CN117581091A - 识别装置 - Google Patents

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Abstract

摄像单元被配置为拍摄由光谱单元散射的光谱以获取光谱图像，以及识别装置被配置为基于光谱图像识别物体的属性，所述识别装置包括校正单元，该校正单元被配置为基于关于初级光的波长的波长信息来校正关于与光谱图像相对应的波数偏移的信息。

Description

识别装置
技术领域
本发明涉及识别物体的识别装置。
背景技术
近年来，对环境问题的关注日益增长。例如，已经讨论过这样的技术：识别来自废弃汽车和废弃家用电器的树脂材料的类型以及分离树脂材料。通过利用诸如X射线、紫外线、可见光和红外线的各种电磁波照射未知物体，以及散射从物体发射的电磁波，可以识别物体类型等。特别地，使用激光作为光源的拉曼散射光谱学可以测量从无机物质到有机物质的各种各样的物体，并且正在被讨论作为识别装置的用途。
已知一种识别装置，该识别装置通过使用图像传感器拍摄利用光谱元件散射来自物体的拉曼散射光形成的图像。日本特开第2008-209128号公报讨论了一种识别装置，该识别装置包括用于利用初级光照射物体的激光光源、散射来自物体的拉曼散射光的光谱元件、以及拍摄从光谱元件投影的光谱作为光谱图像的图像传感器。在日本特开第2008-209128号公报中讨论的识别装置基于已知参考物体和物体的校正光学光谱上的目标物质特有的拉曼偏移峰的二向色性比通过评估相似度来估计材料。
已知一种识别装置使用技术用于补偿由于来自光源的初级光的波长变动而导致检测到的光谱的改变从而导致识别性能的下降。在日本特开第2011-214917号公报中讨论的识别装置包括校正单元，其基于使用来自物体的次级光中包括的反射光分量获得的初级光的波长信息来校正光谱的波数偏移。
引用列表
专利文献
PTL 1：日本特开第2008-209128号公报
PTL 1：日本特开第2011-214917号公报
发明内容
技术问题
在日本特开第2011-214917号公报中讨论的识别装置被描述为校正所获取的光谱的波数偏移，然而校正单元如何校正光谱的整个水平轴上的波数偏移的校正技术尚不清楚。
图像传感器接收光的元件地址和对应于来自光谱元件的光谱波长与物体的相互作用的波数偏移是非线性关系。如图3A所示，相对于元件地址，初级光的波长变动的波数偏移所需的校正量因此也是非线性的。图3A示出了一个示例，其中当具有478nm激发波长的蓝色半导体激光器在激发波长上向更长波长变化5nm时，波数偏移轴上700至3800cm-1的波数偏移的观测范围变为480至3600cm-1的较低波数。波长变动可以另外被称为波长偏移、波长变化或波长漂移。
由于在日本特开第2011-214917号公报中讨论的识别装置基于物体的次级光估计光源的激发波长的变动，激发波长的估计精度可能受限于物体的污染、来自传送带的次级光以及物体的混合。如果将这样的激发光波长估计技术应用于回收资源(例如废弃材料)的识别装置，则估计精度更容易受到限制，因为与将该技术应用于工业产品的装运检查时相比，物体大小、清洁度和与其他材料的混合比变化很大。如果由于初级光的波长变化而对波数偏移的校正不充分，则由于无法保持识别性能，识别装置的操作速率可能下降。由于废物识别成本与识别装置的操作速率的倒数呈正相关，因此即使初级光的波长变动，也期望识别装置操作速率不下降。
本发明旨在提供一种识别装置，即使在来自光源的激发光中发生波长变动，该识别装置也可以在不降低操作速率的情况下获取准确的光谱。
解决问题的技术方案
一种识别装置包括：放置单元，其被配置为在其上放置物体；照射部，其被光学地耦合到光源并且被配置为用初级光照射放置在所述放置单元上的所述物体；光收集部，其被配置为收集来自所述物体的次级光；光谱单元，其被配置为散射通过所述光收集部收集的次级光；摄像单元，其被配置为拍摄通过所述光谱单元散射的光谱来获取光谱图像，所述识别装置，其被配置为基于光谱图像来识别所述物体的属性；以及校正单元，其被配置为基于关于初级光的波长的波长信息来校正关于与光谱图像相对应的波数偏移的信息。
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配置的图。
图2A是示出根据第一示例性实施例的光谱信息获取单元的示意性配置的图。
图2B是示出光谱在摄像单元上的投影的图。
图2C是示出光谱观测域的投影位置相对于初级光的波长变动的变化的图。
图3A是示出根据现有技术的激发波长的变动对波长偏移的影响的图表。
图3B是示出根据第一示例性实施例的校正波长偏移的效果的图。
图4是示出根据第二示例性实施例的识别装置的示意性配置的图。
图5是示出根据第三示例性实施例的识别装置的示意性配置的图。
图6A是示出根据第四示例性实施例的识别装置的示意性配置的二视图的XZ平面图。
图6B是示出根据第四示例性实施例的识别装置的示意性配置的二视图的XY平面图。
图7A是示出根据第五示例性实施例的识别装置的示意性配置的图。
图7B是示出激发波长和光源温度之间的相关性的图表。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。
<第一示例性实施例>
如图1所示，识别装置1000包括照射部22，照射部利用照射光220照射在传送方向dc上传送的物体900i使得照射光220会聚在物体900i上。物体900i由馈送器500馈送到传送部200，并且由传送部200沿着传送方向dc传送。照射光220也可以被称为聚焦光220或初级光220。
