在生活垃圾精細(xì)化分類與資源化回收的前沿實(shí)踐中，近紅外（NIR）光譜分選技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)混合干垃圾、尤其是復(fù)雜塑料混合物高效自動(dòng)分離的核心手段。該技術(shù)的工程化應(yīng)用效能，在硬件層面高度依賴于其光學(xué)感知系統(tǒng)的精度與可靠性。其中，濾光片作為關(guān)鍵的光譜選擇與信號(hào)提純元件，對(duì)系統(tǒng)在復(fù)雜垃圾成分環(huán)境下的識(shí)別準(zhǔn)確性、抗干擾能力及長期運(yùn)行穩(wěn)定性起著決定性作用。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、設(shè)備概述：垃圾分類流水線上的智能“分揀手”

近紅外光譜分選機(jī)是現(xiàn)代垃圾資源化處理中心（MRF）自動(dòng)化分選流水線上的關(guān)鍵設(shè)備，專門用于從破碎后的混合生活垃圾中分選出高純度的可回收物（如各類塑料、紙、紡織品等）。其工作流程是一個(gè)緊密集成光學(xué)檢測、高速算法與物理執(zhí)行的自動(dòng)化閉環(huán)：

1.預(yù)處理與均質(zhì)給料：經(jīng)過初步破碎、磁選等預(yù)處理的生活垃圾混合物料，通過振動(dòng)給料器或高速皮帶機(jī)，被輸送并展布成均勻的、單層（或薄層）的顆粒流，以確保每個(gè)待分選物體都能被清晰檢測。

2.光譜激發(fā)與信號(hào)采集：高功率、寬譜且穩(wěn)定的鹵素?zé)艋騆ED陣列光源照射在勻速通過的垃圾物料流上。物料表面產(chǎn)生的漫反射光信號(hào)被高性能的光學(xué)鏡頭組捕獲并匯聚。

3.實(shí)時(shí)光譜分析與物料識(shí)別：采集到的反射光信號(hào)被導(dǎo)入光譜分析模塊。系統(tǒng)處理器將實(shí)時(shí)獲取的全譜或特征譜數(shù)據(jù)，與預(yù)存的海量“垃圾組分光譜數(shù)據(jù)庫”（包含PET瓶片、HDPE容器、PP制品、PVC、各類包裝紙、紡織品等的光譜“指紋”）進(jìn)行毫秒級(jí)高速比對(duì)與匹配運(yùn)算，精確判定每個(gè)通過顆粒的材質(zhì)類別。

4.高壓氣動(dòng)分選執(zhí)行：識(shí)別結(jié)果即時(shí)傳輸至執(zhí)行單元。通常，該系統(tǒng)由一列精密控制的高壓空氣噴嘴陣列構(gòu)成。當(dāng)被識(shí)別的目標(biāo)物料（如指定的塑料類型）運(yùn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)噴嘴下方時(shí)，控制器觸發(fā)一個(gè)短暫的壓縮空氣脈沖，將其精準(zhǔn)吹離主物料流，落入指定的可回收物收集倉，從而將目標(biāo)資源從混合垃圾中高效分離出來。

該流程的效能核心在于步驟2與步驟3的精確性與速度，而這直接由前端光學(xué)系統(tǒng)——特別是濾光片的性能——所保障，以應(yīng)對(duì)垃圾成分復(fù)雜、污染度高、背景光干擾強(qiáng)的嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境。

二、光學(xué)識(shí)別原理與系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)

1.光譜識(shí)別的基本原理及其在垃圾分類中的適用性

當(dāng)波長范圍在780納米至2500納米之間的近紅外光照射到垃圾中的有機(jī)物料（如塑料、紙張、木材、織物）時(shí)，光會(huì)與物料分子中的含氫基團(tuán)（主要是C-H、O-H、N-H鍵）發(fā)生相互作用。這些化學(xué)鍵會(huì)吸收特定波長的光能，產(chǎn)生獨(dú)特的倍頻與合頻振動(dòng)吸收光譜。不同種類的垃圾組分因其分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵環(huán)境不同，吸收特征也截然不同。例如，PET與HDPE雖然都是塑料，但其C-H鍵的吸收峰位置和形狀存在可測量的差異。分選機(jī)通過檢測并解析這一反射光譜的“指紋”信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合垃圾中不同材質(zhì)的高速、無接觸式鑒別。

