專利名稱：一種在線測量薄塑料膜厚度和雙折射率的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一種測量薄膜特性的設備和方法。具體而言，本發(fā)明涉及測量塑料膜的厚度和雙折射率的共面(in-plane)度的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，在從顆?；蚯蛄＞酆衔飿渲剿芰夏さ闹苽渲校摼酆衔锸紫缺粩D壓以便提供熔化的聚合物的流，然后該被擠壓的聚合物經(jīng)過制膜過程。制膜一般涉及若干分立的程序段，包括形成熔化膜、淬火和結(jié)束。
制膜過程的可選部分是已知的“定位”程序。聚合物的“定位”是其分子構(gòu)造的參照，即分子彼此相對定位。同樣，“定位”過程是這樣的過程通過該過程，方向性(定位)被強加于膜的聚合排列上。應用該定位過程將期望的特性傳遞給膜，包括使鑄造膜更加堅韌(更高的張力特性)。根據(jù)該膜是通過作為平面膜鑄造還是作為管狀膜吹制而制造的，該定位過程需要基本不同的程序。這與由兩種傳統(tǒng)制膜過程制造的膜所擁有的不同物理特性相關(guān)鑄造和吹制。通常，吹制膜趨于具有更大的硬度、韌性和屏障特性。相比之下，鑄造膜通常具有更好的膜透光性以及厚度和平整度統(tǒng)一的優(yōu)點，一般允許使用更寬范圍的聚合物并產(chǎn)生更高質(zhì)量的膜。
通過將聚合物加熱到其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)或該溫度之上但在其結(jié)晶熔點(Tm)之下，然后迅速拉伸該膜來實現(xiàn)定位。在冷卻中，拉伸所強制的該分子排列與結(jié)晶化順利競爭，并且拉出的聚合物分子濃縮為具有結(jié)晶區(qū)域(微晶)的以拉力方向排列的結(jié)晶網(wǎng)絡。作為一般的規(guī)則，定位的度與拉伸的量成比例，與執(zhí)行拉伸時的溫度成反比。例如，如果基礎材料在較高的溫度被拉伸為其原始長度的兩倍(2∶1)，那么產(chǎn)生的膜的定位傾向于比另一個在較低溫度上2∶1拉伸的膜小。此外，較高的定位還通常和較高的模數(shù)相關(guān)，即顯著更高的硬度和強度。
當膜已經(jīng)在單個方向(單軸定位)上拉伸，那么產(chǎn)生的膜在拉伸方向上具有很大的強度和硬度，但在其他方向上(例如與拉伸垂直方向上)強度和硬度就弱了，因此被彎曲或被拽時經(jīng)常分裂或撕破成纖維(形成原纖維的)。為了克服該局限，應用雙向或雙軸定位來更均勻的分配兩個方向上的膜的強度，其中微晶是似片狀的而不是纖維狀的。這些雙軸定位的膜傾向于更堅硬和更結(jié)實，并且具有更好的抵抗彎曲或折疊力的能力，使它們更好得用于包裝應用中。
從實際的觀點來看是可能的，但是技術(shù)上和機械上于兩個方向上同時拉伸膜來雙軸定位膜就非常困難。為此目的的設備是已知的，但采用起來非常昂貴。結(jié)果，大多數(shù)雙軸定位過程使用了依次拉伸膜的設備，首先在一個方向，然后在另一個方向拉伸。再出于實際的原因，典型的定位設備首先在膜的行進方向上拉伸膜，即軸向或“縱向”(MD)上，然后在縱向的垂直方向上，即“橫向”(CD)上拉伸膜。
膜可以被定位的程度還依賴于膜是什么樣的聚合物制造的。聚丙烯，以及聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和NYLON，是高度晶體狀的聚合物，并且易于熱穩(wěn)定以形成空間上穩(wěn)定的膜。在塑料工業(yè)中，普通的雙軸定位的或“雙軸(biax)”膜包括MYLAR(雙軸定位的聚酯或BOPET)，NYLON(雙軸定位的聚酰胺或BOPA)，以及雙軸定位的聚丙烯(BOPP)。雙軸定位的聚合膜以及它們的制備方法在本領(lǐng)域中是已知的，并描述在例如給與Lin的美國專利No.6,379,605，給與Shirokura等人的專利6,174,655，Kishida等人的5,912,060，給與Lin的5,552,011和給與Sasaki等人的5,268,135中，通過引用將其結(jié)合在此。
