WO2019111785A1 - 識別装置、選別システム - Google Patents

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関根　康弘
滋 市原
勇輝 米谷
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キヤノン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an identification device and a sorting system for identifying a resin contained in a sample.
  • a high throughput resin identification system can be configured by transporting the resin by transport means such as a belt conveyor and detecting and identifying the Raman scattered light from the transported resin.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-226821 describes a plastic identification device in which a plurality of Raman spectroscopic devices are arranged in a direction perpendicular to the conveyance direction of the belt conveyor, ie, in the width direction of the belt conveyor. Thereby, the plastic to be identified can be identified at a plurality of locations in the width direction of the belt conveyor, and the throughput of identification can be further enhanced.
  • JP 2012-122851 A describes a Raman analyzer having a plurality of probe heads for collecting Raman scattered light from different measurement points.
  • the Raman analysis device disclosed in JP 2012-122851 A includes an optical fiber unit in which a plurality of optical fibers for guiding light from the respective probe heads are bundled at an emission end side. Then, a plurality of Raman scattered lights collected from different measurement points are separated by one diffraction grating and imaged by one CCD camera. Thereby, the Raman scattered light from several places can be collectively spectrally measured by one spectrometer.
  • JP 2011-226821 A since a plurality of Raman spectroscopy devices are arranged as they are, there is a problem that the device configuration of the entire identification device becomes complicated and the device cost becomes high. Therefore, it is conceivable to simplify the device configuration and reduce the device cost by integrating the spectroscope portion using the optical bundle fiber and the CCD camera as in JP 2012-122851A.
  • high speed signals can be used instead of CCD image sensors.
  • a readable CMOS image sensor is used.
  • an imaging unit such as a CMOS image sensor that reads out signals sequentially for each pixel row
  • the speed of identification processing may be reduced depending on the arrangement of imaging units and spectral elements. Challenges were found.
  • an object of the present invention is to provide a resin identification device capable of identifying a resin piece conveyed on a belt conveyor at high speed with a simple device configuration.
  • An identification apparatus is an identification apparatus for identifying a resin contained in a sample, A plurality of light collection units for collecting Raman scattered light from the sample, a plurality of optical fibers for guiding the collected Raman scattered light, and a spectral element for dispersing the plurality of guided Raman scattered light; An imaging unit arranged to receive the plurality of dispersed Raman scattered lights and imaging by a main scan and a sub-scan scanned at a frequency lower than the main scan in a direction intersecting the main scan direction; And a data processing unit that acquires spectrum data of the plurality of Raman scattered lights from the imaging unit and performs identification processing of the sample, and the plurality of optical fibers direct the plurality of Raman scattered lights to the spectral element.
  • the light emission end and the light emission end so that a spectral image formed on the image pickup unit corresponding to one of the plurality of Raman scattered lights is along the main scanning direction of the image pickup unit. Minutes Characterized in that the element is arranged.
  • composition of a sorting system typically. It is a figure which shows typically an example of a structure of a daylighting unit. It is a figure which shows the structure of an imaging part typically.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a sorting system according to the first embodiment.
  • the sorting system 1 includes the transport unit 150, performs identification processing for identifying the type of the sample 190 transported by the transport unit 150, and sorts the components contained in the sample 190 according to the identification result. It is a system.
  • the specimen 190 As components contained in the specimen 190, metal pieces mainly containing metal, ceramic pieces mainly containing metal oxide crystals, glass pieces containing amorphous of metal oxide, resin mainly containing resin Piece, etc.
  • the specimen 190 is one in which household waste, industrial waste, and the like are crushed. It is said that the specimen 190 has undergone a crushing process as a pre-process.
  • the resin in the present specification generally means an organic polymer in general including thermoplastic resin (plastic), thermosetting resin, rubber, elastomer, cellulose, paper, and the like.
  • the specimen 190 may contain fillers such as glass and fibers, and various additives such as a flame retardant and a plasticizer.
  • the sorting system 1 includes identifying the presence or absence and the type of these additives, in addition to identifying the type of resin constituting the resin piece, that is, the type of material of the resin piece.
  • the sorting system 1 includes an identification device 100 and a sorting device 160, as shown in FIG.
  • the identification device 100 includes an identification unit 90 and a transport unit 150, as shown in FIG.
  • the identification unit 90 performs an operation process for identification based on a light receiving unit 110, an optical fiber unit 120 transmitting Raman scattered light collected by the light receiving unit 110 to the spectroscope 130, and an output result from the spectroscope 130.
  • a computer 140 is a computer 140.
  • the light collection unit 110 includes a plurality of light collection units 110a to 110e, and collects Raman scattered light from a plurality of specimens placed in the width direction of the transport path described later.
  • the optical fiber unit 120 includes a plurality of optical fibers 121a to 121e and is bundled at the side of the spectroscope 130.
  • the spectroscope 130 includes an imaging lens 131, a long pass filter 132, a spectral element 133, an imaging lens 134, and an imaging unit 135.
  • the optical fiber unit 120 includes a plurality of optical fibers 121a to 121e, and each of the optical fibers 121a to 121e is connected to each of a plurality of light collecting units 110a to 110e.
  • the Raman scattered light collected by the light collecting unit 110 is guided in parallel to the light separating element 133.
  • the number of light collecting units 110 and the number of optical fibers 121 corresponding thereto are not particularly limited as long as they are plural.
  • the imaging lens 131 collimates the light from the optical fiber 121.
  • the long pass filter 132 is disposed between the imaging lens 131 and the diffraction grating 133, removes the remaining excitation light component, and transmits the Raman scattered light.
  • the identification apparatus 100 includes an identification unit 90 including a light collecting unit 110, an optical fiber unit 120, a spectroscope 130, and a computer 140, and a transport unit 150 for transporting the sample 190 placed on the transport surface. Equipped with The transport unit 150 further includes a belt conveyor 152 and a drive motor 151 that drives the belt conveyor 152.
  • the identification device 100 of the present embodiment includes an identification unit 90 and a transport unit 150.
  • the transport unit 150 transports the sample 190 input from the sample supply unit (not shown) to the measurement position at a predetermined speed.
  • a turntable, a conveyance drum, or the like can be used as long as the conveyance unit 150 can convey the specimen 190 in a state of being placed on the conveyance surface.
  • the Raman scattering measurement by the sorting system 1 according to the present embodiment is performed while the sample 190 is being transported by the transport unit 150, and after measurement, the sample 190 is transported in the transport direction, and the discrimination device 160 It is sorted based on 100 identification results.
  • the sorting system 1 further includes a sorting device 160 disposed downstream of the light collecting unit 110 in the transport direction 220 of the transport unit 150.
  • the sorting device 160 sorts the sample 190 based on the identification result of the identification device 100.
  • FIG. 2 is a view schematically showing an example of the configuration of the daylighting unit 110.
  • the light collection unit 110 includes an illumination optical system 1107 for irradiating light to the specimen 190 and a light collection optical system 1113 for collecting Raman scattered light from the specimen 190.
  • the illumination optical system 1107 is an optical system that illuminates the specimen 190 on the transport surface of the transport unit 150 with light from a light source.
  • the specimen 109 illuminated by the illumination optical system 1107 emits Raman scattered light.
  • the intensity of the Raman scattered light generated from the specimen 190 is extremely weak, which is about 10 -6 times the intensity of the Rayleigh scattered light which is generated simultaneously but is elastically scattered and does not exhibit a wavelength shift.
  • the illumination optical system 1107 has a semiconductor laser 1101, a laser mount 1102, a laser driver 1103, a collimator lens 1104, a cylindrical lens 1105, and a condenser lens 1106, as shown in FIG.
