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© Titech Visionsort AS. 19 August 2004

VIS/NIR Spektroskopie zur Wertstoffsortierung und Qualitätsanalyse

Dirk Balthasar

Volker Rehrmann

Farbworkshop 2006

APZ Ilmenau

06.10.2006

© Titech Visionsort - 09/10/20062 Innovation in global recycling

Gliederung

Einleitung� Grundlagen, Überblick NIR-Sortiersysteme

� Kombinationssysteme VIS+NIR

Kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit

VIS/NIR Mustererkennungssystem

Anwendungsbeispiele

Zusammenfassung


Materialidentifikation mit VIS/NIR

Grundlagen. Betrachtete Wellenlängenbereiche (VIS/NIR)

Nahes Infrarot: 800 - 2.500 nm (NIR)

Visuelle Spektren: 400 - 700 nm (VIS)

nm200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

0

50

100

Inte

nsitä

t

VIS NIRUV

Wellenlänge


Wertstoffsortierung

ProduktRestDruckluftdüsen

Fördergurt2-3 m/s

ScannerBeleuchtung

Ausbringung des Produkts / unerwünschter Bestandteile mit Druckluft

Scannerbreiten: 0,5-2,8mDurchsatz: 1,5-10 Tonnen pro Stunde


Aufbau von 2D-NIR-Messsystemenzur Wertstoffsortierung

NIR-Zeilenkamera

(Seit 2003)

96000

Spektren/Sek

(1m)

Rotierender

Polygonspiegel

(Seit 1996)

160000

Spektren/Sek

(1m Fördergurt)

Fördergurt

Sensor Sensor (Matrix)

Sensor Multiplexer

Messköpfe

Sensor Scan-kopf

OptischerMultiplexer (<1995)

4000Spektren/Sek(1m)

Scankopf + Kamera (seit 1997)

1000Sp/Sek(1m)


Kombination VIS+NIR

Typische Vorgehensweise:Erweiterung einer NIR Detektoreinheit auf den sichtbaren Bereich durch Kombination mit CCD-Kamera

Hohe räumliche Auflösung im visuellen Bereich� Geeignet für Form-, Farb- und Texturanalyse

Schlechte spektrale Auflösung im VIS Bereich (R,G,B)

Zusammenführen von VIS und NIR Daten schwierig� Unterschiedliche räumliche Auflösungen

� Unterschiedliche Messbereiche

� Zuordnung rollender Teile

Alternative Vorgehensweise:Gleichzeitige Messung von VIS/NIR-Spektren an gleicher PositionEntwurf einer kombinierten Detektoreinheit

+


Punktmessung mit VIS/NIR

Wird eine Probe mit Licht bestrahlt, absorbiert sie einige Wellenlängenbereiche stark, andere kaum.

• Bestrahlung mit NIR/VIS aktiver Lichtquelle

• Bestimmte Frequenzen versetzen die Moleküle in Schwingung – diese werden besonders stark absorbiert

• Ein Teil des Lichtes wird diffus reflektiert

• Licht wird auf den Detektor geleitet und dort in seine Bestandteile aufgespalten

• Ergebnis: Spektrum der Intensität über der Wellenlänge – VIS und NIR

LichtquelleVIS/NIR Detektor Einheit

Moleküle der Probe


Spektrometer (VIS oder NIR)Aufbau

Fokussierlinse

KollimatorBlende

Beugungsgitter

Detektor

Fokussierlinse


1 Beam splitter2 IR module

2a Focusing lens2a’ Slit2a’’ Collimating lens2b IR grating2c IR detector array2d IR pre.amp. board2e Long pass filter

3 VIS module3a Focusing lens3b VIS grating3c VIS detector array3d VIS pre.amp. board3e Heat absorbing filter

4 Interface board

1

2

3

a

bc

d

e

a

b

c

d

4

e

a’’

a’

VIS

NIR

VIS/NIR-DetektoreinheitAufbau


VIS/NIR-Detektoreinheit

Entwurfsziele

Maximierung Geschwindigkeit

Maximierung Signal-Rauschverhältnis

Zu berücksichtigen:

Anzahl der Kanäle

Spektrale Auflösung (Spektraler Bereich eines Kanals)

Auflösung des AD-Wandlers (z.B. 12 Bit)

Empfindlichkeit und Dynamik des Sensors

Integrationszeit

Auslesefrequenz (z.B. 40000 Spektren / Sekunde)

Strahlenteiler (z.B. 15% Lichtverlust)

Beleuchtung (z.B. 500W)


Aufbau von 2D-VIS/NIR-Messsystem

Messbereich einer Zeile wird mit rotierendem Polygonspiegel gescannt

Abstand zwischen Messpunktzentren bei 160000 Messungen pro Sekunde, einer Fördergeschwindigkeit von 2 m/s und 1 m Messbreite� ca. 4 mm (in Förderrichtung)

� ca. 4 mm (orthogonal zu Förderrichtung)

Verwendung von zwei Polygonspiegeln und zwei Detektoreinheiten mit zwei Messzeilen

Rotierender Polygonspiegel, kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit

Optik+VIS/NIR Sensor

Fördergurt

Strahlengang


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

11

00

11

37

11

73

12

09

12

46

12

82

13

18

13

55

13

91

14

27

14

64

15

00

15

36

15

72

16

09

16

45

16

81

17

18

17

54

17

90

18

27

18

63

Wellenlänge [nm]