塑料膜的厚度、基本重量和分子定位的在線測量可以用來控制制備雙軸定位塑料的過程。能夠通過折射率橢球來描述在膜中的定位，其由沿3個軸向的折射率來定義，即縱向、橫向和厚度方向。雙折射率是這些折射率中兩個之間的差。在薄膜中，特別關(guān)注的雙折射率是共面雙折射率，其定義為沿著縱向(MD)和橫向(CD)上的的折射率之間的差。聚合物中的雙折射率是分子定位中各向異性的結(jié)果。這樣的各向異性發(fā)生在雙軸制備過程中，其中膜的拉伸導致了在縱向和橫向上的分子定位。
一種確定厚度的光學技術(shù)是測量由樣本在紅外線(IR)光譜的兩個或更多波長頻帶中吸收的光的量。最簡單的例子就是，使用兩個頻帶，測量頻帶和參考頻帶。選擇該測量頻帶來與目標材料(要被測量的膜)中的強吸收一致，選擇參考頻段來與目標材料的弱吸收區(qū)域相匹配。
透射率測量是基于Beer定律，其規(guī)定了I＝I0e-μw，其中I0是沒有樣本的信號，I是具有樣本的信號，μ是吸收系數(shù)，w是樣本的重量。同樣地，這可以寫成w＝)(1/μ)ln(I0/I)。因此對于給定的IR輻射波長，膜的重量或者厚度是與衰減的對數(shù)成比例的。
實際上，當在薄膜狀況中測量時由于干涉條紋效應，該透射技術(shù)的精確度被限制了。被測膜的透射以及反射光譜中的條紋是由于從膜表面反射的光與穿過膜透射的光干涉而發(fā)生的。圖1示出了一個實例，其顯示了當在不同波長處測量16μm的聚酰胺膜的透射時，形成的干涉條紋31。結(jié)果，對于這種膜，傳感器校準誤差顯著增大，使得測量不準確。薄膜厚度的下限是約15-30微米，并且依賴于膜的材料。
為了理解條紋效應，假定有厚度為d以及折射率為n2的薄膜，放置在如圖2所示的另一種材料上。膜的頂部和底部將反射一部分光。透射光的總量包括來自這些多個反射的成分。由于光的似波本質(zhì)，來自兩個界面的發(fā)射可以根據(jù)它們的相位關(guān)系建設性地或破壞性地加在一起。它們的相位關(guān)系由來自這兩個界面的反射的光程長度的差來確定，其又由膜厚度d和折射率n來確定。當光程等于整數(shù)的多個光波長時，反射是同相的，并且由此建設性地相加。對于垂直地入射在膜上的光，那么當2nd＝iλ時，就發(fā)生建設性的相加，其中d是膜的厚度，i是整數(shù)，λ是入射輻射的自由空間波長。相反，當光程是波長的一半，不同于同相條件時或者當2nd＝(i+1/2)λ時，反射就不同相，并破壞性地相加。
性質(zhì)上，這些多個反射導致了具有cos(4πnd/λ)分量的透射振幅，或者由下式給出透射強度I＝B0+A0cos(4πnd/λ)(1)反射強度將具有相似的周期分量。
由此，很顯然透射率將周期地隨著波數(shù)2π/λ變化。此外，在給定波長(折射率n是依賴于波長的)下，振動頻率與膜厚度d成比例。透射的光能夠被位于膜相對側(cè)的傳感器檢測。假設n(λ)是已知的，適合方程1的透射光譜將給出厚度d。
因為條紋的譜位置取決于膜厚度，通過測量干涉條紋并從條紋參數(shù)中提取膜厚度，已經(jīng)致力于將當前的透射傳感器引入到薄膜狀況。
在在線監(jiān)測應用中，雙折射率通常直接通過使用偏振測定技術(shù)測量光延遲來獲得。該技術(shù)描述在給與Ajji等人的美國專利No.5,864,403中。延遲是材料的雙折射率和厚度的產(chǎn)物。因此，延遲隨著雙折射率的減小和厚度的減小而減小。在非常薄的膜的限度內(nèi)(低于20-30μm)，很難測量延遲。這是由于其變小的事實，并且干涉條紋會影響測量。本發(fā)明的目的在于使用干涉條紋來測量薄膜的雙折射率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明部分地基于測量薄膜的共面雙折射率技術(shù)的發(fā)展，通過使用非偏振的和沿著MD和CD方向線性偏振的光測量透射或反射光譜中的干涉條紋來測量薄膜的共面雙折射率可以在薄膜和雙折射率傳感器中實施本發(fā)明，雙折射率傳感器用于描述透明聚合物膜的特性，該聚合物膜主要由雙軸定位的聚合物構(gòu)成，該定位聚合物膜可在生產(chǎn)線上連續(xù)地制造。
