[go: up one dir, main page]

SE544814C2 - Imaging material analyzer and procedure for using it - Google Patents

Imaging material analyzer and procedure for using it

Info

Publication number
SE544814C2
SE544814C2 SE2030308A SE2030308A SE544814C2 SE 544814 C2 SE544814 C2 SE 544814C2 SE 2030308 A SE2030308 A SE 2030308A SE 2030308 A SE2030308 A SE 2030308A SE 544814 C2 SE544814 C2 SE 544814C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
radiation
imaging material
material analyzer
accordance
spectral
Prior art date
Application number
SE2030308A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE2030308A1 (en
Inventor
Benny Thörnberg
Original Assignee
Thoernberg Benny
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thoernberg Benny filed Critical Thoernberg Benny
Priority to SE2030308A priority Critical patent/SE544814C2/en
Priority to PCT/SE2021/000008 priority patent/WO2022081057A1/en
Publication of SE2030308A1 publication Critical patent/SE2030308A1/en
Publication of SE544814C2 publication Critical patent/SE544814C2/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60Control of cameras or camera modules
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60Control of cameras or camera modules
    • H04N23/665Control of cameras or camera modules involving internal camera communication with the image sensor, e.g. synchronising or multiplexing SSIS control signals
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/73Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the exposure time
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2823Imaging spectrometer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04Investigating moisture content
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Avbildande materialanalysator (114), avsedd för klassificering och karakterisering av ytors (101) ingående material, innefattande minst en strålningsavgivande anordning (104,402) samt minst en mottagare (115). Strålningsavgivande anordning (104) avger ljuspulser, som modulerats av minst en modulator (106), mot minst en yta (101) samt att det reflekterade ljuset från ytan (101) registreras av minst en kamera (102) i mottagaren (115). Kameran (102) genererar videosignaler (103) vilka överförs till minst en spektrai demodulator (109) som demodulerar de genererade videosignalerna (103) och avger digitala signaler (Ri) till (RN) vilka är proportionerliga till intensiteten av det reflekterade ljuset från ytan (101). De strålningsavgivande enheternas (113) avgivna ljus styrs av sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler (105) som modulerats av modulatorn (106), samt att modulatorn (106) innefattar en synkroniseringsfunktion som synkroniserar starttiden för de avgivna pulser (105) och ljuspulser från de strålningsavgivande enheterna med starttidpunkterna för kamerans (102) exponeringar. Patentansökan innefattar även ett förfarande för användning av materialanalysatorn.Imaging material analyzer (114), intended for classification and characterization of the constituent materials of surfaces (101), comprising at least one radiation emitting device (104,402) and at least one receiver (115). Radiation emitting device (104) emits light pulses, which are modulated by at least one modulator (106), towards at least one surface (101) and that the reflected light from the surface (101) is recorded by at least one camera (102) in the receiver (115). The camera (102) generates video signals (103) which are transmitted to at least one spectral demodulator (109) which demodulates the generated video signals (103) and outputs digital signals (Ri) to (RN) which are proportional to the intensity of the reflected light from the surface ( 101). The emitted light of the radiation emitting units (113) is controlled by sinusoidal pulse width modulated signals (105) modulated by the modulator (106), and that the modulator (106) includes a synchronization function that synchronizes the start time of the emitted pulses (105) and light pulses from the radiation emitting units with the starting times of the camera (102) exposures. The patent application also includes a method for using the material analyzer.

Description

Avbildande materialanalysator samt förfarande för att använda denna Tekniskt område Den föreliggande uppfinningen avser en avbildande materialanalysator, vilken är avsedd att användas för klassificering och karakterisering av ytors material i enlighet med patentkraven, samt ett förfarande för att använda denna i enlighet med patentkraven. Imaging material analyzer and method for using this Technical field The present invention relates to an imaging material analyzer, which is intended to be used for classification and characterization of surface materials in accordance with the patent claims, as well as a method for using this in accordance with the patent claims.

Teknikens ståndpunkt Tekniker för klassificering och karakterisering av material genom avbildande spektral analys av reflekterad elektromagnetisk strålning är sedan tidigare kända. Det är exempelvis känt att när ett material bestrålas med elektromagnetisk strålning inom det våglängdsområde som föreliggande uppfinning avser, kommer materialets molekyler och dess moln av elektroner att oscillera på grund av den kemiska bindningsenergin mellan molekylernas atomer. Detta fenomen kan approximeras med en mekanisk harmonisk svängning som i sin tur sänder ut elektromagnetisk strålning, vilket resulterar i en spridd reflektion av inkommande strålning. Vid fotonenergier som matchar molekylernas motsvarande resonansfrekvens eller dess övertoner antar i stället molekylen en kvantifierad högre energinivå. Detta fenomen resulterar därför i en kraftig absorption av elektromagnetisk strålning i materialet för de våglängder molekylerna uppvisar resonans. På så vis blir den spektrala fördelningen av den reflekterade strålningen ett fingeravtryck av det analyserade materialet [1]. State of the art Techniques for the classification and characterization of materials through imaging spectral analysis of reflected electromagnetic radiation are already known. It is known, for example, that when a material is irradiated with electromagnetic radiation within the wavelength range to which the present invention relates, the material's molecules and its cloud of electrons will oscillate due to the chemical binding energy between the atoms of the molecules. This phenomenon can be approximated by a mechanical harmonic oscillation which in turn emits electromagnetic radiation, resulting in a diffuse reflection of incoming radiation. At photon energies that match the molecules' corresponding resonance frequency or its harmonics, the molecule instead assumes a quantified higher energy level. This phenomenon therefore results in a strong absorption of electromagnetic radiation in the material for the wavelengths where the molecules exhibit resonance. In this way, the spectral distribution of the reflected radiation becomes a fingerprint of the analyzed material [1].

Via en vetenskaplig artikel av H. Jiang et.al [2] är det vidare känt att några få karakteristiska våglängder kan väljas utifrån hyperspektralt data med hjälp av bland annat principalkomponentanalys. Syftet är att kunna klassificera material utifrån reflektionen av ljus med endast ett fåtal olika våglängder. Metoden kan användas för att välja ljussändarnas våglängder i en applikationsspecifik materialanalysator. Applikationen ijust detta fall handlar om att detektera tryckskador på frukt. Via a scientific article by H. Jiang et.al [2], it is further known that a few characteristic wavelengths can be selected based on hyperspectral data using, among other things, principal component analysis. The aim is to be able to classify materials based on the reflection of light with only a few different wavelengths. The method can be used to select the wavelengths of the light emitters in an application-specific material analyzer. The application in this particular case is about detecting pressure damage on fruit.

På liknande sätt beskriver Patrik Jonsson i en doktorsavhandling från Mittuniversitetet [3] hur en kamera, känslig för ljus inom det nära infraröda våglängdsområdet kan användas för att klassificera väglag: is, snö, våt, torr asfalt. Systemet kan ge vägledning för bättre underhåll av vintervägar. Tekniken bygger på att en sekvens av fyra bilder exponeras. För vart och ett av de fyra bilderna används noga utvalda optiska bandpassfilter som möjliggör användning av Al där en efterföljande klassificerare (KNN) identifierar vilka områden inom kamerans avsyningsområde som är belagda med snö, vatten, is eller torr asfalt. Tekniken fungerar väl för avsyning av statiska områden, dvs inga rörelser i bilden, detta på grund av den långa tid det tar att byta filter och exponera fyra bilder. Den mekaniska filterbytaren är en dyr lösning, har en tveksam funktion i kyla samt att den är långsam. Den beskrivna tekniken är en applikationsspecifik materialanalysator men som av beskrivna anledningar endast fungerar för statiska ytor. In a similar way, Patrik Jonsson describes in a doctoral thesis from Mittuniversitetet [3] how a camera, sensitive to light in the near-infrared wavelength range, can be used to classify road conditions: ice, snow, wet, dry asphalt. The system can provide guidance for better maintenance of winter roads. The technique is based on a sequence of four images being exposed. For each of the four images, carefully selected optical bandpass filters are used which enable the use of Al where a subsequent classifier (KNN) identifies which areas within the camera's viewing area are covered with snow, water, ice or dry asphalt. The technique works well for viewing static areas, i.e. no movement in the image, this is due to the long time it takes to change filters and expose four images. The mechanical filter changer is an expensive solution, has a questionable function in cold weather and is slow. The technique described is an application-specific material analyzer, but for the reasons described only works for static surfaces.

Guterman et.al beskriver i ett patent [4] en teknik för avbildning med hjälp av osynkroniserat amplitudmodulerat ljus. Det faktum att det modulerade ljuset inte synkroniserats med kameran innebär att ljusets utstrålning inte går att tidsmässigt koncentrera till de perioder då bildsensorn exponerar bilder. Detta leder i sin tur till lågt signal-brus-förhållande (SNR) vid exempelvis inverkan från ett oönskat starkt solljus. Tekniken är exemplifierad för videoapplikationer även om den teoretiskt skulle gå att tillämpa för spektral materialanalys. Guterman et.al describes in a patent [4] a technique for imaging using unsynchronized amplitude modulated light. The fact that the modulated light is not synchronized with the camera means that the radiation of the light cannot be temporally concentrated to the periods when the image sensor exposes images. This in turn leads to a low signal-to-noise ratio (SNR) in the case of, for example, the influence of unwanted strong sunlight. The technique is exemplified for video applications, although it could theoretically be applied to spectral material analysis.

Sten Löfving beskriver i ett patent [5] en sensor för detektion av väglag. Denna sensor använder sig av modulerat laserljus men är inte avbildande, dvs mäter i en begränsad punkt. När sensorn monteras på ett fordon sker mätningen i flera punkter längs den linje som följer fordonets färdriktning. Beskriven utrustning är en applikationsspecifik materialanalysator men som skulle behöva en skannande rörelse i två dimensioner för att bli avbildande. Sten Löfving describes in a patent [5] a sensor for detecting road conditions. This sensor uses modulated laser light but is not imaging, ie measures in a limited point. When the sensor is mounted on a vehicle, the measurement takes place at several points along the line that follows the vehicle's direction of travel. Described equipment is an application specific material analyzer but would need a scanning motion in two dimensions to become imaging.

