑さを与えるドラムの間を通る。このプロセスはカレンダリングと言及され、より多くの時間カレンダされると、紙の仕上がりはより平滑になる。光沢のある紙を形成するため、被覆されていない紙は、ペンキのような製品で被覆され、非常に高圧な条件下でローラーによりみがかれ、光沢のある外観を形成する。このプロセスはスーパーカレンダリングと言及される。紙に光沢のある表面を提供するために、プリント工程の間に追加的な上塗り層が紙に適用されることもある。

スーパーカレンダリング工程は機械での連続プロセスとすることもでき、また、機械外のバッチプロセスとすることもできる。これはたとえば平滑さやグロス（光沢）のような紙シートの表面特性を改善するために使用され、高品質な印刷紙にとって重要である。他の製紙機の交差プロセスのように、スーパーカレンダリングプロセスは、二次元プロセス（空間的および時間的）である。このプロセスは、紙シートをリールから給紙機のところで給紙することから始まる。紙シートは、その後、垂直方向に重ねて配置される一連のロールの間に供給される。これらのロールは典型的には、硬いロールと柔らかいロールが交互に配置され、２つの連続する柔らかいロールがスタックの中央に備えられる。この紙シートは、スタックの底部から通過してリールに巻かれる。

紙の製造において、異なる表面グロスを備える様々な紙の品質は、様々な用途に適合するように製造される。紙の表面が所望のグロスを備えることを確保するために、紙の製造の間、紙の表面のグロスを定期的または連続的に測定することが望ましい。これは、典型的には、スーパーカレンダリングの直後にグロスセンサにより行われ、移動するシートの横方向に沿って前後にスキャンされる。

製紙業界において２つのグロスセンサ標準が開発されている。通常のグロス測定のための第１の標準は、ＤＩＮ５４５０２により概説され、測定表面に垂直な線から入射光ビームの角度が７５°になるように測定される。高いグロス測定では、測定される表面に垂直な線から入射光ビームの角度が４５°になるように測定される。両方の角度での測定がなされるならば、一般に２つの分離した別個のセンサが用いられる。第２の標準は、ＴＡＰＰＩ Ｔ４８０に概説され、測定は、測定される表面に垂直な線から入射ビーム光の角度として７５°だけが用いられる。
紙の表面のグロスを測定するための従来の装置は、紙の表面から反射された光ビームの強度を測定する光学システムを用いる。グロスセンサが、Ｐｒｅｓｔｏｎらの米国特許第６４０４５０２号明細書、Ｂｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙの米国特許第６５０７４０３号明細書に記載されている。典型的には、紙の表面のグロスは、紙の表面の反射率を公知のグロス標準の反射率と比較することにより決定され、公知のグロス標準はたとえば、公知のグロスのみがかれた表面を備えるガラスタイルである。代替的に、ピクセルの平均強度を用いることもできる。グロス数を測定するためのさらなる技術が、Ｋｕｕｓｅｌａの米国特許出願第２００７／０１０３６７４号および第２００７／０１０３６８８号に記載されている。

図３に示されるように、紙表面１０の反射率の測定において、知られた強度の光１２は表面に入射され、光の強度に応答するセンサが、紙の表面から反射した光２０の強度を測定するように位置決めされる。センサは、集光光学系１４および単一の光度検出器１６を備え、単一の強度値１８を示す信号１８を生成する。グロスレベルは、反射光ビーム強度と入射光ビーム強度との比として計算される。明らかなように、この方法は、紙の照射された表面の平均グロスだけを計算する。紙、板、塗装表面等のような多くの製品は、照射領域内で、マイクロレベルのグロス変動があり、これは従来の技術では測定できない。この「内部の」グロス変動により、同一の従来のグロス値を備える製品は、消費者に異なる外観を与える。当業界は、紙の表面および他の製品の表面のグロスのマイクロレベルの差を識別することができるグロスセンサを必要としている。

