DE102010024784A1

DE102010024784A1 - Multisensorielle Anordnung für die optische Inspektion und Sortierung von Schüttgütern

Info

Publication number: DE102010024784A1
Application number: DE102010024784A
Authority: DE
Inventors: Prof. Massen Robert
Original assignee: Baumer Innotec AG
Current assignee: Baumer Inspection GmbH
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: US20110317001A1; DE102010024784B4

Abstract

Multisensorielle Anordnung für die optische Inspektion und Sortierung von Schüttgütern in verschiedene Fraktionen, bei welcher der Schüttstrom aus einer im Vergleich zur Schüttstrom-Breite kurzen Entfernung mit zumindest zwei benachbart angeordneten identischen Kamera-/Beleuchtungsmodulen erfasst wird. Die Bildweite der Kameras ist dabei kleiner als die Breite des Schüttstroms. Die Bildsensoren und Beleuchtungen sind auf den Bereich der durch CMOS- und/oder CCD-Bildsensoren abgedeckten Wellenlängen von 380 nm bis 1000 nm beschränkt. Jede Kamera ist mit zumindest einer, vorzugsweise mit einem Satz von schmalbandig emittierenden und synchron zur Zeilenfrequenz der Kamera gepulsten linienhaft beleuchtenden Halbleiter-Lichtquellen durch eine mechanische Halterung verbunden ist ausgerüstet. Die linienhaft beleuchtenden Lichtquellen sind durch einen mit der Kamera verbundenen Wechselmechanismus der Halterung gegen andere Lichtquellen, insbesondere mit anderen Systemparametern austauschbar. über eine elektronische Einrichtung sind die Ansteuerungssignale der synchron zum Zeilentakt der Bildsensoren gepulsten Beleuchtungsquellen nach einem veränderbaren, für die Diskriminierung der Fraktionen des Schüttstroms nach einem optimierbaren Syncmera oder der Kameras werden von mindestens einem Bildrechner durch Mustererkennung und Klassifikation zur Erkennung, Zuordnung und Bewertung der Partikel der zumindest zweier Fraktionen ausgewertet. über Echtzeit-Bildverarbeitungsoperatoren werden von einer Steuerungsvorrichtung zeitrichtige Auswurfsignale erzeugt, um mit Ejektoren Partikel zumindest einer auszuscheidenden Fraktion aus dem Schüttstrom zu entfernen.

Description

In der klassischen Verfahrenstechnik für die Bearbeitung von Schüttgütern wie körnige Lebensmittel, Mineralien, zerkleinerte Abfallteile im Recycling und ähnlichem wird die Aufgabe der Sortierung der Schüttströme in unterschiedliche Fraktionen (Größe, Gewicht, Materialeigenschaften, Formeigenschaften, Oberflächeneigenschaften) mit physikalischen Trennverfahren wie Siebe, Zyklone, Rutschen, Schwimm-/Sink-Becken, Vibrationsförderer usw. durchgeführt. Diese vielfältigen ausgebauten Techniken sind in der Regel lediglich für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt und damit nicht flexibel auf unterschiedliche Schüttgüter umzustellen.
Sie sind in der Regel auch schlecht geeignet, reine Oberflächeneigenschaften wie Farbe(n), Oberflächentexturen zu erkennen. Unterschiedliche Materialeigenschaften wie beispielsweise die Kunststoffsorte bei zerkleinerten Plastikbehältern werden lediglich indirekt über Unterschiede in der Dichte erkannt. Die traditionelle Schüttstrom-Verfahrenstechnik ist in der Regel auch nicht in der Lage, eine Sortierung nach mehreren gleichzeitig in einer Anlage mehrer Eigenschaften wie beispielsweise die Farbe und Form von Reiskörner zu messen und danach in bestimmte Fraktionen zu sortieren.
Es ist seit mindestens den 80iger Jahren bekannt, Kamera-Systeme für die optische berührungslose Erfassung eines Schüttstroms einzusetzen, aus den schnellen Bildfolgen mit Verfahren der Mustererkennung die einzelnen Schüttstrom-Partikel optisch gleichzeitig nach verschiedenen Kriterien in voller Bewegung auszumessen und anschließend über pneumatische Ejektoren oder mechanische Schnellweichen die Schüttstrom-Partikel in verschiedene Fraktionen auszusortieren.
Als Schüttstrom-Partikel oder auch Schüttgut-Bestandteile werden beispielsweise Fasern, Körner, flocken, Plättchen, Stücke, Schnipsel oder Häcksel verstanden.
Eine Übersicht über den jüngeren Stand aus Sicht der Anwender ist in dem Dokument „J. Eberhardt, R. Massen: Das optische Sieb: Multisensorielle Bildverarbeitung für die Sortierung von Schüttgütern. VDMA Infotag „Automatisierungstechnik für Schüttgüter-Kernthematik im Maschinen- und Anlagenbau". 10.09.2008. VDMA Haus, Frankfurt/Main.” zu finden.
Trotz immer schnellerer Matrix- oder Zeilenkamera und moderneren Beleuchtungssystemen wie leistungsstarke gepulste LED Zeilen gibt es noch eine Reihe von ungelösten oder wirtschaftlich schlecht gelösten Problemen bei der Technik des „Optischen Siebs”, d. h. der Inspektion und Sortierung von Schüttstrom-Partikeln in Fraktionen mit vorgegebenen Eigenschaften mit Hilfe von Kameras und schnellen Ejektoren. Wir verwenden im folgenden den Begriff Schüttstrom-„Partikel” für alle Teile, welche den Schüttstrom bilden wie beispielsweise das einzelne Reiskorn, die einzelne Glasscherbe, der einzelne Mineralstein usw.. Die wichtigsten Hemmnisse für einen umfangreicheren Einsatz der Kamerasysteme zur Schüttstromsortierung sind heute:

– er relativ großvolumige Aufbau dieser Anlagen bestehend aus Partikel-Vereinzelung, Zuführung in das Bildfeld der Inspektionskameras.

In der Regel werden große Schüttstrombreiten (500 bis 5000 mm) mit einigen wenigen hochauflösenden Zeilenkameras aus großem Abstand mit einer dadurch näherungsweise telezentrischen Sicht optisch erfasst. Nur so lassen sich die Probleme der Vignettierung, der achromatischen Verzerrungen, der Bildwinkel-abhängigen Bildschärfe bewältigen (siehe z. B. Sortieranlagen der Fa. Bühler Sortex, www.buhlergroup.com, Produktreihe Sortex K).
Diese großen Bauweisen sind insbesondere wegen der gerforderten mechanischen Stabilität der optischen Komponenten (Ausrichtung der Kameras und der Beleuchtung) sehr teuer.