Inte

nsitä

t PEPPPVC

Materialidentifikation mit NIR

Typische Merkmale - Unterscheidungskriterien für PE/PP/PVC

PE/PP/PVC


Materialidentifikation mit VIS

Motivation durch Metamere

Unterscheidung braune Pappen, braune Druckfarbe � Papiersortierung

� Farbsortierung von Kunststoffflaschen

Detektion spezieller Druckfarben

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

400 421 443 464 486 507 529 550 571 593 614 636 657 679 700

nm

Inte

nsitä

t

Flyer

Pappe

Beide Spektren werden braun wahrgenommen (Laborspektrometer)

CIE XYZ-Normspektralwertkuven (WS82, S. 137)



VIS/NIR häufig unkorreliert

Getrennte Merkmalsextraktion und Klassifikation

Kombination der Klassifikationsergebnisse

KlassifikationNIR

Vorverarbeitung Merkmalsextraktion NIR

Aufnahme Kombination und Nachverarbeitung

KlassifikationVIS

VorverarbeitungMerkmalsextraktion VIS


Vorverarbeitung – Bsp: Normierung

PE

-Mes

sung

en, K

ustr

a


CIE-XYZ

Merkmalsextraktion (z.B. VIS)

MerkmaleMerkmale0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

400 421 443 464 486 507 529 550 571 593 614 636 657 679 700

nm

Inte

nsitä

t

Flyer

Pappe

Skalarprodukt mit Gewichtungsvektor

•Normspektralwertkurven

•ApplikationsspezifischeGewichtungsvektoren

VIS-Spektrum[Normiert]

Einfache Kenngrößen

•Mittelwert

•Varianz

µσ

2

1

x

x


Klassifikation

1D Schwellwertoperationen(basierend auf einem Merkmal)

2D ScatterplotsPolygone definieren Bereiche von Materialien in Scatterplot(basierend auf zwei Merkmalen)

Anwendung von Problemspezifischen Klassifikatoren(Klassifikation von Merkmalsvektoren)

Einfache händische Anpassung des Systems im Feld

Automatische Lernalgorithmen

Oft große, repräsentative Stichproben zur Anpassung erforderlich


Scatterplot

Merkmal 7

Merkmal 1

Hellblau

Durchsichtig

Selektion von zwei Dimensionen des Merkmalsvektors


Nachverarbeitung

Regionenbasierte

Nachberarbeitung

Blob Analyse:Detektion zusammenhängender Regionen

Heuristiken für Spezialanwendungen� Objektzählung

� PVC-Entfrachtung (Ersatzbrennstoffe)

PVCPE PVC

Punkt- und

Nachbarschaftsoperationen

Gleichzeitige Verwendung von VIS/NIRAusblenden von Papieretiketten bei der Sortierung von PET Flaschen nach Farbe

Entscheidungen unter Einbeziehung benachbarter Klassifikationsergebnisse

Optimierung der Sortierung durch Erosion / Dilatation des „Düsen-Steuerbildes“

111

011

001

1


Trennung von PET-Flaschen

PET-Leichtblau PET-Klar


QVision

Analyse von Fisch Filets

Fettgehalt ( )

Farbe (SalmoFan® )

%1±

1±


Transflexions Messung

Product speed: 1m/s

Light is dispersing into the object

Fat Colour


Zusammenfassung

Kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit


Anwendungen


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Literatur

[DHS01] Richard O. Duda, Peter E. Hart und David G. Stork. Pattern Classification, 2nd ed. Wiley, New York [u.a.], 2001.[MN89] Harald Martens and Tormod Naes. Multivariate Calibration. John Wiley & Sons, Inc., 1989.


Backup Folien


Aufbau von 2D-NIR-Messsystemen

Optischer Multiplexer (<1995)

Räumliche Auflösung durch Dimensionierung und Schaltzeiten des Multiplexers begrenzt.

Typische Systeme arbeiten mit einer Frequenz von ca. 4000 Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite)

Kombinationssysteme mit NIR Zeilenkamera

Scankopf mit zwei drehbaren Spiegeln (seit 1997)

Kombinationssystem mit CCD-Farbkamera

Kameradaten werden genutzt um Objekte zu erkennen.

Spektren werden nur auf Objekten gemessen

Ca. 1000 Spektren/Sekunde (1m Breite)

NIR-Zeilenkamera (Seit 2003)

Erste Sortiersysteme Ende 2003

Sehr neue Technik mit einem sehr geringen Marktanteil

Messtechnik noch vergleichsweise teuer

Hohe räumliche und spektrale Auflösung

Ca. 96000 Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite)

Rotierender Polygonspiegel (Seit 1996)

Etablierte Technik

In Kombination mit hochoptimiertenSpektrometern sehr hohe räumliche Auflösung

160000 Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite)

Überblick über im Markt verwendete Techniken zur Materialsortierung NIR


Packaging (green dot) - Germany

PET PE

Cartons

PSPP

CARTONS

FOILS

OTHER

ORGANICPAPER

GLASS

METAL

PLASTICS

Typical DSD mix by weight


Paper&Packaging - UK

PET HDPE

Cardbord

De-inkingMixed plastics

OTHER

PAPER

METALPLASTICS

Typical mix by weight*

CARD&PACKAGING

* Without glass


High calorific fractions that can substitutefuel in industrial processes

Cement plant

Lime work

Coal-fired power station

RDF (Refuse Derived Fuel)Can be made out of all or parts of household waste

Typically: plastics + paper + wood


High resolution opens new possibilities

Shredding

ABS/PS/PC PP/PE

Rest

Glass

Metals

TiTech now sorts objects down to 15mm

Electronic waste

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