CN114486842A - 识别装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种识别装置，该识别装置(1000)包括：光收集单元(20)，其用于收集来自样本的散射光；分光元件(150l)和(150h)，其被构造为分散来自光收集单元(20)的光；摄像单元(170)，其包括沿行方向(172r)和列方向(172c)排列的多个光检测元件，并且来自分光元件(150l)和(150h)的光学光谱沿行方向(172r)投影到摄像单元(170)；以及获取单元(30)，其被构造为基于来自摄像单元(170)的输出信号来获取关于样本的光谱信息。对应于样本的光学光谱沿行方向(172r)和列方向(172c)中的至少一个方向不连续地投影到摄像单元(170)。

Description

识别装置
技术领域
本发明涉及一种识别装置，该识别装置基于样本的散射光来识别诸如样本的成分和构成的特性。
背景技术
利用光谱分析对样本的特性进行光学识别的识别装置是已知的。这样的识别装置安装在用于输送多个样本的输送路径中，并用于检查产品和分选废物。
光谱分析并不总是需要限制吞吐量的诸如真空减压、气氛控制、浸入液体中和用于干燥的气氛管理的处理，并且可以在大气气氛下识别样本的特性。因此，近年来已经尝试将光谱分析应用于废树脂的分选。
已知的光谱分析类型是红外吸收光谱和拉曼散射光谱。红外吸收光谱法获取样本对包含红外波段的入射光的吸收光谱。拉曼散射光谱法获取样本对包含紫外线波段的入射光的散射光谱。拉曼散射光谱法不太会受到由于样本厚度导致的光衰减的影响，因此用于识别不同样本大小的废物。分散拉曼散射光的拉曼散射光谱法，使用构成碳氢化合物的原子键所特有的拉曼位移，因此适合用于识别树脂。
拉曼散射光的强度比二次光中包含的弹性散射成分(瑞利散射光)低几个数量级，因此采用会聚一次光并用会聚光照射样本的方法来提高单位面积的检测灵敏度。已知的分选装置基于检测到的光谱，根据是否满足预定的目标条件，将样本分选为目标样本和其他样本。
BUNSEKI-KAGAKU第61卷，第12期，第1027-1032页(2012年)讨论了一种废树脂识别装置，其包括光收集单元、分光元件和电荷耦合器件(CCD)图像传感器，该传感器具有以二维矩阵排列1024×64(行方向×列方向)元件。BUNSEKI-KAGAKU第61卷，第12期，第1027-1032页(2012年)中所讨论的识别装置沿CCD图像传感器的长度方向(行方向)投影来自分光元件的光学光谱。BUNSEKI-KAGAKU第61卷，第12期，第1027-1032页(2012年)进一步讨论了通过读取沿列方向从分光元件投影的光学光谱来高速获取光谱图像。日本特开第2019-105628号公报讨论了一种识别装置，其包括多个光收集单元、分光元件和二维摄像单元。日本特开第2019-105628号公报中讨论的识别装置通过将多个光收集单元之后的装置合并为单个分光元件和单个二维摄像单元来缩小尺寸。日本特开第2019-105628号公报中讨论的识别装置使用滚动快门互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器作为二维摄像单元，以减少在列方向上平行投影的光谱图像之间的相互作用。
BUNSEKI-KAGAKU第61卷，第12期，第1027-1032页(2012年)和日本专利申请特开第2019-105628号公报中讨论的识别装置在波数方向上的光谱分辨率受到光谱元件的分辨率和二维摄像单元上的投影像素数的限制。
同时，拉曼散射光谱在4000cm-1到100cm-1的波数范围内具有对应于特定官能团的拉曼位移峰波数。图5A示出了聚苯乙烯的拉曼散射光谱，作为废树脂中含有的碳氢化合物的示例。在4000cm-1到100cm-1的波数范围内的特征峰移不是均匀的，而是不均匀的，并且波数范围在波数方向上被分割。众所周知，将拉曼光谱的波数范围从低波数到高波数分为三个区域，即指纹区域(500cm-1至1800cm-1)、静默区域和CH拉伸区域(2800cm-1至3100cm-1)。在光谱识别中，在指纹区域和CH拉伸区域之间的静默区域(1800cm-1到2800cm-1)中，有用的峰位移出现的频率低于指纹区域和CH拉伸区域。
因此，对应于投影到在BUNSEKI-KAGAKU第61卷，第12期，第1027-1032页(2012年)和日本特开第2019-105628号公报中讨论的识别装置的摄像单元中的光学光谱的静默区域的光检测元件的数量不能有效地用于材料识别，并且如图5B中所示，摄像单元的使用效率下降。换句话说，对应于静默区域的光检测元件的数量是对应于在行方向投影的整个光谱区域的光检测元件数量的1/4到2/5，因此光谱识别能力下降了3/4到3/5。
