EP2085154B1 - Verfahren, Beleuchtungseinheit und Vorrichtung zum spektralbasierten Sortieren - Google Patents

Verfahren, Beleuchtungseinheit und Vorrichtung zum spektralbasierten Sortieren Download PDF

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EP2085154B1
EP2085154B1 EP20090450021 EP09450021A EP2085154B1 EP 2085154 B1 EP2085154 B1 EP 2085154B1 EP 20090450021 EP20090450021 EP 20090450021 EP 09450021 A EP09450021 A EP 09450021A EP 2085154 B1 EP2085154 B1 EP 2085154B1
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EP
European Patent Office
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illumination
sensor
illumination unit
wavelengths
range
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EP2085154A3 (de
EP2085154A2 (de
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Axel Kulcke
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/3416—Sorting according to other particular properties according to radiation transmissivity, e.g. for light, x-rays, particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour
    • B07C5/3425—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour of granular material, e.g. ore particles, grain

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the processing and sorting of bulk solids with color cameras is a common method.
  • a common embodiment is in AT410847 described.
  • EP 0734789A3 describes this technology.
  • Different camera technologies are used, in particular sequential RGB (red-green-blue) color filter line scan cameras, trilinear RGB color filter line scan cameras or even 3 chip cameras.
  • the local and temporal resolution of the systems today is at least 1000 local points and 1 kHz line rate per sensor system.
  • the EP 0 727 260 A discloses a method for sorting grains using two light sources.
  • the WO 2007/110672 A1 relates to a study of glass, wherein a bright field recording and a dark field recording are made using light sources with different wavelengths for the two recordings.
  • the object of the invention is therefore to provide a method of the type mentioned above, with which the mentioned disadvantages can be avoided, with which a reliable sorting with a low rejection can be ensured by a sorting and which can be carried out easily and inexpensively.
  • the invention further relates to a lighting unit with which the method according to the invention can be carried out particularly simply and to an apparatus for carrying out the method.
  • Fig. 1 schematically a device for the spectral-based sorting of transparent and semi-transparent bulk materials 9 is shown with one with a lighting unit 2 and a sensor 1, wherein the sensor 1 is designed to receive transmission signals.
  • the illumination unit 2 is designed for illumination with predeterminable wavelengths ⁇ , wherein illumination with these wavelengths ⁇ is temporally or locally discretely feasible.
  • the sensor 1 may be a monochrome sensor, which may be designed in particular as a camera. In particular surface cameras or line scan cameras appear advantageous.
  • the spatial and temporal resolution of the sensor 1 can be at least 1000 local points and at least 1 kHz line rate, with ever higher line rates are possible.
  • the line rate may be in the range of 4 to 20 kHz.
  • An evaluation device is connected on the input side to the sensor 1 and on the output side to a sorting device, wherein the sorting device - viewed in the direction of the material flow - is subsequently arranged on the sensor 1.
  • the bulk materials 9 are moved through in a material flow between the illumination unit 2 and the sensor 1, with the illumination unit 2, the illumination with predetermined wavelengths ⁇ temporally or locally discretely performed, recorded with the sensor 1 transmission signals , the transmission signals evaluated and sorted the bulk materials 9 according to the evaluation.
  • An advantageous embodiment of the method relates to the sorting of waste glass.
  • At least one wavelength ⁇ of the illumination in the UV range, at least one wavelength 1 in the VIS range and at least one wavelength ⁇ in the NIR range is specified.
  • foreign substances can be reliably separated out in the case of the bulk goods 9.
  • One possible application may be the sorting of plastics. The advantages listed below - with the exception of a complete color sorting - can be achieved in an analogous manner.
  • RGB cameras have no distinction between yellow and brown objects, since their spectral resolution in the spectral range is limited to two side channels, namely green and red.
  • wavelengths ⁇ are specified in the VIS range, whereby the determination of the colors is further improved can be and especially for common colors a particularly good visibility can be ensured.
  • Transmission curves ⁇ are shown with respect to the wavelength ⁇ .
  • additional wavelengths ⁇ can enable a distinction between yellow and deciduous sherds.
  • Fig. 2 the transmission curves ⁇ of two different materials are shown as continuous curves over the wavelength ⁇ . Furthermore, six vertical bars are shown, which represent possible predefinable wavelengths ⁇ . Due to the values at these predetermined wavelengths ⁇ , the two illustrated materials can be distinguished easily and reliably.
  • a UV wavelength ⁇ of 370 nm, visible wavelengths ⁇ of 460 nm, 530 nm and 630 nm and an NIR wavelength ⁇ of 940 nm are used.
  • the wavelengths ⁇ are selected from the sensitivity range of camera sensors based on CMOS or CCD, whereby they are typically limited to the range from 300 nm to 1200 nm, in particular from 350 nm to 1050 nm.
  • the spectral ranges assigned to the predeterminable wavelengths ⁇ can be spatially or temporally separated.