如图1所示，识别装置1000还包括光收集部20，该光收集部以与照射部22相对应的方式收集来自物体900i的散射光。如图1所示，识别装置1000还包括获取单元30，该获取单元基于由光收集部20收集的光来获取用于识别物体900i(i＝1，2，3…)的属性的识别信息。
如图1所示，识别装置1000还包括传送部200和分离装置300，传送部包括以传送速度vc在x方向上传送物体900i的传送带，分离装置在传送方向dc上在传送部200的下游。
接下来，将参考图2A描述包括光谱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包括光谱信息获取单元100，该光谱信息获取单元获取关于从物体900i接收的光的光谱信息。光谱信息获取单元100是获取与来自物体900i的次级光中包括的拉曼散射光和初级光中包含的激发光之间的波数差相对应的拉曼偏移以及与拉曼偏移相对应的光谱分量的强度的单元。如本文所采用的，波数偏移也可以被称为拉曼偏移或波数差。
如图1和图2A所示，光谱信息获取单元100包括利用照射光220照射物体900i的照射部22和收集来自物体900i次级光的光收集部20。根据本示例性实施例的照射部22和光收集部20同轴地布置。照射部22经由光纤130与包括激光光源的光源25光学地耦合。光收集部20光学地耦合到光谱图像获取单元10，使得光谱信息获取单元100可以获取反映包含在物体900i中的材料的光学信息。
(光接收单元)
图2A是示意性地示出光谱信息获取单元100的配置示例的图。光谱信息获取单元100包括光接收单元27，该光收集单元包括利用光照射物体900i的照射部22和收集来自物体900的拉曼散射光的光收集部20。当从分色镜250看时，照射部22和光收集部20同轴地布置在物体侧(目标物体侧)。因此，即使物体900i被照射表面具有水平差或倾斜，在照射点的中心和要接收的散射光的光束的中心之间也不太可能发生位置偏移。
(照射部)
如图1所示，照射部22以与传送带的传送表面200S相距预定距离WD的方式设置在传送部200上方。
照射部22布置成使照射光220朝向物体900i的上表面聚焦，由此比瑞利散射光弱几位数的拉曼散射光的散射强度增大。包括照射部22和光源25的单元可以被称为照射光学系统。
如图2A所示，照射部22包括物镜260、分色镜250、准直透镜230、柱面透镜以及反射镜210。采用凸透镜、准直透镜、凹透镜、变焦透镜等作为物镜260。
合成石英可以用被使用作为准直透镜230、柱面透镜240、物镜260等的透镜材料。这些透镜被来自半导体激光器25的高输出光照射并透射。使用由合成石英制成的透镜可以减少包括源于透镜材料的荧光和拉曼散射光的背景成分。
在照射部22中，物镜260用作聚光透镜以将来自激光光源25的光聚光到物体900i上。物镜260与数值孔径NA相对应地在与物镜260距离焦距DF的位置处形成焦平面65、(未示出的)具有焦点直径φ的焦点(焦斑)、以及焦深ΔDF。
准直透镜230和柱面透镜240减少从激光光源25发射的光的扩散，并将发射的光成形为平行光束。其他准直光学元件诸如变形棱镜对可以用作柱面透镜240。照射部22可以包括在光瞳位置处的诸如激光线滤波器的波长滤波器。这可以改进照射部22照射物体900i的光的波长特性。
如图2A所示，照射部22的至少一部分可以与光收集部20共用。由于本示例性实施例的光收集部20和照射部22是同轴布置的，物镜260和分色镜250在光收集部20和照射部22之间共用。
(光源)
光源25是经由光纤130和照射部22利用激发光照射放置单元200或放置在放置单元200上的物体900i的光源。换言之，光源25经由光纤130光学地耦合到照射部22。在散射拉曼散射光的识别装置1000中，使用波长为400至1100nm的激光光源作为光源25。在拉曼散射中，波长越短，激发效率变得越高。波长越长，背景荧光成分变得越少。
希望选择施加到光源25的激光光源的激发波长，使得预期目标材料和非目标材料之间的拉曼偏移变得清晰。可以使用532、633、780、以及1064nm中的至少一个。虽然半导体激光器25描述为用作照射部22的光源，但不限于此，并且可以使用诸如半导体泵浦的固态激光器和气体激光器的其他激光光源。本示例性实施例的光源25包括输出单元，该输出单元以其它设备可读的方式输出关于激发光的波长信息。
(光收集部)
光收集部20设置在传送表面200S上方使得可以收集来自传送部200传送的物体900i的上表面的次级光。换言之，光收集部20与来自照射部22的照射光220的照射区域相对应地设置在传送部200上方的位置，使得可以收集来自通过照射区域的物体900i的上表面的次级光。
光收集部20包括物镜260、分色镜250、成像透镜270、以及光纤190。与照射部22一样，光收集部20的物镜260可以包括凸透镜、准直透镜、凸透镜和/或变焦透镜。为了减少光谱测定中不需要的光，光收集部20可以包括诸如带通滤波器或长通滤波器的波长滤波器，用于减少初级光中所包括的激发光成分。
为了足够的光收集效率，光收集部20使用具有大数值孔径的物镜。为了足够的工作距离和焦深，光收集部20使用具有小数值孔径的物镜。光收集部20的物镜的数值孔径可以是0.1以上且0.5以下。更具体地，可以使用具有φ25mm的有效透镜直径、20mm的焦距和0.5的数值孔径的SHOTT B-270作为物镜。
(光谱图像获取单元)
如图2A所示，光谱图像获取单元10按从光收集部20开始的顺序包括分支单元195、成像透镜110、带低音滤波器120、光谱单元150和摄像单元170。各光谱单元150被布置以散射由光收集部20收集的光，并且经由成像透镜160在摄像单元170的光接收元件阵列的行方向或列方向上将连续光谱投影到摄像单元170上。
