NO329603B1

NO329603B1 - Fremgangsmate og system for maling og bestemmelse / gjenkjenning av ulike materialer

Info

Publication number: NO329603B1
Application number: NO20075984A
Authority: NO
Inventors: Renato Bugge
Original assignee: Integrated Optoelectronics As
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2010-11-22
Also published as: NO20075984L; EP2214843A1; US20100290032A1; WO2009075580A1; EP2214843A4

Abstract

Fremgangsmåte og system for å måle og bestemme/gjenkjenne et eller flere objekter av ulike typer plast, ulike typer stoff eller klær, ulike typer glass, ulike typer mat/matvarer, ulike typer papp/papir/ treprodukter og/eller ulike typer metaller eller lignende materialer. Fremgangsmåten omfatter å se på det reflekterte, det spredte og/eller det transmitterte lyset fra laseren igjennom materialet, og bestemme typen materiale ut ifra dette.

Description

Fremgangsmåte og system for måling og bestemmelse/gjenkjenning av ulike materialer

Oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for måling/avbildning og bestemmelse/ gjenkjenning av et objekt av plast, stoff, mat, papir, glass og/eller metall eller lignende ved bruk av en avstembar laser, spesielt for bruk i forbindelse med sortering. Objekter av ulike typer plast, stoff, mat/matvarer, papir, glass og/eller metall eller lignende kan gjenkjennes ved å se på den spektrale informasjonen som materialet gir, fortrinnsvis innenfor bølgelengdeområdet l-10um. Dette gjøres ved å se på det reflekterte, det spredte og/eller det transmitterte lyset fra laseren igjennom materialet, og bestemme typen materiale ut ifra dette. Det er viktig at man benytter en laser for å få mest mulig lys (spesielt ved lav refleksjon), samt velger riktig bølgelengdeområde for å best mulig kunne gjenkjenne de ulike materialene.

For å danne et romlig bilde av materialene kan man benytte et linjeskanneroppsett der laseren beveges frem og tilbake over målet i en akse (x-akse). Dette kan kombineres til et 2-dimensjonalt bilde av objektene/materialene ved at disse transporteres forbi skannlinjen (x-aksen) langs en akse (y-aksen) som danner en vinkel med x-aksen. Fortrinnsvis er denne vinkelen 90 grader.

Bakgrunn

Måten man måler materialer med lys på er å benytte bølgelengder som har absorpsjon, transmisjon eller refleksjon av det gitte materialet. Dette gjøres i dag vanligvis med et kamera i

infrarødt eller synlig område i kombinasjon med en lyskilde og evt. et optisk filter [1]. Slike kamera kan være svært dyre da de benytter store spesialsensorer i InGaAs eller lignende materialer [1]. De kan heller ikke sveipe det optiske spekter for å få detaljert spektral informasjon om objektet, men må enten benytte prisme for å spre lyset over flere sensorer eller optiske filtre. Dette reduserer mengden intensitet/bølgelengde og begrenser både hastighet, spektral oppløsning, samt hvilken spektral metode som kan benyttes (refleksjon).

Vi viser her et system som har den lave kostnaden til visuelle kameraer, men med en nøyaktighet og hastighet som overgår termiske/infrarøde kamera ved bruk av en sveipbar laser, fortrinnsvis i det infrarøde området mellom 1-lOum. Strålingen fra laseren benyttes til å måle de ulike materialene ved å spektroskopisk sveipe den mellom ulike bølgelengder for på den måten å gjenkjenne disse ved de ulike absorpsjons-, refleksjons- og/eller transmisjonsspektrene disse har.

Til sammenligning med et infrarødt kamera eller annet filterbasert spektroskopisk system [1], kan en sveipbar laser gi nøyaktig spektral informasjon som består av opp til titalls, hundretalls eller tusentalls målepunkter i spekteret. Dette er i kontrast til et kamera som enten må benytte et optisk filter for hvert punkt, evt. benytte et annet spektralt skillende element som optisk prisme eller gitter for å spre lyset, og på den måten måle de ulike komponentene. For både kamera-baserte og array-baserte spektroskopiske fremgangsmåter vil dette gi en begrensning i hastighet da mengden lys vil avta med antallet målepunkter (de må deles opp og får bare 1/n'te del lys for n målepunkter).

For et laserbasert spektroskopisk system vil mengden lys alltid være den totale mengden lys som kommer ut av laseren, pluss bakgrunnslys. En detektor vil således kunne benyttes i hele sitt dynamiske område da intensiteten er høyere enn det som kan fås fra prisme/gitter-baserte systemer. Dette virkeliggjør høye hastigheter da laseren kan pulses opp til MHz- og noen tilfeller GHz-regimet for å øke det dynamiske området, samt frekvensfiltrere signalet for å øke signal-/støy-forholdet. Ved å kombinere dette med enten en-akse linjeskanning eller et optisk element for å spre lyset over en linje, kan man danne et endimensjonalt bilde av objektet/ene som skal analyseres og sorteres.

