特許 7554582 均一な光学場で細長い繊維体の特性を測定するための光学センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-11

(45)【発行日】2024-09-20

(54)【発明の名称】均一な光学場で細長い繊維体の特性を測定するための光学センサ

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/08 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

G01B11/08 Z

【請求項の数】 30

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020098252

(22)【出願日】2020-06-05

(65)【公開番号】P2020201261

(43)【公開日】2020-12-17

【審査請求日】2023-05-31

(31)【優先権主張番号】19178679.7

(32)【優先日】2019-06-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】595137491

【氏名又は名称】ゲブリューダー レプフェ アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100139594

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 健次郎

(74)【代理人】

【氏名又は名称】森田 憲一

(72)【発明者】

【氏名】エイドリアン シュトラッター

(72)【発明者】

【氏名】マルクス グリスハンマー

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０４７１６９４２（ＵＳ，Ａ）

【文献】実開昭５５－００９４３２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０００－１０１３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５０４９０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

細長体の少なくとも１つの特性を測定するように構成されたセンサであって、
測定領域（１２）と、
主放射方向（２３）を有する発散する異方性光源（２２）と、
前記光源（２２）と前記測定領域（１２）との間の光路に配置されたコリメータ（３６）であって、前記光源（２２）の中心（２２ａ）と交差する入力光軸（３８）および出力光軸（４０）を有し、前記入力光軸（３８）上の前記光源（２２）からの光を前記出力光軸（４０）に投射し、前記コリメータ（３６）は、コリメーションミラー（３４）を含む、コリメータ（３６）と、
前記コリメータ（３６）によって放射され、前記測定領域（１２）を透過した光を受け取る光検出器（２４）と、
入力側（２８ａ）、出力側（２８ｂ）、およびコリメーションミラー（３４）を形成する鏡面（３０）を有する第１の透明要素（１４ａ）であって、前記センサが、前記光源（２２）からの光は、前記入力側（２８ａ）の入力面（３１ａ）を通って前記第１の透明要素（１４ａ）に入り、前記鏡面（３０）で反射され、前記出力側（２８ｂ）の出力面（３１ｂ）を通って、前記第１の透明要素（１４ａ）を出て、前記測定領域（１２）に入り、前記入力側（２８ａ）および前記出力側（２８ｂ）は、互いに横向きである、ように適合された、第１の透明要素と、
を含み、
前記入力光軸（３８）および前記出力光軸（４０）は非平行であり、前記主放射方向（２３）は前記入力光軸（３８）に対して非平行であり、
前記入力面（３１ａ）は、前記入力側（２８ａ）における前記第１の透明要素（１４ａ）の湾曲凹状窪み（３２）内に位置することを特徴とする、
センサ。

【請求項2】

前記特性が、直径である、請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記細長体が、細長い繊維体である、請求項１または２に記載のセンサ。

【請求項4】

少なくとも前記入力光軸および出力光軸（３８、４０）の平面内で、
前記主放射方向（２３）に対して角度φを有する前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）から放射された光ビームは、座標ｘ、ｙで前記測定領域（１２）を横切り、
前記測定領域（１２）内のｘ、ｙにおける放射照度Ｉ（ｘ、ｙ）は、
Ｉ（ｘ、ｙ）～Ｔ（ｘ、ｙ）ｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））
で与えられ、
ｘは前記入力光軸および前記出力光軸（３８、４０）に垂直な座標であって、前記光軸の位置ではｘ＝ｘ０であり、
ｙは前記出力光軸（４０）に垂直で、かつ前記入力光軸および前記出力光軸（３８、４０）の前記平面に平行な座標であって、前記光軸の位置ではｙ＝ｙ０であり、
Ｔ（ｘ、ｙ）は前記コリメータ（３６）の伝達関数であり、
ｉ（φ、θ）は前記光源（２２）の放射強度であり、
ｘ＝ｘ０かつｙ＝ｙ０では、
ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＞０およびｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＜０または
ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＜０およびｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＞０
である、請求項１～３のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項5】

ｘ＝ｘ０かつｙ＝ｙ０では、

であって、ｔは０．２以下のしきい値であり、そしてΔｙはｙに沿った測定領域（１２）の延長の半分である、請求項４に記載のセンサ。

【請求項6】

ｔは０．１以下のしきい値である、請求項５に記載のセンサ。

【請求項7】

前記測定領域内の前記放射照度は、２０％以下だけ変化する、請求項１～６のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項8】

前記測定領域内の前記放射照度が、１０％以下だけ変化する、請求項７に記載のセンサ。

【請求項9】

前記コリメーションミラー（３４）は前記入力光軸（３８）と一致する前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）の前記光が前記コリメーションミラー（３４）に当たる位置（Ｐ２）において湾曲凹状である、請求項１～８のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項10】

前記入力光軸（３８）が前記コリメーションミラー（３４）と交差する領域において、前記コリメーションミラー（３４）は放物線または放物面形状を有し、前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）は、前記放物線または放物面形状の焦線または焦点に配置される、請求項１～９のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項11】