在本示例性实施例中，如图2A和图2B所示，光谱280s沿着在行方向172r上布置的光接收元件350投影到摄像单元170上。图2B是示出光谱280s在摄像单元170上投影的图。
为了利用改进的使用效率将光谱图像投影到摄像单元170的有效成像区域上，可以根据投影的波数带适当地优化光谱单元150的光栅周期和中心波长。这里，考虑到来自光谱单元150的发射角、光谱单元150的衍射效率和波数分辨率等，将摄像单元170设置在最佳位置。
(摄像单元)
采用包括光接收元件诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物硅(CMOS)成像设备的二维阵列的成像设备，作为摄像单元170。根据本示例性实施例的摄像单元170的多个光接收元件350以矩阵布置。在三角形布置(delta arrangement)等的情况下，行方向和列方向与三个轴的两个的方向相关联，或者与三个轴中的一个的方向和其余两个轴的组合的方向相关联。
这里，识别装置1000在使用传送部200传送物体900i的同时识别物体900i属性，并且使用后述的分离装置300基于识别结果执行物体900i分离。为了提高识别装置1000的分离处理的吞吐量，期望增加传送部200的传送速度vc。投影在摄像单元170上的光谱280s来源于从在传送表面200S上移动的物体900i产生的拉曼散射光。当所传送的物体900i位于来自照射部22的照射光220(聚焦光220)的照射区域内时，光谱280s投影到摄像单元170上。例如，如果传送部200的传送速度vc是2m/sec并且物体900i在传送方向dc上的长度为10mm，则摄像单元170可以检测从物体900i产生的拉曼散射光形成的光谱图像的时间是5毫秒或更短。因此摄像单元170期望具有高的帧速率。在这样的高帧率摄像单元的示例为CMOS图像传感器。因此摄像单元170期望是CMOS图像传感器。
如上所述，从物体900i产生的拉曼散射光的强度极低，因此入射到摄像单元170的各光接收元件350上的光的强度也极低。因此，期望使用将在获取与光谱280s相对应的光谱图像的波数区域中具有高灵敏度的图像传感器作为摄像单元170。滚动快门(rollingshutter)图像传感器与全局快门(global shutter)图像传感器相比通常具有简单的像素配置和更高的孔径比并且可以包括大的光电转换元件，因此可以增强灵敏度和动态范围。由于像素结构简单，滚动快门图像传感器与全局快门图像传感器相比还具有低成本的优点。由于这些原因，在本示例性实施例中，使用滚动快门CMOS图像传感器作为摄像单元170。
可以采用滚动复位图像传感器作为摄像单元170，滚动复位图像传感器对光接收元件350的阵列逐行顺序执行复位操作。这可以最大化光接收元件350的阵列的各行的曝光时间，以提高灵敏度。
如图2B所示，摄像单元170具有读取光接收部171中的特定行的裁切读取功能，在该光接收部中，光接收元件350在行方向172r和列方向172c上二维地布置。当后述的形态信息获取单元70检测到物体900i到达光收集部20的光收集区域时，这使得可以对与光收集部20相对应的光接收部171中的特定行进行读取操作。
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，并且从以矩阵排列布置的多个像素逐行地依次读取信号。垂直扫描电路175选择并驱动光接收部171中的某一行。读取电路173读取从垂直扫描电路175所选择的行中的像素输出的信号，并且在水平扫描电路174的控制下将信号传送至输出电路176。这实现了在主扫描方向(行方向)上的读取。垂直扫描电路175使要选择的行偏移，并且读取电路173在水平扫描电路174的控制下在主扫描方向上执行读取。通过使要选择的行在副扫描方向(列方向)上偏移来重复这种操作，从而可以从整个光接收部171读取信号。读取信号作为输出信号经由输出电路176的输出端177输出到设置在摄像单元170外部的校正单元290。这里，以高速执行在主扫描方向上的扫描。在副扫描方向上的扫描比在主扫描方向上的扫描慢。
成像透镜110将从光收集部20穿过光纤190的分支光和从分支单元195穿过光纤190之一的分支光转换成各自的平行光束。光纤190也可以称为分支光导单元190。带低音滤波器120衰减包括在接收的光中的激发光分量并透射部分的拉曼散射光分量。带低音滤波器120具有衰减较高波数和较低波数的拉曼散射光的光谱透射特性。光谱单元150以扇形方式将接收的光散射成波长分量。成像透镜160将由光谱单元150散射的光投影到摄像单元170上。光谱单元150是透射的衍射光栅。反射的衍射光栅也可以用作衍射光栅，在这种情况下，采用Roland排列或Czerny Turner系统的光谱元件。光谱单元150可以称为衍射光栅150。
摄像单元170考虑所拍摄的光谱图像、包括在摄像单元170中的图像传感器的光电转换特性、光学系统的透射特性等来获取关于物体900i的光谱信息Si。光谱单元150还可以获取除了光谱之外包括圆二向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基于光谱图像获取单元10获取的光谱信息Si和后述的校正单元290校正的波数偏移来获取关于物体900i的材料信息。材料信息参考单元180参考包含关于拉曼散射光的参考数据的材料数据库(未示出)，并且基于光谱信息Si和参考数据之间的相似度来获取识别物体900i中包括的材料的材料信息Mi。光谱信息获取单元100经由后述的命令单元40将光谱信息Si和材料信息Mi中的至少一个存储在第一存储单元60中。
