JP2025519084A - 材料部品を分析および選別するためのシステム - Google Patents

Abstract

システムは材料部品を、特にアルミニウム製のスクラップ部品を、分析および選別する。レーザ装置１４０は材料部品１２０の表面７Ａ上にプラズマ３を生成する。検出ユニット２１は、レーザビーム５に重なる領域３７内にプラズマ検出領域３９を形成する検出コーン３５とで対になった対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄを有する。検出ユニット２１は、レーザビーム５に重なる更なる領域３７に更なるプラズマ検出領域３９を形成する更なる検出コーン３５とで対の更なる対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄを有している。プラズマ検出領域３９と更なるプラズマ検出領域３９とがレーザビーム５のビーム軸線５Ａに沿ってオフセットして配置されるとともに、一緒に検出ユニット２１の視野領域４１を形成するように、対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄは互いに関連して配置および／または整列される。

Description

本発明は、材料部品（マテリアルパーツ）を、特にアルミニウム製のスクラップ部品を、分析（アナライズ）および選別（ソーティング）するためのシステムに関する。

本発明が関するシステムは、材料部品（マテリアルパーツ、材料部分）を搬送するための供給手段と、材料部品を２つのフラクション（小部分、画分）のうちの１つに供給するように設定された選別（ソーティング、仕分）ユニットと、ビーム軸線に沿って伝搬するレーザビームで材料部品の表面にプラズマを発生させるように設定されたレーザ装置と、を備えている。システムはさらに、レーザ誘起プラズマから放出済のプラズマ光のスペクトル分析を実行するとともに、実行されたスペクトル分析の結果に応じて出力信号を生成するように設定された分光計（スペクトロメータ）システムと、出力信号を受信するとともに、出力信号および選別基準（ソーティングクライテリオン）に基づき前記選別ユニットを動作させるように設定された制御装置と、を備えている。ここで分光計システムは、分光計と、分光計に光学的に接続済の検出ユニット（検出部）と、を備えている。検出ユニットは、レーザビームとの重複領域（オーバーラップリージョン）にプラズマ検出領域を形成する検出コーン（ディテクション円錐）が関連付けられている対物レンズを備えている。

上述の、すなわち一般的なタイプのシステムは、特許文献１から知られている。前述のシステムは、ＬＩＢＳ（レーザ誘起ブレークダウン分光法、レーザインドュースドブレークダウンスペクトロスコピー）としても知られるレーザ誘起プラズマ分光法に基づき、材料部品を、特にアルミニウム製のスクラップ部品を、選別（ソーティング）することを可能にされている。レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳは、プラズマを用いて材料部品の、すなわちサンプル（試料）の、元素固有の組成を測定するべく使用される。プラズマは、高強度で集光されたレーザ放射によって、材料部品の表面に生成される。プラズマによって模倣（イミテート）された光は、材料部品の元素組成に関する結論を導き出すために検出されることで、分光分析（スペクトル的に分析）される。

従来公知のシステムによれば、選別される材料部品は供給手段に供給される。供給手段は、例えば、振動で移動するとともに材料部品が移動する供給面を提供する板（プレート）とすることが可能にされている。特許文献１に従って分析・選別される材料部品は、供給手段によってシュートに供給される。重力の力に従って、材料片（材料部品）はシュートを滑り落ちることで、シュートの下端を通ってシュートから離れる。ここから、分析・選別される材料部品は、重力の力に従いつつ、周囲の大気中を自由落下で移動する。この場合、供給手段とシュートとは、材料部品の分離が行なわれることで、材料部品が、空間的に定義された落下通路を自由落下で移動することを保証する役割を果たす。

自由落下中、シュートから出る材料ごとにレーザ誘起プラズマ分光が行なわれる。この目的のために、ビーム軸線に沿って伝搬するレーザビームで、材料部品の表面にプラズマを発生させるように設置済のレーザ装置が提供される。さらにレーザ誘起プラズマから放出されるプラズマ光のスペクトル分析を行なうとともに、スペクトル分析の結果に応じた出力信号を生成する分光計システムが設けられている。

この出力信号は、選別基準とで組み合わされることで選別ユニットによって、シュートから出る材料部品を２つのフラクションのうちの１つに供給するべく使用される。選別装置（ソーティングデバイス）は、例えば、制御装置によって適宜制御されるエアノズルとすることが可能にされている。このようにして空気圧の影響下で、シュートから出る材料部品の流れから、特定の材料部品を選別することが可能にされている。その結果、選別された材料部品と、選別されていない材料部品と、が生じる。

一般的に、従来から知られているシステムは、特定の組成の材料部品を認識するとともに、それらを異なる組成の材料部品から分離するべく使用される。このような分離は、望ましくない組成の材料部品が認識されるとともに選別ユニットによって排出されるか、または材料部品の組成が確実に決定できなかったので選別ユニットによって排出されるか、のいずれかで行なわれる。従って、排出される材料部品の割合は、一方では組成が明確に特定されているとともに望ましくない材料部品と、他方では組成が明確に識別されていない材料部品と、で構成されている。

上述したシステムは、日常的な実用化において証明されているが、まだ改善の余地がある。特に、落下経路（ドロップコリドー）が定義されているにもかかわらず、材料部品の構成が明確に識別できないので、材料部品が不合格になることが判明している。また明確に識別されていれば不合格にならなかったはずの材料部品が、不合格になることもある。このような誤った排出は、特に、落下コリドーを守っているにもかかわらず、材料部品がその幾何学的形状のために、検出ユニットのレンズのプラズマ検出領域を越えて落下するという事実に起因する。これは特に、球形のまたは部分的に球形の材料部品の場合である。

