JP2015509194A - 物質を検出する装置、システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は物質（１２）を検出する装置（１０）であって：第１の光ビーム（１６ａ）を発するように適合されている第１の光源（１４ａ）と；第２の光ビーム（１６ｂ）を発するように設けられている第２の光源（１４ｂ）とからなる該装置が、第１および第２の光ビームが、たとえば回転多面鏡である走査要素（２０）に向かって集束するように配置されており；該走査要素が、集束する第１および第２の光ビームの方向を検出対象の物質に向けて変えるように設けられており；物質によって反射された光（３８）を、走査要素を介して受光するように設けられている検出器（２６）をさらに備える装置に関する。

Description

本発明は物質を検出する装置に関する。本発明はまた、物質を検出するシステムおよび方法に関する。

特許文献１（Ｗｏｌｌｍａｎｎら）は、２つのレーザがそれぞれレーザ・ビームを発生させるデバイスを開示している。レーザ・ビームは鏡によって偏向させられ、合わさって共通ビームになる。この目的で、鏡のうちの１つは、その背後に配置されたレーザのレーザ・ビームを通すものである。合わさったレーザ・ビームは、別の鏡にある穴を通過し、回転多面鏡ホイールの多角形平面のうちの１つに衝突する。多面鏡ホイールは、レーザ・ビームを放物面鏡に導き、放物面鏡によって反射されたレーザ・ビームは傾斜鏡に導かれ、走査される物体の表面に当たる。物体表面は受光器に投影される。特許文献１におけるデバイスの欠点は、レーザが単色なことである。

特許文献２（Ｒｕｙｍｅｎ）は、分類装置内に取り付けることができるデバイスを開示している。このデバイスは、集束した非常に強い光束をそれぞれが発生させる２つの光源を備えている。両光源は、異なる周波数の光を発生させ、選択的に半反射性の鏡（ダイクロイック・ミラー）および通常の鏡によって合わせられてレーザ・ビームの束になる。この光束は、動くプリズム鏡に向けて反射させられる。この鏡の面は反射性であり、本質的に互いに同じ角度に設定されている。さらに、このプリズム鏡は、その中心軸の周りを回転する。そのような面に当たった光束は、分類対象の製品に向けて誘導される。鏡が回転することにより、光束は製品の一続きの部分を横断するように移動する。そうする中で、前記束は、一続きの部分の幅をまたぐ２つの位置の間を毎回同じ方向に移動する。光束は、製品の部分に入ったとき、前記部分によって散乱および／または反射させられる。散乱光は少なくとも部分的に同じ面で捕捉され、前記面を介し、光束とほぼ同じ経路に沿って、散乱光をある角度で２つの検出器に向けて反射するビーム・スプリッタに導かれる。特許文献２におけるデバイスの欠点は、検出と同じ光路が照明され、それによって全反射の問題が生じ得ることである。

特許文献３は、材料の表面品質を試験する装置に関し、すずのシートがやはりある方向に動く、「動く」スリット・ビューイングの配置を開示している。正反射角からずらした所望の照明を行い、その動く方向を横切るすずのシートのストリップを照明するために、上下のライト・バンク（線光源）が取り付けられている。ストリップに対するテレビジョン・カメラの視界を制限するために、ストリップの向かいにフードが配置される。

ＵＳ６４４９０３６ ＷＯ９８４４３３５Ａ１ ＵＳ３１７６３０６

本発明の目的は、物質を検出する改良された装置および方法を提供することである。本発明は、添付の特許請求の範囲の独立項に定義されている。実施形態は、添付の特許請求の範囲の従属項に記載されている。

本発明の一態様によれば、物質を検出する装置であって：第１の光ビームを発するように設けられている第１の光源と；第２の光ビームを発するように設けられている第２の光源とからなる該装置が、第１および第２の光ビームが走査要素に向かって集束するように配置されており；該走査要素が、集束する第１および第２の光ビームの方向を検出対象の物質に向けて変えるように設けられており；物質によって反射された光を、走査要素を介して受光するように設けられている検出器をさらに備える装置が提供される。