材料信息参考单元180所参考的材料数据库可以是存储在识别装置1000中包括的本地服务器中的材料数据库。材料数据库可以是经由过互联网或内联网可访问的远程服务器。
以上述方式，光谱信息获取单元100可以获取关于包括在物体900i中的材料和添加剂、杂质成分的混合等的材料信息Mi。
(形态信息获取单元)
如图1所示，形态信息获取单元70包括被设置为具有摄像视野700与传送部200重叠的相机76和对相机76拍摄的物体图像执行图像处理的图像处理单元78，并且获取关于物体900i的形态信息Fi。与材料信息Mi一样，形态信息Fi是关于物体900i的属性的信息。
图像处理单元78执行包括对比度和轮廓提取的图像处理，并且获取各物体900i在传送方向上的长度、反射颜色、形状、材料混合程度等。图像处理单元78可以说是执行用于获取与各物体900i的大小相关的信息的处理的元件。形态信息获取单元70可以包括未示出的光遮断器或激光干涉仪来代替相机76。形态信息获取单元70也可以称为摄像单元。形态信息获取单元70是识别装置1000选择性地采用的元件。
(获取单元)
获取单元30获取关于各物体900i的识别信息Di用于确定物体900i是目标物体还是非目标物体。获取单元30将获取的识别信息Di输出到命令单元40。如图1和图2A所示，获取单元30基于材料信息参考单元180获取的材料信息Mi、校正单元290校正了波数偏移的光谱信息Si和形态信息获取单元70获取的形态信息Fi中的至少一个来获取识别信息Di。
获取单元30可以说是基于由光收集部20收集的次级光中所包括的拉曼光谱来识别物体900i的属性。根据本示例性实施例的获取单元30还可以说是基于从照相机76获取的物体图像和由光收集部20收集的次级光中所包括的拉曼光谱来识别各物体900i的属性。
在一种变形中，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可以用能够从所拍摄的图像获取形态信息Fi和光谱信息Si的超光谱相机或多波段相机来代替。换言之，根据变形的识别装置(未示出)可以说是包括获取多维数据的检测系统，从该多维数据可以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，该控制单元包括基于各物体900i的属性来控制分离装置300的分离操作的命令单元40和提供用户可以指定控制条件的图形用户界面(GUI)的显示单元140。控制单元400还包括存储各物体900i的属性的第一存储单元60和存储分离操作的控制条件的第二存储单元80。命令单元40包括在显示单元140上显示由获取单元30获取的物体900i的波数偏移校正光谱图像280ic的显示控制单元(未示出)。显示控制单元(40)可以在显示单元140上显示关于波数偏移中的校正量的信息。
(存储单元)
根据本示例性实施例的识别装置1000包括第一存储单元60、第二存储单元80和第三存储单元90，与识别操作、分离操作和光谱信息的获取相关的数据可以存储到该第三存储单元中/从该第三存储单元中调用。第一至第三存储单元可以彼此集成、彼此分开，或者设置在远程服务器上以能够远程访问。
第一存储单元60被配置为与关于各物体900i的识别信息Di、材料信息Mi、光谱信息Si和形态信息Fi相关联地存储指示出物体900i穿过照射区域220时的时间tp。时间tp可以另外称为定时tp。
第二存储单元80被配置为与各物体900i的识别信息Di相对应地存储用于控制分离装置300的分离操作的强度Is的控制条件。控制条件的可能格式包括可参考的表、代数通式和机器学习的统计信息。
(命令单元)
命令单元40根据物体900i的材料和大小基于来自获取单元30的识别信息Di来估计各物体900i通过分离装置300对物体900i执行分离处理的区域的处理区域通过时间，并且生成用于控制分离装置300的分离操作的命令。物体900i的处理区域通过时间可以基于来自形态信息获取单元70、光谱信息获取单元100、以及设置在传送部200上的物体传感器(未示出)的信号中的至少一个来估计。
(分离装置)
如图1所示，分离装置300包括空气喷嘴330和分离控制单元350，空气喷嘴以预定的排出时间、预定的排出速度和预定的排出流量来排出压缩空气，分离控制单元控制包括在空气喷嘴330中的电磁阀(未示出)。分离控制单元350接受来自识别装置100的命令单元40的控制信号。根据本示例性实施例的分离装置300的分离操作包括排出流体的操作。排出操作的流体包括空气、诸如干燥氮和稀有气体的惰性气体、液体和气液混合流体(气溶胶)。分离装置300基于从命令单元40发出的控制信号，根据物体900i的属性，将物体900i收集到目标收集篮620和非目标收集篮600和640中。
分离装置300的排出流体的排出设备可以用以预定角速度打开和关闭的翻板门、以预定速度打开和关闭的闸门来代替。构成识别装置1000的形态信息获取单元70、光谱信息获取单元100和分离装置300及其组件可以在传送部200的传送宽度方向上的不同位置处并行地设置以整合系统和高速处理。分离装置300可以视为识别装置1000的组件并且称为分离单元300。
(传送部)
传送部200是一个传送单元，在传送方向dc(图1中的x方向)上以预定的传送速度vc传送从馈送器500连续馈送的多个物体900i(i＝1，2，…)。传送部200与馈送器500一起构成传送物体900i的传送单元。
根据本示例性实施例的传送部200包括以速度vc在传送方向dc上传送从馈送器500馈送的物体900i的传送带，并且在传送表面200S上直线地传送物体900i。作为一种变形，传送部200可以用螺旋地向外传送物体的可转动馈送器、包括用于在预定方向上引起移动的振动器的振动馈送器、以及包括多个辊的传送辊来代替。