Fra US 6 509 537 er det kjent en fremgangsmåte og en anordning for deteksjon av og differensiering mellom råmaterialer, farger og forurensing i granulat-liknende eller tablettformede substanser.

US 5 449 036 beskriver en anordning og en prosess for dynamisk inspeksjon av overflaten til objekter, slik som tre, tekstiler og glass.

Fra US 5 448 359 er det kjent benyttelse av fokallengde fra en fokusert laser til å måle høyde på objekter, og evt. form.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å vise design og en fremgangsmåte for å lage et laserbasert system for analyse og sortering av ulike typer plast, stoff, mat, papir, ulike typer glass og/eller ulike typer metaller ved bruk av en avstembar laser, fortrinnsvis en sveipbar infrarød laser. Det er også et formål at denne fremgangsmåten skal være sikker, samt at den skal kunne benyttes for ulike typer lasere.

Det er også et formål med oppfinnelsen å skape en raskere og mer nøyaktig løsning enn tidligere kjente løsninger.

Oppfinnelsen

Fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Fordelaktige trekk ved fremgangsmåten er angitt i patentkrav 2-13.

Et system for materialanalyse og sortering er angitt i patentkrav 14. Fordelaktige trekk ved systemet er angitt i patentkrav 15-28.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli mer detaljert beskrevet med henvisning til de vedlagte figurene, hvor

Fig. 1 viser et eksempel på en første utførelse i samsvar med oppfinnelsen,

Fig. 2 viser et eksempel på en alternativ utførelse av transmisjonen i Fig. 1,

Fig. 3 viser eksempel på en alternativ utførelse for opptak av det spredte laserlyset i Fig. 1,

Fig. 4 viser eksempel på en alternativ utførelse av Fig. 1,

Fig. 5 viser eksempel på en alternativ utførelse av Fig. 1 eller Fig. 4,

Fig. 6 viser refleksjonsspektra for brun papp, farget papp, hvitt papir, aluminiumsfolie, kobber, dataflatkabel og engangsklut,

Fig. 7 viser spekulær refleksjon fra en CD-plate,

Fig. 8 viser transmisjon gjennom ulike gjennomsiktige materialer,

Fig. 9 viser transmisjon gjennom en engangshanske,

Fig. 10 viser 2-dimensjonal skanning av objekter for sortering,

Fig. 11 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning av objekter for sortering,

Fig. 12 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning av objekter for sortering som vist i Fig. 11, Fig. 13 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning av objekter som vist i Fig. 12, Fig. 14 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning av objekter som vist i Fig. 12,

Fig. 15 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning som vist i Fig. 12,

Fig. 16 viser en alternativ utførelse for 2-dimensjonal skanning som vist i Fig. 15,

Fig. 17 viser måling av ulike materialer i systemet som er vist i Fig. 16,

Fig. 18 viser eksempel på skanning med detektor,

Fig. 19 viser skanning med detektor som vist i Fig. 18, men med y-akse skann, og

Fig. 20 viser ulike organiske materialer med lav refleksjon.

For å lage et optisk system til gjenkjenning av ulike materialer, innhenter man spektral informasjon ved å avstemme en infrarød laser slik at den optiske responsen til materialet kan registreres. I det henseende er det tre fremgangsmåter som kan benyttes, alle basert på at man belyser objektet med den avstembare laseren, men med litt ulik oppsett av systemet og de data som innhentes: 1) En første fremgangsmåte baserer seg på at man ser på tilbakereflektert laserlys, dvs. en spekulær refleksjon som gir høyt signal når objektet sprer lite lys og har blank overflate som sender mye lys tilbake. Eksempel på slike objekter er blanke, malte overflater; polert metall; metallfolie; metallisert glass osv. De materialene som reflekterer infrarødt lys mest er metall, mens malte overflater kan ha ulike refleksjonskoeffisienter der enkelte bølgelengder reflekteres mye. Glass vil på samme måte reflektere mye, men borosilikat glass har en absorpsjons-avhengighet for bølgelengder >~1.7u.m som gjør at dette kan gjenkjennes (se Fig. 8).

Blanke plastflater reflekterer også en del lys, men plast har organiske forbindelser som gir dem en meget distinkt refleksjonsavhengighet i det infrarøde område. Ved å avstemme laseren over flere bølgelengder kan man avlese dette "fingeravtrykket" som er distinkt for hver type plast. På den måten vil det være mulig å sortere veldig mange typer plast, ikke bare etter farge, men også etter type. Felles for plast er at ikke alle bitene er like blanke, og at den spekulære refleksjonen kan derfor variere stor grad i intensitet.

Andre materialer som tre, papp og papir gir minimalt med spekulær refleksjon såfremt det ikke er malte treflater. Plast kan også være malt, men mesteparten er støpt, og siden det er billigere å tilsette fargen direkte i plasten, er dette mindre vanlig.

Fig. 6 viser reflektert lys fra ulike materialer.

