NL9000565A - Inrichting voor het sorteren van vruchten. - Google Patents

Description

Inrichting voor het sorteren van vruchten.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het sorteren van vruchten, in het bijzonder appels, op een transportbaan, voorzien van een in hoofdzaak loodrecht op de transportrichting opgesteld optisch stelsel met ten minste een lichtbron voor het belichten telkens van elke vrucht, tenminste een volgens de reflectieas van het optische stelsel opgenomen kleurfilter en daarbij behorende lichtdetectoren, waarbij de vruchten tijdens de rechtlijnige translatie op de transportbaan elk afzonderlijk door rotatiemiddelen om hun horizontale as worden geroteerd, en twee onder een hoek met de genoemde reflectieas van het optische stelsel opgestelde, extra lichtdetectoren voor detectie van vruchtsteel en -kelk, en een stuur- en verwerkingseenheid. Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4645080.

In het algemeen wordt bij dergelijke inrichtingen een spectrale analyse gemaakt van de kleur van het vruchtoppervlak teneinde een indruk te krijgen van de graad van rijpheid en van oppervlaktedefecten zoals scheuren, beurse plekken en dergelijke. Het is hierbij bekend dat een evaluatie van de verschillende kleurspectra de rijpheid en kwaliteit weergeeft door uit te gaan van ten minste drie spectrale golf banden, n.l. de chlorofylband, de rode rijpingsband en de nabije-infraroodband. Bij dergelijke onderzoekingen zijn de reflecties van de steel en kelk of kroon van vruchten, zoals appels, een afzonderlijk probleem daar deze spectrale reflecties ononderscheidbaar lijken te zijn van die van de meeste defecten. Bij vele bekende inrichtingen worden dientengevolge de steel en kelk als defecten gewaardeerd daar het bij de meeste bij benadering ronde vruchten niet mogelijk is, de steel en kelk buiten het gezichtsveld van het optische stelsel te houden.

Bij de uit bovengenoemd Amerikaans octrooischrift bekende inrichting worden deze bolvormige vruchten over een transportbaan zowel lineair getransleerd als om een horizontale as in het verticale transport-langsvlak geroteerd. Met een dwars boven de transportbaan opgesteld optisch stelsel wordt de daaronder voortbewogen vrucht vanuit twee zijden telkens met een afzonderlijke lichtbundel aangestraald. Met behulp van een in het optische stelsel opgenomen hoofdlichtdetector wordt een deel van het door de vrucht gereflecteerde licht, in hoofdzaak het omhoog gestraalde deel, via een lenzensysteem opgenomen. In het ten opzichte van de transportbaan verticaal gelegen dwarsvlak zijn twee extra lichtdetectoren onder een hoek ten opzichte van de optische as van het optische stelsel geplaatst teneinde het van de twee tegenovergestelde zijden van de vrucht gereflecteerde licht, dat niet door de hoofdlichtdetector wordt waargenomen, afzonderlijk op te nemen. Elke lichtdetector geeft een uitgangssignaal af representatief voor de helderheid c.q. donkerheid van de zijkanten van de vrucht. De detectie van steel en kelk bij elke extra lichtdetector berust op een afname in de intensiteit van het diffuse reflectielicht. De beide extra lichtdetectoren zullen derhalve de steel en kelk, wanneer deze in het gezichtsveld van de extra lichtdetectoren zijn, als een donkere vlek zien, en het signaal van de hoofdlichtdetector wordt niet gewijzigd daar deze hoofddetector de steel- en kelkeinden niet waarneemt. Wanneer echter de steel en kelk niet in het gezichtsveld van de beide extra lichtdetectoren liggen, moet het signaal van de hoofdlichtdetector wel worden gewijzigd om de effecten van steel- en kelkeinden te elimineren. Deze opzet van verwerking van steel- en kelkdetectie is vrij omslachtig. Een verder nadeel bij deze inrichting is de grote hoeveelheid lichtenergie welke nodig is om de vrucht met twee verschillende lichtbundels van twee kanten aan te stralen. Aangezien door de scheve lichtinval aan beide zijden van de vrucht bij de daarop volgende reflectie veel licht verloren gaat moet met een grote hoeveelheid licht worden gewerkt.

De uitvinding beoogt dit nadeel te ondervangen en een meer rendabele inrichting te verschaffen voor het sorteren van vruchten, in het bijzonder die vruchten, zoals appels, die een plaatselijk relatief grotere kromming aan hun steel en kelkeinden hebben.

