JP6653511B2 - Ｌｉｂｓ型物体選別装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＩＢＳ分析を用いて物体の選別を行うＬＩＢＳ型物体選別装置に関し、特に、選別対象物をコンベヤで搬送しながらＬＩＢＳ分析しこれに基づいて選別を行うＬＩＢＳ型物体選別装置に関する。

ＬＩＢＳ（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）とは、測定対象物に含有される元素の定性・定量分析法である。詳細には、パルスレーザー光を物体表面の微細なスポットに集光照射して原子をイオンと電子に瞬間的に分離、プラズマ状態とし、この励起状態にある原子の基底状態に戻るときに発せられる原子固有の波長の光を分光分析する。ＬＩＢＳ分析は、通常、測定対象物の表面を研磨等により平滑化した後、この研磨面にパルスレーザー光の焦点が正確に位置するように測定対象物を固定して測定される。

ところで、近年、ＬＩＢＳ分析を利用した物体の選別装置（ＬＩＢＳ型物体選別装置）の開発が進められている。これは、選別対象物をベルトコンベヤ（移動速度最大５ｍ／ｓ）で高速供給しながら、ＬＩＢＳ分析によって個々の選別対象物が含有する元素情報を非接触で検知しその種別を識別した上で、種別ごとに選別対象物を別々の容器に回収する固体選別装置である。コンベヤの後端には、電磁式パドルやエアジェットなどの選別機が設けられる。かかる装置は、廃車や廃家電の破砕選別処理施設で発生する鉄やアルミなどの金属スクラップ片を合金種類ごとに選別する手段として利用される。例えば、特許文献1では、このようなＬＩＢＳ型物体選別装置が開示されている。

ＬＩＢＳ分析では、パルスレーザー光を照射スポット（直径０．１〜１ｍｍ程度）に十分に集光照射できないと、プラズマ発光せず分析できない。つまり、廃車や廃家電などの破砕処理で発生する不定形な金属スクラップ片のように、複雑な形状を有する選別対象物ではその位置や高さといった空間情報（三次元情報）を高精度に検知して、これに基づいてパルスレーザー光の最適な照射スポットの位置を決定する必要がある。そして、その位置に正確に撃ち損じなく集光照射する必要もある。また、ＬＩＢＳ型物体選別装置では、ベルトコンベヤでの選別対象物の移動を考慮する必要もある。

移動物体の三次元情報の検知手段としては、例えば、レーザー距離計（レーザーレンジファインダ）をコンベヤ上に鉛直下向きに配置して、対象物の表面までの光伝播時間を計測してその高さ方向の輪郭線（移動方向に平行な断面）を計測する方法が知られている。しかしながら、レーザー距離計の計測域を通過した物体のみを計測することになるため、コンベヤの進行方向に並んで複数の選別対象物を配置できず、単位時間当たりの処理個数が大きく制限される。

一方、移動物体の三次元情報の検知手段としては、「レーザー三次元計測法（光切断法）」も知られている。レーザー投光器（線状レーザー光源）を用いてコンベヤ上を移動する対象物を走査し、表面形状に対応して変化する反射光（輝線）の高さ方向の動きを一定間隔で撮像し、表面形状を三次元座標データとして取得するのである。これによれば対象物の中心点などの位置情報を計算できるとともに、走査範囲内で複数の物体の計測ができ、コンベヤの進行方向に並んで複数の選別対象物を配置しても計測をできて、単位時間当たりの処理個数に優れる。

特表２０１４−５２９６７９号公報

ここで、ＬＩＢＳ型物体選別装置では、レーザー光を選別対象物の１か所又は数か所のスポットに分散して照射してＬＩＢＳ分析するものがある。これによれば、三次元ガルバノスキャナーの制御によってコンベヤ幅の全域に亘ってレーザー照射しＬＩＢＳ分析できる。一方で、表面形状が複雑な破砕スクラップ片のような選別対象物では、平坦なスポットを選択してパルスレーザー光を照射しなければ、プラズマの発生確率やＳ／Ｎ比が低下してしまう。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、選別対象物をコンベヤで搬送しながらＬＩＢＳ分析しこれに基づいて選別を行うＬＩＢＳ型物体選別装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による選別対象物をコンベヤで搬送しながらＬＩＢＳ分析し選別を行うＬＩＢＳ型物体選別装置は、前記コンベヤの進行方向をＸ、幅方向をＹ、高さ方向をＺとしたときに、断面計測用ＹＺ鉛直面での前記選別対象物の断面形状を所定時間毎に繰り返し計測し前記選別対象物の前記コンベヤ上で上面視される上面の空間座標群を前記選別対象物上の基準原点を基準として取得する三次元形状計測手段と、レーザー移動用ＹＺ鉛直面内をＹ方向にレーザー光のビーム位置を移動させる幅方向移動手段、及び前記レーザー光のビーム焦点位置を前記レーザー移動用ＹＺ鉛直面内でＺ方向に移動させる高さ方向移動手段を含み、前記選別対象物に前記レーザー光を照射しながら化学組成分析を行うＬＩＢＳ分析手段と、前記化学組成分析された前記選別対象物のＺ方向の搬送路を切り替える搬送路切替手段と、をこの順に前記Ｘ方向に沿って設け、更に、前記空間座標から選択される分析点を含む分析用ＸＺ鉛直面上にある前記上面の前記空間座標群を求め且つＬＩＢＳ分析する分析区間を決定する演算手段と、前記幅方向移動手段に前記分析用ＸＺ鉛直面に前記ビーム位置を移動させ、前記コンベヤの移動量から前記分析用ＸＺ鉛直面に前記分析区間が到達したことを検出すると、前記移動量に対応させつつ、前記高さ方向移動手段に前記分析区間に沿った前記空間座標に前記ビーム焦点位置を移動させつつ前記選別対象物に前記レーザー光を照射させる制御手段と、を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、選別対象物をコンベヤで搬送しながらＬＩＢＳ分析しこれに基づいて物体の選別を行うことができる。特に、比較的弱いレーザー光を高い周波数で繰り返し照射する方式のＬＩＢＳ分析装置を用いた場合であっても、コンベヤ上を高速移動する物体に対して、ベルト幅方向全域での高精度（高Ｓ／Ｎ比）な選別を行うことが可能となる。