2) En andre fremgangsmåte baserer seg på spredt lys, dvs. lys fra overflater som ikke er blanke, men som sprer det i alle retninger ved uregelmessigheter i overflaten. Dette er objekter og materialer som gir lite tilbakereflektert lys (som benyttes i fremgangsmåte 1), og de to fremgangsmåtene er derfor komplementære for å se objekter med ulik grad av refleksjon. Som for første fremgangsmåte kan metaller spre mye lys hvis de ikke er blanke. Denne spredningen er mindre bølgelengdeavhengig enn andre materialer, og vil være stor hvis man har en matt metallisk overflate. Matt glass og plast gir også mye spredning, men på samme måte som diskutert over, er bølgelengdeavhengigheten mer distinkt, spesielt ovenfor plast som har organiske bindinger. I

motsetning til fremgangsmåte 1, vil tre, papp og papir gi mye lys for fremgangsmåte 2, som derfor også kan benyttes til å skille ulike typer tre, papp og papir. Ved å kombinere fremgangsmåte 1 og 2 kan man derfor få et godt analysegrunnlag for både metall, glass, plast, tre og papir/papp, slik at man kan sortere hundrevis av typer til gjenvinning, og minimaliserer innblanding av ulike typer materialer i hverandre.

Figur 6 viser reflektert lys fra ulike materialer.

3) En tredje fremgangsmåte baserer seg på transmittert lys i objektene. Dette er viktig for de materialer som har stor gjennomskinnelighet i det infrarøde område. Nå er det slik at det er svært få materialer som ikke reflekterer lys innenfor ett eller flere infrarøde områder, men der det er

tilfelle vil man ha mulighet til å skille de som er belagt med andre materialer og de som ikke er det. Eksempelvis er brusflasker delvis gjennomskinnelige i noen infrarøde områder, og man kan således se om de har påklistret etikett eller om de inneholder noe ved retur. Ettersom brusflasker også vil

reflektere/spre en del lys, kan fremgangsmåte 3 kombineres med fremgangsmåte 1 og/eller fremgangsmåte 2 for å nøyaktig bestemme materialtype, innhold og etikett.

Figur 8 viser transmittert lys igjennom ulike materialer.

Alle disse fremgangsmåtene gir informasjon om materialet som laserstrålen treffer. Ettersom det i industrien vanligvis benyttes transportbånd med flere objekter, eller objekter av større størrelse, kan man sveipe laseren over en akse slik som beskrevet i Figurene 1 til 4. Til felles for disse løsningene er at man benytter en avstembar laser, et roterende speil og en eller flere optiske detektorer som kan måle lyset fra laseren. Ettersom speilet i Figur 1 til 4 roterer, vil laserstrålen treffe ulike deler av objektet (se Figur 3 som viser to ulike speilposisjoner). Ved å pulsere laserlyset som benyttes, kan man romlig løse opp objektet i datapunkter ettersom strålen beveger seg. Det minste punktet som kan oppløses vil være gitt av bredden på laserstrålen, og man kan således sette sammen alle punktene til et 1-dimensjonalt bilde av objektet når strålen har beveget seg over dette. Systemet er således en 1-dimensjonal skanner.

For å få et mer komplett bilde av objektet/ene, kan man enten benytte et bevegelig speil nr. 2 for å sveipe den andre aksen, eller benytte et rullende bånd der objektene beveger seg forbi den 1-dimensjonale skanneren. Ved å skanne gjentagende over objektet kan man således få satt sammen et 2-dimensjonalt bilde av flere 1-dimensjonale skann, da objektet beveger seg en gitt avstand mellom hvert skann. Figur 10 viser en slik utforming.

Et tredimensjonalt skann kan også oppnås ved å benytte flere detektorer, dvs. et array som måler posisjonen på refleksjonspunktet til laseren (høyde på objektet, z-akse). Ved å bytte ut detektoren i Figur 4 med et stasjonært array og sette denne konfigurasjonen inn i Figur 11 vil man kunne måle både x-akse (skanning), z-akse (detektor-array) og y-akse (bevegelse i transportbånd).

Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nå bli mer detaljert beskrevet ved hjelp av eksempler.

For å lage et system for gjenkjenning og bestemmelse av ulike materialer er det kombinert spekulær refleksjon, diffus refleksjon og transmisjon med en laserbasert lyskilde 11 slik som gitt i

Figur 1-5 og Figur 10-15.

Objektene 10a-c blir belyst av det infrarøde laserlyset som reflekteres av det roterende speilet 12 og skanner langs en akse (x-akse; fra venstre mot høyre i figurene med rotasjon som vist i figurene, omvendt med motsatt rotasjon). Figur 1-5 viser ulike konfigurasjoner for dette.