2.系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)構(gòu)架與分光技術(shù)路徑

分選機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)為適應(yīng)垃圾分選環(huán)境而特殊設(shè)計(jì)的精密模塊，主要由照明單元、光學(xué)收集單元、分光單元和光電探測單元構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)將復(fù)合反射光分解為可供分析的單波長光的“分光”技術(shù)是關(guān)鍵，主要存在兩種主流技術(shù)路徑：

濾光輪分光式系統(tǒng)：此系統(tǒng)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的濾光輪作為核心分光器件。濾光輪上沿圓周鑲嵌一系列中心波長不同的窄帶干涉濾光片。工作時(shí)，濾光輪高速旋轉(zhuǎn)，使這些濾光片依次切入光路，探測器則同步記錄下每個(gè)特定窄波段下的光強(qiáng)信號(hào)，從而在時(shí)間序列上離散地獲取物料的特征光譜。該技術(shù)成熟穩(wěn)定，但對(duì)高速分選需求存在采樣率的物理限制。

全譜分光式系統(tǒng)（當(dāng)前主流）：此系統(tǒng)采用固定光柵對(duì)入射的復(fù)合反射光進(jìn)行空間色散，將不同波長的光在空間上連續(xù)展開。隨后，使用一維線陣排列的銦鎵砷（InGaAs）探測器同時(shí)瞬時(shí)接收整個(gè)目標(biāo)波段（如900-1700nm或擴(kuò)展至1700-2500nm）內(nèi)的所有光譜信號(hào)，一次性獲取連續(xù)的全光譜曲線。此方案無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，采樣速度極快、信息完整度高，是處理大規(guī)模、高速垃圾分選線的首選方案。在這兩種架構(gòu)中，濾光片均扮演著不可或缺的核心光學(xué)濾波角色。

（紅外光譜儀原理圖）

三、核心元件分析：濾光片在垃圾分選中的技術(shù)功能與性能挑戰(zhàn)

濾光片在垃圾分選系統(tǒng)中的根本作用是作為高精度的光學(xué)頻率選擇器，對(duì)來自復(fù)雜、臟污垃圾物料的反射光信號(hào)進(jìn)行“提純”和“整形”，其性能是系統(tǒng)在低信噪比環(huán)境下仍能保持高鑒別精度的物理基礎(chǔ)。

1.主要類型及其在垃圾分選系統(tǒng)內(nèi)的具體功能

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和功能定位，主要分為兩類：

窄帶干涉濾光片——應(yīng)用于濾光輪系統(tǒng)的核心分光元件

工作原理與功能：基于光學(xué)薄膜干涉原理，允許一個(gè)極窄波段（半高全寬通常為10-20納米）的光高效透過。在濾光輪系統(tǒng)中，一套針對(duì)垃圾中常見物料（如塑料、紙）特征吸收峰精確優(yōu)化的濾光片組（例如中心波長設(shè)定在1210nm、1720nm、1950nm等關(guān)鍵鑒別點(diǎn)），構(gòu)成了系統(tǒng)的“光譜采樣探針”。系統(tǒng)通過高速輪詢這些離散的“光譜窗口”，即使面對(duì)成分復(fù)雜的垃圾流，也能高效提取出關(guān)鍵鑒別信息，完成快速分類決策。

（NBP1210窄帶濾光片）

長波通/帶通濾光片——作為所有系統(tǒng)的前置防護(hù)與預(yù)濾波元件

工作原理與典型配置：在主流全譜系統(tǒng)中，此類濾光片是應(yīng)對(duì)垃圾分選惡劣光學(xué)環(huán)境的“第一道防線”。其核心任務(wù)是強(qiáng)力抑制帶外干擾光并定義系統(tǒng)工作波段。

