CN105277497A - 连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置与方法。光源安装在光源移动装置上，光谱仪通过光纤连接到积分球的转接球盖上，样品台、光源移动装置、球盖开合装置与运动控制箱相连，光谱仪、运动控制箱分别连接到计算机上；光源部分、积分球、球盖开合装置安装在同一条直线上，保证积分球的球盖能贴合积分球光束出射口，光纤包覆圆筒与积分球的光束入射口同轴；装在样品台上的样品夹孔能同轴移至光源部分和积分球光束入射口间或同轴能同轴移至积分球光束出射口处。测得总反射率R_t与总透射率T_t值，结合固定的各向异性系数g值代入到逆向倍增算法计算得到光学特性参数。本发明使用卤钨灯，能够获得更多的光学特性信息，提高检测精度。

Description

连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置与方法

技术领域

本发明涉及测量生物组织光学特性的装置与方法，一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置与方法。

背景技术

近红外光谱分析技术在农产品与食品品质检测中应用十分广泛。但由于该方法本身原理的局限，传统的近红外光谱分析技术只能测量样品所含的物质浓度(即化学成分)，而无法获得样品的物理结构信息。

随着激光在生物医学领域应用的发展，生物组织光学特性慢慢出现在人们的视野，其中主要参数是吸收系数与散射系数，分别用来描述组织体对光的吸收和散射能力。吸收系数代表在单位长度下一个光子被吸收的概率，吸收系数往往与组织体内的化学成分相关；约化散射系数μ'_s＝μ_s(1-g)，其中μ_s为散射系数，代表一个光子在前进单位长度下被散射的概率，g为各向异性因子，表示光在均匀介质中发生散射时选择不同的方向，约化散射系数与组织体的物理结构特性有关。由此而产生各种测量生物组织光学特性的装置与方法，其中就包括单积分球法。

目前对于生物组织光学特性检测的研究主要集中在生物医学领域，在农产品或食品检测领域较少。而光学特性与生物组织的化学成分，以及物理结构有着密切联系。因此，对于农产品或食品光学特性检测装置的开发与检测方法的研究至关重要。

目前使用积分球检测生物组织光学特性参数主要使用激光作为光源。而由于生物组织的复杂性，用单个波长下的吸收系数信息难以预测农产品的化学成分(如：水、糖、酸、叶绿素等)；同样，用单个波长下的约化散射系数预测组织物理性质(硬度、脆度等)也往往不够精确。在已授权的实用新型申请日为“2014年05月06日”，专利号为“ZL201420229142.0”，发明名称为“一种农产品组织光学特性检测装置”中，本申请人使用了多个激光光源，通过在多个切换装置在其中选择不同波长的激光作为光源。在已公开的申请日为“2015年02月15日”，申请号为“201510082011.3”，发明名称为“基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置”中，本申请人使用一个He-Ne激光器作为光源，使用的波长只有一个。无论前者或后者，使用激光器作为光源，其缺点在于：检测装置成本过高；所使用的波长范围有限，导致能获得的信息有限，检测不够精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置与方法，该装置全自动操作，能够在可见-近红外波段下检测，光源能够满足逆向倍增算法(IAD)检测生物组织光学特性所需要的准直、细光束的要求。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置

本发明包括：光源部分、光源移动装置、积分球、样品台、球盖开合装置、光纤、光谱仪、运动控制箱和计算机；

光源部分安装在光源移动装置上，光谱仪通过光纤连接到积分球的转接球盖上，样品台、光源移动装置、球盖开合装置均通过串口线与运动控制箱相连，光谱仪通过USB线、运动控制箱通过串口线分别连接到计算机上；光源部分、积分球、球盖开合装置安装在同一条直线上，保证积分球的球盖能够刚好紧密贴合积分球光束出射口，光源部分的光纤包覆圆筒与积分球的光束入射口同轴；

装在样品台上的样品夹孔能同轴移至光源部分和积分球光束入射口间或样品夹同轴能同轴移至积分球光束出射口处。

所述光源部分，包括卤钨灯、光源光纤、光纤包覆圆筒、准直镜和光斑缩小装置；光源光纤的一端与卤钨灯连接，光源光纤的另一端与准直镜连接，准直镜固定在光斑缩小装置上，光斑缩小装置与光纤包覆圆筒连接，并将光源光纤与准直镜包覆在光纤包覆圆筒内，光纤包覆圆筒安装在自动光源移动装置上。

