通过近红外高光谱成像进行测量的薄膜厚度测量仪

文档序号:24019 发布日期:2021-09-21 浏览:20次 >En<

阅读说明:本技术 通过近红外高光谱成像进行测量的薄膜厚度测量仪 (Film thickness measuring instrument for measuring by near-infrared hyperspectral imaging ) 是由 X·陈 J·王 M·M·毕晓普 C·M·瑟伯 M·本尼迪克特 H·金 E·L·马驰班克斯 于 2020-01-22 设计创作,主要内容包括:本发明教导包含测量整个薄膜厚度的方法。所述方法可以包含形成聚合物薄膜(10)以及用同时采集多个点的空间图像和光谱图像的相机(20)来测量所述薄膜(10)的厚度。所述相机可以从所述薄膜的某条线采集线图像。所述相机可以是高光谱近红外相机。在分析在所述测量步骤期间采集的原始数据时,可以使用经典最小二乘分析来校正所述原始数据的条纹。(The present teachings encompass methods of measuring the thickness of the entire film. The method may include forming a polymer film (10) and measuring a thickness of the film (10) with a camera (20) that simultaneously acquires spatial and spectral images of a plurality of points. The camera may capture a line image from a certain line of the film. The camera may be a hyperspectral near infrared camera. In analyzing the raw data acquired during the measuring step, the fringes of the raw data may be corrected using a classical least squares analysis.)

通过近红外高光谱成像进行测量的薄膜厚度测量仪

技术领域

总体上,本发明教导涉及对薄膜的厚度的测量。更具体地,本发明教导涉及高光谱相机和其用于测量薄膜的厚度的用途。

背景技术

聚合物薄膜材料用于宽范围的产品和包装中。这些薄膜材料通常被归类为包装或非包装。包装薄膜可以用于食品应用、非食品应用和其它应用。食品包装薄膜可以用于例如产品袋、烘焙食品、面包和糖果;用于包裹肉类、家禽、海鲜或糖果;或用于盒装袋或沸腾袋。非食品包装薄膜可以用于例如装货麻袋、气泡布、信封和工业衬垫。其它包装可以包含拉伸和收缩包裹。非包装薄膜应用包含食品杂货袋、罐头衬垫、农业薄膜、建筑薄膜、医疗保健薄膜、服装袋、家用包裹以及甚至作为一次性尿布的组成部分。

在生产这些薄膜时,重要的是维持期望的厚度和减小薄膜的测量仪变化。提供多个数据点也很重要,因为在采集到的数据点较少时,可能会遗漏薄膜的弱点。

生产这些薄膜的一种方法是通过吹塑薄膜工艺。在吹塑薄膜工艺中测量薄膜的厚度的系统依赖于在线厚度测量装置将实时薄膜厚度发送到自动模具或自动空气环以控制测量仪变化。目前,吹塑薄膜行业中使用多种类型的厚度测量仪技术。

在历史上,γ后向散射传感器或电容传感器已经用于吹塑薄膜应用中的气泡上来测量总厚度。透射传感器(例如,β、γ、x射线和近红外)已经用于塌缩的气泡或两层薄膜(也被称为扁置件(layflat))上。

传统的电容传感器必须接触薄膜表面以测量厚度。然而,接触薄膜有撕裂薄膜的风险,并且具有一定的局限性,因为其无法测量粘性薄膜。最近,压缩空气已经用于控制电容传感器与薄膜表面之间的小间隙,以克服这些缺点。然而,扫描速度非常慢,并且一次测量单个位置。因此,其无法提供全薄膜厚度曲线。另外,如果用于吹塑薄膜应用中,则这需要稳定的气泡。生产期间气泡形状的任何显著变化都可能将传感器销推入到气泡中并导致生产故障。

如β、γ、x射线和红外线之类的扫描仪全部都是单点扫描技术。因此,它们也无法提供全薄膜厚度曲线。用于测量薄膜的厚度曲线的其它测量仪非常昂贵并且无法扫描宽薄膜。

尽管有努力改进薄膜厚度的测量或监测薄膜(例如,在生产期间),仍然需要实时测量整个薄膜厚度以更好地控制过程。

发明内容

本发明教导利用通过其可以采用相对较少的组件来实现对样品的厚度的测量的一种简单且简洁的构建方法。测量可以在不接触样品的情况下进行。测量可以快速和/或实时地进行。测量可以在线(例如,在形成薄膜、薄片或薄板的过程期间)发生。测量可以离线(例如,在形成薄膜、薄片或薄板之后)进行。