在一個實施例中，本發(fā)明指向一種分析膜的一個或多個特性的方法，該膜在縱向上運動，所述方法包括以下步驟(a)提供產(chǎn)生探測光束的寬帶輻射源；(b)沿著光束路徑導引探測光束到膜上或穿過膜，以使該探測光束從膜反射以形成第一輸出光束，或者穿過膜透射以形成第二輸出光束；(c)提供分析器以確定第一輸出光束或第二輸出光束在期望的波長或波長頻帶處的強度；(d)在光束路徑中放置中性密度濾光片、第一偏振濾光片、或第二偏振濾光片，以使該中性密度濾光片、第一偏振濾光片、或第二偏振濾光片位于寬帶輻射源和分析器之間的光束路徑中；以及(e)利用非偏振和線性偏振光的譜條紋的差來計算膜的雙折射率特性。
在另一個實施例中，本發(fā)明指向一種分析膜的一個或多個特性的系統(tǒng)，該膜在縱向上運動，該系統(tǒng)包括(a)產(chǎn)生探測光束的寬帶輻射源；(b)沿著光束路徑導引探測光束到膜上或穿過膜的裝置，以使該探測光束被反射以形成第一輸出光束，或者穿過膜透射以形成第二輸出光束；(c)分析器裝置，用于確定第一輸出光束或第二輸出光束在期望的波長或波長頻帶處的強度；
(d)第一偏振濾光片；(e)第二偏振濾光片，其中第一偏振濾光片具有平行于縱向的線性偏振方向，以及第二偏振濾光片具有垂直于縱向的線性偏振方向，其中第一偏振濾光片和第二偏振濾光片位于寬帶輻射源和分析器裝置之間；和(f)計算裝置，用來利用非偏振和線性偏振光的譜條紋的差來計算膜的雙折射率特性。
在薄膜的厚度和雙折射率測量的優(yōu)選技術(shù)中，會產(chǎn)生采用非偏振光同時測量的透射或反射光的光譜、沿著MD方向的線性偏振光和沿著CD方向的線性偏振光。從而可以確定沿著塑料膜的運動幅面(web)的具體點處的厚度和雙折射率的值。
在另外的技術(shù)中，其特別應用于當生產(chǎn)過程處于穩(wěn)態(tài)時，幅面的厚度和雙折射率分布圖(profile)通過使用以下測量來獲得(i)非偏振光；(ii)沿著MD方向的線性偏振光和(iii)沿著CD方向的線性偏振光。當順序地執(zhí)行測量時只需要一個分析器。


圖1是測得的16μm厚的聚酰胺(NYLON)膜的非偏振輻射的透射率百分比隨波長變化的曲線圖，其顯示了干涉條紋。
圖2顯示了穿過厚度為d的薄膜的光波的基本概念圖。
圖3A顯示了系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有多通道檢測器組件和位于源光束和幅面之間的偏振濾光片，其中(i)濾光片和源光束以及(ii)組件位于幅面的相對側(cè)。
圖3B顯示了系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有多通道檢測器組件和位于源光束和幅面之間的偏振濾光片，其中(i)濾光片和源光束以及(ii)組件位于幅面的同一側(cè)。
圖4A顯示了系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有在幅面和多通道檢測器組件之間的偏振濾光片，其中源光束和組件位于幅面的相對側(cè)。
圖4B顯示了系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有在幅面和多通道檢測器組件之間的偏振濾光片，其中源光束和組件位于幅面的同一側(cè)。
圖5A顯示了系統(tǒng)的示意圖，其中3個分光計用來同時測量，其中源光束和組件位于幅面的相對側(cè)。
圖5B顯示了系統(tǒng)的示意圖，其中3個分光計用來同時測量，其中源光束和組件位于幅面的同一側(cè)。
圖6A顯示了系統(tǒng)的示意圖，其中該系統(tǒng)具有一個分光計用來順序測量，其中源光束和組件位于幅面的相對側(cè)。
