专利名称：有宽光谱光源的分拣装置及相应方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测产品中的不规则性的方法和分拣设备，其中至少一束光 束借助移动的反射镜被引向该产品，由此，该产品沿特定方向移动通过检测区，这样，最好 是横向移动越过产品的路径的所述光束，至少部分地被所述产品散射和/或反射。该散射 和/或反射光被至少一个检测器检测，以表征该产品和分拣该产品。
背景技术：
这种分拣设备例如被公开在现有技术文献US 6 864 970, US 4723 659, EP 0 952 895 和 EP 1 012 582 中。在激光分拣装置中，产品按照不同的分拣原理被分拣，这些分拣原理包含一组选 择参数，例如吸收、荧光、散射或偏振状态。大多数分拣原理是基于激光源的一组特定的分 立的波长。但是，许多适合分拣处理的非常特定的激光波长，市场上得不到，或者该激光源体 积庞大和/或昂贵和/或不可靠。此外，另一个问题是把若干激光器组合在一个分拣系统 中，这样既增加光学系统的复杂性，还需要大批备用的激光光源。当若干激光源被使用在一个分拣设备中时，这些激光源的光束被组合成一个单一 的光束。但是，大多数情形下，激光源光束的截面形状互不相同。此外，许多激光光束有椭 圆的截面，使把这些激光光束组合成有一致和均勻截面的一个单一光束是极其困难的。对 于分拣处理的精度，投射到待分拣产品上的光束的截面有一致的截面并呈现光频率的均勻 分布，无论如何都是重要的。激光光束投射到有不规则表面的产品上，会引起干涉现象。这尤其是当产品表面 中的不平整度的尺寸，与投射的激光光束波长有相同尺寸时的情形。因此，在分拣装置的检 测器上的由反射光束产生的结果信号有受限制的精度。再有，已有的激光分拣设备，带有固定的一组激光源，其光频率是按待分拣产品的 功能类型选定的。因此，特定激光分拣设备只可用于分拣某种类型的产品和用于确定某种 类型的缺陷或异样的物体。每种分拣处理要求它自己的光频率。为了能让这种激光分拣设 备适合分拣其他类型产品，是十分麻烦的，因为要分拣这类其他产品需要别的光频率。分拣设备也可配备白光宽带源，例如高强度放电灯(HID灯)，诸如氙灯泡。用这些 宽带源的问题在于产生的光有低的空间相干性和亮度，以及非常低的耦合到光纤的效率。 此外，HID灯的使用还受有关预热时间和再点火时间的制约。用宽带灯泡作光源的分拣设备不能给出满意的效果，因为该光源有低的功率和低 的分辨率。激光分拣设备还有缺点是，只有有限数量特定波长的激光源是可用的，或者是某 些波长的激光源用于分拣设备中是过于庞大或昂贵的。现有激光分拣设备的另一个缺点在 于不同类型激光器要求分开的和特定的电子设备和电源等等这一事实。再一个缺点是，需 要大量的特殊光学装置，诸如把多束激光束组合成一束光束的二向色反射镜，以及在操作时激光束不对准的可能性。用光纤引导激光束的激光分拣设备在多色分拣应用中存在多模的问题。再一个缺点是常规单模光纤的有限带宽(工作窗口)。
发明内容
本发明一般涉及分拣设备领域，尤其涉及分拣装置中的光学扫描系统，更详细地 说，是涉及宽带分拣装置。在这样的分拣设备中，光束被引向待分拣的产品，并投射在这些 产品上。反射光被检测，并基于该检测的光来分拣产品或表征产品。在本文中，术语宽带分拣意思是一种分拣处理，它使用分布在宽光谱范围上的波 长集合，诸如紫外和可见，又诸如可见和近红外，又诸如紫外、可见和红外。此外，本发明一般涉及光子晶体光纤与分拣装置的组合使用，该分拣装置例如是 食品分拣机械，例如是光学扫描系统，例如是用于扫描产品如食品和塑料，例如是用于淘汰 奇特的物体，又诸如是用于按质量例如油和水的含量分拣。本发明一般涉及白光光源，更具体地，是涉及在分拣装置中白光光源，例如宽带光 源的使用。本发明特别涉及有光波导宽带超连续光谱光源的分拣装置，例如在光子晶体光纤 中产生的超连续光谱。本发明还涉及有光波导系统的分拣装置，所述系统包括光纤，并且具体是由环形 单模光纤构成。本发明还涉及使用环形单模光纤来引导光进入分拣设备的聚焦系统。本发明还涉及使用所述基于超连续光谱光源的波导，以及在分拣设备中使用所述 环形单模波导系统。这种分拣设备在下面简短的描述中给出，接着是涉及本发明的与该光学系统有关 的现有技术。按照本发明，该分拣装置的光学激光扫描系统，简单地说，具有1)包括超连续光谱辐射源的光发送端，2)扫描元件，例如多面反射镜，和3)包括检测装置的光接收端。