Dit wordt bij een inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt, dat het optische stelsel is uitgevoerd met één lichtbundel die in hoofdzaak dwars op de transportrichting en loodrecht invalt op het vruchtoppervlak, dat het optische stelsel is voorzien aan de zijde van de lichtbron van een eerste polarisator en aan de zijde van de reflectieas van een tweede polarisator teneinde spiegel-reflectielicht tegen te houden en diffuus reflectielicht door te laten, en dat de optische assen van de twee extra lichtdetectoren in het verticale langsvlak van de transportbaan zijn gelegen en elkaar bij benadering snijden in het invalsvlak van de lichtbundel.

Bij deze uitvoering volgens de uitvinding kunnen met voordeel in het algemeen bolvormige vruchten met een relatief grotere kromming aan de steel en kelkeinden goed worden gesorteerd met behulp van de twee als hellingdetectoren aangeduide, extra detectoren.

Een verdere uitvoering volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de beide extra lichtdetectoren met hun optische assen onder zulk een hoek ten opzichte van de genoemde reflectieas zijn opgesteld dat zij bij een translerende en roterende vrucht, wanneer die een normaal gekromd vruchtoppervlak heeft, bij benadering gelijke hoeveelheden diffuus reflectielicht ontvangen maar wanneer die plaatselijk een sterker gekromd vruchtoppervlak heeft, onderling sterk verschillende hoeveelheden spiegelreflectielicht ontvangen waardoor via de stuur- en verwerkings-eenheid uit de detectoruitgangssignalen een duidelijk quotientsignaal wordt verkregen.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een schematisch overzicht geeft van de functionele opbouw van de inrichting volgens de uitvinding; fig. 2a en 2b een voorbeeld geven van een roterende vrucht en van de bijbehorende lichtreflectie op één of beide extra detectoren; fig. 3a en 3b een voorbeeld geven van het quotientsignaal van de beide hellingdetectoren; en fig. 4a en 4b nog een voorbeeld geven van het quotientsignaal van beide hellingdetectoren.

In fig. 1 is met 1 de in het algemeen volgens de pijl translerende transportbaan aangegeven, welke voorzien is van aangedreven rollers 2 om elke vrucht tijdens de translatie om een horizontale as te doen roteren. De snelheden van translatie en rotatie zijn zodanig ingesteld dat het grootste deel van het vruchtoppervlak is blootgesteld aan de lichtbundel van het optische stelsel. Het in het algemeen met 3 aangegeven optische stelsel bevat een lichtbron 4 die via een lenzenstelsel 5 en een eerste polarisator 6 licht afgeeft aan een prisma 7· Het door het vlak van het prisma 7 afgegeven licht valt loodrecht of verticaal in op het vruchtoppervlak van de onder het optische stelsel draaiende vrucht waarvan de kleur en oppervlaktekwaliteit moeten worden gedetecteerd. Het op de vrucht invallende licht kan de vorm van een kegelbundel hebben die het naar het optische stelsel toegekeerde halve-bolvormige oppervlak van de vrucht belicht. Met voordeel kan het invallende licht, middels een cilinderoptiek in het lenzenstelsel, tot een spieetvormige lichtbundel zijn geconcentreerd die dwars op de transportrichting staat. Hierdoor kan het spieetvormige invalsvlak met meer intensiteit worden belicht dan wanneer het gehele halve-bolvormige vruchtoppervlak zou worden belicht. Doordat in het optische stelsel de assen van het belichtingssysteem en van het detectiesysteem samenvallen, d.w.z. loodrechte lichtinval, zullen er geen schaduwen op het vruchtoppervlak worden geworpen. Tevens is de positie van het object, d.w.z. het vruchtoppervlak, dan niet langer kritisch.

Een deel van het teruggekaatste licht plant zich langs de met de as van de eerder genoemde invallende bundel samenvallende reflectieas en valt in op een afbeeldingslens 8 met een daarachter opgenomen tweede polarisator 9. Daar deze tweede polarisator een ten opzichte van de eerste polarisator 90° verschillende polarisatierichting heeft zal het door spiegelreflectie gereflecteerde licht worden tegengehouden en het door diffuse reflectie gereflecteerde licht worden doorgelaten aangezien de polarisatie van dit laatste licht ten gevolge van de diffuse reflectie zijn oorspronkelijke polarisatierichting heeft verloren. Het gaat juist om dit diffuus gereflecteerde licht, dat relatief veel kleurinfor-matie bevat, en niet om het spiegelreflectielicht dat vrijwel geen kleurinformatie bevat.