本发明教导包含一种方法,所述方法包含获得聚合物薄膜、薄片或薄板以及测量其厚度。所述测量步骤可以是使用一次采集多个点的空间图像和光谱图像的相机来执行的。这可以允许测量整个薄膜厚度和/或生成全薄膜厚度曲线。所述相机可以从所述薄膜、薄片或薄板的某条线采集线图像。所述线图像可以包含约10个像素或更多、约20个像素或更多、约100个像素或更多或甚至约300个像素或更多。所述光谱图像可以包含约10个像素或更多、约20个像素或更多、约100个像素或更多或甚至约300个像素或更多。所述光谱图像可以例如覆盖红外线和/或近红外线的波长(例如,约800到25,000nm、约12,500到400cm-1或两者)。所述相机可以是高光谱相机。所述相机可以是高光谱近红外相机。所述测量步骤可以实时进行。所述测量步骤可以在纵向上进行。所述测量步骤可以在横向上进行。

所述薄膜、薄片或薄板可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯、尼龙、聚氯乙烯、乙酸纤维素、玻璃纸、半压花薄膜、生物塑料、可生物降解塑料或其组合。所述薄膜可以由如吹塑、流延、挤出、压延辊、溶液沉积、刮削、共挤出、层压、挤出涂层、旋转涂层、沉积涂层、浸渍涂层或其组合之类的操作形成。获得步骤可以包含使用吹塑薄膜工艺形成薄膜。所述吹塑薄膜工艺可以包含形成薄膜气泡。所述测量步骤可以是对所述气泡执行的,以确定所述气泡的厚度。可以围绕所述气泡安装多个相机,以测量整个气泡。单个相机可以围绕所述气泡旋转以测量整个气泡。吹塑薄膜工艺可以包含使薄膜气泡塌缩以产生扁置件。所述测量步骤可以是对所述扁置件执行的,以确定所述扁置件或其一个或多个层。

本发明教导还考虑了使用高光谱相机绘制和计算厚度。可以校正在所述测量步骤中采集的原始数据的条纹(例如,使用经典最小二乘分析)。

因此,本发明教导允许使用高光谱成像对薄膜、薄片或薄板进行测量。

根据本公开的第一特征,一种方法包括以下步骤:获得聚合物薄膜、薄片或薄板;以及测量所述薄膜、薄片或薄板的厚度,其中所述测量步骤是使用同时采集多个点的空间图像和光谱图像两者的相机来执行的。根据本公开的第二特征,所述相机从所述薄膜、薄片或薄板的某条线采集线图像。根据本公开的第三特征,所述薄膜、薄片或薄板的厚度为2mm或更小。根据本公开的第四特征,所述相机采集波长为780nm或更大到2500nm的光。根据本公开的第五特征,在所述聚合物薄膜、薄片或薄板的与所述相机相对的一侧定位有发射波长为780nm或更大到2500nm的光的光源。根据本公开的第六特征,所述方法进一步包括以下步骤:使用吹塑薄膜工艺形成所述聚合物薄膜。根据本公开的第七特征,所述吹塑薄膜工艺包括形成薄膜气泡,并且其中所述测量步骤是对所述气泡执行的,以确定形成所述气泡的所述薄膜的厚度。根据本公开的第八特征,所述吹塑薄膜工艺包括使薄膜气泡塌缩以产生扁置件,并且其中所述测量步骤是对所述扁置件执行的,以确定所述扁置件或其一个或多个层的厚度。

附图说明

图1是使用已知扫描仪测量薄膜厚度的图示。

图2是根据本发明教导的测量薄膜厚度的图示。

图3是根据本发明教导的说明性吹塑薄膜生产线以及对用于对薄膜进行测量的相机的定位。

图4A和4B展示了根据本发明教导的用于测量薄膜气泡的厚度的相机的示例性位置。

图5是x射线扫描仪对薄膜样品进行的测量和高光谱NIR相机对薄膜样品进行的测量的比较。

图6展示了1密耳薄膜上的基于CLS的条纹去除方法。

图7展示了0.5密耳薄膜上的基于CLS的条纹去除方法。

图8展示了基于CLS分析的薄膜厚度图。

具体实施方式

根据需要,本文中公开了本发明教导的详细实施例;然而,应当理解,所公开的实施例仅是本发明教导的可以通过不同和替代形式体现的示例。这些附图不必是按比例的;一些特征可以被夸大或者缩至最小以便示出具体组件的细节。因此,本文所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的,而是仅作为教导本领域的技术人员以各种方式采用本发明教导的代表性基础。