  • the semiconductor laser 1101 is a light source of light for illuminating the subject 190.
  • the semiconductor laser 1101 is a continuous oscillation laser, and emits light of an intensity necessary to generate Raman scattered light from the specimen 190.
  • the generation efficiency of Raman scattering is higher as the wavelength of the illumination light is shorter, and lower as the wavelength of the illumination light is longer.
  • the intensity of fluorescence that is background noise with respect to Raman scattered light is lower as the wavelength of the illumination light is longer, and higher as the wavelength of the illumination light is shorter.
  • light from the semiconductor laser 1101 for example, light of any one of 532 nm, 633 nm and 780 nm can be used.
  • the present invention is not limited to this, and another laser light source such as a semiconductor excited solid laser or a gas laser can be used.
  • the wavelength of the light source applied to the illumination optical system 11107 is selected in consideration of the amount of Raman shift unique to the material to be identified, the signal to noise ratio, and the like.
  • the laser mount 1102 holds the semiconductor laser 1101 and radiates heat.
  • the laser driver 1103 supplies a current to the semiconductor laser 1101 via the laser mount 1102 to oscillate the semiconductor laser 1101 and at the same time keep the temperature of the semiconductor laser 1101 constant.
  • the laser driver 1103 may be provided for each light collecting unit 110, or one laser driver 1103 may be provided for a plurality of light collecting units 110.
  • the collimator lens 1104 and the cylindrical lens 1105 restrict the spread of the light emitted from the semiconductor laser 1101 and shapes the light into parallel light.
  • the cylindrical lens 1105 may use another collimating optical element such as an anamorphic prism pair.
  • the illumination optical system 1107 can arrange a wavelength filter (not shown) including a laser line filter.
  • the wavelength filter can be disposed at the position of the pupil plane of the illumination optical system 1107. Thereby, the wavelength characteristic of the light irradiated to the specimen 190 by the illumination optical system 1107 can be improved.
  • the condensing lens 1106 condenses the light from the semiconductor laser 1101 on the subject 190.
  • a lens made of synthetic quartz it is preferable to use a lens made of synthetic quartz as the collimator lens 1104, the cylindrical lens 1105, and the condenser lens 1106. Since high-intensity light from the semiconductor laser 1101 passes through these lenses, using a lens made of synthetic quartz reduces the fluorescence that is background and the Raman scattering light from trace components contained in the observation system. be able to.
  • the condensing lens 1106 is not necessarily essential as long as Raman scattered light having an intensity sufficient for identification is obtained from the specimen 190. That is, the illumination optical system 1107 may be configured to irradiate the light collimated by the collimator lens 1104 and / or the cylindrical lens 1105 to the specimen 190 as it is.
  • the light collection optical system 1113 is an optical system that extracts the Raman scattered light from the specimen 190 illuminated by the illumination optical system 1107.
  • the Raman scattered light collected by the light collection optical system 1113 is guided to the light separating element 133 by the optical fiber 121 which is a light guiding means.
  • the light receiving optical system 1113 has an objective lens 1110, an excitation light cut filter 1111, and a fiber condensing lens 1112.
  • the objective lens 1110 collects Raman scattered light from the subject 190 illuminated by the illumination optical system 1107.
  • the lenses constituting the light-collecting optical system 1113 such as the objective lens 1110 may be irradiated with light having a high output depending on the specimen 190, so that fluorescence from the background and Raman scattered light from the observation system may be reduced.
  • the objective lens 1110 is preferably an aspheric lens.
  • the excitation light cut filter 1111 is a wavelength filter such as a band pass filter or a long pass filter, and blocks the light of at least a part of the wavelength range of the light collected by the objective lens 1110 and transmits the Raman scattered light. Thus, the light unnecessary for the measurement of the Raman scattered light is blocked, and the Raman scattered light is transmitted. From the viewpoint of filter characteristics, it is preferable that the excitation light cut filter 1111 is disposed in the parallel light flux between the objective lens 1110 and the fiber condensing lens 1112, that is, on the pupil plane of the light receiving optical system 1113.
  • the fiber condenser lens 1112 couples the Raman scattered light to the optical fiber 121.
  • the excitation light cut filter 1111 since the Raman scattered light from the fiber condensing lens 1112 can be ignored, the aberration is caused by using the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the coupling efficiency to the optical fiber 121. It is good to reduce the bonding lens such as the doublet lens with priority given to the
  • the illumination optical system 1107 of the light collection unit 110 and the light collection optical system 1113 are independent of each other, but the present invention is not limited to this. That is, the illumination optical system 1107 and the light collection optical system 1113 may share a part of optical elements such as various lenses that configure the respective optical systems.
  • the plurality of light collecting units 110 are disposed at different positions in a direction perpendicular to the conveyance direction of the conveyance unit 150, facing the conveyance surface of the conveyance unit 150. That is, the plurality of light collecting units 110 are disposed at different positions in the width direction of the transport unit 150.
  • Each of the lighting units 110 irradiates light to the specimen 190 passing through the predetermined area on the transport surface of the transport unit 150, and collects the Raman scattered light from within the predetermined area.
  • the area where light can be collected is limited. Therefore, by providing a plurality of light collection units 110 as in the present embodiment and displacing them in the width direction of the transport unit 150, the range in which the type of the specimen 190 can be identified can be expanded. Thereby, the throughput of the identification process and the sorting process can be improved.
  • the plurality of light collecting units 110 be arranged at different positions also in the transport direction of the transport unit 150.
  • Each lighting unit 110 has a certain size in order to have an illumination optical system 1107 and a lighting optical system 1113. Therefore, the arrangement density of the light collecting units 110 in the width direction of the transfer unit 150 can be increased by obliquely arranging the plurality of light collecting units 110 when viewed from the direction perpendicular to the transfer surface of the transfer unit 150. This can increase the resolution of identification by the sorting system 1 and allow identification of smaller sized analytes 190.
  • the optical fiber unit 120 is a light guiding means for guiding the Raman scattered light collected by each of the plurality of light collecting units 110 to the spectroscope 130.
  • the optical fiber unit 120 includes a plurality of optical fibers 121a to 121e corresponding to the plurality of light collecting units 110a to 110e.
  • the incident ends of the respective optical fibers 121 are arranged such that the light from the light-collecting optical system 1113 of the corresponding light-collecting unit 110 is incident.
  • the plurality of optical fibers 121 are bundled at the output end thereof, and are configured such that the Raman scattered light from the plurality of light collecting units 110 is guided to one spectroscope 130.
  • the number of spectroscopes 130 may be smaller than the number of light collection units 110. Such a configuration can reduce the number of generally expensive spectrometers 130, simplify the configuration of the sorting system, and reduce the cost. In addition, measurement errors and variations due to the spectroscope 130 can be reduced, and identification accuracy and selection accuracy by the selection system can be improved.
  • the plurality of optical fibers 121 constituting the optical fiber unit 120 are bundled at the output end (end on the side of the spectroscope 130) of the optical fiber unit 120 and arranged in a row.
  • the arrangement direction of the emitting ends of the optical fiber unit 120 is determined based on the arrangement relationship with respect to the light separating element 133 and the detector 135.
  • the arrangement direction of the emitting ends of the optical fiber unit 120 is, as shown in FIG. 1, aligned in a line in a direction substantially perpendicular to the paper surface. Therefore, the Raman scattered light guided by the respective optical fibers 121 also enters the spectroscope 130 in line in the direction perpendicular to the paper surface.
  • Each of the plurality of Raman scattered lights is split by the diffraction grating 133 of the spectroscope 130, and in a direction perpendicular to the arrangement direction of the optical fibers 121 on the output end side of the optical fiber unit 120, ie, in the paper parallel direction in FIG. It is dispersed.