由于物体900i被移动以穿过相机76的摄像视野700，因此传送部200可以称为针对形态信息获取单元70的放置单元200。类似地，由于物体900i被移动以穿过光收集部20的有效光收集区域22R，所以传送部200可以称为针对光收集部20的放置单元200。
在本示例性实施例中，对于传送带，0.1至5m/s的传送速度vc可以应用于传送部200。
在使用根据本示例性实施例的识别装置1000的识别方法的变形中，可以执行以按形状或大小过滤物体900i的分类处理作为馈送器500馈送步骤的预处理。振动传送器、振动筛、破碎粒度控制器等用作执行预处理的单元。
(波长信息获取单元)
接下来，将参考图1和图2A描述获取关于用于后述的校正单元290的初级光的波长信息的波长信息获取单元295A。换言之，波长信息获取单元290是用于获取关于激发光的波长信息的元件。
根据本示例性实施例的波长信息获取单元295A使用关于从光源25输出的激发光的波长信息来获得关于初级光220的波长信息，并且将该信息输出到后述的校正单元290。
(校正单元)
接下来，将参考图1、图2A、图2B、图2C和图3B根据本示例性实施例的识别装置1000的特征描述校正单元290。校正单元290基于关于来自照射部22的初级光的波长的波长信息校正关于与摄像单元170拍摄的光谱图像相对应的波数偏移的信息。识别装置1000中的校正单元290基于关于初级光的波长信息wi来校正与物体900i相对应的光谱图像280i的波数偏移(拉曼偏移)。换言之，如图1和图2A所示，校正单元290基于波长信息获取单元295A获取的关于初级光的波长信息wi和光谱图像获取单元10中包括的摄像单元170获取的光谱280s来校正光谱图像280i的波数偏移。
当在用作光源25的参考的预定操作点的激发波长为λ10时，与可能包含在物体中的预定分子结合相对应的波数偏移为Δk，并且由在预定操作点的预定分子结合引起的拉曼偏移为λ20，下面的通式(1)成立。光源25的操作点包括操作温度、驱动频率等。在预定操作点的激发波长λ10也可以称为不变波长λ10或光源激发波长λ0。
[等式1]
通式(1)：
类似地，考虑光源25的操作点移动并且激发波长变化的情况。当在与参考操作点不同的操作点处的初级光的波长为λ1d，与包含在物体中的预定分子结合相对应的波数偏移为Δk，并且与波数偏移相对应的次级光的波长为λ2d时，则以下通式(2)成立。
[等式2]
通式(2)：
当初级光的波长的变化率p为p＝λ1d/λ10，次级光的波长变化率q为q＝λ2d/λ20时，则次级光的变动率q通过使用(p、λ10和Δk)的通式(3)明确地表达。
[等式3]
通式(3)：
请注意，×是表示乘积的数学符号。可以看出，次级光波长的变化率q在拉曼光谱的观测域Δk中没有恒定值(Δkmim≤Δk≤Δkmax)，并且取决于波数偏移值Δk而变化。
在本说明书中，除非另有说明，否则在国际单位制(Si)中描述通式(1)至(11)。具体而言，波长λ10、λ1d、λ20和λ2d以(m)为单位进行描述，波数偏移Δk、观测域下限Δkmim和观测域上限Δkmax以(m-1)为单位。
接下来，将参考图2C和通式(4)至(11)等描述当由光收集部20收集和引导的光被光谱单元150散射并投影到图像传感器170上时从图像传感器170输出的波数偏移Δk。图2C是示出光谱观测域中投影位置相对于初级光波长的变动的变化的图。
当与用于识别评估的光谱的范围相对应的波数偏移(拉曼偏移)的下限和上限为Δkmin和Δkmax，初级光的波长为λ1，并且与在物体900i处发生的拉曼偏移Δk相对应的次级光λ2的波长为λ2时，以下通式(4)成立。
[等式4]
通式(4)：
由通式(4)表示的次级光的波长λ2如图2C中的右下方所示。随着Δk轴上的值减小，次级光的波长λ2正向发散，渐近接近落在波数偏移Δk＝0负侧的Δk＝-1/λ1。波长λ2的短调随着波数偏移Δk而减小，短调随着初级光波长λ1而增大。因此次级光的波长λ2由波数偏移Δk和初级光波长λ1明确地确定，并且由单个函数表示。如下所述，如果初级光的波长λ1发生变化，例如，从λ1向更长波长的λ1×p(p>1)偏移，则渐近线Δk＝-1/λ1接近λ2轴。因此，由通式(4)表示的曲线在波数偏移Δk轴上偏离到更大的值。这里，如图2C所示，次级光的波长的上限和下限，λmax和λmin，对应于波数偏移(拉曼偏移)的观测域的下限波数偏移和上限波数偏移，即Δkmin和Δkmax，向更长的波长偏移。
接下来，在次级光的波长λ2处，光谱单元150根据衍射光栅150的光谱灵敏度特性以光谱角θ衍射光谱分量，并且投影光谱分量，使得摄像单元170可以获取光谱图像280i。光谱单元150的光谱角度θ由下面的通式(5)来描述。
[等式5]
通式(5)：
Θ＝Θ(λ2)
在该实施例系统中，由通式(5)表示的来自光谱单元150的光谱角θ对次级光的波长λ2的依赖性画出单调递增的曲线如图2C的曲线图的右上角所示，并且光谱角θ用次级光波长λ2明确地描述。在一种变形中，来自光谱单元150的光谱角θ可以设定为短调随着次级光波长λ2减小。换言之，在本实施例系统和变形中，光谱角和次级光的波长λ2被配置为不具有局部最大值或局部最小值并且在观测域的波数偏移带内单调递增或单调递减。对应于单调递增或单调递增曲线的函数y＝f(x)意味着存在逆函数x＝G(y)＝f-1(y)。