  • High-power LEDs that is to say LEDs greater than or approximately equal to 1 mm 2 , which are available in the spectral range from 300 nm to 1200 nm in a central wavelength graduation of approximately 20 nm, can preferably be used as the luminous means 3.
  • sensor 1 offers surface-scan camera sensors.
  • line sensor only the temporal separation appears appropriate, the monochrome lines are recorded sequentially and the monochrome signals can be superimposed line by line by interpolation.
  • CMOS-based sensors 1 are advantageous, since the read-out areas are adjustable here and the entire sensor does not have to be read out. With today's technology, for example, a CMOS sensor with 2200x 3000 pixels can be used.
  • the spectral illumination areas in the sorting system can be separated in the direction of material travel and the reception areas on the sensor 1 can be limited to these. Subsequently, a time overlay of the partial images can be made.
  • the more advantageous embodiment appears to be the temporal separation of the signals.
  • LED lighting can be flashed very fast, with individual flashes of light only taking a few microseconds.
  • sub-images of the traversing objects at different wavelengths ⁇ can be sequentially recorded at the same location. Since the exact times of the flashes of light are known, these spectral fields can be composed in time.
  • a lighting unit 2 For the construction of an advantageous embodiment of a lighting unit 2, the use of UV (370 nm or 405 nm), red (typically 630 nm), green (typically 530 nm) and blue (typically 460 nm) and NIR (typically 840 or 940 nm) LED Dies (typical AlGaInP and InGaN technology) proposed without color conversion layer.
  • An advantageous arrangement is in FIG. 4 shown.
  • the five LEDs are preferably integrated very closely together in an LED module 31.
  • chip on board technology can be applied to standard, metal core or ceramic circuit boards to further increase luminance.
  • the LED lighting units can be used single-row or multi-row lighting amplification.
  • the shards have sharp break edges in all orientations and often have no plane-parallel surfaces in the object, but lenticular ones. Furthermore, the pigments are incorporated in the volume and the surfaces are often filled with labels or soiling.
  • the lighting is designed as partial dark field lighting.
  • a partial dark field illumination is an illumination that includes both dark field illumination and bright field illumination.
  • the described arrangement which has a high proportion of indirect lighting (dark field), by the front terminating diffuser 5 but also a smaller proportion of bright field illumination.
  • the dark field illumination is realized in that the illumination units 2 are outside the viewing window 11 of the sensor 1 and the sensor 1 looks directly at a dark strip 4 in the illumination unit 2.
  • the light of the LEDs is homogenized by means of specular or diffusely highly reflecting walls 6, for example anodized aluminum sheets, and conducted to the exit plane of the lighting unit 2.
  • the diffuser 5 is mounted, which generates the bright field component of the lighting unit 2. This diffuser 5 is necessary in practice, since the area in which the objects move is very dirty and therefore an additional variable diffuse proportion is to be expected from the soils in each type of lighting.
  • the sensor 1 Due to the scattering on the diffuser 5, the sensor 1 receives a constant amount of light. Thus, the sensor 1 can also be adjusted for a long time to the light and the color.
  • the diffuser 5 can be covered with a cover 7, which is transparent over the entire spectral range, for protecting the lighting unit 2.
  • a passive cooling 9 can be realized via heat-conducting mounting materials.
  • the viewing window 11 of the sensor 1 can be aligned with a viewing area 4 of the lighting unit 2, wherein all the lighting elements 3 of the lighting unit 2 are arranged outside the viewing area 4 and wherein the bright field component of the partial dark field illumination is effected by a passive light-diffusing element 5 on the side facing the sensor 1 side of the illumination unit 2.
  • a particularly advantageous embodiment of the lighting unit 2 comprises a plurality of lighting elements 3, the viewing area 4 for interacting with the viewing window 11 of the sensor 1, wherein all lighting elements 3 are arranged outside the field of view 4, and the passive light-diffusing element 5 for forming the bright field component of Operadunkelfeldbeleuchtung.
  • the sensor 1 does not see the lighting elements 3 directly in the beam path, but a direct illumination arises only through the passive diffuser 5.
  • the light-diffusing element 5 may be formed of glass or plastic.
  • the light-diffusing element 5 is preferably surface-or volume-frosted and has only low absorption losses.
  • the space between the light-emitting elements 3 and the light-diffusing element 5 may be bounded by lateral boundaries 6, wherein the lateral boundaries 6 are formed mirror-like or diffuse highly reflective, whereby a good homogenization of the dark field illumination can be achieved. Furthermore, it can be ensured that a high proportion of the light energy reaches the sensor 1, whereby the required power of the lighting unit 2 kept as low as possible and a high efficiency can be achieved.
  • LEDs can be used, whereby a high luminance can be provided.
  • An LED based lighting system will be installed in AT004889U1 described.
  • An embodiment for increasing the light intensity is in the DE202004019684U1 described.
  • Systems with LEDs can work with standard LEDs, with the standard being the 0.3 mm die technology, beam-focusing optics and, above all, the white light generation with blue LED die and combined yellow fluorescent dye (white light LEDs).