装置は、第１の光源と走査要素の間の光路に配置されている第１の鏡と、第２の光源と走査要素の間の光路に配置されている第２の鏡とをさらに備えてもよく、ここで、第１の鏡は、第１の光ビームの方向を変えるように設けられており、第２の鏡は、第１および第２の光ビームが走査要素に向かって集束するように第２の光ビームの方向を変えるように設けられている。

第１の光源と第１の鏡の間の距離は、第２の光源と第２の鏡の間の距離とは異なってもよい。

検出器は、第１の光ビームと第２の光ビームの間を移動する反射光を受光するように配置されてもよい。

検出器が第１の鏡と第２の鏡の間に配置されるか、または鏡要素が、反射光の方向を変えて検出器に向けるために第１の鏡と第２の鏡の間に配置されてもよい。

物質を移送するための移送手段が装置の下に設けられてもよい。

移送手段は：コンベヤ・ベルトと；シュートと、自由落下経路とのうちの少なくとも１つを含む。

装置は取り付け板をさらに備えてもよく、ここで、少なくとも走査要素が取り付け板に取り付けられており、取り付け板は、移送手段の法線に対して２〜１５°、好ましくは約１０°の角度（Ａ）で配置される。

装置は、第１の光ビームと第２の光ビームが移送手段上の物質上で実質的に重なり合っているように配置されてもよい。

装置は、第１の光源と第１の鏡の間に配置されている第１のレンズと、第２の光源と第２の鏡の間に配置されている第２のレンズとをさらに備えてもよく、ここで、第１のレンズおよび第２のレンズのうちの少なくとも１つは、光源とレンズの間の距離を調節するために移動可能である。

装置は、少なくとも走査要素を収容し、走査要素の下に窓がある底壁を有するハウジングをさらに備えてもよく、ここで、少なくとも１つの基準要素は前記窓の隣に配置される。

前記基準要素は：２つの（実質的に）白色の基準領域および中心の三角鏡を含む白色基準と；黒色または暗色基準領域と；周囲光を集めるためのレンズを有する、底壁のアパーチャとのうちの少なくとも１つを備えてもよい。

走査要素は回転多面鏡および傾斜鏡のうちの１つであってもよい。

第１および第２の光源は点光源であってもよく、装置は、物質を照明するように設けられている少なくとも１つの線光源をさらに備える。

第１および第２の光ビームは、第１および第２の鏡によって方向を変えられる前に平行または実質的に平行であってもよく、第１および第２の光源ならびに第１および第２の鏡は、走査要素の回転平面または傾斜平面に垂直な平面Ｐに配置されており、第１および第２の鏡の一方は、前記平面Ｐで第１の光ビームの方向を９０°未満変えるように設けられ、第１および第２の鏡の他方は、前記平面Ｐで第２の光ビームの方向を９０°超変えるように設けられており、反射光の方向を変えて検出器に向けるように設けられている検出器または鏡要素は、前記平面Ｐ内で第１の鏡と第２の鏡の間に配置される。

本発明の別の態様によれば、上記で定義された２つの装置の検出領域が部分的に重なり合うように並べて配置された２つの装置を備えるシステムが提供される。

２つの装置の動作は、検出領域の重なった部分が両装置によって同時に照明されないように同期されてもよい。

本発明のさらに別の態様によれば、物質を検出する方法が提供され、この方法は：第１の光ビームを発すること；第２の光ビームを発すること；第１の光ビームおよび第２の光ビームを、第１および第２の光ビームが走査要素に向かって集束するように方向づけるまたは方向を変えること；集束する第１および第２の光ビームの方向を走査要素によって検出対象の物質に向けて変えること；ならびに物質によって反射された光を、走査要素を介して受光することを含む。この態様は、上記の態様と同じかまたは類似の特徴および技術的効果、またその逆の場合を示し得る。

次に、本発明の現在好ましい実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態による装置の概略上面図である。 図１の装置の側面図である。 図１の装置の正面図である。 本発明の別の実施形態による装置の部分斜視図である。 本装置の概略部分上面図である。 本装置の概略部分側面図である。 本発明による白色基準要素の正面図である。 本装置の概略部分正面図である。 本発明の二重構成を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態による装置の概略上面図である。