上記した発明において、前記三次元形状計測手段は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面の通過を検出してから前記空間座標群を取得するとともに、前記基準原点の前記レーザー移動用ＹＺ鉛直面に到達するまでの前記コンベヤの基準移動量を求め、前記制御手段は、前記基準移動量に基づいて前記ビーム位置及び前記ビーム焦点位置の移動をさせるように構成してもよい。このとき、前記基準原点は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面に最初に到達した位置であることが好ましい。

また、前記選別対象物は前記Ｙ方向で互いの一部を並置させる複数個からなり、前記演算手段は前記選別対象物の各々について前記Ｙ方向で並置しないように前記分析区間を決定するように構成してもよい。このとき、前記三次元形状計測手段の前記Ｘ方向の上流には、前記選別対象物の搬送を検知する搬送検知手段を有し、前記搬送検知手段は前記三次元形状計測手段の動作を開始させるとともに、前記搬送検知手段は光電センサを含む構成とするのが好ましい。

かかる発明によれば、選別対象物がコンベヤ上に同時に複数搬送される場合であっても、選別対象物の正確な選別が可能となる。

上記した発明において、前記三次元形状計測手段は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面での断面形状線を映し出すレーザー投光器を備えた三次元画像カメラを含むように構成してもよい。このとき、前記空間座標群は、前記コンベヤ上で上面視される前記上面の画像のピクセルに対応するのが好ましい。

また、前記コンベヤは駆動モーターの回転量に対応してパルス信号を出力するインクリメンタルエンコーダーを有し、前記制御手段は前記パルス信号に対応したカウンタ数と前記画像の前記ピクセルとを対応させて前記分析区間に沿って前記レーザー光を照射させるとともに、前記幅方向移動手段及び前記高さ方向移動手段は、前記レーザー光の光学系のミラー角度とレンズ焦点距離を制御する構成としてもよい。

かかる発明によれば、選別対象物の検出位置（断面計測用ＹＺ鉛直面）からの搬送距離を正確に把握できるとともに、ＬＩＢＳ分析手段が照射するレーザー光の焦点位置をより精緻に制御できるため、選別対象物のより確実な選別が可能となる。

本発明の代表的な１例によるＬＩＢＳ型物体選別装置を示す斜視図である。 図１に示すＬＩＢＳ型物体選別装置における信号経路を示す。 逐次モード制御に適用されるコンベヤ上の座標系を示す平面図である。 逐次モード制御に適用される処理動作を示すフローチャートである。 二値化されたワークの画像の１例を示す平面図である。 連続モード制御に適用されるコンベヤ上の座標系を示す平面図である。 連続モード制御に適用される処理動作を示すフローチャートである。 図１に示すＬＩＢＳ型物体選別装置における信号出力の決定プロセスを示す要部拡大図である。 ＬＩＢＳ分析装置のレーザー照射軌跡を時系列生成するためのステートチャートである。 三次元計測で検知した１個の物体の２Ｄブロブ上の具体例を示す平面図である。 視野内に複数物体の２Ｄブロブが検知された場合の第１の具体例を示す平面図である。 視野内に複数物体の２Ｄブロブが検知された場合の第２の具体例を示す平面図である。 １個の物体に対するレーザー照射位置と各信号出力のチャートの具体例である。

以下に、本発明によるＬＩＢＳ型物体選別装置の１つの実施例について、図１乃至図７を用いて説明する。

図１に示すように、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０は、選別対象である物体Ｗを搬送するコンベヤ１１と、コンベヤ１１を横切って配置された光電センサ１２と、コンベヤ１１上を照射するレーザー投光器１３と、コンベヤ１１上を搬送される物体Ｗを撮像する三次元画像カメラ１４と、三次元画像カメラ１４の後流に配置され、レーザー照射機構を有するＬＩＢＳ分析装置１５と、このＬＩＢＳ分析装置１５の後流に配置されて搬送路を切り替えるパドル（切替機構）１６と、三次元画像カメラ１４で撮像された画像データに基づいてＬＩＢＳ分析装置１５のレーザー照射機構の照射タイミング及びレーザーの焦点距離を制御する制御装置１７と、を備える。なお、コンベヤ１１は、コンベヤ駆動モーター１１ａと当該コンベヤ駆動モーター１１ａと同軸で回転するインクリメンタルエンコーダー１１ｂとを備える。

