CN102069077B - 一种激光分选物料装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光分选物料装置，包括：多个输出不同波长光的激光器、激光合束装置、一中心带有小孔的第一反射镜、可旋转的多面反射镜、激光分束装置、与每个输出不同波长光的激光器相对应的光电传感器；其中，所述激光合束装置用于将所有激光器输出的不同波长的光进行合束输出；所述经过激光合束装置合束后的含多种不同波长的激光穿过第一反射镜中心的小孔入射至所述多面反射镜的反射面上，并反射至物料上；从物料上散射的光依次经过多面反射镜的反射面、第一反射镜的反射面反射至激光分束装置中；所述激光分束装置将从物料散射回的光依次分成只存在单一波段的波长的光，分别入射到对应的光电传感器中，所述光电传感器用于收集对应波长的光信号。

Description

一种激光分选物料装置

技术领域

本发明属于食品加工技术领域，尤其涉及一种激光分选物料装置。

背景技术

光电分选装置应用于各种粮食、蔬菜、干果等农产品、花粉，海产品，各种塑料，茶叶等物料优劣品质的分选，能够快速有效的分辨并剔除出异物以及劣质的物料。

利用光电分选装置进行物料的筛选时，需要确定一特征波长对应好物料和坏物料之间的光谱响应信号差异最大化，然后根据该选择的特征波长选择合适的具有该特征波长的光源。

目前，已有的光电色选装置中采用的光源通常为荧光灯管，其光谱为带有特征波长的连续光谱，但是该类光源的发射光谱特征波段的半波宽度较宽，对于某一种物料的色选，只是利用荧光灯光谱中的很窄一段，使得荧光灯的能量利用率较低，且不是特征波长位置的光能量可能会降低信号的信噪比。

目前主流的光电色选装置中多是采用输出单一波长的光源、单一探测器探测的方式，例如专利号为US7,557,922、名称为“Detection system for use ina sorting apparatus，A method for determining drift in the detection system and asorting apparatus comprising such detection system”的美国专利中公开了一种检测***，该检测***利用从参考元件反射的光信号以及从物料散射的光信号共同检测物料，从而对物料进行分选，虽然该专利中公开了光源个数可以为多个，但是该专利中的光源输出的光的波长都是相同的。如若遇到物料的分选对象较为复杂的情况，物料与不同分选对象之间的光谱响应信号差异最大值处在不同的波长位置，而利用传统的单一波长的光源的方案，其不能对较为复杂的分选对象进行分选，难以实现精确的分选。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光分选物料装置，能够提高光源的能量利用率，能够分选复杂的对象。

为实现上述目的，本发明的一个实施例提供一种激光分选物料装置，包括：多个输出不同波长光的激光器、激光合束装置、一中心带有小孔的第一反射镜、可旋转的多面反射镜、激光分束装置、与每个输出不同波长光的激光器相对应的光电传感器；

其中，所述激光合束装置用于将所有激光器输出的不同波长的光进行合束输出；

所述经过激光合束装置合束后的含多种不同波长的激光穿过第一反射镜中心的小孔入射至所述多面反射镜的反射面上，并反射至物料上；

从物料上散射的光依次经过多面反射镜的反射面、第一反射镜的反射面反射至激光分束装置中；

所述激光分束装置将从物料散射回的光依次分成只存在单一波段的波长的光，分别入射到对应的光电传感器中，所述光电传感器用于收集对应波长的光信号。

优选地，还包括一背景板，所述背景板位于物料的后方。该背景板为检测物料提供参考电平。

优选地，在所述激光合束装置和第一反射镜之间的光路中还设置用于去除杂散光的光阑，这样可以去除激光合束装置输出至第一反射镜中的光束中的杂散光。

优选地，在至少一个光电传感器的光路前还设置像面针孔。

优选地，所述像面针孔紧贴在所述光电传感器的受光窗口上。

优选地，所述第一反射镜和激光分束装置之间的光路中还设置了一会聚透镜。

优选地，所述多个输出不同波长光的激光器包括红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器和红外激光器；

所述激光合束装置中包括沿光路方向依次倾斜设置的透红反绿合束片、透绿反蓝合束片和透红外反可见光合束片；

其中，所述红光激光器输出的红色激光依次透过透红反绿合束片、透绿反蓝合束片，并经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述绿光激光器输出的绿色激光由透红反绿合束片的反射并透过透绿反蓝合束片，最终经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述蓝光激光器输出的蓝色激光由透绿反蓝合束片反射，最终经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述红外激光器输出的红外激光直接透过透红外反可见光合束片，从激光合束装置中输出。