図１〜３は、物質１２を検出する装置１０を示す。

装置１０は第１の光源１４ａおよび第２の光源１４ｂを備える。本明細書で使用される「光」は、人間の目に見える電磁放射線に限定されず、他の波長、特に紫外光および赤外光を含み得ることに留意されたい。

たとえば図１に見られるように、第１の光源１４ａは、第１の光ビーム１６ａを発するように設けられており、一方で、第２の光源１４ｂは、第１の光ビームに平行な第２の光ビーム１６ｂを発するように設けられている。光源１４ａ、ｂは、同じタイプであってもよく、また同じ種類の光を発することができる。光源１４ａ、ｂは、たとえば５５Ｗの電球であってもよいが、他の光源もまた使用され得る。さらに、光源１４ａ、ｂは、たとえば４００〜１８００ｎｍの発光を行う広帯域光源であってもよい。さらに、光源１４ａ、ｂは、ＵＳ３１７６３０６の上下のライト・バンクとは対照的に、点光源であってもよい。

装置１０は、第１の鏡１８ａおよび第２の鏡１８ｂをさらに備える。第１および第２の鏡１８ａ、ｂは折り畳み式平面鏡であってもよい。第１の鏡１８ａは、ある距離をおいて第１の光源１４ａの正面に配置され、第１の光ビーム１６ａの方向を変えるように設けられている。第２の鏡１８ｂは、より長い距離をおいて第２の光源１４ｂの正面に配置され、第２の光ビームの方向を変えるように設けられている。具体的には、図１に見られるように、第１の鏡１８ａは、第１の光ビーム１６ａの方向をちょうど９０°未満変えるように角度が決められており、一方で、第２の鏡１８ｂは、第２の光ビーム１６ｂの方向をちょうど９０°超変えるように角度が決められている。

装置１０は、走査要素またはデバイス、ここでは回転多面鏡２０をさらに備える。多面鏡２０は複数の反射面２２を有する。さらに、多面鏡２０は、たとえばモータ（図示せず）によって、その中心軸２４の周りを回転するように配置される。多面鏡２０は、第１および第２の光ビームを物質１２に向けてさらに方向を変えるように設けられている。

装置１０は、物質１２によって反射された光を、回転多面鏡２０を介して受光するように設けられている検出器２６をさらに備える。検出器２６はたとえば分光計であってもよい。検出器２６は、第１および第２の光源１４ａ、ｂならびに鏡１８ａ、ｂと同じ平面Ｐ（ｘ方向およびｙ方向によって規定される）に配置されてもよく、その平面Ｐは多面鏡２０の回転平面に対して垂直であり、たとえば図２〜３を参照されたい。さらに、検出器２６は、ｘ方向から見て鏡１８ａ、ｂの背後に、またｙ方向から見て鏡１８ａ、ｂの間に配置されてもよい。

装置１０を使用して物質を検出する方法では、第１および第２の平行光ビーム１６ａ、ｂが、第１および第２の光源１４ａ、ｂを使用して発生させられる。第１の光ビーム１６ａは第１の鏡１８ａによって方向を変えられ、第２の光ビーム１６ｂは第２の鏡１８ｂによって方向を変えられ、それによって、方向を変えられた第１および第２の光ビーム１６ａ、ｂは回転多面鏡２０に向かって集束する。面２２のうちの１つに当たった集束する光ビーム１６ａ、ｂは、移送手段、ここでは検出対象の物質１２を載せて移送するコンベヤ３０に向けてさらに方向を変えられ、走査される。ビーム１６ａ、ｂは、面２２にぶつかったとき、まだ完全に重なり合ったり集束したりはしないが、鏡１８ａ、ｂにあったときよりも互いに（ｙ方向に）近づいていることに留意されたい。多面鏡２０が回転するため、光ビーム１６ａ、ｂは、図２に矢印３６で示してあるように、コンベヤ３０の幅の上で２つの位置３２と３４の間で、同じ方向にコンベヤ３０を繰り返し横断するように移動する。面２２のうちの１つを経由したビーム１６ａ、ｂが物質１２に当たったとき、ビーム１６ａ、ｂ（今度は完全に重なり合っている）の光は物質１２によって反射される。反射は通常拡散し、参照符号３８を付した反射光は同じ面２２によって少なくとも部分的に捕捉され、集束している光ビーム１６ａ、ｂの間を通って検出器２６に導かれる。第１の鏡１８ａと第２の鏡１８ｂがｙ方向に十分に離れているので、反射光３８はそれらの間を通り、検出器２６によって受光され得る（図１参照）。

