ЛАЗЕРНЫЙ СОРТИРОВЩИК
LASER SORTER

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 (U.S. Pat. №6,509,537 В1 от 21.01.2003, U.S. Pat. №6,864,970 B1 от 8.05.2005), 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.
Наиболее близким по совокупности признаков является сканирующий лазерный сортировщик, описанной в патенте U.S. Pat. №2010/0046826 А1 от 25.02.2010. Здесь 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.
В данном известном 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.
Заявляемое изобретение предназначено для сортировки сельскохозяйственных продуктов по цвету, размерам, форме и иным характеристикам, доступным анализу средствами машинного зрения. Применяя заявленное изобретение можно существенно увеличить информативность регистрируемого изображения, упростить конструкцию сортировщика, увеличить его надежность и снизить стоимость изготовления. В известном устройстве изображение изменяется во времени вследствие двух динамических процессов - движения продукта и движения луча лазерного освещения, формируемого подвижным зеркалом. В заявляемом изобретении лазерное освещение является стационарным. Кроме того, при равных экспозициях регистрации изображения и, соответственно, равной оптической мощности лазерных осветителей, в сканирующем сортировщике многократно возрастает кратковременная плотность мощности, воздействующей на продукт. Это может привести к порче продукта. В заявленном изобретении, в сравнение с известным устройством, излучение лазерной подсветки распределено по всей апертуре движущегося потока. Отсутствие движущихся оптических элементов, надежность, простота изготовления и низкая стоимость являются важными достоинствами заявляемого изобретения.
Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в известном лазерном сортировщике, содержащем устройство транспортировки сортируемого материала, коллимированный источник лазерного освещения сортируемого материала, устройство считывания и обработки изображения, устройство для удаления дефектных материалов, согласно изобретению, дополнительно содержится цилиндрическая линза, расположенная на пути коллимированного пучка, причем линза ориентирована таким образом, что сформированный плоский световой пучок освещает область считывания изображения сортируемого материала.
Лазерный сортировщик, согласно изобретению, содержит два и более устройств считывания, ориентированных как на считывание отраженного и прошедшего через материал лазерного освещения, так и на считывание в разных спектральных диапазонах. Использование лазерного излучения для освещения движущегося продукта позволяет, в частности, существенно увеличить освещенность области формирования изображения и, соответственно, сократить время экспозиции с целью увеличения разрешения формируемого изображения за счет увеличения частоты сканирования линейного видеодатчика. В известном устройстве частота сканирования линейного видеодатчика синхронна частоте развертки лазерного луча и, поэтому, ограничена возможностями механического сканера. Высокая освещенность позволяет получить относительно малые времена экспозиции также при регистрации прошедшего через продукт излучения или излучения флуоресценции, что позволяет одновременно регистрировать разными устройствами считывания отраженный и прошедший сигналы при большой производительности сортировки. При этом устройства считывания могут выполнять свои функции в разных спектральных диапазонах. Это расширяет функциональные возможности заявляемого лазерного сортировщика в сравнение с известным устройством.
Лазерный сортировщик, согласно изобретению, содержит два и более коллимированных источника лазерного излучения, каждый из которых дополнен цилиндрической линзой, а ориентация источников позволяет сформировать общий плоский световой пучок или несколько плоских световых пучков. В этом случае расширяются возможности управления лазерным освещением. Управление мощностью лазеров и пространственным расположением зоны освещения каждого из них позволяет корректировать суммарное пространственное распределение освещенности рабочей области. Применение лазеров различных спектральных диапазонов, и формирование пространственно разнесенных областей освещения в этих диапазонах, позволяет в одном цикле сортировки выполнить анализ объектов по различным предустановленным критериям сортировки.
Лазерный сортировщик, согласно изобретению, дополнительно содержит модуляторы интенсивности источников лазерного освещения. В этом случае могут быть сформированы в одном цикле сортировки изображения в разных спектральных диапазонах и зарегистрированы одним широкополосным линейным видеодатчиком. Малая инерционность управления лазерным освещением позволяет по мере движения продукта отключать подсветку в одном диапазоне и подключать подсветку в другом диапазоне, синхронизируя этот процесс с перемещением продукта из одной зоны в другую.
На Фиг.1 изображена схема лазерного сортировщика. Устройство транспортировки сортируемого материала 1 подает продукт в зону лазерного освещения 2. Коллимированный источник лазерного освещения 3, дополненный цилиндрической линзой 4, расположенной на пути коллимированного пучка, формирует плоский световой пучок 5, освещающий область считывания изображения сортируемого материала. Устройство считывания и обработки изображения 6 анализирует изображение и по предустановленным критериям формирует управляющие сигналы, подаваемые на устройство 7 для удаления дефектных материалов.
Работа лазерного сортировщика 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. Коллимированный источник лазерного освещения 3 имеет ширину пучка, превышающую ширину зоны регистрации изображения устройства 6, содержащего линейный видеодатчик. Цилиндрическая линза 4 преобразует плоский фазовый фронт лазерного пучка в цилиндрический фазовый фронт. Ее фокусное расстояние рассчитывается исходя из требуемой апертуры зоны освещения пучком 5 и расстояния от движущегося продукта 2 до линзы 4. Неравномерность по ширине зоны освещения, соответствующая гауссовому распределению, может быть скомпенсирована на этапе формирования видеосигнала ПЗС-приемником. Дополнительная возможность компенсации появляется при использовании нескольких лазеров, так как пространственное распределение освещенности может быть синтезировано выбором расположения лазеров и регулировкой мощности оптического излучения каждого из них. Устройство считывания и обработки изображения 6 за время, не превышающее времени прохождения продукта от зоны регистрации изображения до устройства удаления дефектных материалов, принимает решение об удалении некондиционного продукта. Устройство 6 в расчетное время передает в устройство 7 адрес пространственного положения удаляемого объекта и активизирует работу этого устройства.
Экспериментальные исследования заявляемого изобретения проводились с использованием серийной продукции ООО «Воронежсельмаш» - фотосепаратора Ф5.1, на котором была установлена система лазерного освещения, выполненная согласно заявляемому изобретению. Цилиндрическая линза с фокусным расстоянием F=1,3 мм была изготовлена из оптического стекла ТФ-5. Был использован лазер Single Mode Hitachi HL6545MG с длиной волны 635 нм и максимальной мощностью в оптическом луче 120 мВт. Исследования показали высокую эффективность сепарации зерновых продуктов с использованием лазерного освещения при регистрации изображения в отраженном и проходящем свете.