Achter de tweede polarisator is een hoogdoorlaat kleurfilter 10 opgenomen dat alleen het spectrum boven ca. 500 nm doorlaat. Vervolgens zijn resp. een eerste dichroïtische deelspiegel 11 met kantelpunt ca. 600 nm en een tweede dichroïtische deelspiegel 12 met kantelpunt ca. 680 nm opgenomen die resp. licht in de band 500-600 nm en licht in de band 600-680 nm via de afbeeldingslenzen 17 en 18 doorlaten naar de lichtdetectoren 13 en 14. Aan het einde van de lichtbaan is een band-filter 15 opgenomen om licht in de band van ca. 730-800 nm in het nabije infraroodgebied via de afbeeldingslens 19 door te laten naar de lichtdetector 16. Het afsnijden bij 800 nm is nodig daar, bij toepassing van CCD-arrays als detector, bij langere golflengten overspraak tussen de dioden optreedt. De lens 8 in combinatie met de lenzen 17, 18, 19 verzorgt de afbeelding van het spieetvormige objectoppervlak op de respectieve detectoren 13, 14 en 16.

De snelheden van translatie en van rotatie van de vruchten worden op verder niet-aangegeven wijze resp. gesynchroniseerd onder besturing van de synchronisatie-schakeling 21 waarop eveneens de detectorsynchro-nisatie 22 is aangesloten. Met 23 is een transportdetector aangegeven. Met 24 is een verdere verwerkingsschakeling aangegeven waarop alle detectoren zijn aangesloten. De schakelingen 21, 22 en 24 maken deel uit van de stuur- en verwerkingseenheid 25 van de inrichting.

Door van twee verschillende lichtdetectoren, die via kleurfilters op wezenlijk verschillende spectraalbanden van het gereflecteerde licht zijn ingesteld, de door hen af gegeven spanningen op elkaar te delen wordt een quotientsignaal verkregen waarvan de grootte afhankelijk is van de kleur van de gedetecteerde vrucht. De grootte van het quotient-signaal, d.w.z. de verhouding van de twee uitgangsspanningen, is niet meer afhankelijk van de totale lichthoeveelheid die de detectoren bereikt, doch uitsluitend van de spectrale samenstelling van het gereflecteerde licht zodat een detectie-inrichting wordt verkregen met zeer groot dynamisch bereik. Het is zoals gesteld bekend dat de verhouding van de uitgangssignalen van de detectoren 13, 14, die de rijpingskleurs-tof/chlorofyl - concentratieverhouding weergeven, in het algemeen een zeer bruikbare maat van de rijpingstoestand van de verschillende vruchten voorstelt. Dit is consistent met het gegeven dat tijdens rijping de chlorofyl ontleedt en de rijpingskleurstoffen zich opbouwen.

De aanwezigheid van defecten in het vruchtoppervlak gaat in het algemeen vergezeld van een chemische ontleding van de verschillende kleurstoffen in het schiloppervlak. De verschillende typen van defecten hebben een duidelijke neiging tot een lage reflectie in het nabije infrarode golfgebied. Daarom kunnen de meeste defecten door hun lage reflectie in het infrarode gebied in absolute zin duidelijk worden onderscheiden. Dit onderscheid zal nog duidelijker zijn wanneer deze lage reflectie van een defect wordt gerelateerd aan de hogere reflectie van de gezonde schil in de directe omgeving. Met behulp van de derde detector 16 zal dit afzonderlijk kunnen worden gedetecteerd.

De chlorofylpiek zal in het algemeen, zoals bekend, rond 550-570 nm liggen. Uit de stand van de techniek, zoals het Amerikaanse octrooi-schrift 4476982, is gebleken dat van de rijpingspiek wordt aangenomen dat deze altijd rond 680 nm ligt, n.l. rond de absorptiepiek of dip in de chlorofylreflectiekromme. Het is nu volgens de uitvinding verrassenderwijs gebleken dat de rijpingspiek rond 640 nm ligt. Hierbij is het bij de onderhavige uitvoering volgens de uitvinding mogelijk om, ten behoeve van de totale kleurwaardering, met slechts twee meetresultaten te werken, n.l. die van de groene-band/rode-band verhouding en de na-bije-infrarode band. Dit is in tegenstelling tot de uitvoering uit het genoemde Amerikaanse octrooischrift, waar drie meetresultaten nodig zijn.

