DE19648119C1 - Converging optics for spectroscopic system - Google Patents

Converging optics for spectroscopic system

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Abstract

The optics allows light that is transmitted, scattered or reflected from an object to be detected simultaneously. The optics are coupled to the input of a spectroscopic system. The converging optics has a two-part objective lens. The two parts (L1,L2) of the lens have different focal lengths and are arranged close to each other, so that a light beam passing through enters through one of the two parts. Alternatively, the two-part objective lens may be in the form of a Fresnel lens with a first radius. In this case, both parts of the lens have the same focal length and are cut out of non-adjacent regions of a Fresnel lens having a radius that is larger than the first radius. The two parts are arranged close together, so that an entering light beam passes through one of the two parts.

Description

Die Erfindung bezieht sich vorwiegend auf spek­ troskopische Vorrichtungen, bei denen Lichtstrahlen von ver­ schiedenartigen, insbesondere von transparenten volumen­ förmigen oder von undurchsichtigen (opaken) flachen Ob­ jekten, die auf Transportbändern befördert werden, erfaßt werden müssen. The invention relates primarily to spec troscopic devices in which light rays from ver Varying, especially transparent volumes shaped or of opaque (flat) ob objects that are transported on conveyor belts Need to become.  

Die Erfassung von Lichtstrahlen zu spektroskopischen Zwecken an verschiedenartig geformten Objekten, die entweder transparent oder undurchsichtig (opak) sein kön­ nen, hat in vielen Bereichen Anwendungen. Beispiele sind die spektroskopische Ermittlung von Materialeigenschaften an zu sortierenden Kunststoffverpackungen, Bauschutt oder ähnlichem.The detection of light rays to spectroscopic Purposes of variously shaped objects that can be either transparent or opaque has applications in many areas. examples are the spectroscopic determination of material properties on plastic packaging, building rubble or the like.

Bei Sammeloptiken zur Einkopplung in Lichtleiter nach Huth-Fehre [1] tritt dabei in der praktischen Anwendung das Problem auf, daß Licht nicht optimal simultan sowohl von transparenten als auch von flachen opaken Objekten gesammelt werden kann. Dies liegt daran, daß trans­ mittierte und reflektierte Lichtanteile bei geometrischen Anordnungen, wie sie beispielsweise bei Transportbändern vorgegeben sind, sich prinzipiell in unterschiedliche Raumrichtungen ausbreiten (Dies wird an einem Beispiel in Abb. 3 dargestellt, s. u.).In the case of collecting optics for coupling into light guides according to Huth-Fehre [1], the problem arises in practical application that light cannot be optimally collected simultaneously from both transparent and flat opaque objects. This is due to the fact that transmitted and reflected light components in geometric arrangements, such as those specified for conveyor belts, generally spread in different spatial directions (this is shown using an example in Fig. 3, see below).

Zur Lösung dieses Problems wird eine Sammeloptik, wie in den Abb. 1 und 2 dargestellt, vorgeschlagen, deren Objektivlinse aus zwei Linsenstücken besteht. Die in den Abb. 1-4 und 6 verwendeten Bezeichnungen bedeuten:
L Linse
L1 Linsensegment 1
L2 Linsensegment 2
LQ Lichtquelle
LWL Lichtwellenleiter (dieser kann auch durch eine spektroskopische Vorrichtung ersetzt werden)
O Objekt
R Reflektor (dieser kann auch durch eine Lichtquelle ersetzt werden)
T Transportband
To solve this problem, a collection optics, as shown in Figs. 1 and 2, is proposed, the objective lens of which consists of two lens pieces. The designations used in Figs. 1-4 and 6 mean:
L lens
L1 lens segment 1
L2 lens segment 2
LQ light source
FO fiber optic cable (this can also be replaced by a spectroscopic device)
O object
R reflector (this can also be replaced by a light source)
T conveyor belt

In den Abb. 1-3 sind die Wege der Lichtstrahlen, die in den Lichtwellenleiter einkoppeln mit gepunkteten oder durchgezogenen Linien (im folgenden auch Trajek­ torien genannt) dargestellt. Dabei sind diejenigen Trajektorien, entlang denen sich Licht ausbreitet, das spektroskopische Information vom Objekt enthält, mit durchgezogenen Linien markiert. Fig. 1-3 shows the paths of the light rays that couple into the optical waveguide with dotted or solid lines (also called trajectories below). The trajectories along which light that contains spectroscopic information from the object are drawn are marked with solid lines.

