通过对渡越时间开窗口以消灭连续的织物和粉末中的散射来增加吸收测量的精确度

摘要

辐射散射是对近红外（NIR）测量的不确定性的一个主要贡献者。通过使用NIR光谱法和渡越时间技术的组合以选择作为移动样品目标内的给定的平均自由程的结果的光子，从而实现对于NIR传感器的增强的吸收测量的精确度。通过测量作为路径长度的函数的吸收或者通过对可归因于样品内的NIR辐射的过度散射的信号开窗口，该技术提供更精确且更通用的校正的计算。NIR传感器采用短的或超短的激光脉冲以产生被指引至移动样品的NIR，并且随着时间的过去检测出现的辐射。开窗口有效地截断了没有贡献的测量。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及扫描传感器，所述扫描传感器采用近红外辐射以连续地检测纸张、塑料、粉末以及类似产品中具体组分的存在。特别地，所述传感器采用开窗口或时间相关单光子检测技术，所述检测技术减小了散射对吸收测量的不利影响。

背景技术

已经发展了用于“在线”（即在薄片制造机器工作的同时在薄片制造机器上）检测薄片属性的各种传感器系统。用于连续的平坦的薄片的生产过程的传感器通常采用具有在线的传感器的单面或双面的封装，所述在线的传感器在制备期间横越或扫描薄片材料的行进织物。近红外（NIR）光谱法是用于测量大量的产品中的成分或组分重量以及水分含量的所选择的方法。这些包括薄片中产生的材料，诸如纸张和塑料。所述技术是快速、便宜并可与在线测量相容的，其允许过程以闭环方式被控制。如果可以为待测量的产品获得合适的校正模型，则NIR光谱法是精确的。由于两个主要的原因需要具体的校正模型。一个原因是在NIR中存在许多重叠的吸收带。通常，产品中的许多组分对所测量的吸收带有贡献，并且需要模型以将来自独立的组分的贡献分离开。第二个原因与光散射有关：当光与样品相互作用时，它被吸收并被散射，并且散射量取决于样品的化学属性以及结构属性。纸张在它的最简单的形式中是由空气围绕的纤维素纤维的混合物。由于折射率的改变，纤维素/空气界面导致明显的光散射。因为填充物或者甚至水分填充纤维素纤维之间的间隙，由此取代空气，所以纸张的散射能力可以戏剧性地改变。散射通过改变经过样品的平均路径长度来影响NIR吸收技术。尤其是在类似纸张和粉末样品的产品中，散射由于光子平均自由程中的改变可以显著地减小吸收类型的测量的精确度。因为校正不仅取决于单一的组分，而取决于非线性风格的许多组分，所以不可以简单地计算校正曲线。例如，用于测量纸张中的水分的校正曲线是多维的，并且取决于纤维素、灰分和配料的含量和浓度。更简单的校正将通过改善在线测量的精确度和稳健性来大大地帮助最终用户。

发明内容

本发明部分基于如下的认识：可以通过使用近红外光谱法和渡越时间技术的组合以选择作为目标内的给定的平均自由程的结果的光子，从而实现对于近红外（NIR）传感器的增加的吸收测量的精确度。特别地，引导作为路径长度的函数的吸收的测量，并且通过使关联目标中的NIR的吸收和散射的模型适合于所述数据来获得无散射的吸收测量。可替换地，可以从所述数据中计算出每单位路径长度的平均吸收。由单位路径长度规范化的平均吸收显然地没有散射的贡献。

在另一个实施例中，通过开窗口去除可归因于感兴趣的样品内的NIR辐射的过度的或最低的散射的信号。另一个可能的技术被称作时间相关单光子计数（TCSPC），其中，处理器通过测量如由电检测信号表示的每个光子的到达时间来工作，并且使用算法以确定正被监视的材料的至少一个属性。TCSPC在对可以采用的强度存在约束的情况特别有用，并且对于更短的脉冲或对于最大散射量较少的目标更精确。

这些技术提供更精确且更通用的校正的计算。因为散射是对NIR测量的不确定性的主要贡献者之一，所以提取散射的影响的本发明方法产生了更精确的吸收测量。为了去除散射的影响，本发明的NIR传感器采用短的或超短的光脉冲以及通过渡越时间区别测量的方式。如上所述，所述技术可以通过如下步骤来实施：对吸收测量进行建模以计算散射，计算每单位路径长度的平均吸收或者测量对于光子的通过样品成分的相似的路径长度或渡越时间的所选择的光子的吸收。