总体上,并且如将从以下描述中了解到的,本发明教导涉及用于对材料(如薄膜、薄片、薄板等)的厚度进行测量的方法和设备。测量可以提供制品的全厚度曲线。提供厚度曲线可以允许发现缺陷,或者可以确保材料满足所需规格。测量可以允许在加工期间进行调整。这可以允许在形成材料时进行更改,而无需停止制造过程。厚度测量可以用于提供自动反馈(例如,在控制系统中使厚度回到目标值)。测量可以在制造期间在线发生。测量可以在材料已经形成之后(例如,离线)发生。经考虑,本发明教导也可以用于测量或检测材料的结晶度。本发明教导还可以用于测量或检测材料中的杂质和/或外来颗粒。

虽然为简单起见在本文中被称为薄膜,但是方法和设备能够测量厚度为约250微米或更小(例如,范围为约1到约250微米)的薄膜、厚度为约250微米或更大和/或约2000微米或更小的薄片、厚度为约2mm的薄板等在教导的范围内。薄膜可以是薄的、连续的聚合物材料。薄片可以是比薄膜更厚的聚合物材料。在本文中提及薄膜的情况下,经考虑,所述讨论还涉及和/或包含这些用于进行测量的其它制品。

要测量的薄膜可以是透明的。所述薄膜可以是半透明的。所述薄膜可以是不透明的。所述薄膜可以是清澈的。所述薄膜可以是有颜色的。所述薄膜可以是柔性的。所述薄膜可以是刚性的。所述薄膜可以取决于应用而具有不同的特性。所述薄膜可以提供硬度、韧性、自动化包装设备上的性能、稳健的可加工性或其组合。所述薄膜可以满足期望的穿刺、割线模量、拉伸屈服点、拉伸断裂点、落镖冲击强度、埃尔曼多夫撕裂强度(Elmendorf tearstrength)、光泽度、雾度等或其组合。所述薄膜可以能够充当气体、液体或湿气的屏障。所述薄膜可以替代地是可渗透的。薄膜可以充当隔膜。所述薄膜可以用于多种应用,包含但不限于包装、塑料袋、标签、建筑构造、景观美化、电气制造、照相胶片、库存胶片(例如,用于电影)等或其组合。例如,所述薄膜可以用作可热缩薄膜、覆盖或保护薄膜、压花薄膜或层压用薄膜。

要测量的所述薄膜可以由聚合物材料形成或包含聚合物材料。所述薄膜可以包含聚乙烯树脂,如低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、茂金属线性低密度聚乙烯(mLLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)、极低密度聚乙烯(VLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高分子量HDPE(HMWHDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或其组合。所述薄膜可以包含聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。所述薄膜可以包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)。所述薄膜可以包含聚丙烯树脂。所述薄膜可以包含聚丙烯均聚物或聚丙烯共聚物。示例性均聚物包含均聚物聚丙烯(hPP)、无规共聚物聚丙烯(rcPP)、抗冲共聚物聚丙烯(hPP+至少一种弹性体抗冲改性剂)(ICPP)或高抗冲聚丙烯(HIPP)、高熔体强度聚丙烯(HMS-PP)、全同立构聚丙烯(iPP)、间同立构聚丙烯(sPP)和其组合。可以在本发明教导中使用的均聚物丙烯的实例包含可从利安德巴塞尔工业公司(LyondellBasell Industries)(例如,Pro-fax PD702)、从布拉斯科(Braskem)(例如,D115A)和北欧化工(Borealis)(例如,WF 420HMS)商购获得的均聚物丙烯。所述薄膜可以包含丙烯-α-烯烃互聚物。丙烯-α-烯烃互聚物可以具有基本上全同立构的丙烯序列。丙烯-α-烯烃互聚物包含丙烯基弹性体(PBE)。“基本上全同立构的丙烯序列”意指序列具有通过13C NMR测量的全同立构三单元组(mm):约0.85或更大;约0.90或更大;约0.92或更大;或约0.93或更大。所述薄膜可以包含EPDM材料。所述薄膜可以包含聚氯乙烯(PVC)树脂。所述薄膜可以包含尼龙树脂(例如,PA6)。所述薄膜可以包含聚酯。所述薄膜可以包含聚丙烯基聚合物、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚烯烃塑性体、聚烯烃弹性体、烯烃嵌段共聚物、环烯烃共聚物(COC)、乙烯丙烯酸、乙烯甲基丙烯酸、乙烯丙烯酸甲酯、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯丙烯酸丁酯、异丁烯、聚异丁烯、马来酸酐接枝的聚烯烃、前述任一项的离聚物或其组合。所述薄膜可以包含聚偏二氯乙烯(PVDC)、乙烯乙烯醇(EVOH)、聚苯乙烯(PS)树脂、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚酰胺(例如,共聚多酰胺(CoPA))或其组合。所述薄膜可以由醋酸纤维素、玻璃纸、半压花薄膜、生物塑料和/或生物可降解塑料等或其组合形成。

