VIS/NIR Spektroskopie zur Wertstoffsortierung und Qualitätsanalyse

Transkript

1 VIS/NIR Spektroskopie zur Wertstoffsortierung und Qualitätsanalyse Dirk Balthasar Volker Rehrmann Farbworkshop 2006 APZ Ilmenau Titech Visionsort AS. 19 August 2004

2 Gliederung Einleitung Grundlagen, Überblick NIR-Sortiersysteme Kombinationssysteme VIS+NIR Kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit VIS/NIR Mustererkennungssystem Anwendungsbeispiele Zusammenfassung 2 Innovation in global recycling

3 Materialidentifikation mit VIS/NIR Grundlagen. Betrachtete Wellenlängenbereiche (VIS/NIR) 100 UV VIS NIR Intensität nm Visuelle Spektren: nm (VIS) Wellenlänge Nahes Infrarot: nm (NIR) 3 Innovation in global recycling

4 Wertstoffsortierung Ausbringung des Produkts / unerwünschter Bestandteile mit Druckluft Beleuchtung Scanner Fördergurt 2-3 m/s Druckluftdüsen Rest Produkt Scannerbreiten: 0,5-2,8m Durchsatz: 1,5-10 Tonnen pro Stunde 4 Innovation in global recycling

5 Aufbau von 2D-NIR-Messsystemen zur Wertstoffsortierung Rotierender NIR-Zeilenkamera Polygonspiegel (Seit 1996) Sensor (Seit 2003) Sensor (Matrix) Spektren/Sek Spektren/Sek (1m Fördergurt) (1m) Fördergurt Optischer Multiplexer (<1995) Sensor Multiplexer Scankopf + Kamera (seit 1997) Sensor Scankopf 4000 Spektren/Sek (1m) Messköpfe 1000 Sp/Sek (1m) 5 Innovation in global recycling

6 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 Position Entwurf einer kombinierten Detektoreinheit 6 Innovation in global recycling

7 Punktmessung mit VIS/NIR Wird eine Probe mit Licht bestrahlt, absorbiert sie einige Wellenlängenbereiche stark, andere kaum. Lichtquelle VIS/NIR Detektor Einheit 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 Moleküle der Probe 7 Innovation in global recycling

8 Spektrometer (VIS oder NIR) Aufbau Fokussierlinse Detektor Beugungsgitter Kollimator Blende Fokussierlinse 8 Innovation in global recycling

9 VIS/NIR-Detektoreinheit Aufbau NIR b d c a 2 a 4 a e b VIS c 3 d 1 Beam splitter 2 IR module 2a Focusing lens 2a Slit 2a Collimating lens 2b IR grating 2c IR detector array 2d IR pre.amp. board 2e Long pass filter 3 VIS module 3a Focusing lens 3b VIS grating 3c VIS detector array 3d VIS pre.amp. board 3e Heat absorbing filter 4 Interface board a e 1 9 Innovation in global recycling

10 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 Spektren / Sekunde) Strahlenteiler (z.b. 15% Lichtverlust) Beleuchtung (z.b. 500W) 10 Innovation in global recycling

11 Aufbau von 2D-VIS/NIR-Messsystem Rotierender Polygonspiegel, kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit Messbereich einer Zeile wird mit rotierendem Polygonspiegel gescannt Abstand zwischen Messpunktzentren bei 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 Optik+ VIS/NIR Sensor Strahlengang Fördergurt 11 Innovation in global recycling

12 Materialidentifikation mit NIR Typische Merkmale - Unterscheidungskriterien für PE/PP/PVC 1 0,9 0,8 0,7 Intensität 0,6 0,5 0,4 0,3 PE PP PVC 0,2 0,1 PE/PP/PVC Wellenlänge [nm] 12 Innovation in global recycling

13 Materialidentifikation mit VIS Motivation durch Metamere Unterscheidung braune Pappen, braune Druckfarbe Papiersortierung Farbsortierung von Kunststoffflaschen Detektion spezieller Druckfarben CIE XYZ-Normspektralwertkuven (WS82, S. 137) Intensität 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Flyer Pappe nm Beide Spektren werden braun wahrgenommen (Laborspektrometer) 13 Innovation in global recycling