发明内容
本发明涉及一种识别装置，其包括摄像单元和被定位成有效分散所收集的光的分光元件。具体而言，本发明涉及一种识别装置，该识别装置确保对识别样本特性有用的波数带的光谱分辨率。
根据本发明的一个方面，一种识别装置包括：光收集单元，其被构造为收集来自样本的散射光；分光元件，其被构造为分散来自光收集单元的光；摄像单元，其包括沿行方向和列方向排列的多个光检测元件，并且来自分光元件的光学光谱沿行方向投影到摄像单元上；以及获取单元，其被构造为基于来自摄像单元的输出信号获取关于样本的光谱信息。对应于样本的光学光谱沿行方向和列方向中的至少一个方向不连续地投影到摄像单元。
根据以下结合附图对示范性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据第一示例性实施例的识别装置的示意性构造的图。
图2A是示出光谱信息获取单元的示意性构造的框图。图2B和图2C示出根据第一示例性实施例的光学光谱到摄像设备的投影。
图3A和图3B是示出根据第二示例性实施例的光学光谱到摄像设备的投影的图。
图4A是示出识别装置的示意构造的图。图4B示出根据第三示例性实施例的光学光谱到摄像设备的投影。
图5A是示出聚苯乙烯的拉曼散射光谱的图。图5B示出根据传统技术的光学光谱到摄像设备的投影。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的各种示例性实施例。
现在将参照图1、图2A、图2B和图2C描述根据第一示例性实施例的识别装置。图1是示意性示出根据本示例性实施例的识别装置1000的构造的图。图2A是详细的局部视图，示出了图1中所示的识别装置1000的光谱信息获取单元100。图2B是示出将光学光谱280sl和280sh投影到摄像单元170的图。图2C是示出在摄像单元170的行方向172r的光检测元件编号与投影在行方向172r的光学光谱的波数之间关系的图。光检测元件编号也被称为“光检测元件的行方向地址”或“光检测元件的行方向编号”。
在图1中，z方向对应于垂直方向和重力方向，x方向对应于输送方向dc，y方向对应于输送宽度方向dw，而xy平面对应于水平表面。输送宽度方向dw平行于输送表面200S，并对应于与输送方向dc正交的方向。
(识别装置)
识别装置1000包括如图1所示的照射单元22。照射单元22用照射光220照射在输送方向dc上输送的样本900i，以使照射光220聚焦在样本900i上。样本900i由送料机500给送到输送单元200，并由输送单元200沿输送方向dc输送。该照射光220也被称为会聚光220或一次光220。
如图1所示，识别装置1000包括与照射单元22相对应的光收集单元20。光收集单元20收集来自样本900i的散射光。识别装置1000还包括如图1A中所示的获取单元30。获取单元30基于由光收集单元20收集的光来获取用于识别样本900i的特性的识别信息。
如图1所示，识别装置1000还包括输送单元200和在输送方向dc位于输送单元200下游的鉴别装置300。输送单元200包括输送带，该输送带在x方向上以输送速度vc输送样本900i。
现在将参照图2A详细描述包括在识别装置1000中并具有根据本发明的特征的分光元件和摄像单元的光谱信息获取单元。
(光谱信息获取单元)
识别装置1000包括被构造为获取关于从样本900i收集的光的光谱信息的光谱信息获取单元100。光谱信息获取单元100是这样的单元：其根据来自样本900i的二次光中包含的拉曼散射光与一次光中包含的激发光之间的波数差异来获取拉曼位移。
如图1和图2A中所示，光谱信息获取单元100包括照射单元22和光收集单元20。照射单元22用照射光220照射样本900i，而光收集单元20收集来自样本900i的二次光。根据本示例性实施例的照射单元22和光收集单元20位于同一轴线上，并且照射单元22经由光纤130与包括激光光源的光源25光学地耦合。光收集单元20与光谱图像获取单元10光学地耦合，以使光谱信息获取单元100能够获取反映样本900i中所包含材料的光学信息。
(光收集单元)
图2A是示意性示出光谱信息获取单元100的构造的示例的图。光谱信息获取单元100包括具有照射单元22和光收集单元20的光收集单元27。照射单元22用光照射样本900i，而光收集单元20收集来自样本900i的拉曼散射光。当从分色镜250观察时，照射单元22和光收集单元20位于样本侧(物体侧)的同一轴线上，并且即使在样本900i的照射表面具有高度差异或倾斜的情况下，在照射点中心与要收集的散射光中心之间也不太可能发生位置偏差。
