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Die Erfindung betrifft eine Spektroskopievorrichtung zum Klassifizieren von zumindest einem Objekt, insbesondere zum Klassifizieren von Schüttgut-Objekten, mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des zumindest einen Objektes, einer Bilderfassungseinrichtung zum optischen Erfassen zumindest eines Bildes des von der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten zumindest einen Objektes und einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten des von der Bilderfassungseinrichtung erfassten Bildes für das Klassifizieren des zumindest einen Objektes.
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In der optischen Spektroskopie werden Objekte unterschiedlicher spektraler Reflektanz unterschieden. Dabei gibt es zum einen die klassische Linienspektroskopie, bei welcher das Licht mit Hilfe dispersiver optischer Elemente innerhalb der Bildebene in seine Wellenlängenbestandteile zerlegt wird. Nachteilig ist hier die hohe nötige Fertigungspräzision sowie die eindimensionale Objektauflösung. Es gibt auch multispektrale Kameras, die entweder zeitlich wechselnde Filter haben, oder aus einem Kameraarray mit vorgesetzten Filtern bestehen oder welche statt der üblichen Rot-Grün-Blau (RGB) Filterarrays weitere Sensoren oder andere Filterarrays aufweisen. Diese Lösungen weisen sämtlich eine mangelnde spektrale Auflösung auf und, damit einhergehend, eine geringe Flexibilität. Die Kameras mit zeitlich wechselnden Filtern sind dabei zusätzlich aufgrund ihrer mechanischen Bauteile anfällig. Kameraarrays erzeugen durch die Vervielfachung der Sensordaten hohe Datenströme, was ebenfalls unvorteilhaft ist. In alternativen Verfahren wird eine zeitlich veränderbare Beleuchtung mit unterschiedlichen vorgegebenen Lichtspektren genutzt, um Teile der spektralen Reflektanz zu rekonstruieren. Nachteilig ist hier die erforderliche ständige Schaltung der Beleuchtung mit hoher Geschwindigkeit, welche einerseits die Wahl der verfügbaren Leuchtmittel und damit die möglichen Lichtspektren einschränkt und andererseits die Lebenszeit der Beleuchtung beschränkt beziehungsweise die Geschwindigkeit der Messung limitiert.
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Es ergibt sich als Aufgabe, die geschilderten Nachteile der bekannten optischen Spektroskopievorrichtungen zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Ein Aspekt betrifft eine Spektroskopievorrichtung zum Klassifizieren von einem oder mehreren Objekten, insbesondere zum Klassifizieren von einem oder mehreren Schüttgut-Objekten mit einer Beleuchtungseinrichtung, einer Bilderfassungseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung.
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Die Beleuchtungseinrichtung ist dabei zum Beleuchten des zumindest einen Objektes ausgebildet, und zwar derart, dass das zumindest eine Objekt (also ein oder mehrere Objekte) an einem (ersten) Ort mit einem Licht einer (ersten) vorgegebenen spektralen Verteilung beleuchtet wird und an zumindest einem weiteren (zweiten) Ort, welcher von dem einen (ersten) Ort verschieden ist, mit einem dem weiteren Ort zugeordneten weiteren (zweiten) Licht einer zugeordneten weiteren (zweiten) vorgegebenen spektralen Verteilung, welche wiederum von der einen (ersten) vorgegebenen spektralen Verteilung des einen ersten Lichtes verschieden ist. Wie im Folgenden noch spezifiziert können auch dritte, vierte, fünfte usw. weitere Orte, mit entsprechenden Lichtern beziehungsweise spektralen Verteilungen vorgesehen sein. Die Bilderfassungseinrichtung ist ausgebildet zum optischen Erfassen, das heißt zum Aufnehmen, zumindest eines Bildes des von der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten zumindest