发送端设有光源，用于经过聚焦系统在小的面积上或光斑上，照射待分拣的产品。 通常为了分拣处理，需要多种波长，以增加分拣参数和待分拣的物品。按照现有技术，多谱线激光系统被用于该目的，或者有不同波长的激光，通过使用 二向色反射镜被组合成单一光束。对于分拣处理，重要的是，这些多个源的光束有相同的光 斑尺寸并重合或叠加在分拣物品的同一光斑中，这样可增加分拣效率和精度。举例说，在现有技术的专利申请EP 0 620 051 Al (等效于US 5729 473)和EP 0 736 339 Al中，产品，诸如水果和蔬菜的分拣，是通过用多色光束与单色光束的组合，叠加 在单个光斑中进行照射而实施的，该多色光束由分立的许多预先选定的波长构成，该单色 光束例如是某一种红外波长。这些申请的缺点是依赖于分立的激光谱线的可用性和如已经 说明的多束光束叠加的麻烦。从文献US 5 729 473可知，来自多谱线激光的光束被组合在一根光纤中。多谱线激光的输出，包含不同的颜色，红、绿和蓝首先在光纤中被组合，而之后在自由空间中与红 外源组合。因此，在所述的专利中公开的方法，特别不适合宽带分拣应用。所述光波导方法 用于宽带应用的缺点在于光波导截止波长以下的波长的多模特性，和在上限波长以上的高 损耗，就是说，基模中的导引只可能在窄带的工作窗口中。为了分拣的目的，光束的多模导 引造成不规则且更大的光斑尺寸，从而导致降低的分辨率、效率和精度。这对光谱上宽分离 的波长尤其如此，如同在宽带分拣应用中的情形一样。在宽带分拣应用中，多个光源的波 长，通常在可见和近红外范围，例如488nm、830nm和980nm，但不仅限于这些波长，还能包含 350nm到488nm之间的UV波长和IlOOnm直到3 μ m的红外波长。由于分拣物品中的水和油 的吸收特征，1100和1600nm之间的波长范围是特别重要的。而1000和3000nm之间的波 长，对塑料材料的分拣是重要的。当前宽带分拣技术的缺点是许多商业上可购得的激光源，或甚至一般意义上的激 光技术，不提供宽带分拣处理所需的非常特别的波长。当前多谱线激光源的又另一个缺点 是包含的有限总数的波长。因此，在许多情况下，激光源仍然必须通过耦合光学装置耦合成 一束单一的光束，而如前面说明的，这些耦合的光学装置，有随之而来的缺点。作为在分拣装置中使用激光源的选择，可以使用宽带光源，诸如卤素灯泡。例如从 文献US 5 333 739或RU 2 012 430可知，传统的宽带或白光光源被用在分拣机器中。直 到现在，这些系统中使用的这些光源，例如可以是高强度放电灯(HID)，诸如氙或钨丝卤素 灯泡，或发光二极管(LED)和特殊地超辐射LED (SLED)。然而，这些源受亮度的限制和/或 光谱宽度和光谱形状的限制。氙灯例如有低的空间相干性，这导致低的照明效率。除这些光源以外，从文献US 5 333 739可知，在用于流体检查的系统中，石英卤 素光灯泡的光被聚焦进石英玻璃光纤光缆中。把HID灯泡的光，或一般说把灯泡的光耦合 进光纤的效率普遍都非常低。本发明的目的是要克服上述的缺点和问题。为此目的，按照本发明，该分拣装置包括超连续光谱辐射源，用于表征产品流中的 产品。该超连续光谱辐射源产生有宽带光谱的光束，尤其是相干光束，该光束投射在检测区 中的所述产品上，使光被产品散射和/或反射，为此检测装置被提供用于检测所述散射和/ 或反射光，所述检测装置与用于表征产品的处理单元相配合。超连续光谱现象最好被描述为借助与介质的非线性相互作用，种子激光器的光的 光谱展宽。所述种子激光源可以是脉冲或连续波二者。所述超连续光谱可以在各种材料中 被产生，尤其依赖于材料的非线性和色散，以及波长和通过该材料传播的光的强度二者。光 纤光学领域中众所周知，超连续光谱能够在光波导中被产生，更具体说，能够在光纤中被产 生。光纤有约束在纤心区的高模场的优点，该高模场增加局部的强度和非线性相互作用。不久前，超连续光谱产生(SCG)首次在光子晶体光纤(PCF)中建立(J. K. Ranka, R.S.Windeler, 禾口 A. J. Stentz,"Visiblecontinuum generation in air-silica microstructure fibers withanomalous dispersion at 800nm. "Opt.Lett. 25, 25-27(2000))。使用这些光纤的优点，是对定义模场、色散和非线性过程的光纤参数的控 制，这些参数是介质关键的设计参数，用于定义超连续光谱的性质。