典型實(shí)例：在專注于分選生活垃圾中常見塑料（其特征譜區(qū)集中于1200-2400nm）的設(shè)備上，標(biāo)準(zhǔn)配置是集成一片截止邊為1050nm的長波通濾光片。該濾光片對(duì)1050nm以下的波長（包含全部可見光及車間照明）實(shí)現(xiàn)近乎完全的阻斷（光學(xué)密度OD>4，即透光率低于0.01%），而允許1050nm以上的近紅外工作光高效通過（透過率>90%），從而為系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)純凈的近紅外信號(hào)通道。

在垃圾分類中的核心價(jià)值：

1.抗環(huán)境光干擾：有效濾除垃圾分選車間內(nèi)不可避免的強(qiáng)烈環(huán)境可見光，防止其淹沒微弱的近紅外特征信號(hào)，這是確保在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作的前提。

2.保護(hù)核心探測器：避免雜散光對(duì)高靈敏度、高成本的InGaAs線陣探測器造成損害或信號(hào)飽和。

3.提升信噪比與鑒別率：通過提供“干凈”的入射光信號(hào)，使系統(tǒng)能夠更清晰地分辨光譜細(xì)節(jié)，從而有效區(qū)分顏色相近、但材質(zhì)不同的垃圾（如不同顏色的PET瓶與HDPE容器），或受污染的物料。

（LP1050長波通濾光片）

2.面向垃圾分選嚴(yán)苛環(huán)境的性能要求

垃圾分選環(huán)境（高粉塵、高濕度、機(jī)械振動(dòng)、溫度波動(dòng)）對(duì)濾光片提出了遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛要求：

極端環(huán)境魯棒性：光學(xué)薄膜必須具備極高的硬度、卓越的疏水與防油污特性，以抵抗垃圾粉塵的附著、潮濕空氣的侵蝕及定期清潔的磨損。膜系設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)極低的熱漂移（例如<0.02nm/°C），確保在不同季節(jié)的車間溫度下，中心波長或截止邊穩(wěn)定，分選精度不漂移。

苛刻的光學(xué)性能指標(biāo)：需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透射率（最大化信號(hào)強(qiáng)度）、深截止度（最小化噪聲）和陡峭的截止邊緣（精確界定工作波段），這三者共同決定了系統(tǒng)最終的識(shí)別靈敏度與準(zhǔn)確度。

超長的運(yùn)行壽命與可靠性：必須保證在24/7連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、年處理量數(shù)十萬噸的垃圾分選線上，歷經(jīng)數(shù)萬小時(shí)工作后，光學(xué)性能無明顯衰減，以維持整條分選線的穩(wěn)定產(chǎn)出和回收物純度。

在垃圾分類與資源化領(lǐng)域，近紅外光譜分選機(jī)是實(shí)現(xiàn)從“混合廢物”到“純凈資源”質(zhì)變的關(guān)鍵技術(shù)裝備。而濾光片，作為其光學(xué)感知鏈中的核心功能元件，通過精密的光譜選擇與信號(hào)提純功能，直接決定了設(shè)備能否在真實(shí)、復(fù)雜的垃圾處理環(huán)境中“看得清”、“辨得準(zhǔn)”。無論是作為傳統(tǒng)濾光輪系統(tǒng)的分光核心，還是作為現(xiàn)代全譜系統(tǒng)的前置噪聲抑制屏障，濾光片的性能都從根本上設(shè)定了分選機(jī)在識(shí)別率、穩(wěn)定性與適應(yīng)性方面的上限。因此，深入理解濾光片的技術(shù)原理，并依據(jù)垃圾分類的具體物料特性和分選環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格選型與性能驗(yàn)證，是設(shè)計(jì)與部署高效、可靠、智能化垃圾自動(dòng)分選解決方案不可或缺的核心工程技術(shù)環(huán)節(jié)，對(duì)于提升整體資源回收率與經(jīng)濟(jì)效益具有至關(guān)重要的意義。