本発明は一部において、製品の表面から反射される光から導かれる二次元の光強度分布プロファイルのマイクロレベル画像の分析は、多くの製品の品質に関する価値ある情報を提供するという認識に基づいている。特に、製品のマイクログロスは、マイクロレベル画像の二次元光強度分布プロファイルを照射する光の均一なプロファイルの強度と比較することにより決定される。マイクログロスは、本質的に、ターゲット表面領域での反射のされかたの二次元表現である。

一側面において、本発明は、製品の反射特性を分類する方法に関し、この方法は、
製品の表面のターゲット領域に、強度が知れた所定の入射角度でターゲット領域に入射する光のビームを照射するステップと、
入射角度と等しい角度でターゲット領域で反射した光を検出するステップと、
ターゲット領域から反射された光の二次元分布プロファイルを生成するステップと、
ターゲット領域のマイクログロス値を計算するステップと、を有する。

他の側面において、本発明は、表面特性を光学的に測定するためのセンサに関し、このセンサは、
知られた強度の照射光ビームを、所定の入射角度で表面のターゲット領域に入射させる光源と、
検出器と、
入射角度と等しい角度の反射角度でターゲット領域から反射した光を検出器に集める撮像光学系と、を有し、検出器は、ターゲット領域表面から反射した光の二次元分布プロファイルを表す信号を生成する。

さらなる側面において、本発明は、サンプル表面の表面特性を検出するための方法に関し、この方法は、
表面上のターゲット領域に、ターゲット領域に所定の入射角度で入射する強度の知れた光ビームを照射するステップと、
入射角度と等しい反射角度でターゲット領域から反射した光を検出するステップと、
ターゲット領域から反射した光の二次元分布プロファイルイを生成するステップと、を有する。

本発明の技術は、任意の表面、特に美的な外観が重要な最終製品の表面のマイクログロス値を決定するために用いることができる。このマイクログロス値は、プラスチック、金属、セラミック、および紙およびボール紙のような紙製品のような製品の従来のグロス値とともに用いられるときに特に有用である。他の重要な製品は、自動車部品のような被覆された物品または塗装された物品を含む。紙に関し、マイクログロス値は、高品質紙の印刷性の有用な基準である。本発明は、紙のマイクログロスおよびその関連特性の測定に関して説明されるが、本発明は、様々な他の製品の表面特性を分析するために用いることもできることを理解されたい。

マイクログロス測定センサの一実施形態を示す図である。 マイクログロス測定センサにより生成されたマイクロレベル画像を示す図である。 マイクログロス測定センサにより生成されたマイクロレベル画像を示す図である。 マイクログロス測定センサにより生成されたマイクロレベル画像を示す図である。 従来技術によるグロス検出器を示す図である。

図１は、紙４０の表面特性を測定する本発明のマイクログロス装置の一実施形態を示し、この例において、紙４０は粗い表面を備えている。この装置は、照射光源３０および撮像装置５４を備え、撮像装置５４は典型的には撮像光学系３４および検出器マトリクス３６を含む。動作に関し、光源３０からの光ビーム３８は、紙４０に向かって導かれ、表面上の像またはターゲット領域を照らす。光ビームは、所定の入射角度θで導かれ、撮像光学系３４は、本質的に入射角度と等しい反射角度で反射した光だけを含む反射光５０を集光する。集束した光５２は検出器マトリクス３６に導かれる。明らかなように、ターゲット領域内の滑らかな表面から反射（鏡面反射）した入射光は撮像光学系３４により捉えられ、一方で、ターゲット領域内の粗い表面で散乱（散乱反射）された入射光は、撮像光学系３４で捉えられない。実際には、いくらかの光は紙４０により吸収される。検出器マトリクス３６からの出力は、これは表面の画像を示す電気信号であるが、画像処理器５６により視覚的に観察される表面パターンに変換される。最後に、その製品のマイクログロス等級またはマイクログロス値４２を自動的に割り当てるために、所定の参照パターンとこの表面パターンを比較するパターン認識装置５８を用いることができる。この装置５８は、マイクロプロセッサおよびパターンの統計的な解析を行うソフトウェアを含むことができる。表面パターンは、ここで説明される様々な技術により解析することができる。