所述薄膜可以包含一种或多种添加剂。例如,所述薄膜可以包含一种或多种增塑剂、抗氧化剂、着色剂、增滑剂、防滑剂、防粘连添加剂、UV稳定剂、IR吸收剂、抗静电剂、加工助剂、阻燃添加剂、清洁化合物、发泡剂、可降解添加剂、色母料等或其组合。

在示例性工艺中,挤出薄膜材料可以使用吹塑薄膜挤出工艺形成。所述工艺可以包含通过模具挤出熔融聚合物管以及使聚合物膨胀以形成薄气泡。可以将气泡压缩并且然后卷成卷、切成薄片等。

更详细地,可以将聚合物团粒、树脂、原材料和/或其它材料填料到装料斗中。然后将输入材料引导到挤出机单元中并熔化。通过环形狭缝模具挤出聚合物熔体。将空气引入到模具的中心中,以将管吹胀成气泡。空气环可以通过在气泡的内表面和/或外表面上吹空气来使热薄膜冷却。然后可以将气泡向上引导朝向一个或多个轧辊,然后在所述一个或多个轧辊处使气泡塌缩或扁平化。然后将塌缩的管引导通过一个或多个惰辊。可以将塌缩的管递送到卷绕机以将薄膜卷绕成卷。所述工艺可以产生平坦的薄膜。

材料的特性和/或材料的外观可以视加工方法和/或条件而定。所述薄膜可以没有或至少基本上没有褶皱。这可能是从圆形形状变成扁平形状的塌缩过程的结果。薄膜可以具有受原材料类型和/或挤出机的熔体质量影响的光学特性。在生产工艺(如吹塑工艺)期间,薄膜的机械特性可能会受到分子结构的取向的影响。机械特性可能受所使用的原材料的影响。在生产工艺期间,薄膜的厚度可能会受到温度曲线的影响。

虽然本发明教导是在吹塑薄膜的上下文中进行讨论的,但是使用其它薄膜生产方法在本发明教导的范围内。本文所公开的方法和元件还与测量通过浇铸、挤出、压延辊、溶液沉积、刮削、共挤出、层压、挤出涂层、旋转涂层、沉积涂层、浸渍涂层等或其组合生产的薄膜、薄片、薄板等兼容。

本发明教导涉及测量薄膜、薄片或薄板等的厚度。通过这些教导,可以得到厚度曲线以提供对沿薄膜、薄片、薄板等的区域的厚度的测量。本发明教导可以用于测量薄膜的任何厚度。例如,本文所讨论的方法和设备可以用于测量约1微米或更大、约10微米或更大或约100微米或更大的薄膜厚度。本文所讨论的方法和设备可以用于测量约100m或更大、约50m或更大或约1m或更大的薄膜厚度。

本发明教导可以包含使用高光谱成像来确定薄膜、薄片、薄板等的厚度和/或厚度曲线。高光谱成像可以用于在不接触样品的情况下提供这些测量。高光谱成像可以用于确定光如何与所测量的物品相互作用。高光谱成像可以测量电磁辐射的反射、发射和/或吸收。高光谱成像也可以被称为化学成像,因为可以建立系统来绘制化学成分的均匀性。高光谱成像可以采集和处理来自整个电磁光谱的信息。高光谱成像可以使用光谱仪来检查光在薄膜、薄片、薄板等中的行为如何。光谱仪可以用于基于材料的光谱特征或材料的光谱来识别材料。得到厚度曲线可以通过在每次测量中同时获得光谱信息和空间信息两者实现。这些测量可以实时提供,从而允许快速获得数据。