14 VIS/NIR Mustererkennungssystem VIS/NIR häufig unkorreliert Getrennte Merkmalsextraktion und Klassifikation Kombination der Klassifikationsergebnisse Aufnahme Vorverarbeitung Merkmalsextraktion NIR Klassifikation NIR Kombination und Nachverarbeitung Vorverarbeitung Merkmalsextraktion VIS Klassifikation VIS 14 Innovation in global recycling

15 Vorverarbeitung Bsp: Normierung PE-Messungen, Kustra 15 Innovation in global recycling

16 Merkmalsextraktion (z.b. VIS) Intensität 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, nm Flyer Pappe Merkmale VIS-Spektrum [Normiert] Einfache Kenngrößen Mittelwert Varianz Skalarprodukt mit Gewichtungsvektor Normspektralwertkurven Applikationsspezifische Gewichtungsvektoren µ σ CIE-XYZ x x Innovation in global recycling

17 Klassifikation 1D Schwellwertoperationen (basierend auf einem Merkmal) 2D Scatterplots Polygone definieren Bereiche von Materialien in Scatterplot (basierend auf zwei Merkmalen) Einfache händische Anpassung des Systems im Feld Anwendung von Problemspezifischen Klassifikatoren (Klassifikation von Merkmalsvektoren) Automatische Lernalgorithmen Oft große, repräsentative Stichproben zur Anpassung erforderlich 17 Innovation in global recycling

18 Scatterplot Selektion von zwei Dimensionen des Merkmalsvektors Merkmal 7 Durchsichtig Hellblau Merkmal 1 18 Innovation in global recycling

19 Nachverarbeitung Punkt- und Nachbarschaftsoperationen Gleichzeitige Verwendung von VIS/NIR Ausblenden von Papieretiketten bei der Sortierung von PET Flaschen nach Farbe Entscheidungen unter Einbeziehung benachbarter Klassifikationsergebnisse Optimierung der Sortierung durch Erosion / Dilatation des Düsen- Steuerbildes Regionenbasierte Nachberarbeitung Blob Analyse: Detektion zusammenhängender Regionen Heuristiken für Spezialanwendungen PE Objektzählung PVC-Entfrachtung (Ersatzbrennstoffe) PVC PVC Innovation in global recycling

20 Trennung von PET-Flaschen PET-Leichtblau PET-Klar 20 Innovation in global recycling

21 QVision Analyse von Fisch Filets Fettgehalt ( ±1% ) Farbe (SalmoFan ± 1) 21 Innovation in global recycling

22 Transflexions Messung Light is dispersing into the object Fat Colour Product speed: 1m/s 22 Innovation in global recycling

23 Zusammenfassung Kombinierte VIS/NIR Detektoreinheit VIS/NIR Mustererkennungssystem Anwendungen 23 Innovation in global recycling

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 24 Innovation in global recycling

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

26 Backup Folien 26 Innovation in global recycling

27 Aufbau von 2D-NIR-Messsystemen Überblick über im Markt verwendete Techniken zur Materialsortierung NIR Rotierender Polygonspiegel (Seit 1996) Etablierte Technik In Kombination mit hochoptimierten Spektrometern sehr hohe räumliche Auflösung Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite) 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 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 Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite) Optischer Multiplexer (<1995) Räumliche Auflösung durch Dimensionierung und Schaltzeiten des Multiplexers begrenzt. Typische Systeme arbeiten mit einer Frequenz von ca Spektren pro Sekunde (1m Fördergurtbreite) Kombinationssysteme mit NIR Zeilenkamera 27 Innovation in global recycling

28 Packaging (green dot) - Germany ORGANIC PAPER Typical DSD mix by weight CARTONS GLASS METAL PLASTICS FOILS OTHER Cartons PET PE PP PS 28 Innovation in global recycling

29 Paper&Packaging - UK Typical mix by weight* * Without glass PAPER CARD&PACKAGING METAL PLASTICS OTHER Cardbord PET HDPE Mixed plastics De-inking 29 Innovation in global recycling

30 RDF (Refuse Derived Fuel) Can be made out of all or parts of household waste Typically: plastics + paper + wood Cement plant High calorific fractions that can substitute fuel in industrial processes Coal-fired power station Lime work 30 Innovation in global recycling

31 High resolution opens new possibilities TiTech now sorts objects down to 15mm Metals Electronic waste Shredding Glass Rest ABS/PS/PC PP/PE 31 Innovation in global recycling