Die dargestellte Anordnung (Abb. 1) dient zur Einkopplung von Licht, das durch Reflexion des von der Lichtquelle (LQ) (dies kann beispielsweise eine Halogenlampe sein) stammenden Lichtes durch auf dem Transportband (T) liegende Objekte oder durch Transmission des vom Reflektor (R) reflektierten Lichtes durch auf dem Transportband liegende (transparente) Objekte hindurch entsteht, in den Lichtwellenleiter (LWL). Das gesammelte Licht kann dann zu spek­ troskopischen Zwecken verwendet werden.The arrangement shown ( Fig. 1) serves to couple in light that is generated by reflection of the light from the light source (LQ) (this can be a halogen lamp, for example) by objects lying on the conveyor belt (T) or by transmission of the light from the reflector ( R) reflected light is created through (transparent) objects lying on the conveyor belt, into the optical waveguide (LWL). The collected light can then be used for spectroscopic purposes.

Die Brechkräfte der beiden Linsenstücke L1, L2 sowie die örtliche Änderung der Brechkräfte sind dabei so gewählt, daß Linsensegment 1 (L1) vorzugsweise Licht von flachen opaken, und Linsensegment 2 (L2) vorzugsweise Licht von transparenten Objekten optimal einsammelt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der von flachen Ob­ jekten eingesammelte Lichtanteil deutlich höher ist als bei Verwendung einer einfachen Linse. Der von transparen­ ten oder opaken volumenförmigen Objekten eingesammelte Lichtanteil wird ebenfalls gesteigert. The refractive powers of the two lens pieces L1, L2 and the local change in the refractive powers are chosen so that lens segment 1 (L1) preferably collects light from flat opaque, and lens segment 2 (L2) preferably collects light from transparent objects optimally. The advantage of this arrangement is that the amount of light collected from flat objects is significantly higher than when using a simple lens. The proportion of light collected by transparent or opaque volumetric objects is also increased.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Es sind im wesentlichen fünf Ansätze zur Erfassung von Lichtstrahlen, die von unförmigen Objekten (vorrangig Kunststoffkörpern) ausgehen, bekannt [1-5]. Während bei [2] eine mechanische Vorrichtung verwendet werden muß, um die Meßobjekte in Position zu bringen und mehrere Messungen pro Probe notwendig sind, ermöglicht [1] bereits eine weitgehende Lagefreiheit der Objekte (z. B. auf konventionellen Fließbändern) bei einer Einzelmes­ sung. Verfahren [3] ermöglicht die getrennte Erfassung transmittierter und gestreuter Lichtanteile, benötigt aber ein mechanisches Umschalten zwischen diesen Anteilen vor einer Einkopplung in ein spektroskopisches System. Die in [4] beschriebene Vorrichtung erlaubt nur die Erfassung transmittierten Lichtes. Das in [5] beschriebene Verfahren erfaßt die vom Objekt gestreuten bzw. reflektierten Lichtanteile, benötigt aber mehrere Sensoren.There are essentially five approaches to capturing Rays of light emanating from misshapen objects (primarily Plastic bodies) go out, known [1-5]. While at [2] a mechanical device must be used to to position the measuring objects and several Measurements per sample are necessary, enables [1] the objects are already largely free of position (e.g. on conventional assembly lines) for a single measurement solution. Method [3] enables separate recording transmitted and scattered light components, needed but a mechanical switch between these parts before coupling into a spectroscopic system. The device described in [4] only allows Detection of transmitted light. That in [5] The described method captures those scattered by the object or reflected light components, but requires several Sensors.

MÄNGEL DES STANDES DER TECHNIKDEFECTS OF THE PRIOR ART

Es sind prinzipiell drei verschiedene Arten von Objekten zu unterscheiden:
There are basically three different types of objects:

  • 1. flache opake Objekte; z. B. gefaltete Getränkekartons1. flat opaque objects; e.g. B. folded Beverage cartons
  • 2. transparente Objekte (körperförmig oder flach); z. B. transparente Flaschen2. transparent objects (body-shaped or flat); e.g. B. transparent bottles
  • 3. körperförmige opake Objekte; z. B. un­ durchsichtige Flaschen, Becher etc.3. body-shaped opaque objects; e.g. B. un transparent bottles, cups etc.