高光谱成像可以包含将入射光分解成光谱的仪器。所述仪器可以是分光仪、高光谱相机、高光谱传感器或其组合。入射光可以通过光源提供。在对薄膜的测量期间,所测量的薄膜的与相机相对的一侧上可以定位有光源,以允许相机测量透射穿过薄膜的光。光源可以与相机定位于薄膜的同一侧上,以允许相机测量薄膜所反射的光。光源可以集成到相机中或附接到其。经考虑,两个或更多个相机可以与单个光源或多个光源一起使用。例如,光源可以定位于一个地方,而相机定位于光源的相对侧上。薄膜或薄膜的一部分可以定位于每个相机与光源之间,这可以允许一次测量多个薄膜或一次测量同一薄膜的多个部分。

光源可以发射可通过高光谱成像仪器(例如,分光仪、高光谱相机和/或高光谱传感器)接收、检测、分解、捕获和/或分析的任何类型的光。虽然在本文中被称为高光谱相机,但是应当理解,这也包含高光谱传感器和/或分光仪。光源可以发射具有电磁光谱上的波长的光和/或辐射。光源可以发射波长在涵盖约10nm或更大、约410nm或更大、约710或更大或约780或更大的值的范围内的光和/或辐射。光源可以发射波长为约1mm或更小、约50,000nm或更小或约2500nm或更小的光和/或辐射。光源可以发射紫外线辐射和/或光。光源可以发射可见光。光源可以发射近红外(NIR)辐射和/或光。光源可以发射红外线辐射和/或光。

相机可以接收来自光源的光以在每次测量中提供空间信息、光谱信息或两者。高光谱相机可以测量多个光谱。光谱可以用于形成图像。因此,高光谱相机可以将信息采集为一组图像。可以组合这些图像,从而产生三维高光谱立方体或数据立方体。数据立方体可以通过堆叠连续的扫描线来组装。高光谱数据立方体可以含有每个图像像素的吸收光谱数据。

相机可以测量图像(例如,线图像)中的薄膜的厚度点。图像可以包括多个像素。高光谱相机可以测量高光谱相机的光谱范围内的多个光谱,从而为每个像素创建全光谱。高光谱相机可以沿电磁光谱测量光谱。光谱可以具有范围涵盖约10nm或更大、约410nm或更大、约710或更大或约780或更大的值的波长。光谱可以具有约1mm或更小、约50,000nm或更小或约2500nm或更小的波长。光谱图像可以具有在紫外线范围内的波长。光谱图像可以具有可见光范围内的波长。光谱图像可以具有近红外(NIR)范围内的波长。光谱图像可以具有中红外范围内的波长。光谱图像可以具有红外线范围内的波长。

高光谱相机可以测量图像(例如,线图像)中的每个像素并且提供每个像素的光谱特征。测量的像素数量可能取决于所使用的相机。例如,线图像可以包括约10个或更多个像素、约20个或更多个像素、约100个或更多个像素、约200个或更多个像素或约300个或更多个像素。线图像可以包括约1000个或更少个像素、约800个或更少个像素或约500个或更少个像素。像素数量越高并且相机离样品越近,空间分辨率就越高。这可能意指,在与测量相同的样品大小相比时,分辨率更高,或者可以在相同分辨率下测量更大的样品。

用于启用高光谱成像的相机可以使用一种或多种操作模式。例如,线成像模式或推扫模式可以提供必要的测量和/或数据以导出样品的厚度曲线。在推扫模式中,在每一帧或每张图片中,可以从样品的某条线中采集线图像。来自每个斑点的光(其中大小可以由相机与样品、相机透镜和相机本身之间的距离来确定)可能会被相机前面的光学器件色散,使得每一帧同时具有一个维度(即,空间维度)和另一个维度(即,光谱维度)。虽然在本文中作为线图像进行讨论,但是还经考虑,其它形状的测量是可能的并且在本发明教导之内。例如,相机可以一次捕获具有矩形形状、圆形形状、椭圆形形状、多边形形状、无定形形状或其组合的区域。

总体上,相机和/或传感器可以包含使用镜子和透镜的适当的光学系统。例如,高光谱相机和/或传感器可以包含扫描镜、光学器件、色散元件、成像光学器件、检测器或检测器阵列或其组合。所使用的相机可能取决于每次测量所期望的像素数量。所使用的相机可能取决于所测量的光谱。例如,为了测量或提供近红外范围内的光谱图像,可以使用高光谱NIR相机。相机可以是短波红外线(SWIR)相机。相机可以包含用于移动电荷的装置,如电荷耦合装置(CCD)。

