DE19609916A1

DE19609916A1 - Optical process for identifying materials, especially recycled plastics

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Publication number: DE19609916A1
Application number: DE19609916A
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-18

Abstract

In an optical method for identifying materials (and in particular, for the spectroscopic recognition of types of plastic in the course of recycling) a reflection and/or transmission spectrum from the illuminated sample is obtained using a miniaturised spectrometer and a small number of non-uniformly spaced detectors are placed in the image field of the spectrum to detect wavelengths which permit a positive recognition of and differentiation between the material types. Also claimed is an arrangement for the method in which an optical imaging system is used to project the light reflected by, or modified by transmission through, the sample onto miniaturised spectrometer. A small number of detectors with slit-shaped apertures are located in the plane of the spectrum at points where wavelengths occur which permit a positive identification of material types. The material type is determined by comparison of the individual detector signals using a computing unit.

Description

Im Rahmen der Wiederverwertung (Recycling) von Kunststoffabfällen ist es erforderlich, diese nach Farbe und nach der Kunststoffsorte zu trennen. Derzeit werden für die Trennung nach Stoffsorte vor allem folgende Verfahren in großtechnischen Anlagen eingesetzt:As part of the recycling of plastic waste, it is necessary to: separate them according to color and type of plastic. Currently being separated The following processes are used in large-scale industrial plants, depending on the type of substance:

a) Identifikation auf der Grundlage der Infrarot-Spektroskopie durch Auswertung der im nahen oder fernen Infrarotbereich aufgenommenen Transmissions- oder Reflexions spektren. Solche Geräte werden derzeit von den Firmen Laser Labor Adlershof, Berlin, Fa. Bruker in Karlsruhe u. a. angeboten. Diese Spektrometer verwenden in der Regel Reflexionsgitter; die Umwandlung des optischen Spektrums in elektrische Signale geschieht mit Hilfe einer Zeile von regelmäßig über dem erfaßten Spektralbereich angeordneten Detektoren, in der Regel InGaAS Zeilensensoren. Es sind sehr aufwendige und teure Geräte in der Preisklasse 50.000 bis 150.000 DM.a) Identification based on infrared spectroscopy by evaluating the im near or far infrared range recorded transmission or reflection spectra. Such devices are currently used by Laser Labor Adlershof, Berlin, Bruker in Karlsruhe a. a. offered. These spectrometers usually use Reflection grating; the conversion of the optical spectrum into electrical signals happens with the help of a line from regularly over the detected spectral range arranged detectors, usually InGaAS line sensors. They are very complex and expensive devices in the price range 50,000 to 150,000 DM.
b) Identifikation durch Auswertung der Signale weniger Detektoren, welche mit einem sog. Faktorfilter bedeckt sind. Bei diesen, z. B. von der Fa. Bühler, CH-Uzwil, angebotenen Geräten werden 4 bis 5 Detektoren mit einem sehr speziellen optischen Bewertungsfilter abgedeckt und somit pro Detektor ein optisch gewichtetes Signal gewonnen. Auch diese Geräte sind teure Systeme in der gleichen o.g. Preisklasse, weil die Entwicklung und Herstellung dieser speziellen optischen Filter sehr aufwendig ist.b) Identification by evaluating the signals of fewer detectors, which with a so-called factor filters are covered. In these, e.g. B. from the company Bühler, CH-Uzwil, Devices offered are 4 to 5 detectors with a very special optical Evaluation filter covered and thus one optically weighted signal per detector won. These devices are also expensive systems in the same above. Price range because the development and manufacture of these special optical filters is very complex.

Die relativ großvolumige Konstruktion dieser bekannten Geräte stellt hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität, welche in der Größenordnung der Wellenlänge sein muß. Die Folge ist eine teure mechanische und optische Konstruktion. Die in der Regel sehr teuren Detektorzeilenarrays selbst gestatten ebenfalls keine preisgünstige Lösung.The relatively large-volume construction of these known devices places high demands the mechanical stability, which must be of the order of the wavelength. The The result is an expensive mechanical and optical design. The usually very expensive Detector row arrays themselves also do not allow an inexpensive solution.