比Ｒは
Ｒ＝ｒ０／ｆ
で与えられ、
ｒ０は前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）と前記出力光軸（４０）との間の距離であり、ｆは前記放物線または放物面形状の焦点距離であり、前記比Ｒは、０．５～１．４である、請求項１０に記載のセンサ。

【請求項12】

前記比Ｒは、０．７～１．１である、請求項１１に記載のセンサ。

【請求項13】

前記比Ｒは、０．８～１．０である、請求項１１に記載のセンサ。

【請求項14】

前記主放射方向（２３）と前記放物線または放物面形状との間の交点（Ｐ１）は、前記位置（Ｐ２）よりも前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）からさらに離れている、請求項１０～１３のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項15】

前記入力光軸（３８）から前記出力光軸（４０）までの偏向角（β）は、９０°未満である、請求項１～１４のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項16】

前記入力光軸（３８）から前記出力光軸（４０）までの偏向角（β）は、８０°未満および／または３０°より大きい、請求項１５に記載のセンサ。

【請求項17】

前記入力側（２８ａ）に配置されたキャリアプレート（１６）を含み、前記光源（２２）は前記キャリアプレート（１６）に取り付けられ、前記キャリアプレート（１６）は、前記出力面（３１ｂ）に対して横方向に配置されている、請求項１～１６のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項18】

前記キャリアプレート（１６）と前記出力面（３１ｂ）との間の角度は、７０°～１１０°である、請求項１７に記載のセンサ。

【請求項19】

前記光源（２２）の前記主放射方向（２３）は、前記キャリアプレート（１６）に対して垂直に延在する、請求項１７または１８に記載のセンサ。

【請求項20】

少なくとも前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）と交差し、かつ前記入力光軸および前記出力光軸（３８、４０）に平行な平面内において、前記湾曲凹状窪み（３２）は円形断面を有し、前記光源（２２）の前記中心（２２ａ）は前記円形断面の中心にある、請求項１～１９のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項21】

前記光源（２２）の表面から前記入力側（２８ａ）に延在する固体の透明な充填材料を含む、請求項１７～２０のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項22】

前記測定領域（１２）から前記光を受け取り、前記光を前記検出器（２４）に向けて偏向させる検出器ミラー（４４）を含む、請求項１～２１のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項23】

前記検出器ミラーは、前記出力光軸（４０）と一致する光を９０°で偏向させる、請求項２２に記載のセンサ。

【請求項24】

前記検出器ミラーは、前記出力光軸（４０）と一致する光を９０°＋／－５°以内で偏向させる、請求項２２に記載のセンサ。

【請求項25】

入力側（４１ａ）、鏡面（４２）、および出力側（４１ｂ）を有する第２の透明要素（１４ｂ）をさらに含み、前記鏡面（４２）は前記検出器ミラー（４４）を形成する、請求項２２～２４のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項26】

前記第１および前記第２の透明要素（１４ａ、１４ｂ）は、互いに一体的に接続されて透明本体（１４）を形成し、および／または
前記測定領域（１２）は、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記出力側（２８ｂ）と前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記入力側（４１ａ）との間に位置し、および／または
前記測定領域（１２）において、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記出力側（２８ｂ）は、前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記入力側（４１ａ）に対して、平行であり、および／または
前記センサはキャリアプレート（１６）を含み、前記光源（２２）および前記光検出器（２４）は前記キャリアプレート（１６）に取り付けられ、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記入力側（２８ａ）および前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記出力側（４１ｂ）は、両方とも前記キャリアプレート（１６）に当接する、請求項２５に記載のセンサ。

【請求項27】

前記第１および前記第２の透明要素（１４ａ、１４ｂ）は、互いに一体的に接続されて透明本体（１４）を形成し、および／または
前記測定領域（１２）は、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記出力側（２８ｂ）と前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記入力側（４１ａ）との間に位置し、および／または
前記測定領域（１２）において、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記出力側（２８ｂ）は、前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記入力側（４１ａ）に対して、＋／－１０°以内で平行であり、および／または
前記センサはキャリアプレート（１６）を含み、前記光源（２２）および前記光検出器（２４）は前記キャリアプレート（１６）に取り付けられ、前記第１の透明要素（１４ａ）の前記入力側（２８ａ）および前記第２の透明要素（１４ｂ）の前記出力側（４１ｂ）は、両方とも前記キャリアプレート（１６）に当接する、請求項２５に記載のセンサ。

【請求項28】

前記検出器（２４）は、前記出力光軸（４０）から距離（ｒ０）に配置される、請求項１～２７のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項29】

前記検出器（２４）および前記光源（２２）は、両方とも共通のキャリアプレート（１６）に取り付けられる、請求項２８に記載のセンサ。

【請求項30】

前記出力光軸（４０）は前記測定領域（１２）の中心と交差する、請求項１～２９のいずれか一項に記載のセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細長体、特に糸などの細長い繊維体の少なくとも１つの特性を測定するためのセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