Während die unter (3) genannten Objekte mit Optiken nach Huth-Fehre [1] bei weitgehender Lagefreiheit spek­ troskopisch untersucht werden können, ist bei der Justage ein Kompromiß zu finden, der sowohl Spektren von Objekten entsprechend (1) als auch von Objekten entsprechend (2) liefert. Abb. 3 zeigt die von einer Sammeloptik nach [1] erfaßten Lichtstrahlen. Alle Lichtstrahlen, die in den Lichtleiter einkoppeln, breiten sich entlang der eingetragenen Trajektorien aus. Strahlen, die spektrale Information der Objekte enthalten, sind mit durch­ gezogenen Linien gekennzeichnet. Für flache Objekte (Abb. 1a) wäre es optimal, die Optik möglichst steil oberhalb des Transportbandes anzubringen um die direkt von den Objekten reflektierte Lichtstrahlung einzusammeln (die eingesammelte Lichtintensität variiert mit dem Cosinus des Einfallswinkels α). Bei einer solchen Justage ist die Optik allerdings "blind" für kleinere trans­ parente Objekte, die auf der der Optik zugewandten Seite des Fließbandes liegen (Abb. 1b). Dies läßt sich da­ ran erkennen, daß das rechts liegende Objekt lediglich von gestrichelten Trajektorien, die, wie bereits erwähnt, keine Objektinformation tragen, durchsetzt ist: Da Trans­ portbänder in der Regel aus schwarzem (nicht reflektier­ endem) Gummimaterial bestehen, kann von transparenten Ob­ jekten (2) nur dann spektrale Information gewonnen wer­ den, wenn ein vom Reflektor durch die Probe hindurchtre­ tender Lichtanteil von der Optik erfaßt wird. Dazu wäre es optimal, die Optik so zu justieren, daß parallel zur Fließbandoberfläche verlaufende Strahlen in die Optik gelangen. In diesem Fall würden wiederum flache Objekte nicht gesehen, da cos α gerade null wäre. While the objects mentioned under (3) with optics according to Huth-Fehre [1] can be examined spectroscopically with a large degree of positional freedom, a compromise can be found in the adjustment that both spectra of objects according to (1) and of objects accordingly ( 2) supplies. Fig. 3 shows the light rays captured by a collection optics according to [1]. All light rays that couple into the light guide propagate along the entered trajectories. Rays that contain spectral information of the objects are identified by solid lines. For flat objects ( Fig. 1a) it would be optimal to attach the optics as steeply as possible above the conveyor belt in order to collect the light radiation reflected directly from the objects (the collected light intensity varies with the cosine of the angle of incidence α). With such an adjustment, however, the optics are "blind" for smaller, transparent objects lying on the side of the assembly line facing the optics ( Fig. 1b). This can be seen since the object on the right is only interspersed with dashed trajectories, which, as already mentioned, do not carry any object information: since conveyor belts are usually made of black (non-reflective) rubber material, transparent ob jects ( 2 ) only obtained spectral information when the a portion of light passing through the sample from the reflector is detected by the optics. It would be optimal to adjust the optics in such a way that rays running parallel to the surface of the conveyor belt get into the optics. In this case, flat objects would not be seen because cos α would be zero.

Ein weiterer Nachteil der optischen Anordnung ist, daß der unterste Teil der Linsenfläche nicht genutzt wird, da dieser nur Lichtstrahlen erfaßt, die von der Seitenkante des Transportbandes reflektiert werden (mit einem Pfeil markierter Lichtstrahl). Another disadvantage of the optical arrangement is that the lowest part of the lens surface is not used because this only captures light rays coming from the side edge of the conveyor belt are reflected (with an arrow marked light beam).  