当正在测量静态样品或薄膜时,可以使相机在一个或多个方向上平移以获取真实的二维化学图。在样品或薄膜正在移动的情况下,例如,如果测量是在线进行的,则样品的运动可以允许获取二维化学图。样品的移动可以以预设速度进行。相机可以处于固定位置。相机可能正在移动。如果测量移动的样品,相机可以在相同的方向或不同的方向上移动。例如,相机可以在总体上垂直于移动方向的方向上移动。

当正在形成薄膜、薄片、薄板等时,可以采用一个或多个高光谱相机和光源。测量可以实时进行。这可以允许对工艺或一个或多个工艺参数进行调整(例如,如果薄膜不符合所需规格,则必须进行更改)。测量可以允许故障排除或确定需要调整工艺的哪个区域以提供符合规格的薄膜。

一个或多个高光谱相机和光源可以沿线定位于不同的点处,以确保薄膜在整个工艺中符合所需规格。例如,在吹塑薄膜工艺中,高光谱相机可以安装在气泡外部,而光源安装在内部气泡冷却管上,以直接测量薄膜的单层。相机可以竖直(即,在纵向上)、水平(即,在横向上)或两者测量气泡厚度。如果沿纵向测量,则沿纵向生成线图像,这可能有助于确定厚度变化和/或结晶过程,尤其是在气泡的冷却过程期间。如果沿横向测量,则可以测量模具出口附近的测量仪变化。此种测量可以允许向吹塑薄膜生产线控制系统提供快速反馈。可能的是可以使用两个或更多相机来提供对气泡的测量。例如,两个或更多个相机可以围绕气泡的直径定位。例如,可以使用三个或更多个相机、四个或更多个相机或甚至六个或更多个相机。此种相机可以是固定的。还经考虑,一个或多个照相机可以是可平移的或能够移动的。例如,相机可以将安装到旋转平台以扫描气泡(例如,绕气泡旋转)。相机可以能够在气泡或薄膜生产工艺的移动方向上平移。相机可以能够在将会提供有价值的测量的任何方向上移动。

在吹塑薄膜工艺中,一个或多个相机可以在气泡塌缩之后定位,从而形成扁置件。高光谱相机可以定位在轧辊之后的工艺中的某个点处。光源可以定位于薄膜的相对侧上,因此光波行进通过薄膜到达相机。这可以允许测量扁置件的厚度,以确定扁置件内是否存在任何褶皱、以确定扁置件内是否存在任何瑕疵(例如,气泡、撕裂、厚度不一致)、以确定扁置件内是否存在或陷入任何外来颗粒或其组合。

相机和光源在线或在制造工艺期间的定位不限于吹塑薄膜工艺。相机和光源可以例如在层压工艺、挤出工艺、切割工艺、压片机堆叠工艺、模制工艺、拉伸工艺、缠绕工艺、冷却和/或淬火工艺、加热工艺等或其组合之前或之后定位。

一个或多个相机可以替代地或补充地用于测量处于离线环境中的薄膜、薄片、薄板等。可以在材料制成、切割、从加工设备中取出或其组合之后测量样品。薄膜可以定位于平移台或其它线性移动机构上,例如以测量样品。可以将薄膜保持在适当位置(例如,在将薄膜拉紧的两个或更多个元件之间)并进行测量。薄膜或其一部分可以在成卷时进行测量,或者可以展开以进行测量。

在一次测量多个像素和光谱时,可以生成数据以沿线标识薄膜的厚度。这种数据可以用于生成薄膜的厚度曲线。由于吸光度与材料的厚度成线性比例或成正比例(并且与样品的浓度成正比例),通过测量吸光度,可以确定材料的厚度。

在获得和绘制数据时,可能存在干涉或条纹。这些条纹可能会阻碍对来自薄膜样品的透射光谱的解释和分析。例如,条纹可能由行进穿过薄膜的光和由两个平行薄膜表面反射的光的波长依赖性相长和/或相消干涉引起(例如,在扁置件的情况下)。为了最小化由于此类条纹引起的厚度预测误差,可以使用一种或多种数学方法。一种方法可以是使用经典最小二乘法(CLS)。CLS算法基于可以用于几乎瞬间处理数百个光谱的矩阵运算。CLS方法假定样品光谱是其分量的光谱的线性组合。可以通过对多个光谱求平均以抵消其条纹或通过测量具有粗糙表面的薄膜来获得无条纹光谱。然后可以将条纹视为光谱残差。由于条纹具有本征对称性,当包含足够的条纹循环时,其光谱贡献可能会抵消。

