ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФОТОСЕПАРАТОР Российский патент 2016 года по МПК B07C5/342 

Изобретение относится к устройствам сортировки объектов по цвету, размерам, форме и иным характеристикам, доступным анализу средствами машинного зрения. Преимущественная область применения - сортировка сельскохозяйственной продукции.

Известны сканирующие лазерные сортировщики (US 6509537, МПК В07С 5/342; G01N 21/27; G01N 21/85, опубл. 21.01.2003, US 6864970, МПК В07C 5/342, опубл. 08.03.2005), имеющие в своем составе устройство транспортировки сортируемого материала, устройство считывания изображения, устройство обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов. Устройство транспортировки обеспечивает непрерывную подачу материала в зону считывания изображения, а также в зону действия устройства удаления дефектных материалов. После считывания изображение продукта анализируется устройством обработки изображения по одному или нескольким из следующих признаков: цвет, структура, форма объекта. Те объекты, у которых значения считанных признаков существенно отклоняются от предустановленных значений, удаляются из исходного потока устройством для удаления дефектных материалов, которое, как правило, представляет собой массив воздушных эжекторов. Освещение зоны считывания изображения сортировщика построено с использованием механической системы развертки луча. Пучок лазерного излучения из источника направляется через полупрозрачное зеркало на быстровращающуюся призму с зеркальными гранями. За счет вращения призмы осуществляется развертка лазерного луча на всю область сканирования изображения. Свет, отраженный проходящим через область сканирования материалом, отражается от вращающегося зеркала и направляется на детекторы излучения. Сигнал от фотодетекторов поступает в систему обработки изображения, которая определяет пригодность продукта и подает сигналы в устройство для удаления дефектных материалов.

К общим недостаткам данных схем можно отнести следующее. Во-первых, для обеспечения высокой производительности сортировки необходимо, чтобы лазерный луч сканировал область считывания изображения 2000-5000 раз в секунду, что требует очень высоких скоростей вращения зеркальной призмы. Во-вторых, фотодетекторы не могут обеспечить высокой разрешающей способности, необходимой для сканирования мелких (1-5 мм)материалов. В-третьих, сложная оптическая схема приводит к тому, что малейшие нарушения в расположении оптических элементов могут привести к выходу из строя всей системы.

Известен сканирующий лазерный сортировщик, описанный в патенте US 20100046826 (МПК G06T 7/00, опубл. 25.02.2010). В данном устройстве вращающееся зеркало предназначено только для развертки лазерного луча и не выполняет функцию перенаправления отраженного света к фотодетекторам. Это позволяет значительно упростить оптическую схему прибора. Функцию блока фоторегистрации изображения выполняет видеокамера с линейным видеодатчиком, что значительно улучшает разрешающую способность устройства. Но в данном устройстве также необходимо обеспечить высокую скорость вращения зеркальной призмы и высокую точность подвижных механических узлов для обеспечения неизменности настройки оптической схемы. Это, наряду с высокой стоимостью сканера, снижает надежность устройства и ограничивает сферу его применения.

Наиболее близким по совокупности признаков является лазерный сортировщик, описанной в патенте RU 2489215 (МПК В07C 99/00, опубл. 10.08.2013). Сортировщик содержит устройство транспортировки сортируемого материала, коллимированный источник лазерного освещения сортируемого материала, устройство считывания и обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов, цилиндрическую линзу, расположенную на пути коллимированного пучка, ориентированную таким образом, что сформированный плоский световой пучок освещает область считывания изображения сортируемого материала.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее. Необходимым условием применимости фотосепаратора является его высокая производительность. Этим обусловлено малое время экспозиции кадра - порядка 0,0001 секунды. Поэтому для создания высокой освещенности необходимо применить лазер повышенной мощности с системой охлаждения. Это существенно усложняет фотосепаратор, так как данную конструкцию осветителя необходимо разместить в герметичной пылезащитной смотровой зоне рядом с видеокамерой. Дополнительные трудности возникают при создании освещения одновременно несколькими лазерными источниками.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно увеличение информативности регистрируемого изображения при одновременном упрощении конструкции. В отличие от известного конструктивного решения, заявленное изобретение позволяет разместить лазерный источник вне смотровой зоны и передать мощность линзовой системе смотровой зоны посредством оптического волновода.

Технический результат состоит в упрощении конструкции фотосепаратора и увеличении его производительности.

Технический результат достигается тем, что в оптоволоконном фотосепараторе, содержащем устройство транспортировки сортируемого материала, источник лазерного излучения, устройство считывания и обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов, согласно изобретению в качестве источника лазерного излучения используется лазер с вводом излучения во входной торец оптического волокна, излучение выходного торца которого проходит через отрицательную и положительную цилиндрические линзы, образующие которых ортогональны, причем излучающий торец волокна расположен между фокусом и двойным фокусом положительной линзы таким образом, чтобы в плоскости регистрации изображения сортируемого материала излучение фокусировалось в виде линии, длина которой определяется числовой апертурой волокна и фокусным расстоянием отрицательной линзы.

В оптоволоконном фотосепараторе согласно изобретению ввод излучения во входной торец оптического волокна осуществляется двумя и более источниками лазерного излучения, ориентированными как на считывание отраженного и прошедшего через материал лазерного освещения, так и на считывание в разных спектральных диапазонах.