  • the luminance can be increased by using high power LEDs (1mm LED die or larger). Due to the color conversion, this type of lighting requires General but active cooling, which is accomplished for example with water cooling.
  • monochrome light flashes are generated with the illumination unit 2, wherein sequentially light flashes are generated in all predeterminable wavelengths ⁇ .
  • a predetermined sequence of the predefinable wavelengths can be repeated in an endless loop during the implementation of the method.
  • Labels are thus illuminated indirectly. Fracture edges and lenticular shapes have a significantly increased signal intensity due to the indirect "partial dark field illumination". Therefore, paper is different from non-transparent materials (ceramics and stones). Thin porcelain, which may be somewhat white in volume and semitransparent, falls into its own color intensity range. In connection with an object evaluation, a distinction can be made in this way. Straight labels on colored glass are recognizable by the combination of white paper with the volume color pigments. Thick, dark shards of color result in very intense color signals due to the high proportion of dark field illumination.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Die Aufbereitung und Sortierung von Schüttgütern mit Farbkameras (hauptsächlich Farbzeilenkameras) ist eine gängige Methode. Eine übliche Ausführungsvariante wird in AT410847 beschrieben. Auch EP 0734789A3 beschreibt diese Technologie. Dabei werden unterschiedliche Kameratechnologien eingesetzt, insbesondere sequenzielle RGB(rot-grünblau) Farbfilter-Zeilenkameras, Trilineare RGB Farbfilter-Zeilenkameras oder auch 3 Chip Kameras, Die örtliche und zeitliche Auflösung der Systeme liegt heute mindestens bei 1000 Ortspunkten und 1kHz Zeilenrate pro Sensorsystem.
  • Diese Kameratechnologien werden auch im Recyclingbereich eingesetzt. Bei der Durchlicht Sortierung werden überwiegend Glas und transparente Kunststoffprodukte aufgearbeitet Weiterhin werden Geräte mit einzelnen optischen Anregern und Sensoren im NIR Bereich für die Sortierung von nicht transparenten Störstoffen wie Keramik, Steine und Porzellan (KSP) eingesetzt. Diese weisen in der Praxis eine gute Erkennung auf, ermöglichen aber keine Farbsortierung und haben eine niedrige Ortsauflösung.
  • Bei der Farbkameratechnologie sind gerade Etiketten ein großes Hindernis, so dass sogar aufwendige mechanische Methoden, wie unter AT503036B1 beschrieben, oder nasschemische Methoden zur Entfernung eingesetzt werden. Weiterhin weisen bisherige Systeme bei dunklem und dickem Farbglas (gewölbte Objekte mit vielen Bruchkanten) eine so niedrige Transmission auf, das Sie zu nichttransparenten Störstoffed sortiert werden, welches einen hohen Materialausschuss erzeugt Durch diese Probleme weisen heutige Systeme eine hohe Übersortierung und somit wirtschaftlich ungenügende Sortiereigenschaften auf Eine Kombination mit NIR basierten Geräten ist schlecht möglich, da dann das Glas entweder nicht nach der Farbe sortiert werden kann oder im Verarbeituflgsprozess unerwünschte Kreisläufe entstehen.
  • Aus der US 6 137 074 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sortieren von Glas bekannt, wobei Transmissionen im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich detektiert werden.
  • Die EP 0 727 260 A offenbart ein Verfahrens zum Sortieren von Körnern, wobei zwei Lichtquellen eingesetzt werden.
  • Die WO 2007/110672 A1 betrifft eine Untersuchung von Glas, wobei eine Hellfeldaufnahme und eine Dunkelfeldaufnahme gemacht werden, wobei für die beiden Aufnahmen Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, mit welchem eine zuverlässige Sortierung mit einem geringen Ausschuss durch eine Übersortierung sichergestellt werden kann und welches einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann.
  • Erfingdungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
  • Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass transparente Stoffe trotz einer Behaftung mit Etiketten erkannt und sortiert werden können. Weiters kann auch dunkles und dickes Farbglas zuverlässig erkannt werden. Dabei können auch gewölbte Objekte mit vielen Bruchkanten, welche eine hohe Streuung des einfallenden Lichts bewirken, zuverlässig erkannt werden.
  • Durch die bessere Identifikation der Stückgüter kann auch eine bessere anschließende Sortierung erreicht werden.
  • Die Erfindung betrifft weiters eine Beleuchtungseinheit, mit der das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach durchgeführt werden kann und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Unteransprüche, welche ebenso wie die unabhängigen Patentansprüche gleichzeitig einen Teil der Beschreibung bilden, betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum spektralbasierten Sortieren;
    • Fig. 2 Transmissionskurven gegenüber der Wellenlänge;
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bei Verwendung eines monochromen Sensors; und
    • Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer vorteilhaften Ausführung einer Beleuchtungseinheit.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum spektralbasierten Sortieren transparenter und semitransparenter Schüttgüter 9 mit einer mit einer Beleuchtungseinheit 2 und einem Sensor 1 dargestellt, wobei der Sensor 1 zur Aufnahme von Transmissionssignalen ausgebildet ist. Die Beleuchtungseinheit 2 ist für eine Beleuchtung mit vorgebbaren Wellenlängen λ ausgebildet, wobei eine Beleuchtung mit diesen Wellenlängen λ zeitlich oder örtlich diskret durchführbar ist.