相应地，在一个方面，本发明针对一种用于测量移动样品的成分的至少一个属性的传感器，其包括：

光源，其发射宽带光脉冲至所述成分的样品处；

接收器，可操作用于检测从样品反射的或透射的辐射，并且可操作用于提供电检测信号；

同步装置，用于接收来自光源的电脉冲或来自接收器的光脉冲，并且向处理器提供电同步信号；以及

处理器，其接收电检测信号和电同步信号，并且其可操作用于在测量基本上独立于与成分中的散射相关联的影响的情况下确定成分的至少一个属性；

在另一个方面，本发明针对一种用于对移动样品的特性进行连续在线测量的系统，其包括：

宽带光源，其发射光脉冲，可操作用于发射脉冲辐射至移动样品处，其中，超快的光源越过移动样品的横向；

接收器，可操作用于检测从样品反射的或透射的辐射，并且提供电检测信号，并且其中，所述接收器越过移动样品的横向；

同步装置，用于接收来自光源的电脉冲或来自接收器的光脉冲，并且向处理器提供电同步信号；以及

处理器，其接收电检测信号和电同步信号，并且可操作用于在测量基本上独立于与成分中的散射相关联的影响的情况下确定成分的至少一个属性。

在又另一个方面，本发明针对一种测量移动样品的至少一个属性的方法，其包括如下步骤：

（a）指引辐射至移动样品处；

（b）测量从样品反射的或透射的辐射，并且从中产生电信号；以及

（c）根据电信号确定样品的至少一个属性，据此在散射的光子具有更长的渡越时间的知识或考虑的情况下处理与样品内的散射相关联的电信号。

附图说明

图1和3图示了采用时间相关单光子计数的扫描NIR传感器系统；

图2是通过样品的光子路径的绘图；

图4图示了采用声光可调滤波器的扫描NIR传感器系统；

图5图示了采用开窗口的扫描NIR传感器系统；

图6是在不同波长处测量的光子相对渡越时间的曲线图；以及

图7示出了实施NIR传感器的薄片制造系统。

具体实施方式

图1示出了用于监视材料50的移动的薄片或织物的至少一个属性的NIR传感器装置的结构。NIR传感器特别适合于测量诸如纸张或塑料的薄片之类的连续的织物材料的属性。所述传感器也可以容易地适应于测量诸如粉末成分之类的离散的材料的连续流，其被输送经过所述传感器。传感器产生被指引至材料50的NIR辐射52，并且使用时间相关单光子计数（TCSPC）测量由此出现的辐射。TCSPC的原理是检测单光子并测量它们的相对于参考信号（通常是光源）的到达时间。TCSPC是静态的方法，并且针对所要求的静态数据精密度，采用高重复性的光源以积累充足数目的光子事件。例如，可以采用光源来产生（i）被转换为参考电（参考）脉冲的参考光脉冲和（ii）被指引至样品目标的样品光脉冲两者。从样品中出现的单光子被转换为单光子（信号）脉冲。TCSPC电子仪器设备可以被视作接收两个输入，其中，当它接收参考脉冲时启动电子仪器设备，并且通过信号脉冲使电子仪器设备停止。测量时间间隔。除了排斥双计数事件以外，测量的光子的强度不是关键的；信号的时序才是重要的。例如，TCSPC使用强度滤波器以将光子强度减小至如下水平：由每个检测器从每个脉冲检测到光子的可能性基本上小于整体（unity）。然后，这被定时为“零散射”光子。在许多脉冲的情况下产生包含许多信息的曲线，并且据此的分析产生额外且更多的复杂的测量。在"Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques," Becker, W., Springer(2005); Time correlated single-photon counting (TCSPC) using laser excitation, phillips, D.; Drake, R.C.; O'Connor, D.V.; Christensen, R.L. Source: Analytical Instrumentation, v 14, n 3-4, p 267-292, Sep-Dec 1985以及kash的美国专利No.6342701中进一步描述了TCSPC，并且其通过参考并入本文中。