ERFINDUNGSGEDANKENTHOUGHTS OF THE INVENTION

Wie oben gezeigt, kann das angesprochene Problem mit einer Einzellinse nicht gelöst werden. Im Grunde wären zwei getrennt aufzustellende Sammeloptiken notwendig. Damit würden aber auch jeweils zwei Spektrometerkanäle belegt, was das Gesamtsystem deutlich verteuern würde. Die Verwendung zweier getrennter Optiken kann aber um­ gangen werden, wenn die Objektivlinse durch eine zwei­ geteilte Linse ersetzt wird (Abb. 1, 2). Das op­ tische Prinzip entspricht dem der kombinierten Weitsicht- und Lesebrille. Während der obere Teil der Linse (L1) in bewährter Manier Licht von flachen Objekten einsammelt und gegebenenfalls deutlich steiler gestellt werden kann (Vergrößerung von cos α), sorgt das untere Linsenstück (L2) dafür, daß auch Strahlen, die parallel zur Ober­ fläche verlaufen, in den Lichtwellenleiter oder wahlweise eine spektroskopische Vorrichtung gelangen.As shown above, the problem addressed cannot be solved with a single lens. Basically, two separate collection optics would be necessary. However, this would also occupy two spectrometer channels, which would make the entire system significantly more expensive. The use of two separate optics can, however, be avoided if the objective lens is replaced by a split lens ( Fig. 1, 2). The optical principle corresponds to that of the combined vision and reading glasses. While the upper part of the lens (L1) collects light from flat objects in the tried-and-tested manner and can possibly be made significantly steeper (magnification of cos α), the lower lens section (L2) ensures that rays that run parallel to the upper surface are also created , get into the optical fiber or optionally a spectroscopic device.

Abb. 3 zeigt die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung. In diesem Fall sind die beiden transparenten Objekte A und B von durchgezogenen Trajektorien durchsetzt. Fig. 3 shows how the arrangement described works. In this case, the two transparent objects A and B are traversed by solid trajectories.

Damit kann Licht nicht nur von Objekten vom Typ (3) son­ dern auch von den Typen (1) und (2) in optimaler Weise eingesammelt werden, ohne die geometrisch-optische Anord­ nung zwischenzeitlich zu verändern.This means that light can be collected not only from objects of type ( 3 ) but also from types ( 1 ) and ( 2 ) in an optimal way without changing the geometric-optical arrangement in the meantime.

Für das optische Design des unteren Linsenstücks (L2) stehen prinzipiell zwei Konstruktionsmöglichkeiten zur Verfügung:
There are basically two construction options available for the optical design of the lower lens section (L2):

  • (A) Die Brennweite von L2 wird deutlich kleiner als die von L1 gewählt (z. B. halb so groß, wie in dem in Abb. 4 gezeigten Beispiel; Achtung: in den Abb. 4 und 6 entsprechen, abweichend von den Abb. 1-3, die mit gepunkteten Linien gekennzeichneten Trajektorien Licht, das durch L1 hindurchtritt, während durchgezogene Linien Trajektorien von durch L2 transmittierte Lichtanteile darstellen). Dann verlegt die deutlich höhere Brechkraft den Sammelfleck für die parallel zur Bandoberfläche verlaufenden Strahlen etwa in die Mitte des Bandes. Ein eventueller Nachteil der Methode ist, daß durch den entstehenden Zwischenfokus die Lageinvarianz des Objektes eingeschränkt wird.(A) The focal length of L2 is chosen to be significantly smaller than that of L1 (e.g. half as large as in the example shown in Fig. 4; note: correspond to Figs. 4 and 6, deviating from Fig. 1-3, the trajectories marked with dotted lines, light which passes through L1, while solid lines represent trajectories of light components transmitted by L2). Then the significantly higher refractive power relocates the collecting spot for the rays running parallel to the surface of the belt approximately in the middle of the belt. A possible disadvantage of the method is that the positional variance of the object is restricted by the intermediate focus that arises.
  • (B) Das in (A) auftretende Problem der fehlenden Lageinvarianz kann aber leicht umgangen werden, wenn ein Linsenstück L2 mit der gleichen Brennweite wie L1 verwendet wird, wobei allerdings ein Linsen­ segment aus einer deutlich größeren Linse als dem Durchmesser von L1 entspricht, verwendet werden muß. Dies ist aber insbesondere bei der Verwendung von Fresnellinsen sehr einfach zu realisieren. Dies ist in Abb. 5 dargestellt. Dazu werden aus einer vergleichsweise großen Fresnellinse (FL) mit Durch­ messer (D) Linsensegmente L1 und L2 heraus­ geschnitten und zu einer kombinierten Linse (KL) mit Durchmesser (d) zusammengesetzt. Weiter bedeuten (a) den Abstand zwischen L2 und der optischen Achse und h2 die Höhe des Segmentes L2.
    Abb. 6 zeigt den verlauf der durch die beiden Linsensegmente L1, L2 hindurchtretenden Strahlen, für den Fall, daß die Wahl der geometrischen Abmessungen, der Brennweiten und Linsenausschnitte entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Als Maße können beispielsweise verwendet werden: Brennweite der Fresnellinse FL = 250 mm, a = 305 mm, d = 150 mm, h2 = 65 mm, D < = 370 mm, Abstand (b) zwischen der kombinierten Linse und dem Lichtwellenleiter b = 300 mm, Neigungswinkel (β) der optischen Achse β = 12°. Als Überschlagsformel gilt hier entsprechend der Linsen­ formel (1/f = 1/b + 1/g): tan β = d/(1/f - 1/b).    (B) The problem of the lack of positional variance occurring in (A) can, however, be easily circumvented if a lens piece L2 with the same focal length as L1 is used, although a lens segment from a lens that is significantly larger than the diameter of L1 is used must become. However, this is very easy to implement, especially when using Fresnel lenses. This is shown in Fig. 5. For this purpose, lens segments L1 and L2 are cut out of a comparatively large Fresnel lens (FL) with a diameter (D) and assembled into a combined lens (KL) with a diameter (d). Furthermore (a) mean the distance between L2 and the optical axis and h2 the height of the segment L2.
    Fig. 6 shows the course of the rays passing through the two lens segments L1, L2, in the event that the choice of the geometric dimensions, the focal lengths and lens sections are coordinated accordingly. The following dimensions can be used, for example: focal length of the Fresnel lens FL = 250 mm, a = 305 mm, d = 150 mm, h2 = 65 mm, D <= 370 mm, distance (b) between the combined lens and the optical waveguide b = 300 mm, angle of inclination (β) of the optical axis β = 12 °. The rollover formula according to the lens formula (1 / f = 1 / b + 1 / g) is: tan β = d / (1 / f - 1 / b).
LITERATURLITERATURE