このタイプのセンサは、例えば、糸、ワイヤ、または繊維の直径を測定するために使用される。細長体は、測定領域を通って導かれ、そこで透過して見られる。

【0003】

センサは、光源、コリメータ、測定スロット、および検出器を含む。コリメータは、測定領域を通って延伸する出力光軸を有する。コリメータは、光源からの通常発散する光を、前記光軸に沿って実質的に平行な光に変換する。そのようなセンサの例は、欧州特許第２８２７１２７号明細書に記載されている。光源、レンズ、および光センサは、１つの共通の光軸に沿って配置されている。

【発明の概要】

【0004】

従来技術に示すような構成要素の厳格な同軸配置は、センサの設計、位置合わせ、およびアセンブリを困難かつ高価にすることを認識しているので、本発明によって解決される問題は、より柔軟な設計を有するセンサを提供することである。

【0005】

この問題は、請求項１に記載のセンサによって解決される。したがって、センサは少なくとも以下の構成要素を含む。
－測定領域：これは、細長体を受け入れるために設計されたセンサの領域である。
－主放射方向に異方性遠方場強度を有する発散光源：この光源は、例えばＬＥＤとすることができる。この文脈において、「主放射方向」という用語は、光源のすべての放射方向の加重平均であり、各放射方向は、その放射強度によって重み付けされる。
－光源と測定領域との間の光路に配置されたコリメータ：コリメータは、光源の中心と交差する入力光軸を有する。コリメータは、出力光軸をさらに有する。コリメータは、入力光軸上の前記光源からの光を出力光軸上に投射する。コリメータの機能は、測定領域においてコリメートされた光、すなわち、以下に規定されるように実質的に平行な光を生成することである。出力光軸は、測定領域の中心と交差してもよい。
－光検出器：この検出器は、コリメータによって放射されて、測定領域を透過した光を受け取る。

【0006】

本発明によれば、コリメータの入力光軸と出力光軸は非平行であり、光源の主放射方向は入力光軸と非平行である。

【0007】

入力光軸と出力光軸を非平行に配置すると、装置の光軸を「折り畳む」ことができる。

【0008】

しかしながら、そのような折り畳みは、通常、測定領域における放射照度の不均一な分布をもたらす。以下でさらに詳しく説明するように、このような幾何学的形状は、コリメータの伝達関数をシステムの折り畳み平面内で非対称にする。したがって、本発明は、光源の主放射方向をコリメータの入力光軸に沿わせずに配置することを提案する。これにより、測定領域の中心での放射照度が低下するが、主放射方向から離れた方向の光源の放射強度の非対称性を利用して、少なくとも部分的に、コリメータの伝達関数の非対称性を補償することができる。

【0009】

有利な実施形態では、少なくとも入力光軸および出力光軸の平面内において、以下の条件が満たされるべきである。

【0010】

光源の主放射方向に対して角度φを有する光源の中心から放射された光ビームが、位置ｘ、ｙで測定領域を横切り、ｘ、ｙは出力光軸に垂直な座標であり、出力光軸の位置において値ｘ０、ｙ０を有すると仮定する。Ｉ（ｘ、ｙ）が測定領域の位置ｘ、ｙでの放射照度である場合には、Ｉ（ｘ、ｙ）はコリメータの伝達関数Ｔ（ｘ、ｙ）と光源の放射強度ｉ（φ（ｘ，ｙ），θ（ｘ，ｙ））によって以下のように与えられる。
Ｉ（ｘ、ｙ）～Ｔ（ｘ、ｙ）ｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））

【0011】

その場合、ｘ＝ｘ０およびｙ＝ｙ０（すなわち、測定領域の中心）の場合、以下で説明するように、伝達関数Ｔ（ｘ、ｙ）および放射強度ｉ（φ（ｘ、ｙ））は、次の２つの条件のいずれかを満たすべきである。
ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＞０およびｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＜０または
ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＜０およびｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＞０

【0012】

言い換えると、小さなΔｙ＝ｙ－ｙ０の場合の光源の放射強度ｉ（φ（ｘ、ｙ））とコリメータの伝達関数Ｔ（ｘ、ｙ）の変化は、反対の符号を有するので有利である。これにより、不均一な伝達関数Ｔ（ｘ、ｙ）の影響を少なくとも部分的に補償することができる。

【0013】

一実施形態では、コリメータは、光源からの光を偏向させるためのコリメーションミラーを含んでもよい。

【0014】

特に有利な実施形態では、コリメーションミラーは、少なくとも入力光軸がミラーと交差する点の周りで、（以下に規定されるような）放物線または放物面形状を有することができる。

【0015】

１つのクラスの実施形態では、センサは、入力側、出力側、および鏡面を有する第１の透明要素（光源からの光に対して透明であるという意味で）を含んでもよい。光源からの光は、入力側の入力面を通って第１の透明要素に入り、鏡面で反射され、出力側の出力面を通って透明要素を出て、前記測定領域に入る。入力面と出力面は、互いに横方向に配置される。したがって、第１の透明要素はコリメータを形成する。

【0016】

光源は、入力側に配置されたＰＣＢなどのキャリアプレートに取り付けることができる。このキャリアプレートは、出力側に対して横方向に配置されている。有利には、キャリアプレートと出力面との間の角度は、７０°～１１０°である。