T. Hyvärinen et.al från det finska företaget Specim beskriver i en vetenskaplig artikel [6] hur en avbildande spektral kamera med hög spektral upplösning konstruerats. Den grundläggande tekniken är allmänt känd under namnet "push-broom" vilket innebär att optiska komponenter så som gitter eller prisma används för att sprida det ljus som passerat genom en smalspaltig öppning. Längs den ena av den två-dimensionella detektorns dimensioner fås en linjeavbildning medan den andra dimensionen ger en spektral fördelning av ljuset, dispersion. Tekniken medger endast avbildning av en linje och ej avbildning i två dimensioner likt den teknik Patrik Jonsson beskriver. Men om det objekt som skall avbildas har en linjär rörelse i förhållande till kameran kan dock 2 dimensioner avbildas som en sekvens av linjer. Det föreligger också ett problem med ljuskänsligheten som blir mycket låg för denna teknik då det infångade ljuset måste passera genom en smal spaltformad öppning. Kostnaden för en sådan kamera blir i regel hög då de optiska komponenterna som behövs för att åstadkomma ljusets dispersion är dyra. Utrustningen blir även ofta stor och tung på grund av de optiska komponenterna. I kombination med exempelvis en halogenbelysning kan denna kamera användas som en materialanalysator. T. Hyvärinen et.al from the Finnish company Specim describe in a scientific article [6] how an imaging spectral camera with high spectral resolution was constructed. The basic technique is commonly known under the name "push-broom", which means that optical components such as gratings or prisms are used to spread the light that has passed through a narrow slit opening. Along one of the dimensions of the two-dimensional detector, a line image is obtained, while the other dimension provides a spectral distribution of the light, dispersion. The technique only allows imaging of a line and not imaging in two dimensions like the technique Patrik Jonsson describes. However, if the object to be imaged has a linear movement in relation to the camera, 2 dimensions can be imaged as a sequence of lines. There is also a problem with the light sensitivity being very low for this technique as the captured light has to pass through a narrow slit-shaped opening. The cost of such a camera is usually high as the optical components needed to achieve the dispersion of the light are expensive. The equipment also often becomes large and heavy due to the optical components. In combination with, for example, halogen lighting, this camera can be used as a material analyzer.

Johan Casselgren et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [7] en metod för spektral avbildning och klassificering av väglag. Det föreligger problem att utomhus skapa en kontrollerad ljusmiljö med hjälp av aktiv belysning. Dagtid finns ett kraftigt bidrag av bakgrundsljus från solen med mycket stora variationer. Denna artikel beskriver därför en metod för hur bidraget från den aktiva belysningen kan separeras från bakgrunden. Laserljus moduleras binärt, på eller av, synkront med bildtagning på ett sådant sätt att en sekvens av sex bilder exponeras: bakgrundsljus, belysning med laser 1, bakgrundsljus, laser 2, bakgrundsljus samt laser 3. Laser 1, 2 och 3 sänder ut ljus med olika våglängder. Metoden medger därmed spektral kodning av ljuset och att bakgrundsljus kan undertryckas för statiska scener men nackdelen är att minsta rörelse i bilden kommer att generera ett felaktigt resultat på grund av den tid det tar att exponera sex gånger. Johan Casselgren et.al describes in a scientific article [7] a method for spectral imaging and classification of road conditions. There are problems with creating a controlled lighting environment outdoors using active lighting. During the day there is a strong contribution of background light from the sun with very large variations. This article therefore describes a method for how the contribution from the active lighting can be separated from the background. Laser light is modulated binary, on or off, synchronously with image acquisition in such a way that a sequence of six images is exposed: background light, illumination with laser 1, background light, laser 2, background light and laser 3. Lasers 1, 2 and 3 emit light with different wavelengths. The method thus allows spectral coding of the light and that background light can be suppressed for static scenes but the disadvantage is that the slightest movement in the image will generate an incorrect result due to the time it takes to expose six times.

S. Bhattacharyya et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [8] hur en superheterodyne lock-in- förstärkare kan implementeras digitalt. Metoden är mycket effektiv för att separera svaga sinusformade signaler från övrigt oönskat brus. Genom att välja olika frekvenser på referenssignalen kan också signaler med olika frekvenser detekteras. Denna teknik kan därför med fördel användas för spektral avkodning av en sekvens av bilder där aktiv belysning med olika våglängder modulerats med olika frekvenser. S. Bhattacharyya et.al describes in a scientific article [8] how a superheterodyne lock-in amplifier can be implemented digitally. The method is very effective for separating weak sinusoidal signals from other unwanted noise. By selecting different frequencies on the reference signal, signals with different frequencies can also be detected. This technique can therefore be advantageously used for spectral decoding of a sequence of images where active lighting with different wavelengths is modulated with different frequencies.

M. Lakka et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [9] hur en generator för sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler (SPWM) används som metod för att konvertera elektrisk energi från DC till AC-spänning. Vidare beskrivs hur generatorn implementerats digitalt på en krets med programmerbar logik, FPGA. M. Lakka et.al describes in a scientific article [9] how a generator for sinusoidal pulse width modulated signals (SPWM) is used as a method to convert electrical energy from DC to AC voltage. Furthermore, it is described how the generator was implemented digitally on a circuit with programmable logic, FPGA.

Det föreligger problem med existerande tekniker för materialanalys. Spektrala kameror enligt tekniken "push-broom" kan endast avbilda en linje, de är stora, tunga och dyra, har en låg ljuskänslighet samt saknar funktion för att undertrycka det omgivande ljuset. Behovet att undertrycka inverkan av det omgivande passiva ljuset blir extra påtagligt för de tillämpningar då materialanalysen görs i utomhusmiljö under inverkan av starkt och varierande solljus. Utan undertryckning av det passiva omgivande ljuset blir den spektrala fördelningen av det totala ljuset varierande över tid, vilket i sin tur kräver repetitive kalibreringar. För att undvika dessa upprepade kalibreringar bör den totala ljusmiljön domineras av den aktiva belysningen som är avsevärt stabilare över tid. De existerande tekniker som använder modulerat ljus kan förvisso delvis undertrycka omgivande passivt ljus men är i vissa fall dåliga på att hantera realtidsegenskaper, dvs rörelse i avbildningen eller de har inbyggda begränsningar i förmågan att nyttja utstrålad aktiv belysning så att SNR maximeras. Tekniker där flera exponeringar används i kombination med mekanisk filterbytare blir dyra, långsamma och har tveksam mekanisk pålitlighet. Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är att eliminera eller väsentligen reducera minst ett av de tidigare nämnda, eller i den följande beskrivningen nämnda, problemen. Ändamålet löses med en anordning och ett förfarande i enlighet med den föreliggande patentansökan. There are problems with existing materials analysis techniques. Spectral cameras according to the "push-broom" technique can only image a line, they are large, heavy and expensive, have a low light sensitivity and lack the function to suppress the ambient light. The need to suppress the influence of the ambient passive light becomes especially noticeable for those applications where the material analysis is done in an outdoor environment under the influence of strong and varying sunlight. Without suppression of the passive ambient light, the spectral distribution of the total light becomes variable over time, which in turn requires repetitive calibrations. To avoid these repeated calibrations, the total lighting environment should be dominated by the active lighting which is significantly more stable over time. The existing techniques that use modulated light can certainly partially suppress ambient passive light but are in some cases bad at handling real-time characteristics, i.e. motion in the image or they have built-in limitations in the ability to use radiated active lighting so that SNR is maximized. Techniques where multiple exposures are used in combination with a mechanical filter changer become expensive, slow, and have questionable mechanical reliability. The purpose of the present invention is to eliminate or substantially reduce at least one of the previously mentioned, or in the following description, mentioned problems. The object is solved with a device and a method in accordance with the present patent application.

Kortfattad beskrivning av figurer I den följande detaljerade beskrivningen av den föreliggande uppfinningen kommer hänvisningar och referenser till figurer att ske. Respektive figur beskrivs kortfattat i den följande figurförteckningen. Figurerna är schematiska och detaljer kan vara utelämnade. De i figurerna exemplifierade utföringsformerna av den avbildande materialanalysatorn är därför inte begränsande för skyddsomfånget för den föreliggande patentansökan. Figur 1 visar hur övergripande komponenter sammankopplats till en avbildande materialanalysator. BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES In the following detailed description of the present invention, reference and reference to figures will be made. Each figure is briefly described in the following list of figures. Figures are schematic and details may be omitted. The embodiments of the imaging material analyzer exemplified in the figures are therefore not limiting for the scope of protection of the present patent application. Figure 1 shows how overall components are connected to an imaging material analyzer.

Figur 2 visar en sinusformad pulsbreddsmodulerad signal som används för att styra utstrålning av elektromagnetisk strålning. Bilden visar vidare hur pulserna synkroniserats med bildupptagningen. Figure 2 shows a sinusoidal pulse width modulated signal used to control the emission of electromagnetic radiation. The image also shows how the pulses are synchronized with the image acquisition.

Figur 3 beskriver de huvudsakliga komponenter och de beräkningar som utförs i den spektrala demodulatorn. Figur 4 visar en föredragen exemplifierad utföringsform av materialanalysatorn. Figur 5 och 6 visar alternativa utföringsformer av den avbildande materialanalysatorn. Figure 3 describes the main components and the calculations performed in the spectral demodulator. Figure 4 shows a preferred exemplary embodiment of the material analyzer. Figures 5 and 6 show alternative embodiments of the imaging material analyzer.

Figur 7 visar ett förfarande för att välja våglängder Ål, bestycka den strålningsavgivande anordningen med strålningsavgivande enheter samt konfigurera modulator/demodulator. Figur 8 visar exempel på tre olika situationer för hur den avbildande materialanalysatorn används. Figur 9 visar en schematisk exemplifiering av videosignalens temporala signalspektrum. Figure 7 shows a procedure for selecting wavelengths Ål, equipping the radiation-emitting device with radiation-emitting units and configuring the modulator/demodulator. Figure 8 shows examples of three different situations for how the imaging material analyzer is used. Figure 9 shows a schematic exemplification of the temporal signal spectrum of the video signal.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Med hänvisning till figurerna och i enlighet med föreliggande patentansökan visas en anordning benämnd som avbildande materialanalysator 114 samt ett förfarande för användning och applikationsanpassning av den avbildande materialanalysatorn 114. En eller flera ytor 101 antas bestå av minst två olika material och/eller minst ett material med varierande egenskaper. Den avbildande materialanalysatorn medger att materialen som ytorna består av kan klassificeras och karakteriseras med kontaktlös mätteknik och där avbildningen ger information om materialens fördelning över ytorna. Den kontaktlösa mättekniken innebär att ytorna bestrålas med elektromagnetisk strålning samt att den reflekterade strålningens spektrala fördelning utgör underlag för klassificering och karakterisering av materialen. Typiska tillämpningsområden för uppfinningen är exempelvis: sortering av material för återvinning, karakterisering av råvara så som exempelvis fukthalt i biomassa eller klassificering och karakterisering av grödor över stora områden. Utmärkande för den avbildande materialanalysatorn är att den behöver anpassas och tränas för den uppsättning olika material den skall känna igen och/eller karakterisera. Detailed description of the invention With reference to the figures and in accordance with the present patent application, a device named imaging material analyzer 114 is shown as well as a method for use and application adaptation of the imaging material analyzer 114. One or more surfaces 101 are assumed to consist of at least two different materials and/or at least one material with varying properties. The imaging material analyzer allows the materials that the surfaces are made of to be classified and characterized with non-contact measurement technology and where the imaging provides information on the distribution of the materials over the surfaces. The non-contact measurement technique means that the surfaces are irradiated with electromagnetic radiation and that the spectral distribution of the reflected radiation forms the basis for the classification and characterization of the materials. Typical areas of application for the invention are for example: sorting of materials for recycling, characterization of raw materials such as moisture content in biomass or classification and characterization of crops over large areas. Distinctive for the imaging material analyzer is that it needs to be adapted and trained for the set of different materials it must recognize and/or characterize.