einen Objektes, und zwar derart, dass das Objekt an den verschiedenen (ersten, zweiten, dritten usw.) Orten, und damit unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen, nämlich mit den Lichtern unterschiedlicher spektraler Verteilungen beleuchtet, optisch erfasst wird. Bevorzugt wird ein Bild pro Ort erfasst, das heißt zumindest zwei Bilder. Die Bilderfassungseinrichtung erfasst dabei vorteilhafterweise ein Reflektanzbild des zumindest einen Objektes, das heißt einen von dem oder den Objekten reflektierten Lichtanteil. Dies ist gegenüber der ebenfalls möglichen Alternativausführung, bei welcher die Bilderfassungseinrichtung ein Transmissionsbild des oder der Objekte aufnimmt, insofern vorteilhaft, als dass sich - besonders bei Schüttgut - ein einfacherer Aufbau der Vorrichtung erzielen lässt. Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet zum Auswerten des von der Bilderfassungseinrichtung erfassten zumindest einen Bildes für das Klassifizieren des zumindest einen Objektes. Das ausgewertete Bild kann Bilder mit entsprechenden Teilbereichen umfassen, welche das oder die Objekte an den unterschiedlichen Orten zeigen. Alternativ können mehrere Bilder, die beispielsweise von unterschiedlichen Kameras aufgenommen sind, das oder die Objekte an den unterschiedlichen Orten zeigen und ausgewertet werden. Wahlweise kann die Auswerteeinrichtung auch eine Klassifizierungseinheit umfassen, welche anhand des/der ausgewerteten Bilder das zumindest eine Objekt klassifiziert.
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Das hat den Vorteil, dass eine verbesserte Auflösung für das Bild, anhand dessen die Klassifizierung des Objektes erfolgt, erreicht werden kann. Insbesondere kann so auch, wenn die jeweiligen Orte zweidimensionale Ortsbereiche sind, welche disjunkt sind, eine zweidimensionale Auflösung in den jeweiligen den unterschiedlichen Orten zugeordneten Bildern oder Bildteilen beziehungsweise Bildinformationen erreicht werden, was ein genaueres Klassifizieren ermöglicht. Dabei können - wie im Folgenden noch weiter ausgeführt - besonders einfache technische Mittel zum Einsatz kommen, insbesondere kann die Verwendung sich bewegender Bauteile in der Spektroskopievorrichtung minimiert werden, beziehungsweise auf solche Bauteile beschränkt werden, welche in der Praxis bereits sowieso vorhanden sind. Da somit die Anforderungen an Beleuchtungseinrichtung und Bilderfassungseinrichtung gesenkt sind beziehungsweise weniger spezifisch sind, können entsprechende Standardsysteme zur Bilderfassung eingesetzt werden. Damit wird der Aufbau nochmals einfacher und die Spektroskopievorrichtung robuster beziehungsweise flexibler einsetzbar. Die Erfassungsgeschwindigkeit hängt durch das Erfassen der jeweiligen Bilder des Objektes an unterschiedlichen Orten nicht von einer Schaltbarkeit, insbesondere nicht von einer maximalen Schaltfrequenz der entsprechenden Beleuchtungseinrichtung ab. Der Engpass des Verfahrens hängt somit nicht mehr von der Hardware, sondern von der entsprechend nachgeordneten Bildverarbeitung, das heißt der entsprechenden Rechenkapazität ab, was die Flexibilität der Vorrichtung weiter vergrößert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung ausgebildet ist, das zumindest eine Objekt an zumindest zwei oder drei, bevorzugt zumindest vier weiteren Orten, welche jeweils von dem einen Ort und auch voneinander verschieden sind, mit einem jeweiligen ortsspezifischen weiteren Licht mit einer jeweiligen diesem Licht und damit diesem Ort zugeordneten weiteren vorgegebenen spektralen Verteilung zu beleuchten. Dabei sind die jeweiligen vorgegebenen spektralen Verteilungen verschieden von den, das heißt allen anderen spektralen Verteilungen, die den anderen Orten zugeordnet sind.