圖6B顯示了系統(tǒng)的示意圖，其中該系統(tǒng)具有一個分光計用來順序測量，其中源光束和組件位于幅面的同一側(cè)。
圖7顯示了偏振濾光輪，包括中性密度濾光片、第一線性偏振濾光片和第二線性偏置濾光片。
圖8圖示了紅外膜厚度測量系統(tǒng)的源組件。
圖9顯示了接收器組件。
圖10顯示了安裝在接收器組件的中心柱狀物的通道。
圖11顯示了從測量5μm和16μm NYLON膜形成的干涉條紋。
圖12是透射率百分比隨波長變化的圖，其顯示了使用非偏振和線性偏振光的在5微米厚的MYLAR膜的干涉條紋中的預示的變化，假設雙折射率為0.05。
優(yōu)選實施例詳述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種新的紅外(IR)膜測量系統(tǒng)。本發(fā)明部分基于這樣的認識厚度測量的唯一需要是在測量波長范圍中方向的平均(沿著MD和CD方向)折射率。能夠從文獻中獲得該折射率值的非常準確的估算。更精確的值可以在利用非偏振光源在線校準期間或者在使用商業(yè)產(chǎn)品的實驗室中獲得。
一旦確定了膜的厚度，那么在MD和CD方向上的折射率nMD和nCD，能夠分別通過測量穿過膜透射或者被膜反射的線性偏振光的光譜來獲得。為了獲得MD和CD折射率，該光分別在MD和CD方向上被線性偏振。該透射光譜具有以下的形式。
IMD＝B1+A1cos(4πnMDd/λ)(3)ICD＝B2+A2cos(4πnCDd/λ)(4)將測量的數(shù)據(jù)應用于方程3和4，產(chǎn)生了nMD和nCD，假設厚度d是從使用非偏振光的測量中已知的。該共面雙折射率被定義為Δ＝nMD-nCD，或者被定義為MD和CD折射率的差。應當注意，nMD和nCD被假設具有與平均折射率相同的波長相關(guān)性。因此，該條紋測量技術(shù)可以用來測量薄膜狀況中的雙折射率。
已經(jīng)假設作為拉伸過程的結(jié)果、膜的折射率橢球的軸是沿著MD、CD和常規(guī)方向上定位的。因此在CD或MD方向上的線性偏振光的偏振透過膜傳輸而未改變。因為膜的非常薄的特性，所以非偏振光束的雙折射率或延遲效應被認為是可以忽略的。
圖3-7圖示了本發(fā)明的各種實施例，其中采用非偏振和線性偏振光測量來自薄膜的光譜條紋的差，以便確定它們的厚度和共面雙折射率。該過程尤其適合于一般1μm到50μm以內(nèi)厚的透明塑料膜，并優(yōu)選1μm到20μm以內(nèi)厚的透明塑料膜。當順序執(zhí)行時，該過程只需要一個分析器。當同時執(zhí)行時，該過程優(yōu)選使用三個分析器。該分析器一般具有從400nm到5000nm的工作光譜范圍。
當越過幅面掃描傳感器時，即在CD方向上，那么就獲得了膜的厚度和雙折射率分布圖。使用已知的塑料密度也能計算基本的重量分布圖(weightprofile)。
如圖3A所示，一種用于分析膜特性的系統(tǒng)包括分析器，該分析器包括位于薄的、接近透明的塑料幅面88一側(cè)例如其上的多通道檢測器70，該塑料幅面88例如沿著縱向(MD)運動。橫向(CD)是橫過MD的方向。該多通道檢測器70包含其中設置了3個光束分裂器74的主體。每個光通道包括檢測器72、透鏡76和相關(guān)聯(lián)的IR頻帶選擇濾光片。該6個濾光片被指定為78A、78B、78C、78D、78E和78F。這些濾光片一般是干涉濾光片，它們具有由兩個阻擋頻帶包圍的光譜透射頻帶，這兩個阻擋頻帶只允許一部分光譜通過。這導致高透射位于所選擇的波長中心。在檢測器70的末端是反射鏡75，在最接近的或入口端是聚焦透鏡86。在該圖中，為清楚起見，只顯示了6個光通道；該檢測器可以具有另外的光通道和相應的檢測器。合適的檢測器72包含光電導的或光電檢測器，其具有的元件由PbS、PbSe、InGaAs、Si、碲鎘汞(MCT)、InAs、Ge和InSb構(gòu)成。