したがって、使用中、コンベヤ３０上の任意の物質１２は２つの光源１４ａ、ｂからの光によって照明される。光源１４ａ、ｂのうちの１つが壊れた場合も、装置１０は１つの光源のみで依然として動作する。また、光ビーム１６ａ、ｂが集束しているので、全反射が回避できる。

図４の装置１０は図１〜３のものに類似しているが、ここでは第１の光源１４ａと鏡１８ａの間の距離が、第２の光源１４ｂと鏡１８ｂの間の距離よりも長い。こうして、第１ビーム１６ａと第２のビーム１６ｂは交差しない。また、鏡要素４０が、反射光の方向を変えて検出器２６に向けるために第１の鏡１８ａと第２の鏡１８ｂの間に配置される。こうして、大きな検出器２６は光１６ａ、ｂ、３８の進路の外にあることになる。

図５に見られるように、本装置１０は、第１の光源１４ａと第１の鏡１８ａの間に配置されている第１のレンズ４４ａおよび第２の光源１４ｂと第２の鏡１８ｂの間に配置されている第２のレンズ４４ｂをさらに備えてもよい。第１および第２のレンズ４４ａ、ｂは、双方向矢印によって示してあるように、ｙ方向に移動可能であり、それによって、光源１４ａ、ｂとそれぞれ対応するレンズ４４ａ、ｂの間の距離が調節できる。こうして、装置１０をセットし、コンベヤ３０までの距離に応じて正確に焦点を合わせることができる。第１および第２のレンズ４４ａ、ｂは、たとえば集束レンズであってもよい。好ましくは、各レンズ４４ａ、ｂはそれぞれチューブ４６ａ、ｂの中に配置される。レンズ４４ａ、ｂが動くための経路を設けるという点以外では、チューブ４６ａ、ｂは、光源１４ａ、ｂからの光を平行化するように機能してもよい。

さらに図５に（また、図４にも）見られるように、本装置１０は、第１および第２の光源１４ａ、ｂを収容する保全チャンバ（ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｈａｍｂｅｒ）４８をさらに備えてもよい。保全チャンバ４８の内部部分は好ましくは断熱されており、また扉５０は熱伝導性であり、熱交換器として機能する。

本装置１０は少なくとも１つの基準要素をさらに備えてもよく、図４および図６を参照されたい。少なくとも１つの基準要素が、装置のハウジング６０の窓５８の隣に、またはそれに隣接して、多面鏡２０の下に配置される。この目的で、装置１０は、第１および第２の光ビーム１６ａ、ｂが少なくとも１つの基準要素の上を繰り返し掃引するように設けられている。したがって、多面鏡２０が回転する際に、検出器２６には走査線ごとに少なくとも１つの基準要素が見え、装置１０はそれにしたがって調節または較正されてもよい。少なくとも１つの基準要素は、たとえば、光源の経年変化および欠陥のある光源を示すために使用されてもよい。また、暗色基準および白色基準（下記参照）を使用することによって、温度の較正または補償が必要なくなる。

少なくとも１つの基準要素は、図７にも示されているように、白色基準要素５２を含み得る。白色基準５２は、２つの白色基準領域または白色基準面６２ａ、ｂ、および２つの白い領域６２ａ、ｂの間に配置されている三角鏡６４を含み得る。三角鏡６４は正三角形でも二等辺三角形でもよく、底辺から延びる２辺が反射性である。動作時、入射光１６ａ、ｂは白色領域または白色面６２ａ、ｂによって反射され、三角鏡６４によって元の方向に戻されて、検出器２６に向かう。