Fig. 1 viser et eksempel på en utførelse hvor et roterende speil 12 sveiper laserstrålen i en akse over objektene 10a-c som skal måles, og lyset som reflekteres går tilbake via det roterende speilet

12 og treffer en detektor 13. Alternativt kan man isteden, eller i kombinasjon, måle det spredte laserlyset ved hjelp av en detektor 14 og/eller det transmitterte laserlyset ved hjelp av en detektor 15. Fig. 2 viser et eksempel på en alternativ utførelse av transmisjonen i Fig. 1 med et system for å samle det transmitterte lyset ved hjelp av en samlelinse 16 som gjør at man unngår å bevege detektoren 15 som tar opp det transmitterte lyset. Samlelinsen 16 kan være en ordinær refraktiv indeks linse, diffraktiv linse eller et annet objekt som fungerer på samme måte (for eksempel et sfærisk speil eller lignende). Fig. 3 viser et eksempel på en alternativ utførelse for opptak av det spredte laserlyset i Fig 1. En linse 17 samler noe av det spredte lyset fra objektene 10a-c ettersom lyset sveipes over dem. En trenger derfor ikke å bevege detektoren 14 for at den skal se lys fra ulike objekter 10a-c. Samlelinsen 17 kan være en ordinær refraktiv indeks linse, diffraktiv linse eller annet objekt som fungerer på samme måte (for eksempel et sfærisk speil eller lignende). Fig. 4 viser et eksempel på en alternativ utførelse av Fig. 1 hvor en retroreflektor/refleks 18 sender det transmitterte lyset tilbake med en liten vinkelforskjell slik at lyset kan måles med en detektor 13 ved siden av laseren. I dette oppsettet kan reflektert lys også bidra til lyset i detektoren, men bare hvis det andre gangs transmitterte lyset reflekteres 180 grader. Dette oppsettet vil kreve at detektoren 13 monteres med et speil 19 nær laseren 11. Fig. 5 viser et eksempel på en alternativ utførelse av Fig. 1 eller 4, hvor reflektert lys fra objektet 10a-c eller transmittert tilbakereflektert lys (fra en retroreflektor/refleks 18) har samme vei tilbake via den opprinnelige laserstrålen. En strålesplitter 20 påser at ca. 50 % av det tilbakevendende lyset går inn i en detektor 13 for derfor å måles.

Henviser nå til Figur 10 som viser 2-dimensjonal skanning av objekter 10a-c for sortering. Objektene 10a-c ligger her stasjonært og et roterende speil 21 gir en skanning av y-aksen. Detektoren 13 vil her se spekulær refleksjon, men kan kombineres med løsningene i Figur 1-5 for å måle flere parametere. Figuren viser som nevnt hvordan man kan skanne i to dimensjoner for å dekke et 2-dimensjonalt område. Det gjøres ved at mens x-aksen skannes, forflytter man laseren 11 en liten avstand i y-aksen for hvert skann. Dette gjøres ved hjelp av et roterende speil nummer to 21 som reflekterer lyset slik at det fritt kan bevege seg langs y-aksen for alle posisjoner langs x-aksen. Alternativt til å forflytte laserlyset langs y-aksen med speil 21, kan man forflytte objektene 10a-c med et transportbånd, langs et bord el.lign., slik som vist i figur 11-15. På den måten oppnår man en relativ forflytning i y-aksen mellom lys og objekter 10a-c.

Lyset som treffer objektene 10a-c ved 2-dimensjonale skann kan registreres ved å montere en detektor 13 i/ved lysaksen fra laseren 11 slik som vises i Figur 1,4 eller 5.

Henviser nå til Fig. 11 som også viser 2-dimensjonal skanning av objekter 10a-c for sortering. Istedenfor et roterende speil 21 for å sveipe i y-akse retning (som i Figur 10), er objektene 10a-c på et transportbånd som beveger seg forbi skanneren. Man kan på den måten danne et bilde av objektene 10a-c som transporteres forbi.

Henviser nå til Figur 12 som også viser 2-dimensjonal skanning av objekter 10a-c for sortering som vist i Figur 11, men med en reflektor 18 under transportbåndet som også er delvis transparent/gjennomhullet. Alternativt kan selve transportbåndet være reflekterende på enkelte punkter for å kunne gjøre transmisjonsmåling for deler av skannet.

Henviser nå til Figur 13 som viser 2-dimensjonal skanning som vist i Figur 12, men med en roterende chopper 24 for å periodevis absorbere lyset. Når chopperen 24 sperrer for transmittert lys, vil ikke dette gå tilbake til detektoren 13, som dermed kun ser reflektert lys fra objektet 10a-c. Når chopperen 24 slipper igjennom transmittert lys vil dette reflekteres i retroreflektoren/ refleksen 18, og deretter gå tilbake til detektoren 13 sammen med lyset som er reflektert fra objektet 10a-c.

Figur 10-13 har samme oppsett som Figur 5, men kan også benytte oppsettet som er vist i Figur 1 eller 4. Detektoren 13 i disse oppsettene er ment å samle opp tilbakereflektert lys, dvs. objekter 10a-c som gir spekulær eller diffus refleksjon, evt. en kombinasjon av disse. Dette lyset vil følge samme vei, men med motsatt retning, som laserlyset har. En bakdel ved dette oppsettet er at kun en liten del av lyset vil fanges opp av detektoren 13 som er av en endelig størrelse. Dette kan forbedres noe ved å sette inn en linse 22 foran detektoren 13, slik som vist i Figur 14, evt. benytte konfigurasjonen i Figur 3. Alternativt kan man benytte et detektor-array 23 med flere detektorer for å måle lys med ulike retninger slik som vist i Figur 15.