還如圖3A所示，該系統(tǒng)還包括IR輻射源82和拋物柱面鏡84用于將來自源的光聚焦以便產(chǎn)生探測光束。偏振濾光輪80被放置成，以使該探測光束在到達運動的幅面88之前通過該偏振濾光輪。如圖7所示，該偏振濾光輪80包括第一和第二線性偏振濾光片80A、80B和中性密度濾光片80C。該偏振濾光輪80包含旋轉(zhuǎn)輪的機構(gòu)以便濾光片80A、80B或80C能夠以預定的間隔被插入在輻射源82和幅面88之間，即在每一次采集之后或在一個CD掃描之后或在多個CD掃描之后。穿過濾光片80A的光優(yōu)選在與縱向平行的線性偏振的方向上被線性偏振，穿過濾光片80B的光優(yōu)選在線性偏振方向即CD方向即垂直于縱向的方向上被線性偏振。該中性密度濾光片80C減小或衰減輻射的強度，該輻射穿過但留有未偏振的輻射。正如這里所使用的，術(shù)語“中性密度濾光片”還意味著包圍一個開孔，其在強度上有零縮減量。使用減小該強度的中性密度濾光片優(yōu)選地與中性密度濾光片是開放式的情況相反。可以使用后一種情況，例如，如果可以通過合適的軟件調(diào)整電子增益。
當該輻射源82被放置于運動的幅面88之下，如圖3A所示，多通道檢測器70測量穿過幅面88的透射率。可替換地，如圖3B所示，當輻射源82位于與多通道檢測器70相同的一側(cè)時，測量從運動幅面88反射的輻射。
在操作中，來自IR源82的寬帶輻射82從拋物柱面鏡84反射以形成在入射到幅面88之前穿過偏振濾光輪80的準直探測光束。從幅面88的出射的輻射，或者透射的或者反射的輻射，被透鏡86聚焦到多通道檢測器70，其中光束被光束分裂器74分為多個平行的光束。每個平行的光束在到達檢測器72之前穿過窄帶通濾光片例如72A。當該偏振濾光輪80旋轉(zhuǎn)時，線性偏振濾光片80A、80B或中性密度濾光片80C以可以相同的預定的時間間隔被插入到探測光束的路徑中。應當注意，濾光片80A、80B和80C被順序插入的次序是設計選擇的問題。換句話說，偏振濾光輪80可以順時針方向旋轉(zhuǎn)或者逆時針旋轉(zhuǎn)。幅面88的雙折射率、厚度和其它特性可以使用非偏振和線性偏振光的光譜條紋的差來計算。
由于在幅面的MD方向上大的厚度可變性，優(yōu)選采用具有高信噪比的快速檢測器，例如InGaAs檢測器，并且使用快速斬波頻率或調(diào)制的超級發(fā)光二極管(SLD)用于IR源。
圖4A和4B圖示了多通道檢測器90的另一種配置，其中偏振濾光輪80沿著來自輻射源82的探測光束路徑被放置在運動的幅面88和檢測器90之間。該系統(tǒng)基本上與圖3A和圖3B顯示的一樣，所以其包含位于運動幅面88一側(cè)的多通道檢測器90，其具有位于運動幅面任一側(cè)的輻射源82。在該實施例中，偏振濾光輪80沿著探測光束的路徑位于透鏡86的前面，以使從運動幅面88出射的透射的(圖4A)或者反射的(圖4B)輻射將在進入多通道檢測器90之前穿過偏振濾光輪80。該系統(tǒng)的操作基本上也一樣。
圖5A、5B、6A和6B圖示了本發(fā)明的實施例，其中分析器包括一個或多個分光計。優(yōu)選的是衍射光柵類型的分光計。使用分光計消除了對單獨帶通濾光片和檢測器的需要。分光計測量給定波長范圍的全光譜。在分光計中單獨波長頻帶的一般數(shù)量例如是256、512或更高。
在圖5A和5B所示的系統(tǒng)中，使用3個分光計，這樣為在MD方向上的非偏振光和線性偏振光和在CD方向上的線性偏振光同時記錄條紋圖案。在該方式中，在運動幅面124上同一地點執(zhí)行所有的測量。具體的是，如圖所示，該系統(tǒng)包含檢測器組件100，該檢測器組件100具有兩個沿著中間通道放置的光束分裂器108和109和容納分光計102、104和106的三個光通道。反射鏡114和116將光反射回中間通道。放置在分光計102、104和106之前的分別是線性偏振濾光片112、線性偏振濾光片110和中性密度濾光片或光闌111。該系統(tǒng)100還包含IR輻射源130和拋物柱面反射鏡122。該輻射源130放置在與運動膜124的相同的(圖5B)或相對的一側(cè)(圖5A)。在另一個情況中，穿過幅面透射或從幅面反射的輻射被透鏡118聚焦到分光計。光束分裂器108將一部分輻射導引至分光計106，而一部分光穿過光束分裂器109，其又將光導引至分光計102和104。顯而易見，分光計106分解非偏振光，而分光計102和104分解分別穿過線性偏振濾光器112和110的光。在該系統(tǒng)中，同時進行所有的三種測量。