– die heutigen Kamera-basierten Sortiersysteme sind relativ speziell für jeweils eine kleine Gruppe von Aufgaben ausgelegt, da die eingesetzten Kameras, Beleuchtungs- und Ejektionssysteme genau auf die physikalischen Eigenschaften der Schüttstrom-Partikel angepasst sein müssen:
– Systeme für die Sortierung von körnigen Lebensmitteln verwenden 3- oder 4-kanalige Farbzeilenkameras (RGB oder RGB + NIR). Hierbei ist es eine besondere Schwierigkeit, die bis zu 5 m lange Weißlicht-Linienbeleuchtungen farbstabil über einen industriellen Temperaturbereich zu halten
– Systeme für die Sortierung von Kunststoffabfällen verwenden bildgebende NIR Spektrometer (engl. hyperspectral imaging), welche auf InGaAs Detektoren aufbauen. Dies ist eine kostenintensive Technologie und benötigt breitbandige Lichtquellen, in der Regel Halogenstrahler mit geringem Wirkungsgrad und einer hohen störenden Wärmeentwicklung

In dem Dokument Jia et al. „Detection of foreign materials in cotton using a multi-wavelength imaging method", Meas. Sci. Technol. 16, pp 1355–1362, Institute of Physics Publishing 2005, beschreiben die Autoren anhand eines Laboraufbaus bestehend aus einer s/w Kamera, einem Halter für eine Probe aus Baumwollfasern und verschiedene Kontaminationen wie Jutefäden, Kunststoffschnüren sowie einem Beleuchtungsfeld mit LED Leuchten eines vorgegebenen schmalbandigen Emissionsspektrums. Sie zeigen, dass bei einer Kombination einer Anzahl von Aufnahmen bei jeweils einem ausgesuchten Emissionsspektrum die einzelnen Aufnahmen zu einem Helligkeitsbild zusammengesetzt werden können, in welchem der Kontrast zwischen Baumwolle und den Kontaminationen deutlich größer ist. Im Vergleich zu einer üblichen breitbandigen Weißlichtbeleuchtung. Es werden allerdings keine Anordnungen oder Ausführungen für eine allgemein gültige kostengünstige Schüttstrom-Inspektion und -Sortierung gemacht.
Es besteht daher ein technischer und wirtschaftlicher Bedarf an kostengünstigen Kamera-basierten Inspektions- und Sortiersystemen welche in einer kleinvolumigen Bauweise und unter Verwendung einer großen Anzahl parallel arbeitender identischer Module aus preisgünstigen Kameras und Beleuchtungen den Schüttstrom aus kurzer Entfernung optisch erfassen und welche durch nur auf wenige mechanische und optische Komponenten begrenzte Änderungen auf ganz unterschiedliche Materialien und Sortieraufgaben eingestellt werden können (modulares generisches Schüttstrom-Sortierungs-System).
Dieses Ergebnis wird vereinfacht zusammengefasst durch die erfindungsgemäße und in den Ansprüchen beschriebene Kombination mehrerer im Einzelnen technologisch bekannter Ansätze erreicht:
statt aus großer Entfernung mit Hilfe von hochauflösenden s/w – und Farbkameras und aufwendigen Optiken wird der Schüttstrom aus kurzer Entfernung mit einer Vielzahl von identischen preiswerten s/w Kameras mit einfachen Optiken erfaßt, vorzugsweise mit zeilenweise über einige wenige Zeilen ausgelesenen Matrix-Bildsensoren im Bereich der durch preiswerte CMOS- und/oder CCD-Bildsensoren abgedeckten Wellenlängen von ca. 380 nm bis 1000 nm. Die Entfernung der Kamera ist dabei kleiner als die Schüttstrombreite, insbesondere einer im Vergleich zur Schuttstrombreite kurzen Entfernung.
Durch diesen Ansatz wird die gesamte Baugröße stark verringert und dadurch die Anforderungen an die mechanische Stabilität und Genauigkeit des Aufbaus ebenfalls stark herunter gesetzt. Die reduziert die Kosten der mechanischen Konstruktion, erlaubt gedrängtere Einbauten, so dass auch die Kosten der Integration der Sortierung in eine Prozesslinie stark sinken.
Statt der üblichen Beleuchtung mit breitbandigen hochstabilen Weißlicht Linienbeleuchtungen, wird der Schüttstrom über jeweils einen Satz von mehreren kurzen, jeder einzelnen Kamera zugeordneten schmalbandigen und vorwiegend synchron zur Zeilenfrequenz der Kamera gepulsten Halbleiter- Lichtquellen beleuchtet, wobei diese kurzen Lichtquellen jeweils in einem anderen Wellenlängen-Bereich emittieren und sich mechanisch leicht zur Anpassung an unterschiedliche Sortieraufgaben und zu sortierende Materialien auswechseln lassen.
Durch diesen Ansatz werden lediglich kurze und damit preisgünstige Linienleuchten vergleichsweise niedriger Leistung benötigt, deren Wärmeabfuhr dadurch einfach zu gestalten ist. Durch die Begrenzung auf schmalbandige Halbleiter-Lichtquellen ist die spektrale Konstanz in industrieller Umgebung deutlich einfacher zu gewährleisten erreichen als bei konventionellen breitbandigen Fluoreszenz- oder Halogen-Linienstrahler bei welchen die radiometrische Konstanz einen großen Bereich der Wellenlängenvon ca. 380 bis 1000 nm betrifft.
Die MTBF (engl. MTBF; mean time between failure) ist bei einer kurzen Zeile mit beispielsweise lediglich 20 aneinander gereihten LED's ca. 500 mal länger als bei der klassischen Arbeitsweise mit langen LED Leuchten mit bis zu 10.000 Einzel-LED's. Damit sind auch die Wartungskosten für den erfindungsgemäßen Ansatz deutlich niedriger als beim Stand der Technik, bei welchem der Ausfall einer einzelnen der 10.000 LEDs einer langen Linienleuchte den Ausbau, die Reparatur und den mechanisch genauen Wiedereinbau eines sehr großen Bauteils erfordert.
Die Beleuchtungsquellen können gegen andere Beleuchtungsquellen mit anderen Wellenlängenbereichen, und/oder anderen geometrischen Abstrahlungscharakteristiken (optische Achse, Strahlkeule Beschreibung) und/oder einer anderen Strukturierung des Lichtverlaufs entlang der Längsachse der linienhaften ausgetauscht werden.
Das zeitliche Belichtungsschema der N gepulsten Halbleiter-Lichtquellen und/oder die emittierten Lichtleistung jeder der N gepulsten Beleuchtungen wird so eingestellt, dass bei den erzeugten 1- bis N-kanaligen Zeilenbildern der radiometrische Kontrast zwischen den einzelnen Fraktionen und gegenüber dem Hintergrund maximiert wird.
Über eine elektronische Einrichtung können die Ansteuerungssignale der synchron zum Zeilentakt der Bildsensoren gepulsten Beleuchtungsquellen nach einem veränderbaren, für die Diskriminierung der Fraktionen des Schüttstroms optimierbaren Synchronisations-Schemas erzeugt werden.
Über Verfahren des Maschinellen Lernens werden in der Anpassungsphase des generischen Schüttstrom-Moduls einige wenige optimal positionierte schmalbandige Wellenlängen Bereiche und die zugehörigen Lichtleistungen für die schmalbandigen Linien-Beleuchtungen anhand von typischen zu sortierenden Schüttstromproben so ermittelt, dass mit einer kleinen Zahl von typischerweise 2 bis 5 im Zeilentakt nacheinander eingeschalteten Linienbeleuchtungen ein Satz von Zeilenbildern aus dem Schüttstrom abgeleitet wird, welcher eine bestmögliche Diskrimination der zu unterscheidenden Fraktionen des Schüttstroms untereinander sowie zum Hintergrund bewirken.
In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedanken umfasst jedes Modul bestehend aus Kamera und gepulsten schmalbandigen Linienbeleuchtungen auch eine zugeordnete und mechanisch mit dem Modul verbundene Anordnung von schnellen Ejektoren, vorzugsweise hochdynamische Pneumatikventile zur Aussortierung der Partikel des Schüttstroms in die gewünschte Fraktionen so dass ein Modul aus einer kompakten integrierten Einheit bestehend aus Kamera, n-facher gepulster Linienbeleuchtungen und kurzer Leiste mit Ejektoren besteht.
Diese kompakte Anordnung in einem Modul von Bilderfassung, n-fach schmalbandiger Beleuchtung und zugeordneter hat gegenüber dem Stand der Technik den bedeutenden Vorteil, dass ein quer zum Schüttstrom unterschiedliches Geschwindigkeitsprofil der Partikel bei der zeit-genauen Ansteuerung der Ejektoren nicht individuell für jeden Ejektor kompensiert werden muss.
Wegen des relativ schmalen Beobachtungsfensters eines Moduls quer zum Schüttstrom kann angenommen werden, dass innerhalb dieses Fensters die mittlere Geschwindigkeit aller Partikel näherungsweise gleich ist und somit alle Ejektoren eines Moduls mit der gleichen Totzeit zwischen Bildaufnahme und Ausblasen durch den Ejektor angesteuert werden können.
Damit erübrigt sich eine zusätzliche Ausmessung des Geschwindigkeitsprofils wie beispielsweise in dem Dokument „Das optische Sieb: Multisensorielle Bildverarbeitung für die Sortierung von Schüttgütern” beschrieben.
Zusammengefasst erlaubt ein solcher hochmodularer Aufbau wegen des Skaleneffektes ein wesentlich kostengünstigeren Aufbau als die derzeitigen großen und speziellen Systeme und damit eine bessere Durchdringung der Technologie des „Optischen Siebes” in der Verfahrenstechnik als bisher möglich.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt den Erfindungsgedanken an einem einfachen und besonders anschaulichen Beispiel der Inspektion und Sortierung von zerkleinertem Abfallholz aus der Gebäudesanierung zur Gewinnung qualitativ hochwertiger Schnipsel für die Fertigung von hochwertigen Holzfaserpaneelen. Dabei wird vereinfacht die Sortieraufgabe in zwei Fraktionen behandelt:

a) die aussortierende Fremdfraktion der lackierten und verfaulten Holzpartikel und damit einhergehend
b) die Erzeugung einer möglichst sauberen Restfraktion für die Herstellung qualitativ hochwertiger Paneele für die Möbelindustrie, den Innen- und Außenbau sowie für technische Paneele wie beispielsweise Verschalungsteile

Diese Anwendung ist lediglich als erklärendes Beispiel zu verstehen und nicht einschränkend. Es ist vielmehr das ausdrückliche Ziel des Erfindungsgedanken, durch eine hochmodulare Auslegung von Hardware und Software die Anzahl der identisch bleibenden Elemente eines optischen Sortiersystems auch bei der Anwendung auf unterschiedliche Materialströme und unterschiedliche Sortieraufgaben möglichst hoch zu halten und damit die Umrüstung möglichst kostengünstig zu ermöglichen.
Es werden zur Erklärung des Erfindungsgedanken folgende Abbildungen verwendet:
1a zeigt in einer Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau nach dem Stand der Technik eines optischen Inspektions- und Sortiersystem in zwei Fraktionen für Schüttstrom-Partikel bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10 mittels einem schnell laufenden Förderband 11, des Abwurfs der Partikel in eine Flugstrecke 12 in welcher eine Inspektions-Zeilenkamera 20 den Schüttstrom im Auflicht einer linienhaften Beleuchtung 30 und gegen einen definierten Hintergrund 40 beobachtet, eine Anordnung von dicht benachbarten, pneumatischen Ejektoren 50, welche angesteuert durch den Bildrechner 60 Partikel mit bestimmten Eigenschaften aus der natürlichen Flugbahn auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B der Schlechtteile bringen, während die Fraktion A der Gut-Teile entlang der ungestörten Flugbahn im Behälter 80 landet
1b zeigt zum besseren Verständnis den Aufbau aus 1a zusätzlich von oben in einer Aufsicht und Sortiersystem in zwei Fraktionen für Schüttstrom-Partikel bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10 mittels einem schnell laufenden Förderbands 11, der Beleuchtung mit einer linienhaften Beleuchtung 30, der Bildaufnahme mit einer Zeilenkamera 20, welche den Schüttstrom 10 über die gesamte Produktbreite erfasst. Einer zeilenförmigen Anordnung von dicht benachbarten, pneumatischen Ejektoren 50, welche angesteuert durch den Bildrechner 60 Partikel mit bestimmten Eigenschaften aus der natürlichen Flugbahn 12 auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B der Schlechtteile bringen, während die Fraktion A der Gut-Teile entlang der ungestörten Flugbahn im Behälter 80 landet
2 zeigt ebenfalls in der Aufsicht den prinzipiellen Aufbau nach dem Erfindungsgedanken eines optischen Inspektions- und Sortiersystem für zwei Fraktionen für Schüttstrom-Partikel bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10, eine großen Anzahl von nebeneinander angeordneten Inspektions-Zeilenkameras 20 welche jeweils nur einen kleinen Abschnitt des Schüttstroms im Auflicht einer kurzen, dieser Kamera zugeordneten linienhaften Beleuchtung 40 beobachten, eine Anordnung von dicht benachbarten, beispielsweise pneumatischen Ejektorenzeile 50, welche bestimmte Partikel, angesteuert durch den Bildrechner 60 aus der natürlichen Fallbahn 12 auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B bringen, während die Fraktion A entlang der Flugbahn 12 im Behälter 80 landet.
3 zeigt beispielhaft die Sortierung von einem Schüttstrom aus Abfallholz-Partikel 10 in die beiden Fraktionen:
B: ungeeignete Partikel 14 da lackiert
B: ungeeignete Partikel 15 da verfaultes Holz
A: geeignete Partikel 13 aus gesundem Holz
mit einem erfindungsgemäßen integrierten Kamera/Beleuchtungsmodul 20 bzw. 40. Der auswechselbare Beleuchtungsträger 41 bestehe beispielhaft aus drei linienhaften schmalbandigen LED-Leuchten mit jeweils eigenen Projektionsoptiken 42, 43 und 44; sie beleuchten den Schüttstrom sowohl gerichtet (42 und 43) als auch diffus (44). Die beleuchtete Szene wird mit einer Abbildungsoptik 21 auf eine Zeile des Matrix-Bildsensor 20 abgebildet.
Die LED Leuchten werden kurzzeitig im Zeilentakt des Sensors gepulst angesteuert, so dass zeitlich nacheinander diese Bildzeile eng benachbarte zeilenförmige Ausschnitte des Schüttstroms erfasst, jeweils mit der spezifischen Beleuchtung 42, 43 oder 44 ausgeleuchtet (Zeitmultiplex) wird.
4a, 4b und 4c zeigen beispielhaft die Trennung der drei interessierenden Partikelarten durch eine Kombination von optischen Effekten welche durch die verschiedenen Beleuchtungsarten bewirkt werden:
In 4a zeigt gesundes unbeschichtetes Weichholz 13 erscheint bei Beleuchtung mit einer strukturierten durch helle Punkte gebildete Linienbeleuchtung 31 aufgrund des Lichthofeffektes (siehe z. B. EP 1 729 115 A2 ) als eine Folge von unscharfen Punkten 32, während bei einer lackierten Oberfläche 14 das Punktemuster 31 scharf bleibt.
In 4b erscheinen lackierte Partikel 14 unter einer gerichteten Linien-Beleuchtung 33 als helle spiegelnde Reflektion I(x) während Naturholz und faules Holz als dunkle Linie erscheinen. In 4b dadurch kenntlich gemacht, dass die Intensität I(x) der Partikel 13 und 15 deutlich niedriger ist als die des Partikels 14. Melamin-beschichte Partikel, z. B. von Laminatfußböden können bei Verwendung von einer schmalbandigen Beleuchtung 34 im nahen UV Bereich anhand der entstehenden breitbandigen Fluoreszenz der Melaminharze erkannt werden (4c). Die Holzmaserung erscheint bei schmalbandiger Beleuchtung im blauen Bereich als kontrastreiche niederfrequente Textur (linke Kurve in 4c) während Faulstellen als kontrastarme Rauschen sichtbar ist.
5 verdeutlicht das gepulste Beleuchtungsschema des Schüttstroms durch ein schnelles, mit dem Zeilentakt der Kamera synchronisiertem Umschalten zwischen den drei Beleuchtungsquellen 42 (strukturierte schmalbandige Beleuchtung), die Beleuchtungsquelle 43 (gerichtete schmalbandige Beleuchtung) und die Beleuchtungsquelle 44 (kurzwellige schmalbandige Beleuchtung). Dieses Schema, bei welchem immer nur eine einzelne Beleuchtungsquelle aktiviert ist, wird im Folgenden als „exklusive Zeilenmultiplex-Beleuchtung” bezeichnet. Unter der Voraussetzung, dass die Partikel in Bewegungsrichtung deutlich größer als eine Bildzeile auf dem Bildsensor sind und sich sehr schnell bewegen, kann man näherungsweise davon ausgehen, dass alle drei Beleuchtungen trotz der zeitversetzten Beleuchtungspulse in etwa den gleichen Ort des Partikels beleuchten.
6 verdeutlicht ein alternatives Beleuchtungsschema, bei welchen beispielsweise die zwei nicht-strukturierten Beleuchtungen 43 und 44 gleichzeitig die Bildzeile des Zeilensensors belichten und die Belichtung durch die strukturierte Beleuchtung 42 in der folgenden Abtastzeile erfolgt, so dass insgesamt eine um 30% räumlich höher auflösende Abtastung des Schüttstroms erfolgt (gemischte Zeilen-/Zeitmultiplex Beleuchtung)