物体Ｗが光電センサ１２の位置に達すると、三次元画像カメラ１４が起動して、レーザー投光器１３が投影する投影線（コンベヤ１１の搬送方向に垂直な方向に形成される線）Ｌ１を物体が通過する時のレーザーの反射光を光切断法の原理に従って一定の時間間隔ごとに記録する。ここで、投影線を形成するレーザーの経路面を「断面計測用ＹＺ鉛直面」と定義する。当該ＹＺ鉛直面を通過した際に記録されたデータは三次元画像として制御装置１７に伝送され、専用プログラムが物体Ｗの位置や表面形状を解析して、レーザー光の焦点位置を制御する電圧信号を生成し、ＬＩＢＳ分析装置１５に伝送する。

また、物体ＷがＬＩＢＳ分析装置１５のレーザー照射位置Ｌ２に到達するとＬＩＢＳ分析装置１５が物体Ｗ表面にレーザーを照射してプラズマを発生させ、プラズマの発光波長のスペクトルを分析する。その結果に基づいて、コンベヤ１１の下流側に設けられたパドル１６を動作させ物体の落下位置を変えることで選別する。

図２には、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０における信号経路を示した。制御装置１７は、例えばパーソナルコンピュータであって、本体部１７ａ及びモニター１７ｂと、本体部１７ａに内蔵されたカウンタボード１７ｃ、Ｄ／Ａコンバータボード１７ｄ、カメラ入力ボード１７ｅと、を備えている。

ＬＩＢＳ分析装置１５は、筐体１５ａの内部に、レーザー光源１５ｂとその制御回路１５ｃ、ミラーや集光レンズを含む光学系１５ｄとその制御回路１５ｅ等を内蔵しており、制御装置１７からの指令信号に基づいて、ミラー角度を変化させてコンベヤ１１上でのベルト幅方向（Ｙ方向）のレーザー集光位置を制御し、集光レンズの位置を変化させてコンベヤ１１上での高さ方向（Ｚ方向）の集光位置を制御する。また、ＬＩＢＳ分析装置１５は、物体Ｗにレーザーを照射したことにより生じるプラズマを感知してそのスペクトルデータを取得する手段（図示せず）を備えるとともに、取得したスペクトルデータを制御装置１７に伝送可能に接続されている。

光電センサ１２は、物体Ｗが通過した時に三次元画像カメラ１４が撮影開始するためのトリガ信号を出力する。インクメンタルエンコーダー１１ｂは、固有の回転角おきに１パルスずつパルス信号を出力する。このパルス信号は、三次元画像カメラ１４、カウンタボード１７ｃ、Ｄ／Ａコンバータボード１７ｄ、ＬＩＢＳ分析装置１５内のレーザー制御回路１５ｃに送信され、カウント値が１ずつ増加される。このとき、三次元画像カメラ１４内のカウンタと、制御装置１７内のカウンタと、レーザー制御回路１５ｃのカウンタはそれぞれ初期値が異なるので、これらのカウント値が一致することはない。

三次元画像カメラ１４は、１つのカウンタＣｃを有し、インクリメンタルエンコーダー１１ｂからのパルス信号を受信するとともに、撮影した三次元画像をカメラ入力ボード１７ｅへ出力する。カウンタボード１７ｃは、２つのカウンタＣｎ１及びＣｎ２を有し、インクリメンタルエンコーダー１１ｂからのパルス信号を受信するとともに、レーザー出力許可信号をＬＩＢＳ分析装置１５内のレーザー制御回路１５ｃへ出力する。Ｄ／Ａコンバータボード１７ｄは、１つのカウンタＣｎ３を有し、インクリメンタルエンコーダー１１ｂからのパルス信号を受信するとともに、Ｙ方向及びＺ方向の集光位置を制御する信号をＬＩＢＳ分析装置１５内のミラー／集光レンズ制御回路１５ｅへ出力する。

ＬＩＢＳ型物体選別装置１０は、光電センサ１２を使用しない場合でも、三次元画像カメラ１４を常時動作させて、撮影視野内に物体Ｗを発見した時にのみＬＩＢＳ分析装置１５に信号出力する動作も可能である（以下、光電センサ１２を使用する場合を「逐次モード制御」、光電センサ１２を使用しない場合を「連続モード制御」と称する）。

逐次モード制御を適用することにより、三次元画像カメラ１４の撮影開始待ち機能を利用でき、測定プログラムの簡素化が図れる。一方、連続モード制御を適用することにより、光電センサ１２を省略できるとともに、高密度搬送時の処理の追従性が向上する。

図３に示すように、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０では、コンベヤ１１上の物体Ｗの位置を把握するために、逐次モードではコンベヤ１１の進行方向にＸ、幅方向にＹを取った座標系を用いる。ここで、グレーで示す領域が三次元画像カメラ１４の撮影領域であり、Ｙ方向の座標値は三次元画像カメラ１４により求め、Ｘ方向の座標値と物体Ｗの長さはコンベヤ１１の移動量により求める。また、コンベヤ１１の移動量を求めるにはインクリメンタルエンコーダー１１ｂを用いる。

以下、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０の制御装置１７が実施する逐次モード制御における処理フローを、図４を用いて説明する。