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Das hat den Vorteil, dass die spektrale Reflektanz des beleuchteten Objektes nochmals genauer und flexibler erfasst werden kann und somit ein Ergebnis der Klassifizierung verbessert werden kann. Bei zwei weiteren, insgesamt also drei verschiedenen Orten bietet sich hier ein RGB-Verfahren an, bei welchem ein rotes, grünes und blaues Licht einem jeweiligen Ort zugeordnet ist und entsprechend durch die Bilderfassungseinrichtung in dem zumindest einen Bild erfasst wird. Bei drei weiteren Orten kann hier ein Licht aus dem nahen Infrarotbereich hinzukommen. Bei zumindest vier weiteren Orten kann ein Licht einer weiteren Wellenlänge oder eines weiteren Wellenlängenbereiches für die Spektroskopie und damit das Klassifizieren genutzt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, bevorzugt eine einzige Lichtquelle, und ein dispersives optisches Element aufweist. Die Lichtquelle ist dabei ausgebildet, Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen, insbesondere eines im Wesentlichen oder zumindest abschnittsweise durchgehenden Spektrums zu erzeugen. Unter einem im Wesentlichen durchgehenden Spektrum kann hier ein Spektrum verstanden werden, bei welchem lediglich einzelne (beispielsweise charakteristische) Wellenlängen fehlen. Unter einem zumindest abschnittsweise durchgehenden Spektrum kann man ein Spektrum verstehen, bei welchem mehrere durchgehende spektrale Bereiche durch ein oder mehrere Wellenlängenabschnitte, in welchen das entsprechende Licht die Intensität 0 hat, getrennt sind. Das dispersive optische Element kann dabei insbesondere ein Gitter und/oder ein Prisma sein oder umfassen. Das dispersive optische Element ist ausgebildet, das von der Lichtquelle erzeugte Licht in Abhängigkeit der jeweiligen Wellenlängen an die verschiedenen Orte zu lenken, um dort das Objekt zu beleuchten.
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Das hat den Vorteil, dass bereits eine einzige Lichtquelle ausreicht, um an den verschiedenen Orten das jeweilige Licht mit der vorgegebenen unterschiedlichen spektralen Verteilung bereitzustellen. Damit wird einerseits das von der Lichtquelle erzeugte Licht besonders effizient genutzt, andererseits die Anzahl der Bauteile und damit ein entsprechender Justierungs- beziehungsweise Montageaufwand reduziert, so dass die Spektroskopievorrichtung besonders flexibel einsetzbar ist und robust zuverlässige Resultate liefert.
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Alternativ oder ergänzend kann die Beleuchtungseinrichtung mehrere unterschiedliche Lichtquellen aufweisen, welche ausgebildet sind jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, insbesondere disjunkter Wellenlängenbereiche, zu erzeugen und mit dem jeweiligen unterschiedlichen Licht das Objekt an den unterschiedlichen Orten zu beleuchten.