光子晶体光纤(PCF)中 的非线性，能够通过降低模场直径和把光约束在固体纤心区，增加强度从而与纤心材料的 非线性相互作用而被加强。由于纤心区和空气包层之间高的折射率反差，PCF特别有利于获得约束到纤心区的高度的模。高非线性的光纤(HNLF)还能被用于超连续光谱的产生。 这些HNLF通常呈现小的有效区域和低且平的色散分布(“Pulsed and continuous-wave supercontinuum generation inhighly nonlinear, dispersion—shifted fiber", J. W. Nicholson, ApplPhys. B77, 2003)。虽然与PCF比较，光纤，包括HNLF的经典设计，表明有显著较少的色散分布的设 计自由度。色散分布是极其重要的，尤其对色散为零的波长。通过用有在反常色散区且接 近零色散波长的波长的高强度脉冲激光泵浦PCF，能够产生超宽带的超连续光谱(Genty， ”Routeto supercontinuum",Proceedings CLE02002)。PCF 中色散分布设计的自 由度的另 一个优点，是该分布能够与低成本泵浦激光器的波长匹配(S. G. Leon-Saval, T. A. Birks, W.J.Wadsworth 禾口 P.St, J, Russell, Μ. W. Mason, "Supercontinuum generation in submicronfiber Waveguides", Optics Express, Vol. 12, No. 13, Page 2864)。再另一个优点是，可以设计光谱宽度，使光谱跨距从UV直到中红外(“Generation of High-Power Femtosecond Pulse andOctave—Spanning Ultrabroad Supercontinuum Using All-FiberSystem，，，J. Takayanagi, N. Nishizawa, H. Nagai, M. Yoshida, T. Goto, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 17，NO. 1，2005)，或者使只在特定波长范围获 得强度白勺i曾强("Supercontinuum generation in a fiber grating", P. S. ffestbrook, J. W. Nicholson, K. S. Feder, Y. Li，T. Brown,APPLY PHYSICSLETTERS VOL. 85，NO. 20，2004)。 近来，已经在非石英玻璃，诸如硫属元素化物中展示了超连续光谱，开辟了超出2000nm的 波长，这里石英本底衰减是猛烈增加的(L. B. Shaw等，Adv. Solid StatePhotonics Tech. Digest, paper TuC5，Austria Feb. 6-9，2005)，现在，超连续光谱源在商业上可以购得， 光谱范围通常从UV到近红外，以高的光谱密度和长的空间相干性长度为特征。首先可在 市场上购得的基于PCF中超连续光谱产生的白光光源之一，例如是在2004年出自丹麦的 Koheras A/S 公司。光子晶体光纤的设计自由度，还开辟了在石英整个传输窗口上完全单模导引的可 能性。这种光纤，环形单模光纤是从专利申请W000/37974获悉的。光子晶体光纤(PCF) 领域中熟知(Birks, T.A.，Knight, J. C.，和 Russell, P. St. J. "‘Endlessly single-mode photoniccrystal fiber，，，Opt. Lett.，1997，22，p. 961)，使用特殊类型的波导，能够在非常 宽的光谱范围上获得单模导引。常规的单模光波导具有受下波长截止和某一上波长的限制 的工作窗口，在该上波长之上，损耗支配导引。在截止波长以下，除基模外，导引还将处在更 高阶模中，从而是多模的，导致更大的和更不规则的光斑。这个问题当波长在光谱上相互分 开得很宽，例如365nm和980nm的波长的情况下特别严重，这两个波长分别是用于黄曲霉素 和水吸收的分拣波长。这种ESM波导的设计，通常是用精心设计的空气孔的晶格作包层，包围固体的纤 心。包层引起与纤心的折射率反差，从而把光约束在纤心中。短波长主要仅被约束在纤心 区，场或渐消场的尾部，几乎不穿透而进入包层。这种情况可与没有空气包层的经典单模光 纤相比。增加波长也会增加在包层中的光场或渐消场的尾部。场穿透进包层越多，与纤心 的折射率反差就越高，因此，包层的有效折射率强烈地依赖于波长，而且可以在数学上和实 验上证明，因此光依然是单模的。超连续光谱光源已经在各种应用中被使用。下面，概括地说明当前的一些发展。