  • the spectroscope 130 has at least a spectral element that disperses the Raman scattered light collected by the light collection optical system 1113 and an imaging unit that receives the Raman scattered light separated by the spectral element, and the Raman scattered light is dispersed. And generate a spectral signal.
  • the spectroscope 130 includes an imaging lens 131, a long pass filter 132, a diffraction grating 133 which is a spectral element, an imaging lens 134, and an imaging unit 135.
  • the imaging lens 131 collimates the light from the optical fiber 121.
  • the long pass filter 132 is disposed between the imaging lens 131 and the diffraction grating 133, removes the remaining excitation light component, and transmits the Raman scattered light.
  • the diffraction grating 133 disperses the Raman scattered light collected by the light collection optical system 1113 and disperses the Raman scattered light one-dimensionally for each wavelength.
  • the imaging lens 134 focuses the light separated by the diffraction grating 133 on the imaging unit 135. Thus, a linear spectral image is projected on the light receiving surface of the imaging unit 134. Note that the optical arrangement and the spectroscopic method of each component in the spectroscope 130 may be appropriately changed to another commonly used form such as the Rowland arrangement or the Zernitaner method.
  • the imaging unit 135 includes a plurality of imaging elements arranged to receive a plurality of Raman scattered lights one-dimensionally dispersed by the diffraction grating 133 which is a spectral element, and convert the light into electric signals.
  • the imaging unit 135 is an area image sensor in which pixels including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arrayed along the paper vertical direction and the paper parallel direction of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the configuration of the imaging unit 135.
  • the imaging unit 135 includes a pixel unit 1351 in which pixels including photoelectric conversion elements are arranged in a matrix.
  • the Raman scattered light which is guided by each of the plurality of optical fibers 121 constituting the optical fiber unit 120 and dispersed by the diffraction grating 133 is imaged, and a plurality of spectral images 300 are obtained. It is projected.
  • a dotted line in order to make it easy to understand the intensity of the light intensity of the spectral image for the purpose of illustration.
  • the spectral image 300 is converted into an electrical signal by the imaging unit 135, and is output to the computer 140 as light intensity information for each wavelength, that is, spectral data.
  • the pixel unit 1351 defines an effective imaging area of the imaging unit 135.
  • the pixel portion 1351 has pixels arranged in a two-dimensional manner, and can scan a combination of the main scan and the sub-scan to capture a two-dimensional captured image.
  • the sub-scan is scanned in a direction transverse to the direction of the main scan and is scanned at a lower frequency than the main scan.
  • Main scanning is generally scanned at a frequency N or more times the sub-scanning frequency, where N is the number of pixel rows included in the pixel portion 1351 and sub-scanned.
  • the sorting system 1 identifies the type of the sample 190 while transporting the sample 190 by the transport unit 150, and sorts the sample 190 by the sorting apparatus 160 described later according to the identification result. Therefore, in order to increase the throughput of the sorting process by the sorting system 1, it is preferable to increase the transport speed of the sample 190 by the transport unit 150.
  • the spectral image projected onto the imaging unit 135 is due to Raman scattered light generated from the specimen 190 moving on the transport surface of the transport unit 150. Therefore, a spectral image is formed on the imaging unit 135 while the specimen 190 being transported is present in the detectable area of the light collection unit 110.
  • the imaging unit 135 is required to have a high frame rate.
  • a CMOS image sensor may be mentioned. Therefore, as the imaging unit 135, a CMOS image sensor is preferable.
  • a rolling shutter type image sensor has a simple pixel structure and a high aperture ratio as compared with a global shutter type image sensor, and the photoelectric conversion element can be made large, so that the sensitivity and the dynamic range can be enhanced.
  • the rolling shutter type image sensor has an advantage of lower cost than the global shutter type image sensor. For these reasons, in the present embodiment, a rolling shutter type CMOS image sensor is used as the imaging unit 135.
  • the imaging unit 135 is preferably a rolling reset type image sensor that sequentially performs a reset operation for each pixel row. Thereby, the exposure time of each pixel row can be made as long as possible, and the sensitivity can be enhanced.
  • the imaging unit 135 preferably has a crop read function of performing a read operation on a specific pixel row in the pixel unit 1352.
  • a crop read function of performing a read operation on a specific pixel row in the pixel unit 1352.
  • the imaging unit 135 includes a readout circuit 1353, a horizontal scanning circuit 1354, a vertical scanning circuit 1355, and an output circuit 1356, and the signals from the plurality of pixels arranged in a matrix are divided into rows. Read out sequentially.
  • the vertical scanning circuit 1355 selects and drives an arbitrary pixel row in the pixel portion 1351.
  • the readout circuit 207 reads out the signal output from the pixel of the row selected by the vertical scanning circuit 1355, and transfers it to the output circuit 1356 according to the control of the horizontal scanning circuit 1354. Thereby, the reading in the main scanning direction (row direction) is performed.
  • the row selected by the vertical scanning circuit 1355 is shifted, and the reading circuit 1353 performs reading in the main scanning direction according to the control of the horizontal scanning circuit 1354.
  • the signal can be read out from the entire pixel portion 1351.
  • the read signal is transmitted to the outside of the imaging unit 135 via the output circuit 1356. At this time, scanning in the main scanning direction is performed at high speed, but scanning in the sub scanning direction is slower than scanning in the main scanning direction.
  • each of the plurality of Raman scattered lights separated by the diffraction grating 133 has the optical fiber unit 120 and the diffraction grating 133 so that the respective spectral images are projected along the main scanning direction of the imaging unit 135.
  • the imaging unit 135 are disposed.
  • the optical fiber unit 120, the diffraction grating 133, and the imaging unit 135 are disposed such that the spectral direction by the diffraction grating 133 is along the main scanning direction of the imaging unit 135.
  • the emission end and the diffraction grating 133 are disposed such that the spectral image formed on the imaging unit 135 in accordance with one of the plurality of Raman scattered lights is along the main scanning direction of the imaging unit 135.
  • each of the spectral images of the plurality of Raman scattered lights separated by the diffraction grating 133 is projected to different positions of the imaging unit 135 along the direction of the sub scanning.
  • the spectral image is largely inclined with respect to the main scanning direction of the imaging unit 135
  • the signal reading of the entire spectral image can not be completed unless the signal reading in the sub scanning direction is completed, and the throughput significantly decreases.
  • the exposure timing is shifted for each row, there is a possibility that signals due to Raman scattered light from different analytes 190 may be mixed in the spectral data of one spectral image.
  • the time resolution of the spectral data is degraded.
  • the angle between the spectral image and the main scanning direction of the imaging unit 135 is preferably 0 ° or more and 5 ° or less, and more preferably 0 ° or more and 3 ° or less.
  • the whole of one spectral image is preferably projected onto fewer pixel rows, and most preferably into one pixel row. It is most preferable that the spectral image and the main scanning direction of the imaging unit 135 be parallel.
  • the computer 140 acquires spectral data of Raman scattered light from the imaging unit 135. In addition, the computer 140 appropriately sends a drive signal and a stop signal to the drive unit 151 that drives the conveyance unit 150. In addition, the computer 140 extracts the Raman spectrum of the sample 190 from the received measurement data and analyzes it to perform identification processing for identifying the type of the measured sample 190.
  • identification method for example, comparison with a characteristic peak of Raman spectrum or a known spectrum as described in Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-209128) or Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • the computer 140 can also perform generally usable analysis by Raman spectroscopy such as identification of additives and impurity components by detection of specific peaks of Raman spectrum and comparison with a database.