Für den verbreiteten Einsatz zur Stoffsortenerkennung bei der Rücknahme von Kunststoff pfandflaschen sowie bei kleineren, insbesondere kommunalen Sortieranlagen besteht aber ein erhebliches Bedürfnis nach einem preisgünstigen Stofferkennungssensor.For the widespread use for substance type recognition when taking back plastic deposit bottles as well as smaller, especially municipal sorting systems a considerable need for an inexpensive substance detection sensor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe eines miniaturisierten kompakten Spektrometers auf der Basis der Mikrosystemtechnik ein Transmissions- oder Reflexionsspektrum des zu erkennenden Kunststoffkörpers im Bereich des nahen Infrarot gebildet wird, daß in der Bildebene des erzeugten Spektrums lediglich eine kleine Anzahl, nicht regelmäßig angeordneter Detektoren bei den ausgesuchten Wellenlängenbereichen angebracht sind, welche zur Erkennung und Identifikation ausreichen.This object is achieved in that with the help of a miniaturized compact spectrometer based on microsystem technology a transmission or Reflection spectrum of the plastic body to be recognized in the near infrared range is formed that only a small number in the image plane of the generated spectrum, detectors not regularly arranged in the selected wavelength ranges are attached, which are sufficient for recognition and identification.

Fig. 1 zeigt in der Skizze ein Mikrospektrometer 1 wie es z. B. in der sog. LIGA Technik vom Institut für Mikrosystemtechnik des Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt und hergestellt wird. Durch die sehr kompakte Bauweise sind die Probleme der mechanischen Stabilität gelöst; die Serienfertigung in Glas und Kunststoffwerkstoffen ist außerordentlich günstig. Fig. 1 shows in the sketch a microspectrometer 1 as z. B. is developed and manufactured in the so-called LIGA technology by the Institute for Microsystem Technology at the Karlsruhe Research Center. The problems of mechanical stability are solved by the very compact design; Series production in glass and plastic materials is extremely cheap.

Das zu analysierende Licht wird über den Lichtleiter 2 eingekoppelt; das durch ein Reflexionsgitter erzeugte Spektrum wird über ein geordnetes Lichtleiterbündel 3 ausgekoppelt, in der Regel auf einen Zeilensensor. Vorgeschlagen wird auch der Einbau einer Detektorzeile 4 im Mikrospektrometer selbst.The light to be analyzed is coupled in via the light guide 2 ; the spectrum generated by a reflection grating is coupled out via an ordered optical fiber bundle 3 , usually to a line sensor. The installation of a detector line 4 in the microspectrometer itself is also proposed.

Erfindungsgemäß werden bei einer typischen, exemplarischen Ausgestaltung des mikrospek trometrischen Stoffsensors 5 die zu analysierenden optischen Signale über den Licht leitereingang 6 eingekoppelt. In der Bildebene des Reflexionsgitters werden eine geringe Anzahl von Detektoren 7 mit einer schlitzförmigen Apertur lediglich an denjenigen Positionen 8 bis 11 des Austrittsfensters angebracht, deren Wellenlängen für eine robuste Identifikation und Unterscheidung von Kunststoffsorten ausreichen. Damit werden zwei wesentliche Vorteile erreicht:Of the micro-fabric spectral spectrometric sensor 5. According to the invention, in a typical, exemplary embodiment, the wire input to be analyzed, the optical signals via the light 6 is coupled. In the image plane of the reflection grating, a small number of detectors 7 with a slit-shaped aperture are only attached to those positions 8 to 11 of the exit window whose wavelengths are sufficient for robust identification and differentiation of types of plastic. This has two major advantages:

a) die aufwendige Auskopplung über einen geordneten Lichtleiterbündel entfällta) the time-consuming decoupling via an ordered fiber optic bundle is eliminated
b) die Abbildung auf eine aufwendige Detektorzeile, welche den gesamten Spektralbereich erfaßt entfällt. Vielmehr wird lediglich eine kleine Anzahl einzelner Detektorelemente in nicht gleichmäßigem Abstand an den signifikanten, für die automatische Kunst stofferkennung und -unterscheidung ausreichenden Wellenlängenbereichen ange bracht. Da bei der Erkennung von Kunststoffen lediglich eine begrenzte Zahl von Kunststoffen unterschieden und erkannt werden müssen, ist das gesamte Spektrum redundant. Diese Redundanz gestattet es erfindungsgemäß, die Anzahl der gleichzeitig zu messenden Wellenlängebereichen zu reduzieren und damit auch die Anzahl teurer Detektoren zu verringern.b) the image on a complex detector line, which covers the entire spectral range recorded does not apply. Rather, only a small number of individual detector elements not at an even distance from the significant ones for automatic art material detection and differentiation in sufficient wavelength ranges brings. Since only a limited number of The whole spectrum is differentiated from plastics and must be recognized redundant. According to the invention, this redundancy allows the number of simultaneously to reduce the wavelength ranges to be measured and thus the number of expensive ones Decrease detectors.

Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, nach Fig. 2 ebenfalls auf die gebräuchliche aufwendige Einkopplung über Lichtleiter in das Spektrometer zu verzichten und statt dessen das Spektrometer 1 mit einer eingelassenen Mikrooptik 2 zu versehen, welche den Bereich der zu identifizierenden , mit einer intensiven Lichtquelle 4 beleuchtete Kunststoffoberfläche 5 z. B. einer zu identifizierenden Flasche auf das Reflexionsgitter 3 abbildet.Another idea of the invention is, according to FIG. 2, also to dispense with the usual complex coupling into the spectrometer via light guides and instead to provide spectrometer 1 with embedded micro-optics 2 , which illuminate the area to be identified with an intense light source 4 Plastic surface 5 z. B. depicts a bottle to be identified on the reflection grating 3 .

Es ist bei der automatischen Sortierung immer gegeben, daß z. B. Hohlkörper, welche aus verschiedenen Kunststoffsorten bestehen (z. B. PET Körper, PE Verschluß, PS Etikett) den Sensor passieren. Beobachtet dieser lediglich über einen integrierenden Meßfleck, so sind diese Hohlkörper nicht zu identifizieren. Erfindungsgemäß werden N Mikrospektrometer nach Fig. 3 zu einer Sensorzeile 1 gestapelt, so daß ein zeilenförmiger Ausschnitt bildgebend, d. h. an N Stellen beobachtet werden kann. Damit können Informationen über das Vorhandensein eines bestimmten Kunststoffes an einem bestimmten Ort erzielt werden. Bei der in Fig. 3 beispielhaft gezeigten Situation, daß eine Kunststofflasche 2 mit einem Etikett 3 aus einem andersartigen Kunststoff beklebt ist und einen Verschluß 4 aus wiederum einem anderen Kunststoff besitzt, kann durch die lokale bildgebende Erfassung vieler Stellen des sich unter der Mikrospektrometeranordnung (hier in Zeichenebene) bewegte Hohlkörper eine Karte der Verteilung der einzelnen Stoffsorten ermittelt werden und hieraus Sortier kriterien abgeleitet werden. Bei einer rein integrierenden Aufnahme mit nur einem Spektrometer hingegen würden sich die Spektren überlagern und in der Regel überhaupt keine Identifikation erlauben. It is always the case with automatic sorting that, for. B. hollow body, which consist of different types of plastic (z. B. PET body, PE closure, PS label) pass the sensor. If the latter only observes via an integrating measuring spot, these hollow bodies cannot be identified. According to the invention, N microspectrometers according to FIG. 3 are stacked to form a sensor line 1 , so that a line-shaped section can be observed imaging, ie at N points. This can be used to obtain information about the presence of a specific plastic at a specific location. In the situation shown by way of example in FIG. 3, that a plastic bottle 2 is stuck with a label 3 made of a different type of plastic and has a closure 4 made of another plastic, local imaging of many points of the area under the microspectrometer arrangement (here in the plane of the drawing) moving hollow bodies a map of the distribution of the individual substance types can be determined and from this sort criteria can be derived. In the case of a purely integrating recording with only one spectrometer, on the other hand, the spectra would overlap and would generally not allow any identification at all.