さらに、少なくとも１つの基準要素は、黒色または暗色基準領域５４を含み得る。この領域５４は、たとえば表面を黒色で着色または被覆してもよい。

さらに、少なくとも１つの基準要素は、ハウジング６０の底壁に、周囲光を集めるためのレンズ６８を有するアパーチャ６６を含み得る。こうして、装置１０は、たとえば周囲光を反射光３８から引くことによって、周辺環境がどの程度の明るさまたは暗さであるかに応じて調節または較正され得る。

本装置１０は、図８に見られるように、接地板または取り付け板４２をさらに備えてもよい。少なくとも多面鏡２０が取り付け板４２に取り付けられ、好ましくは光源１４ａ、ｂおよび鏡１８ａ、ｂも取り付けられる。取り付け板４２は、コンベヤ・ベルト３０および窓５８の前面ガラスの法線に対して２〜１５°、好ましくは約１０°の角度Ａで配置される。こうして、物質１２／コンベヤ３０および窓５８の前面ガラスの両方からの全反射（すなわち入射角は０でない）を避けることができる。

さらに、図９に見られるように、いくらか重なり合った検出領域７０ａ、ｂをもつ２つの装置１０が互いに隣り合って配置されてもよい。重なった部分には参照符号７２を付してある。２つの装置１０を並べて使用することによって、より幅の広いコンベヤ３０を効率的に検査できる。さらに、２つの装置１０の動作は、検出領域７０ａ、ｂの重なった部分７２が両装置１０によって同時に照明されないように同期させてもよい。この目的で、多面鏡を回転させるためにサーボ・モータを使用してもよい。

図１０の装置１０は図１〜３のものに類似しているが、ここでは第１および第２の鏡１８ａ、ｂが省略されている。その代わり、第１および第２の光源１４ａ、ｂは、第１および第２の光ビーム１６ａ、ｂが走査要素２０に向かって集束するように向けられている。

本装置１０および方法は、電磁場（電磁シグネチャ（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ））内で反射を生じさせるものであれば基本的に任意の物質１２を検出するために使用され得る。分光計を検出器２６として使用することによって、ある物質１２が存在するということだけでなく、物質１２のタイプまたは材料も検出することが可能である。本装置１０および方法の用途には、限定はされないが、さまざまな材料分類およびリサイクルの用途が含まれる。

本発明は上記の（１つまたは複数の）実施形態には決して限定されないことが当業者には理解されよう。反対に、多くの改変や変形が添付の特許請求の範囲の範囲内で可能である。

たとえば、コンベヤ３０は、シュートまたは自由落下経路に置き換えられてもよい。

さらに、多面鏡は傾斜鏡に置き換えられてもよい。

さらに、装置１０は、物質を照明するように設けられている少なくとも１つの線光源をさらに備えてもよい。少なくとも１つの線光源は、移送手段上の第１および第２の光源からの走査ビームと同じ領域を照明するように設けられてもよい。さらに、少なくとも１つの線光源は、装置の範囲を広げるために、第１および第２の光源と比較して異なる波長または波長帯の光を発するように設けられてもよい。いくつかの光源は以下を合わせたものであってもよい：ＵＶ（紫外）光、ＮＩＲ（近赤外）光、ＭＩＲ（中赤外）光、およびＶＩＳ（可視）光。

Claims (18)