  • Der Sensor 1 kann ein monochromer Sensor sein, welcher insbesondere als Kamera ausgebildet sein kann. Hierbei erscheinen insbesondere Flächenkameras oder Zeilenkameras vorteilhaft. Die örtliche und zeitliche Auflösung des Sensors 1 kann bei mindestens 1000 Ortspunkten und mindestens 1kHz Zeilenrate liegen, wobei immer höhere Zeilenraten möglich sind. Beispielsweise kann die Zeilenrate im Bereich von 4 bis 20 kHz liegen. Mit einem monochromen Sensor 1 kann eine einfache und zuverlässige Ausgestaltung des Sensors 1 bereitgestellt werden.
  • In dem Raum zwischen der Beleuchtungseinheit 2 und dem Sensor 1 ist vorgesehen, dass der Materialstrom durchgeführt wird.
  • Eine Auswerteeinrichtung ist eingangsseitig mit dem Sensor 1 und ausgangsseitig mit einer Sortiereinrichtung verbunden, wobei die Sortiereinrichtung - in Richtung des Materialstromes gesehen - nachfolgend an den Sensor 1 angeordnet ist.
  • Bei dem Verfahren zum spektralbasierten Sortieren transparenter und semitransparenter Schüttgüter 9 werden die Schüttgüter 9 in einem Materialstrom zwischen der Beleuchtungseinheit 2 und dem Sensor 1 hindurchbewegt, mit der Beleuchtungseinheit 2 die Beleuchtung mit vorgebbaren Wellenlängen λ zeitlich oder örtlich diskret durchgeführt, mit dem Sensor 1 Transmissionssignale aufgenommen, die Transmissionssignale ausgewertet und die Schüttgüter 9 gemäß der Auswertung sortiert.
  • Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens betrifft die Sortierung von Altglas.
  • Die spektralen Eigenschaften von allen in der Praxis relevanten Materialien sind heute bekannt. Daher kann durch eine präzise Spektralmessung eine sehr zuverlässige Materialzuordnung getroffen werden. In der Praxis wird dieses zur Erreichung der notwendigen Sortierauflösung sinnvoll eingeschränkt werden. Daher erscheint für eine Auswertung und Sortierung zum einen wichtig, dass nicht nur die Gesamttransmission des Materials bekannt ist, sondern vor allem die Absorptionsverhältnisse bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Weiterhin soll die Transmission immer noch so hoch sein, das eine technische Auswertung möglich ist. Dieses ist in vielen Spektralbereichen bei unterschiedlichen Materialstärken und Pigmentkonzentrationen allerdings nicht oder nur ungenügend gegeben. Somit erscheint es zweckmäßig, Spektralbereiche zu integrieren, bei denen eine hohe Transmission gegeben ist und auch Bereiche zur Beurteilung heranzuziehen, wo geringe oder keine Transmission gegeben ist.
  • Bei der Beleuchtung mit der Beleuchtungseinheit 2 erscheint es vorteilhaft, wenn zumindest eine Wellenlänge λ der Beleuchtung im UV-Bereich, zumindest eine Wellenlänge 1 im VIS-Bereich und zumindest eine Wellenlänge λ im NIR-Bereich vorgegeben wird. Dabei können bei den Schüttgütern 9 zuverlässig Fremdstoffe ausgesondert werden. Bei einer geeigneten Wahl der Wellenlängen λ kann auch eine Unterscheidung in zwei oder mehr Materialen und gegebenenfalls Fremdstoffe möglich sein. Eine mögliche Anwendung kann die Sortierung von Kunststoffen sein. Dabei können die unten angeführten Vorteile - mit Ausnahme einer vollständigen Farbsortierung - in analoger Weise erzielt werden.
  • Werden wenigstens drei Wellenlängen λ im VIS-Bereich vorgegeben, so kann einfach die Farbe der Schüttgüter 9 im sichtbaren Bereich ermittelt werden. Dies erscheint insbesondere bei der Sortierung von Altglas geeignet. Dabei kann ein hochauflösendes spektralbasiertes Sortierverfahren (semi)transparenter Schüttgüter 9 bereitgestellt werde, bei dem mindestens fünf Wellenlängenbereiche im UV-VIS-NIR zur Farb- und Materialcharakterisierung ausgewertet werden. Diese Auswertung kann mittels des Sensors 1, beispielsweise einer Monochromkamera, welche eine Flächen- oder eine Zeilenkamera sein kann, und örtlich oder vorteilhafter zeitlich gepulsten monochromen Lichtquellen, integriert in der Beleuchtungseinheit 2, erfolgen. Dabei können mit dem Sensor 1 mindestens fünf spektrale Bereiche abgetastet und nach Farb- und Materialkriterien ausgewertet werden. Die Wellenlängen λ liegen hierbei im sichtbaren Bereich (VIS) für die Farbauswertung und im ultravioletten (UV) und nahinfraroten (NIR) Bereich zur Materialauswertung anhand der Transmissionseigenschaften der Sortierproben.