Erfindungsgemäß wird die gestapelte Anordnung von Mikrospektrometer ebenfalls vorteilhaft zur Sortierung von geshredderten Kunststoffen eingesetzt, welche z. B. auf einer Rutsche an der Sensoranordnung vorbeibewegt werden und über eine Anordnung schneller pneuma tischer Ejektoren in die einzelnen Fraktionen ausgeblasen werden.According to the invention, the stacked arrangement of microspectrometers is also advantageous used for sorting shredded plastics, which z. B. on a slide the sensor arrangement can be moved past and via an arrangement faster pneuma ejectors are blown out into the individual fractions.

Für die Bestimmung der für die robuste Identifikation signifikanten Wellenlängen sind die statistischen Verfahren der Diskriminanzanalyse bekannt. Diese Verfahren funktionieren in der Regel nur dann zufriedenstellend, wenn die zugrunde liegenden Verteilungen wenigsten ansatzweise Gauß-verteilt sind. Dies ist gerade bei Reflexionsspektren, welche auf einem multiplikativen GesetzFor the determination of the significant wavelengths for the robust identification the statistical methods of discriminant analysis known. These procedures work in generally satisfactory only when the underlying distributions are least are partially Gaussian. This is particularly the case with reflection spectra which are based on a multiplicative law

Empfangene Intensität = Beleuchtungsintensität mal lokale ReflexionReceived intensity = lighting intensity times local reflection

nicht der Fall. Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung dieser Wellenlängen sowie zur Bestimmung der optimalen Art der Signalverknüpfung Verfahren der Genetischen Algorithmen und der Evolutionsstrategieen eingesetzt, welche aus Lernstichproben mit beliebiger Statistik die zur Erkennung und Unterscheidung wichtigen und ausreichenden Wellenlängen ermitteln. Mit diesen Methoden die Anzahl der erforderlichen Detektoren von z. B. N = 255 gleichabständigen Detektoren eines InGaAS Zeilenarrays auf ca. N = 10 nicht gleichabständigen Detektoren reduziert werden. Dies bedeutet eine drastische Kosten einsparung. Die Verfahren der Genetischen Algorithmen und ähnlichen Optimierungsverfahren sind dem Fachmann bekannt.not the case. According to the invention for determining these wavelengths and Determination of the Optimal Type of Signal Linking Genetic Procedure Algorithms and the evolution strategies used, which from learning samples with Any statistics that are important and sufficient for recognition and differentiation Determine wavelengths. With these methods the number of detectors required by e.g. B. N = 255 equally spaced detectors of an InGaAS line array to approx. N = 10 not equally detectors can be reduced. This means a drastic cost saving. The procedures of genetic algorithms and the like Optimization methods are known to the person skilled in the art.