例如，在现有技术“chromatic confocal microscopy usingsupercontinuum light”，K. Shi, P. Li, S. Yin, Z. Liu, Optics Express, Vol. 12，No. 10，2004 和"Confocal laser scanning fluorescencemicroscopy with a visible continuum source，，， G. McConnell，OpticsExpress，Vol. 12,No. 13,2004中，可获知显微术中超连续光谱的使用。 该论文描述被聚焦的超连续光谱的光谱分量，聚焦是使用聚焦系统的色像差，直接把超连 续光谱源的输出，聚焦在不同深度上实施的，该聚焦系统能实现结构的三维映射。最好是，按照本发明的分拣装置在环形单模光纤的基模中有偏振的宽带高强度光 源，就是说，非线性光纤和环形单模光纤是一整体的组合。很可能，在单模问题的情况下，这可能是NLF和ESMF的组合。目前的耦合进ESMF的多个激光组合也是可能的。使用ESMF的另一个优点是，在整个光谱上受衍射限制的光束宽度。还要着重指出的是，在超连续光谱光源产生的光束中的可得到的波长的连续光 谱，使分拣产品和/或应用以现有技术的分拣设备是不可能的技术(如分拣塑料或根据产 品的油/水含量来分拣产品)成为可能。在本发明中，是在分拣装置中使用超连续光谱光源。在按照本发明的分拣装置的一个优良实施例中，使用一种全光学的基于超连续光 谱光源的波导。该光波导最好是光子晶体光纤。在本发明的一个特别有意义的实施例中，该光子晶体光纤是环形单模光纤。所述超连续光谱源的光，最好是借助环形单模光纤(ESMF)被引导进分拣装置。按照本发明，借助ESMF引导至少两个激光源的光进入分拣装置是可能的。从环形单模光纤出射的光束被聚焦成到待分拣产品上的小的单个光斑。在分拣装置中使用超连续光谱源的优点，是在极其宽的光谱范围中所有波长的可 用性。超连续光谱源的宽光谱，提供高的自由度来选择任一特定波长或特定波长的任何组 合。这样就有可能选择波长，不然难以用其他光源获得，其他光源诸如激光源，举例说半导 体或大体积激光源。在分拣系统中选择特定波长的组合的可能性有优点，就是能够在不同 的分拣原理领域内，诸如颜色或荧光分拣，增加分拣的选择参数的数量。分拣选择参数数量 的增加，不仅得到更有效的和精确的分拣系统，而且增加待分拣物品的种类。在分拣装置中 使用超连续光谱，例如能够开创基于产品的油和水含量的产品分拣，这对分拣诸如果核和 橄榄等产品特别有意义。分拣装置中使用超连续光谱源与使用激光器和/或多谱线激光器比较的另一个 优点是选择入射于产品上或检测器上的总功率的灵活性，这些检测器接收待分拣产品反射 的光。通过提供带宽或带通滤波器，能够调整该总功率，这些滤波器或者被置于紧接光源之 后，或者被置于检测器之前。带宽与带通的所选择的波长范围内的发射的功率成正比，而带 通是不适合加于激光源的。这样，低功率超连续光谱源可以与高带宽带通滤波器组合，以便 获得投射在产品上的高功率光束。低功率超连续光谱源在可靠性和可用性方面有优点。激 光驱动机械的可用性受激光等级的限制，并在用户安全性方面限定分拣机械设计的要求。 还期望更低的功率，以便由于光学部件上更低的热载荷增加可靠度。分拣装置中使用超连续光谱光源，有提供激光典型特征的优点，这些特征就是高度准直的能力、高强度、可在非常宽的光谱上以高的光谱密度被分离，由此可以选择分拣波 长。还有另一个优点是，只需要单个光源，这在经济上，即需要较少的备用光源，和在降低系 统设计复杂性的远景上两者都是有利的。另一个优点是对光子晶体光纤中产生的超连续光谱光源偏振态的控制。偏振光对 例如湿的产品或高反射的产品的分拣，有决定的重要性。而且产生的超连续光谱还可以是 非偏振的，即在该源的输出上偏振态是椭圆的，并且被诸如Glan-Thompsen或Glan-Taylor 偏振片等宽带偏振光束分束器随后偏振化。