7 verdeutlicht den erfinderischen Gedanken der „optisch maximal diskriminierenden Beleuchtungsintensitäten”, d. h. ein Verfahren die zu trennenden Fraktionen am besten gegeneinander und gegenüber dem Hintergrund durch gepulste schmalbandigen Beleuchtungen zu trennen, dadurch dass beispielsweise die gepulsten nicht strukturierten schmalbandigen Beleuchtungen 43 und 44 beide während des 10 μsec Belichtungsfenster die Bildszene beleuchten und dabei die Amplitude I(t) der Beleuchtung 43 auf beispielsweise 50% der Amplitude der Beleuchtung 44 eingestellt ist, so dass in dem erzeugten 1-kanaligen Zeilenbild mit der Dauer von 100 μsec der Kontrast zwischen den zu trennenden Fraktionen maximiert wird. Die erforderliche Differenz der Beleuchtungsintensitäten kann beispielsweise entsprechend den Hauptkomponenten der Eigenvektoren eingestellt werden des N-dimensionalen Signalraums, welcher durch die beiden Beleuchtungen 43 und 44 aufgespannt wird, im vorliegenden Beispiel daher N = 2.
8 verdeutlicht den erfinderischen Gedanken des „optisch maximal diskriminierenden aktiven Hintergrundes”, d. h. dass die Schüttstrom-Fraktionen am besten gegeneinander und gegenüber dem Hintergrund getrennt werden indem mit jeder gepulsten schmalbandigen Auflicht Beleuchtung 43 und 44 eine mit ihr synchron gepulste Hintergrundbeleuchtung 46 und 47 eingeschaltet wird deren Wellenlängenbereiche so gewählt sind, dass die von der jeweils aktiven Beleuchtung vorwiegend nicht zu detektierenden Fraktionen einen zum aktiven Hintergrund möglichst geringen Kontrast aufzeigen. Zwecksmäßigerweise können beide Hintergrundbeleuchtungen über einen Diffusor 48 (beispielsweise eine Streuscheibe) auf einen gleichen Abstand zur Kamera gebracht werden.
9 verdeutlicht den „generischen” Aspekt des Erfindungsgedanken, d. h. die einfache, nur auf wenige Änderungen der Hardware beschränkte Modifikation des Kamera-/Beleuchtungs-Modul zur Anpassung auf andere Materialströme und Sortieraufgaben, hier beispielhaft auf die Erkennung und Aussortierung von Kontaminationen 17 (Kunststoffteile) und 18 (Juteschnüre) im Strom von Baumwollfasern 16 welche pneumatisch in einem Luftkanal mit einem Beobachtungsfenster 22 und einem optischen Hintergrund 23 durch das Kamera-/Beleuchtungsmodul 20 bzw. 40 im Flug erfasst werden.
Diese aufgeführten optischen Effekte beispielsweise zur Unterscheidung der Fraktionen „Weichholz”, „lackiertes Holz” und „faules Holz” sind lediglich als ein Beispiel zu verstehen. Die Literatur zur Holzinspektion kennt zahlreiche andere optische Effekte welche sich als optische Merkmale zur Trennung von Fraktionen eignen. Es ist nicht Aufgabe der Erfindung einen Katalog solcher Merkmale zu beschreiben sondern vielmehr den grundsätzlichen Erfindungsgedanken zur Anordnung und zum Verfahren für ein kostengünstiges „Optisches Sieb” zu erläutern.
Ziel der vorliegenden Beschreibung ist damit, den eigentlichen Erfindungsgedanken eines hochmodularen und flexiblen Kamera-/Beleuchtungs-System für die besonders kostengünstige Inspektion und Sortierung zahlreicher verschiedener Schüttstromarten mit einem einheitlichen modularen generischen Systemkonzept zu erreichen. Hierfür eignet sich das spezielle und anschauliche Beispiel der Sortierung von Holzpartikeln im Rahmen des Recycling von Abfallholz und der Erzeugung von hochwertigen Partikel, aus welchen sich neuwertige Paneele herstellen lassen, die Prinzipien des Verfahrens und der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach und anschaulich darzustellen.
1a zeigt in einer Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau nach dem Stand der Technik eines optischen Inspektions- und Sortiersystem in zwei Fraktionen für Holz-Partikel bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10 mittels einem schnell laufenden Förderband 11, des Abwurfs der Partikel in eine Flugstrecke 12 in welcher eine Inspektions-Zeilenkamera 20 den Schüttstrom im Auflicht einer linienhaften Beleuchtung 30 und gegen einen definierten Hintergrund 40 beobachtet, eine Anordnung von dicht benachbarten, pneumatischen Ejektoren 50, welche angesteuert durch den Bildrechner 60 Partikel mit bestimmten Eigenschaften aus der natürlichen Flugbahn 12 auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B (beispielsweise die Schlechtteile) bringen, während die Fraktion A der Gut-Teile entlang der ungestörten Flugbahn im Behälter 80 landet. Das Beispiel ist auf die Beobachtung des Schüttstroms aus lediglich einer Richtung begrenzt, d. h. es wird lediglich eine Kamera eingesetzt, welche nur die Oberseite der Flugbahn beobachtet.
Die Erweiterung eines solchen Schüttstromsortierung in mehrere Fraktionen durch Einsatz von mehreren Kameras, die Beobachtung des Schüttstroms von der Vorder- und von der Rückseite, die spezielle Gestaltung der Zuführung und Vereinzelung der Partikel sowie der Ausscheideelemente sind Stand der Technik und z. B. in dem zuerst zitierten Dokument („Das optische Sieb: Multisensorielle Bildverarbeitung für die Sortierung von Schüttgütern”) dokumentiert.
1b zeigt zum besseren Verständnis in einer Aufsicht den gleichen prinzipiellen Aufbau nach dem Stand der Technik eines optischen Inspektions- und Sortiersystem für Holz-Partikel in zwei Fraktionen bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10 mittels einem schnell laufenden Förderband 11, der Beleuchtung mit einer linienhaften Beleuchtung 30, der Bildaufnahme mit einer Zeilenkamera 20, welche den Schüttstrom 10 über die gesamte Produktbreite erfasst, einer zeilenförmigen Anordnung von dicht benachbarten, pneumatischen Ejektoren 50, welche angesteuert durch den Bildrechner Partikel mit bestimmten Eigenschaften aus der natürlichen Flugbahn auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B der Schlechtteile bringen, während die Fraktion A der Gut-Teile entlang der ungestörten Flugbahn im Behälter 80 landet.
Durch die Abbildung eines oft bis zu 5 m breiten Schüttstroms auf lediglich eine oder einige wenigen nebeneinander angeordneten Zeilenkameras ergibt sich wegen der bekannten Schwächen von weitwinkligen Abbildungsoptiken wie mangelnde Schärfe am Bildrand, starke chromatische Verzerrungen zum Bildrand, teilweise gegenseitige Verdeckung der Partikel an den Bildränder usw. die Forderung nach einem großen
Abstand von Kamera zu Objekt (näherungsweise telezentrische parallel Abbildung) und damit einhergehend eine große Baugröße des gesamten Zuführungs-, Beleuchtungs- und Bildaufnahmesystems. Mit steigender Baugröße eines optischen Systems steigen aber, wie dem Fachmann der Optik bekannt, die Kosten exponentiell an.
2 zeigt ebenfalls in der Aufsicht den prinzipiellen Aufbau eines nach dem Erfindungsgedanken aufgebauten optischen Inspektions- und Sortiersystem für beispielhaft zwei Fraktionen von Partikeln, bestehend aus einer Zuführung der vereinzelten Partikel 10, einer großen Anzahl von nebeneinander angeordneten Inspektions-Zeilenkameras 20, welche jeweils nur einen kleinen Abschnitt des Schüttstroms im Auflicht einer kurzen, dieser Kamera zugeordneten linienhaften Beleuchtung 40 beobachten, eine Anordnung von dicht in einer Linie benachbarten, beispielsweise pneumatischen Ejektoren 50, welche bestimmte Partikel, angesteuert durch den Bildrechner 60 aus der natürlichen Fallbahn auslenken und in den Behälter 70 der Fraktion B bringen, während die Fraktion A entlang der Flugbahn im Behälter 80 landet.
Es ist aus der Zeichnung leicht erkennbar, dass infolge des pro Modul wesentlich kleineren Bildfeldes alle Baugrößen kleiner werden:

– der Abstand von Kamera-/Beleuchtungs-Modul zur Schüttstrombahn wird kleiner; dies ermöglicht eine Verringerung der installierten Lichtleistung und preiswertere, weniger korrigierte Abbildungsobjektive die Größe der einzelnen Beleuchtungselemente werden kleiner und damit deren Wärmehaushalt einfacher zu gestalten
– die Anordnung von vielen gleichartigen Kamera-/Beleuchtungselementen ist wegen der „economy of scale” besonders kostengünstig die Anpassung an unterschiedliche Materialströme und Sortieraufgaben beschränkt sich in der Hardware auf eine einfache Anpassung der Beleuchtungssysteme, beispielsweise erreichbar durch Austausch des kompletten der Kamera zugeordneten Beleuchtungsmoduls

3 verdeutlicht den Erfindungsgedanken beispielhaft anhand der Sortierung eines Schüttstromes aus Abfallholz-Partikel 10 zur Gewinnung von Partikel, welche sich für die Herstellung hochwertiger Holzpaneele aus recyceltem Abbruchholz eignen. Die Aufgabe besteht beispielhaft darin, die Partikel 10 in die beiden Fraktionen zu trennen:
B: für Paneel-Herstellung ungeeignete Partikel 14 da lackiert
B: für Paneel-Herstellung ungeeignete Partikel 15 da verfault
A: für Paneel-Herstellung geeignete Partikel 13 da gesundes Holz
mit einem erfindungsgemäßen integrierten Kamera/Beleuchtungsmodul 20 bzw. 40. Der auswechselbare Beleuchtungsträger 90 bestehe beispielhaft aus drei linienhaften schmalbandigen LED-Leuchten mit jeweils eigenen Projektionsoptiken 42, 43 und 44; sie beleuchten den Schüttstrom sowohl gerichtet (42 und 43) als auch diffus 43.
Die beleuchtete Szene wird mit einer Abbildungsoptik 21 auf beispielsweise eine Zeile eines kostengünstigen des Matrix-Bildsensor 20 abgebildet bzw. auf den Zeilensensor einer Zeilenkamera, wobei diese Sensoren monochromatische Bildsensoren sind. Die LED Leuchten werden kurzzeitig im Zeilentakt des Sensors gepulst angesteuert, so dass zeitlich nacheinander diese Bildzeile eng benachbarte zeilenförmige Ausschnitte des Schüttstroms 10 erfasst, jeweils mit der spezifischen gepulsten Beleuchtung 42, 43 oder 44 ausgeleuchtet (Zeitmultiplex).
Diese Prozessskizze der Anordnung macht deutlich, dass die auswechselbare Beleuchtungseinheit schnelle und kostengünstige Anpassungen auf andersartige Schüttströme ermöglicht durch:

– eine Variation der schmalbandigen Wellenlängen des emittierten Lichtes und deren Leistung (radiometrische Eigenschaften der Beleuchtung),
– die Veränderung der geometrischen Anordnung einer oder einer Mehrzahl von Beleuchtungseinheiten in Bezug auf die Blickrichtung der Kamera und die Raumlage der Schüttstrom-Partikelbahn (geometrische Eigenschaften der Beleuchtungseinheit) die Veränderung der Anzahl der eingesetzten Beleuchtungseinheiten die Veränderung der zeitliche Ansteuerung im Vergleich zueinander und zur Zeilenfrequenz der Kamera (zeitliche Eigenschaften, Synchronisation)

Trotz eines weitgehend identischen mechanischen Aufbaus des Kamera/Beleuchtungsmoduls führt diese erfindungsgemäße Anordnung zu einem hochmodularen „generischen” Sortiersystems, d. h. einem System welches sich nur durch wenige einfache Änderungen an eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben der Schüttstrom-Inspektion und -Sortierung anpassen lässt.
4a, 4b und 4c zeigen beispielhaft die Trennung der drei interessierenden Holzpartikel-Arten durch eine Kombination von unterschiedlichen optischen Effekten, welche durch die verschiedenen Beleuchtungsarten bewirkt werden:

– gesundes unbeschichtetes Weichholz 13 erscheint bei Beleuchtung mit einer „strukturierten”, durch helle Punkte gebildete Linienbeleuchtung 31 aufgrund des Lichthofeffektes (siehe z. B. EP 1 729 115 A2 ) als eine Folge von unscharfen Punkten 32, während bei einer lackierten Oberfläche 14 das Punktemuster scharf bleibt. Mit Hilfe einfacher Bildverarbeitungsoperationen wie der 1-dimensionale lokale Bildschärfe entlang der Bildzeile kann damit zwischen die GUT-Fraktion erkannt werden. Lackierte Partikel bewirken unter einer gerichteten Linien-Beleuchtung 33 eine helle spiegelnde Reflektion hoher Intensität I(x) während Naturholz und faules Holz als dunkle Linie erscheinen. In 4b dadurch kenntlich gemacht, dass die Intensität der Partikel 13 und 15 deutlich niedriger liegt als die von Partikel 14.