制御装置１７は、逐次モード制御の開示時に、まず三次元画像カメラ１４及び制御装置１７に内蔵された各種ボードのデータの初期化を行う（ステップＳ１０１）。その後、コンベヤ１１を駆動し、物体が光電センサ部を通過したかどうかを判別する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２で物体が光電センサ部を通過したと判別すると、三次元画像カメラ１４が撮影を開始し、１視野分の撮影が終了すると、制御装置１７内のカメラ入力ボードに三次元画像が転送される（ステップＳ１０３）。このとき、制御装置１７は、画像転送終了直後のカウンタボードのカウント値Ｃｎ１を取得して記憶しておく（ステップＳ１０４）。

続いて、制御装置１７は、あらかじめ取得してある三次元画像データを用いて、ステップＳ１０３で撮像した画像のレンズ中心部と周囲間の高さの歪み（収差）を補正する（ステップＳ１０５）。次に、制御装置１７は、コンベヤ面の高さ（底面）を除去して３Ｄブロブ（ボクセル集合体）を取り出した後、この３Ｄブロブを二次元の二値化画像に再構成する（ステップＳ１０６）。このとき、ボクセルが存在する画素は１、存在しないものは０と置き換える。この二値化画像に対して、任意の回数オープニング・クロージングを繰り返して撮影素子固有のノイズを除去する。

続いて、制御装置１７は、ラベリング処理により画像内の２Ｄブロブ（画素（ピクセル）集合体）の個数と位置を抽出する（ステップＳ１０７）。このとき、ユーザが入力する任意の面積（ピクセル数）未満の２Ｄブロブをノイズとして排除する。２Ｄブロブが残らなかった場合、逐次モードでは撮影待機（ステップＳ１０２）からやり直す。

続いて、制御装置１７は、ステップＳ１０７で抽出した物体位置に基づいて、ＬＩＢＳ分析装置１５におけるレーザー照射位置を計算する（ステップＳ１０８）。このときの計算動作について、以下に図３及び図５を用いて説明する。

図５は、ステップＳ１０６で得られた二次元画像の例を示している。ここに、図中の矢印は物体の搬送方向ＴＤを示し、Ｃｃ［０］は物体が光電センサを横切った瞬間の三次元画像カメラ１４内のカウント値、Ｃｃ［ｍａｘ］は三次元画像カメラ１４が所定のカウント数（５１２や２５６など任意に設定）を経て撮影を終了した瞬間の三次元画像カメラ１４内のカウント値、Ｃｃ［ｏｔ］は物体の先頭部が投影線に達した瞬間の三次元画像カメラ１４内のカウント値をそれぞれ示している。三次元画像カメラ１４の撮影視野（グレーの領域）においてＸ方向の画素数はカウント数に一致する（１画素＝１カウント）ことから、上述の処理を経て視野内で残った２Ｄブロブ上部（先頭部）のＸ方向座標を視野内の最上部の画素０から最下部の画素ｍａｘの間で求めｏｔとすると、Ｃｃ［ｍａｘ］とｏｔの差がＣｃ［ｏｔ］と一致する。

図３に示すように、三次元画像カメラ１４の内部カウント数Ｃｃ［ｍａｘ］、Ｃｃ［ｏｔ］、及び光電センサからＬＩＢＳ分析装置１５内のレーザー照射位置Ｌ２までの距離に相当するカウント数Ｔを用いて、レーザー照射位置Ｌ２に対応するカウンタボードのカウント値Ｃｓを次式（１）で算出する。

ここで、Ｃｎ１は三次元画像カメラ１４が撮影を終了した直後のカウンタボードのカウント値を意味する。

続いて、上記したカウント値Ｃｓを次式（２）によってさらに修正し、レーザー照射開始位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｔｓを決定する。

ここで、Ｏｒは、ＬＩＢＳ分析装置１５内のミラー回転時の静定時間に相当するカウント数、Ｏｓｔは物体の先頭からからレーザー照射可能位置までの距離に相当するカウント数、 Ｏｂｓはレーザー照射開始までの空走距離に相当するカウント数（任意設定）をそれぞれ意味する。

そして、算出されたカウント値Ｔｓから、ＬＩＢＳ分析装置１５におけるレーザー照射終了位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｔｅを次式（３）によって決定する。
ここで、Ｏｍはレーザー照射距離に相当するカウント数（任意設定）を意味する。

さらに、１個の物体の測定終了位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｃｅを次式（４）によって決定する。
ここで、ＯｅはＬＩＢＳ分析装置１５内部での処理時間に相当するカウント数を意味する。

図４に示すフローチャートの動作に戻ると、続いて、制御装置１７は、ステップＳ１０８で算出されたレーザー照射開始位置のカウント値Ｔｓとレーザー照射停止位置のカウント値Ｔｅに対応するベルト位置の間に存在する物体の高さデータを抽出し、当該物体高さに対応するＬＩＢＳ分析装置１５のレンズの焦点距離を決定する（ステップＳ１０９）。このとき、２Ｄブロブ像に外接する長方形の中心線（図５の１点鎖線参照）に沿ってＬＩＢＳ分析用レーザーが照射されるように、この中心線上かつＴｓ＜Ｘ＜Ｔｅの範囲にある高さデータＺを抽出して、これに比例するアナログ電圧値に変換する。