  • Die spektralen Eigenschaften im UV-VIS- NIR Bereich von allen in der Praxis relevanten Materialien sind heute bekannt. Daher kann durch eine präzise Spektralmessung eine sehr zuverlässige Materialzuordnung getroffen werden. Insbesondere bei den Wellenlängen λ im NIR Bereich kann ausgenützt werden, dass die Farbpigmente von transparenten Proben einen geringeren Einfluss haben und die Transmission von Papier, welcher ein häufiger Störstoff bei der Sortierung von Altglas ist, erhöht ist.
  • Übliche RGB Kameras weisen keine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen gelben und laubbraunen Objekten auf, da ihre spektrale Auflösung in dem Spektralbereich auf zwei Seitenkanäle beschränkt ist, nämlich grün und rot.
  • Dunkle grüne Scherben weisen im blauen und roten Spektralbereich keine Transmission auf und im grünen eine so niedrige, das sie technisch häufig einem nichttransparenten Störstoff zugeordnet werden müssen. Im UV und NIR Bereich weisen Sie aber eine hohe Transparenz auf, sodass sie von Keramik und Steinen unterscheidbar sind. Bei Papieretiketten nimmt die Transmission im NIR Bereich ebenfalls zu, so dass auch etikettenbehaftete Scherben leichter als diese erkannt werden können. Zusätzlich weisen die Pigmente von dunklen Farbglasscherben im NIR Bereich eine höhere Transmission auf, so dass auch hier eine einfache Beurteilung möglich ist. Störstoffe wie KSP und Metalle weisen aber in dem gesamten Spektralbereich keine Transmission auf. Daher kann insbesondere durch die Verwendung von Wellenlängen λ im UV, im VIS und im NIR-Bereich eine zuverlässige Zuordnung der Schüttgüter 9 erfolgen und eine effiziente Sortierung erzielt werden.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass mehr als drei Wellenlängen λ im VIS-Bereich vorgegeben werden, wodurch die Bestimmung der Farben weiter verbessert werden kann und insbesondere für häufig vorkommende Farben eine besonders gute Erkennbarkeit sichergestellt werden kann.
  • In Figur 2 sind Transmissionskurven τ gegenüber der Wellenlänge λ dargestellt. Für eine Erkennung der Materialeigenschaften der Objekte ist es vorteilhaft mindestens eine Wellenlänge λ im UV, drei Wellenlängen λ im sichtbaren Bereich für die Farbauswertung und mindestens eine im NIR Bereich aufzunehmen und auszuwerten. Eine weitere Unterscheidung ist durch zusätzliche Wellenlängen λ möglich. So kann eine zusätzliche Wellenlänge λ zwischen Grün und Rot eine Unterscheidung zwischen gelben und laubbraunen Scherben ermöglichen.
  • In Fig. 2 sind die Transmissionskurven τ zweier unterschiedlicher Materialien als kontinuierliche Kurven über der Wellenlänge λ dargestellt. Weiters sind sechs vertikale Balken dargestellt, welche mögliche vorgebbare Wellenlängen λ darstellen. Aufgrund der Werte bei diesen vorgegebenen Wellenlängen λ lassen sich die beiden dargestellten Materialien einfach und zuverlässig unterscheiden.
  • Bei bestimmten Materialien, zum Beispiel bestimmten Kunststoffen, ist es sinnvoll, mehr Wellenlängen λ im UV oder NIR Bereich einzusetzen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel des Sortierverfahren wird eine UV Wellenlänge λ von 370 nm, sichtbare Wellenlängen λ von 460nm, 530nm und 630nm und eine NIR Wellenlänge λ von 940nm verwendet.
  • Vorteilhaft erscheint, wenn die Wellenlängen λ aus dem Empfindlichkeitsbereich von Kamerasensoren auf CMOS oder CCD Basis ausgewählt werden, wodurch sie typisch auf den Bereich von 300nm bis 1200nm, insbesondere von 350nm bis 1050nm, begrenzt sind.
  • Bei der Beleuchtungseinheit 2 können die den vorgebbaren Wellenlängen λ zugeordneten Spektralbereiche örtlich oder zeitlich separiert werden. Als Leuchtmittel 3 können vorzugsweise Hochleistungs-LED's, also LED Die größer oder ungefähr gleich 1mm2, eingesetzt werden, welche im Spektralbereich von 300 nm bis 1200nm in einer Zentralwellenlängenabstufung von ca. 20 nm verfügbar sind.