Die Holzmaserung erscheint bei schmalbandiger Beleuchtung im blauen Bereich als kontrastreiche lokal periodische niederfrequente Textur (Kurve auf der linken Seite von 4c) während Faulstellen als kontrastarmes Rauschen erscheinen (siehe Fig. c)
Es ist dem Fachmann der Mustererkennung, insbesondere des Maschinellen Lernens bekannt, anhand von einer ausreichenden Zahl von Gut- und Schlechtproben eines zu sortierenden Schüttstroms systematisch eine optimale Wahl aller radiometrischen, geometrischen und zeitlichen Eigenschaften der Kamera-/Beleuchtungsmodule für einen gegebene Sortieraufgaben zu bestimmen.
Im Rahmen dieser Beschreibung ist daher die Frage, welche spezifischen durch die Beleuchtung erzeugten optischen Effekte für welchen Materialstrom und für welche spezifische Sortieraufgaben am besten geeignet sind nicht Teil des Erfindungsgedanken, sondern es kann auf die Literatur der Mustererkennung und des Maschinellen Lernens verwiesen werden kann.
5 verdeutlicht das gepulste Beleuchtungsschema des Schüttstroms durch ein schnelles, mit dem Zeilentakt der Kamera synchronisierten Umschalten zwischen den drei Beleuchtungsquellen 42 (strukturierte schmalbandige Beleuchtung), die Beleuchtungsquelle 43 (gerichtete schmalbandige Beleuchtung) und die Beleuchtungsquelle 44 (diffuse kurzwellige schmalbandige Beleuchtung). Wir bezeichnen dieses Schema, bei welchem zu einer Zeilenperiode des Bildsensors immer nur eine einzelne Beleuchtungsquelle aktiviert ist, als „exklusive Zeilenmultiplex-Beleuchtung”. Unter der Voraussetzung, dass die Partikel deutlich größer als eine Objektzeile sind und der Schüttstrom sich schnell bewegt, kann man näherungsweise davon ausgehen, dass alle drei Beleuchtungen in etwa den gleichen Ort des Partikels beleuchten, d. h. dass die drei nacheinander erzeugten Zeilenbilder angenähert den gleichen Ort des Partikels erfassen, jeweils mit einer anderen Beleuchtungsquelle ausgeleuchtet. Je höher die Zeilenfrequenz (und damit einhergehend die Umschaltfrequenz zwischen den drei Beleuchtungen) ist, desto besser ist diese Näherung der Abtastung des gleichen Ortes erfüllt.
6 verdeutlicht ein erfindungsgemäßes alternatives Beleuchtungsschema, bei welchen sich die Änderungen lediglich auf die elektronische Synchronisation von Zeilenbildsensor und Beleuchtungsquellen beschränken. Die zwei nicht strukturierten Beleuchtungen 43 und 44 beleuchten beispielsweise gleichzeitig die Bildzeile des Zeilensensors in einem ersten Zeilentakt und die Belichtung durch die strukturierte Beleuchtung 42 erfolgt in dem folgenden Zeilentakt. Da beide Wellenlängenbereiche auf unterschiedliche Effekte ausgelegt sind, beispielsweise die Beleuchtung 44 im nahen UV Bereich zur farbunabhängigen Erkennung von Faulstellen und die gerichtet Beleuchtung 43 im nahen Infrarotbereich zur farbunabhängigen Sichtbarmachung von spiegelnd reflektierenden lackierten Oberflächen, kann aus dem überlagerten Bild erkannt werden, ob es sich um ein GUT-Partikel handelt oder nicht, ohne dass der Bildsensor über teure Spektralfilter verfügen muss. Dieses Beleuchtungsschema bewirkt gegenüber der im vorherigen Kapitel genannten „exklusiven Zeilenmultiplex-Beleuchtung” eine um 30% räumlich höher auflösende Abtastung des Schüttstroms („gemischte Zeilen-/Zeitmultiplex Beleuchtung”)
7 verdeutlicht den erfinderischen Gedanken der „optisch maximal diskriminierenden Beleuchtungsintensitäten”, d. h. ein Verfahren und eine Anordnung, die zu trennenden Fraktionen am besten sowohl gegeneinander als auch gegenüber dem Hintergrund durch gepulste schmalbandigen Beleuchtungen zu trennen. Die Trennung gegenüber dem Hintergrund ist z. B. erforderlich, wenn die Form und Größe der Partikel gemessen werden müssen. Dies wird dadurch erreicht, dass beispielsweise die gepulsten nicht strukturierten schmalbandigen Beleuchtungen 43 und 44 beide gleichzeitig oder kurz nacheinander während des 10 μsec Belichtungsfenster des Zeilensensor die Bildszene beleuchten und dabei die Amplitude I(t) der Beleuchtung 43 und der Beleuchtung 44 unterschiedlich eingestellt sind. Beispielsweise soll die Leistung der Beleuchtung 43 lediglich 50% der Leistung der Beleuchtung 44 eingestellt sein, so dass in dem erzeugten 1-kanaligen Zeilenbild mit der Auslesedauer von 100 μsec der Kontrast zwischen den zu trennenden Fraktionen maximiert wird weil der optische Effekt bei der Beleuchtung 43 doppelt so ausgeprägt sein möge als der optische Effekt der Beleuchtung 44. Dieses erfindungsgemäße Beleuchtungsverfahren erzeugt daher ein Zeilensignal, welches der gewichteten Summe der Reflexionen bei den unterschiedlichen Beleuchtungen entspricht.
Es ist ein weiterer Erfindungsgedanke, die Veränderung der ausgesendeten Beleuchtungsintensität nicht durch Amplitude der Beleuchtung, sondern durch eine feinfühlige Veränderung der Dauer des Belichtungspulses im beispielhaften Belichtungsfenster des Zeilensensors erfolgt. Durch die zeitlich Integration der Fotodetektoren (besonders ausgeprägt bei der CCD Technik) ist eine längere Beleuchtungszeit bei einer bestimmten Amplitude gleichwirksam wie eine kürzere Beleuchtungszeit bei einer entsprechend höheren Amplitude.
Die erforderliche Differenz der Beleuchtungsintensitäten kann durch Versuche erfolgen aber auch systematisch abgeleitet werden, indem sie beispielsweise entsprechend den Hauptkomponenten der Eigenvektoren eingestellt werden des N-dimensionalen Signalraums, welcher durch die beiden Beleuchtungen 43 und 44 aufgespannt wird.
8 verdeutlicht den erfinderischen Gedanken des optisch maximal diskriminierenden aktiven Hintergrundes, d. h. dass die Schüttstrom-Fraktionen am besten gegeneinander und gegenüber dem Hintergrund getrennt werden indem mit jeder gepulsten schmalbandigen Auflicht-Beleuchtung 43 und 44 eine mit ihr synchron gepulste Hintergrundbeleuchtung 46 und 47 eingeschaltet wird, wobei deren Wellenlängenbereiche so gewählt sind, dass die von der jeweils aktiven Beleuchtung vorwiegend nicht zu detektierenden Fraktionen einen zum aktiven Hintergrund möglichst geringen Kontrast aufzeigen. Zwecksmäßigerweise können beide Hintergrundbeleuchtungen über einen Diffusor 48 (beispielsweise Streuscheibe) auf einen gleichen Abstand zur Kamera gebracht werden.
Die Bedeutung eines optisch passenden Hintergrundes ist seit langem bekannt. Bei der optischen Sortierung von Reiskörnern wird traditionell der Hintergrund durch farbige Kartons gebildet, deren Farbe dem GUT-Reiskorn entspricht. Damit wird die GUT-Fraktion optisch ausgeblendet. Dieses Verfahren ist nicht flexibel und erfordert einen erheblichen mechanischen Eingriff beim Produktwechsel.
In der DE 20 2006 016 604 U1 wird dargestellt, dass für ein Schüttstromsystem mit Farbkameras der Hintergrund durch ein LED Beleuchtungssystem gebildet ist, welches in Farbe und Helligkeit auf die Farbe und Helligkeit einer Fraktion eingestellt werden kann und damit diese Fraktion unsichtbar macht. Dieser Hintergrund ist statisch, d. h. er wechselt nicht mit dem Auslesetakt der Farbkamera.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Stand der Technik bezieht sich der erfindungsgemäße Gedanke auf die Beobachtung von Schüttströmen mit monochromen Bildsensoren und gepulsten schmalbandigen Beleuchtungen sowie hierzu zugeordneten synchron gepulsten Hintergrundleuchten. Damit ist es möglich im schnellen Wechsel des Zeilentaktes für jede Auflichtquelle kurzzeitig den optimalen optischen Hintergrund rein elektronisch zu erzeugen und damit insbesondere die Form der auszuscheidenden Fraktionen kontraststark im Zeilenbild aller verwendeten Beleuchtungsarten hervorzuheben.
Der dargestellte Erfindungsgedanke beschreibt aber insbesondere auch ein „generisches” Verfahren, d. h. ein Verfahren und eine Anordnung welche sich mit nur wenigen einfachen mechanisch-optischen Änderungen auf gänzlich andersartige Materialströme und Sortieraufgaben umstellen läst.
9 zeigt beispielsweise in einer Seitenansicht die wenigen Hardware-Modifikationen welche erforderlich sind, um aus der Holzpartikel-Sortierung eine Aussortierung von Fremdstoffen bei pneumatisch geförderter Baumwolle zu erreichen. Es sollen beispielhaft durch optische Erfassung und Unterscheidung der drei Fraktionen Baumwollfaser 16, kontaminierende Kunststoffteile 17 und kontaminierende Juteschnüre 18 Ejektorsignale erzeugt werden, um die Kontaminationen auszublasen. Der in einem Transportkanal fließende Luftstrom mit den Partikeln wird über ein durchsichtiges Fenster 22 mit zwei schmalbandigen Linienleuchten im Bereich von λ1 = 405 nm und λ2 = 850 nm abwechselnd gepulst beleuchtet und mit dem Zeilensensor 20 bildhaft erfasst. Zur besseren Diskriminierung wird der Hintergrund 23 erfindungsgemäß durch gepulste Beleuchtungsquellen so gestaltet, dass er bei beiden Wellenlängen einen möglichst großen Kontrast der Baumwollfasern zu den Kontaminationen bildet (siehe auch das zweite zitierte Dokument: „Detection of foreign materials in cotton using a multi-wavelength imaging method", Meas. Sci. Technol. 16, pp 1355–1362, Institute of Physics Publishing 2005).
Die mechanisch-optischen Änderungen beschränken sich daher im Wesentlichen auf die Gestaltung der Beleuchtung (andere Wellenlängen, nur gerichtet).
Es ist der eigentliche Gedanke dieser Erfindung, dass die neuartige Kombination von im einzelnen bekannten Anordnungen und Verfahren der optischen Schüttstrom-Sortierung zu einem generischen, hochmodularen, robusten und durch die verringerte Baugröße sehr preiswerten System führt im Gegensatz zu den heutigen sehr großen und teuren, schwierig in einer rauhen Industrieumgebung stabil zu haltenden und sehr auf eine einzige oder nur eine kleine Anzahl von Aufgaben spezialisierten Systeme
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1729115 A2 [0033, 0053]
DE 202006016604 U1 [0064]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Eberhardt, R. Massen: Das optische Sieb: Multisensorielle Bildverarbeitung für die Sortierung von Schüttgütern. VDMA Infotag „Automatisierungstechnik für Schüttgüter-Kernthematik im Maschinen- und Anlagenbau”. 10.09.2008. VDMA Haus, Frankfurt/Main. [0005]
Jia et al. „Detection of foreign materials in cotton using a multi-wavelength imaging method”, Meas. Sci. Technol. 16, pp 1355–1362, Institute of Physics Publishing 2005 [0009]
„Detection of foreign materials in cotton using a multi-wavelength imaging method”, Meas. Sci. Technol. 16, pp 1355–1362, Institute of Physics Publishing 2005) [0067]