  • the computer 140 may include a display unit such as a flat panel display, and an input unit such as a keyboard, a mouse, and a touch panel, and may receive an instruction from the user or provide information to the user.
  • the computer 140 may perform various processing such as smoothing, slope correction, addition of pixel data in a certain spectral range, arithmetic processing between pixel data, and the like on the acquired spectrum data.
  • an FPGA having a function as the data processing means may be used.
  • the sorting system 1 includes a sorting device 160 that sorts the sample 190 based on the identification result of the identification device 100.
  • the sorting device 160 has an air gun drive device 161 and a plurality of air guns 162 arranged in a direction perpendicular to the transport direction of the transport unit 150.
  • identification and sorting are used as different concepts as follows. Identification identifies the substance of the analyte or the nature of the analyte and sorting means identifying the application of the analyte.
  • the substance of the sample includes the composition, the main component, the contained substance and the like, and the property of the sample includes physical property values such as density, surface roughness, surface energy, elastic modulus, linear expansion coefficient, and characteristic values.
  • the application of the sample includes screening and marking based on the disposal, disposal such as disposal, recycling, additional analysis, etc., and the supply destination.
  • the computer 140 transmits an air gun drive signal to the air gun drive device 161 according to the result of the above-described identification process.
  • the air gun drive signal calculates the transfer time of the transfer unit 150, the air discharge time of the air gun 162, and the like, and transmits an air gun drive signal with an appropriate delay time. That is, the computer 140 also has a function as a synchronization unit that synchronizes the sorting apparatus and the transport unit 150. As a result, compressed air can be applied to a desired sample 190 among the plurality of samples 190 while the sample 190 is falling.
  • the sorting cage 163 is disposed downstream of the transport unit 150 in the transport direction 220.
  • the sample 190 transported by the transport unit 150 pops out from the end of the transport unit 150 and falls, and enters the sorting cage 163.
  • the sorting cage 163 is divided into a plurality of small rooms, receives the sorting by the sorting device, and stores the sample 190 for each type.
  • the air gun 162 blows compressed air when the air gun drive signal is ON, and based on the identification result of the identification device 100, strikes the sample to be sorted toward the upstream side in the transport direction. .
  • the sample to be sorted is stored in a small room disposed upstream of the sorting cage 163 in the transport direction.
  • the sorting apparatus 160 can sort the sample 190 including the resin piece in accordance with the identification result of the identification apparatus 100.
  • the above-mentioned sorting device is an example, and is not limited to this.
  • another sorting device such as a robot hand may be adopted as the sorting device.
  • an alignment means for aligning the plurality of samples 190 transported by the transport unit 150 and a pre-processing means for adjusting the shapes and particle sizes of the plurality of samples 190 so as to be uniform are provided on the upstream side of the transport unit 150 It is also good.
  • a vibrating conveyor, a vibrating sieve, a crushed grain controller or the like can be used as the alignment means and the pretreatment means.
  • the optical fiber unit 120 is used to integrate the spectroscope part, and a plurality of spectral images are collectively detected by the imaging unit 135 to simplify the device configuration of the resin identification device. There is. In addition, by projecting a plurality of spectral images along the main scanning direction of the imaging unit 135, the throughput of the identification process can be increased.