【0017】

有利には、光源の主光軸は、キャリアプレートに対して、例えば＋／－５°の精度内で、垂直に延在し、これにより構成要素の相互の機械的配置を簡素化する。

【0018】

有利には、検出器はコリメータの出力光軸から距離を置いて配置され、それにより光軸の位置に電子部品を取り付ける必要がなくなり、それにより設計をより柔軟にする。

【0019】

この場合、検出器と光源は、例えば、両方とも、共通のキャリアプレート、特に共通のＰＣＢなどのフラットな共通のキャリアプレートに取り付けることができる。これにより、構成要素の取り付けが簡素化される。

【0020】

有利には、センサは、測定領域から光を受け取り、この光を検出器に向かって偏向させる検出器ミラーをさらに含む。これは、光を出力光軸から検出器に向けて偏向させることを可能にする簡素な実施形態である。

【0021】

センサは、細長体の直径を測定するのに特に適している。１つの有利な用途では、センサはヤーンクリアラーで使用される。

【0022】

他の有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明に記載されている。

【図面の簡単な説明】

【0023】

本発明はよりよく理解され、上記のもの以外の目的は、以下のその詳細な説明から明らかになるであろう。このような説明は、以下の添付の図面を参照している。

【0024】

【図1】細長体に対して測定を行うためのセンサの図である。

【図2】入力光軸および出力光軸の平面内における図１のセンサの断面図である。

【図3】図２の平面ＩＩＩ－ＩＩＩに沿った断面図である。

【図4】センサの光偏向の幾何学的配置を示す図である。

【図5】焦点に等方性光源を備えた放物面鏡からの反射を示す図である。

【図6】ミラーの伝達関数Ｔ（ｒ）を示す図である。

【図7】ランバート放射特性を有する光源の放射強度を示す図である。

【図8】伝達関数Ｔ、放射強度ｉ、それらの積Ｔ・ｉ、および糸の位置の確率分布ｐを示す図であり、これらはすべて、位置ｒを放物面形状のミラーの焦点距離で割った関数として示している。

【発明を実施するための形態】

【0025】

定義
コリメータは、光源の発散光を、測定領域内で実質的に平行な光ビームの場に変換する装置として理解されたい。

【0026】

これは、少なくとも光源の中心と交差し、前記入力光軸および出力光軸に平行な平面において、測定領域内の光ビームが実質的に平行であり、したがって細長体によって引き起こされるシャドウイングが、測定領域の統計的に予想される位置で、所望の測定精度内で、細長体の測定領域の壁からの距離から実質的に独立であると、理解されたい。

【0027】

有利には、測定領域における光の発散が非常に小さいので、領域Ａを通って測定領域に入射する光は、測定領域を離れるときに領域Ａ（１＋ｅ）以下に拡散され、ここでｅは０．２より小さく、特に０．０５より小さい。測定領域に高さＨ、長さＬ（細長体の伝搬方向に沿った）、および幅Ｗ（幅Ｗは、光場の平均伝搬方向に平行で、かつ細長体の長手方向軸に垂直な方向に沿って測定され、高さＨは、幅Ｗと細長体に垂直な方向に沿って測定される）がある場合には、発散αは、例えば（線形近似で）次式により推定される。

【0028】

の場合には、例えばα≦２．９°、特にα≦０．７°となる。

【0029】

有利には、測定領域における光の平行性に関する上記の条件は、光源の中心と交差し、かつ前記入力光軸および出力光軸に平行な平面内の光に適用されるだけでなく、それに垂直で、光の平均方向に平行な平面内の光にも適用される。これにより、測定分解能を向上させ、および／またはより大きな測定領域および／またはより小さな検出器構成を使用することができる。

【0030】

ただし、有限サイズの光源からの光を完全にコリメートすることはできない。

【0031】

領域内のミラー上の２点間の線がミラーと交差せず、かつ少なくとも線の一部について、線が端点を除いてミラーに接触せず、ミラーの照らされた側に完全に残っている場合、その領域内でミラーは凹面になる。したがって、ミラーは少なくとも一方向に湾曲している。ミラーはまた、少なくとも２つの方向に湾曲していてもよい。

【0032】

ミラーが放物線形状を有するという表現は、光源の中心と交差し、入力光軸および出力光軸に平行な平面において、光源の中心が３次元の焦線に対応する放物線の焦点にある放物線に沿って、ミラーが延在するように理解されたい。

【0033】

ミラーが放物面形状であるという表現は、光源の中心が放物面の焦点にあり、ミラーが回転対称の放物面に３次元で従うように理解されたい。

【0034】

透明とは、それを通過する光源からの光の２０％以下、特に１０％以下を吸収または散乱するという意味で、光源の光に対して実質的に透明である本体を指すと理解される。透明な表面とは、それを通過する光源からの光の２０％以下、特に１０％以下を反射または散乱するという意味で、光源の光に対して実質的に透明である表面を指すと理解される。