  • Bei Verwendung eines Sensor 1, der monochrom ist, erscheint es zweckmäßig die den vorgebbaren Wellenlängen λ zugeordneten Aufnahmen örtlich oder zeitlich zu trennen. Dieses ist in Figur 3 schematisch dargestellt, wobei unterschiedliche Wellenlängen λ durch unterschiedliche Graustufen symbolisiert sind. Die Balken können sowohl als örtliche als auch als zeitliche Abfolge angesehen werden, wodurch die örtliche bzw. die zeitliche Trennung symbolhaft dargestellt ist.
  • Bei beiden Möglichkeiten bieten sich als Sensor 1 Flächenkamerasensoren an. Bei dem Einsatz eines Zeilensensors erscheint nur die zeitliche Trennung zweckmäßig, wobei die monochromen Zeilen sequenziell aufgenommen werden und durch Interpolation die monochromen Signale zeilenmäßig überlagert werden können.
  • Bei den Flächenkameras sind CMOS basierte Sensoren 1 vorteilhaft, da die Auslesebereiche hier einstellbar sind und nicht der gesamte Sensor ausgelesen werden muss. Bei heutigem technischen Stand kann zum Beispiel ein CMOS-Sensor mit 2200x 3000 Pixeln eingesetzt werden.
  • Bei einer örtlichen Trennung können die spektralen Beleuchtungsbereiche im Sortiersystem in Materiallaufrichtung getrennt werden und die Aufnahmebereiche auf dem Sensor 1 zu diesen eingeschränkt werden. Anschließend kann eine zeitliche Überlagerung der Teilbilder vorgenommen werden.
  • Die vorteilhaftere Ausführung erscheint die zeitliche Trennung der Signale zu sein. LED Beleuchtungen können sehr schnell geblitzt werden, wobei einzelne Lichtblitze lediglich wenige Mikrosekunden dauern können. Somit können sequenziell Teilbilder der durchlaufenden Objekte bei unterschiedlichen Wellenlängen λ an der selben Stelle aufgenommen werden. Da die genauen Zeitpunkte der Lichtblitze bekannt ist, können diese spektralen Teilbilder zeitlich zusammengesetzt werden.
  • Für den Aufbau einer vorteilhaften Ausführung einer Beleuchtungseinheit 2 wird der Einsatz von UV (370 nm oder 405nm), roten (typ. 630nm), grünen (typ. 530nm) und blauen (typ. 460nm) und NIR (typ. 840 oder 940nm) LED-Dies (typisch AlGaInP und InGaN Technologie) ohne Farbkonversionsschicht vorgeschlagen. Eine vorteilhafte Anordnung ist in Figur 4 dargestellt. Dabei sind vorzugsweise die fünf LED Dies sehr dicht gemeinsam in einem LED Modul 31 integriert. Alternativ kann zur weiteren Erhöhung der Leuchtdichte die Chip on Board - Technologie auf Standard-, Metallkern- oder Keramikleiterplatten angewendet werden. Die LED Beleuchtungseinheiten können einreihig oder mehrreihig zur Beleuchtungsverstärkung eingesetzt werden.
  • Eine Anordnung der LEDs in den Seitenwänden 6 und Verspiegelung der übrigen Flächen ist möglich.
  • Für die Glassortierung sind heute direkte Beleuchtungssysteme üblich, welche eine Hellfeldbeleuchtung darstellen. Dabei ist der Anteil zwischen direkter und diffuser Beleuchtung unterschiedlich. Bei der Anwendung im Glassortierbereich werden gebrochene und geformte Objekte bewertet, welche durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet sind:
  • Die Scherben weisen zum einen scharfe Bruchkanten in allen Ausrichtungen auf und haben im Objekt häufig keine planparallelen Oberflächen, sondern linsenförmige. Weiterhin sind die Pigmente im Volumen eingebracht und die Oberflächen häufig mit Etiketten oder Verschmutzungen besetzt.
  • In einer Hellfeld Beleuchtung, gerade mit hohem direkten Anteil, erzeugen diese beschriebenen Eigenschaften große Probleme in der Bewertung der Objekte. Eine reine Dunkelfeldbeleuchtung ist technisch auch nicht vorteilhaft, da hier ein kontinuierlicher Abgleich der Kamera nicht möglich ist.
  • Die Beleuchtung ist als Teildunkelfeldbeleuchtung ausgebildet. Eine Teildunkelfeldbeleuchtung ist eine Beleuchtung, welche sowohl eine Dunkelfeldbeleuchtung als auch eine Hellfeldbeleuchtung umfasst.