更为有利的是，超连续光谱能够按偏振保持光子晶体光纤的偏振态之一被产生。又另一个优点是，超连续光谱是在PCF中被产生的，从而几乎产生的光的100%能 够为分拣目的而被引导进入分拣系统，已经考虑了光学引导系统中可忽略的损耗，或与诸 如光纤例如ESMF的波导系统的耦合损耗。与氙灯比较，氙灯由于有显著的耦合到光纤的损 耗，只有总强度的一部分能够被耦合进例如光纤。与其他宽带光源，像例如HID(高强度密度)灯泡比较，超连续光谱源有非常高的 光谱密度和强度的优点，该光谱密度和强度与例如常规白光光源，诸如HID灯泡情况下相 比，要高出约三个数量级。另一个优点是，光谱能够跨越超过多于两个倍频程(D.A.Akimov 等，‘‘Spectral superbroadening of subnanojoule Cr :forsteritefemtosecond laser pulses in a tapered fiber. ” J. Catal. 74，460-463 (2001))。这对 llOOnm 以上的波长范 围，尤其是2000和3000nm之间使用特别适宜。在ESM光纤中超连续光谱的产生，具有产生的光谱只耦合进基模的优点，因此是 真正单模。在基模中的导引能够把出射光聚焦进单个小的光斑，它改进与光斑尺寸成反比 的扫描的分辨率。光在基模中的导引也将表明对弯曲损耗有非常低的敏感度。而且，光在 基模中的导引表明对外界机械的或声的振动不敏感。这是对激光系统显著的改进，在该激 光系统上，不同的激光束经过耦合光学装置耦合在一起，以叠加成单个光斑。在ESM光纤中 超连续光谱光的产生的另一个优点是，降低为保证不同的激光源光束完全重叠而需要的安 装及维护耦合光学装置两者的劳动力。在分拣装置中ESM光纤的使用的又另一个优点是， 波长间隔超过阶跃折射率光纤传输带宽的激光，现在能够只被耦合进基模并在基模中被引 导，改进光斑的特性。在按照本发明的分拣装置的一个优选实施例中，超连续光谱是在光纤中产生的。 该实施例的优点在于，超连续光谱的宽带光谱是在光纤中产生的，能够被直接耦合出来，进 入光学聚焦系统，或者以低的耦合损耗，耦合进诸如环形单模光纤的光波导系统中。再另一 个优点是，在超连续光谱光纤源输出上的整个光谱自动地叠加和对准，并能被聚焦成单个 光斑。在一个优选实施例中，所述光纤是光子晶体光纤(或有孔光纤，或微结构光纤)。 该实施例具有的优点是，超连续光谱的光谱能够被包层的有孔结构的设计参数调整。该实 施例还有优点是，能够选择泵浦波长，使该波长与商业上可购得的激光源匹配。在一个优选实施例中，所述光子晶体光纤是环形单模光纤。该实施例具有的优点 在于，产生的超连续光谱在整个光谱范围只被耦合进基模。该实施例能够例如通过在较长波长，诸如1060nm上选择最低的零色散点实现，截 止波长将因此而移至更短的波长，诸如300nm。
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在一个实施例中，所述光纤是高非线性光纤(HNLF)。在一个实施例中，超连续光谱是在所述PCF或HNLF的第一部分中产生的，并在同 一 PCF或HNLF的第二部分中，被引导进入分拣系统。该实施例具有的优点在于，不需要与 另一根光纤的接头，而光能够在一根光纤中被引导进入分拣系统。在一个实施例中，在所述光纤中产生的超连续光谱的光，被直接耦合进环形单模 光纤。该实施例具有的优点在于，波长的宽光谱能够在ESMF的基模中被引导，并允许该光 谱的光在真正单模状态中传播。再另一个优点是，如果光源的光谱或光谱的一部分是多模 的，则该光将只在ESM光纤的基模中被引导。基模的Gauss形状具有的优点在于从ESMF输 出端出射的光能够被聚焦成可能最小的和最规则的光斑尺寸。这对分拣装置是有利的，因 为较小的光斑尺寸可增加分拣分辨率，并且因此增加分拣效率，以便检测最小的可能缺陷。 在分拣系统中有波导系统是特别有利的，该波导系统能够在非常宽的光谱范围中引导空间 的单模光，该光谱范围导致选择波长的数量增加。在一个实施例中，使用ESM光纤，通过使光聚焦在分拣的产品上的系统把光引导 进分拣装置，其中该聚焦系统可以是一个独立单元或直接附着于ESM光纤。用ESM光纤把 光引导进聚焦系统具有的优点在于把超连续光谱源整个光谱范围的波长，或者把在光谱上 分开得很宽，如同使用多个激光源情况下的波长，都在基模中被引导，且都是单模。