紙４０が静止しているとき、マイクログロス測定装置は、単一の画像および／または静的ターゲット領域の値を算出する。しかし、紙４０が連続的に移動するシートの一部である場合、マイクログロス測定装置は、連続モニタリングとして機能することができ、または、静止装置のプロセス制御に用いることのできる一連の実時間データを生成する検査装置として機能することができる。たとえば、スーパーカレンダリング工程を出る紙を測定するために、マイクログロス測定装置をレール上に配置することができる。この装置は、生成される紙の機械方向（machine direction, MD）に沿った固定点測定を行う。代替的に、複数の装置を移動する紙の横方向（cross direction, CD）に沿って配置することができ、それによりＭＤおよびＣＤ測定が可能になる。移動する紙の横方向にスキャンするオンライン装置を搭載することにより、オンライン測定が生成可能である。適当なスキャン機構が、Ｂｅｓｅｌｔらの米国特許出願公開第２００６・０１０９５１９号明細書に記載されている。

光源３０は、好ましくは、測定に必要な波長内における一定のエネルギー流れを備える高い均一強度の照射を提供する。紙製品の場合、適当な分解能は、緑の光領域で最大強度の可視光により達成することができる。実際には、商業的な検出器マトリクスの限られた波長領域が赤外線（ＩＲ）の使用の実行性を制限するが、ある種の用途においては、赤外線（ＩＲ）も用いることができる。光源３０は、信号対ノイズ比を増強するために、チョッパー、シャッター、音叉などのような従来の機械装置により変調された振幅となりうる。他の例示的な変調技術は、光源の光ビーム経路内に位置決めされる、カーセルおよびポッケルスセルのような電子光学シャッター、および音響光学式波長可変フィルタのような音響光学装置を採用する。代替的に、パルス状の照射を生成するために、光源に連結された駆動電流の直接変調を用いることができる。

好ましい光源装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、またはＬＥＤまたはレーザーダイオードのアレイを含む。光源がストロボフラッシュ効果を形成するために変調される場合、たとえば、高い変調率が好ましい。結果として生じる短い露光時間は、検出器マトリクス３６に対応する短い積算時間を可能にし、紙４０の移動方向の移動ぼけにより生じる悪影響を低減または取り除くことにより、ターゲット領域のよりよい画像の取得を可能にする。検出器マトリクスが電荷結合装置（ＣＣＤ）である場合、短い積算時間はピクセルが少ない光を収集することを可能にし、長い積算時間はピクセルにより多くの光を収集させる。代替的に、または光源を変調することに加え、高い露光速度で、すなわち短い積算時間で動作するが検出器マトリクス３６、たとえばＣＣＤカメラ選択がされる。この場合、照明は連続的とすることができ、これは異なる測定において一定の照明を維持することを容易にする。

図１に示されるように、撮像光学系３４は、所定の反射角でターゲット領域から反射した光ビーム５０を収集するように構成される。好適な撮像光学系３４は、従来のレンズで構成することができる。入射角および反射角は、紙４０の平面に垂直な軸または線に対して測定される。

照射角度θは、製品の表面から反射する光の量に大きな影響を与える。マイクログロスセンサは０°から９０°の間の任意の角度で測定できるように構成できるが、典型的な照射角度の範囲は、製品に依存して約１０°から８０°になるであろう。高グロス材料の場合、典型的には低グロス材料の場合より小さい角度にあるであろう。本明細書でさらに説明されるように、マイクログロスセンサは、材料の標準グロス値を測定するために用いることもでき、これは、反射光ビーム強度と照射光ビーム強度との比に対応する。製紙業界において、ＤＩＮまたはＴＡＰＰＩ標準によれば、グロスは４５°または７５°で測定される。紙製品に発明的なグロスセンサを用いることで、たとえば、このセンサはマイクログロスの等級または値を提供するだけでなく、グロス値を計算することもできる。このようにして、紙製品は、２つの分類、すなわち（ｉ）グロス、（ｉｉ）マイクログロス、を備えることができる。