特别地，NIR传感器包括超快的激光器2，所述激光器2产生激光脉冲14，并且所述激光脉冲14耦合至超连续光谱产生器8。例如，耦合至非线性纤维的脉冲激光源可以在期望的波长范围上产生超连续光谱光脉冲24。超连续光谱光脉冲24的所要求的持续时间取决于散射量。对于纸张样品，可以预期的是，检测的脉冲在长度上为约200ps，要求输入光脉冲的持续时间为约1ps。对于这样的要求，优选的激光器是带有超连续光谱产生的超快的模锁定激光器。然而，如果NIR传感器仅仅用于测量一个或两个波长，例如针对纸张中的水分测量，则也可以通过非线性波长混合以及其它方式来产生所要求的波长。NIR辐射24通过物镜10聚焦并由镜子28指引入移动的薄片50。在一些应用中，辐射可以发射进入输送纤维光缆或光纤并通过输送纤维光缆或光纤传输，以取代穿过自由空间。

在该实施例中，接收器4被配置为用于测量材料50中的三个属性的三通道NIR检测器，并且可以从这些属性中导出诸如水分含量之类的其它特性。接收器4包括分色镜或光纤36、38和40以及对应的检测器42、44和46。针对辐射光谱的特定部分的高透射率和/或辐射光谱的特定其它部分的高反射率，配置每个分色波束分离器。每个检测器42、44和46可以包括光电倍增管（PMT）或其它快速光电检测器。可选地，可以在检测器42、44和46之前分别设置单独的红外带通滤波器和/或强度滤波器37、39和41；以这样的方式，每个检测器仅仅测量落入相关联的滤波器的带通内的部分NIR波束光谱的强度。当采用带通滤波器和强度滤波器两者时，强度滤波器可以设置在紧随带通滤波器的下游端。每个PMT检测器42、44和46捕获从移动薄片50中出现的NIR54的所选择区域。每个检测器产生对应于所测量的光子的强度的输出电检测信号。可以采用分光计取代光纤（分色）以及相关联的单独的检测器。

所述样品行进经过的在传感器头60、62之间的间隙或位移距离“z”可以变化，尤其当双传感器作为扫描仪的一部分运动时。为了消灭（account for）该z“漂移”，可以连续地测量该空隙间距。可以用诸如例如位移传感器之类的常规的设备来实现动态测量，所述位移传感器采用感应或磁31测量设备，在Jasinski及其它人的美国专利No.7199884中描述了所述感应或磁31测量设备，其通过参考并入本文中。将来自z测量的距离信号56传到处理器12，所述处理器12基于z测量计算时间延迟，并且产生至延迟设备16的时间延迟信号。

在该实施例中，NIR辐射的源也提供同步信号，使得指引辐射至所述样品以及测量从所述样品反射的或透射的辐射的步骤被同步为测量作为渡越时间的函数的吸收的过程的一部分。同步信号18由激光器2的模锁器驱动器6产生，并且被指引至电延迟设备16以考虑到扫描期间的z漂移（并其而被修正）。可以采用诸如内建光电二极管之类的其它设备产生该信号。使同步信号18延迟的电子延迟设备16被配置为向处理系统64提供电同步信号22以按同步检测方案有效地接通NIR接收器4。

来自检测器42、44和46的输出是启动TCSPC电子仪器设备的电信号。例如，信号处理系统64耦合至检测器42、44和46以接收电检测信号。在材料50是纸张的情况下，信号处理系统64包括用于存储校准和规范化数据的存储器66以允许计算水分含量、厚度或者纸张重量。信号处理系统64也包括诸如数字信号处理器之类的处理电子仪器设备以及处理器或分析器68，其接收来自处理电子仪器设备的处理后的（放大后的、滤波后的以及转换为数字信号后的）电信号。处理器68组合所接收到的信号以确定材料的至少一个属性。例如，处理器通过测量如由电检测信号表示的每个所检测的光子的到达时间来工作，并且使用算法以在测量基本上独立于与成分中的散射相关联的影响的情况下确定材料50的至少一个属性。

如图1所示，当工作在透射模式下时，可以在传感器头60中安置包括超快的激光器2和超连续光谱产生器8的光源，并且可以在材料50的对面侧上的传感器头62中安置NIR接收器4。NIR传感器也可以工作在反射模式下，在这种情况下，NIR源和接收器两者都设置在与材料50相同的一侧上。通常，在模块58中安置诸如处理器12和电延迟设备16之类的NIR传感器的剩余组件，所述模块58可以位于远离传感器头的位置。

图2描绘了设置在测量间隙内的样品50，所述测量间隙由两个相对面对的传感器头的表面72、74限定。从NIR源（未示出）被指引至样品50的NIR76在样品离开且在NIR接收器（未示出）中检测到之前与样品内的组分相互作用。一部分辐射将被吸收并被散射。样品中的散射程度尤其取决于样品的成分、温度以及NIR的波长。高散射的辐射78在离开之前保留在样品中一更长的时间周期。任意地示出辐射76和78以经历相同数目的散射事件。高散射的辐射78可以经历比辐射76明显更大数目的散射事件。