【0035】

透明要素は、固体の透明本体である。

【0036】

測定領域は、細長体が配置されている領域を指定する。動作中、本体の位置は静止しておらず変動しているため、測定領域の幅と高さ（本体の長手方向軸に垂直な方向）はゼロではなく、本体の位置の統計的分布によって与えられる。糸の場合、幅と高さは、例えば３～４ｍｍであってもよい。有利には、測定領域は、細長体が動作中に、少なくともその時間の９０％、特に少なくともその時間の９９％の間存在する領域に対応する。

【0037】

装置の例
図１～図３は、長手方向１１に沿って位置合わせされ、測定領域１２に配置された細長い対象物１０の特性を測定するための光学センサの実施形態を示す。この例では、対象物１０は糸である。

【0038】

センサは、第１および第２の透明要素１４ａ、１４ｂを形成する透明本体１４を含む。図示の実施形態では、２つの要素１４ａ、１４ｂは、互いに一体的に接続され、それにより、安定した、明確な相互整合を確実にする。

【0039】

本体１４は、例えば、透明なプラスチック材料から鋳造またはモールドされる。

【0040】

キャリアプレート１６は、本体１４に隣接して配置されている。キャリアプレート１６は例えば、プリント回路基板とすることができる。

【0041】

有利には、本体１４は、正確な相互整合を確実にするために、直接的な方法でキャリアプレート１６に機械的に接続される。図示の実施形態では、本体１４の突起１８は、それらの間の機械的隙間（圧入）がないか、または小さな隙間（光源の典型的な拡張および位置決め精度に匹敵する、またはそれよりも小さい、例えば２００μｍ未満、特に１００μｍ未満）で、キャリアプレート１６の開口部２０を貫通して延在して、２つの部分を相互に位置合わせする。

【0042】

光源２２は、第１の要素１４ａに隣接するキャリアプレート１６上に配置され、光検出器２４は、第２の要素１４ｂに隣接するキャリアプレート１６上に配置される。

【0043】

本体１４は、細長体１０を受け入れるためのスリット２６を形成する。スリット２６は、第１の側２６ａおよび第２の側２６ｂで開いており（図３を参照）、第１および第２の側２６ａ、２６ｂは、長手方向１１に対して横方向、特に垂直である。

【0044】

さらに、スリット２６は、細長体１０を測定領域１２に挿入するために、長手方向１１に平行な第３の側２６ｃ（図２）で開いていてもよい。

【0045】

第１の透明要素１４ａは、入力側２８ａおよび出力側２８ｂならびに鏡面３０を有する。

【0046】

入力側２８ａは、有利には、キャリアプレート１６に垂直な方向に沿って２つの部分を相互に位置決めするようにキャリアプレート１６に当接する。

【0047】

光源２２は、発散する異方性光源、特に、平坦な出口面を有することができるＬＥＤである。光源２２は、主放射方向２３を有し、有利には、これは、容易かつ明確な取り付けのために、キャリアプレート１６に対して垂直である。

【0048】

光源２２からの光は、入力側２８ａの入力面３１ａを通って第１の透明要素１４ａに入り、鏡面３０で反射され、出力側２８ｂの出力面３１ｂを通って第１の透明要素１４ａを出る。出力側２８ｂは測定領域１２に接している。

【0049】

上述のように、入力側２８ａおよび出力側２８ｂは、互いに横向きである。

【0050】

有利には、キャリアプレート１６と出力面３１ｂとの間の角度は、７０°～１１０°、特に９０°である。

【0051】

第１の透明要素１４ａは、入力側２８ａに湾曲凹状窪み３２を含む。これは、光源２２に隣接して配置され、入力面３１ａを形成する。光源２２と第１の透明要素１４ａの表面との間にエアギャップ（または少なくとも異なる屈折材料）がある場合には、湾曲凹状窪み３２は、光源２２からの光が第１の透明要素１４ａに入るときに屈折を低減する。

【0052】

有利には、前記屈折を最小化するために、湾曲凹状窪み３２は、少なくとも光源２２の中心２２ａと交差し、かつ以下に規定されるように入力光軸および出力光軸に平行な平面内において、円形の断面を有し、光源２２の中心２２ａは、この円形断面の中心に位置している。

【0053】

鏡面３０は、有利には、その光学反射率を高めるために、反射層（例えば、金属）でコーティングされる。鏡面３０はコリメーションミラー３４を形成する。

【0054】

第１の透明要素１４ａは、上述のようにコリメータ３６を形成する。第１の透明要素１４ａは、光源２２によって放射された発散光場を、測定領域１２を通して送られる実質的に平行な光場に変換する。

【0055】

コリメータ３６は、入力光軸３８および出力光軸４０を有し、これらの光軸は、上記の理由のために非平行である。

【0056】

定義により、入力光軸３８と一致するコリメータ３６に入る光ビームは、出力光軸４０と一致するコリメータ３６を出る。出力光軸４０は、測定領域１２の中心と交差する。

【0057】

有利には、光源２２の中心２２ａは、入力光軸３８上に位置している。

【0058】

第２の透明要素１４ｂは、測定領域１２から出てくる光を収集して、それを光検出器２４に送るための光コレクタを形成する。

【0059】

第２の透明要素１４ｂは、ここでも、入力面４３ａを備えた入力側４１ａ、出力面４３ｂを備えた出力側４１ｂ、ならびに鏡面４２を有する。

【0060】

鏡面４２は、有利には、その光学反射率を高めるために、反射層（例えば、金属）でコーティングされる。鏡面４２は、光を測定領域１２から検出器２４に偏向させるための検出器ミラー４４を形成する。