照射されるターゲット領域の形状およびサイズは、測定される製品に依存するであろう。ターゲット領域は、好ましくは、少なくとも約２５ｍｍ^２、典型的には１００ｍｍ^２から１０００ｍｍ^２のサイズである。明らかなように、より大きな撮像領域になれば、より多くの部分が決定されるマイクログロス値になる。紙の測定において、ターゲット領域の形状は、たとえば四角形または楕円形にすることができる。マイクログロスセンサによれば、ターゲット表面上の細部の１００μｍより良い分解能が達成され得る。

画像検出マトリクス３６は二次元画像センサであり、検査される製品の表面から反射した光強度のパターンを検出する。この画像センサは、多数の受光素子またはピクセルを有し、画像は各ピクセルからの出力に基づいて形成される。画像検出器マトリクスは、好ましくは、撮像領域から反射した光をカメラに集光するためのレンズなどの適切な撮像光学系３４を備える電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである。連続検出のためにビデオカメラを用いることもできる。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、紙上の３つの異なる仮想的なターゲット領域の理想化した二次元画像である。各画像は出力の集合を示し、これらの各相対強度は、黒円の直径により示され、これはマイクログロスセンサの検出器マトリクスピクセルにより生成される。これらのマイクロレベルの画像は４×４のマトリクスで示されているが、実際の検出器マトリクスはより多くのピクセル数を備えるであろう。図２Ａの出力パターンに基づくと、各ピクセルの出力が同じサイズであり、各ピクセルで検出された反射光の量が同じであるので、この二次元画像は対応するターゲット領域は非常に滑らかであることを示している。図２Ｂの二次元画像は、均一性の低いターゲット領域に対応する。最後に、図２Ｃの二次元画像は、ターゲット領域のほぼ半分がとても滑らかであり、残りの半分が粗い。しかし、小さな出力は同一の強度であり、粗い表面は一貫した不規則性を備える。

マイクロレベル画像は視覚観察のために可視画像に変換することができるが、個別的な解析は非常に主観的である。より実際的な応用は、従来のパターン認識ソフトウェアを用い、マイクロレベル画像を知られたプロファイルの参照画像と比較し、各マイクロレベル画像にマイクログロス等級またはマイクログロス値を割り当てることである。たとえば、図２Ａに示されるマイクロレベル画像は、０から１００の尺度でマイクログロス等級１００が割り当てられる。ここで１００は二次元光強度分布プロファイルが完全に均一であることを示す。特定の製品のマイクログロス等級またはマイクログロス値を知ることにより、従来のグロス値だけから決定することでは測れなかった微妙な美的な特徴を評価することができる。

マイクロレベル画像は、平均グロス値または標準グロス値を生成するために解析することもできる。これは、マイクロレベル画像の入射光強度と反射光強度との比を計算することにより得られる。平均グロス値は各比の全部の平均とすることができる。

マイクロレベル画像は、単純に検出器マトリクスの全てのピクセルの強度を合計し、この合計と照射強度の比を得ることにより、従来のグロス値を決定するのに用いることもできることを理解されたい。

所望のマイクログロス値を備える製品を製造するために、マイクロレベル画像に、スーパーカレンダリングプロセスを制御するのに用いる情報を引き出す統計的な分析をすることができる。さらに、上述のマイクログロス値のような新規なパラメータは、システム内で紙および他の製品を等級分けするのに用いることができ、製品の視覚的な微妙な１つまたはそれ以上の特徴が区別され定量化される。これらの新しい等級分けシステムは、標準グロス測定に基づく現在のグロスシステムを増加させる。