在NIR传感器的工作中，系统优选地经历相对于被监视的材料的初始标准化进程。在一种标准化技术中，在传感器处于“衬纸”模式，使得没有产品在传感器的测量间隙中的情况下，将由PTFE（特氟龙）或氧化铝（Al₂O₃）的薄层组成的标记插入NIR源与接收器之间的间隙中。此后，激活NIR传感器，并且记录在固定的延迟时间周期上的所有感兴趣的NIR波长处的累计的光子计数。在时间零处的累计的光子计数与当前累计的光子计数之比产生用于每个波长的标准化的修正值。将修正值应用于规范化后来的测量，以便针对辐射源、间隙对齐和其它工作参数中的变化进行修正。另一种标准化技术是使用在密度、厚度和成分方面具有合适的物理属性的标记，使得它包含与待测量的材料的路径长度相似的路径长度。此后，在所有感兴趣的波长处测量仪漂数。在时间零处的仪漂数与当前仪漂数之比产生可应用于后来的测量的标准化的修正值。因为所有的检测器具有不同的光路径，所以标准化信号可以用来使不同的检测通道同步。

图3示出了使用时间相关单光子计数的NIR传感器装置的另一种结构，其中，通过接收器内的快速光电二极管来产生同步信号。通过脉冲激光源102产生超连续光谱光124，所述脉冲激光源102产生激光脉冲114，并且所述激光脉冲114耦合至超连续光谱产生器（非线性纤维）108。NIR辐射124通过物镜110聚焦，并且辐射152由镜子128指引入移动薄片150。接收器104被配置为双通道NIR检测器，并且包括分色镜或光纤136、138和140以及对应的检测器142、144和146。每个检测器可以包括光电倍增管或其它快速光电检测器。可选地，在检测器142、144和146之前分别设置单独的红外带通滤波器和/或强度滤波器137、139和141。每个检测器144和146捕获从移动薄片150中出现的NIR154的所选择区域。每个检测器产生对应于所测量的光子的强度和时序的输出电检测信号。可以在传感器头160中安置超快的激光器102和超连续光谱产生器108，并且可以在传感器头162中安置接收器104。

响应最早传输的光子的快速光电检测器142产生同步信号176以考虑头的移动，所以不需要位移传感器来测量在传感器头160、162之间的间隙距离“z”。同步信号176被指引至处理系统164以使检测器144和146同步，所述检测器144和146使用存储器166和处理器168共同地测量材料150的两个属性。

图4示出了采用声光可调滤波器（AOTF）光源以及时间相关单光子计数的NIR传感器的结构。微镜阵列和合适的光学器件可以用作可调的光栅，以取代使用AOTF。此外，也可以使用诸如液晶可调滤波器之类的其它技术。作为如图1和3所示的NIR传感器的结构的替代，可以使光分散，从而通过使用AOTF仅允许离散的波长通过，在所述如图1和3所示的NIR传感器的结构中，宽带光被指引通过材料。在这种情况下，光将在被测量的材料中散射，并且在接收器处的到达时间将是散射量的强函数。串联地或循序地执行测量的该技术可能比并联地执行测量的图1和3中描绘的技术更慢。

如所示的，通过脉冲激光源202产生宽带光224，所述脉冲激光源202产生激光脉冲214，并且耦合至超连续光谱产生器（非线性光纤）208。NIR辐射224通过物镜210聚焦到AOTF240中。由宽带源208产生的每个脉冲226由AOTF240滤波，使得一次仅产生一个窄的波长带226，并通过镜子228将其指引入移动薄片250。当AOTF240接收并对脉冲226进行滤波时，AOTF240向处理系统264产生对应的波长信息232。接收器204包括镜子238，所述镜子238指引从材料250中出现的辐射254通过滤波器239并进入PMT或快速光电检测器244。PMT244产生对应于所测量的光子的强度和时序的输出电检测信号。图示为从源280中导出的同步信号282可以由激光器产生，并接着由受如图1所示的z传感器控制的电子延迟盒延迟，或者它可以由如图3所示的快速光电检测器产生。在这点上，在前一同步设想中采用z方向传感器231。耦合至检测器244的信号处理系统264接收电检测信号并包括存储器266、处理器或分析器268。