На фиг.1 изображена схема оптоволоконного фотосепаратора.

Устройство транспортировки сортируемого материала 1 подает продукт в зону лазерного освещения 2. Излучение лазерного источника 3 вводится в торец оптического волокна 4, излучение выходного торца оптического волокна 4 проходит через отрицательную линзу 5 и положительную линзу 6 так, чтобы образующая линзы 6 была параллельна требуемому направлению формируемой линии освещения 7 в плоскости считывания изображения сортируемого материала. Устройство считывания и обработки изображения 8 анализирует изображение и по предустановленным критериям формирует управляющие сигналы, подаваемые на устройство для удаления дефектных материалов 9.

Работа оптоволоконного фотосепаратора осуществляется следующим образом. Устройство транспортировки сортируемого материала 1 из накопителя каким-либо образом (с помощью транспортерной ленты, вибропитателя со скатным лотком или другим способом) подает продукт в зону лазерного освещения 2. Падающий или движущийся поток продукта ограничен по ширине апертурой регистрируемого изображения и по лучу зрения глубиной резкости объектива устройства считывания 8. Линия 7 лазерного освещения имеет длину, соответствующую ширине зоны 2 регистрации изображения устройством 8, содержащим линейный видеодатчик. Отрицательная цилиндрическая линза 5 преобразует круговую форму сечения лазерного пучка в эллипс, большая полуось которого в зоне 2 должна соответствовать ширине зоны регистрации изображения. Положительная цилиндрическая линза 6 формирует изображение торца волокна в зоне 2. Положение линзы 6 выбирается исходя из значений фокусного расстояния объектива устройства 8 и расстояния от объектива до зоны 2. Неравномерность по ширине зоны освещения может быть скомпенсирована на этапе формирования видеосигнала устройством 8.

Экспериментальные исследования заявляемого изобретения проводились с использованием оптоволоконного фотосепаратора, изготовленного в ОАО «Воронжсельмаш». Исследования показали высокую эффективность сепарации зерновых продуктов с использованием оптоволоконной системы лазерного освещения при регистрации изображения в отраженном и проходящем свете.

Характеристика технического эффекта, достижимого при использовании данного изобретения, не ограничивается возможностью оптимизации пространственного расположения составных частей устройства. Как в известном устройстве, так и в заявляемом изобретении ширина лазерной линии в плоскости регистрации изображения видеокамеры есть увеличенное изображение апертуры излучающей области лазерной структуры - в первом случае, и апертуры торца волокна - во втором случае. Апертура излучающей области мощного диодного лазера может быть достаточно большой. Например, полупроводниковый лазерный диод АТС-С1000-380-AMF-665-10 (изготовитель - ЗАО «Полупроводниковые приборы») имеет размер излучающей площадки 380×1 мкм². При использовании данного изобретения с помощью объектива можно обеспечить ввод излучения лазерной структуры с апертурой, превышающей апертуру оптического волокна, и, следовательно, уменьшить ширину лазерной линии в сравнении с известным устройством. Кроме того, данное техническое решение позволяет суммировать мощности нескольких лазеров разной конструкции и разных спектральных диапазонов в одном оптическом волокне. Таким образом, заявляемое устройство позволяет реализовать мультихромную систему освещения фотосепаратора.

Оптоволоконный фотосепаратор предназначен для анализа средствами машинного зрения и последующего разделения объектов по цвету, размерам, форме и иным характеристикам. Преимущественная область применения - сортировка сельскохозяйственной продукции. Фотосепаратор содержит устройство транспортировки сортируемого материала, источник лазерного излучения, устройство считывания и обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов. В устройстве дополнительно содержится оптическое волокно, во входной торец которого вводится лазерное излучение. Излучение выходного торца оптического волокна проходит через отрицательную и положительную цилиндрические линзы, образующие которых ортогональны, причем излучающий торец волокна расположен между фокусом и двойным фокусом положительной линзы таким образом, чтобы в плоскости регистрации изображения сортируемого материала излучение фокусировалось в виде линии, длина которой определяется числовой апертурой волокна и фокусным расстоянием отрицательной линзы. Данное техническое решение позволяет суммировать мощности нескольких лазеров разной конструкции и разных спектральных диапазонов в одном оптическом волокне. Устройство позволяет разместить лазерные источники вне смотровой зоны и передать мощность линзовой системе смотровой зоны посредством оптического волновода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптоволоконный фотосепаратор, содержащий устройство транспортировки сортируемого материала, источник лазерного излучения, устройство считывания и обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов, отличающийся тем, что в качестве источника лазерного излучения используется лазер с выводом излучения во входной торец оптического волокна, излучение выходного торца которого проходит через отрицательную и положительную цилиндрические линзы, образующие которых ортогональны, причем излучающий торец волокна расположен между фокусом и двойным фокусом положительной линзы таким образом, чтобы в плоскости регистрации изображения сортируемого материала излучение фокусировалось в виде линии, длина которой определяется числовой апертурой волокна и фокусным расстоянием отрицательной линзы.

2. Оптоволоконный фотосепаратор по п.1, отличающийся тем, что вывод излучения во входной торец оптического волокна осуществляется двумя и более источниками лазерного излучения.