(照射单元)
照射单元22位于输送单元200的上方，并且具有焦距DF，以在距离输送带的输送表面200S的预定距离的位置处形成焦平面65。
照射单元22被定位以将照射光220聚焦在样本900i的上侧，以增加拉曼散射光的散射强度，该拉曼散射光的散射强度比瑞利散射光弱几个数量级。包括照射单元22和光源25的单元也被称为照射光学系统。
如图2A所示，照射单元22包括物镜260、分色镜250、准直透镜230、柱面透镜240和反射镜210。物镜260采用凸透镜、准直透镜、凹透镜和/或变焦透镜。
合成石英可以用作准直透镜230、柱面透镜240和物镜260的玻璃材料。准直透镜230、柱面透镜240和物镜260用来自作为半导体激光器的光源25的高输出光照射，但使用合成石英作为这些玻璃透镜的材料可以减少荧光和拉曼散射光的背景成分。
物镜260用作将来自激光光源25的光会聚到照射单元22中的样本900i的聚光透镜。物镜260在距物镜260的焦距DF处形成焦平面65、具有焦径φ(未示出)的焦点(焦斑)、以及对应于数值孔径NA的焦深ΔDF。
准直透镜230和柱面透镜240减少来自激光光源25的发射光的扩散，并将该光成形为平行光。柱面透镜240可以使用诸如变形棱镜对的另一个光学元件进行准直。此外，可以在照射单元22的光瞳表面的位置处配设诸如激光线滤波器的波长滤波器。这改善了样本900i通过照射单元22照射的光的波长特性。
如图2A所示，照射单元22的至少一部分可以与光收集单元20共享。由于根据本示例性实施例的光收集单元20和照射单元22位于同一轴线上，因此物镜260和分色镜250由光收集单元20和照射单元22共享。
(光源)
光源25是经由光纤130向照射单元22发射激发光的光源。分散拉曼散射光的照射光学系统使用波长为400nm至1100nm的激光光源作为光源25。在拉曼散射中，在较短的波长下，激发效率增加，而在较长的波长下，要成为背景的荧光成分减少。
选择作为应用于光源25的激光光源的激发波长的波长，优选是能从中明显获得目标材料和非目标材料之间的拉曼位移差异的波长，并且存在使用532纳米、633纳米、780纳米和1064纳米中至少一个的情况。虽然本文描述了使用半导体激光器作为照射单元22的光源25，但该光源并不限于本文所描述的光源，也可以使用诸如半导体激发的固体激光器或气体激光器的其他激光光源。
(光收集单元)
光收集单元20位于输送表面200S上方，以收集从由输送单元200输送的样本900i的顶面发出的二次光。换句话说，光收集单元20位于与从照射单元22发出的照射光220的照射区域相对应的输送单元200的上方，以收集来自通过照射区域输送的样本900i的顶面的二次光。
光收集单元20包括物镜260、分色镜250、摄像透镜270和光纤190。光收集单元20的物镜260包括凸透镜、准直透镜、凹透镜和/或变焦透镜，如同那些包括在照射单元22中的那些透镜。光收集单元20可以包括诸如带通滤波器或长通滤波器的波长滤波器，以减少一次光中包含的激发光成分，从而减少光谱测量中不必要的光。
光收集单元20采用具有大数值孔径的物镜，以确保光收集效率。采用数值孔径为等于或大于0.1至等于或小于0.5的物镜作为光收集单元20的物镜260。更具体地说，SCHOTT制造的物镜B-270，其有效透镜直径为25毫米、焦距为20毫米、数值孔径为0.5，可以用作物镜260。
(光谱图像获取单元)
光谱图像获取单元10从光收集单元20侧起依次包括分支部195、摄像透镜110l和110h、带通滤波器120l和120h、分光元件150l和150h以及摄像单元170，如图2A中所示。在本示例性实施例中，在各附图标记的末尾加上字母l(字母表中“L”的小写字母)和h，以分别表示低波数侧和高波数侧。光谱元件150l和150h被定位成将由光收集单元20收集的光通过摄像透镜160l和160h分散，并将连续光谱沿着摄像单元170的光检测元件阵列的行方向或列方向投影到摄像单元170。
根据图2A和图2B所示的本示例性实施例，低波数的光学光谱280sl和高波数的光学光谱280sh沿着在行方向172r中排列的光检测元件350投影到摄像单元170。换句话说，低波数的光学光谱280sl和高波数的光学光谱280sh沿行方向172r不连续地投影到摄像单元170，在行方向元件编号1041和1042之间有非投影带NPB，如图2C所示。非投影带NPB被相应地设置为1800cm-1至2800cm-1的静默区域。非投影带NPB也被称为“非投影带”或“非投影波数范围”。