In het optische stelsel zijn de lichtdetectoren 13» 14 en 16 bij voorkeur lineaire fotodiodearrays die een smalle lijnvormige strook van het vruchtoppervlak aftasten die samenvalt met de invalsstrook van de spieetvormige lichtbundel.

De houtachtige steel en de verdorde kelkbladen zullen in het algemeen een spectrale reflectie hebben die gelijkt op die van bruinachtige defecten, zoals scheuren en beurse vlekken. Daarom zullen ten onrechte steel en kelk als defecten worden gewaardeerd. Daar de vorm van sommige vruchten, zoals appels of sinaasappels, sterk variabel is, is het onmogelijk gebleken om een transportbaan te ontwerpen die steel en kelk buiten het gezichtsveld van het optische stelsel houden. Daarom zijn in de bekende stand van de techniek twee aparte detectoren toegepast met de daarbij behorende en beschreven nadelen.

Nu is bij vele soorten vruchten, zoals appels en dergelijke, het oppervlak van de vrucht in de nabijheid van steel en kelk meer gekromd dan op elk ander deel van het oppervlak. Hier wordt bij de uitvinding met voordeel gebruik van gemaakt.

In de inrichting volgens de uitvinding zijn nu de twee extra licht-detectoren 20, 21, zoals twee enkelvoudige fotodioden, opgenomen onder een hoek van bijvoorbeeld 50° met de optische stelselas in het verticale vlak dwars op de transportbaan, van welke detectoren de optische assen elkaar bij benadering snijden in het lichtinvalsvlak op de vrucht. Zoals in fig. 2a is aangegeven zullen beide detectoren, bij translatie en rotatie van de vrucht, diffuus gereflecteerd licht van het normaal gekromde vruchtoppervlak ontvangen (het spiegelreflectielicht volgt in hoofdzaak de loodrechte reflectie-as). Maar wanneer de sterk gekromde oppervlakken van de steel bijvoorbeeld door de belichte strook bewegen, zal de spiegelreflectie sterk worden afgebogen en hierbij eerst over de detector 21 en opvolgend over de detector 20 zwaaien. Het door de stuur-en verwerkingseenheid 25 uit de uitgangssignalen van deze hellingdetec-toren afgeleide quotientsignaal zal bij detectie van deze hellingen dan een pulsvorm verkrijgen in tegenstelling tot bij de detectie van het normaal gekromde oppervlak waar het quotientsignaal in het algemeen weinig varieert.

In principe zou het detectiesysteem van steel- en kelkeinden met behulp van één fotodiode kunnen functioneren. Het toepassen van twee detectoren heeft echter als belangrijk voordeel dat het quotiënt van beide signalen kan worden genomen, waardoor variaties in lichtintensiteit (veroudering lichtbron, vervuiling systeem, e.d.) en variatie in helderheid van het oppervlak van het object worden geëlimineerd.

Fig. 3a en 3b tonen het quotientsignaal in de gevallen dat steel en kelk buiten resp. binnen het gezichtsveld van het optische stelsel bewegen. De schommelingen in het signaal van fig. 3a zijn een gevolg van de typische vorm van de in dit geval genomen voorbeeld, d.i. een Golden Delicious appel die op zijn omtrek een aantal "ribben" heeft. Het signaal is gedurende bijna twee omwentelingen van de vrucht gevolgd.

Duidelijk zijn in fig. 3b de geprononceerde pieken bij hellingdetectie van steel en kelk te zien. De pieken treden om de 180° op. Dit wordt in het algemeen niet verwacht wanneer steel en kelk buiten het optische gezichtsveld blijven.

Fig. 4a en 4b tonen een ander voorbeeld van het quotientsignaal in de gevallen dat steel en kelk buiten resp. binnen het gezichtsveld van het optische stelsel bewegen. In fig. 4a vertoont het quotientsignaal een duidelijke ribbe afkomstig van één uitgesproken "ribbe" in deze Golden Delicious appel. In fig. 4b zijn weer de geprononceerde pieken bij hellingdetectie van steel en kelk te zien.