不正確な選別は、選別効率の有害な低下につながる。これは、落下通路を狭くすることで改善できるかもしれない。しかし、これは技術的に複雑であるだけでなく、選別速度も遅くなる。さらに特に球状または半球状の材料部品は、供給手段とシュートとの両方によって安全な位置に誘導されるが、自由落下時には、材料組成の確実な検出をもはや可能にしない向きになる虞がある。よって、分析すべき材料部品がプラズマ検出領域を越えて落下しないことを保証することはできない。

別の一般的なシステムは、特許文献２から知られている。この文献にも、穴あきミラーを使用した実施形態が記載されている。具体的には、集光レンズ（フォーカスレンズ）とレーザとの間に配置済のミラーが提供されている。このミラーは、レーザによって生成済のレーザビームが集光レンズに導かれるための孔を有している。集光レンズには検出コーンが付随している。レーザビームに重なる領域には、プラズマ検出領域が形成される。この既知のシステムは、検出器に相互作用する検出コーンが関連付けられている、さらなる集光レンズを有している。その際、プラズマから発せられた逆光は、第１集光レンズによって平行に導かれることで、ミラーで偏向された後、さらなる集光レンズによってビーム方向にかつ検出器上に集光される。

欧州特許第３３５２９１９号明細書 米国特許第１００８８４２５号明細書

従って、上述した先行技術に基づき、選別（ソーティング）効率の向上が達成されるように、上述したタイプのシステムの設計をさらに発展させることが本発明の課題である。

（１）この課題を解決するべく、本発明では、検出ユニットは、更なる検出コーン（追加検出円錐、アディショナルディテクションコーン）が関連付けられている更なる対物レンズ（追加対物レンズ、アディショナルオブジェクティブ）を有している。更なる検出コーンは、レーザビームとの更なるオーバーラップ領域（追加重複領域、アディショナルオーバーラップリージョン）、更なるプラズマ検出領域（追加プラズマ検出領域、アディショナルプラズラディテクションリージョン）を形成する。プラズマ検出領域と更なるプラズマ検出領域とがレーザビームのビーム軸線に沿ってオフセットして配置されているとともに、ともに検出ユニットの視野領域を形成するように、対物レンズ同士は互いに関連して（互いに対して、インリレーションツーワンアナザー）配置および／または整列されることが提案される。

本発明による設計は、有利には、拡大された検出領域を提供している。その結果、より多くの材料部品は、その組成に関して確実に認識され得る。結果、誤った選別（インコレクトソーティング）が最小限に抑えられるので、選別結果が改善される。結果、選別処理がさらに効果的になる。

検出範囲の拡大は、従来技術とは対照的に、１つのレンズだけでなく、複数のレンズが、すなわち少なくとも２つのレンズが、設けられていることに起因する。しかし、２枚以上のレンズが、例えば３枚、４枚、あるいはそれ以上、のレンズが、好ましい。

各レンズにはプラズマ検出範囲が設定される。したがって、４つのレンズでは、４つのプラズマ検出領域が存在する。本発明に従って、プラズマ検出領域同士がレーザビームのビーム軸線に沿ってオフセットされているとともに、一緒になって検出ユニットの視野を形成するように、レンズ同士は互いに関連して配置および／または整列されることがさらに提供される。視野は、個々のプラズマ検出領域を備えて構成される全体的な結果としての検出領域を表している。したがって視野は、従来技術よりも著しく大きい。

従来の技術によれば、検出領域は、レンズの１つのプラズマ検出領域のみによって形成される。レーザビームのビーム軸線に沿って、このようなプラズマ検出領域は通常、８～１０ｍｍの距離にわたって延びていることができる。ビーム軸線に沿ってオフセットして配置済の個々のプラズマ検出領域を備えている本発明による検出ユニットの視野領域の構成は、ビーム軸線の方向に２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、またはそれ以上、の延長を有している全体的な検出領域をもたらす。このようにして有利なことに、幾何学的設計のために、特に球状または部分的に球状の材料部品のために、検出不可能な材料部品を、確実に検出することが可能になる。

その結果、本発明によるシステムでは、組成が確実に識別できないことで不合格とされる材料部品の割合は、最小限に抑えられる。よって、選別（ソーティング）の改善が可能になる。

（２）本発明のさらなる特徴によれば、プラズマ検出領域にプラズマが存在する場合、プラズマ光の測定成分（メジャメントシェア、測定部分）が関連レンズによって検出されるように、プラズマ検出領域は設定されることが提供される。従って、レーザ誘起プラズマがプラズマ領域に少なくとも部分的に存在する場合、放出済のプラズマ光の測定成分は関連レンズによって検出される。本発明による複数のレンズの場合、これは、検出ユニットが個々のレンズの測定成分の形態でプラズマ光を検出できることを意味する。

（３）本発明のさらなる特徴によれば、検出ユニットは、複数のレンズを共同で支持するレンズホルダを有していることが提供される。このさらなる発展によれば、コンパクトな設計が達成される。検出ユニットは１つのレンズホルダのみを有している。このレンズホルダはすべてのレンズを支持するとともに、レンズ同士は互いに近接して配置されることが可能にされている。これによって、扱いやすくコンパクトな設計が保証される。

（４）本発明のさらなる特徴によれば、プラズマ検出領域同士は、ビーム軸線に沿って、互いに交差するように、または互いに離間するように、配置されることが提供される。代替的にまたは追加的にプラズマ検出領域同士は、各々、視野領域の１／１０～１／４にわたってビーム軸線に沿って延びていることができる。したがって、特に選別作業の後に、以下のことが可能にされている。プラズマ検出領域同士を適宜に配置することによって、結果として検出領域が得られる。

（５）本発明のさらなる特徴によれば、レンズホルダは、ビーム軸線が通過する光学的な貫通開口を提供することが提供される。従って、レンズホルダは、意図された通りに、即ちビーム軸線に沿って、使用される場合、レーザビームが案内される開口を有している。これはまた、コンパクトな設計の形成をさらに促進する。