非投影带NPB优选设置为等于或高于200cm-1的波数范围，更优选设置为等于或高于500cm-1的波数范围。
根据本示例性实施例，在500cm-1至4000cm-1的接收光的3500cm-1的波数范围内(不包括1000cm-1的非投影带NPB)，1800cm-1至4000cm-1的高波数的光学光谱和500cm-1至1800cm-1的低波数的光学光谱被投影到摄像单元170。因此，与根据传统技术在图5A和图5B中所示的投影相比，根据本示例性实施例可由单个光检测元件分割的波数宽度在低波数处减少到745/1040，在高波数处减少到645/960，并且波数方向的光谱分辨率得到改善。通过将低波数的分光元件150l和高波数的分光元件150h布置成在摄像单元170的行方向172r上移位，来将500cm-1至1800cm-1范围内的低波数光学光谱和1800cm-1至4000cm-1范围内的高波数光学光谱彼此不连续地投影。换句话说，低波数的分光元件150l和高波数的分光元件150h分别将具有彼此不同波数范围的多个光学光谱280sl和280sh投影到摄像单元170的多个区域。换句话说，具有彼此不同的波数范围的多个光学光谱280sl和280sh被投影到摄像单元170的多个区域，其中，在光学光谱280sl和280sh之间的非投影带NPB不被投影到摄像单元170摄像。
根据本示例性实施例的变型例，光纤190l和190h的出射端平行地布置并且相对于分光元件150l和150h中的一个在图2A的纸面上垂直地移位。根据变型例的构造，低波长和高波长的光学光谱沿着行方向172r从分光元件150l和150h中的一个不连续地投影到摄像单元170。在根据变型例的构造中，可以省略分光元件150l和150h中的另一个、相应的摄像透镜110l或110h、带通滤波器120l和120h中的另一个、以及分支部195。
分光元件150l和150h不必是相同的分光元件，并且各分光元件可以根据需要基于晶格周期和要投影的中心波长的波数带进行优化，以将低波长和高波长的光谱图像投影到摄像单元170上的宽区域。在这种情况下，考虑到衍射效率和波数分辨率，摄像单元170位于根据分光元件150l和150h的单个发射角的最佳位置。
(摄像单元)
摄像单元170采用诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的摄像设备，其中光检测元件以二维方式排列。根据本示例性实施例的摄像单元170的多个光检测元件350被布置成矩阵。然而，在多个光检测元件350被布置成三角阵列的情况下，行和列方向与三个轴中的两个相关联，或者与三个轴中的一个轴的方向和其余两个轴的组合方向相关联。识别装置1000识别样本900i的特性，而输送装置200输送样本900i，鉴别装置300基于识别结果对样本900i进行鉴别。因此，优选提高输送装置200的输送速度vc，以增加识别装置1000的分选处理的吞吐量。投影到摄像单元170上的光学光谱280sl和280sh是基于在输送表面200S上移动的样本900i产生的拉曼散射光。因此，在输送的样本900i处于从照射单元22发出的照射光220(会聚光220)的照射区域的同时，光学光谱280sl和280sh被投影到摄像单元170上。例如，在输送单元200的输送速度vc为2米/秒且样本900i在输送方向dc的长度为10毫米的情况下，摄像单元170能够检测到由来自样本900i的拉曼散射光形成的光谱图像的时间为等于或小于5毫秒。因此，要求摄像单元170具有高帧率。具有高帧率的摄像单元是CMOS图像传感器，因此，摄像单元170优选是CMOS图像传感器。
如上所述，来自样本900i的拉曼散射光的强度明显较低，使得摄像单元170的光检测元件350的各元件上的入射光强度也明显较低。因此，优选使用对获取对应于光学光谱280sl和280sh的光谱图像的波数区域具有高灵敏度的摄像单元，作为摄像单元170。一般来说，滚动快门图像传感器比全局快门图像传感器具有更简单的像素结构和更高的孔径比，并且光电转换元件可以被放大，使得灵敏度和动态范围可以增加。此外，由于具有简单的像素结构，滚动快门图像传感器具有成本比全局快门图像传感器低的优势。基于上述原因，根据本示例性实施例，滚动快门CMOS图像传感器用作摄像单元170。
摄像单元170可以采用滚动复位型图像传感器，该图像传感器依次对光检测元件350的阵列的各行进行复位。这尽可能长地增加了光检测元件350的阵列的各行的曝光时间，并且灵敏度增加。