在单模 中导引具有的优点在于光能够被聚焦系统聚焦成可能最小的和最规则在分拣物体上的的 光斑。在另一个实施例中，本发明的目的不仅使用超连续光谱光源，而且还包含被耦合 进ESM光纤的两束或多束激光。该实施例具有的优点在于有宽扩展波长的激光，即超过单 模阶跃折射率光纤传输带宽的激光，能够在ESM光纤的基模中被引导并聚焦成各光束叠加 的单一光斑。在一个实施例中，光纤的零色散波长靠近如在超连续光谱光源中使用的低成本泵 浦激光器的波长。在一个实施例中，使用小尺寸的低成本泵浦激光器。该实施例具有的优点在于，可 以降低超连续光谱光源的总尺寸。在一个实施例中，产生的超连续光谱从UV到自2至3 ii m的中红外范围。这对分 拣装置特别适宜，在分拣装置中，分拣参数具有通常在UV、可见、近红外并且也在红外的波 长范围，特别是在2至3 i! m的波长范围中。在2和3 i! m之间的范围对分拣机械特别适宜， 该范围使分拣机械能分拣在该范围中有典型吸收光谱的材料，例如塑料。在一个实施例中，在其中产生超连续光谱的PCF材料是非石英的，诸如硫属元素 化物，如晒化物 PCF( "Chalcogenide optical fiberstarget mid—IR applications" J. S. Sanghera等，Laser Focus World, April 2005，p83f)。使用非石英材料的优点是在中红 外波长范围有较低的损耗。因此，非石英材料使产生远大于2000nm和远大于3000nm的超 连续光谱成为可能。在一个实施例中，能够选择带通滤波器的宽度来调整入射于分拣产品(入口滤 波)或检测器(检测端滤波)的总功率。入射到分拣产品或检测器上的功率，与滤波器带 通的带宽成正比。在又另一个实施例中，多波长滤波器被置于超连续光谱源的输出上。该实施例具有的优点在于，耦合进分拣装置的自由空间区域的总光功率，能够被显著降低。这对改进的 可用性特别有利，可用性是受使用的光源的激光等级限制的。在一个实施例中，超连续光谱的强度在特定波长范围中被增强。这些波长范围中 强度的增强，将相应地改进信噪比。强度的增强对分拣装置特别适宜，因为相应地改进的信 噪比将允许在分拣装置中使用低成本的光电检测器。本发明其他的特点和优点，从下面对按照本发明的分拣装置的少量特定实施例和 方法的描述，将变得清晰；该描述仅作为例子举出，无论如何不是对要求保护的范围的限 制；此后使用的参考数字是针对附图的。
图1是按照本发明的分拣设备的示意透视图，该分拣设备配备有振动台、运输装 置、光学系统和排除系统。图2是原理图，示出按照本发明的分拣设备的光学系统实施例的部件。图3示出典型的光子晶体光纤的截面图，该光子晶体光纤有小的纤心，用于强的 光约束和单模导引。图4示出石英PCF (例如Fianium SC450)中产生的超连续光谱的典型光谱。图5示出As-Se光子晶体光纤的lm样品情况下的非石英PCF中产生的超连续光谱 的典型光谱。引 自 L. B. Shaw 等人的 “IRsupercontinuum generation in As-Se Photonic Crystal Fiber，，， 见 Advanced Solid State Photonics, Vol. 98, 0SA Proceedings Series(Optical Society of America, Washington, DC. ,2005), pp.864-868。图6示出四个不同光源的光谱，这四个不同光源包含1.超连续光谱源，2.放大 的自发发射(ASE)源，3.白炽灯和4.多个超发光二极管(SLED)[引自Application Note Supercontinuum of thecompany Crystal Fibre A/S]。图7示出有超连续光谱光源的分拣装置的示意图形。图8示出配备有超连续光谱光源(Fianium SV450-4)的分拣装置的检测器信号的 描迹。图9示出散射信号的红外检测器(图7中的数字12)的描迹。图10分别示出阶跃折射率光纤(1)和环形单模光子晶体光纤(2)中的基模传输 曲线。
具体实施例方式在不同的图中，相同的参考数字指相同的或类似的元件。本发明一般涉及分拣装置，用于用产生具有宽带光谱的光束的辐射源和用于移动 产品通过检测区的装置，来表征产品流中的产品。图1代表这种分拣装置，它有传送待分拣产品7的振动台2，产品7被传送至倾斜 的分配表面1，分配表面1产生的产品7的流，按自由落体方式移动通过位于光学系统3前 面的检测区6。检测区6的下游，设有包括一系列气动阀4'的排除系统4，用于把不合要求的产 品或异样的物体8从只包含被接受的产品7的产品流中排除。