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Claims (3)

1. Sammeloptik für ein spektroskopisches System, die es gestattet, simultan von Objekten transmittiertes, gestreutes oder reflektiertes Licht zu erfassen und in den Eingang einer spektroskopischen Vorrichtung einzukoppeln, wobei die Sammeloptik eine zweigeteilte Objektivlinse aufweist, deren beide Teile (L1, L2) unterschiedliche Brennweiten aufweisen und die neben­ einander angeordnet sind, so daß ein hindurch­ tretender Lichtstrahl entweder durch den einen (L1) oder den anderen Teil (L2) hindurchtritt.1. Collecting optics for a spectroscopic system that it allows simultaneous transmission of objects, detect scattered or reflected light and into the entrance of a spectroscopic device to couple, the collecting optics a two-part Objective lens, the two parts (L1, L2) have different focal lengths and the next are arranged one another so that a through beam of light either through one (L1) or the other part (L2) passes through. 2. Sammeloptik für ein spektroskopisches System, die es gestattet, simultan von Objekten transmittiertes, getreutes oder reflektiertes Licht zu erfassen und in den Eingang einer spektroskopischen Vorrichtung ein­ zukoppeln, wobei die Sammeloptik eine zweigeteilte Objektivlinse (KL) in Form einer Fresnellinse mit einem ersten Halbmesser (d) aufweist, deren beide Teile (L1, L2) gleiche Brennweiten aufweisen und die aus nicht aneinandergrenzenden Bereichen einer Fres­ nellinse (FL) herausgeschnitten wurden, deren Halbmesser (D) größer als der erste Halbmesser (d) ist, und die nebeneinander angeordnet sind, so daß ein hindurchtretender Lichtstrahl entweder durch den einen oder den anderen Teil (L2) hindurchtritt.2. Collecting optics for a spectroscopic system that it allows simultaneous transmission of objects, to detect and reflect scattered or reflected light the input of a spectroscopic device couple, the collecting optics a two-part Objective lens (KL) in the form of a Fresnel lens with has a first radius (d), both of which Parts (L1, L2) have the same focal lengths and the from non-contiguous areas of a Fres lens (FL) were cut out, whose Radius (D) larger than the first radius (d) is, and which are arranged side by side, so that a beam of light passing through either one or the other part (L2) passes through. 3. Sammeloptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Eingang der spektroskopischen Vor­ richtung von einem Lichtwellenleiter gebildet wird.3. collection optics according to claim 1 or 2, characterized records that the input of the spectroscopic pre direction is formed by an optical fiber.
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