Det transmitterte lyset i Figur 1,2 og 4 måles på litt ulike måter. Oppsettet i Figur 1 har fordelen at det kun ser det transmitterte lyset og at detektoren 15 kan være av en størrelse og med et

synsfelt/FOV ("Field Of Vision") som gir lite bakgrunnslys og mye signal. Bakdelen er at detektoren 15 må beveges meget nøyaktig og mekanikken blir derfor ganske kostbar. En forbedring til dette er oppsettet i Figur 2 som bruker en samlelinse 16 (refraktiv indeks eller diffraktiv linse) som betyr at detektoren 15 kan sitte i fokalpunktet og allikevel samle opp alt lyset. FOV vil her måtte være større for å dekke et bredere felt, og man får således mer bakgrunnslys, og trenger en stor linse 16. Figur 4 fjerner behovet for en stor linse 16 og erstatter det med en retroreflektor/refleks 18. Denne vil alltid reflektere lyset rett tilbake, og vil derfor gi mest lys ved bruk av en strålesplitter 20, slik som vist i Figur 5. Bakdelen ved en retroreflektor/refleks 18 er at lyset må passere objektene 10a-c to ganger, og mengden lys kan derfor være mindre for detektoroppsettene i Figur 4 og 5 i forhold til Figur 1 og/eller 2.1 oppsettene i Figur 10,12 og 13 kan man på samme måte erstatte retroreflektoren/refleksen 18 med fremgangsmåtene vist i oppsettet i Figur 1 og 2 for å måle

transmisjon (for Figur 10 hvis man har en gjennomsiktig/perforert duk/bord som objektene 10a-c ligger på).

Bevegelsesretningen til objektene 10a-c er ut eller inn av bildet. Ettersom et eller flere objekter 10a-c skannes langs x-akse og y-akse, vil intensiteten fra refleksjons- og/eller transmisjons-målingen bygge opp et 2-dimensjonalt bilde. Intensiteten i dette bildet vil avhenge av hvor mye refleksjon og/eller transmisjon som objektet 10a-c har ved bølgelengden som benyttes. Siden laseren 11 kan endre bølgelengde ved å justere temperatur eller påtrykt strøm, kan man sveipe et bølgelengdeområde der materialene av interesse har gjenkjennbare refleksjons- og/eller transmisjons-kurver i bølgelengdeområdet.

Figur 6 viser refleksjon fra flere materialer. Ulike materialer gir ulik refleksjon, men objekter laget av tilnærmelsesvis samme materiale har detaljer i refleksjonsspektra som gjør dem gjenkjennbare. Som man kan se er det noen distinkte topper og/eller daler som kan benyttes til å kjenne igjen et materiale, eller en gruppe av materialer. For eksempel vil både brun papp og hvitblekt kopipapir bla. gi topper rundt 1,98 [ im og 2,30 nm. Dette er et kjemisk "fingeravtrykk" som er relatert til den organiske sammensetningen av papir. Farget papp (papp med blankt fargetrykk) gir på samme måten topper ved 1,98 \ xm og 2,30 \ xm, så selv om refleksjonen er noe høyere kan man gjenkjenne en relativ endring rundt disse toppene. En fremgangsmåte er derfor å se på den første deriverte til signalet som gir et "fingeravtrykk" for materialet som derfor kan gjenkjennes. Sammenligningsmessig gir en engangsklut i plast (polyetylen) distinktive topper rundt 2,30 nm. Disse kan ligne litt på toppene fra papiret, men engangskluten har ingen topp rundt 1,98 Hm.

På samme måte ser man at andre materialer kan gjenkjennes på refleksjonsegenskapene, bl.a. plastisolasjon fra en ledning (dataflatkabel), og metaller. De høye refleksjonsegenskapene til metall gjør at disse kan skilles ut på dette. Det er dog vanskeligere å se forskjell på metallene da de ikke har kjemiske absorpsjon av lyset (dalene rundt 2,2 \ im og 2,7 um er relatert til spektrometeret og ikke metallet).

Henviser nå til Figur 7 som viser spekulær refleksjon fra en CD-plate. Siden lyset må passere plasten før det blir reflektert, er spekteret preget av transmisjonsegenskapene til plasten i CD-plater (polykarbonat). Mange distinktive topper for polykarbonat kan derfor sees, med spesielt gode detaljer fra rundt 1,6 \ xm til 2,8 um, samt rundt 3,75 um. I det henseende er CD-plater og biter av slike, enkle å gjenkjenne ved bruk av oppsettet med spekulær refleksjon. Diffus refleksjon (spredning) fra et slikt objekt er derimot lav, og lite egnet for gjenkjenning i dette tilfellet.

Henviser nå til Fig. 8 som viser transmisjon igjennom ulike gjennomsiktige materialer. Figuren viser hvor distinktiv signatur de ulike plastmaterialene har, spesielt fra 1,6 \ xm til ca. 2,7 \ xm. Noen plasttyper har også signaturer for lengre bølgelengder, men eksempelvis har brusflasker områder med høy dempning (~2,7 um til 2,9 um og 3,2 um til 3,6 nm) som ikke er egnet for gjenkjenning av slike. Det er viktig å merke seg pyrex-glass (borosilikat-glass her) har en stor endring i transmisjon rundt ca. 2,75 um, som derfor er velegnet for å gjenkjenne denne typen materiale.

