МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ФОТОСЕПАРАТОР Российский патент 2016 года по МПК B07C99/00 

Изобретение относится к устройствам сортировки объектов по цвету, размерам, форме и иным характеристикам, доступным анализу нескольких спектральных изображений средствами машинного зрения. Преимущественная область применения - промышленная сортировка сельскохозяйственной продукции. Изобретение также может быть применено для экспертной оценки и разделения различных движущихся объектов по спектральным изображениям отраженного и прошедшего лазерного излучения в трех и более спектральных интервалах.

Известен «ЛАЗЕРНЫЙ СОРТИРОВЩИК», описанный в патенте RU 2489215 от 23.11.2011. Опубликовано: 10.08.2013, Бюл. №22. Сортировщик содержит устройство транспортировки сортируемого материала, устройство развертки лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения, устройство считывания и обработки изображения, устройство удаления дефектных материалов. 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 необходимости создания освещения одновременно несколькими лазерными источниками.

Наиболее близким по совокупности признаков является «ОПТОВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ СОРТИРОВЩИК», описанный в патенте RU 2521215 от 24.12.2012. Опубликовано: 27.06.2014, Бюл. №18. Сортировщик содержит устройство транспортировки сортируемого материала, оптоволоконное устройство суммирования двух и более источников лазерного освещения, устройство развертки суммарного лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения, устройство считывания и обработки изображения, устройство удаления дефектных материалов. К недостаткам данного устройства можно отнести следующее. Для считывания изображения в разных спектральных интервалах одновременно необходимы две и более монохромные видеокамеры с линейным монохромным сенсором, оснащенные соответствующими селективными фильтрами, либо видеокамера с линейным сенсором, пиксели которого оснащены светофильтрами соответствующих спектральных интервалов. В последнем случае для перестройки сортировщика на другие спектральные интервалы необходима замена видеокамеры.

Сущностью изобретения является получение цифрового изображения движущихся с высокой скоростью объектов видеокамерой с линейными монохромными сенсорами без применения светофильтров, получение пиксельного изображения, в котором каждой точке объекта соответствует полный набор спектральных интервалов лазерного освещения. С целью повышения объема информации для последующего анализа данных системой машинного зрения регистрация спектральных данных производится одновременно в отраженном и проходящем свете в трех и более спектральных интервалах, выбираемых в процессе настройки фотосепаратора. Применение освещения в виде линии, спектр которой представляет сумму нескольких источников лазерного излучения, позволил сформировать устройство, аналогичное спектрометру. Линейное освещение в данном случае выполняет функцию щели спектрометра. Излучение, рассеянное объектом, после прохождения коллиматорного объектива и дифракции на фазовой дифракционной решетке, разлагается на 0-й, +1-й и -1-й порядки дифракции. В первом порядке присутствуют все спектральные составляющие лазерных источников, углы между которыми определяются длинами волн лазеров и постоянной решетки. Для двух длин волн достаточно просто выполнить независимую настройку совмещения изображений с линейными датчиками в фокальной плоскости камерного объектива в одном из направлений 1-го порядка дифракции. Остальные спектральные составляющие регистрируются в дополняющем направлении 1-го порядка дифракции. Такое использование 1-го порядка имеет преимущества, так как практически полностью используется энергия дифрагированного излучения. Это возможно для дифракционной решетки на пропускание с синусоидальным профилем фазовой задержки. В такой решетке отсутствуют дифракционные порядки выше первого. Предлагаемое устройство предназначено для работы в реальном времени - при скоростях сканирования 5000 и более строк в секунду. Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить информативность регистрируемого изображения, увеличить производительность фотосепаратора при анализе данных отраженного и прошедшего лазерного излучения в трех и более спектральных интервалах. Заявляемое изобретение в отличие от известного RGB-принципа разделения изображения по цвету позволяет формировать пространственно-совмещенные спектральные представления предметной области. В RGB-представлении разные цвета пикселей соответствуют разным областям регистрируемого изображения. Полностью совместимые изображения сепарируемых объектов в разных цветах позволяют повысить точность установки критериев разделения объектов по признакам, удовлетворяющим совместным значениям цветовых данных.

Совокупность признаков, обеспечивающая получение технического результата в заявленном изобретении достигается тем, что в мультиспектральном лазерном фотосепараторе, содержащем устройство транспортировки сортируемого материала, оптоволоконное устройство суммирования двух и более источников лазерного освещения, устройство развертки суммарного лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения, устройство считывания и обработки изображения, устройство удаления дефектных материалов, согласно изобретению фотосепаратор содержит первое и второе устройства считывания изображения в прошедшем и отраженном свете, в каждом из которых содержатся коллиматорный и камерные объективы, дифракционная решетка, три и более монохромных линейных сенсора, сгруппированные ортогонально двум направлениям первого порядка спектрального разложения. Согласно изобретению в качестве дифракционной решетки используется фазовая дифракционная решетка на пропускание с синусоидальным профилем фазовой задержки. Видеокамеры фотосепаратора содержат котировочные устройства, изменяющие расстояния между линейными сенсорами, расположенными в фокальной плоскости камерного объектива. Постоянная решетки и длины волн лазеров определяют расстояние между сенсорами. Дифракционная решетка расположена перед камерным объективом устройства считывания. В предлагаемой конструкции фотосепаратора эффективно используются такие свойства лазерного излучения, как малая ширина спектральной линии, возможность формирования узкой линии освещения с высокой плотностью мощности. Вследствие этого значительная часть энергии линии освещения лазеров, рассеянная объектом и попавшая в объектив, может быть зарегистрирована линейными сенсорами видеоматрицы устройства считывания изображения. Это позволяет сократить время экспозиции и повысить частоту сканирования движущегося объекта. Дифракционная решетка позволяет получить большие углы дифракции, что позволяет ее применить при относительно большом расстоянии между сенсорами, выполненными в разных корпусах. Это позволяет реализовать оперативную настройку видеокамеры по длинам волн двух спектральных интервалов.