続いて、制御装置１７は、物体の２Ｄブロブ像に外接する長方形の中心線の位置データＹを抽出してＬＩＢＳ分析装置１５の光学系に含まれるミラーの角度データを設定し、これに比例するアナログ電圧値に変換する（ステップＳ１１０）。その後、ステップＳ１０８で算出されたレーザー照射開始位置のカウント値Ｔｓとレーザー照射停止位置のカウント値Ｔｅを比較値としてカウンタボードに記憶する。また、カウント値Ｔｓを比較値としてＤ／Ａコンバータボードに記憶する（ステップＳ１１１）。

三次元画像カメラ１４によって三次元画像計測がなされた後、物体は、ＬＩＢＳ分析用レーザー照射位置に向かってコンベヤ１１上を搬送され、カウンタボード内のカウンタＣｎ１とＣｎ２のカウント値、Ｄ／Ａコンバータボード内のカウンタＣｎ３は次第に上昇する。これを受けて制御装置１７は、上記のカウンタＣｎ１、Ｃｎ２及びＣｎ３が、それぞれ比較値と一致したかどうかを判別する（ステップＳ１１２）。

制御装置１７は、Ｃｎ１がＴｓに一致した瞬間にレーザー照射を開始する信号を、Ｃｎ２がＴｅに一致した瞬間にレーザー照射を停止するデジタル電圧信号を出力する（ステップＳ１１３）。また、Ｃｎ３がＴｓに一致した瞬間に、レンズ焦点距離を調節するＺアナログ電圧とミラー角度を調節するＹアナログ電圧の出力を開始する。

続いて、ＬＩＢＳ分析装置１５は、制御装置１７から発せられた上記の３種の電圧信号に従ってレーザー光の焦点位置を調節してスペクトルデータを取得し、制御装置１７に伝送する。これを受けた制御装置１７は、スペクトルデータの分光分析を行う（ステップＳ１１４）。その後、制御装置１７は、ステップＳ１１４での分析結果に基づいて、パドルに対して駆動信号を出力し、パドルを上下させることにより物体の落下位置を変えることで、物体の選別を行う（ステップＳ１１５）。

次に、上記したＬＩＢＳ型物体選別装置１０の変形例として、制御装置１７が実施する連続モード制御を、図６及び図７を用いて説明する。

ＬＩＢＳ型物体選別装置１０において、連続モードでは図６の座標系を用いる。ここで、図３の逐次モードの場合と同様に、グレーで示す領域が三次元画像カメラ１４の撮影領域であり、Ｙ方向の座標値は三次元画像カメラ１４により求め、Ｘ方向の座標値と物体Ｗの長さはコンベヤ１１の移動量により求める。また、コンベヤ１１の移動量を求めるにはインクリメンタルエンコーダー１１ｂを用いる。

以下、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０の制御装置１７が実施する連続モード制御における処理フローを、図７を用いて説明する。

制御装置１７は、逐次モード制御の場合と同様に、まず三次元画像カメラ１４及び制御装置１７に内蔵された各種ボードのデータの初期化を行う（ステップＳ２０１）。その後、三次元画像カメラ１４が撮影を開始し、１視野分の撮影が終了すると、制御装置１７内のカメラ入力ボードに三次元画像が転送される（ステップＳ２０２）。このとき、制御装置１７は、画像転送終了直後のカウンタボードのカウント値Ｃｎ１を取得して記憶しておく（ステップＳ２０３）。

続いて、制御装置１７は、あらかじめ取得してある三次元画像データを用いて、ステップＳ２０２で撮像した画像のレンズ中心部と周囲間の高さの歪み（収差）を補正する（ステップＳ２０４）。次に、制御装置１７は、コンベヤ面の高さ（底面）を除去して３Ｄブロブ（ボクセル集合体）を取り出した後、この３Ｄブロブを二次元の二値化画像に再構成する（ステップＳ２０５）。このとき、ボクセルが存在する画素は１、存在しないものは０と置き換える。この二値化画像に対して、任意の回数オープニング・クロージングを繰り返して撮影素子固有のノイズを除去する。

続いて、制御装置１７は、ラベリング処理により画像内の２Ｄブロブ（画素（ピクセル）集合体）の個数と位置を抽出する（ステップＳ２０６）。次に、制御装置１７は、ステップＳ２０６で抽出された２Ｄブロブの個数とユーザが入力する任意の面積を意味するピクセル数とを比較する（ステップＳ２０７）。抽出された２Ｄブロブの個数が設定されたピクセル数未満と判別された場合、抽出された２Ｄブロブはノイズとして排除され、ステップＳ２０２に戻って三次元画像カメラ１４による撮影からやり直す。

続いて、制御装置１７は、ステップＳ２０６で抽出した物体位置に基づいて、ＬＩＢＳ分析装置１５におけるレーザー照射位置を計算する（ステップＳ２０８）。このときの計算動作は、逐次モード制御において図５で説明したものと基本的には同様である。

連続モード制御では、図６に示すように、三次元画像カメラ１４の内部カウント数Ｃｃ［ｍａｘ］、Ｃｃ［ｏｔ］、及び光電センサからＬＩＢＳ分析装置１５内のレーザー照射位置Ｌ２までの距離に相当するカウント数Ｔ’を用いて、レーザー照射位置Ｌ２に対応するカウンタボードのカウント値Ｃｓを次式（１）’で算出する。