根据本示例性实施例的摄像单元170包括在光接收单元171中读取特定行的裁切(crop)读取功能，该光接收单元171包括在行方向172r和列方向172c上二维排列的光检测元件350。因此，在下述形态信息获取单元70检测到样本900i到达光收集单元20的光收集区域的情况下，摄像单元170读取对应于光收集单元20的光接收单元171中的特定行。
摄像单元170包括读取电路173、水平扫描电路174、垂直扫描电路175和输出电路176。摄像单元170按顺序从以矩阵形状布置的多个像素逐行读取信号。垂直扫描电路175在光接收单元171中选择行，并驱动所选行。读取电路173读取从由垂直扫描电路175选择的行的像素输出的信号，并基于水平扫描电路174的控制，将读取的信号传输到输出电路176。这就是在主扫描方向(行方向)上进行读取的方式。由垂直扫描电路175选择的行被移位，并且读取电路173基于水平扫描电路174的控制，在主扫描方向上进行读取。重复上述操作，使得选择的行在副扫描方向(列方向)上移位，从而读取来自整个光接收单元171的信号。读取的信号作为输出信号通过输出电路176的输出端子177输出到材料信息参考单元180。材料信息参考单元180位于摄像单元170的外部。此时，主扫描方向的扫描以高速进行，而副扫描方向的扫描比主扫描方向的扫描慢。
摄像透镜110l和110h将来自光收集单元20的通过光纤190和来自分支部195的通过光纤190l和190h之一传输的分支光变为平行光。光纤190l和190h也被称为分支导光部分190l和190h。带通滤波器120l和120h降低了所收集的光中所包含的激发光成分的强度，并传输拉曼散射光成分的一部分。带通滤波器120l和120h具有光谱传输特性，以分别衰减高波数的拉曼散射光和低波数的拉曼散射光。分光元件150l和150h将收集到的光分散，从而以扇形的形式传播波长成分。摄像透镜160l和160h将由分光元件150l和150h分散的光投影到摄像单元170上。分光元件150l和150h是透射式衍射光栅。反射式衍射光栅也可以用作衍射光栅。在这种情况下，分光元件构造采用Rowland(罗兰)布置或Czerny-Turner(车尔尼-特纳)构造。分光元件150l和150h也被称为衍射光栅150l和150h。
考虑到拍摄的光谱图像、摄像单元170的图像传感器的光电转换特性以及光学系统的传输特性，摄像单元170获取关于样本900i的光谱信息Si。此外，分光元件150l和150h还可以连同光学光谱一起获取包括圆二色性和旋光色散的偏振信息。
(材料信息参考单元)
光谱信息获取单元100包括材料信息参考单元180，该材料信息参考单元180基于由光谱图像获取单元10获取的光谱信息Si获取关于样本900i的材料信息。材料信息参考单元180参考存储拉曼散射光参考数据的材料数据库(未示出)，并基于光谱信息Si和参考数据之间的相似性获取材料信息Mi。材料信息Mi识别样本900i中包含的材料。光谱信息获取单元100经由下面描述的指令单元40将光谱信息Si和材料信息Mi中的至少一者存储在第一存储单元60中。
材料信息参考单元180参考的材料数据库可以存储在识别装置1000的本地服务器上，或者存储在可经由互联网或内联网访问的远程服务器上。
如上所述，光谱信息获取单元100获取关于样本900i中包含的例如材料、添加剂和杂质成分的混合物的材料信息Mi。
(形态信息获取单元)
如图1所示，形态信息获取单元70包括照相机76和图像处理单元78，并获取关于样本900i的形态信息Fi。照相机76被定位成使得摄像视场700与输送单元200交叠。图像处理单元78处理由照相机76拍摄的样本的图像。与材料信息Mi类似，形态信息Fi是关于样本900i的特性的信息。
图像处理单元78进行包括对比度和轮廓提取的图像处理，并获取例如各样本900i在输送方向dc的长度、以及各样本900i的反射颜色、各样本900i的形状以及各样本900i的材料混合水平。图像处理单元78也被称为进行处理以获取各样本900i的尺寸信息的元件。形态信息获取单元70可以包括光电干扰器(未示出)和激光干涉仪(未示出)来代替照相机76。形态信息获取单元70也被称为摄像单元。形态信息获取单元70也是在识别装置1000中选择性地采用的元件。
(获取单元)
如图1所示，获取单元30基于由光谱信息获取单元100获取的材料信息Mi或光谱信息Si以及由形态信息获取单元70获取的形态信息Fi，获取关于样本900i是目标样本还是非目标样本的识别信息Di。获取单元30获取各样本900i的识别信息Di。获取单元30将获取的识别信息Di输出到指令单元40。