1. 物質（１２）を検出する装置（１０）であって：
   第１の光ビーム（１６ａ）を発するように設けられている第１の光源（１４ａ）と；
   第２の光ビーム（１６ｂ）を発するように設けられている第２の光源（１４ｂ）とからなる該装置が、第１および第２の光ビームが走査要素（２０）に向かって集束するように配置されており；
   該走査要素が、集束する第１および第２の光ビームの方向を検出対象の物質に向けて変えるように設けられており；
   物質によって反射された光（３８）を、該走査要素を介して受光するように設けられている検出器（２６）
   をさらに備える前記装置。
2. 第１の光源と走査要素の間の光路に配置されている第１の鏡（１８ａ）と、第２の光源と走査要素の間の光路に配置されている第２の鏡（１８ｂ）とをさらに備え、ここで、該第１の鏡は、第１の光ビームの方向を変えるように設けられており、該第２の鏡は、第１および第２の光ビームが走査要素に向かって集束するように第２の光ビームの方向を変えるように設けられている、請求項１に記載の装置。
3. 第１の光源と第１の鏡の間の距離は、第２の光源と第２の鏡の間の距離とは異なる、請求項２に記載の装置。
4. 検出器は、第１の光ビームと第２の光ビームの間を移動する反射光を受光するように配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 検出器が第１の鏡と第２の鏡の間に配置されるか、または鏡要素（４０）が、反射光の方向を変えて検出器に向けるために第１の鏡と第２の鏡の間に配置される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 物質を移送するための移送手段（３０）が下に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 移送手段は：コンベヤ・ベルト（３０）と；シュートと、自由落下経路とのうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の装置。
8. 取り付け板をさらに備え、ここで、少なくとも走査要素が該取り付け板（４２）に取り付けられており、該取り付け板は、移送手段の法線に対して２〜１５°、好ましくは約１０°の角度（Ａ）で配置される、請求項５または６に記載の装置。
9. 第１の光ビームと第２の光ビームが移送手段上の物質上で実質的に重なり合っているように配置される、請求項５、６、または７に記載の装置。
10. 第１の光源と第１の鏡の間に配置されている第１のレンズ（４４ａ）と、第２の光源と第２の鏡の間に配置されている第２のレンズ（４４ｂ）とをさらに備え、ここで、該第１のレンズおよび該第２のレンズのうちの少なくとも１つは、光源と該レンズの間の距離を調節するために移動可能である、請求項２〜８のいずれか１項に記載の装置。
11. 少なくとも走査要素を収容し、走査要素の下に窓（５８）がある底壁を有するハウジング（６０）をさらに備え、ここで、少なくとも１つの基準要素は前記窓の隣に配置される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記基準要素は：
    ２つの実質的に白色の基準領域（６２ａ、ｂ）および中心の三角鏡（６４）を含む白色基準（５２）と；
    黒色または暗色基準領域と；
    周囲光を集めるためのレンズを有する、底壁のアパーチャと
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の装置。
13. 走査要素は回転多面鏡および傾斜鏡のうちの１つである、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 第１および第２の光源は点光源であり、装置は、物質を照明するように設けられている少なくとも１つの線光源をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 第１および第２の光ビームは、第１および第２の鏡によって方向を変えられる前に平行または実質的に平行であり、第１および第２の光源ならびに第１および第２の鏡は、走査要素の回転平面または傾斜平面に垂直な平面Ｐに配置されており、第１および第２の鏡の一方は、前記平面Ｐで第１の光ビームの方向を９０°未満変えるように設けられ、第１および第２の鏡の他方は、前記平面Ｐで第２の光ビームの方向を９０°超変えるように設けられており、反射光の方向を変えて検出器に向けるように設けられている検出器または鏡要素は、前記平面Ｐ内で第１の鏡と第２の鏡の間に配置される、請求項２〜１３のいずれか１項に記載の装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の２つの装置の検出領域（７０ａ、ｂ）が部分的に重なり合うように並べて配置された該２つの装置を含むシステム。
17. ２つの装置の動作は、検出領域の重なった部分（７２）が両装置によって同時に照明されないように同期されている、請求項１５に記載のシステム。
18. 物質（１２）を検出する方法であって、
    第１の光ビーム（１６ａ）を発すること；
    第２の光ビーム（１６ｂ）を発すること；
    第１の光ビームおよび第２の光ビームを、第１および第２の光ビームが走査要素（２０）に向かって集束するように方向づけるまたは方向を変えること；
    集束する第１および第２の光ビームの方向を走査要素によって検出対象の物質に向けて変えること；ならびに
    物質によって反射された光を、走査要素を介して受光すること
    からなる前記方法。

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