（６）本発明のさらなる特徴によれば、レンズホルダ（レンズマウント、レンズ保持部）は、取付板（ホルダプレート、マウントプレート）を備えている。取付板は、対物レンズをそれぞれ受け入れるための複数の対物レンズ取付開口（オブジェクティブマウントオープニング、レンズホルダ孔）と、レーザビーム用の光通過開口（オプティカルパッセジオープニング）と、を提供する。レンズ取付開口は、光通過開口の周囲に分布（分散）して配置されることが提供される。

この好ましい実施形態によれば、レンズホルダは取付板を有している。この取付板は、個々のレンズを配置するべく使用される。１つの開口は、各対物レンズに対して提供されている。この開口を通してレンズはガイドされるとともに、レンズは取付板に取り付けられる。取付板には、レーザビームが通過するための開口も設けられている。レンズの取付開口は、レーザビームの通過開口の周囲に分布（分散）して配置することが特に好ましい。この設計手段は、コンパクトな構造の設計もサポートする。

（７）本発明のさらなる特徴によれば、ビーム軸線に対して観察角度で延びている観察軸線に沿って、検出コーンが延びていることが提供されている。観察角度は０°～９０°中、好ましくは３°～６０°中、さらに好ましくは５°～２５°中、である。観察角度を設定する目的は、特にその幾何学的位置に関して、各レンズに対して最適化されたプラズマ検出領域を形成することである。所望の視野窓の設計に応じて、個々のレンズに対して異なる観察角度を選択することが可能にされている。場合によっては、いくつかのプラズマ検出領域が、他のプラズマ検出領域よりも互いに近接するようにすることが可能にされている。しかしながら、個々のレンズの観察角度は、ほぼ同じ大きさであることが好ましい。例えば、レンズの観察角度同士の互いからの最大偏差は３°未満である。

（８）本発明のさらなる特徴によれば、分光計システムは、検出ユニットを分光計に光学的に連結する導光（光ガイド）システムを有していることが提供される。
このように、分光計システムは、分光計と、検出ユニットと、導光システムと、を有している。導光システムは、検出ユニットを分光計に光学的に結合する役割を果たす。このようにして検出ユニットによって捕捉済のプラズマ光は、導光システムによって分光計に伝達されるとともに、分光計でスペクトル分析が行なわれる。

（９）本発明のさらなる特徴によれば、導光システムは複数の光入力（光学入力）を有している。好ましくは、導光システムは、対物レンズの数に対応する数の光入力を備えている。導光システムの各光入力は、対物レンズに割り当てられる。

導光システムはまた、光出力（光学出力）を有している。光出力は、レンズによって捕捉済の測定成分を出力するべく使用される。したがって、各レンズの入力側に記録された測定成分は、単一の光出力を介して分光計（分光器）に共同で出力される。

この設計の利点は、分光計が、レンズによって記録された各材料部品のすべてのプラズマ光測定値を同時に受け取ることである。つまり、すべての測定値を同時に処理できる。これは個々の測定値を個別に分析するのとは対照的に、必要とされるコンピュータの性能を著しく低減（軽減）する。

（１０）本発明のさらなる特徴によれば、導光システムは複数の光ファイバを有している。各光ファイバは光入力を提供している。それら複数の光ファイバが組み合わされることで、共通の光出力を形成することが提供される。従って、光ファイバは各々の入力側でレンズに結合されている。光ファイバの出力側では、光ファイバは共通の光出力に接続されている。この光出力は、上述のように分光器内で光学的に開く。

（１１）本発明のさらなる特徴によれば、レーザ装置、分光計システム、および制御装置、は共通のハウジングに収容されているとともに、レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳモジュールを形成することが提供される。

このようなレーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳモジュールは扱いやすく、特に設置やメンテナンスが容易である。またコンパクトな設計で、ハウジングによって堅牢であるとともに、外部の機械的影響から保護されている。

（１２）本発明のさらなる特徴によれば、材料部品（マテリアル部分、原料部品）を搬送するための供給手段は、材料部品をシュートの上縁部（上段部）まで供給面に沿って搬送するように設定（配置、構成）されていることが提供される。この好ましい実施形態によれば、材料部品は供給手段に供給される。そこからシュートに到達しており、そこで供給手段の供給面に沿ってシュートの上縁部まで搬送される。材料はシュートに到達すると、重力の力に従ってシュートを下降する。供給手段は、例えば、揺動板として設計することができ、これによって、供給手段に供給された材料部品が分離される。シュートの目的は特に、材料（原料）部品を整列させるとともに、定められた落下通路に移送することである。

しかし、代替的な実施形態によれば、供給手段を循環コンベアベルトとして設計することも可能にされている。この場合、分析および選別される材料部品は、コンベアベルト上に載置されるとともに、コンベアベルトによって移動される。

（１３）本発明のさらなる特徴によれば、選別ユニットは、シュートの上縁部とは反対側の（対向する）シュートの下縁部に割り当てられている。選別ユニットは、シュートの下縁部を介してシュートから出る材料部品を、２つのフラクション（小部分、画分）のうちの１つに供給するように設定されていることが提供される。

この好ましい実施形態によれば、材料部品は自由落下でシュートを離れるとともに、自由落下で分析および選別される。この目的のために、特にレーザ装置と分光計システムとは、シュートの下縁の下の垂直方向に配置されている。

あるいは、レーザ装置および／または分光計システムは、シュートおよび／または供給手段の上方に配置することも可能にされている。例えば、供給手段がコンベアベルトとして設計されている場合、検出は好ましくは上方から行なわれ、それによって、選別（ソーティング）は、コンベアベルトに対して側方からの空気砲撃によって行なわれることか、または、材料部品が上方から観察されること、が意図されている。ただし選別は、材料部品が排出側でコンベアベルトから離れることで、自由落下した後にのみ行なわれる。この場合、選別はどの方向からでも可能にされている。