Den mest signifikanta sifferpositionen i de numrerade referenserna anger alltid figurernas nummer 1 till 9. Den avbildande materialanalysatorn 114 består av minst två huvudkomponenter: minst en strålningsavgivande anordning 104, samt minst en mottagare Figur 1 visar den tvådimensionella ytan 101 som analyseras genom att en strålningsavgivande anordning 104, bestående av minst två eller flera strålningsavgivande enheter 113.1-113.N I figurerna visas strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, som belyser ytan 101. N antal strålningsavgivande enheterna sänder ut elektromagnetisk strålning med våglängder från minimalt 100 nm till maximalt Sum men där varje enskild strålningsavgivande enhet karakteriseras av maximal intensitet vid våglängderna Ål till ÄN. I denna patentansökan kan i förekommande fall ordet ljus användas synonymt med elektromagnetisk strålning inom givet våglängdsintervall. Andra våglängdsintervall än 100 nm till 3um kan förekomma i alternativa utföringsformer. N och Ål till ÄN är parametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som föreliggande patentansökan beskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma att referera till dessa parametrar. Värdet av parametern N anger antalet strålningsavgivande enheter och är samtidigt styrande för dimensioneringen av modulator 106, spektral demodulator 109 samt AI-enhet 111. I den exemplifierande utföringsformen utgörs de strålningsavgivande enheterna av LED-lasrar och/eller LED-dioder. En LED-laser avger ett nära monokromatiskt, koherent ljus emedan en enklare LED-diod avger ljus med ett bredare våglängdsområde än för LED-lasern. I alternativa utföringsformer kan blixtrande xenonlampor i kombination med optiska bandpassfilter användas. En kamera 102 avbildar en yta 101 genom registrering av den elektromagnetiska strålningen som reflekteras i ytan under repetitiva tidsintervall kallad exponeringstid. Kameran innefattar minst en bilddetektor. Dessa bilddetektorer kan vara av typen en-dimensionella för linjeavbildning eller två- dimensionella för area-avbildning, vars pixlar är känsliga för alla förekommande våglängder Ål till ÄN. Kameran 102 genererar minst en digital videosignal 103 samt minst en trigg-signal 107 vars pulser signalerar början av repetitiva bildexponeringar. Trigg-signaler är ofta förekommande i digitala konstruktioner där de används för att samtidigt "avfyra" händelser i fler än en modul, vanligtvis kallat synkronisering. En modulator 106 genererar N stycken sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler 105 vars pulser bestämmer när de N st. strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N skall avge strålning. The most significant number position in the numbered references always indicates the numbers 1 to 9 of the figures. The imaging material analyzer 114 consists of at least two main components: at least one radiation emitting device 104, and at least one receiver Figure 1 shows the two-dimensional surface 101 which is analyzed by a radiation emitting device 104, consisting of at least two or more radiation-emitting units 113.1-113.N In the figures, the radiation-emitting units 113.1-113.N are shown, which illuminate the surface 101. The N number of radiation-emitting units emit electromagnetic radiation with wavelengths from a minimum of 100 nm to a maximum Sum but where each individual radiation-emitting unit is characterized by maximum intensity at wavelengths Ål to ÄN. In this patent application, where applicable, the word light can be used synonymously with electromagnetic radiation within a given wavelength range. Wavelength ranges other than 100 nm to 3 µm may occur in alternative embodiments. N and Ål to ÄN are parameters whose value is assigned in accordance with the procedure described in the present patent application. Where applicable, the remaining technical description and patent claims may refer to these parameters. The value of the parameter N indicates the number of radiation-emitting units and is at the same time controlling for the dimensioning of modulator 106, spectral demodulator 109 and AI unit 111. In the exemplary embodiment, the radiation-emitting units consist of LED lasers and/or LED diodes. An LED laser emits a near monochromatic, coherent light because a simpler LED emits light with a wider wavelength range than the LED laser. In alternative embodiments, flashing xenon lamps in combination with optical bandpass filters can be used. A camera 102 images a surface 101 by recording the electromagnetic radiation reflected in the surface during repetitive time intervals called exposure time. The camera includes at least one image detector. These image detectors can be of the type one-dimensional for line imaging or two-dimensional for area imaging, whose pixels are sensitive to all existing wavelengths Ål to ÄN. The camera 102 generates at least one digital video signal 103 and at least one trigger signal 107 whose pulses signal the beginning of repetitive image exposures. Trigger signals are often found in digital designs where they are used to simultaneously "fire" events in more than one module, commonly referred to as synchronization. A modulator 106 generates N pieces of sinusoidal pulse width modulated signals 105 whose pulses determine when the N st. the radiation-emitting units 113.1-113.N must emit radiation.

Med hänvisning till figur 2 visas en exemplifierande sinusformad pulsbreddsmodulerad signal. Pulser 22 startas synkront med den triggsignal 107, 21 som kommer från kameran 102. Triggsignalen medger därför att pulserna 22 startar samtidigt med kamerans 102 bildexponering men där pulsernas bredd 24 bestäms av modulatorn 106. När pulserna 22 i den exemplifierade utföringsformen har högre relativ signalnivå än 80 % avger motsvarande strålningsavgivande enheter 113.1-113.N elektromagnetisk strålning, vilket innebär att elektromagnetisk strålning strålar ut från de strålningsavgivande enheter 113.1-113.N endast under de tider då kameran 102 exponerar bilder. Andra gränsvärden än 80 % för hög signalnivå kan förekomma i alternativa utföringsformer. Repetitionsfrekvensen för bildexponeringar i kameran 102 anges av FC 27. Exponeringstiden för kameran 102 bör idealt väljas till den maximala tiden under vilken någon av de strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N avger elektromagnetisk strålning, dvs maximal pulsbredd 24. Pulsernas bredder 24 är modulerade så att dess bredd står i direkt proportion till en tid- och amplitud-diskret sinusformad signal 23, allmänt känd som SPWM. De tid- och amplitud-diskreta värdena 25 utgör därför en digital representation av den sinusformade signalen 23. N antal sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler genereras på så sätt i modulatorn 106 med olika frekvenser fl till fN 26 som får styra de strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, karakteriserad av våglängderna Ål till ÅN. Frekvenserna fl till fN är parametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som föreliggande patentansökan beskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma att referera till dessa parametrar. De digitala signalerna 108 står i proportion till pulsbredderna 24 och representerar på så sätt de tids- och amplitud-diskreta sinusformade signalerna Sl till SN samt motsvarande cosinustermer Cl till CN. Cosinustermerna har en fasförskjutning av 90 grader i relation till den sinusvåg 23 som styr pulsbredderna 24. De digitala signalerna 108 används tillsammans med videosignalen 103 i den spektrala demodulatorn 109 för att genera en serie digitala signaler Rl till RN, proportionerliga till intensiteten av den elektromagnetiska strålning som karakteriseras av våglängderna Ål till ÅN. Signalerna Rl till RN utgör tillsammans signaturer för de material som ytan 101 består av. Referring to Figure 2, an exemplary sinusoidal pulse width modulated signal is shown. Pulses 22 are started synchronously with the trigger signal 107, 21 that comes from the camera 102. The trigger signal therefore allows the pulses 22 to start simultaneously with the image exposure of the camera 102 but where the width of the pulses 24 is determined by the modulator 106. When the pulses 22 in the exemplified embodiment have a higher relative signal level than 80% emits the corresponding radiation emitting units 113.1-113.N electromagnetic radiation, which means that electromagnetic radiation radiates from the radiation emitting units 113.1-113.N only during the times when the camera 102 exposes images. Limit values other than 80% for high signal level may occur in alternative embodiments. The repetition frequency of image exposures in the camera 102 is indicated by FC 27. The exposure time of the camera 102 should ideally be chosen to the maximum time during which any of the radiation emitting units 113.1-113.N emits electromagnetic radiation, i.e. maximum pulse width 24. The widths of the pulses 24 are modulated so that its width is directly proportional to a time and amplitude discrete sinusoidal signal 23, commonly known as SPWM. The time and amplitude discrete values 25 therefore constitute a digital representation of the sinusoidal signal 23. N number of sinusoidal pulse width modulated signals are thus generated in the modulator 106 with different frequencies fl to fN 26 which may control the radiation emitting units 113.1-113.N , characterized by wavelengths Ål to ÅN. The frequencies fl to fN are parameters whose value is assigned in accordance with the procedure described in the present patent application. Where applicable, the remaining technical description and patent claims may refer to these parameters. The digital signals 108 are proportional to the pulse widths 24 and thus represent the time and amplitude discrete sinusoidal signals Sl to SN and the corresponding cosine terms Cl to CN. The cosine terms have a phase shift of 90 degrees in relation to the sine wave 23 which controls the pulse widths 24. The digital signals 108 are used together with the video signal 103 in the spectral demodulator 109 to generate a series of digital signals Rl to RN proportional to the intensity of the electromagnetic radiation which is characterized by the wavelengths Ål to ÅN. The signals R1 to RN together constitute signatures for the materials of which the surface 101 consists.