Abstract

識別装置１００は、検体１９０からのラマン散乱光を採光する採光光学系１１１３をそれぞれ有する複数の採光ユニット１１０と、採光されたラマン散乱光をそれぞれ導光する複数の光ファイバ１２１を有し、出射端側において複数の光ファイバ１２１が束ねられている光ファイバユニット１２０と、導光された複数のラマン散乱光を分光する分光素子１３３と、分光された複数のラマン散乱光を受光する撮像部１３５と、撮像部１３５から複数のラマン散乱光のスペクトルデータを取得し、識別処理を行うデータ処理手段１４０と、を有する。分光素子１３３によって分光された複数のラマン散乱光は、撮像部１３５の受光面上に形成されるスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に沿うように投影される。

Description

識別装置、選別システム
　本発明は、検体に含まれる樹脂を識別する識別装置および選別システムに関する。
　家庭ごみや産業廃棄物に含まれている様々な種類のプラスチックやエラストマー等の樹脂を新しい製品の原料として再生利用する際には、廃棄物中の樹脂を材質ごとに選別することが求められる。リサイクル施設においては、これらの廃棄物を機械的に破砕して樹脂片や金属片が混合した破砕物とした後に、さまざまな方法で分別することが行われている。
　プラスチック等の樹脂片を分別する方法の一つに、ラマン散乱を利用した方法がある。ラマン散乱を利用することで、樹脂の材質を識別したり、成分組成やその分布を調べたりすることが可能となる。樹脂をベルトコンベアなどの搬送手段によって搬送し、搬送されている樹脂からラマン散乱光を検出して識別することで、高スループットの樹脂識別システムを構成することができる。
　特開２０１１－２２６８２１号公報には、ベルトコンベアの搬送方向に垂直な方向、すなわちベルトコンベアの幅方向に複数のラマン分光装置を配列したプラスチック識別装置が記載されている。これにより、ベルトコンベアの幅方向の複数個所で識別対象のプラスチックを識別することができ、識別のスループットをさらに高めることができる。
　特開２０１２－１２２８５１号公報には、それぞれ異なる測定箇所からラマン散乱光を採光する複数のプローブヘッドを有するラマン分析装置が記載されている。特開２０１２－１２２８５１号公報のラマン分析装置は、各プローブヘッドからの光をそれぞれ導光する複数の光ファイバが出射端側で束ねられた光ファイバユニットを有している。そして、それぞれ異なる測定個所から採光された複数のラマン散乱光を１つの回折格子で分光し、１つのＣＣＤカメラで撮像する。これにより、複数個所からのラマン散乱光を１つの分光器でまとめて分光測定することができる。
　特開２０１１－２２６８２１号公報では、複数台のラマン分光装置をそのまま配置しているため、識別装置全体の装置構成が複雑になる上、装置コストが高くなるという課題がある。そこで、特開２０１２－１２２８５１号公報のように光バンドルファイバとＣＣＤカメラを用いて分光器部分を集積化することで、装置構成を単純化するとともに、装置コストを低減することが考えられる。
　特開２０１１－２２６８２１号公報のようにベルトコンベア上で高速に搬送されている樹脂片を識別するためには高速に識別処理を行うことが要求されるため、ＣＣＤイメージセンサではなく、信号の高速読み出しが可能なＣＭＯＳイメージセンサを用いることが好ましい。本発明者らが鋭意検討した結果、ＣＭＯＳイメージセンサのように画素行ごとに信号を順次読み出す撮像部を用いると、撮像部や分光素子の配置によっては識別処理の速度が低下してしまうという新たな課題が見いだされた。
　そこで本発明では、上述の課題に鑑み、単純な装置構成で、ベルトコンベア上で搬送されている樹脂片を高速に識別することができる樹脂識別装置を提供することを目的とする。
　本発明の一側面としての識別装置は、検体に含まれる樹脂を識別する識別装置であって、
前記検体からのラマン散乱光を採光する複数の採光ユニットと、採光された前記ラマン散乱光を導光する複数の光ファイバと、導光された前記複数のラマン散乱光を分光する分光素子と、分光された前記複数のラマン散乱光を受光するように配置され主走査と前記主走査の方向と交差する方向において前記主走査より低い周波数で走査される副走査とにより撮像する撮像部と、前記撮像部から前記複数のラマン散乱光のスペクトルデータを取得し、前記検体の識別処理を行うデータ処理部と、を有し、前記複数の光ファイバは前記複数のラマン散乱光を前記分光素子に向けて導光する出射端を有し、前記複数のラマン散乱光の一つに対応して前記撮像部に形成されるスペクトル像が前記撮像部の主走査方向に沿うように、前記出射端と前記分光素子とが配置されることを特徴とする。
選別システムの構成を模式的に示す図である。 採光ユニットの構成の一例を模式的に示す図である。 撮像部の構成を模式的に示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に含まれる。
　（第１の実施形態）
　図１～３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る選別システムについて説明する。図１は、第１の実施形態に係る選別システムの構成を模式的に示す図である。
　本実施形態の選別システム１は、搬送ユニット１５０を有し、搬送ユニット１５０によって搬送される検体１９０の種類を識別する識別処理を行い、その識別結果に応じて検体１９０に含まれる成分を選別するシステムである。
　ここで、検体１９０に含まれる成分としては、金属を主に含む金属片、金属酸化物の結晶を主に含むセラミック片、金属酸化物の非晶質を含むガラス片、樹脂を主に含む樹脂片、等である。多くの場合、検体１９０は、家庭ごみや産業廃棄物等が破砕されたものである。検体１９０は、前工程として破砕工程を経ていると換言される。ここで、本明細書における樹脂は、熱可塑性樹脂（プラスチック）や熱硬化性樹脂、ゴム、エラストマー、セルロース、紙、等を含む、有機物の重合体全般を意味する。なお、検体１９０は、合成樹脂以外にガラスや繊維等のフィラーや、難燃剤、可塑剤などの各種添加物を含む場合がある。本実施形態に係る選別システム１は、樹脂片を構成する樹脂の種類、すなわち樹脂片の材種を識別することに加えて、これらの添加物の有無や種類を識別することを含む。
　選別システム１は、図１に示すように、識別装置１００と選別装置１６０と、を備えている。識別装置１００は、図１に示すように、識別ユニット９０と搬送ユニット１５０とを備えている。識別ユニット９０は、採光ユニット１１０と、採光ユニット１１０で採光されたラマン散乱光を分光器１３０に伝送する光ファイバユニット１２０と、分光器１３０からの出力結果に基づき識別のための演算処理を行うコンピュータ１４０と、を備えている。
　採光ユニット１１０は、採光部１１０ａ～１１０ｅを複数備え、後述する搬送路の幅方向に複数載置された検体からのラマン散乱光を採光する。光ファイバユニット１２０は、複数の光ファイバ１２１ａ～１２１ｅを備え、分光器１３０の側において束ねられている。分光器１３０は、結像レンズ１３１、ロングパスフィルタ１３２、分光素子１３３、結像レンズ１３４、および撮像部１３５を備えている。光ファイバユニット１２０は複数の光ファイバ１２１ａ～１２１ｅを備え、光ファイバ１２１ａ～１２１ｅのそれぞれは、複数の採光ユニット１１０ａ～１１０ｅのそれぞれと接続されている。採光ユニット１１０で採光されたラマン散乱光を並列的に分光素子１３３に導光する。ここでは５つの採光部１１０ａ～１１０ｅを備えた構成について説明するが、採光ユニット１１０の数およびそれに対応する光ファイバ１２１の数は複数であれば特に限定されない。結像レンズ１３１は、光ファイバ１２１からの光を平行光化する。ロングパスフィルタ１３２は、結像レンズ１３１と回折格子１３３との間に配置され、残存する励起光成分を除去し、ラマン散乱光を透過させる。
　識別装置１００は、採光ユニット１１０と、光ファイバユニット１２０と、分光器１３０と、コンピュータ１４０と、を含む識別ユニット９０と、搬送面上に載置された検体１９０を搬送する搬送ユニット１５０と、を備える。搬送ユニット１５０は、ベルトコンベア１５２と、ベルトコンベア１５２を駆動する駆動モータ１５１と、をさらに有する。本実施形態の識別装置１００は、識別ユニット９０と搬送ユニット１５０とを備える。
　搬送ユニット１５０は、不図示の検体供給部から投入された検体１９０を測定位置へ所定の速度で搬送する。搬送ユニット１５０としては、検体１９０を搬送面上に載置した状態で搬送できる手段であれば、ベルトコンベア１５２の他に、ターンテーブル、搬送ドラム、などを用いることができる。本実施形態に係る選別システム１によるラマン散乱測定は、検体１９０が搬送ユニット１５０によって搬送されている間に行われ、測定後、検体１９０は搬送方向に搬送され、後述する選別装置１６０によって識別装置１００の識別結果に基づき選別される。