Henviser nå til Fig. 9 som viser transmisjon igjennom en nitrilhanske (samme som i Figur 8). Engangshansken er laget av en tynn hinne nitril som slipper igjennom litt lys. Som for andre organiske materialer har den distinktive daler/topper, spesielt rundt 2,35 um, som er lett gjenkjennbare.

Et enkelt system for sortering av materialer er basert på en avstembar laser 11 i det mid-infrarøde bølgelengdeområdet. Systemet er satt sammen slik som vist i Figur 16 med en sveiping av lyset langs x-aksen, objekter 10a-c som forflytter seg langs y-aksen på en gjennomskinnelig duk og evt. en roterende chopper 24. Chopperen 24 kan utelates hvis duken kun er gjennomskinnelig på enkelte områder, dvs. at transmisjonen sperres i noen punkter, mens den slipper igjennom for andre punkter. Fordelaktig omfatter systemet også et speil 25 for å markere enden på x-akseskann som brukes til synkronisering.

Laseren 11 og detektoren/detektorarrayet 13 er koblet til ekstern kommunikasjon (ikke vist) med et systempanel, en kontroller (ikke vist), en datalogger (ikke vist) eller PC (ikke vist) for lagring eller videre analyse av data.

I bruk vil dette fungere ved at:

1) Bølgelengden til laserlyset styres av den eksterne enheten og avstemmes over et bølgelengdeområde, fortrinnsvis fra 2,25 \ xm til 2,35 um. 2) For hvert romlig målepunkt vil man samle opp spektrale data ved å hente inn signalet fra detektorene 13 mens laseren 11 avstemmes, fortrinnsvis ved å øke strømmen igjennom laseren. 3) Etter at data er hentet inn for et punkt, vil systemet fortsette innsamlingen ved at laseren 11 forflyttes i x-aksen (ved at det roterende speilet 12 har rotert en gitt vinkel), og innsamlingen i punkt 1) starter på nytt. Samtidig vil dataene samlet inn i punkt 2) bli behandles.

4) Databehandlingen for et punkt vil gjøres på en av følgende måter:

a) Systemet prøver å gjenkjenne fastsatte fingeravtrykk for ulike materialer. Dette skjer ved at man finner topper og daler i dataene, fortrinnsvis ved å se på den første

deriverte til disse. Toppene og dalene sammenlignes deretter med et bibliotek for topper og daler for ulike typer materialer, og man bestemmer materialet ut ifra dette.

b) Systemet deler opp de innsamlede data i N antall punkter. Mengden data, N, vil så overføres til et nevralt nettverksprogram som har vært trent opp til å bestemme typen

materiale med et databibliotekover ulike materialer. De bits med data som kommer ut av det nevrale nettverket vil gi materialet ved at dette sammenholdes med en gitt bits-kombinasjon.

c) Kombinasjonen av teknikken gitt under a) og b).

Hvis ingen av måtene gir et entydig svar på typen materiale, vil man kombinere data mellom to

eller flere punkter på et objekt for å øke signal-/støyforholdet. Dette gjøres ved at spektrale data for flere etterliggende punkter på x-aksen settes sammen hvis spekterene er tilnærmelsesvis like, dvs. summen av kvadratene til differansen for hvert spektralt punkt er liten (minste kvadraters metode). Dataene settes sammen ved å se på gjennomsnittlig spektrum, dvs. gjennomsnittlig verdi for hvert spektralt punkt.

På samme måte måte kan flere punkter langs y-aksen settes sammen ved at systemet lagrer spektra for flere linjer langs x-aksen. Eksempelvis for 3 punkter langs x og 3 linjer langs y:

For 3 ganger 3 punkter; Verdien til det sorte punktet (x-akse=4, y-akse=3) er satt sammen av verdien til de 9 punktene rundt (grå).

Dette reduserer oppløsningen til systemet, men så lenge alle punktene som bidrar til verdien er av samme objekt, vil det øke nøyaktigheten på gjenkjenningen av materialet i objektet.

Eksempelvis vil man ved å skanne tre objekter, en brun pappdel, et CD-cover og en metallboks av aluminium, klare å skille disse. Figur 17 viser hvordan dataene fra den midterste detektoren i deteksjonsarrayet 13 blir når det måles med oppsettet i Figur 16. For CD-coveret er det kun transmisjon som bidrar til dataene slik at detektorer i arrayet som ikke er i midten vil vise et veldig lavt signal fra dette objektet. På samme måte vil signalet være null når chopperen blokkerer det transmitterte lyset, og man kan derfor avgjøre at objektet er transparent. Brun papp og Aluminium gir kun refleksjon, noe som lett måles når chopperen 24 sperrer for det transmitterte lyset (CD-coveret gir da intet signal). Det lille bildet viser detaljene til refleksjonen fra papp i området 2,25 Hm til 2,35 \ xm mellom 1,2 % til 1,4 %.