Den spektrala demodulatorn utgörs av en digital implementation av en superheterodyn lock-in- förstärkare och är schematiskt avbildad i figur 3. Sinus- och cosinus-termerna, 31 och 32 multipliceras med videosignalen V 33 i digitala multiplikatorer 39. De resulterande signalerna, 34 och 35 filtreras därefter i en bank av linjära digitala lågpassfilter 36. Dessa filter opererar temporalt, dvs filtrering endast i tidsdomänen för respektive pixel. Tidsdomänen för en pixel beskriver hur pixelns värde förändras över tid för den sekvens av bilder som den digitala videosignalen utgör. Slutligen görs en aritmetisk beräkning 37 av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet Rl till RN, 38 för respektive våglängd Ål till ÅN. Det faktum att sinus- och cosinustermerna, 31 och 32 har samma frekvens fl 26 som för motsvarande utsända sinusformad pulsbreddsmodulerade elektromagnetisk strålning 22 med våglängd Ål gör att resultatet av den aritmetiska beräkningen 37 motsvarar intensiteten av reflekterad elektromagnetisk strålning med motsvarande våglängd Ål. The spectral demodulator is a digital implementation of a superheterodyne lock-in amplifier and is schematically depicted in Figure 3. The sine and cosine terms, 31 and 32 are multiplied by the video signal V 33 in digital multipliers 39. The resulting signals, 34 and 35 is then filtered in a bank of linear digital low-pass filters 36. These filters operate temporally, ie filtering only in the time domain for the respective pixel. The time domain of a pixel describes how the pixel's value changes over time for the sequence of images that make up the digital video signal. Finally, an arithmetical calculation 37 is made of the intensity of the reflected electromagnetic radiation Rl to RN, 38 for the respective wavelength Ål to ÅN. The fact that the sine and cosine terms, 31 and 32 have the same frequency fl 26 as for the corresponding emitted sinusoidal pulse width modulated electromagnetic radiation 22 with wavelength Ål means that the result of the arithmetic calculation 37 corresponds to the intensity of reflected electromagnetic radiation with the corresponding wavelength Ål.

I den exemplifierande utföringsformen används artificiell intelligens som utgörs av minst ett datorprogram iAl-enheten 111. I sin enklaste form används algoritmen "K Nearest Neighbor" (KNN) för klassificering och karakterisering av ytans 101 ingående material. Exempel på alternativa algoritmer för artificiell intelligens som kan förekomma i alternativa utföringsformer är neurala nätverk eller "Support Vector Machine" (SVM). In the exemplary embodiment, artificial intelligence is used which consists of at least one computer program in the AI unit 111. In its simplest form, the "K Nearest Neighbor" (KNN) algorithm is used for classification and characterization of the surface 101 constituent material. Examples of alternative artificial intelligence algorithms that may appear in alternative embodiments are neural networks or "Support Vector Machine" (SVM).

Figur 8 visar exempel på tre olika situationer där: materialanalysatorn 81 monterats på ett fordon eller autonom farkost 82 för analys av ytor 83 över stora områden, materialanalysatorn 84 monterats stationärt över ett transportband 85 för kontinuerlig analys av objekt 86 som passerar, materialanalysatorn 87 används manuellt av en brukare 88 för analys av valt objekt Den föreliggande uppfinningen, en avbildande materialanalysator 114 behöver anpassas till den valda uppsättning olika material som användaren önskar analysera. En förutsättning för att materialanalysen skall vara möjlig är att reflekterad elektromagnetisk strålning inom det spektrala våglängdsområdet inom vilken mottagaren 115 är känslig också är bärare av information om valda material. Denna information är oftast koncentrerad till några få enstaka våglängder/våglängdsområden inom mottagarens känslighetsområde. Därför beskrivs iföljande stycken ett förfarande för att välja dessa enstaka våglängder/våglängdsområden. Därefter bestyckas den strålningsavgivande anordningen i enlighet med valda våglängder/våglängdsområden samt att modulator och spektral demodulator konfigureras för motsvarande signalbehandling. Därefter vidtar ett förfarande där materialanalysatorn lär sig att klassificera valda material samt lär sig att karakterisera materialens egenskaper. Detta lärande erhålls genom träning av en enhet för artificiell intelligens Figur 7 är en flödesgraf av arbetsmoment som schematiskt sammanställer ett förfarande där den strålningsavgivande anordningen 104 bestyckas med en uppsättning strålningsavgivande enheter 113.1-113.N samt att modulator 106 och spektral demodulator 109 konfigureras. Förfarandet innebär att den avbildande materialanalysatorn 114 anpassas för analys av den begränsade uppsättning olika material som den avbildande materialanalysatorn 114 skall kunna analysera. Initialt behövs en spektrograf, hyperspektral kamera eller liknande instrument för att samla in data 71 för den spektrala fördelningen av den elektromagnetiska strålning som reflekteras i ytor av en begränsad uppsättning olika material och där några av materialen kan ha varierande egenskaper. Därefter utförs principalkomponentanalys 72 (en välkänd statistisk analysmetod) för det insamlade data varvid projicerat data och projektionens koefficienter beräknas. Koefficienterna ger därefter god ledning om vilka våglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; 73 inom det totala analyserade spektrala området som har störst betydelse för att kunna klassificera och/eller karakterisera de olika materialen som ingår i analysen. Data insamlat vid 71 filtreras därefter med simulerade optiska filter 74 enligt de val som gjordes vid 73. Resultatet efter filtreringen blir en spektral beskrivning av materialen med avsevärt lägre spektral upplösning än den som inhämtats med spektrografen 71. Hälften av det filtrerade data används därefter för att träna en klassificerare och/eller för regressionsanalys av dess egenskaper, medan andra hälften av data används för en simulerad klassificering av material och/eller simulerad karakterisering av materialens egenskaper 75. Även andra alternativa fördelningar för uppdelning av filtrerad data än hälften-hälften kan förekomma. Blev klassificeringen eller karakteriseringen undermålig måste arbetsmomenten 73, 74 och 75 upprepas varvid andra våglängder Å; och möjligen fler strålningsavgivande enheter N väljs. Blev däremot resultatet av klassificeringen och/eller karakteriseringen godtagbar blir nästa steg 76, att bestycka den strålningsavgivande anordningen 104 med en uppsättning strålningsavgivande enheter 113.1-113.N som karakteriseras av de Å; tidigare valda vid 73. Frekvenserna 26, f; för N antalet sinusformade signaler 108 skall därefter väljas och modulatorn konfigureras motsvarande. Den spektrala demodulatorn 109 konfigureras för 2N antalet lågpassfilter 36 samt 2N signalvägar för övriga beräkningar 39, 37. Konfigurationen av modulator och spektral demodulator innebär modifiering av källkod för programvara och/eller firmware, varefter den avbildande materialanalysatorn 114 uppdateras med ny maskinkod och/eller nya konfigurationsfiler för programmerbar logik. Figure 8 shows examples of three different situations where: the material analyzer 81 is mounted on a vehicle or autonomous vehicle 82 for analysis of surfaces 83 over large areas, the material analyzer 84 is mounted stationary over a conveyor belt 85 for continuous analysis of passing objects 86, the material analyzer 87 is used manually of a user 88 for analysis of selected object The present invention, an imaging material analyzer 114 needs to be adapted to the selected set of different materials that the user wishes to analyze. A prerequisite for the material analysis to be possible is that reflected electromagnetic radiation within the spectral wavelength range within which the receiver 115 is sensitive is also a carrier of information about selected materials. This information is usually concentrated to a few single wavelengths/wavelength ranges within the receiver's sensitivity range. Therefore, the following paragraphs describe a procedure for selecting these single wavelengths/wavelength ranges. The radiation-emitting device is then equipped in accordance with the selected wavelengths/wavelength ranges and the modulator and spectral demodulator are configured for the corresponding signal processing. Next, a procedure takes place where the material analyzer learns to classify selected materials and learns to characterize the properties of the materials. This learning is obtained by training a unit for artificial intelligence. Figure 7 is a flow graph of working steps that schematically compiles a procedure in which the radiation emitting device 104 is equipped with a set of radiation emitting units 113.1-113.N and that modulator 106 and spectral demodulator 109 are configured. The method means that the imaging material analyzer 114 is adapted for analysis of the limited set of different materials that the imaging material analyzer 114 must be able to analyze. Initially, a spectrograph, hyperspectral camera or similar instrument is needed to collect data 71 for the spectral distribution of the electromagnetic radiation reflected from surfaces of a limited set of different materials and where some of the materials may have varying properties. Next, principal component analysis 72 (a well-known statistical analysis method) is performed on the collected data whereby projected data and the coefficients of the projection are calculated. The coefficients then give good guidance as to which wavelengths/wavelength ranges are characterized by Å; 73 within the total analyzed spectral range which has the greatest importance for being able to classify and/or characterize the various materials included in the analysis. The data collected at 71 is then filtered with simulated optical filters 74 according to the choices made at 73. The result after filtering is a spectral description of the materials with significantly lower spectral resolution than that obtained with the spectrograph 71. Half of the filtered data is then used to train a classifier and/or for regression analysis of its properties, while the other half of the data is used for a simulated classification of materials and/or simulated characterization of the properties of the materials 75. Alternative distributions for splitting filtered data other than half-half may also occur. If the classification or characterization was substandard, work steps 73, 74 and 75 must be repeated, whereby other wavelengths Å; and possibly more radiation emitting units N are selected. If, however, the result of the classification and/or characterization was acceptable, the next step 76 is to equip the radiation-emitting device 104 with a set of radiation-emitting units 113.1-113.N characterized by the Å; previously selected at 73. Frequencies 26, f; for N the number of sinusoidal signals 108 must then be selected and the modulator configured accordingly. The spectral demodulator 109 is configured for 2N the number of low-pass filters 36 and 2N signal paths for other calculations 39, 37. The configuration of the modulator and spectral demodulator involves modification of source code for software and/or firmware, after which the imaging material analyzer 114 is updated with new machine code and/or new programmable logic configuration files.