本発明のさらなる特徴および利点は、図を参照して以下の説明に示す。図には以下のものが示されている。

本発明によるシステムの概略図。 本発明によるＬＩＢＳモジュールの動作モードの概略図。 本発明によるＬＩＢＳモジュールの動作モードのさらなる概略図。 本発明によるＬＩＢＳモジュールの概略図。 検出ユニットの第１実施形態の平面図。 検出ユニットの第１実施形態の側面図。 検出ユニットの第２実施形態の平面図。 検出ユニットの第２実施形態の側面図。 図１に係る本発明に示すシステムに係る分光計システムの拡大概略図。

図１は、本発明によるシステム１００の概略図である。
システム１００は、材料部品（マテリアルパーツ、材料部分）１２０をレーザ誘起プラズマ分光分析に供しているとともに、スペクトル分析の結果に応じてそれを選別（ソーティング）するように設定されている。図示の実施形態例では、材料部品１２０を割り当てることができる２つのフラクション（画分）Ｆ１およびＦ２が提供されている。例えば容器の形をした収集ポイント（回収点）１７０は、各々のフラクションＦ１およびＦ２を受け取るべく使用される。

図１による概略図にも示されているように、システム１００は、シュート１３０に続く供給手段１１０を備えている。意図された使用例では、材料部品１２０は供給手段１１０に供給される。供給手段１１０は、供給手段１１０によって設けられた供給面（フィーディングサーフェス）１１１に沿って、すなわちシュート１３０の上縁部（上段部、アッパーセクション）１３１まで、材料部品１２０を搬送する役割を果たす。ここで材料部品１２０は、供給手段１１０からシュート１３０に搬送される。

供給手段１１０は、振動しながら移動するプレートとして設計することが可能にされている。特に、供給手段１１０は、供給手段１１０上に供給された複数の材料部品１２０を分離する役割を果たしており、それによって、これら複数の材料部品１２０を互いにさらに間隔を空けてシュート１３０に供給することが可能にされている。

シュート１３０に移送された材料部品１２０は、シュート１３０の上縁部１３１とは反対側に（対向して）形成されたシュートの下縁部１３２に到達するまで、重力に従ってシュート１３０を滑り落ちる。特に、材料部品１２０を整列させるとともに、定められた落下通路に移送することがシュート１３０の任務である。

シュート１３０を出ると、材料部品１２０は、重力の影響下で自由落下しながらバイパス雰囲気中を移動し続ける。その際、以下に詳細に説明するように、材料部品１２０を分析する本発明による分光計システム１を通過する。分光計システム１は、実行されたスペクトル分析の結果に対応する出力信号を生成する。この出力信号は制御装置１５０に供給されており、制御装置１５０は、一方ではこの出力信号の関数として、他方では選別基準（ソーティングクライテリオン）として、選別（ソーティング）ユニット１６０を作動（動作）させる、すなわち制御する。この選別ユニット１６０によって、材料部品１２０は自由落下中に偏向（バイアス付与）されるか、偏向が行なわれないか、のいずれかである。偏向が行なわれない場合、材料部品１２０は第２フラクションＦ２の収集ポイント１７０に到達する。そうではない場合、すなわち選別ユニット１６０によって選別が行なわれる場合、材料部品１２０は第１フラクションＦ１の収集ポイント１７０に到達する。

本発明によるレーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳモジュール１８０の一部である分光計システム１は、材料部品１２０の組成を分析するべく使用される。レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳモジュール１８０はまた、レーザ装置（レーザデバイス）１４０および制御装置（コントロールデバイス）１５０を備えている。好ましくは、レーザ装置１４０、分光計システム１、および制御装置１５０、は図１には詳細に示されていない共通のハウジングに収容される。

レーザ装置１４０は、特に図２による実施形態例から分かるように、例えばレーザビーム源９、光ファイバ９Ａ、集光光学系１１、などの個々の部品を備えて構成されている。
以下、特に図２および図３を参照して説明するように、分光計システム１は検出ユニット２１を備えている。この検出ユニット２１は、複数のレンズを備えている。これらのレンズの各々には、検出コーン（ディテクション円錐）３５が割り当てられている。各検出コーン３５は、レーザビーム５に重なる領域（オーバーラップ領域、重複リージョン）に、プラズマ検出領域３９を形成する。これらのプラズマ検出領域３９同士は、レーザビーム５のビーム軸線に沿って互いにオフセットして配置されているとともに、一緒に検出ユニット２１の視野領域４１を形成する。したがって、視野領域（視野）４１は、個々のプラズマ検出領域３９を備えて構成されているとともに、全体として検出ユニット２１によってカバーされる検出領域を画定する。

図２は、レーザ誘起プラズマ３（概略的に、塗りつぶされた円として示される）によって放出済のプラズマ光３Ａの、スペクトル分析のための分光計システム１の概略を示す。検出可能なプラズマ光３Ａは例えば、紫外光、可視光、近赤外光、および／または赤外光、の波長範囲に存在する。特に、検出されるプラズマ光は、約１９０ｎｍ～約９２０ｎｍのスペクトル範囲に存在することが可能にされている。レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳでは、プラズマ３は、試料７の表面７Ａ上に、レーザビーム５によって生成される。

分光計システム１は、例えばパルス状のレーザビーム５を生成するためのレーザビーム源９を備えて構成されている。レーザビーム源９は、プラズマ生成に必要なレーザビームパラメータを提供するように設計されている。レーザビーム５は、例えば光ファイバ９Ａを介して集光光学系１１に供給されることで、これによって試料７（図１による材料部品１２０）の表面７Ａに集光される。集光光学系１１は、特に集光機能を有しているレーザヘッド部品として設計することが可能にされているので、例えば、特にスペクトル、パルス持続時間、またはパルスエネルギー、に作用する集光機能を有しているアクティブレーザ部品として設計することが可能にされている。レーザビーム５は、ビーム軸線５Ａに沿って集光光学系１１と試料７との間を伝播する。例示的な集光径（ビームウエストの１／ｅ^２ビーム径）と集光長（二重レイリー長）とは各々、＜５０ｐｍ（５０ｐｍ未満）から＞２５０ｐｍ（２５０ｐｍよりも上）の範囲と、＜５ｍｍ（５ｍｍ未満）から＞１０００ｍｍ（１０００ｍｍよりも上）の範囲と、である。