现在转向附图,图1展示了用于测量薄膜10的厚度的常用方法。当薄膜在大箭头的方向上行进时,使用扫描仪12(例如,近红外厚度扫描仪)进行测量。扫描仪12所进行的每次测量是一次单点测量14。由于薄膜10正在移动,所以扫描仪12仅能够提供薄膜10的表面上沿之字形路径16的厚度信息。

图2展示了使用高光谱近红外相机20测量薄膜10的厚度。当薄膜在大箭头的方向上行进时,跨过薄膜横向纵向(CD方向),相机20测量多个点22以获得厚度测量。因此,如与图1相比,相机20能够在任何给定时间拍摄CD方向的线图像,这提供了全薄膜厚度曲线,而不是在单个点处或沿之字形图案处的膜厚度曲线。

图3A和3B展示了高光谱NIR相机在薄膜的生产期间的示例性用途。图3A中的实例示出了吹塑薄膜生产线30。在工艺中,树脂或其它材料32被引入到装料斗34中。材料通过挤出机36递送。熔融材料的挤出通过模具38进行以形成气泡40。空气的引入通过模具38的中心中存在的孔进行以用于吹胀气泡40。薄膜由安装在模具38的顶部的空气环42冷却。气泡40继续其向上行进直至到达塌缩框架44并穿过轧辊46,所述轧辊压平气泡以产生双层薄膜或扁置件48。扁置件48通过惰辊50传送,直至其被卷成一卷薄膜52。

在工艺中,可以在一个或多个点处测量薄膜的厚度。如所示出的,形成气泡的薄膜的厚度可以通过高光谱NIR相机20来测量。高光谱NIR相机20可以竖直(纵向或MD)或水平(横向或CD)测量气泡40的厚度。在沿MD测量气泡厚度时,这可能是了解气泡冷却期间的厚度变化和结晶过程的有用工具。在测量CD时,其可以测量模具出口附近的测量仪变化,这可以向吹塑薄膜生产线控制系统提供快速反馈。NIR光24存在于气泡内、安装在内部气泡冷却管上,以提供相机20捕获测量所需的光源。扁置件48的厚度也通过高光谱NIR相机20以及定位于扁置件48的相对侧上的NIR光24来测量。

图4A和4B展示了用于使用高光谱NIR相机20和气泡内部、安装在内部气泡冷却管上的NIR光24测量气泡40横向(CD)测量仪的可能的设置。图4A展示了可以实时测量整个气泡40的多个固定安装的高光谱NIR相机20。虽然示出为四个相机,但是经考虑,可以使用任何数量的相机(例如,三个相机、四个相机、六个相机)。图4B展示了在旋转平台上扫描气泡40的高光谱NIR相机20。

说明性实例

提供以下实例以说明本发明教导,但不旨在限制其范围。

实例1

为了说明使用高光谱NIR相机对薄膜进行测量的优点,在三项单独的测试中,将高光谱NIR相机与x射线扫描仪和全薄膜表面轮廓仪进行比较。表1示出了每个测试的结果。

对于所执行的案例,x射线扫描仪可从思肯德技术公司(ScanTech)获得。x射线扫描仪的扫描速度为2英寸/秒,沿CD方向报告了1024次测量。全薄膜表面轮廓仪是索伦特技术公司(SolveTech)提供的非接触式电容传感器。每个传感器的宽度为1英寸。对于案例1,使用6个传感器。对于案例2,使用60个传感器。对于案例3,使用216个传感器。高光谱NIR相机是SPECIM SWIR高光谱NIR相机,每个线图像具有384个像素,在介于1000与2500nm之间的波长下测量450帧/秒。

在案例1中,以25fpm的薄膜速度测量了6英寸宽的薄膜。在案例2中,以500fpm的薄膜速度测量了60英寸宽的薄膜。在案例3中,以1000fpm的薄膜速度测量了216英寸宽的薄膜。

表1:

表1示出了高光谱NIR相机相较于其它技术的优点。在本案例研究中,x射线扫描仪仅测量全薄膜厚度的0.1%。在纵向(MD方向)上,x射线将在显著的时间间隔之后报告。例如,报告MD位置厚度花费108秒。另外,在高速薄膜线上,x射线报告长薄膜带的平均厚度(例如,在案例3中,0.2英寸宽和21英寸长)。厚度的运行平均可能已经使一些变化平滑。

在全薄膜表面轮廓仪的情况下,尽管其报告全部薄膜表面,但其会受到传感器宽度的限制。传感器宽度可以是1英寸宽,但可以定制为1/2英寸。在案例1中,如果使用1/2英寸传感器,其仅会报告6个厚度带或12个厚度带,这不是非常有用。在案例3中,由于需要216个传感器,这在经济上可能不可行。