当产品7移动通过检测区6时，它们被光学系统的会聚的光束5投射。该光束5 在检测区6的整个宽度上扫描。光学系统3按原理图的方式表示在图2中，并包括产生所述光束5的光源 11、旋转 多面反射镜12和若干光学元件。所述光束5从光源11通过光束分束器13被引向旋转多面反射镜12，使光束5被 该反射镜反射并扫描移动通过检测区6的产品7。光束5由此投射在检测区6中的所述产品7上，使光被产品7散射和/或反射。该 散射和/或反射光被旋转多面反射镜12返回光束分束器13。该光束分束器13例如是偏 振光束分束器，并且把被产品7散射和/或反射的光引向聚焦透镜14，再到包括检测器15、 16、17和18的检测装置。所述光源11包括前面已经描述的超连续光谱的辐射源，并产生例如有高光谱密 度的连续的宽带光，该宽带光包括在300nm和3000nm之间。该光束给出高的空间相干性，使 获得的被会聚光束具有的截面直径，最好是，至少在数量级上小于待分拣产品的平均尺寸， 且有利的是，至少小于为分拣目的而必须检测的产品的缺陷。此外，检测装置包括二向色反射镜19和20，用于把具有选定波长的光引向检测器 15、16、17和18。这些波长是按待分拣产品的功能和将要被检测的产品的缺陷选定的，并且 对于对相关光学分拣技术有把握的人员是熟悉的。检测装置的一些具体的实施例，例如公 开在文献US 6 864 970中。按照分拣装置的一个优选实施例，按照本发明，带宽滤波器被设在光源11和检测 区6之间。这些带宽滤波器被选择，使它们能让一定光谱带中的光通过，该光谱带围绕用于 分拣产品而选定的不同波长。这些光谱带的宽度被选择，使得避免产品表面可能产生的干 涉现象。通过这样做，在检测器15、16、17和18上可获得非常精确的信号。围绕所述选定波长的带宽，最好是约5到30nm的数量级。用10到20nm数量级的 带宽，已经获得良好的结果。为了检测某些缺陷或为了分拣某些产品，分拣是基于产品的荧光性质。在分拣装 置的这些应用中，在所述超连续光谱的辐射源与所述检测区之间的所述光束光路中设置至 少一个光谱带阻滤波器。该光谱带阻滤波器基本上防止由荧光产生的光到达检测装置，该 荧光是通过具有被该滤波器阻挡的光谱带以外波长的光投射到所述产品上产生的。这种带 阻滤波器最好放置在光源和投射光束与被产品反射和/或散射的光分开的位置之间，即光 源和光束分束器13之间。按照本发明的分拣设备，如果所述带宽滤波器和/或带阻滤波器由可调谐光学滤 波器，和/或带宽可变的可调谐滤波器形成，是特别有利的。在这种情形下，分拣装置变得 非常灵活，因为几乎任何产品都能基于任何专门选定的光波长被分拣。当在非线性PCF中产生超连续的光束时，高强度脉冲借助泵浦激光被引导进入该 光纤。最好放置光纤，以便除去该高强度分量。图 7由超连续光谱(SC)的源(1)发射的光被引导进入分拣装置(2)。如果超连续光谱 源(1)的输出是非偏振的，则能够利用宽带偏振光学装置(3)，诸如偏振光束分束器使该光 束偏振化。光被快速旋转的多面反射镜(4)反射并在宽范围(5)上被扩展，或者成为检测区中的扫描线，在检测区，产品(6)将被检测用于分拣。散射和/或反射光(13)是被检测 的产品的指纹并被多面反射镜(4)收集和经过透镜与反射镜系统被引导到检测端(7)。在 检测端，光由二向色反射镜(8)分解成感兴趣的光谱分量。这些光谱分量例如可以是蓝色 (9)、绿色(10)和红色(11)。产品上直接反射的光被偏振光束分束器(14)阻挡。可以根据 产品(12)的散射性能用红外信号来分拣。由有环形单模光纤输出的单个超连续光谱源所 发出的蓝色、红色和红外通道的检测器的信号在图11和12中示出。图8表示配备有超连续光谱光源(Fianium SV450-4)的分拣装置的检测器信号的 描迹。在这情况下示出红色(1)和蓝色(2)信号(分别与图7中的数字11和9对应)。示 出的是放在扫描线(见图10的数字5)位置上不同颜色的几个样品的颜色检测。红色样品 (3)给出高的红色描迹信号(1)，而蓝色描迹(2)是低的。显然，蓝色样品(4)将得到高的 蓝色和低的红色检测器信号。在白色(5)和黑色(6)样品两者的情形下，所对应的红色(1) 和蓝色(2)检测器信号将分别是高和低的。图9示出散射信号(图7中的数字12)的红外检测器的描迹。