I figur 9 ges en schematisk illustration av videosignalens 103 temporala amplitudspektrum 91. Med temporalt menas ett amplitudspektrum efter analys i tidsdomänen för ett enskilt bildelement (pixel). De triangelformade areorna 92 utgör dubbel bandbredd B för den videosignal som en enskild strålningsavgivande enhet 113.1-113.N ger upphov till. B är en parameter vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som här beskrivs. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma att referera till parametern B. B kan beräknas enligt formel 93, där N är antal strålningsavgivande enheter 113.1-113.N. FC 27, 97 är repetitionsfrekvensen för bildexponeringar i kameran 102. De N frekvenserna f; som modulerar respektive strålningsavgivande enheter 113.1-113.N kan i den exemplifierande utföringsformen väljas enligt formlerna 95 och 96. Andra val av frekvenser f; kan förekomma i alternativa utföringsformer. Ekvationen 93 anger ett samband mellan bildexponeringarnas repetitionsfrekvens FC 97, antalet strålningsavgivande enheter N 113.1-113.N samt bandbredden B 92. Högre repetitionsfrekvens för bildexponeringar FC 97 eller färre antal strålningsavgivande enheter N 113.1-113.N medger större bandbredd B 92. Det som avgör behovet av bandbredd B är förekomsten av rörelse i bilden, snabbare rörelser kräver större bandbredd B för korrekt återgivning. Bandbredden B är samma bandbredd som iden exemplifierande utföringsformen lämpligen väljs för den spektrala demodulatorns 2N stycken lågpassfilter 36. Alternativa utföringsformer kan ha lågpassfilter 36 med annan bandbredd än B. In Figure 9, a schematic illustration of the temporal amplitude spectrum 91 of the video signal 103 is given. By temporal is meant an amplitude spectrum after analysis in the time domain for a single picture element (pixel). The triangular areas 92 form double bandwidth B for the video signal that a single radiation emitting unit 113.1-113.N gives rise to. B is a parameter whose value is assigned according to the procedure described herein. Where applicable, the remaining technical description and patent claims may refer to the parameter B. B can be calculated according to formula 93, where N is the number of radiation-emitting units 113.1-113.N. FC 27, 97 is the repetition frequency of image exposures in the camera 102. The N frequencies f; which modulates the respective radiation-emitting units 113.1-113.N can in the exemplary embodiment be selected according to formulas 95 and 96. Other selection of frequencies f; may occur in alternative embodiments. Equation 93 indicates a relationship between the repetition frequency of the image exposures FC 97, the number of radiation-emitting units N 113.1-113.N and the bandwidth B 92. Higher repetition frequency of image exposures FC 97 or fewer number of radiation-emitting units N 113.1-113.N allows greater bandwidth B 92. What determines the need for bandwidth B is the presence of movement in the image, faster movements require greater bandwidth B for correct rendering. The bandwidth B is the same bandwidth that in the exemplary embodiment is suitably selected for the spectral demodulator's 2N low-pass filters 36. Alternative embodiments can have low-pass filters 36 with a different bandwidth than B.

Föreliggande patentansökan beskriver i detalj en anordning samt ett förfarande. Anordningen är en avbildande materialanalysator 114 för klassificering och/eller karakterisering av de material som en yta består av. Med klassificering avses beslut om vilka material, utifrån en begränsad uppsättning olika material en yta består av. Förmågan att klassificera material utifrån spektrala data skapas genom en föregående träning av artificiell intelligens. Med karakterisering avses beräkning av en eller flera mätetal som kvantifierar ett materials egenskaper enligt ett matematiskt samband som bestämts med regressionsanalys. Med regressionsanalys avses en statistisk metod för att utifrån träningsdata bestämma ett matematiskt samband mellan spektral information och en ytas egenskaper. Både klassificering och karakterisering är resultatet av beräkningar utförda med en enhet för artificiell intelligens kallad Al-enhet 111. Träning och regressionsanalys är också resultatet av beräkningar utförda med artificiell intelligens men genom exekvering av programvara i separat dator. The present patent application describes in detail a device and a method. The device is an imaging material analyzer 114 for classification and/or characterization of the materials that a surface consists of. Classification refers to decisions about which materials, based on a limited set of different materials, a surface consists of. The ability to classify materials based on spectral data is created through a prior training of artificial intelligence. Characterization refers to the calculation of one or more measurements that quantify a material's properties according to a mathematical relationship determined with regression analysis. Regression analysis refers to a statistical method for determining a mathematical relationship between spectral information and a surface's properties based on training data. Both classification and characterization are the result of calculations performed with an artificial intelligence unit called Al unit 111. Training and regression analysis are also the result of calculations performed with artificial intelligence but by executing software in a separate computer.

Analys av material sker genom att anordningen 114 bestrålar en yta med spektralt modulerad elektromagnetisk strålning och samtidigt kvantifierar reflekterad strålning. Anordningen 114 demodulerar kvantifierad reflektion vilket ger en spektral fördelning av reflekterad strålning för varje bildelement (pixel). Ett förfarande, schematiskt avbildat i figur 7, används för att anpassa anordningen 114 till den begränsade uppsättning olika material den skall kunna klassificera och/eller karakterisera, där uppsättningen av olika material är beroende av applikation. Analysis of material takes place by the device 114 irradiating a surface with spectrally modulated electromagnetic radiation and at the same time quantifying reflected radiation. The device 114 demodulates quantified reflection, which gives a spectral distribution of reflected radiation for each picture element (pixel). A method, schematically depicted in Figure 7, is used to adapt the device 114 to the limited set of different materials it must be able to classify and/or characterize, where the set of different materials is dependent on the application.

Exemplifierande utföringsform I det följande beskrivs en föredragen utföringsform av den föreliggande materialanalysatorn där den används för att klassificera de olika material som en två-dimensionell yta 401 består av. Figur 4 visar en avbildande materialanalysator som består av två huvudkomponenter: (1) en strålningsavgivande anordning 402, bestående av en grupp av strålningsavgivande enheter 413 samt (2) en mottagare 403. Dessa två enheter är elektriskt sammankopplade via en kabel 404, försedd med kontakt och som i huvudsak överför signalerna Tl till TN, se 104 i figur 1. Detta medger att analysatorn kan utrustas med en utbytbar strålningsavgivande enhet 402, bestående av alternativa grupper av strålningsavgivande enheter 413. Strålningsavgivarna karakteriseras av våglängderna Ål till ÄN som valts utifrån vilka material som behöver klassificeras. Mekaniskt är komponenterna 402 ochsammanfogade men löstagbara. Exemplary embodiment In the following, a preferred embodiment of the present material analyzer is described where it is used to classify the various materials of which a two-dimensional surface 401 consists. Figure 4 shows an imaging material analyzer consisting of two main components: (1) a radiation emitting device 402, consisting of a group of radiation emitting units 413 and (2) a receiver 403. These two units are electrically connected via a cable 404, provided with a connector and which essentially transmits the signals Tl to TN, see 104 in Figure 1. This allows the analyzer to be equipped with an exchangeable radiation emitting unit 402, consisting of alternative groups of radiation emitting units 413. The radiation emitters are characterized by the wavelengths Ål to ÄN which are selected based on which materials that need to be classified. Mechanically, the 402 components are joined together but removable.

En pixellerad bilddetektor 406 med en eller två dimensioner avbildar ytan 401. Avbildningen sker genom att ljus fokuseras med en löstagbar och utbytbar lins 405 så att bilden projiceras på bilddetektorn 406. Algoritmer och logik för 407 avbildning, 408 spektral demodulator och modulator, 409 artificiell intelligens, samt 410 kommunikation är i den exemplifierade utföringsformen implementerad på en "field programmable logic array" (FPGA) i kombination med mikroprocesssorer på en och samma integrerade krets. Trådad eller trådlös kommunikation 411 överför registrerade material och egenskaper till en persondator, industriell dator eller liknande plattform för mätdatainsamling Figur 5 visar en alternativ utföringsform där artificiell intelligens 52 flyttats från mottagarenhetenoch i stället implementerats som programvara i datorn för mätdatainsamling Figur 6 visar ytterligare en alternativ utföringsform där den avbildande materialanalysatorn har en egen inbyggd grafisk display 62 och kan därmed operera självständigt utan anslutning till en dator 412. Grafik genereras i 61 för visualisering av analysresultat för en användare Fördelar med uppfinningen Med den föreliggande uppfinningen uppnås ett flertal fördelar. Den viktigaste är att minst ett av de angivna problemen i bakgrunden eller beskrivningen med kända tekniker har eliminerats eller reducerats. A one- or two-dimensional pixelated image detector 406 images the surface 401. Imaging occurs by focusing light with a removable and replaceable lens 405 so that the image is projected onto the image detector 406. Algorithms and logic for 407 imaging, 408 spectral demodulator and modulator, 409 artificial intelligence , and 410 communication is in the exemplified embodiment implemented on a "field programmable logic array" (FPGA) in combination with microprocessors on one and the same integrated circuit. Wired or wireless communication 411 transfers registered materials and properties to a personal computer, industrial computer or similar platform for measurement data collection Figure 5 shows an alternative embodiment where artificial intelligence 52 has been moved from the receiver unit and instead implemented as software in the computer for measurement data collection Figure 6 shows another alternative embodiment where the imaging material analyzer has its own built-in graphic display 62 and can thus operate independently without connection to a computer 412. Graphics are generated in 61 for visualization of analysis results for a user Advantages of the invention With the present invention, several advantages are achieved. The most important is that at least one of the stated problems in the background or description has been eliminated or reduced by known techniques.

Den föreliggande uppfinningen modulerar den aktiva elektromagnetiska strålningen med en sinusformad, pulsbreddsmodulerad vågform (SPWM) där pulserna synkroniserats med bildexponeringen. Detta medför därför att den aktiva elektromagnetiska strålningens energi kan styras till endast de tidsintervall då bildexponeringen sker. Med moderna LED eller LED-laserdioder kan hög ljusintensitet skapas under tiden av mycket korta pulser, vilket i sin tur medger extremt korta exponeringstider och därmed minimerat bidrag från omgivande elektromagnetisk strålning. Pulsbreddernas sinusformade variation medger en varierande ljusenergi som framträder som en sinusformad intensitet i en temporal sekvens av bilder. Den sinusmodulerade intensiteten kan därefter effektivt separeras från den omodulerade omgivande elektromagnetiska strålningen med hjälp av superheterodyne lock-in där den elektromagnetiska strålningens olika våglängder modulerats med olika frekvenser 26. Undertryckning av omgivande elektromagnetisk strålning sker därför i två steg: (1) genom synkroniserade ljuspulser i kombination med korta bildexponeringar, (2) genom demodulation med superheterodyne lock-in. Det första steget skyddar bilddetektorn från mättnad exempelvis i fallet av stark elektromagnetisk strålning från solen. Det är enormt viktigt att inkludera ett sätt att skydda bilddetektorn från mättnad, därför att ingen känd teknik för demodulation klarar annars av att undertrycka den omgivande elektromagnetiska strålningen. The present invention modulates the active electromagnetic radiation with a sinusoidal pulse width modulated (SPWM) waveform where the pulses are synchronized with the image exposure. This therefore means that the energy of the active electromagnetic radiation can be controlled to only the time intervals when the image exposure takes place. With modern LEDs or LED laser diodes, high light intensity can be created during very short pulses, which in turn allows for extremely short exposure times and thus minimized contribution from ambient electromagnetic radiation. The sinusoidal variation of the pulse widths allows for a varying light energy that appears as a sinusoidal intensity in a temporal sequence of images. The sinusoidally modulated intensity can then be effectively separated from the unmodulated ambient electromagnetic radiation by means of superheterodyne lock-in where the different wavelengths of the electromagnetic radiation are modulated with different frequencies 26. Suppression of ambient electromagnetic radiation therefore takes place in two steps: (1) by synchronized light pulses in combination with short image exposures, (2) by demodulation with superheterodyne lock-in. The first step protects the image detector from saturation, for example in the case of strong electromagnetic radiation from the sun. It is extremely important to include a means of protecting the image detector from saturation because no known demodulation technique can otherwise suppress the ambient electromagnetic radiation.