　また、選別システム１は、採光ユニット１１０よりも搬送ユニット１５０の搬送方向２２０の下流側に配置される選別装置１６０をさらに有する。選別装置１６０は、識別装置１００の識別結果に基づいて検体１９０の選別を行う。
　以下、選別システム１を構成する各部について詳細に説明する。
　（採光ユニット）
　図２は、採光ユニット１１０の構成の一例と模式的に示す図である。採光ユニット１１０は、検体１９０に光を照射する照明光学系１１０７と、検体１９０からのラマン散乱光を採光する採光光学系１１１３と、を有する。
　照明光学系１１０７は、搬送ユニット１５０の搬送面上の検体１９０を、光源からの光で照明する光学系である。照明光学系１１０７によって照明された検体１０９は、ラマン散乱光を発する。このとき、検体１９０から発生するラマン散乱光の強度は、同時に発生するものの弾性散乱し波長シフトを呈しないレイリー散乱光の強度に対して１０－６倍程度であり、極めて微弱である。照明光学系１１０７は、図２に示すように、半導体レーザ１１０１、レーザマウント１１０２、レーザドライバ１１０３、コリメータレンズ１１０４、シリンドリカルレンズ１１０５、及び、集光レンズ１１０６と、を有する。
　半導体レーザ１１０１は、検体１９０を照明する光の光源である。本実施形態においては、半導体レーザ１１０１は連続発振レーザであり、検体１９０からラマン散乱光を発生させるために必要な強度の光を出射する。ラマン散乱の発生効率は、照明光の波長が短いほど高く、照明光の波長が長いほど低い。一方で、ラマン散乱光に対するバックグラウンドノイズとなる蛍光の強度は、照明光の波長が長いほど低く、照明光に波長が短いほど高い。半導体レーザ１１０１からの光としては、例えば５３２ｎｍ、６３３ｎｍ、７８０ｎｍのいずれかの波長の光を利用できる。なお、ここでは照明光学系１１０７の光源として半導体レーザ１１０１を用いる場合を説明したが、これに限定されず、半導体励起固体レーザやガスレーザなどの他のレーザ光源を用いることもできる。照明光学系１１１０７に適用する光源の波長は、識別の対象となる材料に固有のラマンシフト量、信号対雑音比等を考慮して選択される。
　レーザマウント１１０２は、半導体レーザ１１０１を保持し、放熱を行う。レーザドライバ１１０３はレーザマウント１１０２を介して半導体レーザ１１０１に電流を供給し、半導体レーザ１１０１を発振させ、同時に半導体レーザ１１０１の温度を一定に保つ。なお、レーザドライバ１１０３は採光ユニット１１０ごとに設けられていてもよいし、複数の採光ユニット１１０に対して１つのレーザドライバ１１０３が設けられていてもよい。
　コリメータレンズ１１０４およびシリンドリカルレンズ１１０５は半導体レーザ１１０１の出射光の拡がりを制限し、平行光に整形する。シリンドリカルレンズ１１０５はアナモルフィックプリズムペアなど他のコリメート用光学素子を利用してもよい。また、照明光学系１１０７は、レーザラインフィルタを含む波長フィルタ（不図示）を配置することができる。波長フィルタは、照明光学系１１０７の瞳面の位置に配置することができる。これにより、照明光学系１１０７によって検体１９０に照射される光の波長特性を改善することができる。集光レンズ１１０６は、半導体レーザ１１０１からの光を検体１９０に集光する。コリメータレンズ１１０４、シリンドリカルレンズ１１０５、および集光レンズ１１０６としては、合成石英で形成されたレンズを用いることが好ましい。これらのレンズは半導体レーザ１１０１から高強度の光が通過するため、合成石英で形成されたレンズを用いることで、バックグラウンドとなる蛍光や観測系に含まれる微量成分由来のラマン散乱光を低減することができる。
　なお、検体１９０から識別に十分な強度のラマン散乱光が得られれば、集光レンズ１１０６は必ずしも必須ではない。すなわち、照明光学系１１０７は、コリメータレンズ１１０４および／またはシリンドリカルレンズ１１０５によってコリメートされた光をそのまま検体１９０に照射する構成であってもよい。
　採光光学系１１１３は、照明光学系１１０７によって照明された検体１９０からのラマン散乱光を採光する光学系である。採光光学系１１１３によって採光されたラマン散乱光は、導光手段である光ファイバ１２１によって分光素子１３３へと導光される。採光光学系１１１３は、対物レンズ１１１０、励起光カットフィルタ１１１１、ファイバ集光レンズ１１１２を有する。
　対物レンズ１１１０は、照明光学系１１０７によって照明された検体１９０からのラマン散乱光を採光する。対物レンズ１１１０などの採光光学系１１１３を構成する各レンズは、検体１９０によっては出力の高い光が照射される場合があるため、バックグラウンドとなる蛍光や観測系由来のラマン散乱光を低減するために合成石英で形成されたレンズを用いることが好ましい。同様に、バルサムからのバックグラウンドの抑制、また、発熱によるバルサム剥がれの抑制のため、貼り合わせレンズは利用しない方が好ましい。すなわち、対物レンズ１１１０などの採光光学系１１１３を構成する各レンズは、単レンズであることが好ましい。また、導光手段である光ファイバ１１１４へのカップリング効率を向上させるために、対物レンズ１１１０は非球面レンズであることが好ましい。
　励起光カットフィルタ１１１１は、バンドパスフィルタやロングパスフィルタ等の波長フィルタであり、対物レンズ１１１０によって採光された光のうちの少なくとも一部の波長域の光を遮光してラマン散乱光を透過させる。これにより、ラマン散乱光の測定に不要な光を遮光し、ラマン散乱光を透過させる。フィルタ特性の観点から、励起光カットフィルタ１１１１は対物レンズ１１１０とファイバ集光レンズ１１１２の間の平行光束中、すなわち、採光光学系１１１３の瞳面に配置されることが好ましい。
　ファイバ集光レンズ１１１２は、ラマン散乱光を光ファイバ１２１にカップリングする。励起光カットフィルタ１１１１が挿入されている場合、ファイバ集光レンズ１１１２からのラマン散乱光は無視できるため、光ファイバ１２１へのカップリング効率を優先してダブレットレンズなどの貼り合わせレンズを用いて収差を抑えるようにするとよい。
　なお本実施形態では、採光ユニット１１０が有する照明光学系１１０７と採光光学系１１１３とが独立した構成としたが、これに限定はされない。すなわち、照明光学系１１０７と採光光学系１１１３とが、それぞれの光学系を構成する各種レンズ等の光学要素の一部を共有していてもよい。
　複数の採光ユニット１１０は、搬送ユニット１５０の搬送面に対向し、搬送ユニット１５０の搬送方向に垂直な方向において異なる位置に配置されている。すなわち、複数の採光ユニット１１０は、搬送ユニット１５０の幅方向において異なる位置に配置されている。採光ユニット１１０のそれぞれは、搬送ユニット１５０の搬送面上の所定の領域内を通過する検体１９０に光を照射して、所定の領域内からのラマン散乱光を採光するため、それぞれの採光ユニット１１０が採光できる領域は限定的である。そこで、本実施形態のように採光ユニット１１０を複数設け、それらを搬送ユニット１５０の幅方向にずらして配置することで、検体１９０の種類の識別を行うことのできる範囲を広げることができる。これにより、識別処理および選別処理のスループットを向上させることができる。
　また、複数の採光ユニット１１０は、搬送ユニット１５０の搬送方向においても異なる位置に配置されていることが好ましい。それぞれの採光ユニット１１０は照明光学系１１０７および採光光学系１１１３を有するためにある程度の大きさを有している。そこで、搬送ユニット１５０の搬送面に垂直な方向から見たときに複数の採光ユニット１１０を斜めに配列することで、搬送ユニット１５０の幅方向における採光ユニット１１０の配置密度を高めることができる。これにより、選別システム１による識別の分解能を高めることができ、より小さなサイズの検体１９０を識別することができるようになる。
　（光ファイバユニット）
　光ファイバユニット１２０は、複数の採光ユニット１１０のそれぞれによって採光されたラマン散乱光を分光器１３０に導光する導光手段である。光ファイバユニット１２０は、複数の採光ユニット１１０ａ～ｅのそれぞれに対応する複数の光ファイバ１２１ａ～ｅを有している。それぞれの光ファイバ１２１の入射端は、対応する採光ユニット１１０の採光光学系１１１３からの光が入射するように配置されている。一方、複数の光ファイバ１２１は、その出射端において束ねられており、複数の採光ユニット１１０からのラマン散乱光が１つの分光器１３０に導光されるように構成されている。なお、ここでは分光器１３０を１つだけ設けた例について説明したが、分光器１３０の数は採光ユニット１１０の数よりも少なければよい。このような構成にすることで、一般に高価な分光器１３０の数を低減することができ、選別システムの構成を単純化し、コストを低減することができる。また、分光器１３０に起因する測定誤差やばらつきを低減することができ、選別システムによる識別精度および選別精度を向上させることができる。
　図１において、光ファイバユニット１２０を構成する複数の光ファイバ１２１は、光ファイバユニット１２０の出射端（分光器１３０側の端部）側において束ねられており、列状に配置されている。光ファイバユニット１２０の出射端の配列方向は、分光素子１３３、検出器１３５に対する配置関係に基づいて決定される。光ファイバユニット１２０の出射端の配列方向は、図１においては、紙面の略垂直方向に一列に並んでいる。したがって、それぞれの光ファイバ１２１によって導光されたラマン散乱光も、紙面垂直方向に一列に並んで、分光器１３０に入射する。この複数のラマン散乱光のそれぞれは、分光器１３０の有する回折格子１３３によって分光され、光ファイバユニット１２０の出射端側における光ファイバ１２１の配列方向に垂直な方向、すなわち図１における紙面平行方向に分光される。