Nå vil ikke disse tre objektene utgjøre noen vanskelighet å avgjøre hva som er hva. Både refleksjonsnivå, transmittans og detaljer i spekteret fra 2,25 \ xm til 2,35 \ xm gjør det enkelt å skille dem. Med økende antall materialer og data, blir dette vanskeligere, og man kan tenkes å skille mellom transparente og ikke-transparente materialer i to biblioteker for å begrense størrelsen på bibliotekene. På samme måte kan ikke-transparente materialer med høy refleksjon skilles fra materialer med lav refleksjon for å redusere biblioteket ytterligere.

Henviser nå til Fig. 18 som viser et eksempel på skanning med detektor, hvor laseren 11 omfatter optikk som sprer lyset ut i en tynn linje (spredt langs x-akse, men ikke y-akse). Detektoren 13,14 mottar reflektert/spredt laserlys fra et punkt. Det observerte punktet kan forflyttes langs denne linjen. I denne figuren benyttes et roterende speil 12 for å forflytte punktet som observeres. En apertur 26 begrenser lyset som når detektoren 13,14. For å få et todimensjonalt skann flyttes objektene 10a-c i y-akse retning.

Henviser nå til Fig. 19 som viser skanning med detektor 13,14 som vist i Figur 18, men med y-akse skann hvor laseren 11 omfatter optikk som sprer lyset ut i en tynn linje (spredt langs x-akse) som deretter skannes langs y-akse med et roterende speil 21. Detektoren 13,14 mottar reflektert/ spredt laserlys fra et punkt. Det observerte punktet forflyttes over et område via de to roterende speilene 12, 21, slik at det alltid ser laserlys som treffer prøven. Også her er fordelaktig anordnet en apertur 26 som begrenser lyset som når detektoren 13,14.

Som nevnt viser Figurene 18 og 19 en alternativ utførelse der man benytter en laserlinje som har en stor bredde i en dimensjon, men en smal bredde i den andre dimensjonen. Disse oppsettene må derfor benytte et roterende speil 12 for å kunne sveipe det observerte området, da detektoren 13,14 kun skal få lys fra det punktet/objektet 10a-c man måler. Alternativt kan man se på transmittert lys i utformingen som gitt i Figur 18 og 19, men da må detektoren 15 sitte under objektene 10a-c, slik som vist i Figur 1 eller 2. En retroreflektor/refleks 18 vil på samme måte som for Figur 4 eller 5, kreve at detektoren 13 monteres med et speil 19 eller strålesplitter 20 nær laseren 11 i Figur 18 eller 19 (med nødvendig optikk).

Figur 20 viser at materialer/objekter med lav refleksjon kan gjenkjennes ved å se på detaljer i

deres respektive refleksjonsspektra. Ulike organiske materialer med lav refleksjon som bomull, en baguette og kokt skinke gir alle refleksjonsspektra med detaljer som er gjenkjennbare. Kokt skinke har en stor endring i refleksjon fra ca. 1,83 \ xm til 1,89 \ xm, en liten topp ved 1,74 u.m, samt en stor topp ved 1,65 nm. Bomull og baguette har endring i refleksjon rundt 2,0 nm, samt finstruktur i området 2,2 \ im til 2,5 \ xm som er godt egnet til gjenkjenning. Baguette har også noen topper rundt 1,8 u,m. Andre matvarer har lignende gjenkjennbare spektra ettersom de består av materialer med organiske bindinger. Dette gjelder både frukt, grønnsaker, bakverk, sjokolade, konfekt, kjøtt og fisk. Oppfinnelsen vil derfor dekke alle typer mat/matvarer.

Modifikasjoner

Alternative utforming av oppfinnelsen kan være:

i) Å benytte en optisk isolator etter laseren for å dempe lys som evt. måtte gå tilbake mot

laseren etter strålesplitteren,

ii) Bruk flere detektorer for å måle avstand/dybde til objektet ved triangulering,

iii) Benytte spektrale filter(e) for å begrense bakgrunnslys som bidrar til støy i signalet, iv) Pakke oppsettet inn i et mørkt kammer for å redusere bakgrunnslys som bidrar til støy, v) Benytte spektralt filter for å se på lys som emitteres fra objektet som ikke er laserlys

(fotoluminiserende eller lignende),

vi) At systemet er tilknyttet et transportbånd for kontinuerlig måling av ulike

materialer/objekter,

vii) At systemet benyttes for å sortere ulike materialer,

viii) At systemet benyttes for å aldersbestemme matvarer,

ix) At systemet benyttes for å se kontaminerte eller forringede matvarer,

x) At systemet benyttes for å sortere matvarer med den hensikt å forbedre kvaliteten på

produktet(ene),

xi) At systemet benyttes for å sortere avfall.