Vid demodulationen beräknas intensiteten av den reflekterade elektromagnetiska strålningen för respektive strålningsavgivande enhet. Denna demodulation sker på basis av samma temporala mängd bilddata för alla spektrala kanaler och inte olika uppsättningar som i fallet av tidsmultiplexad modulation beskriven av Johan Casselgren et.al. Därför har den föreliggande uppfinningen utmärktarealtidsegenskaper och ger goda resultat även där rörelse förekommer i bild samtidigt som den omgivande passiva elektromagnetiska strålningen undertrycks i två steg på ett synnerligen effektivt sätt. Ingen annan känd teknik för avbildande materialanalys har lyckats kombinera dessa viktiga egenskaper. During the demodulation, the intensity of the reflected electromagnetic radiation is calculated for the respective radiation-emitting unit. This demodulation takes place on the basis of the same temporal amount of image data for all spectral channels and not different sets as in the case of time-multiplexed modulation described by Johan Casselgren et.al. Therefore, the present invention has excellent real-time properties and gives good results even where motion occurs in the image while simultaneously suppressing the surrounding passive electromagnetic radiation in two steps in an extremely efficient manner. No other known technique for imaging material analysis has succeeded in combining these important properties.

Den föreliggande uppfinningen modulerar elektromagnetisk strålning med olika våglängder i stället för att använda sig av optiska komponenter för dispersion eller mekaniska lösningar för filterbyte. The present invention modulates electromagnetic radiation with different wavelengths instead of using optical components for dispersion or mechanical solutions for filter replacement.

Materialanalysatorn blir därmed billigare, mindre och lättare än konkurrerande tekniker. The material analyzer is thus cheaper, smaller and lighter than competing technologies.

I den detaljerade beskrivningen av den föreliggande anordningen och förfarandet kan detaljer vara utelämnade som är uppenbara för en fackman inom det område anordningen och förfarandet ingår i. Sådana uppenbara detaljer ingår i den omfattning som krävs för att en fullgod funktion för den föreliggande anordning och förfarandet skall erhållas. Även om vissa föredragna utföringsformer av anordningen och förfarandet beskrivits mera i detalj, kan variationer och modifieringar av anordningen och förfarandet komma att framgå för fackmännen inom det område uppfinningen avser. Samtliga sådana modifieringar och variationer anses falla inom ramen för de efterföljande patentkraven.Referenser [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] B. Stuart, Bio/ogical applications of infrared spectroscopy, Wiley,H. Jiang et.a|, "Wavelength Selection for Detection of Slight Bruises on Pears Based on Hyperspectral |maging", Applied Sciences, v. 6, no. 12, pp. 450, I\/|DP|P. Jonsson, Surface Status Classification, Uti/izing Image Sensor Technology and Computer Models, Doctoral thesis no. 219, Mid Sweden University, Guterman et.a|, "Methods of producing video images that are independent of the background lighting", US Patent no. US 10.630.907. B2, 21th of April Sten Löfving, "Optisk metod att uppskatta egenskaper för ett is- eller vattenbelagt mätobjekt", Svenskt patent, nummer SE 531 949 C2, 15 september T. Hyvärinen et.a|, "Compact high-resolution VIS/NIR hyperspectral sensor", Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, v. 8032, Conference: Next-Generation Spectroscopic Technologies IV, 25-26 April 2011, Orlando, FL, USA. In the detailed description of the present device and method, details may be omitted that are obvious to one skilled in the art in which the device and method are included. Such obvious details are included to the extent necessary for the proper functioning of the present device and method to be be obtained. Although certain preferred embodiments of the device and the method have been described in more detail, variations and modifications of the device and the method may become apparent to those skilled in the art within the scope of the invention. All such modifications and variations are considered to fall within the scope of the subsequent patent claims. References [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] B. Stuart, Bio/ogical applications of infrared spectroscopy, Wiley, H. Jiang et.a|, "Wavelength Selection for Detection of Slight Bruises on Pears Based on Hyperspectral |maging", Applied Sciences, v. 6, no. 12, pp. 450, I\/|DP|P. Jonsson, Surface Status Classification, Uti/izing Image Sensor Technology and Computer Models, Doctoral thesis no. 219, Mid Sweden University, Guterman et.a|, "Methods of producing video images that are independent of the background lighting", US Patent no. US 10,630,907. B2, 21th of April Sten Löfving, "Optical method to estimate properties of an ice- or water-covered measurement object", Swedish patent, number SE 531 949 C2, September 15 T. Hyvärinen et.a|, "Compact high-resolution VIS/NIR hyperspectral sensor", Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, v. 8032, Conference: Next-Generation Spectroscopic Technologies IV, 25-26 April 2011, Orlando, FL, USA.

J. Casselgren et.a|, "Road condition analysis using NIR illumination and compensating for surrounding light", Optics and Lasers in Engineering, v 77, pp. 175-82, Feb.S. Bhattacharyya et.a|, "Implementation of Digital Lock-in Amplifier", Journal of Physics: Conference Series, v 759,l\l|.Lakka et.a|, "Development of an FPGA-Based SPWM Generator for High Switching Frequency DC/AC |nverters", IEEE Transactions on Power Electronics, v.29, no. 1, January 2014J. Casselgren et.a|, "Road condition analysis using NIR illumination and compensating for surrounding light", Optics and Lasers in Engineering, v 77, pp. 175-82, Feb.S. Bhattacharyya et.a|, "Implementation of Digital Lock-in Amplifier", Journal of Physics: Conference Series, v 759,l\l|.Lakka et.a|, "Development of an FPGA-Based SPWM Generator for High Switching Frequency DC/AC |nverters", IEEE Transactions on Power Electronics, v.29, no. 1, January 2014

Claims (3)