　（分光器）
　分光器１３０は、採光光学系１１１３によって採光されたラマン散乱光を分光する分光素子と、分光素子によって分光されたラマン散乱光を受光する撮像部と、を少なくとも有し、該ラマン散乱光を分光し、スペクトル信号を生成する。分光器１３０は、結像レンズ１３１と、ロングパスフィルタ１３２と、分光素子である回折格子１３３と、結像レンズ１３４と、撮像部１３５と、を有する。
　結像レンズ１３１は、光ファイバ１２１からの光を平行光化する。ロングパスフィルタ１３２は、結像レンズ１３１と回折格子１３３との間に配置され、残存する励起光成分を除去し、ラマン散乱光を透過させる。
　回折格子１３３は、採光光学系１１１３によって採光されたラマン散乱光を分光し、ラマン散乱光を波長ごとに一次元的に分散させる。結像レンズ１３４は回折格子１３３で分光された光を撮像部１３５上に結像する。これにより、撮像部１３４の受光面上には、ライン状のスペクトル像が投影される。なお、分光器１３０中の各構成要素の光学配置や分光方式は、ローランド配置やツェルニターナー方式等、適宜他の一般的に利用される形態に変更してもよい。
　（撮像部）
　撮像部１３５は、分光素子である回折格子１３３によってそれぞれ一次元的に分光された複数のラマン散乱光を受光し、電気信号に変換するために配列された撮像素子を複数備えている。撮像部１３５は、図１の紙面垂直方向および紙面平行方向に沿って光電変換素子を含む画素が二次元的に配列されたエリアイメージセンサである。光ファイバユニット１２０および回折格子１３３を上述のように配置することで、撮像部１３５の受光面上には、複数の光ファイバ１２１のそれぞれによって導光されて分光されたラマン散乱光が投影された複数のスペクトル像が紙面垂直方向に並ぶ。また、撮像部１３５の受光面上において、それぞれのスペクトル像の波長成分は紙面平行方向に分布する。
　図３は、撮像部１３５の構成を模式的に示す図である。撮像部１３５は、光電変換素子を含む画素が行列状に配列された画素部１３５１を有している。撮像部１３５の受光面上には、光ファイバユニット１２０を構成する複数の光ファイバ１２１のそれぞれによって導光されて回折格子１３３で分光されたラマン散乱光が結像され、複数のスペクトル像３００が投影される。ここでは、説明のためにスペクトル像の光強度の強弱をわかりやすくするため、点線状に示している。スペクトル像３００は撮像部１３５によって、電気信号に変換され、波長ごとの光強度情報、すなわちスペクトルデータとしてコンピュータ１４０に出力される。
　画素部１３５１は、撮像部１３５のうちの有効な撮像エリアを規定すると換言される。また、画素部１３５１は、二次元に配列した画素を有し、主走査と副走査とを組み合わせて走査され二次元の撮像イメージを撮像することができる。本願明細書において、副走査は、主走査の方向と交差する方向に走査され、主走査より低い周波数で走査される。主走査は一般に、画素部１３５１に含まれ副走査される画素行の数をＮとするとき、副走査周波数のＮ倍以上の周波数で走査される。　
　ここで、選別システム１は、搬送ユニット１５０によって検体１９０を搬送しながら検体１９０の種類を識別し、その識別結果に応じて、後述する選別装置１６０によって検体１９０を選別する。そのため、選別システム１による選別処理のスループットを高めるためには、搬送ユニット１５０による検体１９０の搬送速度を高めることが好ましい。撮像部１３５上に投影されるスペクトル像は、搬送ユニット１５０の搬送面上を移動する検体１９０から発生したラマン散乱光によるものである。そのため、搬送されている検体１９０が採光ユニット１１０の検出可能領域内に存在する間に、撮像部１３５上にスペクトル像が形成される。例えば、搬送ユニット１５０による搬送速度が２ｍ／秒、検体１９０の大きさが１０ｍｍである場合には、検体１９０から発生するラマン散乱光によって形成されるスペクトル像を撮像部１３５によって検出できる時間は５ミリ秒以下となる。したがって、撮像部１３５としては、フレームレートが高いことが求められる。このような高フレームレートの撮像部としてはＣＭＯＳイメージセンサが挙げられ、したがって、撮像部１３５としてはＣＭＯＳイメージセンサが好ましい。
　また、上述のように、検体１９０から発生するラマン散乱光の強度は極めて微弱であるため、撮像部１３５の画素部１３５１の各画素に入射する光の強度も極めて微弱である。したがって、撮像部１３５はスペクトル像３００を取得する波長領域において、高い感度を持ったものを使用することが好ましい。一般に、ローリングシャッタ方式のイメージセンサはグローバルシャッタ方式のイメージセンサと比較して画素構造が単純で開口率が高く、光電変換素子を大きくできるため、感度およびダイナミックレンジを高めることができる。また、画素構造が単純であることから、ローリングシャッタ方式のイメージセンサはグローバルシャッタ方式のイメージセンサよりも低コストであるというメリットもある。これらの理由から、本実施形態では、撮像部１３５としてローリングシャッタ方式のＣＭＯＳイメージセンサを用いている。
　撮像部１３５は、画素行ごとに順次リセット動作を行う、ローリングリセット方式のイメージセンサであることが好ましい。これにより、各画素行の露光時間をできるだけ長くすることができ、感度を高めることができる。
　撮像部１３５は、画素部１３５２中の特定の画素行について読み出し動作を行うクロップ読み出し機能を備えていることが好ましい。これにより、例えば別の検出手段によって検体１９０が採光ユニット１１０の検出可能領域に到達することを検出したときに、その採光ユニット１１０に対応する画素行の読み出し動作を行うようにすることができる。
　撮像部１３５は、読み出し回路１３５３と、水平走査回路１３５４と、垂直走査回路１３５５と、出力回路１３５６と、を有しており、行列状に配置された複数の画素からの信号を、行ごとに順次読み出す。垂直走査回路１３５５は、画素部１３５１中の任意の画素行を選択して駆動する。読み出し回路２０７は、垂直走査回路１３５５によって選択された行の画素から出力された信号を読み出し、水平走査回路１３５４の制御に応じて出力回路１３５６に転送する。これにより、主走査方向（行方向）の読み出しが行われる。また、垂直走査回路１３５５が選択する行をシフトして、水平走査回路１３５４の制御に応じて読み出し回路１３５３が主走査方向の読み出しを行う。これを繰り返して、選択する画素行を副走査方向（列方向）にシフトしていくことで、画素部１３５１全体から信号を読み出すことができる。読み出された信号は、出力回路１３５６を介して撮像部１３５の外部へと送出される。このとき、主走査方向の走査は高速に行われるが、副走査方向の走査は主走査方向の走査よりも遅い。
　本実施形態では、回折格子１３３によって分光された複数のラマン散乱光のそれぞれが、それぞれのスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に沿って投影されるように、光ファイバユニット１２０、回折格子１３３、および撮像部１３５を配置している。換言すれば、回折格子１３３による分光方向が、撮像部１３５の主走査方向に沿うように、光ファイバユニット１２０、回折格子１３３、および撮像部１３５を配置している。複数のラマン散乱光の一つに対応して撮像部１３５に形成されるスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に沿うように、出射端と回折格子１３３（分光素子）とが配置されていると換言される。また、回折格子１３３（分光素子）により分光された複数のラマン散乱光のスペクトル像のそれぞれは、副走査の方向に沿って撮像部１３５の異なる位置に投影されると換言される。これにより、撮像部１３５の受光面上に投影されるスペクトル像の信号を高速に読み出すことができ、識別処理のスループットを高めることができる。
　ここで、スペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に対して大きく傾いている場合について考える。例えばスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に対して９０°傾いている場合には、副走査方向の信号読み出しが完了しないとスペクトル像全体の信号の読み出しが完了せず、スループットが著しく低下する。また、行ごとに露光のタイミングがずれることで、１つのスペクトル像のスペクトルデータ中に、異なる検体１９０からのラマン散乱光による信号が混在してしまう可能性がある。このように、投影されるスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に対して大きく傾いていると、スペクトルデータの時間分解能が低下してしまう。