优选地，所述激光分束装置中包括沿光路方向依次倾斜放置的反红外透可见光分光片、反蓝透绿分光片、反绿透红分光片；

所述反红外透可见光分光片将从物料反射回的光中的红外光反射至相应的光电传感器中，并透过其他波长的光；

所述反蓝透绿分光片将透过反红外透可见光分光片的光中的蓝光反射至相应的光电传感器中，并透过其他波长的光；

所述反绿透红分光片将透过反蓝透绿分光片的光中的绿光反射至相应的光电传感器中，并透过红光，透过所述反绿透红分光片的红光入射至相应的光电传感器。

优选地，所述光电传感器为光电倍增管。

优选地，所述激光器为固态激光器、半导体激光器或气体激光器。

优选地，根据分选物料所包含的种类，开启相应波长的激光器。

本发明实施例提供的激光分选物料装置能够对物料进行精确的分选，分选对象可以更为复杂，而且光源的能量利用率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的激光分选物料装置的一个实施例的示意图；

图2是本发明实施例中的激光分选物料装置中的多面反射镜的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明提供的激光分选物料装置的一个实施例的示意图。如图1所示，该激光分选物料装置包括多个输出不同波长光的激光器1，激光合束装置2、一中心带有小孔的第一反射镜4、多面反射镜5、激光分束装置8以及与每个激光器输出波长相对应的光电传感器10。

由于物料的每种分选对象对应一种波长的光，因此在实际中，可以根据装置可能分选的所有分选对象设置输出各自波长的激光器。例如在图1中特别地以激光器包括输出红色激光的红光激光器11、输出绿色激光的绿光激光器12、输出蓝色激光的蓝光激光器13和输出红外光的红外激光器14为例。

上述各个激光器可以是固态激光器、半导体激光器或气体激光器。

激光合束装置2置于激光器的输出光路中，并接收所有激光器输出的含不同波长的激光，对其进行合束，得到合束后的含多种不同波长的激光束。激光合束装置2可以由多个反射一定波长的光并透射一定波长的光的合束片组合而成。

例如对于激光器包括红光激光器11、绿光激光器12、蓝光激光器13和红外激光器14的情形，激光合束装置2可以采用图1中的具体结构，即包括沿光路方向依次倾斜设置的透红反绿合束片21、透绿反蓝合束片22和透红外反可见光合束片23。如图1所示，红光激光器11输出的红色激光沿透红反绿合束片21、透绿反蓝合束片22和透红外反可见光合束片23的排列方向依次透过透红反绿合束片21和透绿反蓝合束片22，并经透红外反可见光合束片23反射出激光合束装置2。绿色激光器12输出的绿色激光入射到透红反绿合束片21倾斜面向光路传播方向的一面上，经过透红反绿合束片21的反射、并透过透绿反蓝合束片22，最终经透红外反可见光合束片23反射出激光合束装置2。蓝光激光器13输出的蓝色激光入射至透绿反蓝合束片22倾斜面向光路传播方向的一面上，经过透绿反蓝合束片22的反射，并最终经透红外反可见光合束片23反射出激光合束装置2。红外激光器14输出的红外激光直接透过透红外反可见光合束片23输出至激光合束装置2外，通过激光合束装置2将各个激光器输出的激光合成一束并输出。需要说明的是，图1中的激光合束装置2的内部结构仅仅是一个具体例子，在实际中并不局限于采用多个合束片的组合对多波长的激光进行合束，例如采用X棱镜。另外，即便是采用多个合束片的组合方式，合束片之间的前后顺序也可以灵活选择，即多波长的激光的合束顺序可以灵活选择，并不局限于图1中的顺序。

经过激光合束装置2合束后的多波长的激光穿过第一反射镜4中心的小孔，入射至多面反射镜5的一个反射面上，经过该反射面的反射，反射到物料15上，部分激光被物料15散射。从物料15上散射的光依次经过多面反射镜5的反射面、第一反射镜4的反射面，反射至激光分束装置8中。由于物料15中的不同分选对象对不同波长的激光的吸收或散射不同，因此从物料15各个位置散射回的含多种不同波长的激光中将带有物料分选对象的信息。