特に、プラズマ発生が起こり得る領域（点火領域（イグニッションリージョン）とも呼ばれる）は、例えば、ビーム軸線５Ａに沿って、約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲の長さ、例えば、１０ｍｍ、２０ｍｍ、または３０ｍｍ、の長さ、にわたって延びているように、レーザパラメータを設定／選択することが可能にされている。

図２は、試料７の表面７Ａの領域に形成される、ビーム軸線５Ａに沿って長尺の集光ゾーン１１Ａを概略的に示している。プラズマ３は、レーザ放射と材料との相互作用によって、試料７の表面７Ａ上に形成される。レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳでは、プラズマ３の通常の寸法（平均直径）は、例えば０．１ｍｍから５ｍｍの範囲である（試料材料およびレーザパラメータに依存する）。

また分光計システム（分光系、分光器システム）１は、プラズマ光３Ａを分光分析するための分光計（分光器、光学分光器、光分光器、オプティカルスペクトロメータ）１３を備えている。分光計１３は、図２では、例えば回折格子分光計（グレーティングスペクトロメータ）として示されている。一般に、分光計１３は、少なくとも１つの分散素子１３Ａ、例えば回折格子、プリズム、または回折格子プリズム、と、プラズマ光がスペクトル的に拡大された態様で入射する画素ベースの検出器１３Ｂと、を備えて構成されている。分析されるプラズマ光３Ａのスペクトル成分は、検出器１３Ｂのピクセル（画素）に割り当てられる。検出器１３Ｂは、照射されたピクセルの強度値を、通常はプロセッサとメモリと、を備えたコンピュータである評価ユニット１５に出力する。評価ユニット１５は、測定されたスペクトル分布１７を出力している。評価ユニット１５は、例えば、プラズマ光３Ａに寄与する元素を、プラズマ光３Ａにひいては分析対象試料（７）に割り当てるとともに、スペクトル分析の結果として出力するべく、記憶された比較スペクトルとで比較する。

分光計１３において、分析されるプラズマ光の（スペクトルに依存する）ビーム入射口は、入口開口（入射開口、入口絞り、エントランスアパーチャ）１９によって、通常は入口スリット（入射スリット）１９Ａによって、画定される。

分光計システム１はさらに、対物レンズホルダ２３と、対物レンズホルダ２３によって保持される複数の対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと、を有している検出ユニット２１を備えている。一例として、図には３つのレンズが示されており、像面（イメージプレーン）内に２つ、その後方に１つ、である。使用されるレンズの数は、空間的、光学的パラメータ、および分析される試料の材料のパラメータ、に応じて選択することができ、例えば２個～２０個の範囲、例えば４個、５個、８個、９個、または１５個、のレンズがある。

分光計システム１はさらに、特に検出ユニット２１はさらに、対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを分光計１３に光学的に接続する導光システム（光ガイド系）２７を備えている。導光システム２７は、各々が対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの１つに光学的に割り当てられる複数の光入力（オプティカルインプット、光入力部）２９と、入口開口１９に光学的に割り当てられる１つの光出力（オプティカルアウトプット、光出力部）３１（対物レンズ同士に共通している）と、を提供する。

レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各々は、プラズマ光３Ａの測定成分３３を検出するように設定されていることで、収束レンズや凹面鏡などの少なくとも１つの集光光学素子からなる。検出コーン（ディテクション円錐）３５は、レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各々に割り当てられている。ビーム軸線５Ａは検出コーン３５を通っているので、検出コーン３５はレーザビーム５の領域において設定された最小サイズを有している。各検出コーン３５は、対応するレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに割り当てられたレーザビーム５に重なる領域（オーバーラップリージョン）に、プラズマ検出領域３９を構成する。例えば、検出コーン３５は、対物レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの入口開口からレーザ光まで、２００ｍｍ～４００ｍｍの範囲に存在する長さを有している。図２において、例えば、プラズマ３は、レンズ２５Ｂのプラズマ検出領域３９によって生成されている。プラズマ光３Ａの関連する測定成分（メジャメントシェア）３３は、レンズ２５Ｂによって検出されていることで、導光システム２７の関連する光入力２９に結像される。１つまたは複数のレンズによって検出済の測定成分３３は、導光システム（光ガイド系）２７によって共通の光出力３１に導かれる（ガイドされる）とともに、スペクトル分析のために入口開口１９を通って分光計１３に結合される。

図２は、３つのレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを、ビーム軸線５Ａの周りに方位角（アズマスに）分布させて配置した例を示している。レンズ２５Ａと２５Ｂは、ビーム軸線５Ａの互いに反対側に位置しているので、したがってビーム軸線５Ａに互いに反対側から向けられている。レンズ２５Ｃは後方からビーム軸線５Ａに向けられている。さらなるレンズ（図２には示されていない）は、例えば、前方からビーム軸線５Ａに向けられるか、ビームスプリッタを用いてビーム軸線５Ａに沿って集光ゾーン（フォーカス領域）１１Ａに向けられる。これを明確にするべく、図２には、ビーム軸線５Ａに向かって円錐状に延びている破線で検出コーン３５が示されている。よって、集光ゾーン１１Ａ、プラズマ３、およびプラズマ検出領域３９、は明確にするべく、検出コーン３５とで比較してオーバーサイズで示されている。