在本發(fā)明的另一個實施例中，源和接收器位于幅面的相同側(cè)。測量反射強度而不是透射強度。技術(shù)上，該測量可以在反射幾何學中完成。這具有更高條紋可見性的優(yōu)點。但是可能要遭受薄片顫動帶來的靈敏度損失。
圖6A和6B圖示了系統(tǒng)130的一個實施例，該系統(tǒng)130包含分光計132和偏振濾光輪80，該偏振濾光輪80過濾進入分光計132的輻射。該系統(tǒng)130還包含IR輻射源140和相關(guān)聯(lián)的拋物柱面鏡138。如圖所示，相對于運動幅面150的位置，輻射源140可以放置在如分光計132的同一側(cè)(圖6B)，或者其可以放置在相對側(cè)(圖6A)。在另一個情況中，透射過運動幅面150的輻射或者從運動幅面150反射的輻射被透鏡136聚焦到偏振濾光輪80。
在操作中，從運動幅面150出射的輻射由透鏡136準直并被導向正在旋轉(zhuǎn)的偏振濾光輪80，以使該線性偏振濾光片80A、80B或中性密度濾光片80C以預定的時間間隔被依次插入輻射光束的路徑。幅面150的雙折射率、厚度和其它屬性可以使用非偏振和線性偏振光的譜條紋的差來計算。
圖7顯示了偏振濾光輪的實施例，其包含中性密度濾光片80A、第一線性偏振濾光片80B和第二線性偏振濾光片80C。該偏振濾光輪80包含以期望的速度旋轉(zhuǎn)該輪的馬達。在該方式下，探測光束以預定的時間間隔穿過這些濾光片中的每一個。
圖8圖示了適當?shù)腎R源組件40。IR源將寬帶IR脈沖傳輸?shù)缴舷骂^之間的樣本。其包括白熾光41、反射鏡42和用于調(diào)制IR能量的支持硬件。由于其尺寸小，使用石英鎢鹵燈，并且在應用中該石英外殼對于在所關(guān)心波段的IR能量來說是透明的。燈的小燈絲使其可能將大部分的能量聚焦到窗口。來自石英鎢鹵燈的輻射被反射鏡42聚焦在光管上。所需要的唯一調(diào)整是通過在固定器上滑動該燈來對其聚焦，以在分析器或接收器處使該信號強度最大化。
使用斬波器43來調(diào)制IR能量，該斬波器是具有優(yōu)選地為八個均勻間隔的洞的、輕的、旋轉(zhuǎn)的不銹鋼盤。其由無刷DC馬達44驅(qū)動，該馬達在620±25Hz處調(diào)制輻射。調(diào)制IR能量將防止在接收器內(nèi)由檢測器接收的信號被周圍的光或者被檢測器中產(chǎn)生的低頻噪聲所模糊。
樣本單元位于IR源和接收器窗口之間的空間中，在其中IR能量與要被測量的樣本相互作用。該要被測量的樣本膜被放置在這里以便與IR能量相互作用。非常重要的是，被傳送的IR能量僅僅由樣本的特征來確定，而不是由無關(guān)的效應確定，諸如灰塵和頭部未對準或分離。
一個適當?shù)慕邮掌鹘M件50顯示在圖9中。接收器的功能是同時讀取在所有被選擇的頻帶上所傳輸?shù)哪芰?。這通過使用光束分裂器(圖10中的66)來完成以便將能量分割成一系列平行的光束。然后每個光束穿過設計成用來通過預定波段的濾光片，并且在該波段中的總能量由光導或光電檢測器檢測。每個檢測器具有其自己的傳統(tǒng)的電子裝置57，其放大接收到的信號，將其轉(zhuǎn)換為DC，并將其傳送到接收器。
該接收器組件50具有優(yōu)選支持多達十二個通道的能力，并能夠在需要時加載另外的通道。中心鋁51柱狀物具有插口55，其可以支持多達十二個通道。該中心柱狀物51被安裝到頂板中(未示出)的水冷卻盤上，以便冷卻傳感器。