类似地，当摄像单元170的图像传感器的行方向上的元件编号为EN并且从光谱单元150的衍射光栅上的入射点到摄像单元170之间的距离为D时，接收与波数偏移Δk相对应的光谱分量的元件的元件编号EN由通式(6)表示。这里，距离D是从衍射光栅上的入射点到图像传感器的光接收表面绘制的法线距离。参数a和b是由投影的光学布局明确地确定的值。参数D、a、以及b是识别装置1000的校正单元290可以唯一地获取的值作为初始值。
[等式6]
通式(6)：
EN(Δk)＝aDtanΘ9λ2)+b
从图2C的曲线图的左上角可以看出，由通式(6)表示的摄像单元的元件地址EN描绘了一条随着光谱角θ单调递增的曲线。元件地址EN用光谱角θ(λ2)明确地描述。
根据通式(1)至(6)，对应于光源25的激发波长的初级光波长λ1和关注的波数偏移Δk的拉曼偏移的光谱分量投影到摄像单元170上的元件地址EN(Δk，λ1)由通式(7)表示。
[等式7]
通式(7)：
类似地，从通式(4)到(6)，当与光源25的激发波长相对应的初级光波长λ1变化到p×λ1时，投影在由通式(7)表示的元件地址EN上的波数偏移Δk×r(λ1，Δk)由通式(8)表示。
[等式8]
通式(8)：
这里，r是当在初级光中发生波数偏移时要乘以的、用于分配给来自摄像单元170的光接收元件的输出信号的波数偏移值Δk的校正值(r)，并且r对应于校正单元290要应用于关于波数偏移Δk的信息的校正量(r)。参数r也可以称为校正量(r)、校正值(r)，对波数偏移值Δk的变动率(r)，或者对波数移位值Δk的变化率(r)。
从通式(7)和(8)中，消除了与光学布局相关的并且在两个表达式之间共用的正切函数和参数a和b，以下通式(9)成立。
[等式9]
通式(9)：
由于光谱角θ(λ2)也使用了相对于次级光波长λ2单调递增的区域，因此很明显，以下通式(10)成立。
[等式10]
通式(10)：
从通式(10)可以清楚地看出，作为校正量的基础的波数偏移值的变动率r使用识别装置1000可以获取的参数(Δk、λ1和p)由以下通式(11)唯一地描述。
[等式11]
通式(11)：
这里，初级光的变化率p是校正单元290从波长信息获取单元295A获取的波长信息wi获取的初级光的变化率p(＝λ1d/λ10)。换言之，初级光的变化率p是校正单元290可以经由波长信息获取单元295A连续获取的观测值，作为光源25的操作点的变动。λ10作为为光源25的标准操作条件是确定的预定值，即，校正单元290已经获取的值。Δk是光谱图像280i的关注的波数偏移，即，校正单元290可以在摄像单元170的各元件地址EN处预先获取的值。
因此校正单元290通过基于通式(11)将波数偏移乘以(r)倍，将在光源25的激发波长变动p的情况下要分配给从摄像单元170的光接收元件输出的信号的波数偏移校正为r×Δk。换言之，校正单元290可以基于关于初级光的波长的波长信息p和λ1，将关于与光谱图像280i相对应的波数偏移的信息校正为Δk×r。当初级光的波长λ1变化p倍时考虑校正单元290的操作。这里，校正单元290进行校正，使得与从包括在摄像单元170中的光接收元件350输出的信号相对应的波数偏移Δk改变(1+(1-1/p)/(Δk×λ1))倍。
通式(11)说明如果识别目标的拉曼偏移带是固定的，并且初级光偏移到较长的波长，这对应于大于1的变动率p，则次级光的波长λ2偏移到较长波长并且光谱的投影位置偏移到较低波数(较长波长)。通式(11)还说明如果识别目标的拉曼偏移带是固定的，并且初级光偏移到较长的波长，这对应于大于1的变动率p，则波数偏移Δk的校正因子r大于1。
类似地，通式(11)说明如果识别目标的拉曼偏移带是固定的，并且初级光偏移到更短的波长，这对应于小于1的变动率p，则次级光的波长λ2偏移到更短波长，并且光谱的投影位置偏移到更高波数(更短波长)。通式(11)还说明如果识别目标的拉曼偏移带是固定的，并且初级光偏移到更短的波长，这对应于小于1的变动率p，则波数偏移Δk的校正因子r小于1。
从通式(11)还可以看出，在初级光保持在参考波长的状态下，校正因子r为1，该参考波长对应于变动率p为1。
如图3B所示，校正单元290基于初级光的变化率p、初级光的参考波长λ1和关注的波数偏移Δk的比率，获取用于校正波数偏移Δk的校正值r，并且校正来自摄像单元170的光谱信息Si。在由波长信息获取单元295获取的波长信息wi中包括初级光的变化率p和初级光的参考波长λ1。图2A所示的命令单元40中包括的未示出的显示控制单元(40)可以在显示单元140上显示关于波数偏移的校正量的信息。
根据本示例性实施例的识别装置1000通过使用校正单元290来校正光谱信息Si在初级光的光谱波长的整个观测域中的波数偏移。因此即使来自光源的激发光在波长上变化，根据本示例性实施例的识别装置1000也可以获取准确的光谱而不降低操作速率。
<第二示例性实施例>
接下来，将参考图4描述根据第二示例性实施例的识别装置2000。识别装置2000与第一示例性实施例的不同之处在于包括对来自光源25的激发光进行分解的分支单元BS(分束器)，以及基于从分支单元BS分出的分支光来获取关于初级光的波长信息的波长信息获取单元295B。分支单元BS设置在光源25和照射部22之间的光路上。识别装置2000与第一示例性实施例的不同之处还在于包括第三存储单元90，该第三存储单元将波数偏移校正之前的光谱信息Si与物体900i的物体编号i彼此相关联地存储。
波长信息获取单元295B包括可以读取关于来自分支单元BS的分支光的波长信息的光谱仪。波长信息获取单元295B将所获取的关于初级光的波长信息wi输出到第三存储单元90。
第三存储单元90接收如下输入：来自摄像单元170的与波数偏移校正之前的光谱信息Si有关的输出和来自波长信息获取单元295B的关于初级光的波长信息wi，并且存储该信息。存储在第三存储单元90中的信息可以通过校正单元290读取。