図３は、レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの配置（アレンジメント）と整列（アライメント、位置合わせ）とを説明するべく、レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳシステムの検出ユニット２１の取付板（ホルダプレート、マウントプレート）２３Ａを示している。レンズを固定的に取り付けるべく、取付板２３Ａは、レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを受け入れるためのレンズ取付開口（レンズマウントオープニング）を有している。レンズ取付開口は各々ビーム軸線５Ａから半径方向に距離を置いて配置されていることで、レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを、ビーム軸線５Ａに対して斜めに配置するように設計されている。レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの観察軸線３５Ａは、斜めのアライメント（整列、位置合わせ）を説明するべく示されている。図示の例では、観察軸線３５Ａは、ビーム軸線５Ａに対して観察角度ａで延びている。

多焦点（マルチフォーカル）コンセプトを実現するべく、レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、プラズマ検出領域３９同士がビーム軸線５Ａに沿って互いにオフセットされるように、取付板２３Ａに固定される（一般に、レンズホルダ（レンズ取付部）２３に配置されることで整列される）。特に、互いに同等の観察角度ａの場合、ビーム軸線５Ａの方向のオフセットは、ビーム軸線５Ａからのレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの半径方向距離を変化させる（任意に挿入量を変化させる）ことによって達成することが可能にされている。一例として、レンズ２５Ａ、２５Ｂの互いに異なる半径方向距離Ｒ１、Ｒ２は、図３に示されている。あるいは（オプションで同程度の半径方向間隔をとることもできる）、レンズの少なくとも一部の観察角度ａを、ビーム軸線５Ａの方向におけるプラズマ検出領域３９の所望のオフセットに適合させることもできる（例えば図６Ｂ参照）。構成の混合形態も可能にされている。

一般に、観察角度ａは、０°（レーザビームに沿ってビームスプリッタを介して）から、９０°（レーザビームに対して直交する観察）までの範囲とすることが可能にされている。本開示の文脈において例として示す観察角度ａは、５°から１５°の範囲、例えば５°から１０°の範囲、である。互いに隣接するレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの観察軸線３５Ａは、互いに異なる方位角（アジマス）方向（ビーム軸線５Ａに対して垂直な面内の方位角）からビーム軸線５Ａに接近する。図３に示す場合、観察角度ａはすべてのレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで同等であり、例えば５°や１°を超えて互いにズレることはない（例えばレンズ取付開口やレンズの許容製造公差によるズレ）。しかし、ビーム軸線５Ａに対する半径方向距離同士は、図３に示した配置では異なる。したがって、ビーム軸線５Ａに沿った試料表面の異なる位置（測定処理の文脈における異なる測定コンステレーションに対応する）に存在する試料について、例えば、実線（図２からの試料７の表面７Ａ）に沿った表面プロファイルの場合には対物レンズ２５Ｂから、点線７Ａ′に沿った表面プロファイルの場合には対物レンズ２５Ａから、破線７Ａ′′に沿った表面プロファイルの場合には対物レンズ２５Ｃから、というように同等のスペクトルを互いに異なる対物レンズのプラズマ検出領域３９同士から記録することが可能にされている。

図３に示されるように、プラズマ検出領域３９同士は、一緒になって検出ユニット２１の視野領域４１を形成する。視野領域４１は、集光ゾーン１１Ａの領域において、ビーム軸線５Ａに沿って延びている。

ビーム軸線５Ａに沿った測定深さは、プラズマ検出領域３９の各々に割り当てられる。図３において、測定深さは、例えば、プラズマ検出領域３９を示す円の直径に対応する。レンズの場合、測定深度は、レンズの焦点距離および開口数などの光学パラメータと、ならびにレンズの配置および向き（例えば、ビーム軸線５Ａに対するレンズの幾何学的位置パラメータ－距離および角度）と、によって与えられる特定の特性である。例えば、プラズマ検出領域３９は各々、約５ｍｍ～約１５ｍｍの測定深さにわたって、特に約５ｍｍ～約１２ｍｍの測定深さにわたって、ビーム軸線５Ａに沿って延びていることができる。いくつかの実施形態では、プラズマ検出領域３９は、視野（視認）領域４１の１／１０～１／４にわたって、ビーム軸線５Ａに沿って延びていることができる。図３では、多焦点コンセプトにおいてビーム軸線５Ａに沿って互いにオフセットして配置済のプラズマ検出領域３９同士は、一例として、測定深度の大きさのオーダー（ここではプラズマ検出領域３９の直径の約２倍）の距離Ｄで、間隔をあけて配置されている。あるいは、プラズマ検出領域３９同士は、互いに隣接するか、部分的に重なり合うか、することが可能にされている（例えば、測定深度の１０％の範囲で）。このようにしてレンズ同士は、ビーム軸線５Ａに沿った視野領域４１の異なるセクションからのプラズマ光を検出することが可能にされている。

さらに図３は、オプションの保護窓４３Ａを示している。この保護窓４３Ａは、取付板２３Ａ内の光学的貫通開口４３の領域に設けることができる。保護窓４３Ａは、取付板２３Ａを通るとともにレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを通過したレーザビームを、試料７に向けることができる。

図４は、光ファイバ９Ａを介してレーザビーム源に接続済の例示的なレーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳ測定ヘッド５１の透視図である。レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳ測定ヘッド５１のレンズホルダ２３は、長手方向支持板２３Ｂを備えている。この長手方向支持板２３Ｂには、光ファイバ９Ａと集光光学系１１（ビーム整形機能付きレーザヘッド）の取付部と、が入力側に設けられている。分光計１３も長手方向支持板２３Ｂに取り付けられている。長手方向取付板２３Ａには、４つのレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ（一般にｎ（＞１）倍の入力光学系（エントランスオプティクス））が設けられている。レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄは、ビーム軸線５Ａに沿って互いにオフセットして配置済のプラズマ検出領域３９同士から、プラズマ光測定成分（測定構成要素、メジャメントシェア）を検出する。レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄはプラズマ光測定成分を、導光システム２７（例えば、ｎ＞１の入力と、機能出力と、を有しているファイバ束－「ｎ－オン－１ファイババンドル」）を介して、分光分析（スペクトラルアナリシス）のために分光計１３に供給するように設定されている。一例として、導光システム２７の２本の光ファイバ４５が図４に示されている。２本の光ファイバ４５は、レンズ２５Ｂおよび２５Ｃを共通の分光計１３に光学的に接続している。導光システム２７は、測定処理のために、分光計１３内で（または任意に分光計１３に結合する前に）測定成分（メジャメントシェア）同士を結合するべく使用することが可能にされている。