圖10顯示了安裝到中心柱狀物65的通道。在圖中，為了清楚起見只顯示了安裝六個通道。其他的通道可以在需要時在插口55處被安裝到中心柱狀物51。每個通道包括檢測器63、IR頻帶選擇濾光片67、透鏡68和支持電子裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選地一次使用多達十二個通道。來自電子裝置的熱量和檢測器的珀耳帖冷卻被檢測器組件通過柱狀物55傳導到水冷盤。
裝載薄膜樣本69并固定在樣本單元中，操作IR源40傳輸通過樣本的寬波段IR脈沖。該接收器同時讀取在所有所選頻帶中傳輸?shù)哪芰?，并且每個檢測器的輸出被傳送到信號處理電路45(圖8、9)以處理信號。而后該波長和透射率百分比可以用電子儀器繪制在圖上。
圖11顯示了從使用傅立葉變換紅外(FTIR)分光計來測量5和16μm NYLON膜而形成的干涉條紋。為了檢測干涉條紋的特有的特征，使用適當選擇的光學濾光片。在條紋下面的陰影區(qū)域表示了推薦的用于十二通道IR傳感器的濾光片波長。
圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明當使用非偏振光和線性偏振光時，5μm薄MYLAR膜的干涉條紋。
本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的描述是為了示例和描述的目的而提供的。其不是為了窮舉本發(fā)明或者為了限制本發(fā)明為所公開的精確形式。選擇并描述了許多實施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和其實際的應用，由此使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例，以及適于期望的特定用途的各種變化。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求和其等價物定義。
權(quán)利要求
1.一種分析膜的一個或多個特性的方法，該膜在縱向上運動，所述方法包括以下步驟(a)提供產(chǎn)生探測光束的寬帶輻射源(82，130，140)；(b)將所述探測光束沿著光束路徑導引到所述膜上或穿過所述膜(88，124，150)，以使所述探測光束從所述膜(88，124，150)反射以形成第一輸出光束，或者透過所述膜(88，124，150)以形成第二輸出光束；(c)提供分析器(70，90，100，130)以確定所述第一輸出光束或所述第二輸出光束在期望的波長或波長頻帶處的強度；(d)在所述光束路徑中放置中性密度濾光片(80C，111)、第一偏振濾光片(80A，112)、或第二偏振濾光片(80B，110)，以使所述中性密度濾光片(80C，111)、所述第一偏振濾光片(80A，112)、或所述第二偏振濾光片(80B，110)位于所述寬帶輻射源(82，130，140)和所述分析器(70，90，100，130)之間；(e)使用非偏振和線性偏振光的光譜條紋的差來計算所述膜(88，124，150)的雙折射率特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法還包括，在步驟(e)之前利用曲線擬合算法中預定波長或波長頻帶處的透射的或反射的能量數(shù)據(jù)，以恢復光譜條紋的完全曲線并計算所述膜(88，124，150)的一個或多個特性。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析器(90)包括多通道檢測器，該多通道檢測器包含具有相應的單個元件檢測器(72)的多個窄帶通濾光器(78A，78B，78C，78D，78E，78F)和多個光束分裂器(74)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析器(130)包括分光計(132)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析器(100)包括第一分光計(102)、第二分光計(104)和第三分光計(106)，其中所述方法進一步包括以下步驟將所述輸出光束分為(i)通過所述第一偏振濾光片(112)的第一光束，所述第一偏振濾光片(112)在所述第一光束進入所述第一分光計(102)之前在平行于所述縱向的線性偏振方向上線性偏振所述第一光束，(ii)通過所述偏振濾光片(110)的第二光束，所述偏振濾光片(110)在所述第二光束進入所述第二分光計(104)之前在垂直于所述縱向的線性偏振方向上線性偏振所述第二光束；以及(iii)第三光束，其在進入所述第三分光計(106)之前通過所述中性密度濾光器(111)。