换句话说，获取单元30基于由光收集单元20收集的光的二次光中包含的拉曼光谱来识别样本900i的特性。换句话说，根据本示例性实施例的获取单元30基于从照相机76获取的样本的图像和由光收集单元20收集的光的二次光中包含的拉曼光谱来识别各样本900i的特性。
根据变型形式，根据本示例性实施例的光谱信息获取单元100和形态信息获取单元70可以用能够从拍摄的图像中获取形态信息Fi和光谱信息Si的高光谱照相机或多波段照相机代替。具体来说，根据变型形式的识别装置(未示出)包括获取多维数据的检测系统，可以从该多维数据读取材料信息和形态信息。
(控制单元)
识别装置1000包括控制单元400，该控制单元400包括指令单元40、第二存储单元80和第一存储单元60。指令单元40基于各样本900i的特性来控制鉴别装置300的鉴别操作。第二存储单元80存储鉴别操作的控制条件。第一存储单元60存储各样本900i的特性。控制单元400包括显示单元140，该显示单元140被构造为提供图形用户界面(GUI)，用户可以经由该图形用户界面来指定控制条件。显示单元140可以显示由获取单元30获取的信息。
(存储单元)
第一存储单元60被构造为针对各样本900i存储识别信息Di、材料信息Mi、光谱信息Si和形态信息Fi，该形态信息Fi与样本900i通过照射光220的定时tp相关联。
另一方面，第二存储单元80被构造为存储用于控制鉴别装置300的鉴别操作的强度Is的控制条件，该强度Is对应于各样本900i的识别信息Di。控制条件的形式包括供参考的表格、代数表达的一般公式和机器学习的统计信息。
(指令单元)
指令单元40根据来自获取单元30的识别信息Di估计样本900i通过处理区域的时间，在该处理区域中，鉴别装置300基于各样本900i的材料和尺寸对样本900i进行鉴别处理，并生成指令以控制鉴别装置300的鉴别操作。可以基于来自形态信息获取单元70的信号、来自光谱信息获取元100的信号和来自输送单元200的样本传感器(未示出)的信号中的至少一者来估计样本900i通过处理区域的时间。
(鉴别装置)
如图1所示，鉴别装置300包括空气喷嘴330和鉴别控制单元340。空气喷嘴330以预定的排出速度和预定的排出流量在预定的排出时间内排出压缩空气。鉴别控制单元340控制空气喷嘴330的电磁阀(未示出)。鉴别控制单元340接收来自识别装置1000的指令单元40的控制信号。根据本示例性实施例的鉴别装置300的鉴别操作包括排出流体的操作。由排出操作排出的流体包括空气、干氮气、诸如稀有气体的惰性气体、液体和气液混合流体(气溶胶)。鉴别装置300基于来自指令单元40的控制信号，根据样本900i的特性，将样本900i收集到目标收集篮620和非目标收集篮600或640中。
鉴别装置300的排出流体的排出装置可以替换为以预定角速度打开和关闭的翻板门或以预定速度打开和关闭的快门。包括在识别装置1000中的形态信息获取单元70、光谱信息获取单元100、鉴别装置300以及其组件平行地位于输送单元200的输送宽度方向dw的不同位置处，以进行系统整合和高速处理。鉴别装置300可以被视为识别装置1000的元件，有时被称为鉴别单元300。
(输送单元)
输送单元200是如下的输送单元，其在输送方向dc(图1中示出的x方向)上以预定的输送速度vc输送从送料机500依次给送的多个样本900i(i＝1，2，...)。输送单元200和送料机500形成输送样本900i的输送单元。
根据本示例性实施例的输送单元200包括输送带，该输送带在输送表面200S上以速度vc线性地输送从送料机500给送的样本900i。根据变型示例，输送单元200可以被替换为从外部螺旋式输送样本的转盘式送料机、配备有在预定方向上移动样本的振动发生器的振动式送料机，或者包括多个辊子的输送辊。
输送单元200移动样本900i，使得样本900i通过照相机76的摄像视场700。因此，输送单元200也被称为相对于形态信息获取单元70的放置部200。类似地，输送单元200移动样本900i，使得样本900i通过光收集单元20的有效光收集区域(未示出)。因此，输送单元200也被称为相对于光收集单元20的放置部200。
根据本示例性实施例，在输送带的情况下，输送单元200的0.1米/秒至5米/秒的输送速度vc是适用的。
进一步地，将用于过滤样本900i的形状和尺寸的分选处理作为由送料机500给送的预处理来进行的情况，也是根据本示例性实施例的使用识别装置1000的识别方法的变型形式。振动输送机、振动筛分机或碎粒检查机用作进行预处理的单元。