Claims

Multisensorielle Anordnung für die optische Inspektion und Sortierung von Schüttgütern in verschiedene Fraktionen, bei welcher der Schüttstrom aus einer im Vergleich zur Schüttstrom-Breite kurzen Entfernung mit zumindest zwei benachbart angeordneten identischen Kamera-/Beleuchtungsmodulen erfasst wird, wobei die Bildweite der Kameras kleiner als die Breite des Schüttstroms ist und wobei die Bildsensoren und Beleuchtungen auf den Bereich der durch CMOS- und/oder CCD-Bildsensoren abgedeckten Wellenlängen von 380 nm bis 1000 nm beschränkt sind, wobei jede Kamera mit zumindest einer, vorzugsweise mit einem Satz von schmalbandig emittierenden und synchron zur Zeilenfrequenz der Kamera gepulsten linienhaft beleuchtenden Halbleiter-Lichtquellen durch eine mechanische Halterung verbunden ist, wobei die linienhaft beleuchtenden Lichtquellen durch einen mit der Kamera verbundenen Wechselmechanismus der Halterung gegen andere Lichtquellen, insbesondere mit anderen Systemparametern austauschbar sind, und wobei über eine elektronische Einrichtung die Ansteuerungssignale der synchron zum Zeilentakt der Bildsensoren gepulsten Beleuchtungsquellen nach einem veränderbaren, für die Diskriminierung der Fraktionen des Schüttstroms optimierbaren Synchronisations-Schemas erzeugt werden, wobei die Signale der Kamera oder der Kameras von mindestens einem Bildrechner durch Mustererkennung und Klassifikation zur Erkennung, Zuordnung und Bewertung der Schüttgut-Bestandteile Partikel der zumindest zweier Fraktionen ausgewertet werden und wobei über Echtzeit-Bildverarbeitungsoperatoren von einer Steuerungsvorrichtung zeitrichtige Auswurfsignale erzeugt werden, um mit Ejektoren Partikel zumindest einer auszuscheidenden Fraktion aus dem Schüttstrom zu entfernen.
Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher jedem Kamera/Beleuchtungsmodul eine synchron zur Auflichtbeleuchtung gepulste Hintergrundbeleuchtung zugeordnet ist, wobei die Wellenlängen-Bereiche der Auflicht- und der Hintergrundbeleuchtungen so eingerichtet sind, dass der Kontrast zum Hintergrund für die nicht auszuscheidende Fraktionen minimiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher jedem Kamera-/Beleuchtungsmodul eine Anzahl von zeilenförmig aneinander gereihten Ejektoren zugeordnet ist und die Ejektoren eingerichtet sind von den Signalen des betreffenden Kamera-/Beleuchtungsmoduls angesteuert zu werden.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Beleuchtungskomponenten der Kamera-/Beleuchtungsmodule eingerichtet sind durch motorische Antriebe verstellt zu werden.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher Sensoren und Rechnerschnittstellen eingerichtet sind die Kenngrößen, die räumliche Lage und die räumliche Orientierung der einer Kamera zugeordneten linienhaften Beleuchtungen mittels einer elektronischen Rechnereinheit abzufragen.
Verfahren für die optische Inspektion und Sortierung von Schüttgütern in verschiedene Fraktionen umfassend die Schritte: – Bereitstellen von zumindest zwei benachbart angeordneten identischen Kamera/Beleuchtungsmodulen, wobei die Bildweite der Kameras kleiner als die Breite des Schüttstroms ist und und wobei die Kameras jeweils nur einen Teilausschnitt in Richtung quer zur Schüttstromrichtung abdecken und wobei die Bildsensoren und Beleuchtungen auf den Bereich der durch CMOS- und/oder CCD-Bildsensoren abgedeckten Wellenlängen von 380 nm bis 1000 nm beschränkt sind und wobei jede Kamera mit zumindest einer, vorzugsweise mit einem Satz von schmalbandig emittierenden und synchron zur Zeilenfrequenz der Kamera gepulsten linienhaft beleuchtenden Halbleiter-Lichtquellen durch eine mechanische Halterung verbunden ist, die es erlaubt, die linienhaft beleuchtenden Lichtquellen gegen Lichtquellen mit anderen Systemparametern auszutauschen, – Erfassung des Schüttstroms aus einer im Vergleich zur Schüttstrom-Breite kurzen Entfernung, – Erzeugen von Ansteuersignalen der synchron zum Zeilentakt der Bildsensoren gepulsten Beleuchtungsquellen über eine elektronische Einrichtung zur Diskriminierung der Fraktionen des Schüttstroms nach einem veränderbaren, für die Diskriminierung der Fraktionen des Schüttstroms optimierbaren Synchronisations-Schema – Auswertung der Signale der Kamera oder der Kameras mittels mindestens eines Bildrechners mit Verfahren der Musterkennung, – Klassifikation und Bewertung der Schüttgut-Bestandteile, – Erzeugen von Auswurfsignalen mittels Echtzeit-Bildverarbeitungsoperatoren zur Aussortierung der auszuscheidenden Fraktion aus dem Schüttstrom mittels Ejektoren.
Verfahren zur optischen Schüttstromsortierung gemäß Anspruch 6, wobei die Mustererkennungs-Verfahren als auch die für die gestellte Inspektions- und Sortieraufgabe Beleuchtungsanordnungen und Beleuchtungsansteuerungen in einer vorbereitenden Lernphase anhand von Schüttstrom-Proben mit Hilfe von Verfahren des Maschinellen Lernens und der Mustererkennung ermittelt und optimiert werden.
Verfahren zur optischen Schüttstromsortierung gemäß den Ansprüchen 6 oder 7 wobei mindestens zwei der gepulsten, bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeitenden Beleuchtungen mit unterschiedlichen Lichtpulsleistungen betrieben werden, deren Leistungsverhältnis so gewählt ist, dass die radiometrische Trennung der Fraktionen im Bildsignal der Zeilenkamera mit größtmöglicher Diskriminanz erfolgt.
Verfahren zur optischen Schüttstromsortierung nach Anspruch 6, 7 oder 8 wobei das Leistungsverhältnis dem Verhältnis der Eigenwerte entspricht des durch die mindesten zwei Zeilenbildsignale aufgespannten Signalraums.
Verfahren zur optischen Schüttstromsortierung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei mindestens zwei der gepulsten Beleuchtungen im gleichen Belichtungszeitfenster des Zeilensensors ausgelöst werden.