ここで、Ｃｎ１、Ｃｃ［ｍａｘ］、Ｃｃ［ｏｔ］については逐次モードと同様の値を用いる。また、Ｔ’は図６において、三次元画像カメラ１４が撮影を開始した位置Ｌ１からＬＩＢＳ分析装置１５内のレーザー照射位置Ｌ２までの距離に相当するカウント数を意味する。

続いて、逐次モード制御の場合と同様に、上記したカウント値Ｃｓから式（２）によってレーザー照射開始位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｔｓを決定し、算出されたカウント値Ｔｓから、ＬＩＢＳ分析装置１５におけるレーザー照射終了位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｔｅを式（３）によって決定し、さらに、１個の物体の測定終了位置に対応するカウンタボードのカウント値Ｃｅを式（４）によって決定する。

図７に示すフローチャートの動作に戻ると、続いて、制御装置１７は、ステップＳ２０８で算出されたレーザー照射開始位置のカウント値Ｔｓとレーザー照射停止位置のカウント値Ｔｅに対応するベルト位置の間に存在する物体の高さデータを抽出し、当該物体高さに対応するＬＩＢＳ分析装置１５のレンズの焦点距離を決定する（ステップＳ２０９）。

続いて、制御装置１７は、逐次モード制御の場合と同様に、ＬＩＢＳ分析装置１５の光学系に含まれるミラーの角度データを設定してこれに比例するアナログ電圧値に変換し（ステップＳ２１０）、ステップＳ２０８で算出されたレーザー照射開始位置のカウント値Ｔｓとレーザー照射停止位置のカウント値Ｔｅを比較値としてカウンタボードに記憶するとともに、カウント値Ｔｓを比較値としてＤ／Ａコンバータボードに記憶する（ステップＳ２１１）。

三次元画像カメラ１４によって三次元画像計測がなされた後、物体は、ＬＩＢＳ分析用レーザー照射位置に向かってコンベヤ１１上を搬送され、カウンタボード内のカウンタＣｎ１とＣｎ２のカウント値、Ｄ／Ａコンバータボード内のカウンタＣｎ３は次第に上昇する。これを受けて制御装置１７は、上記のカウンタＣｎ１、Ｃｎ２及びＣｎ３が、それぞれ比較値と一致したかどうかを判別する（ステップＳ２１２）。

続いて、制御装置１７は、Ｃｎ１がＴｓに一致した瞬間にレーザー照射を開始する信号を、Ｃｎ２がＴｅに一致した瞬間にレーザー照射を停止するデジタル電圧信号を出力する（ステップＳ２１３）。また、Ｃｎ３がＴｓに一致した瞬間に、レンズ焦点距離を調節するＺアナログ電圧とミラー角度を調節するＹアナログ電圧の出力を開始する。

そして、逐次モード制御の場合と同様に、ＬＩＢＳ分析装置１５は、制御装置１７から発せられた上記の３種の電圧信号に従ってレーザー光の焦点位置を調節してスペクトルデータを取得し、制御装置１７に伝送する。これを受けた制御装置１７は、スペクトルデータの分光分析を行う（ステップＳ２１４）。その後、制御装置１７は、ステップＳ２１４での分析結果に基づいて、パドルに対して駆動信号を出力し、パドルを上下させることにより物体の落下位置を変えることで、物体の選別を行う（ステップＳ２１５）。

以上述べてきたように、上記したＬＩＢＳ型物体選別装置１０によれば、コンベヤ１１上を搬送される物体の画像を三次元画像カメラ１４で撮像し、その画像データに基づいて、三次元画像カメラ１４の後流に配置されたＬＩＢＳ分析装置１５から照射されるレーザーの焦点距離を調整するため、比較的弱いレーザー光を高い周波数で繰り返し照射する方式のＬＩＢＳ分析装置１５を用いた場合であっても、コンベヤ１１上を高速移動する物体に対して、ベルト幅方向全域での高精度（高Ｓ／Ｎ比）な選別を行うことが可能となる。

以下、上記したＬＩＢＳ型物体選別装置１０を用いた選別動作のより具体的な実施例について、図８乃至図１３を用いて説明する。

本実施例では、視野内に複数個の２Ｄブロブが検出される場合に対応するため、複数の設定値を一時的に記憶するためにＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）配列変数を用いる。ＬＩＢＳ分析装置１５におけるレーザー照射開始と終了位置に対応するカウント値Ｔｓ、Ｔｅ、及びミラー角度とレンズ焦点距離を制御するための数列をＦＩＦＯ配列変数に入力する。ミラー角度は撮影視野内で物体に対するレーザー照射位置Ｙの軌跡の時系列を、レンズ焦点距離は２Ｄブロブに外接する長方形の中心線上かつＴｓ＜Ｘ＜Ｔｅの範囲にある物体の高さデータＺを、それぞれＤ／ＡコンバータボードのＤ／Ａコンバータ出力電圧範囲に換算したこれらの数列をＦＩＦＯ配列変数に入力する。

図８に、本実施例による装置における信号出力の決定プロセスを示す。カウンタボード１７ｃ及びＤ／Ａコンバータボード１７ｄの両方が出力完了状態である場合、ＦＩＦＯ配列変数からデータを読込み、カウンタボード１７ｃの比較器にＴｓ、Ｔｅ、Ｄ／Ａコンバータボード１７ｄの比較器にＴｓ、ミラー角度とレンズ焦点距離に対応する数列をＤ／Ａコンバータに入力する。