对于高光谱NIR相机,其在MD方向上以非常快速的采样速率(每次测量2毫秒)测量全部薄膜表面。即使在案例3中,其也会报告薄膜上0.6英寸×0.4英寸的平均面积。

实例2

X射线扫描是用于测量厚度的常用方法,尽管其具有如所提到的缺点。图5示出了宽度为6英寸的0.05mm(2密耳)高密度聚乙烯薄膜(Dow Elite 5960G)通过x射线扫描仪和高光谱NIR相机测量的结果。结果匹配良好,这证实使用高光谱NIR相机提供了对薄膜的厚度的准确测量。在图5中,灰色虚线表示由高光谱NIR相机测量的厚度,并且黑色实线表示由x射线扫描仪测量的厚度。

实例3

使用高光谱NIR相机,获得两个薄膜光谱:一个薄膜光谱的厚度为2密耳,并且一个薄膜光谱的厚度为0.5密耳。数据分别绘制在图6和图7中,示出了波长和吸光度。原始数据示出为所指示的线。然而,数据中存在光谱条纹。为了克服此类条纹,使用经典最小二乘法(CLS)分析,假设样品光谱是其分量的光谱的线性组合。因此,条纹被视为光谱残差。由于条纹具有本征对称性,当包含足够的条纹循环时,其光谱贡献应当抵消,由于遇到的条纹具有高周期性,因此这点得到满足。使用CLS分析经校正的光谱(无条纹)在图6和图7中显示为黑色粗线。CLS拟合后的光谱残差示出为图6和图7中的图底部处的灰线。图8展示了15cm×50cm(6英寸×20英寸)薄膜上的基于CLS分析的薄膜厚度图。比例尺表示CLS响应,其中响应1对应于0.05mm(2密耳)。

如可以理解的,可以采用上述教导的变化。例如,本发明教导不限于吹塑薄膜或吹塑薄膜工艺。本发明教导可以用于测量除薄膜、薄片和薄板之外的其它聚合物基材。可以使用将条纹从数据中去除的其它计算或方法。例如,可以使用最小和、平均相邻光谱、非线性回归(例如,非线性拟合算法)等的方法。

虽然上文描述了示例性实施例,但是这些实施例并不旨在描述本发明的所有可能形式。相反,本说明书中所用的词语是描述性而非限制性词语,并且应当理解的是,在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。另外,可以组合不同实施的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

本文所列举的任何数值包含从低值到高值以一个单位为增量的所有数值,条件是在任何低值与任何高值之间有至少2个单位的间隔。作为实例,如果规定组分的量或过程变量(例如,温度、压力、时间等)的值是例如1到90、优选地20到80、更优选地30到70,则旨在本说明书中明确列举如15到85、22到68、43到51、30到32等的值。对于小于一的值,一个单位视情况被认为是0.0001、0.001、0.01或0.1。这些仅是特定意图的实例,且在所列举的最低值与最高值之间的数值的所有可能组合被视为以类似方式在本申请中明确地陈述。

除非另有说明,否则所有范围包含两个端点以及端点之间的所有数字。与范围相关的“约”或“大约”的使用适用于所述范围的两端。因此,“约20到30”旨在涵盖“约20到约30”,至少包含指定的端点。

所有文章和参考文献的公开(包含专利申请和出版物)出于所有目的通过引用并入。用于描述组合的术语“基本上由……组成”应包含所标识的要素、成分、组件或步骤以及不会对组合的基本和新颖特征产生实质性影响的其它要素、成分、组件或步骤。使用术语“包括”或“包含”来描述本文中的要素、成分、组件或步骤的组合还考虑了基本上由这些要素、成分、组件或步骤组成或甚至由这些要素、成分、组件或步骤组成的实施例。

多个要素、成分、组件或步骤可以由单个集成要素、成分、组件或步骤提供。可替代地,单个集成要素、成分、组件或步骤可以被分成单独的多个要素、成分、组件或步骤。描述要素、成分、组件或步骤的“一种(a)”或“一个(one)”的公开并不旨在排除另外的要素、成分、组件或步骤。

即使没有用言辞描述,附图中描绘的要素的相对位置关系也是本文中的教导的一部分。进一步地,即使没有用言辞描述,附图中所示出的几何图形(尽管不旨在限制)也在教导的范围内。

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