6.一種分析膜的一個或多個特性的系統(tǒng)，所述膜在縱向上運動，所述系統(tǒng)包括(a)產(chǎn)生探測光束的寬帶輻射源(82，130，140)；(b)用于將所述探測光束沿著光束路徑導引到所述膜(88，124，150)上以形成第一輸出光束或穿過所述膜(88，124，150)以形成第二輸出光束的裝置；(c)用于確定所述第一輸出光束或所述第二輸出光束在期望的波長或波長頻帶(70，90，100，130)處的強度的分析器裝置；(d)第一偏振濾光片(80A，112)；(e)第二偏振濾光片(80B，110)，其中所述第一偏振濾光片(80A，112)具有平行于所述縱向的線性偏振方向，所述第二偏振濾光片(80B，110)具有垂直于所述縱向的線性偏振方向，其中所述第一偏振濾光片(80A，112)和所述第二偏振濾光片(80B，110)位于所述寬帶輻射源(82，130，140)和所述分析器裝置(70，90，100，130)之間；和(f)用來利用非偏振和線性偏振光的光譜條紋的差來計算所述膜(88，124，150)的雙折射率特性(45，57)的計算裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述計算裝置(45，57)利用曲線擬合算法中預定波長或波長頻帶處的透射的或反射的能量數(shù)據(jù)，以恢復光譜條紋的完全曲線并計算所述膜(88，124，150)的一個或多個特性。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述分析器(90)包括多通道檢測器，該多通道檢測器包含具有相應的單個元件檢測器(72)的多個窄帶通濾光器(78A，78B，78C，78D，78E，78F)和多個光束分裂器(74)。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述分析器(130)包括分光計(132)。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述分析器(100)包括第一分光計(102)、第二分光計(104)和第三分光計(106)，并且其中所述系統(tǒng)進一步包括裝置，該裝置用于將所述輸出光束(108，109)分為(i)通過所述第一偏振濾光片(112)的第一光束，所述第一偏振濾光片(112)在所述第一光束進入所述第一分光計(102)之前在平行于所述縱向的線性偏振方向上線性偏振所述第一光束，(ii)通過所述偏振濾光片(110)的第二光束，所述偏振濾光片(110)在所述第二光束進入所述第二分光計(104)之前在垂直于所述縱向的線性偏振方向上線性偏振所述第二光束；以及(iii)在進入所述第三分光計(106)之前通過所述中性密度濾光器(111)的第三光束。
全文摘要
提供一種分析薄膜特性的系統(tǒng)和方法，由此通過采用非偏振光和沿著MD和CD方向的線性偏振的光來測量透射或反射光譜中的干涉條紋以確定薄膜的共面雙折射率。三種光譜可同時或順序測量。當在生產(chǎn)線上連續(xù)制備膜時，該共面雙折射率數(shù)據(jù)可用于描述透明聚合物膜的特性，該聚合物膜主要由雙軸定位聚合物構(gòu)成。
文檔編號G01J4/00GK1811383SQ200510107399
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者S·蒂克西爾 申請人:霍尼韋爾國際公司