在激光合束装置2与第一反射镜4之间的光路中优选地可以设置一光阑3，通过该光阑3可以将经激光合束装置2合束后的光束的杂散光去除。

另外，在物料15的后方还设置一背景板6，该背景板6协助提供检测物料的参考电平，例如将背光板反射光的亮度调整为与好物料散射光的亮度相一致。

图2示出了多面反射镜的具体结构示意图，多面反射镜5在多面反射镜控制电路54的控制下以稳定的角速度围绕转轴52旋转，经过激光合束装置2合束后的激光入射到多面反射镜5的工作表面53上并被反射至物料15的某一位置处，激光经多面反射镜5反射到物料15的位置与多面反射镜5的旋转角度一一对应，随着多面反射镜5的旋转，经多面反射镜反射到物料15上的激光在物料15上线扫描，多面反射镜控制电路54可以将多面反射镜5的旋转角度反馈给其他相关部件。在图1和图2中，多面反射镜为六面反射镜，在实际中还可以是八面反射镜、十面反射镜等带有其他数目反射面的多面反射镜。

在第一反射镜4和激光分束装置8之间的光路中还优选设置一会聚透镜7。该会聚透镜7收集经多面反射镜5反射的物料15上的散射光，并进入至激光分束装置8中。

激光分束装置8将从物料15散射回的光依次分成只存在单一波段的光，分别入射到对应的光电传感器10中，每个光电传感器用于收集对应波长的光信号，并将其转换成电信号。

例如对于激光器包括红光激光器11、绿光激光器12、蓝光激光器13和红外激光器14的情形，激光分束装置8可以采用如图1中的具体结构。该激光分束装置8包括：沿光路方向依次倾斜设置的反红外透可见光分光片81、反蓝透绿分光片82和反绿透红分光片83。入射到激光分束装置8中的从物料15散射回来的激光首先到达反红外透可见光分光片81，反红外透可见光分光片81将其中的红外光反射至相应的光电传感器101中，其他波长的光从反红外透可见光分光片81透过。反蓝透绿分光片82将透过反红外透可见光分光片81的光中的蓝光反射至相应的光电传感器102中，其他波长的光从反蓝透绿分光片82透过。反绿透红分光片83将透过反蓝透绿分光片82的光中的绿光反射至相应的光电传感器103中，红光从反蓝透绿分光片82透过。透过反蓝透绿分光片82的红光入射到对应的光电传感器104中。需要说明的是，图1中的激光分束装置8的结构仅仅是一个具体例子，在实际中，激光分束装置8中的分光片中的排列顺序是可以灵活调整的，即对各个波长的光进行分光的顺序也是可以调整的。

这样，多面反射镜5每旋转到一个角度位置，各个光电检测器可以检测到从物料15的一个位置上散射的各个波长的光信号，以此为依据判定物料15不同位置的具体情况，例如可以判定当前扫描的位置是否存在异物，然后根据用户的选择，将其从物料15中自动剔除。随着多面反射镜5的旋转，从激光合束装置输出的多波长的光在物料15上的照射位置逐渐变化，实现照明光对物料15的扫描，相应的，每个光电传感器也不断接收从物料15不同位置反射回来的光信号。在对物料15进行扫描的过程中，从激光合束装置输出的多种波长的激光不是始终照亮物料15的全部区域，而是只照射一定区域，该区域的大小为照明宽度，相应的光电传感器也只是查看这一部分区域散射回的光信号。由于不论是始终照亮物料15的全部区域，还是每个时刻只照亮物料15的一部分区域，使用者总是要分区域对物料15散射的光进行查看，而对于照射到物料15其他区域位置的光都没有被利用而浪费；由于本发明实施例中从激光合束装置输出的多种波长的光每次只照亮物料15的部分区域，而光电检测器也可以同时对该部分区域散射的光进行采集，这就提高了对激光器输出光的能量利用率。

在本发明实施例中，光电传感器优选采用光电倍增管(PMT，Photomultiplier Tube)，光电倍增管的灵敏度高、带宽宽，能够捕捉更加微小的信号差异，提高对物料色选的精度。

另外，为了控制对物料不同位置的光信号进行采集的分辨率，可以在至少一个光电传感器的光路前设置像面针孔9，在图1中对于分别接收红外光、绿光、蓝光和红光的光电传感器101～104前均设置相应的像面针孔91～94。由于像面针孔的设置，使得光电传感器不会将所有入射至其受光窗口的光都进行采集，尤其是当光束直径较大时，会造成***的分辨率下降，此时可以通过像面针孔控制入射到光电传感器中的光束的直径，由此可以查看物料不同位置的更细节的信息，提高***的分辨率。在实际中，上述像面针孔可以紧贴在光电传感器的受光窗口上。