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Das hat den Vorteil, dass auf optische Elemente wie das dispersive optische Element von oben verzichtet werden kann und bezüglich des geometrischen Aufbaus der Spektroskopievorrichtung eine besonders große Freiheit erlangt wird. Damit ist die beschriebene Spektroskopievorrichtung besonders flexibel in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsszenarien einsetzbar beziehungsweise auf diese anpassbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die vorgegebenen spektralen Verteilungen, insbesondere alle vorgegebenen spektralen Verteilungen, der Lichter, mit welchen das durch die Bilderfassungseinrichtung zu erfassende Objekt beleuchtet wird, zeitlich konstant vorgegeben sind. Die spektralen Verteilungen können dabei sowohl in ihrer Form, das heißt in ihrer (relativen) Wellenlängenverteilung, als auch in ihrer Intensität konstant vorgegeben sein. Das hat den Vorteil einer besonders einfachen Steuerung der Beleuchtungseinrichtung beziehungsweise der der Beleuchtungseinrichtung zugeordneten Lichtquellen, was einen besonders schonenden und damit langlebigen Betrieb ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung, insbesondere sämtliche Lichtquellen zum Beleuchten des Objektes, relativ zur Bilderfassungseinrichtung in einer statisch vorgegebenen räumlichen Relation angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass Lichtquellen und Bilderfassungseinrichtungen nicht bewegt werden müssen beziehungsweise nicht bewegt werden können, so dass einerseits ein einfacher Aufbau der Spektroskopievorrichtung erreicht wird mit wenigen beweglichen Teilen, andererseits auch ein Justieren der Beleuchtungseinrichtung zur Bilderfassungseinrichtung einfach durchzuführen ist und aufgrund dem vorgesehenen Mangel an Beweglichkeit relativ zueinander zeitlich konstant bleibt, was die Genauigkeit der Spektroskopievorrichtung verbessert.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die vorgegebenen spektralen Verteilungen des Lichts in einem Infrarotbereich und/oder in einem sichtbaren Bereich und/oder in einem Ultraviolettbereich liegen. Der Infrarotbereich kann dabei von 2200 nm bis 640 nm reichen, der sichtbare Bereich von 640 nm bis 380 nm und der Ultraviolettbereich von 380 nm bis 190 nm. Diese spektralen Verteilungen sind besonders vorteilhaft für das Klassifizieren von Objekten, insbesondere Schüttgut-Objekten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Bandfördereinrichtung, vorgesehen, welche ausgebildet ist, das oder die Objekte automatisch mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit von dem einen Ort zu dem einen oder mehreren weiteren Orten zu befördern. Dabei kann insbesondere eine konstante Geschwindigkeit für das Befördern vorgesehen sein.
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Das hat den Vorteil, dass der gesamte Prozess automatisch ablaufen kann, insbesondere mit einem Minimum an beweglichen Teilen: Gerade bei Schüttgut-Objekten beziehungsweise dem Klassifizieren von Schüttgut-Objekten ist nämlich eine entsprechende Fördereinrichtung, typischerweise ein Fließband als Bandfördereinrichtung, bereits sowieso vorhanden, so dass durch die beschriebene Spektroskopievorrichtung keine weiteren beweglichen Teile in das System eingeführt werden. Damit ist die beschriebene Spektroskopievorrichtung besonders verlässlich und flexibel in vielen Anwendungsfällen einsetzbar.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, Bildinformationen des zumindest einen Bildes, welche jeweils das an den verschiedenen Orten erfasste Bild repräsentieren, und/oder jeweilige Einzel-Auswerteergebnisse, welche jeweils aus einer der den verschiedenen Orten zugeordneten Bildinformationen abgeleitet sind, miteinander zu assoziieren. Dieses Assoziieren kann insbesondere in Abhängigkeit der für die Fördereinrichtung vorgegebenen Geschwindigkeit erfolgen, um sicherzustellen dass nicht Bildinformationen oder Auswerteergebnisse unterschiedlicher Objekte miteinander assoziiert werden. Eine alternative Möglichkeit des Assoziierens wäre beispielsweise eine entsprechende Objekterkennung in der jeweiligen Bildinformation, das heißt in unterschiedlichen Bildabschnitten des gleichen Bildes, welche den unterschiedlichen Orten entsprechen, oder in unterschiedlichen Bildern, welche den unterschiedlichen Orten entsprechen. Das hat den Vorteil, dass das Auswerten in seiner Verlässlichkeit und Genauigkeit verbessert wird.