【0061】

測定領域１２は、第１の透明要素１４ａの出力面３１ｂと第２の透明要素１４ｂの入力面４３ａとの間に位置する。

【0062】

有利には、第１の透明要素１４ａの出力面３１ｂは、第２の透明要素１４ｂの入力面４３ａに対して、少なくともそれらが測定領域１２と境界を接するところで平行、特に＋／－１０°以内で平行である。

【0063】

出力面３１ｂと入力面４３ａとの間のより大きな角度は、それに応じてミラー３４、４４を調整することによって達成され得る。

【0064】

同じ理由で、出力光軸４０は、有利には、第１の透明要素１４ａの出力側２８ｂに対して垂直である。

【0065】

第１の透明要素１４ａの入力側２８ａおよび第２の透明要素１４ｂの出力側４１ｂは、両方とも有利にはキャリアプレート１６に当接する。有利には、第１の透明要素１４ａの入力側２８ａは、第２の透明要素１４ｂの出力側４１ｂの当接面と、特に±２ｍｍまたはさらに良い精度で、同一平面上に（すなわち、共通平面内に）少なくとも１つの当接面を有する。

【0066】

動作中、細長体１０が、長手方向１１に沿って測定領域を通過する。細長体１０は、光源２２からの光によって照明され、測定領域を透過した光は、光検出器２４によって測定される。細長い対象物１０の厚さの変化により、透過光の量が変化する。厚さの変化は、光検出器２４の信号で検出することができる。

【0067】

コリメータの設計
図４は、センサのいくつかの部分の構成とセンサ内の光の経路を示す。

【0068】

コリメータミラー３４は、点線３４’で示されるように、放物線または放物面形状を有する。光源２２の中心２２ａは、この形状の焦点、すなわち、その頂点から焦点距離ｆでの形状の対称軸５０上に配置される。

【0069】

したがって、中心２２ａによって放射された光ビームは、出力光軸４０が対称軸５０に平行である状態で、出力光軸４０に沿ってコリメータミラー３４から反射される。これは、コリメータミラー３４が放物線形状を有する場合には、図４の平面内の光ビームに当てはまる。また、コリメータミラー３４が放物面形状を有する場合には、この平面の外側の位置でも同様である。

【0070】

以下では、図１に示すような座標系を使用する。ここで、方向ｘは、入力光軸および出力光軸３８、４０の平面に垂直な方向を示し、この方向は（図示した実施形態では）細長体１０の長手方向に対応する。方向ｙは、光軸４０に垂直であり、入力光軸および出力光軸３８、４０の平面に対して平行である。方向ｚは、ｘおよびｙに対して垂直である。

【0071】

ｚ方向に関して回転対称である放物面ミラーの場合、図１に示すように、平面ｘ、ｙ内の半径ｒと方位角αを有する極座標系を代わりに使用する。

【0072】

コリメートされた光ビームは、方向ｚに沿って測定領域１２を横切る。

【0073】

測定領域１２における細長い対象物１０の位置は完全には固定されていない。動作中、その位置は、図４の平面、すなわち、入力光軸３８および出力光軸４０を含む平面内で変動する可能性がある。そのような動きは、検出器２４によって測定される信号に影響を与えるべきではない。この目的のために、センサは、特に図４に示すように、座標ｒに沿って、測定領域１２の放射照度の均一性を改善しようとする。この座標ｒは、コリメータミラー３４の放物面または放物線形状の対称軸５０に対して垂直に延在する。対称軸５０の位置ではｒ＝０、測定領域１２の中心ではｒ＝ｒ０であると仮定する。

【0074】

図５は、放物線鏡または放物面鏡の焦点に配置された等方性光源３２’からの光がどのように反射され、座標ｒに沿って分散されるかを示している。分かるように、放射照度は、対称軸５０からの距離が増加するにつれて減少する。

【0075】

したがって、そのようなコリメートミラーによって形成されるコリメータの伝達関数Ｔ（ｒ）は、ｒの値が増加するにつれて減少する。放物面鏡と点光源の場合、コリメータの透過率を座標ｒの関数として次のように表すことができる。

ここで、ｆは放物面鏡の焦点距離である。

【0076】

図６は、Ｔ（ｒ）をｒの関数として示している。見て分かるように、ｒ＝ｒ０の位置では、Ｔ（ｒ）の勾配はゼロではない。すなわち、ｒ＞ｒ０での値はｒ＜ｒ０での値よりも低くなる。