现在将参照图3A和图3B描述根据第二示例性实施例的识别装置。图3B是示出根据本示例性实施例的摄像单元170的行方向172r上排列的光检测元件数量与行方向172r上投影的光学光谱的波数之间关系的图。
根据本示例性实施例的识别装置不同于根据第一示例性实施例的识别装置1000，不同之处在于光学光谱280sl和280sh沿行方向172r和列方向172c被投影到摄像单元170的不同位置上，如图3A所示。具体而言，本示例性实施例和第一示例性实施例在光学光谱280sl和280sh到摄像单元170的不连续投影方向上是不同的。
根据本示例性实施例的识别装置与第一示例性实施例的相似之处在于，光谱图像获取单元10包括相对于一个摄像单元170的两组分光元件150l和150h，而本示例性实施例在分光元件150l和150h相对于摄像单元170的布置方面与第一示例性实施例不同。根据第一示例性实施例，分光元件150l和150h在行方向172r上移位。根据第二示例性实施例，分光元件150l和150h在列方向172c上移位(未示出)。
根据本示例性实施例，如图3A中所示，低波数的光学光谱280sl和高波数的光学光谱280sh沿着在行方向172r上排列的光检测元件350被投影到摄像单元170的光接收单元171。低波数的光学光谱280sl和高波数的光学光谱280sh被投影到摄像单元170，而在列方向172c上光学光谱280sl和280sh之间有非投影带NPB，如图3B所示。低波数的光学光谱280sl和高波数的光学光谱280sh沿行方向172r被相应地投影到对应于元件编号101至2101的光检测元件350。如第一示例性实施例中所述，非投影带NPB被相应地设置为1800cm-1至2800cm-1的静默区域。
根据本示例性实施例，500cm-1至1800cm-1的低波数带和1800cm-1至4000cm-1的高波数带(不包括1000cm-1的非投影带NPB)的光学光谱280sl和280sh在列方向172c上移位并投影到摄像单元170。因此，与根据传统技术的图5A和图5B所示的投影相比，根据本示例性实施例的可由单个光检测元件分割的波数宽度在低波数处减少到745/2000，在高波数处减少到645/2000，并且波数方向上的光谱分辨率得到改善。
现在将参照图4A和图4B描述根据第三示例性实施例的识别装置。图4A是示出输送单元200和多个输送轨道TR-p(p＝1至4)的图，这些是根据第三示例性实施例的主要部分。图4A对应于示出识别装置2000的光收集光学系统和鉴别装置到作为投影平面的图1中示出的平面A-A’的投影的图。图4A中的横截面B-B’与图1中所示的示意性构造图相对应。
(识别装置)
图4A中示出的识别装置2000与图1中示出的识别装置1000的不同之处在于，照相机76的四个摄像场700-p、来自照射单元22-p的四个照射点以及鉴别装置300的四个空气喷嘴330-p在输送宽度方向dw上布置。识别装置2000是多列识别装置，该多列识别装置包括平行布置在与输送方向dc相交的输送宽度方向dw上的不同位置的多个用于识别的单元。与识别装置1000相比，识别装置2000实现了系统整合和高速识别处理。
识别装置2000包括由来自送料机500的送料区域550-p(p＝1至4)限定的四个输送轨道TRp(p＝1至4)。识别装置2000包括摄像场700-p、一次光的照射点220-p和对应于各轨道TRp串联布置的空气喷嘴300-p。
在形成多行识别装置时，要位于输送单元200的输送宽度方向dw的不同位置的元件可以独立地定位，或者可以排列。识别装置2000包括送料机500A和多鉴别装置(未示出)。送料机500A的供气口被排列。多鉴别装置的空气喷嘴300-p是多喷嘴。
根据本示例性实施例，从对应于输送轨道TRp(p＝1至4)的一次光的照射点220-p收集的光被引导到光纤(导光部分)(未示出)和包括分光元件150l-p和150h-p的分光元件组。分光元件150l-p和150h-p由多个输送轨道TRp(p＝1至4)共享，因此，识别装置2000包括针对各个的一个。相对照地，光收集光学系统包括对应于行数p为4的四个低波数带通滤波器、四个高波数带通滤波器、四个低波数摄像透镜、四个高波数摄像透镜、四个低波数光纤和四个高波数光纤。根据本示例性实施例的多个低波数光纤和高波数光纤的各自的出射端在图2A的垂直方向上以预定的间隔排列在一条线上，形成一维的出射端阵列。出射端在图2A的垂直方向上排列的出射端阵列位于各摄像透镜110l和110h的前面，由此对应于输送轨道TRp的光学光谱280slp和280slh以沿列方向172c的空间投影。如第一示例性实施例中所述，分光元件150l-p和150h-p沿行方向172r移位并在摄像单元170中投影。如第一示例性实施例所述，分别从分光元件150l-p和150h-p投影的500cm-1至1800cm-1的低波数带和2800cm-1至4000cm-1的高波数带被不连续地投影到摄像单元170中，其间具有非投影带NPB。