Claims

1. Fremgangsmåte for å måle/avbilde og bestemme/gjenkjenne et eller flere objekter av ulike typer plast, ulike typer stoff eller klær, ulike typer glass, ulike typer mat/matvarer, ulike typer papp/papir/treprodukter og/eller ulike typer metaller eller lignende materialer, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a) avstemming av bølgelengden til en laser ved hjelp av elektrisk og/eller termisk styring, b) belysning av objektet som skal bestemmes, c) måling av reflektert, spredt og/eller transmittert lyssignal fra objektet i en eller flere detektorer, d) innsamling og lagring av målinger i en mikrokontroller med internminne, e) analysere målingene ved hjelp av en mikrokontroller, f) beregne materialtype ved hjelp av et eller flere referansebibliotek eller logaritmer innrettet i mikrokontrolleren.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at en splitter og/eller sveiper et lyssignal fra laseren for å belyse en større del av et objekt.

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at en sveiper lyset langs en akse/en dimensjon med den hensikt å sette sammen et endimensjonalt bilde.

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at en sveiper lyset langs en eller to akser med den hensikt å sette sammen et todimensjonalt bilde.

5. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at en beveger objekter forbi det splittede og/eller sveipende lyset med den hensikt å sette sammen et todimensjonalt bilde.

6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at en detektor også avleser informasjon om den tredje aksen med den hensikt å sette sammen et tredimensjonalt bilde.

7. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at laserlyset er innenfor bølgelengdeområdet 1-10 um.

8. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at laserlyset er innenfor bølgelengdeområdet 1,7-4,5 \ xm.

9. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at laserlyset er innenfor bølgelengdeområdet 2,0-3,7 um.

10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at speil beveges for å splitte og/eller sveipe lyssignalet langs en eller flere akser.

11. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at samlelinse benyttes for å samle lyssignalet for en detektor.

12. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at en retroreflektor/refleks benyttes for å reflektere transmittert lys tilbake med en liten vinkelforskjell for måling i en detektor.

13. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at et speil og/eller en strålesplitter benyttes for å påse at tilbakereflektert lys rettes mot en detektor.

14. System for å måle og bestemme/gjenkjenne et eller flere objekter av ulike typer plast, ulike typer stoff eller klær, ulike typer glass, ulike typer mat/matvarer, ulike typer papp/papir/ treprodukter og/eller ulike typer metaller eller lignende materialer, karakterisert ved at systemet omfatter en avstembar laserbasert lyskilde (11), ett eller flere bevegelige, i og for seg kjente, fortrinnsvis roterbare speil (12, 21) og en eller flere, i og for seg kjente, optiske detektorer (13,14,

15. 23) for henholdsvis å måle reflektert, spredt og/eller transmitterte lyssignal fra et eller flere objekter (10a-c), hvilket system er i stand til å skanne et objekt (10a-c) i en, to og/eller tre dimensjoner.

15. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at den avstembare laserbaserte lyskilden (11) er en sveipbar infrarød laser.

16. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet omfatter et speil (19) og/eller en strålesplitter (20) for sikre at det tilbakevendende lyset går inn i en detektor (13) for å bli målt.

17. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet omfatter en eller flere samlelinser (16,17) (refraktiv indeks eller diffraktiv linse) for å samle det transmitterte lyset og/eller det spredte lyset, hvilket medfører at man unngår å bevege detektorene (14,15) som tar opp det transmitterte lyset og/eller det spredte lyset.

18. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet omfatter en retroreflektor/refleks (18) hvilken sender transmittert lys tilbake med en liten vinkelforskjell, slik at lyset kan bli målt av en eller flere detektorer (13, 23).

19. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at det bevegelige speilet (12) er anordnet for å sveipe laserstrålen i en akse (x-aksen) over objektet/-ene (10a-c), samt reflektere det reflekterte lyset tilbake til en detektor (13,14).

20. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at det bevegelige speilet (21) er anordnet for å reflektere laserlyset langs y-aksen for alle posisjoner langs x-aksen.

21. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at det omfatter en roterende chopper (24) eller lignende, hvilken er anordnet for å periodevis absorbere lyset fra laseren 11.

22. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet omfatter midler for å bevege objektene (10a-c) i en retning, så som et transportbånd eller lignende.

23. System i samsvar med patentkrav 22, karakterisert ved at transportbåndet er gjennomsiktig og/eller perforert.

24. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at laseren (11) er forsynt med optiske midler for å spre laserstrålen i en dimensjon.

25. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet er forsynt med en apertur (26) for å begrense lyset som når detektoren (13,14).

26. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet er forsynt med speil for å markere enden på x-akse skann for synkronisering.

27. System i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at systemet videre omfatter ekstern kommunikasjon med et systempanel, en mikrokontroller med internminne, en datalogger eller PC for lagring eller videre analyse av data.

28. System i samsvar med patentkrav 27, karakterisert ved at mikrokontrolleren er forsynt med programvare, logaritmer og et eller flere referansebibliotek for analyse av målingene og gjenkjenning/bestemmelse av objektet (10a-c). Referanser

[1] P. Tatzer, M. Wolf, T. Panner: "Industrial application for inline material sorting using hyperspectral imaging in the NIR range", page 99-107, Real-Time Imaging, Vol. 11 (2005)