複数（図４では４つ）のレンズで、視野をｎ倍で観察することによって、レンズ同士のプラズマ検出領域が並置されることで被写界深度（デプスオブフィールド）を大幅に増大させることができる。これによって、表面が構造化された凹凸が存在する試料でも、効率的に分析できる。さらに試料をさまざまな角度から観察することで、シャドーイング効果を低減することが可能にされている。記録された測定成分は、導光システムの共通出力（全観測の合計）で結合されることで、共通のスペクトル分析に供給される。

「ｎオンワン」（ｎ－オン－１、ｎ対１）ファイババンドルは、複数の対物レンズを１つの分光計に供給することを可能にされている。よって、複数のｎ－オン－１バンドルを、複数の分光計に供給するべく使用することが可能にされている。

図３に示す検出ユニット２１における例示的な実施形態を、図５Ａおよび図５Ｂを参照してさらに説明する。図５Ａは、取付板２３Ａの上面図である。中央の光学的貫通開口４３は、レーザビームを通過させる（レーザビーム軸線５Ａ）。４つのレンズ取付開口（レンズ取付穴、レンズホルダ開口）５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄは、ビーム軸線５Ａに対する半径方向距離を変えながら、光学的貫通開口４３の周囲に方位角（アジマス）方向に配置されている。これら４つのレンズ取付開口５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄは、２つのレンズ取付開口同士が対（ペア）をなして互いに対向するように、方位角方向に均等に配置されている。図５Ｂの透視図では、４つの同一のレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄが、レンズ取付開口５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄに挿入されている。レンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄは、互いに異なる距離でレンズ取付開口５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄに挿入されている。よって、半径方向距離に応じて、関連するプラズマ検出領域３９がビーム軸線方向に隣り合って配置されている。よって、検出ユニット２１の被写界深度の視野領域４１を形成する。

代替的な実施形態が図６Ａおよび図６Ｂに示されている。取付板２３Ａの上面図において、４つのレンズ取付開口５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ、５５Ｄを認識することができる。これらレンズ取付開口５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ、５５Ｄは、例示的な方法で、光学的貫通開口４３から同じ半径方向距離に対称的に配置されているとともに、光学的貫通開口４３の周囲に均等に分布している。図６Ｂの透視図に示されるように、ビーム軸線５Ａの方向におけるプラズマ検出領域３９同士のオフセットは、使用されるレンズ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄの互いに異なる観察角度によって引き起こされる。例えば、半径方向距離３０ｍｍにおいて、観察角度は、３°～１５°の範囲とすることができる。これによって、視野領域４１は、取付板２３Ａから約１００ｍｍの距離に形成される。異なる視野角（および任意選択で視野高さ）によって、検出されるスペクトル分布は、大容積（ラージボリューム）プラズマで変化し得る。しかしながら、特に、レーザ誘起ブレークダウン分光法ＬＩＢＳのために通常生成されるような小容積プラズマの場合、本質的にプラズマ全体がプラズマ検出領域３９内に存在するので、スペクトル分布におけるこれらの差異は無視できる。

図７は、図１に示した本発明によるシステム１００の詳細図を再び示している。ここでは、その構成において異なる材料部品同士が、すなわちプラスチック製の材料部品１２０Ｂと、アルミニウム製の第１材料部品１２０Ａと、が設けられていることが分かる。上述の方法で、本発明による分光計システム１は、第２材料部品１２０Ｂから第１材料部品１２０Ａを選別するべく使用することが可能にされている。この目的のために、プラスチックの第２材料部品１２０Ｂが認識された場合、それは選別ユニット１６０によって排出される。この目的のために、選別ユニット１６０は、プラスチック部品（１２０Ｂ）を材料部品の流れから排出することが可能にされている空気圧ノズルを有している。このような選別の結果、一方ではプラスチック製の第２材料部品１２０Ｂが、他方ではアルミニウム製の第１材料部品１２０Ａが、収集（集積）ポイント１７０に別々に集積される。

１…分光計システム
３…プラズマ
３Ａ…プラズマ光
５…レーザビーム
５Ａ…ビーム軸線
７…試料
７Ａ…表面
７Ａ′…一点鎖線
７Ａ′′…破線
９…レーザ光源
９Ａ…光ファイバ
ＩＩ…集束光学系
１１Ａ…集光ゾーン
１３…光学分光計
１３Ａ…分散素子
１３Ｂ…検出器
１５…評価ユニット
１７…スペクトル分布
１９…入口開口（入口絞り）
１９Ａ…入口間隙
２１…検出ユニット
２３…レンズホルダ（レンズ取付部）
２３Ａ…取付板
２３Ｂ…長手方向支持板
２５Ａ…レンズ
２５Ｂ…レンズ
２５Ｃ…レンズ
２５Ｄ…レンズ
２７…導光システム
２９…光入力
３１…光出力
３３…測定成分
３５…検出コーン
３５Ａ…観察軸線
３７…オーバーラップ領域
３９…プラズマ検出領域
４１…視野領域
４３…光学的貫通開口（光学貫通孔）
４３Ａ…保護窓
４５…光ファイバ
５１…ＬＩＢＳ測定ヘッド
５３Ａ…レンズ取付開口
５３Ｂ…レンズ取付開口
５３Ｃ…レンズ取付開口
５３Ｄ…レンズ取付開口
５５Ａ…レンズ取付開口
５５Ｂ…レンズ取付開口
５５Ｃ…レンズ取付開口
５５Ｄ…レンズ取付開口
５７Ａ…レンズ取付開口
５７Ｂ…レンズ取付開口
５７Ｃ…レンズ取付開口
５７Ｄ…レンズ取付開口
Ｄ…距離
Ｒ１，Ｒ２…半径方向距離
ａ…観察角度
１００…システム
１１０…供給手段
１１１…供給領域（供給面）
１２０…材料部品
１２０Ａ…アルミニウム部品
１２０Ｂ…プラスチック部品
１３０…シュート（スライド）
１３１…上端（上端部）
１３２…下端（底縁部）
１４０…レーザ装置
１５０…制御装置
１６０…選別ユニット（ソーティング部）
１７０…収集ポイント
１８０…ＬＩＢＳモジュール