  • Daher wird die beschriebene Anordnung vorgeschlagen, welche einen hohen Anteil an indirekter Beleuchtung (Dunkelfeld) hat, durch den vorderen abschließenden Diffusor 5 aber auch einen geringeren Anteil einer Hellfeldbeleuchtung. Die Dunkelfeldbeleuchtung wird dadurch realisiert, dass die Beleuchtungseinheiten 2 außerhalb des Sichtfensters 11 des Sensors 1 liegen und der Sensor 1 direkt auf einen dunklen Streifen 4 in der Beleuchtungseinheit 2 sieht. Das Licht der LED's wird über spiegelnd oder diffus hochreflektierende Wände 6, beispielsweise anodisierte Aluminiumbleche, homogenisiert und bis zur Austrittsebene der Beleuchtungseinheit 2 geleitet. Dort ist der Diffusor 5 angebracht, der den Hellfeldanteil der Beleuchtungseinheit 2 erzeugt. Dieser Diffusor 5 ist in der Praxis notwendig, da der Bereich, in welchem sich die Objekte bewegen, stark verschmutz ist und somit bei jeder Beleuchtungsart ein zusätzlicher variabler diffuser Anteil durch die Verschmutzungen zu erwarten ist.
  • Durch die Streuung am Diffusor 5 erhält der Sensor 1 einen konstanten Anteil an Licht. Somit kann der Sensor 1 auch langzeitig auf das Licht und die Farbe abgeglichen werden. Der Diffusor 5 kann mit einer über den gesamten Spektralbereich transparenten Abdeckung 7 zum Schutz der Beleuchtungseinheit 2 abgedeckt.
  • Durch die kompakte Ausführung der Beleuchtungseinheit 2 und den effizienten Einsatz der Leuchtelemente 3 lässt sich eine passive Kühlung 9 über wärmeleitende Halterungsmaterialien realisieren.
  • Das Sichtfenster 11 des Sensors 1 kann auf einen Sichtbereich 4 der Beleuchtungseinheit 2 ausgerichtet sein, wobei sämtliche Leuchtelemente 3 der Beleuchtungseinheit 2 außerhalb des Sichtbereiches 4 angeordnet sind und wobei der Hellfeldanteil der Teildunkelfeldbeleuchtung durch ein passives lichtdiffusierendes Element 5 an der dem Sensor 1 zugewandten Seite der Beleuchtungseinheit 2 bewirkt wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Beleuchtungseinheit 2 umfasst mehrere Leuchtelemente 3, den Sichtbereich 4 zum Zusammenwirken mit dem Sichtfenster 11 des Sensors 1, wobei sämtliche Leuchtelemente 3 außerhalb des Sichtbereiches 4 angeordnet sind, und das passive lichtdiffusierende Element 5 zur Ausbildung des Hellfeldanteils der Teildunkelfeldbeleuchtung. Dabei sieht der Sensor 1 die Leuchtelemente 3 nicht direkt im Strahlengang, sondern eine direkte Beleuchtung entsteht nur durch den passiven Diffusor 5.
  • Das lichtdiffusierende Element 5 kann aus Glas oder Kunststoff ausgebildet sein. Dabei ist das lichtdiffusierende Element 5 vorzugsweise oberflächen- oder volumensatiniert und weist lediglich geringe Absorptionsverluste auf.
  • Der Raum zwischen den Leuchtelementen 3 und dem lichtdiffusierenden Element 5 kann von seitlichen Begrenzungen 6 begrenzt sein, wobei die seitlichen Begrenzungen 6 spiegelnd oder diffus hochreflektierend ausgebildet sind, wodurch eine gute Homogenisierung der Dunkelfeldbeleuchtung erreicht werden kann. Weiters kann sichergestellt werden, dass ein hoher Anteil der Lichtenergie den Sensor 1 erreicht, wodurch die erforderliche Leistung der Beleuchtungseinheit 2 möglichst gering gehalten und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
  • Bei immer kürzeren Aufnahmezeiten des Sensors 1, insbesondere bei höheren Zeilenraten, sind immer kürzere Belichtungszeiten und somit höhere Leuchtdichten erforderlich. Beispielsweise sind Leuchtdichten für Systeme mit 4-20 kHz Zeilenrate mit Leuchtstoffröhren oder thermischen Leuchtmitteln nur schwer erreichbar.
  • Für die Leuchtelemente 3 können LEDs verwendet werden, wodurch eine hohe Leuchtdichte bereitgestellt werden kann. Ein LED basiertes Beleuchtungssystem wird in AT004889U1 beschrieben.
  • Eine Ausführung zur Erhöhung der Lichtintensität ist in der DE202004019684U1 beschrieben.
  • Systeme mit LED's können mit Standard LED's arbeiten, wobei als Standard die 0,3 mm Die-Technologie, strahlbündelnde Optiken und vor allem die Weißlichterzeugung mit blauem LED Die und kombiniertem gelben Fluoreszenzfarbstoff (Weißlicht-LED's) angesehen wird. Die Leuchtdichte kann durch die Verwendung von Hochleistungs-LED's (1mm LED-Die oder größer) erhöht werden. Durch die Farbkonversion erfordert diese Art der Beleuchtung im Allgemeinen aber aktive Kühlung, welche zum Beispiel mit Wasserkühlungen bewerkstelligt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass mit der Beleuchtungseinheit 2 monochrome Lichtblitze erzeugt werden, wobei sequenziell Lichtblitze in sämtlichen vorgebbaren Wellenlängen λ erzeugt werden. Dabei kann eine vorbestimmte Reihenfolge der vorgebbaren Wellenlängen in einer Endlosschleife während der Durchführung des Verfahrens wiederholt werden.