【0077】

ＬＥＤ、蛍光デバイス、量子ドットベースのデバイス、レーザダイオードなどの最新の光源は異方性である。本設計は、光源２２の異方性を利用している。

【0078】

そのような光源の多くの一般的なタイプは、主放射方向２３に沿って最大放射強度を有するランバート放射特性または類似の特性を有する。図７は、そのような光源２２の放射強度ｉ（φ）をプロットし、ここでφは主放射方向２３に対する角度である。この図は、例として、光源２２がランバート放射特性、すなわち
ｉ（φ）／ｉ（０）＝ｃｏｓ（φ） （２）
を有すると仮定している。

【0079】

「プリミティブな」手法では、当業者は、光源２２の主放射方向２３をコリメータ３６の入力光軸３８に沿って、または対称軸５０に沿って整列させようとするかもしれない。

【0080】

しかし、図６と図７を組み合わせることで分かるように、ｒ＞ｒ０およびｒ＜ｒ０の場合、測定領域１２で放射照度Ｉ（ｒ）が強く非対称になる。

【0081】

したがって、本センサでは、光源２２の主放射方向２３は、コリメータ３６の光入力軸３８と平行になるようには選択されない。むしろ、それらの間の角度δはゼロでないように選択される。

【0082】

実際、主放射方向２３とミラー３４の放物線または放物面形状との間の交点Ｐ１（図４を参照）が、入力光軸３８と前記形状との交点Ｐ２よりも光源２２の中心２２ａから離れるように、幾何学的形状が選択される。その場合、角度δの値の増加に伴う光源２２の放射強度の減衰は、図６の伝達関数Ｔ（ｒ）の勾配を打ち消すことになる。

【0083】

これは、測定領域の放射照度Ｉ（ｒ）を定量的に解析するときに、よりよく理解される。

【0084】

まず、放物面での反射の場合では、光源２２の中心は焦点にあって、その主放射方向２３は対称軸５０に垂直であり、図４に示すように、放物面鏡の対称軸と光ビームとの間の角度である角度φは、次のように位置ｒに依存することに留意されたい。

【0085】

式（１）および（３）を使用すると、測定領域１２のｙに沿った放射照度Ｉ（ｒ）が、図８に示すように、伝達関数Ｔ（ｒ／ｆ）

を有することを示すことができる。この図は、α＝９０°の伝達関数Ｔ（ｒ／ｆ）と放射強度ｉ（ｒ／ｆ）（ランベルト光源の場合）、およびそれらの積 Ｔ（ｒ／ｆ）・ｉ（ｒ／ｆ）のプロットを示し、横軸はｒをｆの単位で表す。見て分かるように、放射照度Ｉに対応する積は、ｒ／ｆ＝０．９でほぼフラットである。

【0086】

これは、ランベルト光源に当てはまる。しかし、光源の放射特性が異なる場合でも、光源の主放射方向２３が対称軸５０に垂直である場合には、ｉ（ｒ／ｆ）は通常、ｒ／ｆ＝０の場合は０になり、ｒ／ｆ＝２の場合は最大になる。したがって、比Ｒ＝ｒ０／ｆが０．５～１．４、特に０．７～１．１、特に０．８～１．０になるように、測定領域の中心ｒ０を選択することが有利である。

【0087】

上述したように、細長体１０の位置は完全には固定されていない。むしろ、細長体１０の位置は時間とともに変化し、図８は、細長体１０がいつでも位置ｒ／ｆにある確率を示している。見て分かるように、細長体１０が存在する領域では、Ｔ（ｒ／ｆ）・ｉ（ｒ／ｆ）は実質的に一定である。

【0088】

有利なことに、位置ｒに対する伝達関数Ｔおよび放射強度ｉの導関数が反対の符号を有する位置にあるようにするために、入力光軸３８から出力光軸４０までの偏向角βは９０°より小さい。特に、偏向角αは８０°よりも小さい、および／または３０°よりも大きい。

【0089】

図４は、入力光軸３８および出力光軸４０の平面内における状況を示していることに留意されたい。それに直角な方向では、コリメータミラー３４は、例えばフラットであってもよい。しかしながら、その場合、均一な放射照度は前記平面（図３の線ＩＩ－ＩＩで示される）でのみ達成される。

【0090】

照射均一性をさらに改善するために、コリメータミラー３４は、有利には、前記平面に垂直な方向にも湾曲している。特に、コリメータミラー３４は、有利には、上記で規定された放物面形状を有する。

【0091】

さらに、コリメータミラー３４は、厳密な数学的意味で必ずしも正確に放物線または放物面形状を有する必要はないことに留意されたい。例えば、光源２２の他の場所から放射された光のコリメーションを最適化するために、光源２２の中心２２ａによって発せられた光ビームの完全なコリメーションからの小さな逸脱が許容される場合には、コリメータミラー３４は異なる曲率を有してもよい。また、コリメートをサポートするために湾曲した入射面と出射面など、光コリメータ内で光ビームを成形するための追加の光学部品が導入されている場合は、厳密な放物線または放物面形状からの逸脱が許容され得る。

【0092】

しかしながら、有利には、コリメーションミラー３４は、点Ｐ２の周りの領域、すなわち、入力光軸３８と一致する光源２２からの光がそれに当たる領域で、湾曲凹状、特に厳密に湾曲凹状（上記で規定）である。