Claims (13)

1. 材料部品を、特にアルミニウム製のスクラップ部品を、分析および選別するシステムであって、前記システムは、
   前記材料部品（１２０）を搬送するための供給手段（１１０）と、
   前記材料部品（１２０）を２つのフラクション（Ｆ１、Ｆ２）のいずれかに供給するように設定された選別ユニット（１６０）と、
   レーザ装置（１４０）であって、ビーム軸線（５Ａ）に沿って伝搬するレーザビーム（５）によって、前記材料部品（１２０）の表面（７Ａ）にプラズマ（３）を発生させるように設定されている、前記レーザ装置（１４０）と、
   レーザ誘起プラズマ（３）から放出済のプラズマ光（３Ａ）のスペクトル分析を実行するとともに、実行された前記スペクトル分析の結果に応じた出力信号を生成するように配置されている分光計システム（１）と、
   前記出力信号を受信するとともに、前記出力信号と選別基準とに基づき前記選別ユニット（１６０）を作動させるように配置されている制御装置（１５０）と、
   を備えており、
   前記分光計システム（１）は、分光計（１３）と、前記分光計（１３）に光学的に接続済の検出ユニット（２１）と、を備えており、
   前記検出ユニット（２１）は、検出コーン（３５）が割り当てられている対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）を有しており、前記検出コーン（３５）は前記レーザビーム（５）とのオーバーラップ領域（３７）にプラズマ検出領域（３９）を形成しており、
   前記検出ユニット（２１）は、更なる検出コーン（３５）が割り当てられている更なる対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）を有しており、更なる前記検出コーン（３５）は前記レーザビーム（５）との更なるオーバーラップ領域（３７）において更なるプラズマ検出領域（３９）を形成しており、
   前記プラズマ検出領域（３９）と更なる前記プラズマ検出領域（３９）とが前記レーザビーム（５）の前記ビーム軸線（５Ａ）に沿ってオフセットして配置されているとともに、前記プラズマ検出領域（３９）と更なる前記プラズマ検出領域（３９）とが一緒になって前記検出ユニット（２１）の視野領域（４１）を形成するように、前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）同士は互いに関連して配置および／または整列されている、
   システム。
2. 前記プラズマ検出領域（３９）内にプラズマ（３）が存在する場合、プラズマ光（３Ａ）の測定成分（３３）が、関連する前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）によって検出されるように、前記プラズマ検出領域（３９）は設定されている、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記検出ユニット（２１）は、複数の前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）を共同で支持するレンズホルダ（２３）を備えている、
   請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記プラズマ検出領域（３９）同士は、前記ビーム軸線（５Ａ）に沿って、互いに交差するか、または互いに離間するように、配置されている、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
5. レンズホルダ（２３）は、前記ビーム軸線（５Ａ）が通過する光学的貫通開口（４３）を提供している、
   請求項３または４に記載のシステム。
6. レンズホルダ（２３）は、前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）と前記レーザビーム（５）とのための光学的貫通開口（４３）を各々受け入れるための複数のレンズ取付開口を提供するホルダプレート（２３Ａ）を備えており、
   前記レンズ取付開口は、前記光学的貫通開口（４３）の周囲に分布している、
   請求項３～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記検出コーン（３５）は、前記ビーム軸線に対して観察角度ａで延びている観察軸線（３５Ａ）に沿って延びており、
   前記観察角度ａは０°～９０°中、好ましくは３°～６０°中、さらに好ましくは５°～２５°中、である、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記分光計システム（１）は、前記検出ユニット（２１）を前記分光計（１３）に光学的に接続する導光システム（２７）を有している、
   請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記導光システム（２７）は、前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）の数に対応する数の光入力（２９）と、光出力（３１）と、を提供しており、
   前記光入力（２９）は各々、関連する前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）で検出済の測定成分（３３）を受け取るように設計されており、
   前記光出力（３１）は、前記対物レンズ（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）で検出済の測定成分（３３）を出力するように設計されている、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記導光システム（２７）は複数の光ファイバ（４５）を有しており、複数の前記光ファイバ（４５）の各々は前記光入力（２９）を提供しているとともに共通の前記光出力（３１）を形成するように組み合わされる、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記レーザ装置（１６０）、前記分光計システム（１）、および前記制御装置（１５０）、は共通のハウジングに収容されているとともに、ＬＩＢＳモジュールを形成する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記供給手段（１１０）は、前記材料部品（１２０）を供給面（１１１）に沿ってシュート（１３０）の上縁部（１３１）に向けて搬送するように配置されている、
    請求項１～１１のいずれか１項の１つに記載のシステム。
13. 前記選別ユニット（１６０）は、前記シュート（１３０）の上縁部（１３１）とは反対側の前記シュート（１３０）の下縁部（１３２）に割り当てられており、
    前記選別ユニット（１６０）は、前記シュート（１３０）の前記下縁部（１３２）を介して前記シュート（１３０）を出る前記材料部品（１２０）を、２つのフラクション（Ｆ１，Ｆ２）のうちの１つに供給するように設定されている、
    請求項１２に記載のシステム。

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