第三存储单元90与时间tp或物体900i相关联地存储后述的校正单元290要使用的波长信息wi或与波长信息wi相对应的信息。与波长信息wi相对应的信息包括光源25的激发部分的温度、驱动频率和占空比。换言之，第三存储单元90将波数偏移校正之前的光谱信息Si和波数信息wi与时间tp或唯一序列号(例如，物体900i的物体的编号)相关联地存储。
未示出的中性密度滤波器可以设置在波数信息获取单元295B和分支单元BS之间。
与识别装置1000一样，根据本示例性实施例的识别装置2000通过使用校正单元290来校正光谱信息Si在初级光的光谱波长的整个观测域中的波数偏移。因此即使来自光源的激发光在波长上变化，根据本示例性实施例的识别装置2000也可以获取准确的光谱而不降低操作速率。
<第三示例性实施例>
接下来，将参考图5描述根据第三示例性实施例的识别装置3000。识别装置3000与第一和第二示例性实施例的不同之处在于包括基于来自物体900i的次级光中包括的瑞利散射分量来获取关于初级光的波长信息的波长信息获取单元295C。分支单元BS设置在光源25和照射部22之间的光路上。识别装置3000与第一和第二示例性实施例的不同之处还在于包括光谱图像获取单元10A，该光谱图像获取单元包括未示出的摄像单元，使得可以拍摄所示的光谱单元150散射到比拉曼散射光分量更高波数的瑞利散射分量的图像。
本说明书中描述的识别装置1000、2000、3000等被配置为散射向比激发光(初级光)更低的波数偏移的斯托克斯光分量，并且基于斯托克斯光获取拉曼散射光谱。瑞利散射光是初级光的弹性散射成分而不与物体相互作用，并且用作识别关于初级光波长信息的基础。
与识别装置1000一样，根据本示例性实施例的识别装置3000通过使用校正单元290来校正光谱信息Si在初级光的光谱波长的整个观测域中的波数偏移。因此即使来自光源的激发光在波长上变化，根据本示例性实施例的识别装置3000也可以获取准确的光谱而不降低操作速率。
<第四示例性实施例>
接下来，将参考图6A和图6B描述根据第四示例性实施例的识别装置4000。识别装置4000与各识别装置1000、2000和3000的不同之处在于包括基于来自参考物体RM的次级光来获取波长信息的波长信息获取单元295D。如图6B所示，识别装置4000与识别装置1000、2000和3000的不同之处在于，放置单元200包括轨道TR0，在轨道TR0上设置管状参考物体RM，管状参考物体与传送物体900i的轨道TR1平行移动。
采用具有在预定波数偏移范围内的单峰的拉曼偏移峰的物体作为参考物体RM。采用100cm-1及以上的波数偏移范围作为预定波数偏移范围。由于拉曼偏移峰是单峰的，因此期望在半最大FWHM处的全宽度为50cm-1或更小。半最大值处的全宽度可以另外称为半值宽度。参考物体RM期望由具有简单分子结构而不是复杂分子结构、包含较少副成分并且具有高纯度的物质组成。根据识别装置的安装环境，选择对紫外线、化学物质、温度和潮湿环境稳定的材料作为参考物体RM。使用含有树脂(例如聚苯乙烯、聚乙烯和聚酰亚胺)、碳同素异形体(例如石墨)等的有机化合物作为参考物体RM。采用对初级光不透明的乳白色物体作为参考物体RM，因为可以容易地从参考物体RM的入射表面和内部获得高强度的拉曼散射光。
可以使用瑞利散射光代替拉曼散射光作为来自参考物体RM的次级光。修改为使用来自参考物体RM的瑞利散射光的第四示例性实施例可以说是根据第三示例性实施方式的识别装置3000的变形。
在一种变形中，参考物体RM被设置在传送物体900i的传送轨道TR1上，而不提供专用于参考物体RM的轨道。在这样的变形中，参考物体RM可以安装在带式传送机上用作从物体900i接收光的背景地点。包括专用于参考物体RM的轨道TR的本示例性实施例的优点在于，来自物体900i的污染物不太可能粘附到参考物体RM，并且用于参考物体RM的焦平面65-0易于聚焦。包括专用于参考物体RM的轨道TR的本示例性实施例可以说是参考物体RM设置在不与放置单元上的放置物体900i重叠的位置处的配置。
在识别装置4000中，考虑到参考物体RM距放置表面200S的高度，使得轨道TR0上的焦距DF长于轨道TR1上的焦距。更具体地，与轨道TR0相对应的初级光220-0的焦平面65-0被调整为低于与轨道TR1相对应的得初级光220-1的焦平面的65-1。焦平面65-1是基于关于要放置在轨道TR1上的一组物体900i(i＝0，1，2，…)的统计信息而设定的。
识别装置4000包括清洁轨道TR0的部分区域CR以保持参考物体RM的清洁度的清洁单元401。清洁单元401使用紫外线(UV)灯、紫外线臭氧灰化器等进行干式清洁。清洁单元401可以与识别装置4000的操作相协调地连续地执行清洁，间歇地基于正在传送的物体900i的通过，或者自适应地基于正在传送的物体900的污染程度。间歇或自适应清洁操作减少了设置在轨道TR0上的参考物体RM的劣化，例如由于过度清洁而引起的溅射和蚀刻，或厚度减小。清洁单元401的间歇或自适应清洁操作可以基于来自形态信息获取单元70-0的信息来执行，形态信息采集单元70-0设置为具有摄像视野700-0与轨道TR0重叠，如同轨道TR1。
清洁单元401可以用其他方法代替，例如用于喷射压缩空气的空气喷嘴和具有导电刷毛的刷子，或者被配置为组合使用多种技术。
与识别装置1000类似，根据本示例性实施例的识别装置4000使用校正单元290来校正光谱信息Si在初级光的光谱波长的整个观测域中的波数偏移。因此即使来自光源的激发光在波长上变化，根据本示例性实施例的识别装置4000也可以获取准确的光谱而不降低操作速率。
<第五示例性实施例>