【0093】

さらに、コリメータ３６は、全くミラーなしで機能することもでき、例えば光源２２がレンズ表面の少なくとも一部から軸外に配置されたレンズ設計に依存してもよいことに留意されたい。

【0094】

一般に、そのようなコリメータについては、依然として次式を得る。

【0095】

Ｉ（ｘ、ｙ）～Ｔ（ｘ、ｙ）ｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））（５）
～は比例関係を表し、ここで、（ｘ、ｙ）はコリメータの出力の横座標であり、φ（ｘ、ｙ）およびθ（ｘ、ｙ）は出力で（ｘ、ｙ）に当たる光線の放射角度である。

【0096】

図４の方向ｒに対応する座標ｙに沿った状況を確認する。導関数ｄＩ（ｙ）／ｄｙは、次式で与えられ、

したがって

一般に、Ｔ（ｘ、ｙ）＞０およびｉ（φ、θ）＞０である。したがって、式（７）の最初の項は、第２項を少なくとも部分的に補償するには、測定領域１２の中心ｘ０、ｙ０で、すなわちｘ＝ｘ０およびｙ＝ｙ０の位置で次式のようになる必要がある。

【0097】

ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＞０かつｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＜０または（８ａ）
ｄＴ（ｘ、ｙ）／ｄｙ＜０かつｄｉ（φ（ｘ、ｙ）、θ（ｘ、ｙ））／ｄｙ＞０（８ｂ）
例えばｙ０について最適な位置は、式（７）の導関数がゼロとなるところである。すなわち

【0098】

実際には、式（９）で与えられる正確な等式は不要である。Δｙをｙに沿った測定領域の延長の半分、すなわち上記のようにＨ／２とすると、有利には、ｘ＝ｘ０およびｙ＝ｙ０の位置、すなわち光軸４０が測定領域と交差する位置において次式を得る。

ここで、しきい値ｔは０．２以下、特に０．１未満である。

【0099】

別の手法では、測定領域では、測定領域内のすべての座標ｘ、ｙにわたる放射照度Ｉ（ｘ、ｙ）が２０％以下、特に１０％以下で変化する。

【0100】

図８に示すような放物面鏡の場合、十分に大きな焦点距離ｆを選択することにより、測定領域の所与の高さΔｙにわたって十分に均一な放射照度を達成することができる。Ｉｍａｘが測定領域の最大強度を示し、Ｉｍｉｎが測定領域の最小の望ましい強度を示す場合（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ＞０．８、特に＞０．９）には、座標ｒ／ｆ＝Ｒ１およびＲ２が決定され、それぞれＴ（ｒ／ｆ）・ｉ（ｒ／ｆ）＝０．８または０．９である。これから、Ｒ１とＲ２はｆの単位であるため、ｆ＝２＊Δｙ／（Ｒ２－Ｒ１）になる。

【0101】

この文脈では、延長Δｙは、例えば、細長い対象物１０が測定中の時間の少なくとも９０％の間存在する領域として定義される。

【0102】

したがって、一態様では、本発明は、条件（１０）が維持されるセンサの動作方法に関する。

【0103】

検出器の設計
有利には、検出器ミラー４４も、入射光を検出器２４上に集中させるために、放物線または放物面形状を有する。その軸はコリメータミラー３４の軸５０に平行である。

【0104】

検出器２４の中心は、その頂点からの焦点距離ｆ’で、この放物線または放物面形状の焦点に位置する。したがって、出力光軸４０に沿って伝搬するビームは、検出器２４に集束される。

【0105】

しかしながら、検出器ミラー４４は、測定領域１２からの光を検出器の活性表面に送ることができる他のタイプの凸面ミラーであってもよい。

【0106】

また、図２および図４に示すように、検出器が角度依存の感度を有さない限り、上記の関係（９）に対応する条件が真になるように検出器ミラー４４と検出器２４を相互に位置合わせする理由はない。有利には、検出器ミラー４４は、コンパクトで効率的な設計を達成するために、出力光軸４０と一致する光を９０°、特に＋／－５°以内で偏向する。

【0107】

あるいは、例えばレンズによって測定領域１２から検出器２４に光を集束する場合、または、測定領域１２からのすべての光を直接受け取るのに十分大きい検出器を使用する場合は、検出器ミラー４４を省くことができる。

【0108】

注記
上記の例では、細長い対象物１０は糸である。しかし、細長い対象物１０はまた、ヤーン前駆体、ワイヤ、プライヤーン、またはファイバなどの別の対象物であってもよいことに留意されたい。

【0109】

細長い対象物１０は、有利には、その長手方向軸１１に対応する方向に測定領域１２を通って移動している。

【0110】

上記の実施形態では、光軸４０とキャリアプレート１６は平行である。ただし、ミラーがしかるべく調整されている場合には、それらの間の角度がゼロ以外であってもよい。

【0111】

本発明の現時点で好ましい実施形態が示され、説明されているが、本発明はそれに限定されず、別段以下の特許請求の範囲内で様々に具体化および実施され得ることが明確に理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】