一方、カウンタボード１７ｃ及びＤ／Ａコンバータボード１７ｄの両方が出力完了状態でない場合は、完了するまで待つ。このとき、カウンタボード１７ｃ内でＣｎ１とＴｓを比較器で比較して、一致したらＲ−Ｓフィリップフロップ回路をセット状態にし、Ｃｎ２とＴｅを比較器で比較して、一致したらＲ−Ｓフィリップフロップ回路をリセット状態にする。また、Ｒ−Ｓフィリップフロップ回路がＴｓ−Ｔｅ間に相当するレーザー出力許可信号を出力する。同様に、Ｄ／Ａコンバータボード１７ｄ内でＣｎ３とＴｓを比較器で比較して、一致したらインクリメンタルエンコーダー１１ｂから出力されるパルス信号に同期して、ミラー角度とレンズ焦点距離を制御する電圧信号をＤ／Ａコンバータから出力する。電圧信号の出力が完了したら、後述するタイムアウト検出変数の書込時刻を消去する。

また、ＬＩＢＳ型物体選別装置１０では、一度に多数の物体を処理する際、プログラムの処理能力の限界によりＤ／Ａコンバータから電圧信号が正常に出力されない場合があるため、タイムアウト検出機能を付加することもできる。具体的には、ＦＩＦＯ配列変数に設定値を書込むと同時に、現在時刻もタイムアウト検出変数に書込時刻として保存する。タイムアウトは、タイムアウト検出用変数に書込時刻保存直後から１秒おきに現在時刻と書込時刻を比較し、差が任意秒数を超えた場合に発生する。タイムアウトが発生したら、現在のＦＩＦＯ配列変数とタイムアウト検出変数の書込時刻の消去とカウンタボード、 Ｄ／Ａコンバータボードの初期化を行う。

図９に、ＬＩＢＳ分析装置１５のレーザー照射軌跡を時系列生成するためのステートチャートを示す。ここで、図中に示された変数Ｏｒ、Ｏｓｔ、Ｏｂｓ、Ｏｍ、Ｏｅは、式（２）乃至式（４）の各項に対応するカウント数（移動距離）を意味する。また、図１０には、三次元計測で検知した１個の物体の２Ｄブロブ上に定義した上記変数の具体例を示す。なお、図中の点線は、２Ｄブロブ像に外接する長方形の中心線を意味する。

ここでは、視野内の２Ｄブロブが１個または複数の場合でＯｍの長さの設定法が異なる。視野内の２Ｄブロブが１個の場合は、物体の後部の縁までレーザーを照射するＯｍ、Ｔｅが自動的に選択される。一方、視野内の２ｄブロブが複数の場合は、物体内の任意位置についてＯｍ’、Ｔｅ’を設定する。このように、複数物体の２Ｄブロブが検知された場合の先頭以降のレーザー照射開始の判断基準を図１１と図１２に示す。

なお、視野内の２Ｄブロブが１個の物体の場合はこの判断を行わない。先行する物体Ｗ１の測定終了点ＣｅＡと２個目の物体Ｗ２の測定開始点ＣｓＢの関係で、ＣｓＢ＞ＣｅＡ（ＣｓＢがＣｅＡより後方に位置する）場合は、図１１に示すように、ＣｅＡの測定終了後にＣｓＢも測定する。一方、ＣｓＢ＜ＣｅＡ（ＣｓＢがＣｅＡより前方に位置する）場合は、図１２に示すように、ＣｅＡの測定終了後にＣｓＢは測定しない。

図９のステートチャートに示すように、まずレーザー照射開始の判断を行った後にＬＩＢＳ測定を行う場合は、ミラー角度回転時の静定時間（Ｏｒ）分だけ移動する。ミラー回転後には、ミラーの慣性モーメントによりハンチングが起こる可能性があるため、数画素分の静定時間を設ける。この位置の画素の高さが所定の閾値以下の場合は、高さが閾値以上になる前縁まで移動し続ける（Ｏｓｔ）。

続いて、物体の前縁から任意のカウント数（Ｏｂｓ）分だけ移動してレーザーを照射開始することにより、物体の縁からのレーザー光の乱反射の影響を低減することができる。このとき、視野内で１個の物体を認識した時は、レーザー照射開始位置から物体の後縁（Ｏｍ）まで移動し、複数の物体を認識した時は、レーザー照射開始位置から任意の距離 （Ｏｍ’）移動する。また、ＬＩＢＳ内部処理時間分移動（Ｏｅ）は、ＬＩＢＳと測定プログラムが１個の物体を測定後、次の物体の測定のための準備時間に対応する。

図１３は、１個の物体に対するレーザー照射位置と各信号出力のチャートの例を示す。図１３には、２Ｄブロブ上におけるレーザー照射位置、Ｄ／Ａコンバータボードが出力するアナログ信号（レンズ焦点制御電圧、ミラー角度制御電圧）、カウンタボードが出力するデジタル信号（レーザー許可電圧）、エンコーダーパルス出力の関係が示されている。