たとえば、画像プロファイルの最大値（ｍａｘ）と最小値（ｍｉｎ）の絶対値が測定され、その後、それらの（ｉ）差分：最大値−最小値、および（ｉｉ）相対差分：（（最大値−最小値）／（平均マイクログロス））×１００％、が導出される。プロファイルの導関数から様々なプロファイルの勾配またはマイクログロスの変化率を確かめるときに同様の計算をすることができる。マイクロレベル画像の分布に関する、平均、標準偏差（ＭＤとＣＤの両方）、分散、および他の測定値は、従来の統計的手法を適用することにより容易に得ることができる。これに関して、「グリター（glitter）」または「スパークリング（sparkling）」値（または数）と言及される他の有用な新規なパラメータが、（マイクログロスの標準偏差）／（平均マイクログロス）×１００％で定義される。

最後に、紙の特定の品質のための、最小マイクログロス値のような所望の最低限の二次元画像プロファイルの標準が確立されると、発明的なマイクログロス測定装置は、スキャナセンサの一部として採用でき、たとえば、製造されている紙の標準からはずれている程度を決定できる。マイクログロス測定装置からのデータは、マイクログロス値の二次元分布を示す紙のマップを生成するために解析することができる。このマップから、ターゲット領域の位置および数を容易に決定でき、マイクログロス値が標準を下回る領域、標準を上回る領域、および標準と同程度の領域などを決定できる。さらに、これらの領域のサイズ、形状、向き、および数を決定することもできる。

以上のように本発明の原理、好ましい実施形態、および動作モードを説明した。しかし、本発明は、上述の特定の実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態は、限定的なものではなく説明的なものであり、添付の特許請求の範囲により画定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者は以上の実施形態を変更可能であることを理解できる。

Claims (10)

1. 表面特性を光学的に測定するセンサであって、前記センサは、
   知られた強度入射の照射光ビーム（３８）を所定の入射角で表面上のターゲット領域に導く光源（３０）と、
   検出器（３６）と、
   前記ターゲット領域から入射角と同一の反射角で前記検出器（３６）に反射される光（５０）を集めるように構成される撮像光学系（３４）と、を有し、前記検出器（３６）は、前記ターゲット領域表面から反射した光の二次元分布プロファイルを表す信号を生成する、センサ。
2. 請求項１に記載のセンサであって、さらに前記ターゲット領域のマイクログロス値を計算する手段（５６）を有する、センサ。
3. 請求項２に記載のセンサであって、さらに前記ターゲット領域のグロス値を計算する手段（５６）を有する、センサ。
4. 請求項１に記載のセンサであって、さらに前記二次元分布プロファイルを統計的に解析する手段（５８）を有する、センサ。
5. サンプル表面の表面特定を決定する方法であって、前記方法は、
   前記表面のターゲット領域に、知られた強度入射の光ビーム（５８）を所定の入射角で照射するステップと、
   前記入射角と同一の反射角で前記ターゲット領域から反射された光（５０）を検出するステップと、
   前記ターゲット領域から反射された光の二次元分布プロファイルを生成するステップと、を有する方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、さらに前記ターゲット領域のマイクログロス値を計算するステップを有する、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、さらに前記ターゲット領域のグロス値を計算するステップを有する、方法。
8. 製品の反射特性を等級分けする方法であって、前記方法は、
   紙製品の表面上のターゲット領域に、知られた強度入射の光ビーム（５８）を所定の入射角で照射するステップと、
   前記入射角と同一の反射角で前記ターゲット領域から反射された光（５０）を検出するステップと、
   前記ターゲット領域から反射された光の二次元分布プロファイルを生成するステップと、
   前記ターゲット領域のマイクログロス値を計算するステップと、を有する。
9. 請求項８に記載の方法であって、さらに前記ターゲット領域のグロス値を計算するステップを有する方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、さらに前記ターゲット領域のグロス値を計算するステップを有する方法。

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