接下来，将参考图7A和图7B描述根据第五示例性实施例的识别装置5000。识别装置5000与各识别装置1000、2000、3000和4000的不同之处在于包括基于关于光源25的驱动状态的信息来获取关于初级光的波长信息的波长信息获取单元295E。根据本示例性实施例的波长信息获取单元295E获取光源25中包括的相干放大网络(CAN)半导体激光器的金属外壳的温度作为光源25的温度。金属外壳还用作半导体激光器的散热器。
如图7B所示，波长信息获取单元295E基于获取的光源温度和激发波长对光源温度的依赖性，将关于初级光的波长信息wi输出到校正单元290。关于光源25的驱动状态的信息至少包括如下之一：光源25的外壳部分的温度、光源25的振荡部分的温度、光源25的功耗、光源25的热辐射量等。
与识别装置1000一样，根据本示例性实施例的识别装置5000使用校正单元290来校正光谱信息Si在初级光的光谱波长的整个观测域中的波数偏移。因此即使来自光源的激发光在波长上变化，根据本示例性实施例的识别装置5000也可以获取准确的光谱而不降低操作速率。
本发明不限于前述示例性实施例，并且可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下进行各种改变和变形。因此，附上以下权利要求以公开本发明的范围。
本申请要求基于2021年7月14日提交的日本专利申请第2021-116435号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (18)

1.一种识别装置，所述识别装置包括：
放置单元，其被配置为在其上放置物体；照射部，其被光学地耦合到光源并且被配置为用初级光照射放置在所述放置单元上的所述物体；光收集部，其被配置为收集来自所述物体的次级光；
光谱单元，其被配置为散射通过所述光收集部收集的次级光；摄像单元，其被配置为拍摄通过所述光谱单元散射的光谱来获取光谱图像，所述识别装置，其被配置为基于光谱图像来识别所述物体的属性；以及
校正单元，其被配置为基于关于初级光的波长的波长信息来校正关于与光谱图像相对应的波数偏移的信息。
2.根据权利要求1所述的识别装置，还包括：波长信息获取单元，其被配置为获取波长信息。
3.根据权利要求2所述的识别装置，还包括：存储单元，其被配置为将所述摄像单元输出的关于光谱的信息与波长信息相关联地存储。
4.根据权利要求3所述的识别装置，其中，所述校正单元被配置为基于存储在存储单元中的关于光谱的信息来校正关于光谱的波数偏移的信息。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的识别装置，还包括：获取单元，其被配置为基于所述光谱来获取用于识别所述物体的属性的信息。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的识别装置，其中，所述波长信息获取单元被配置为基于关于从光源输出的初级光的信息来获取波长信息。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的识别装置，还包括：分支单元，其被设置在所述光源和所述照射部之间并且被配置为分支激发光，
其中，所述波长信息获取单元被配置为基于从所述分支单元分出的分支光来获取波长信息。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的识别装置，其中，所述波长信息获取单元被配置为基于包括在次级光中的瑞利散射分量来获取波长信息。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的识别装置，其中，所述波长信息获取单元被配置为基于来自参考物体的次级光来获取波长信息。
10.根据权利要求9所述的识别装置，其中，所述参考物体被设置在与所述放置单元中放置所述物体的区域不重叠的区域中。
11.根据权利要求9或10所述的识别装置，还包括：清洁单元，其被配置为清洁所述参考物体。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的识别装置，其中，所述波长信息获取单元被配置为基于关于光源的驱动状态的信息来获取波长信息。
13.根据权利要求12所述的识别装置，其中，所述关于驱动状态的信息是关于光源的振荡部分的温度、功耗和热辐射量中的至少一个的信息。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的识别装置，还包括：显示控制单元，其被配置为在显示单元上显示所述物体的光谱，所述光谱的波数偏移被校正。
15.根据权利要求14所述的识别装置，其中，所述显示控制单元被配置为在所述显示单元上显示关于波数偏移中校正量的信息。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的识别装置，其中，所述摄像单元包括多个二维布置的光接收元件。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的识别装置，其中，所述校正单元被配置为，当与初级光的波长相关的波长增加时，执行校正以增加通过所述摄像单元输出的波数偏移。
18.根据权利要求1至17中的任一项所述的识别装置，其中，所述校正单元被配置为，当初级光的波长λ1变动p倍时，执行校正使得与所述光接收元件相对应的波数偏移Δk变化(1+(1-1/p)/(Δk×λ1))倍，所述波数偏移Δk通过所述摄像单元输出。
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