図１３において、カウント数はＣｃ［ｏｔ］からＯｅまでの時間（移動距離）を示している。この具体例では、レンズ焦点制御電圧は、−８Ｖがコンベヤ面の高さで−５Ｖが物体の最大高さ、ミラー角度制御電圧は、視野中心が０Ｖ、視野左端が−８Ｖで視野右端が＋８Ｖ、レーザー照射許可電圧は、照射禁止が０Ｖで照射が＋５Ｖとして制御している。また、エンコーダーパルス出力は、コンベヤ１１のベルトが０．５ｍｍ進むと１パルス出力されるので、レーザー照射距離は１６パルス、すなわち８．０ｍｍに相当する。一方、レンズ焦点制御電圧は、レーザー照射許可電圧に連動して出力する。ミラー角度制御電圧は、Ｃｃ［ｏｔ］の検出点で出力開始し、レーザー照射許可電圧が０Ｖになると出力が０Ｖとなる。

図１３に示すようなレーザー出力許可信号とミラー角度とレンズ焦点距離を制御する電圧信号をＬＩＢＳ分析装置１５が受信し、レーザー照射位置に到達した物体にレーザーをライン状に照射してスペクトルを検知して元素成分を測定する。ＬＩＢＳ分析装置１５はインクリメンタルエンコーダー１１ｂが出力するパルス信号に同期して分析用レーザーを照射する。

以上、本発明によるＬＩＢＳ型物体選別装置の実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例又は改変例を見出すことができるであろう。

１０ ＬＩＢＳ型物体選別装置
１１ コンベヤ
１１ａ コンベヤモーター
１１ｂ インクリメンタルエンコーダー
１２ 光電センサ
１３ レーザー投光器
１４ 三次元画像カメラ
１５ ＬＩＢＳ分析装置
１６ パドル
１７ 制御装置
１７ｃ カウンタボード
１７ｄ Ｄ／Ａコンバータボード
１７ｅ カメラ入力ボード

Claims (10)

1. 選別対象物をコンベヤで搬送しながらＬＩＢＳ分析し選別を行うＬＩＢＳ型物体選別装置であって、
   前記コンベヤの進行方向をＸ、幅方向をＹ、高さ方向をＺとすると、
   断面計測用ＹＺ鉛直面での前記選別対象物の断面形状を所定時間毎に繰り返し計測し前記選別対象物の前記コンベヤ上で上面視される上面の空間座標群を前記選別対象物上の基準原点を基準として取得する三次元形状計測手段と、
   レーザー移動用ＹＺ鉛直面内をＹ方向にレーザー光のビーム位置を移動させる幅方向移動手段、及び前記レーザー光のビーム焦点位置を前記レーザー移動用ＹＺ鉛直面内でＺ方向に移動させる高さ方向移動手段を含み、前記選別対象物に前記レーザー光を照射しながら化学組成分析を行うＬＩＢＳ分析手段と、
   前記化学組成分析された前記選別対象物のＺ方向の搬送路を切り替える搬送路切替手段と、をこの順に前記Ｘ方向に沿って設け、更に、
   前記空間座標から選択される分析点を含む分析用ＸＺ鉛直面上にある前記上面の前記空間座標群を求め且つＬＩＢＳ分析する分析区間を決定する演算手段と、
   前記幅方向移動手段に前記分析用ＸＺ鉛直面に前記ビーム位置を移動させ、前記コンベヤの移動量から前記分析用ＸＺ鉛直面に前記分析区間が到達したことを検出すると、前記移動量に対応させつつ、前記高さ方向移動手段に前記分析区間に沿った前記空間座標に前記ビーム焦点位置を移動させて前記選別対象物に前記レーザー光を照射させる制御手段と、を含むことを特徴とするＬＩＢＳ型物体選別装置。
2. 前記三次元形状計測手段は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面の通過を検出してから前記空間座標群を取得するとともに、前記基準原点の前記レーザー移動用ＹＺ鉛直面に到達するまでの前記コンベヤの基準移動量を求め、
   前記制御手段は、前記基準移動量に基づいて前記ビーム位置及び前記ビーム焦点位置の移動をさせることを特徴とする請求項１記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
3. 前記基準原点は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面に最初に到達した位置であることを特徴とする請求項２記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
4. 前記三次元形状計測手段は、前記選別対象物の前記断面計測用ＹＺ鉛直面での断面形状線を映し出すレーザー投光器を備えた三次元画像カメラを含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
5. 前記空間座標群は、前記コンベヤ上で上面視される前記上面の画像のピクセルに対応することを特徴とする請求項４記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
6. 前記コンベヤは駆動モーターの回転量に対応してパルス信号を出力するインクリメンタルエンコーダーを有し、前記制御手段は前記パルス信号に対応したカウンタ数と前記画像の前記ピクセルとを対応させて前記分析区間に沿って前記レーザー光を照射させることを特徴とする請求項５記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
7. 前記幅方向移動手段及び前記高さ方向移動手段は、前記レーザー光の光学系のミラー角度とレンズ焦点距離を制御することを特徴とする請求項６記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
8. 前記選別対象物は前記Ｙ方向で互いの一部を並置させる複数個からなり、前記演算手段は前記選別対象物の各々について前記Ｙ方向で並置しないように前記分析区間を決定することを特徴とする請求項３記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
9. 前記三次元形状計測手段の前記Ｘ方向の上流には、前記選別対象物の搬送を検知する搬送検知手段を有し、前記搬送検知手段は前記三次元形状計測手段の動作を開始させることを特徴とする請求項８記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。
10. 前記搬送検知手段は光電センサを含むことを特徴とする請求項９記載のＬＩＢＳ型物体選別装置。