虽然在图4中图示了如配置为将滤波后的辐射252指引入材料250的AOTF240，但是AOTF也可以设置在材料250的下游端。在这种情况下，AOTF对从材料中出现的宽带辐射进行滤波，并且将窄的波长带指引到光电检测器中。可以在传感器头260中安置超快的激光器202和超连续光谱产生器208，并且可以在传感器头262中安置接收器204。

图5示出了NIR传感器装置的结构，其中，NIR辐射353被指引至材料，并且用开窗口技术对从中出现的辐射354进行分析。超连续光谱光324由脉冲激光源302产生，所述脉冲激光源302产生激光脉冲314，并且其耦合至超连续光谱产生器（非线性光纤）308，可以在传感器头360中安置所述超连续光谱产生器（非线性光纤）308。超连续光谱光也可以由其它公知的装置产生。NIR辐射324通过物镜310聚焦，并且由镜子328指引到移动薄片350中。可以安置在传感器头362中的接收器304包括分色镜或光纤滤波器336、338和340以及对应的PMT或快速光电检测器342、344和346。可选地，在检测器342、344和346之前分别设置单独的红外带通滤波器337、339和341。每个检测器产生对应于所测量的光子的强度和时序的输出电检测信号。

图示为从源380中导出的同步信号382可以由激光器产生，并接着由受如图1所示的z位移传感器控制的电子延迟盒延迟，或者它可以由如图3所示的快速光电检测器产生。在这点上，在前一同步设想中采用z方向传感器331。耦合至检测器342、344和346的信号处理系统364接收电检测信号并包括存储器366、处理器或分析器368。为了增强NIR传感器的吸收测量的精确度，实施开窗口组件370以对光子渡越时间开窗口，从而消灭NIR散射。处理器368组合所接收到的信号以通过开窗口确定材料的至少一个属性，处理器据此选通电检测信号以消除在相对于同步脉冲的固定时间窗口以外的信号，并且使用算法以在测量基本上独立于与成分中的散射相关联的影响的情况下确定材料350的至少一个属性。

图6图示了如由NIR传感器测量的在三个不同NIR区域处的渡越时间测量。特别地，测量如由曲线80、82和84表示的随着时间的过去在三个NIR区域处从样品中出现的光子的强度（或数目）。首先检测到的NIR对应于以最低相互作用并因此以在样品中的最短路径长度通过样品的NIR，然而，高散射的NIR稍后被检测。可以预期的是，散射程度将是NIR波长的函数。开窗口组件选择对应于样品中的一定范围的路径长度的点，从而排除具有过度散射的点以及对应于与材料中的组分相互作用不充分的点。如所示的，该技术有效地截断用于测量的曲线的两个外部部分。划界点的选择在目标为增强吸收测量精确度的情况下将取决于曲线的形状。换句话说，处理器368启动并停止测量，使得仅对曲线图中在时间1与2之间到达的光子进行累计。

图7示出了NIR传感器的一种特别实施方式，其中传感器并入扫描仪系统90的双头扫描仪88，采用所述扫描仪系统90在连续的生产过程中测量纸张的属性或薄膜中的聚合物。在安置有NIR源的上部扫描仪头96和安置有NIR接收器的下部扫描仪头94在跨越移动薄片86的宽度的横向上来回地反复移动，所述移动薄片86在机器方向（MD）上移动，从而可以测量整个薄片的特性。扫描仪88由两根横梁92、98支撑，在所述横梁92、98上安装有上部和下部扫描头96、94。下部和上部扫描仪头94、96的操作面限定了容纳薄片86的测量间隙。下部扫描头94可以包括诸如空气轴承稳定器（未示出）之类的薄片稳定系统，以便当薄片穿过测量间隙时将薄片维持在一致的平面上。双扫描仪头94、96的移动是相对于速度和方向同步的，使得它们彼此对齐。

测量粉末状的材料的技术是使用输送机以连续地将材料呈现给本发明的传感器，所述传感器工作在反射模式。在输送带的宽度受限的情况下，进行跨越带的采样将不是必须的，并且单一静止的点测量可以是足够的。或者，可以实施静止的多点测量。

前文已经描述了本发明的原理、优选实施例以及工作模式。然而，不应当将本发明理解为限制到所讨论的特定实施例。由此，上述实施例被认为是例证性的，而非限制性的，并且应当理解的是，在不脱离如由下文的权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以由本领域技术人员在那些实施例中做出变化。