На чертеже изображена схема мультиспектрального лазерного фотосепаратора. Под управлением устройства считывания и обработки изображения 1 устройство транспортировки сортируемого материала, заканчивающееся профилированным или плоским скатным лотком 2, обеспечивает движение продукта 3 в виде монослоя. Оптоволоконное устройство суммирования источников лазерного освещения 4 формирует на выходном торце волоконного световода 5 расходящийся пучок света. Цилиндрические отрицательная и положительная линзы устройства 6 формируют пространственное распределение пучка 7 в виде линии 8 в зоне регистрации изображения монослоя продукта. Первое и второе устройства считывания изображения содержат коллимирующие объективы 9, камерные объективы 10, дифракционные решетки 11, монохромные линейные сенсоры 12, сгруппированные в +1-м и -1-м порядке дифракции 13 и 14.

Работа мультиспектрального лазерного фотосепаратора осуществляется следующим образом. Сепарируемый сыпучий продукт подается на устройство транспортировки сортируемого материала, оканчивающееся скатным лотком 2, предназначенным для формирования монослоя и достижения необходимой скорости движения. В конце лотка продукт попадает в зону лазерного освещения и регистрации изображения 8. Оптоволоконное устройство суммирования источников лазерного освещения 4, управляемое устройством 1, формирует излучение из выходного торца оптического волокна 5, поступающее на устройство 6 развертки суммарного лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения 8. В устройстве 4 излучение трех и более лазеров суммируется в оптическом волокне. Следует отметить, что существует неравномерность освещенности вдоль линии развертки лазерного луча в зоне 8, связанная с угловым распределением светового потока, но она имеет стационарный характер и может быть скомпенсирована на этапе синтеза изображения устройством 1. Линейные сенсоры камер первого и второго устройств считывания в синхронном режиме управляются устройством 1. Коллиматорный объектив 9 преобразует угловой спектр изображения линейной зоны 8 в параллельные пучки моноспектральных составляющих. Это необходимо для корректной работы дифракционной решетки 11. Дифракция Фраунгофера на решетке 11 локализуется в фокальной плоскости камерных объективов 10 в виде моноспектральных изображений области 8 на монохромных сенсорах 12 в +1-м и -1-м порядке дифракции 13 и 14. Аналоговая информация с выхода сенсоров преобразуется в цифровой код и видеопроцессор устройства 1 синтезирует изображения продукта 3 в соответствующих спектральных интервалах лазерного освещения. В результате анализа спектральных изображений программными средствами устройства 1 принимается решение о соответствии каждого элемента продукта 3 предустановленным критериям. Для некондиционного включения формируется адрес и время его появления в зоне удаления. Устройство для удаления дефектных материалов 15, представляющее, как правило, линейку пневмоэжекторов под управлением системы обработки изображений 1, импульсами сжатого воздуха перемещает дефектные составляющие сыпучего продукта в соответствующий бункер.

Мультиспектральный лазерный фотосепаратор предназначен для сканирования движущихся объектов и построения изображений, разделенных по спектральным интервалам, соответствующим трем и более частотам лазерного освещения в режиме отраженного и прошедшего излучений. Совместная цифровая обработка изображений позволяет сепарировать объекты по спектральным характеристикам. Преимущественная область применения - сортировка сельскохозяйственной продукции. Фотосепаратор содержит устройство транспортировки сортируемого материала, оптоволоконное устройство суммирования трех и более источников лазерного освещения, устройство развертки суммарного лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения, устройство считывания и обработки изображения, устройство удаления дефектных материалов. Линейное освещение выполняет функцию щели спектрометра. Излучение, рассеянное объектом, после прохождения коллиматорного объектива и дифракции на фазовой дифракционной решетке разлагается на нулевой, +1-й и -1-й порядки дифракции. В первом порядке расположены камерные объективы, проецирующие изображение на монохромные линейные сенсоры, каждый из которых регистрирует один из спектральных интервалов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мультиспектральный лазерный фотосепаратор, содержащий устройство транспортировки сортируемого материала, оптоволоконное устройство суммирования двух и более источников лазерного освещения, устройство развертки суммарного лазерного пучка в линию, сфокусированную в предметной плоскости регистрации изображения, устройство считывания и обработки изображения, устройство удаления дефектных материалов, отличающийся тем, что фотосепаратор содержит первое и второе устройства считывания изображения в прошедшем и отраженном свете, в каждом из которых содержатся коллиматорный и камерные объективы, дифракционная решетка, три и более монохромных линейных сенсора, сгруппированные ортогонально двум направлениям первого порядка спектрального разложения.

2. Мультиспектральный лазерный фотосепаратор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дифракционной решетки используется фазовая дифракционная решетка на пропускание с синусоидальным профилем фазовой задержки.

3. Мультиспектральный лазерный фотосепаратор по п. 1, отличающийся тем, что видеокамеры содержат юстировочные устройства, изменяющие расстояния между линейными сенсорами, расположенными в фокальной плоскости камерного объектива.