在该检测器前，具 有直径D的金属阻挡滤波器(1)被用来阻止样品表面的直接反射信号，而只有散射的信号 被透过。在扫描线(图10，数字5)上放置的一片白纸(未示出)，引起高的反射并有高度 散射的所谓背鼓(back-drum)。红外检测器将因此在白纸(2)位置处有低的信号响应而在 其他地方是高的信号。图10分别表明阶跃折射率光纤(1)和环形单模光子晶体光纤(2)中的基模传输曲 线。数据引自 M. D. Nielsen, J. R. Folkenberg,N. A. Mortensen，和 A. Bjarklev □"Bandwidth comparison of photoic crystalfibers and conventional single-mode fibers"0ptics Express 12,430(2004)。阶跃折射率光纤中基模的传输光谱带宽，分别清楚地在长(3)和 短(4)波长侧受高包层损耗和耦合到更高阶模二者的限制。与阶跃折射率光纤相反，环形 单模光子晶体光纤在长波长侧，对包层模呈现没有损耗，并表明只在远低于阶跃折射率光 纤截止波长的截止波长以下，才耦合到更高阶模。在1.4i!m附近的高峰，源于与制造工艺 有关的水的吸收线。
权利要求
一种分拣装置，用于利用产生具有宽带光谱的光束的辐射源及使产品通过检测区的装置来表征产品流中的产品，由此，所述光束投射到检测区中的所述产品上，使光被产品散射和/或反射，以此检测装置被提供用于检测所述被散射的和/或被反射的光，所述检测装置与用于表征产品的处理单元相配合，特征在于，所述辐射源包括超连续光谱辐射源。
2.按照权利要求1的装置，其中至少一个带宽滤波器被提供，该带宽滤波器以大于可 在产品表面产生干涉现象的带宽的带宽，允许光束传送到检测装置。
3.按照权利要求1或2的装置，其中至少一个带宽滤波器被提供，该带宽滤波器以在5 到30nm之间的带宽，最好是在10到20nm数量级的带宽，允许光束传送到检测装置。
4.按照权利要求1到3任一项的装置，其中至少一个光谱带阻滤波器被提供在所述超 连续光谱辐射源和所述检测区之间的所述光束的光路中，由此，该光谱带阻滤波器基本上 防止从荧光产生的光到达检测装置，该荧光是通过以在被该滤波器阻挡的光谱带以外的波 长的光投射到所述产品上产生的。
5.按照权利要求1到4任一项的装置，其中所述检测装置包括用于滤波选定光谱分量 的装置，诸如，举例说，二向色反射镜。
6.按照权利要求1或5的装置，其中所述超连续光谱辐射源包括光子晶体光纤，用于产 生超连续光谱辐射。
7.按照权利要求1到6任一项的装置，其中所述光子晶体光纤是环形单模光纤。
8.按照权利要求1到7任一项的装置，其中所述光束被环形单模光纤从辐射源引导到 聚焦系统，用于把光束指向检测区。
9.按照权利要求1到8任一项的装置，具有扫描元件，诸如旋转多面反射镜，用于使所 述光束在检测区中的产品流上移动。
10.按照权利要求1到9任一项的装置，其中所述连续光谱辐射源的光谱包括具有在 1100和1600nm之间波长的光。
11.按照权利要求1到10任一项的装置，其中所述连续光谱辐射源的光谱包括具有在 1000和3000nm之间波长的光。
12.按照权利要求1到11任一项的装置，其中所述连续光谱辐射源的光谱包括具有在 350和3000nm之间波长的光。
13.一种用于检查产品流的方法，其中至少一束光束被指向所述产品流，由此，产品沿 某一特定方向移动通过检测区，使所述光束至少部分地被该产品散射和/或反射，由此，产 品根据测量的散射和/或反射光而被分拣，特征在于，所述光束是由超连续光谱辐射源产 生的。
14.按照权利要求13的方法，其中所述光束是光纤中产生的超连续光谱。
15.按照权利要求13或14的方法，其中只有散射和/或反射光中的选定的光谱分量被 检测。
16.按照权利要求13到15任一项的方法，其中只有光束中的选定的光谱分量投射到所 述检测区中的产品上。
全文摘要
本发明涉及包括宽带光学光源和分拣装置的系统，具体说，是涉及激光器分拣装置。本发明的目的是提供一种包括分拣装置的系统，该分拣装置有提供用于分拣处理的所有波长的光源。这是通过使用一种全光纤超连续光谱光源解决的。
文档编号G01N21/89GK101827662SQ200880111705
公开日2010年9月8日 申请日期2008年9月3日 优先权日2007年9月3日
发明者P·博格曼斯 申请人:比利时电子分拣技术股份有限公司