因此，与图5A和图5B中所示的传统技术相比，与第一示例性实施例类似，根据本示例性实施例的可被单个光检测元件分割的波数宽度在低波数处减少到745/1040，在高波数处减少到645/960。根据本示例性实施例，与图5A和图5B中所示的传统技术相比，与第一示例性实施例类似，低波数的光学光谱280sl1至280sl4和高波数的光学光谱280sh1至280sh4在波数方向上的光谱分辨率得到改善。根据变型形式，根据本示例性实施例的一个出射端阵列可以与图2A的垂直方向上的一个分光元件并列，如第一示例性实施例中所述。根据变型形式，一个分光元件可以在行方向172r上不连续地投影光学光谱280slp和280shp。根据变型的形式，出射端可以在图2A的垂直方向上布置，以形成二维阵列。在本示出书中，术语“光学光谱”是指针对各波数从分光元件中以扇形形式投影的衍射光的强度分布，而术语“光学光谱”也可用于指衍射光的空间扩散和摄像单元拍摄的光谱图像。
本发明提供一种识别装置，该识别装置包括摄像设备和被定位以有效地分散收集光的分光元件。换句话说，本发明提供了一种识别装置，该识别装置确保了在识别样本的特性方面有用的波数带的光谱分辨率。
虽然本发明已经参照示例性实施例进行了描述，但应当理解，本发明不限于所披露的示例性实施例。所附权利要求的范围应给予最广泛的解释，以便包括所有这些修改和同等的结构和功能。

Claims (15)

1.一种识别装置，所述识别装置包括：
一个或更多个光收集单元，其被构造为收集来自一个或更多个样本的散射光；
一个或更多个分光元件，其被构造为分散来自光收集单元的光；
摄像单元，其包括沿行方向和列方向排列的多个光检测元件，并且来自所述分光元件的光学光谱沿行方向投影到所述摄像单元；以及
获取单元，其被构造为基于来自所述摄像单元的输出信号来获取关于所述样本的光谱信息，
其中，与所述样本相对应的光学光谱沿行方向和列方向中的至少一个方向不连续地投影到所述摄像单元。
2.根据权利要求1所述的识别装置，其中，针对所述摄像单元配设多个所述分光元件。
3.根据权利要求1所述的识别装置，其中，针对所述摄像单元配设多个所述分光元件，以将与所述样本对应的光学光谱沿行方向或列方向投影到不同位置。
4.根据权利要求2所述的识别装置，所述识别装置还包括：
分支部，其被构造为将来自与多个所述分光元件相对应的光收集单元的光进行分支；以及
多个分支导光部，其被构造为将来自所述分支部的多束分支后的光引导至多个所述分光元件。
5.根据权利要求2所述的识别装置，所述识别装置还包括：
多个光收集单元；以及
多个导光部，其被构造为将由所述多个光收集单元收集的多束光引导至多个所述分光元件。
6.根据权利要求2所述的识别装置，其中，多个所述分光元件将具有彼此不同的波数范围的多个光学光谱投影到所述摄像单元的多个部分。
7.根据权利要求6所述的识别装置，其中，具有彼此不同的波数范围的所述多个光学光谱被投影到所述摄像单元的多个部分，在所述多个部分之间具有未投影到所述摄像单元的非投影带。
8.根据权利要求7所述的识别装置，其中，所述非投影带为等于或高于200cm-1的波数范围。
9.根据权利要求7所述的识别装置，其中，所述非投影带为等于或高于500cm-1的波数范围。
10.根据权利要求1所述的识别装置，其中，所述获取单元与波数方向相关联地获取与所述样本相对应的多个输出信号，作为所述光谱信息。
11.根据权利要求1所述的识别装置，其中，所述光收集单元收集来自所述样本的拉曼散射光。
12.根据权利要求11所述的识别装置，所述识别装置还包括放置部，在所述放置部处，样本被放置在有效光收集区域中。
13.根据权利要求12所述的识别装置，其中，所述放置部被构造为沿预定方向移动所述样本。
14.根据权利要求13所述的识别装置，所述识别装置还包括鉴别单元，所述鉴别单元沿所述预定方向位于所述光收集单元的下游并且被构造为对多个所述样本进行分选。
15.根据权利要求14所述的识别装置，其中，所述获取单元基于所述光谱信息来控制所述鉴别单元的鉴别操作。
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