1. Avbildande materialanalysator (114), avsedd att användas för klassificering och/eller karakterisering av material i minst en yta (101), vilken innefattar minst en strålningsavgivande anordning (104) samt minst en mottagare (115), vilken strålningsavgivande anordning (104) är anordnad att avge pulser av elektromagnetisk strålning, som modulerats av minst en modulator (106), med maximal intensitet vid våglängderna (A1) till (AN) mot minst en yta (101), samt att mottagaren (115) innefattar minst en kamera (102) vilken är anordnad att registrera den reflekterade elektromagnetiska strålningen från ytan (101), samt att kameran (102) är anordnad att generera videosignaler (103) vilka överförs till minst en spektral demodulator (109) vilken är anordnad att demodulera de genererade videosignalerna (103) och avge digitala signaler (R1) till (RN), samt att den strålningsavgivande anordningen (104) innefattar minst en första strålningsavgivande enhet (113.1) som är anordnad att avge modulerad elektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en första våglängd (A1) samt minst en andra strålningsavgivande enhet (113.2) som är anordnad att avge modulerad elektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en andra våglängd (A2), kännetecknad av att modulatorn (106) är anordnad att avge pulser (105, 22) som modulerats till sinusformade, pulsbreddsmodulerade vågformer som styr de strålningsavgivande enheternas (113.1-113.N) avgivna elektromagnetiska strålning, samt att modulatorn (106) är anordnad att synkronisera starttiden för de avgivna pulserna (105, 22) och pulserna av elektromagnetisk strålning från de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) med starttidpunkterna för kamerans (102) exponeringar, samt att den spektrala demodulatorn (109) utgörs av en digital implementation av en superheterodyn lock-in-förstärkare och att de av den spektrala demodulatorn (109) avgivna digitala signalerna (R1) till (RN), står i proportion till intensiteten av det ljus som reflekterats i ytan (101) och avgivits från de respektive strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) med maximal utstrålad intensitet vid de motsvarande våglängderna (A1) till (AN).1. Imaging material analyzer (114), intended to be used for classification and/or characterization of materials in at least one surface (101), which includes at least one radiation-emitting device (104) and at least one receiver (115), which radiation-emitting device (104) is arranged to emit pulses of electromagnetic radiation, modulated by at least one modulator (106), with maximum intensity at the wavelengths (A1) to (AN) towards at least one surface (101), and that the receiver (115) includes at least one camera ( 102) which is arranged to register the reflected electromagnetic radiation from the surface (101), and that the camera (102) is arranged to generate video signals (103) which are transmitted to at least one spectral demodulator (109) which is arranged to demodulate the generated video signals ( 103) and emit digital signals (R1) to (RN), and that the radiation emitting device (104) comprises at least one first radiation emitting unit (113.1) which is arranged to emit modulated electromagnetic radiation with a maximum intensity at a first wavelength (A1) and at least one second radiation emitting unit (113.2) which is arranged to emit modulated electromagnetic radiation with a maximum intensity at a second wavelength (A2), characterized in that the modulator (106) is arranged to emit pulses (105, 22) which are modulated into sinusoidal . -113.N) with the starting times of the camera (102) exposures, and that the spectral demodulator (109) is a digital implementation of a superheterodyne lock-in amplifier and that the digital signals (R1) emitted by the spectral demodulator (109) ) to (RN), is proportional to the intensity of the light reflected in the surface (101) and emitted from the respective radiation emitting units (113.1-113.N) with maximum radiated intensity at the corresponding wavelengths (A1) to (AN) . 2. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) är anordnade att avge elektromagnetisk strålning med våglängder inom intervallet 100 nm till 3pm. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 eller 2 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- lasrar. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- dioder. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av en kombination av LED-lasrar och LED-dioder. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknad av att den avbildande materialanalysatorn innefattar minst en Al- enhet (111) Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 6 kännetecknad av att Al-enhet (111) innefattande minst ett datorprogram innefattande minst en algoritm, vilken Al-enhet (111) är anordnad att klassificera ytans (101) ingående material och/eller karakterisera en eller flera mätetal avseende egenskaper för dei ytan (101) ingående materialen. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att kameran (102) innefattar minst en endimensionell och/eller minst en tvådimensionell bilddetektor vars pixlar är känsliga för alla de förekommande våglängderna (A1) till (ÄN). Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) är utbytbara och/eller att den strålningsavgivande anordningen (104) är utbytbar. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), utgörs av separata enheter. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), är integrerade i en enhet. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att den avbildande analysatorn innefattar en bank av linjära digitala lågpassfilter (36) som arbetar temporalt, det vill säga filtrering av tidsdomänen för varje pixeldata. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att denna innefattar minst en grafikgenerator. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 kännetecknat av att den strålningsavgivande anordningen (104) bestyckas med ett erforderligt N antal strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), med maximal intensitet vid våglängderna (Ål) till (ÄN), valda för att möjliggöra klassificering av material i ytan (101) och/eller möjliggöra karakterisering av de i ytan (101) ingående materialens egenskaper, varefter modulatorn (106) och spektrala demodulatorn (109) konfigureras efter den valda uppsättningen av strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), att modulatorn (106) avger N antal sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler (105, 22) vars pulser (22) styr de strålningsavgivande enheternas (113.1-113.N) avgivna elektromagnetiska strålning mot ytan (101), att kameran (102) vid varje exponering avger en triggsignal (107, 21) till modulatorn (106) som synkroniserar starttidpunkten för respektive puls (22) med starttidpunkten för kamerans (102) exponering, att kameran (102) registrerar den reflekterade elektromagnetiska strålningen och genererar minst en digital videosignal (103) vilken digital videosignal (103) demoduleras i den spektrala demodulatorn (109) samt att den spektrala demodulatorn (109) avger N antal digitala signaler (R1) till (RN) vilka är proportionerliga till intensiteten vid motsvarande N antal våglängder (A1) till (ÄN) av den reflekterade elektromagnetiska strålningen från ytan (101), samt att de digitala signalerna (R1) till (RN) ligger till grund för en klassificering av ytans ingående material och/eller en karakterisering av materialens egenskaper. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 14 kännetecknat av att de i modulatorn (106) genererade sinusformade pulsbreddsmodulerade signalerna (105, 22) genereras med N antal olika frekvenser f'till fN. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 15 kännetecknat av att de N antal olika frekvenserna f1 till fN beräknas enligt formeln (94) enligt nedan fi= 2iB där variabeln i definieras enligt formel (95) enligt nedan i = 1 ...N samt att bandbredden B för lågpassfiltren (36) definieras enligt formeln (93) enligt nedan B=Fc/4(N+1) där variabeln Fc motsvarar repetitionsfrekvensen för bildexponeringar i kameran (102). Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 14 till 16 kännetecknat av att när de av modulatorn (106) avgivna pulserna (105, 22) har en högre signalnivå än 80 % relativt den maximala signalnivån som modulatorn (106) kan avge, avger motsvarande strålningsavgivande enheter (113.1-113.N) elektromagnetisk strålning, vilket innebär att elektromagnetisk strålning avges från de strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), endast under de tider då kameran (102) exponerar bilder. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med något av patentkraven 14 till 17 kännetecknat av att exponeringstiden för kameran (102) väljs till den tiden som motsvarar maximal pulsbredd (24), under vilken någon av de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) avger elektromagnetisk strålning. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 18 kännetecknat av att valet av antalet N strålningsavgivande enheter(113.1-113.N), samt valet av strålningsavgivande enheters (113.1-113.N) våglängder (A1) till (ÄN), sker med ett delförfarande där spektrala data samlas in (71) för de material som skall klassificeras och/eller karakteriseras med den avbildande materialanalysatorn och där insamlingen sker med minst en spektrograf, alternativt minst en hyperspektral kamera eller liknande, varefter en principalkomponentanalys (72) av de insamlade spektrala data genomförs så att projicerade data och projektionens koefficienter beräknas, vilka koefficienter ger ledning om vilka våglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; (73) inom det totala analyserade spektrala området som har störst betydelse för klassificering och/eller karakterisering av de olika materialen, vilket i sin tur ger ledning om hur den strålningsavgivande anordningen skall bestyckas (76) samt hur modulatorn (106) och den spektrala demodulatorn (109) skall konfigureras. 20. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 19 kännetecknat av att den insamlade spektrala datamängden filtreras med simulerade optiska filter (74) enligt de val som koefficienterna medförde vilket medför att en spektral beskrivning av materialen med avsevärt lägre spektral upplösning än den som inhämtats med spektrografen erhålls varefter hälften av den filtrerade datamängden används för att träna en klassificerare och/eller för regressionsanalys av materialens egenskaper, medan den andra hälften av den filtrerade spektrala datamängden används för en simulerad klassificering och/eller ka ra kte risering (75) av materialen. 21. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkraven 19 till 20 kännetecknat av att om klassificeringen och/eller karakteriseringen (75) ej blev godtagbar måste arbetsmomenten (73, 74, 75) upprepas, blev resultatet av klassificeringen och/eller karakteriseringen godtagbar bestyckas (76) den strålningsavgivande anordningen (104) med en uppsättning N strålningsavgivande enheter (113.1-113.N) som karakteriseras av de tidigare valda (73) våglängderna (A1) till (ÄN) samt att modulatorn (106) och den spektrala demodulatorn (109) konfigureras. 22. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 21 kännetecknat av att konfigurationen av modulator (106) respektive spektral demodulator (109) sker genom modifiering av källkod för programvara och/eller firmware, varefter den avbildande materialanalysatorn (114) uppdateras med ny maskinkod och/eller nya konfigurationsfiler för programme rbar logik. 22. Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 1 characterized in that the radiation emitting units (113.1-113.N) are arranged to emit electromagnetic radiation with wavelengths in the range of 100 nm to 3 pm. Imaging material analyzer (114) in accordance with one of patent claims 1 or 2, characterized in that the radiation-emitting units (113.1-113.N) consist of LED lasers. Imaging material analyzer (114) in accordance with one of claims 1 to 2, characterized in that the radiation-emitting units (113.1-113.N) consist of LEDs. Imaging material analyzer (114) in accordance with one of patent claims 1 to 2, characterized in that the radiation-emitting units (113.1-113.N) consist of a combination of LED lasers and LED diodes. Imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of the previous patent claims characterized in that the imaging material analyzer comprises at least one Al unit (111) Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 6 characterized in that Al unit (111) comprising at least one computer program comprising at least one algorithm, which Al unit (111) is arranged to classify the constituent materials of the surface (101) and/or characterize one or more measurements regarding properties of the constituent materials of the surface (101). Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 1 characterized in that the camera (102) comprises at least one one-dimensional and/or at least one two-dimensional image detector whose pixels are sensitive to all the occurring wavelengths (A1) to (ÄN). Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 1 characterized in that the radiation emitting units (113.1-113.N) are replaceable and/or that the radiation emitting device (104) is replaceable. Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 1, characterized in that the radiation emitting device (104) and the receiver (115) are made up of separate units. Imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 1 characterized in that the radiation emitting device (104) and the receiver (115) are integrated in one unit. Imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of the preceding claims characterized in that the imaging analyzer comprises a bank of linear digital low-pass filters (36) operating temporally, i.e. filtering the time domain of each pixel data. Imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of the previous patent claims, characterized in that it includes at least one graphics generator. Method for using an imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 1 to 13, characterized in that the radiation-emitting device (104) is equipped with a required N number of radiation-emitting units (113.1-113.N), with maximum intensity at the wavelengths ( Ål) to (ÄN), selected to enable the classification of materials in the surface (101) and/or to enable the characterization of the properties of the materials included in the surface (101), after which the modulator (106) and the spectral demodulator (109) are configured according to the selected the set of radiation emitting units (113.1-113.N), that the modulator (106) emits N number of sinusoidal pulse width modulated signals (105, 22) whose pulses (22) control the electromagnetic radiation emitted by the radiation emitting units (113.1-113.N) towards the surface ( 101), that the camera (102) at each exposure emits a trigger signal (107, 21) to the modulator (106) which synchronizes the start time of the respective pulse (22) with the start time of the camera's (102) exposure, that the camera (102) registers the reflected the electromagnetic radiation and generates at least one digital video signal (103), which digital video signal (103) is demodulated in the spectral demodulator (109) and that the spectral demodulator (109) emits N number of digital signals (R1) to (RN) which are proportional to the intensity at the corresponding N number of wavelengths (A1) to (ÄN) of the reflected electromagnetic radiation from the surface (101), and that the digital signals (R1) to (RN) are the basis for a classification of the surface's constituent materials and/or a characterization of the properties of the materials. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 14 characterized in that the sinusoidal pulse width modulated signals (105, 22) generated in the modulator (106) are generated with N number of different frequencies f' to fN. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 15 characterized in that the N number of different frequencies f1 to fN are calculated according to formula (94) according to below fi= 2iB where the variable i is defined according to formula (95) according to below i = 1 . Method for using the imaging material analyzer (114) according to one of claims 14 to 16 characterized in that when the pulses (105, 22) emitted by the modulator (106) have a higher signal level than 80% relative to the maximum signal level that the modulator (106 ) can emit, the corresponding radiation-emitting units (113.1-113.N) emit electromagnetic radiation, which means that electromagnetic radiation is emitted from the radiation-emitting units (113.1-113.N), only during the times when the camera (102) exposes images. Method for using the imaging material analyzer (114) in accordance with one of the patent claims 14 to 17 characterized in that the exposure time of the camera (102) is selected to the time corresponding to the maximum pulse width (24), during which any of the radiation emitting units (113.1-113 .N) emits electromagnetic radiation. Method for using the imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 14 to 18, characterized in that the selection of the number of N radiation-emitting units (113.1-113.N), as well as the selection of the radiation-emitting units' (113.1-113.N) wavelengths ( A1) to (ÄN), takes place with a sub-procedure where spectral data is collected (71) for the materials to be classified and/or characterized with the imaging material analyzer and where the collection takes place with at least one spectrograph, alternatively at least one hyperspectral camera or the like, after which a principal component analysis (72) of the collected spectral data is performed so that projected data and coefficients of the projection are calculated, which coefficients provide guidance on which wavelengths/wavelength ranges characterized by Å; (73) within the total analyzed spectral range which is most important for classification and/or characterization of the various materials, which in turn provides guidance on how the radiation emitting device should be equipped (76) and how the modulator (106) and the spectral demodulator (109) must be configured. 20. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with patent claim 19, characterized in that the collected spectral data set is filtered with simulated optical filters (74) according to the choices that the coefficients entailed, which results in a spectral description of the materials with significantly lower spectral resolution than that acquired with the spectrograph is obtained, after which half of the filtered data set is used to train a classifier and/or for regression analysis of the material properties, while the other half of the filtered spectral data set is used for a simulated classification and/or characterization ( 75) of the materials. 21. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with patent claims 19 to 20 characterized in that if the classification and/or characterization (75) was not acceptable, the work steps (73, 74, 75) had to be repeated, the result of the classification and/ or the characterization is acceptable, the radiation emitting device (104) is equipped (76) with a set of N radiation emitting units (113.1-113.N) which are characterized by the previously selected (73) wavelengths (A1) to (ÄN) and that the modulator (106) and the spectral demodulator (109) is configured. 22. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 14 to 21, characterized in that the configuration of modulator (106) and spectral demodulator (109), respectively, takes place by modifying source code for software and/or firmware, after which the the imaging material analyzer (114) is updated with new machine code and/or new programmable logic configuration files. 2 3. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 22 kännetecknat av att vid demoduleringen av de digitala signalerna (103) med den spektrala demodulatorn (109) multipliceras sinus- och cosinus-termer, (31) och (32), vilkas gemensamma frekvens fi (26) motsvarar våglängden Åi för den utsända sinusformad pulsbreddsmodulerade elektromagnetisk strålning (22), med videosignalen V (33) i digitala multiplikatorer (39) till de resulterande signalerna, (34) och (35) vilka därefter filtreras i en bank av linjära digitala lågpassfilter (36) vars passband har en bredd som valts till B, vilka filter opererar temporalt, dvs filtrerar i tidsdomänen för respektive pixeldata varefter en aritmetisk beräkning (37) av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet (Rl) till (RN), (38) för respektive våglängd ((Å1) till (ÄN) utförs. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 23 kännetecknat av att vid demoduleringen av de digitala signalerna (103) med den spektrala demodulatorn (109) multipliceras sinus- och cosinus-termerna, (31) och (32) med videosignalen V (33) i digitala multiplikatorer (39) till de resulterande signalerna, (34) och (35) vilka därefter filtreras i en bank av linjära digitala lågpassfilter (36) vars passband har en bredd som valts till B, vilka filter opererar temporalt, dvs filtrerar i tidsdomänen för respektive pixeldata varefter en aritmetisk beräkning (37) av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet (Rl) till (RN), (38) för respektive våglängd ((Å1) till (ÄN) utförs. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 i ett fordon alternativt i en autonom farkost. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 i en stationär applikation. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 kännetecknad av att den avbildande materialanalysatorn (114) används manuellt.3. Method for using imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 14 to 22, characterized in that when demodulating the digital signals (103) with the spectral demodulator (109), sine and cosine terms are multiplied, (31 ) and (32), whose common frequency fi (26) corresponds to the wavelength Åi of the emitted sinusoidal pulse width modulated electromagnetic radiation (22), with the video signal V (33) in digital multipliers (39) to the resulting signals, (34) and (35 ) which are then filtered in a bank of linear digital low-pass filters (36) whose passband has a width chosen to B, which filters operate temporally, i.e. filter in the time domain of the respective pixel data after which an arithmetic calculation (37) of the intensity of the reflected electromagnetic radiation ( Rl) to (RN), (38) for the respective wavelength ((Å1) to (ÄN) is performed. Method for using the imaging material analyzer (114) according to at least one of the patent claims 14 to 23 characterized in that in the demodulation of the digital the signals (103) with the spectral demodulator (109) multiply the sine and cosine terms, (31) and (32) with the video signal V (33) in digital multipliers (39) to the resulting signals, (34) and (35) which are then filtered in a bank of linear digital low-pass filters (36) whose passband has a width chosen to B, which filters operate temporally, i.e. filter in the time domain of the respective pixel data after which an arithmetical calculation (37) of the intensity of the reflected electromagnetic radiation (Rl ) to (RN), (38) for the respective wavelength ((Å1) to (ÄN) is performed. Use of imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 1 to 13 in a vehicle or alternatively in an autonomous vehicle. Use of imaging material analyzer (114) according to at least one of claims 1 to 13 in a stationary application. Use of imaging material analyzer (114) in accordance with at least one of claims 1 to 13, characterized in that the imaging material analyzer (114) is used manually.
SE2030308A 2020-10-12 2020-10-12 Imaging material analyzer and procedure for using it SE544814C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE2030308A SE544814C2 (en) 2020-10-12 2020-10-12 Imaging material analyzer and procedure for using it
PCT/SE2021/000008 WO2022081057A1 (en) 2020-10-12 2021-10-11 Material imaging analyzer and method for its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE2030308A SE544814C2 (en) 2020-10-12 2020-10-12 Imaging material analyzer and procedure for using it