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Ein anderer Aspekt betrifft ein Spektroskopieverfahren zum Klassifizieren von zumindest einem Objekt, insbesondere zum Klassifizieren von Schüttgut-Objekten, mit den Verfahrensschritten des Beleuchtens, des optischen Erfassens und des Auswertens. Das Beleuchten betrifft dabei das zumindest eine Objekt an einem Ort mit einem Licht einer vorgegebenen spektralen Verteilung und an zumindest einem weiteren Ort, welcher von dem einen Ort verschieden ist, mit einem dem Ort zugeordneten weiteren Licht einer dem entsprechenden Ort zugeordneten weiteren vorgegebenen spektralen Verteilung, welche von der einen vorgegebenen spektralen Verteilung des einen Lichts verschieden ist. Das optische Erfassen betrifft dabei ein Bild des beleuchteten zumindest einen Objektes an den verschiedenen Orten, und das Auswerten das erfasste zumindest eine Bild für das Klassifizieren des zumindest einen Objektes.
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Es kann somit eine Beleuchtung mit einer örtlich festen und bekannten spektralen Bestrahlungsstärke eingesetzt werden, um die zu klassifizierenden Objekte in verschiedenen, von den Objekten durchlaufenen Bereichen zu beleuchten und dabei zu erfassen.
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Vorteilhafte und vorteilhafte Ausführungsformen des Spektroskopieverfahrens entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Spektroskopievorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung, auch im einleitenden Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Anhand der in der nachfolgenden Figur gezeigten schematischen Zeichnung soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
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Dabei zeigt 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Spektroskopievorrichtung. Die Spektroskopievorrichtung 1 in 1 weist dabei eine Beleuchtungseinrichtung 2 zum Beleuchten zumindest eines Objektes 3 auf. Im gezeigten Beispiel weist die Beleuchtungseinrichtung 2 mehrere, vorliegend zwei, Lichtquellen 2a, 2b auf, welche jeweils ein Licht 4a, 4b unterschiedlicher vorgegebener spektralen Verteilungen erzeugt. Mit diesen Lichtern 4a, 4b wird das Objekt bei Betrieb der Spektroskopievorrichtung 1 an unterschiedlichen Orten 5a, 5b beleuchtet.
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Die Spektroskopievorrichtung 1 weist auch eine Bilderfassungseinrichtung 6 auf, welche zum Erfassen zumindest eines Bildes des von der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten zumindest einen Objektes 3 ausgebildet ist. Vorliegend weist die Bilderfassungseinrichtung 6 dafür einen Erfassungsbereich 7 auf, welcher die beiden Orte 5a, 5b einschließt. Entsprechend kann bei Betrieb der Spektroskopievorrichtung zu einem ersten Zeitpunkt, bei welchem sich das Objekt 3 am ersten Ort 5a aufhält, ein erstes Bild des Objektes 3 erfasst werden, und zu einem zweiten Zeitpunkt, bei welchem sich das Objekt 3 am zweiten Ort 5b befindet, ein zweites Bild. Als Folge kann eine Auswerteeinrichtung die von der Bilderfassungseinrichtung 6 erfassten jeweiligen Bilder für das Klassifizieren des zumindest einen Objektes 3 auswerten. Dabei kann die Auswerteeinrichtung 8 beispielsweise ausgebildet sein, Bildinformationen des Bildes des Objekts zum ersten Zeitpunkt und Bildinformationen des Bildes des Objekts zum zweiten Zeitpunkt, also Bildinformationen, welche jeweils das an den verschiedenen Orten erfasste Objekt repräsentieren, miteinander zu assoziieren, und/oder jeweilige Einzel-Auswerteergebnisse, welche aus erstem und zweitem Bild getrennt voneinander abgeleitet wurden, miteinander zu assoziieren. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise auf eine Fördergeschwindigkeit s einer zugeordneten Fördereinrichtung 9, vorliegend einer Bandfördereinrichtung, zurückgreifen. Die Fördereinrichtung 9 ist dabei ausgebildet, das Objekt 3 automatisch mit der vorgegebenen Fördergeschwindigkeit s von dem ersten Ort 5a zu dem zweiten Ort 5b und gegebenenfalls weiteren Orten zu befördern. Bevorzugt wird die Geschwindigkeit dabei konstant gehalten, was die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht.