  • Etiketten werden somit indirekt beleuchtet. Bruchkanten und linsenförmige Formen haben durch die indirekte "Teildunkelfeldbeleuchtung" eine deutlich erhöhte Signalintensität. Daher unterscheidet sich Papier von nichttransparenten Materialien (Keramik und Steine). Dünnes Porzellan, welches im Volumen etwas weiß und semitransparent sein kann, fällt in einen eigenen Farb-Intensitäts-Bereich. In Zusammenhang mit einer Objektauswertung kann so eine Unterscheidung vorgenommen werden. Gerade Etiketten auf Farbgläsern sind durch die Kombination von weißem Papier mit den Volumenfarbpigmenten erkennbar. Dicke dunkle Farbscherben ergeben durch den hohen Anteil an Dunkelfeldbeleuchtung sehr intensive Farbsignale.
  • Die Farb- und materialbasierte Auswertung der durch die Teildunkelfeldbeleuchtung sehr intensiven Transmissionssignale ermöglich somit eine sehr effektive und präzise Sortierung der semitransparenten Schüttgüter.
  • Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, vorgesehen sein kann.

Claims (14)

  1. Verfahren zum spektralbasierten Sortieren transparenter und semitransparenter Schüttgüter (9), wobei die Schüttgüter (9) in einem Materialstrom zwischen einer Beleuchtungseinheit (2) und einem Sensor (1) hindurchbewegt werden, wobei mit der Beleuchtungseinheit (2) eine Beleuchtung mit vorgebbaren Wellenlängen (λ) zeitlich oder örtlich diskret durchgeführt wird, wobei mit dem Sensor (1) Transmissionssignale aufgenommen werden, wobei die Transmissionssignale ausgewertet und die Schüttgüter (9) gemäß der Auswertung sortiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung als Teildunkelfeldbeleuchtung ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wellenlänge (λ) der Beleuchtung im UV-Bereich, zumindest eine Wellenlänge (λ) der Beleuchtung im VIS-Bereich und zumindest eine Wellenlänge (λ) im NIR-Bereich vorgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Wellenlängen (1) der Beleuchtung im VIS-Bereich vorgegeben werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtfenster (11) des Sensors (1) auf einen Sichtbereich (4) der Beleuchtungseinheit (2) ausgerichtet wird, dass sämtliche Leuchtelementen (3) der Beleuchtungseinheit (2) außerhalb des Sichtbereiches (4) angeordnet werden, und dass ein Hellfeldanteil der Teildunkelfeldbeleuchtung durch ein passives lichtdiffusierendes Element (5) an der dem Sensor (1) zugewandten Seite der Beleuchtungseinheit (2) bewirkt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (1) ein monochromer Sensor verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinheit (2) monochrome Lichtblitze erzeugt werden, wobei sequenziell Lichtblitze in sämtlichen der vorgebbaren Wellenlängen (λ) erzeugt werden.
  7. Beleuchtungseinheit (2) für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Zusammenwirken mit einem optischen Sensor (1), umfassend mehrere Leuchtelemente (3) und einen Sichtbereich (4) zum Zusammenwirken mit dem Sichtfenster (11) des Sensors (1), dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Leuchtelemente (3) außerhalb des Sichtbereiches (4) angeordnet sind, dass die Beleuchtungseinheit (2) zur Ausbildung einer Teildunkelfeldbeleuchtung ein passives lichtdiffusierendes Element (5) zur Ausbildung eines Hellfeldanteils aufweist.
  8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdiffusierende Element (5) aus Glas oder Kunststoff oberflächen- oder volumensatiniert mit geringen Absorptionsverlusten ausgebildet ist.
  9. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Leuchtelementen (3) und dem lichtdiffusierenden Element (5) von seitliche Begrenzungen (6) begrenzt ist, und dass die seitlichen Begrenzungen (6) spiegelnd oder diffus hochreflektierend zur Homogenisierung der Dunkelfeldbeleuchtung ausgebildet sind.
  10. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine zeitlich oder örtlich diskrete Beleuchtung mit vorgebbaren Wellenlängen (λ) ausgebildet ist.
  11. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der vorgebbaren Wellenlängen (λ) im UV-Bereich ist, dass zumindest eine, vorzugsweise wenigstens drei, der vorgebbaren Wellenlängen (λ) im VIS-Bereich und dass zumindest eine der vorgebbaren Wellenlängen (λ) im NIR-Bereich ist.
  12. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (3) LEDs sind.
  13. Vorrichtung zum spektralbasierten Sortieren transparenter und semitransparenter Schüttgüter (9) mit einer Beleuchtungseinheit (2) und einem Sensor (1) zur Aufnahme von Transmissionssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (2) gemäß einem der Patentansprüche 7 bis 12 ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein monochromer Sensor ist.
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