Claims

1. Verfahren zur optischen Identifikation von Stoffen, insbesondere zur spektro metrischen Erkennung von Kunststoffsorten bei der Wiederverwertung dadurch gekennzeichnet daß mit Hilfe eines miniaturisierten Spektrometers ein Reflexions- und/oder Transmissionsspektrum der beleuchteten Stoffprobe gewonnen wird, daß im Bildfeld des erzeugten Spektrums eine kleine Anzahl von nicht gleichabständigen Detektoren an den Stellen angebracht sind, deren Wellenlängen für eine robuste Erkennung und Unterscheidung der Stoffsorte ausreichend sind.1. A method for the optical identification of substances, in particular for spectro metric detection of types of plastic during recycling, characterized in that a reflection and / or transmission spectrum of the illuminated substance sample is obtained with the aid of a miniaturized spectrometer, that in the image field of the spectrum generated a small number of detectors are not equally spaced at the points whose wavelengths are sufficient for robust detection and differentiation of the substance type.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß diejenigen Wellenlängen, welche zur robusten Identifikation der Stoffsorte ausreichen sowie die Art der Verknüpfung der von den Detektoren gelieferten Signalen an einer Reihe von Lernstichproben mit Methoden der Genetischen Algorithmen und der Evolutionsstrategien bestimmt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that those wavelengths which are sufficient for the robust identification of the substance type as well as the type of connection of the signals delivered by the detectors to one Set of learning samples using methods of genetic algorithms and Evolution strategies are determined.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Normierung der einzelnen Detektorsignalen im Bildfeld des erzeugten Spektrums gleichzeitig zur kleinen Anzahl der nicht gleichabständigen Detektoren ein großflächiger Detektor so angeordnet ist, daß er das vom Spektrometer auf alle Wellenlängen aufgeteilte Licht integriert und diese integrale Signal zur Normierung der Signale der einzelnen, an den Stellen signifikanter Wellenlängen abgebrachten Detektoren verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to normalize the individual detector signals in the image field of the generated Spectrum at the same time as the small number of non-equally spaced detectors large detector is arranged so that it from the spectrometer to all Wavelength split light integrated and this integral signal for normalization of the signals of the individual, at the points of significant wavelengths Detectors is used.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein geeigneter Ausschnitt der beleuchteten Stoffprobe mit Hilfe einer im miniaturisierten Spektrometer eingelassenen Abbildungsoptik auf das die spektrale Zerlegung bewirkende Gitter abgebildet wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that a suitable section of the illuminated fabric sample using an im miniaturized spectrometer embedded imaging optics on which the spectral Disassembling grid is shown.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere spektrometrische Sensoren zur einer bildgebenden Zeile aneinandergereiht werden und somit gleichzeitig an verschiedenen Stellen des optisch erfaßten Körpers die Stoffsorte lokal erfaßt wird. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that several spectrometric sensors are lined up to form an imaging line be and thus simultaneously at different points in the optically detected body the type of substance is recorded locally.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeilenförmige Anordnung spektrometrischer Sensoren auf einen Schüttstrom von zerkleinerten Kunststoffteilen ausgerichtet ist und zur ortsauflösenden Identifikation der einzelnen Kunststoffstückchen dient wobei mit Hilfe der Identifikationssignale eine Reihe von Ejektoren zeit- und ortsrichtig so angesteuert werden, daß die Kunststoff stückchen in Fraktionen gleicher Stoffsorte aussortiert werden.6. The method according to claim 5, characterized in that the line-shaped arrangement of spectrometric sensors on a bulk flow of shredded plastic parts is aligned and for the location-resolving identification of the individual plastic pieces is used with the help of the identification signals Row of ejectors can be controlled in the correct time and place so that the plastic pieces are sorted out in fractions of the same type of substance.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines bewegten optischen Elementes die Apertur eines Detektores über den gesamten Wellenlängenbereich des Spektrum geführt wird und daß die Signale dieses Detektors nur dann für die Identifikation ausgewertet werden, wenn sie einer signifikanten Wellenlänge entsprechen.7. The method according to claim 1, characterized in that with the help of a moving optical element, the aperture of a detector the entire wavelength range of the spectrum is carried and that the signals This detector can only be evaluated for identification if it is one correspond to significant wavelength.

8. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß mit Hilfe einer Abbildungsoptik das von einer Stoffprobe reflektierte oder in Transmission modulierte Licht auf ein miniaturisiertes Spektrometer abgbildet wird, daß in der Bildebene des erzeugten Spektrums eine kleine Anzahl von Detektoren mit schlitzförmiger Aperturen an den Stellen angebracht sind, wo Wellenlängen entstehen, welche für die robuste Identifikation der Stoffsorte ausreichen, daß mit Hilfe einer Recheneinheit aus dem Vergleich der einzelnen Detektorsignale auf die Kunststoffsorte geschlossen wird.8. Arrangement for performing the method according to claim 1 to 7, characterized in that with the help of imaging optics that is reflected from or in a fabric sample Transmission modulated light is imaged on a miniaturized spectrometer, that in the image plane of the generated spectrum with a small number of detectors slot-shaped apertures are placed at the points where wavelengths arise, which are sufficient for the robust identification of the type of substance that with the help of a Computing unit from the comparison of the individual detector signals on the plastic grade is closed.