在图1中，激光器1、激光合束装置2、光阑3、多面反射镜5构成了照明光路，多面反射镜5、第一反射镜4、会聚透镜7、激光分束装置8、像面针孔9以及光电检测器10构成了光信号采集和光电转换装置。对物料15的照明宽度由多面反射镜5的工作面数以及多面反射镜5与物料15之间的距离决定。采集光路的孔径大小由多面反射镜5的工作表面、反射镜4、透镜7的***尺寸、激光分束装置8中的各个分束片尺寸、以及采集光路中的所有元件相互之间的距离决定。

本发明实施例提供的分选物料装置中所采用的光源为输出不同波长的激光器，由于目前从紫外光、可见光到红外光都有相应的激光器，因此激光分选物料装置的光源选择有很大空间。另外，由于激光的方向性好而且能量集中，因此激光在穿透物料的表面和内部时会发生相互作用，分选的依据可以包括物料的表面颜色、荧光效应和近红外吸收等，这使得分选对象的种类得到了很大拓展，例如在实际中可以通过判断物料的吸收谱线和散射特性来区分物料。

另外，由于激光器输出的激光光谱较窄，因此根据每种分选对象选择相应输出波长的激光器，将这些激光器组合在一起可以同时对物料中不同种类的分选对象进行分选，提高了分选的精度和范围。而且可以根据分选物料所包含的种类，开启相应波长的激光器，这样，每个激光器输出光的各个光谱上的能量几乎都被完全用于分选相应种类的对象上，提高了光源的能量利用率。

此外，本发明实施例中的激光分选装置中的照明光路和信号采集光路中在多面反射镜与物料之间的光路部分重合，这样可以使得整个装置的结构更紧凑，减小体积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种激光分选物料装置，其特征在于，包括：多个输出不同波长光的激光器、激光合束装置、一中心带有小孔的第一反射镜、可旋转的多面反射镜、激光分束装置、与每个输出不同波长光的激光器相对应的光电传感器；

其中，所述激光合束装置用于将所有激光器输出的不同波长的光进行合束输出；

所述经过激光合束装置合束后的含多种不同波长的激光穿过第一反射镜中心的小孔入射至所述多面反射镜的反射面上，并反射至物料上；

从物料上散射的光依次经过多面反射镜的反射面、第一反射镜的反射面反射至激光分束装置中；

所述激光分束装置将从物料散射回的光依次分成只存在单一波段的波长的光，分别入射到对应的光电传感器中，所述光电传感器用于收集对应波长的光信号，并将所述对应波长的光信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的激光分选物料装置，其特征在于，还包括一背景板，所述背景板位于物料的后方。

3.根据权利要求1所述的激光分选物料装置，其特征在于，在所述激光合束装置和第一反射镜之间的光路中还设置用于去除杂散光的光阑。

4.根据权利要求1所述的激光分选物料装置，其特征在于，在至少一个光电传感器的光路前还设置像面针孔。

5.根据权利要求4所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述像面针孔紧贴在所述光电传感器的受光窗口上。

6.根据权利要求1所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述第一反射镜和激光分束装置之间的光路中还设置了一会聚透镜。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述多个输出不同波长光的激光器包括红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器和红外激光器；

所述激光合束装置中包括沿光路方向依次倾斜设置的透红反绿合束片、透绿反蓝合束片和透红外反可见光合束片；

其中，所述红光激光器输出的红色激光依次透过透红反绿合束片、透绿反蓝合束片，并经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述绿光激光器输出的绿色激光由透红反绿合束片的反射并透过透绿反蓝合束片，最终经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述蓝光激光器输出的蓝色激光由透绿反蓝合束片反射，最终经透红外反可见光合束片反射出激光合束装置；所述红外激光器输出的红外激光直接透过透红外反可见光合束片，从激光合束装置中输出。

8.根据权利要求7所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述激光分束装置中包括沿光路方向依次倾斜放置的反红外透可见光分光片、反蓝透绿分光片、反绿透红分光片；

所述反红外透可见光分光片将从物料反射回的光中的红外光反射至相应的光电传感器中，并透过其他波长的光；

所述反蓝透绿分光片将透过反红外透可见光分光片的光中的蓝光反射至相应的光电传感器中，并透过其他波长的光；

所述反绿透红分光片将透过反蓝透绿分光片的光中的绿光反射至相应的光电传感器中，并透过红光，透过所述反绿透红分光片的红光入射至相应的光电传感器。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述光电传感器为光电倍增管。

10.根据权利要求1至6中任意一项所述的激光分选物料装置，其特征在于，所述激光器为固态激光器、半导体激光器或气体激光器。

11.根据权利要求1至6中任意一项所述的激光分选物料装置，其特征在于，根据分选物料所包含的种类，开启相应波长的激光器。

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