Wanneer nu kelk en steel zich opvolgend door het gezichtsveld van het optische stelsel bewegen en hierbij de derde detector twee defect-signalen afgeeft die een gevolg zijn van twee "defecten” die l80e aan het vruchtoppervlak uit elkaar liggen en welke defectsignalen optreden op momenten, dat de hellingdetectoren in hun quotientsignaal een duidelijke piek vertonen, kunnen de genoemde defectsignalen worden genegeerd. Hiertoe zijn vanzelfsprekend snelheidsgegevens van de translatie en rotatie van de vruchten vereist.

Hoewel de uitvinding aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld met appels is beschreven zal het duidelijk zijn dat zij ook kan worden toegepast bij andere vruchten met een kromming nabij steel en kelk, zoals tomaten, pruimen, enz.

Claims (7)

1. Inrichting voor het sorteren van vruchten, in het bijzonder appels, op een transportbaan, voorzien van een in hoofdzaak loodrecht op de transportrichting opgesteld optisch stelsel met ten minste een lichtbron voor het belichten telkens van elke vrucht, tenminste een volgens de reflectieas van het optische stelsel opgenomen kleurfilter en daarbij behorende lichtdetectoren, waarbij de vruchten tijdens de rechtlijnige translatie op de transportbaan elk afzonderlijk door rotatiemiddelen om hun horizontale as worden geroteerd, en twee onder een hoek met de genoemde reflectieas van het optische stelsel opgestelde, extra lichtdetectoren voor detectie van vruchtsteel en -kelk, en een stuur- en verwerkingseenheid, met het kenmerk, dat het optische stelsel is uitgevoerd met één lichtbundel die in hoofdzaak dwars op de transportrichting en loodrecht invalt op het vruchtoppervlak, dat het optische stelsel is voorzien aan de zijde van de lichtbron van een eerste polarisator en aan de zijde van de reflectieas van een tweede polarisator teneinde spiegel-reflectielicht tegen te houden en diffuus reflectielicht door te laten, en dat de optische assen van de twee extra lichtdetectoren in het verticale langsvlak van de transportbaan zijn gelegen en elkaar bij benadering snijden in het invalsvlak van de lichtbundel.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide extra lichtdetectoren met hun optische assen onder zulk een hoek ten opzichte van de genoemde reflectieas zijn opgesteld dat zij bij een translerende en roterende vrucht, wanneer die een normaal gekromd vruchtoppervlak heeft, bij benadering gelijke hoeveelheden diffuus reflectielicht ontvangen maar wanneer die een plaatselijk sterker gekromd vruchtoppervlak heeft, onderling sterk verschillende hoeveelheden spiegelreflectielicht ontvangen waardoor via de stuur- en verwerkingseenheid uit de detectoruitgangssignalen een duidelijk quotientsignaal wordt verkregen.

3· Inrichting volgens conclusie 2, waarbij in de genoemde reflectieas is voorzien in eerste en tweede kleurfilters die zijn afgesteld op de kleurspectra resp. voor groene chlorofylgebieden en voor rode rij-pingsgebieden, waarbij uit de uitgangssignalen van de bijbehorende eerste en tweede lichtdetectoren via de stuur- en verwerkingseenheid een quotientsignaal wordt verkregen, en een derde kleurfilter met bijbe- horende derde lichtdetector voor detectie van het nabije infrarode spectrum van defecten aan het vruchtoppervlak, met het kenmerk, dat de stuur- en verwerkingseenheid zodanig is uitgevoerd dat het quotient-signaal van de beide extra lichtdetectoren en het uitgangssignaal van de derde lichtdetector worden gecorreleerd opdat, bij waarneming van twee defecten die 180° aan het vruchtoppervlak uit elkaar liggen en waarvan de defectsignalen in de tijd samenvallen met steel- en kelkdetectie van de extra lichtdetectoren, de bijbehorende defectsignalen van de derde lichtdetector worden genegeerd.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het optische stelsel is uitgevoerd om een spieetvormige lichtbundel af te geven.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk. dat de eerste, tweede en derde lichtdetectoren lineaire fotodiode-arrays zijn die lijnvormig het vruchtoppervlak aftasten.

6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de twee extra lichtdetectoren enkelvoudige fotodioden zijn.

7. Inrichting volgens conclusie 3. waarin het kleurfilter van het groene chlorofylgebied is gekozen zodat het te detectoren deel van het spectrum van dit gebied rond 570 nm ligt, met het kenmerk, dat het kleurfilter voor het rode rijpingsgebied zodanig is gekozen dat het te detecteren deel van het spectrum van het genoemde rijpingsgebied in het interval 620-660 nm, in het bijzonder rond 640 nm, ligt.