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE2030308A1 SE2030308A1 (en) 2022-04-13
SE544814C2 true SE544814C2 (en) 2022-11-29

Family

ID=81208408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE2030308A SE544814C2 (en) 2020-10-12 2020-10-12 Imaging material analyzer and procedure for using it

Country Status (2)

Country Link
SE (1) SE544814C2 (en)
WO (1) WO2022081057A1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994002812A1 (en) * 1992-07-28 1994-02-03 Patchen California, Inc. Structure and method for differentiating one object from another object
EP0710817A1 (en) * 1993-06-29 1996-05-08 Omron Corporation Road-surface examining device and device using it
US20040183019A1 (en) * 2003-03-14 2004-09-23 Andreas Mandelis Method of photocarrier radiometry of semiconductors
US20070058170A1 (en) * 2005-09-12 2007-03-15 Lodder Robert A Method and system for in situ spectroscopic evaluation of an object
US20130278749A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-24 Andreas Mandelis Method and apparatus for performing heterodyne lock-in imaging and quantitative non-contact measurements of electrical properties
WO2014033465A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Iti Scotland - Scottish Enterprise Long wavelength infrared detection and imaging with long wavelength infrared source
WO2018102467A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 Anasys Instruments Corporation Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy
US20190226909A1 (en) * 2016-07-26 2019-07-25 Universität Stuttgart Method and device for spatially resolved measurement of radiation signals
WO2019232399A1 (en) * 2018-06-01 2019-12-05 Photothermal Spectroscopy Corp. Wide area optical photothermal infrared spectroscopy

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5310260A (en) * 1990-04-10 1994-05-10 Luxtron Corporation Non-contact optical techniques for measuring surface conditions

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994002812A1 (en) * 1992-07-28 1994-02-03 Patchen California, Inc. Structure and method for differentiating one object from another object
EP0710817A1 (en) * 1993-06-29 1996-05-08 Omron Corporation Road-surface examining device and device using it
US20040183019A1 (en) * 2003-03-14 2004-09-23 Andreas Mandelis Method of photocarrier radiometry of semiconductors
US20070058170A1 (en) * 2005-09-12 2007-03-15 Lodder Robert A Method and system for in situ spectroscopic evaluation of an object
US20130278749A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-24 Andreas Mandelis Method and apparatus for performing heterodyne lock-in imaging and quantitative non-contact measurements of electrical properties
WO2014033465A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Iti Scotland - Scottish Enterprise Long wavelength infrared detection and imaging with long wavelength infrared source
US20190226909A1 (en) * 2016-07-26 2019-07-25 Universität Stuttgart Method and device for spatially resolved measurement of radiation signals
WO2018102467A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 Anasys Instruments Corporation Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy
WO2019232399A1 (en) * 2018-06-01 2019-12-05 Photothermal Spectroscopy Corp. Wide area optical photothermal infrared spectroscopy

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jonsson P. et al., 'Road Surface Status Classification Using Spectral Analysis of NIR Camera Images' IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, s. 1641-1656 *
Jonsson P. 'Surface classification status, utilizing image sensor technology and computer models': Mittuniversitetet, Institutionen för elektronikkonstruktion, 2015, Doktorsavhandling no. 219, s. 1-90, ISSN 1652-893X *
Liu C. and Gu J. 'Discriminative Illumination: Per-Pixel Classification of Raw Materials Based on Optimal Projections of Spectral BRDF' IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2014, Vol. 36, s. 86-98 *

Also Published As

Publication number Publication date
SE2030308A1 (en) 2022-04-13
WO2022081057A1 (en) 2022-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102356942B1 (en) System and method for defect detection and photoluminescence measurement of a sample
US9680412B2 (en) Method and apparatus for testing photovoltaic modules
US8587657B2 (en) Determining a number of objects in an IR image
US6466961B1 (en) Methods for adapative spectral, spatial and temporal sensing for imaging applications
KR20120066604A (en) Determining a total number of people in an ir image obtained via an ir imaging system
US9869633B2 (en) Spectral imaging of a sample using a plurality of discrete mid-infrared wavelengths
WO2003081188A3 (en) High speed analyzer using near infrared radiation transmitted through thick samples of optically dense material
CN102332085A (en) Image processing apparatus, image processing method, program, and electronic apparatus
SE544814C2 (en) Imaging material analyzer and procedure for using it
US11851795B2 (en) System and method for characterization of patterns marked on a fabric
JP6826972B2 (en) Imaging device
JP5143175B2 (en) Identification method and identification device based on Raman scattering, and Raman scattering spectrum measurement method and measurement device
Mahmoud et al. Detection and classification of floating and submerged polluted targets at turbid water using remote sensing hyperspectral imaging
EP3430472B1 (en) Method of producing video images that are independent of the background lighting
US20230084219A1 (en) Systems and methods for photoreflectance spectroscopy using parallel demodulation
JP2013137225A (en) Object detection device and object detection method
WO2019053739A1 (en) High resolution imaging and object characterization system with ability to transfer the image and data wirelessly over a long distance
Paunescu et al. Compressive sensing imaging through atmospheric turbulence
Schwarte et al. 4. Short wave infrared spectroscopy using snapscan hyperspectral sensor camera
KR102069811B1 (en) An IR hyperspectral imaging apparatus for gas analysis and a method of analyzing gas
Singh et al. Efficient method for real-time range enhancement of electro-optical imaging system
RU2154302C2 (en) Image identifying device
Giaconia et al. Functional Near Infrared Spectroscopy System Validation for Simultaneous EEG-FNIRS Measurements
KR20250026731A (en) Surveillance device
US20210255096A1 (en) Optical assembly for the hyperspectral illumination and evaluation of an object