　したがって、スペクトル像の信号を高速に読み出し、スペクトルデータの時間分解能を向上させるためには、投影されるスペクトル像と撮像部１３５の主走査方向とがなす角を小さくすることが好ましい。例えば、スペクトル像と撮像部１３５の主走査方向とがなす角は、０°以上５°以下であることが好ましく、０°以上３°以下であることがより好ましい。また、１つのスペクトル像の全体が、より少ない行数の画素行に投影されることが好ましく、１つの画素行中に投影されることが最も好ましい。スペクトル像と撮像部１３５の主走査方向とが平行になるようにすることが、最も好ましい。
　（データ処理手段）
　コンピュータ１４０は、撮像部１３５からラマン散乱光のスペクトルデータを取得する。また、コンピュータ１４０は、搬送ユニット１５０を駆動する駆動手段１５１へ駆動信号、停止信号を適宜送出する。また、コンピュータ１４０は受信した測定データから検体１９０のラマンスペクトルを抽出し、分析することで、測定した検体１９０の種類を識別する識別処理を行う。識別手法としては、例えば特許文献３（特開２００８－２０９１２８号公報）や特許文献４（特開平１０－０３８８０７号公報）に記載されているような、ラマンスペクトルの特徴ピークや既知スペクトルとの照合によって実施することができる。コンピュータ１４０は樹脂材種の識別に加えて、ラマンスペクトルの特定ピークの検出やデータベースとの照合によって添加物や不純物成分の特定など、ラマン分光法によって一般的に利用可能な解析を行うこともできる。なお、コンピュータ１４０は、フラットパネルディスプレイのような表示部や、キーボードやマウス、タッチパネルのような入力部を備え、ユーザからの指示を受け付けたり、ユーザに情報を提供したりしてもよい。また、コンピュータ１４０は、取得したスペクトルデータに対して、平滑化、スロープ補正、あるスペクトル範囲での画素データの加算、画素データ間の演算処理などの各種処理を行ってもよい。なお、コンピュータ１４０の代わりに、これらのデータ処理手段としての機能を持たせたＦＰＧＡを用いてもよい。
　（選別装置）
　選別システム１は、識別装置１００の識別結果に基づいて、検体１９０を選別する選別装置１６０を備えている。選別装置１６０は、エアガン駆動装置１６１と、搬送ユニット１５０の搬送方向に垂直な方向に配列された複数のエアガン１６２とを有する。本願明細書において、識別と選別は、以下のように異なる概念として用いている。識別は、検体の物質、または、検体の性質を特定し、選別は、検体の用途を特定することを意味する。検体の物質は、組成、主成分、含有物質等が含まれ、検体の性質は、密度、表面粗度、表面エネルギー、弾性率、線膨張係数等の物性値、特性値が含まれる。検体の用途は、廃棄、リサイクル、追加分析、等の処分、供給先に基づいて、篩い分けや、マーキングを行うことを含む。
　コンピュータ１４０は、上述の識別処理の結果に応じて、エアガン駆動装置１６１にエアガン駆動信号を送信する。このとき、エアガン駆動信号は搬送ユニット１５０の搬送時間、エアガン１６２のエア発射時間などを計算し、適当な遅延時間を与えてエアガン駆動信号を送信する。すなわち、コンピュータ１４０は、選別装置と搬送ユニット１５０とを同期させる同期手段としての機能も有している。これにより、複数の検体１９０のうちの所望の検体１９０に対して、かかる検体１９０が落下している間に圧縮空気を当てることができる。
　選別カゴ１６３は、搬送ユニット１５０に対して搬送方向２２０の下流側に配置されている。搬送ユニット１５０によって搬送された検体１９０は搬送ユニット１５０の端部から飛び出して落下し、選別カゴ１６３に入る。選別カゴ１６３は複数の小部屋に仕切られており、選別装置による選別を受けて、種類ごとに検体１９０を収容する。
　本実施形態においては、エアガン１６２は、エアガン駆動信号がＯＮのときに圧縮空気を発射することによって、識別装置１００の識別結果に基づき、選別の対象となる検体を搬送方向上流側に向かって打ち落とす。これにより、かかる選別の対象となる検体は選別カゴ１６３の搬送方向上流側に配置された小部屋に収容される。
　これにより、選別装置１６０は、識別装置１００の識別結果に応じて、樹脂片を含む検体１９０を選別することができる。なお、上述の選別装置は一例であり、これに限定されるものではない。選別装置として、例えばロボットハンドなどの他の選別装置を採用してもよい。
　また、搬送ユニット１５０によって搬送される複数の検体１９０を整列させる整列手段や、複数の検体１９０の形状や粒度を均一になるように調整する前処理手段を、搬送ユニット１５０の上流側に設けてもよい。整列手段や前処理手段としては、例えば、振動コンベアや振動篩機、破砕粒調機等を用いることができる。
　上述のように、本実施形態では、光ファイバユニット１２０を用いて分光器部分を集積化し、複数のスペクトル像を撮像部１３５によってまとめて検出することで、樹脂識別装置の装置構成を単純化している。また、複数のスペクトル像が撮像部１３５の主走査方向に沿うように投影されるようにすることで、識別処理のスループットを高めることができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１７年１２月８日提出の日本国特許出願特願２０１７－２３６２２６と２０１８年１１月２０日提出の日本国特許出願特願２０１８－２１７５６３を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
 

Claims (14)

  1. 検体に含まれる樹脂を識別する識別装置であって、
    前記検体からのラマン散乱光を採光する複数の採光ユニットと、
    採光された前記ラマン散乱光を導光する複数の光ファイバと、
    導光された前記複数のラマン散乱光を分光する分光素子と、分光された前記複数のラマン散乱光を受光するように配置され主走査と前記主走査の方向と交差する方向において前記主走査より低い周波数で走査される副走査とにより撮像する撮像部と、
    前記撮像部から前記複数のラマン散乱光のスペクトルデータを取得し、前記検体の識別処理を行うデータ処理部と、を有し、
    前記複数の光ファイバは前記複数のラマン散乱光を前記分光素子に向けて導光する出射端を有し、前記複数のラマン散乱光の一つに対応して前記撮像部に形成されるスペクトル像が前記撮像部の主走査方向に沿うように、前記出射端と前記分光素子とが配置されることを特徴とする識別装置。
  2. 前記撮像部は、エリアイメージセンサであることを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
  3. 前記エリアイメージセンサは、ＣＭＯＳイメージセンサであることを特徴とする請求項２に記載の識別装置。
  4. 前記スペクトル像の投影方向と前記主走査方向とがなす角は、０°以上５°以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の識別装置。
  5. 前記分光素子の数および前記撮像部の数は、前記採光ユニットの数よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の識別装置。
  6. 前記検体が載置される搬送面を有し前記検体を所定の搬送方向に搬送する搬送ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の識別装置。
  7. 前記複数の採光ユニットは、前記搬送方向と交差する搬送幅方向において互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の識別装置。
  8. 前記複数の採光ユニットは、前記搬送方向において互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の識別装置。
  9. 前記光ファイバユニットの出射端側において、前記複数の光ファイバは列状に配置されている部分を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の識別装置。
  10. 前記複数の採光ユニットは、前記検体に光を照射する照明光学系を備えていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の識別装置。
  11. 前記撮像部のシャッタ方式は、ローリングシャッタ方式であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の識別装置。
  12. 前記撮像部のリセット方式は、ローリングリセット方式であることを特徴とする請求項１１に記載の識別装置。
  13. 前記分光素子により分光された前記複数のラマン散乱光のスペクトル像のそれぞれは、前記副走査の方向に沿って前記撮像部の異なる位置に投影されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の識別装置。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の識別装置と、
    前記搬送ユニットの前記搬送方向の下流側に配置され、前記識別装置の識別結果に基づいて前記検体を選別する選別装置と、
    を有することを特徴とする選別システム。
     
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