所述光源移动装置，包括光纤包覆圆筒固定装置、竖直高度调节安装架和电动平移台；竖直高度调节安装架一侧的两条长槽间安装光纤包覆圆筒固定装置，光纤包覆圆筒固定装置孔内装有光纤包覆圆筒，竖直高度调节安装架另一侧安装在电动平移台上。

所述样品台，包括纵向电动平移台和横向电动平移台，横向电动平移台正交垂直安装在纵向电动平移台上方，纵向电动平移台固定在横向电动平移台的滑块上，在横向电动平移台的横向支板上装有样品夹。

二、一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法

采用卤钨灯作为连续谱光源，通过准直镜准直与光斑缩小装置限制光斑大小得到准直细光束，从而达到逆向倍增算法计算生物组织光学特性参数所需的光源；通过控制光源移动装置移动光源部分位置，来保证测总反射率R_t与总透射率T_t时光源出射口与被测样品的距离一致，并获得测总反射率R_t与总透射率T_t所需要的不同的参比光谱；通过本装置测量得到总反射率R_t与总透射率T_t值，结合固定的各向异性系数g值或按公式计算得到的g值，代入到逆向倍增算法计算得到光学特性参数：吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s。

所述被测样品为固体切片样品或液体样品，并能获得被测样品任意位置的光学特性参数：吸收系数μ_a；约化散射系数μ'_s。

获得总反射率R_t与总透射率T_t的过程是：

1)卤钨灯关闭，光谱仪测得暗场光谱，即DARK；

2)卤钨灯开启，积分球盖贴紧积分球光束出射口；

3)自动控制的被测样品移动并紧贴到积分球的光束入射口；

4)自动控制的光源部分移动到距离被测样品一定距离，即光源出射口与被测样品的距离为准直镜的焦距处，光谱仪测得透射光谱T；

5)自动控制的被测样品移开，光谱仪测得透射参比光谱，即Tref；

6)自动控制的光源部分的光纤包覆圆筒伸入积分球内，距离积分球盖一定距离，即光源出射口与积分球盖的距离为准直镜的焦距处，光谱仪测得反射参比光谱，即Rref；

7)积分球盖复位；

8)自动控制的被测样品移动并紧贴到积分球的光束出射口，光谱仪测得反射光谱R；

9)光源移动装置与样品台复位；

总透射率T_t与总反射率R_t的计算公式分别为：

$T_t=\frac{T-DARK}{Tref-DARK};R_t=\frac{R-DARK}{Rref-DARK};$

将总透射率T_t、总反射率R_t和各向异性系数g代入到逆向倍增算法中来计算得到吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s。

所述各向异性系数g值以(0.4-0.9)的固定值代入或用与波长相关的公式计算代入：g＝1.1-0.58λ，λ为波长，单位为μm。

本发明具有的有益效果是：

本发明使用卤钨灯来取代激光光源，使得测农产品或食品时可用的波长范围更宽，能够获得更多的可用信息，检测精度提高，检测成本降低。

附图说明

图1是积分球系统整体示意图。

图2是光源部分示意图。

图3是光源部分剖面图。

图4是光源移动装置示意图。

图5是测总透射光强值T时系统各部分位置示意图。

图6是测透射参比Tref光谱时系统各部分位置示意图。

图7是测反射参比Rref光谱时系统各部分位置示意图。

图8是测总反射光强值R时系统各部分位置示意图。

图9是3种g值迭代计算得到的μ'_s值(全谱)图。

图10是3种g值迭代计算得到的μ_a值(全谱)图。

图中：1、光源部分；2、光源移动装置；3、样品台；4、积分球；5、光纤；6、球盖开合装置；7、光谱仪；8、运动控制箱；9、计算机；101、卤钨灯；102、光源光纤；103、光纤包覆圆筒；104、准直镜；105、光斑缩小装置；201、光纤包覆圆筒固定装置；202、竖直高度调节安装架；203、电动平移台。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括：光源部分1、光源移动装置2、积分球4、样品台3、球盖开合装置6、光纤5、光谱仪7、运动控制箱8和计算机9；光源部分1安装在光源移动装置2上，光谱仪7通过光纤5连接到积分球4的转接球盖上，样品台3、光源移动装置2、球盖开合装置6均通过串口线与运动控制箱8相连，光谱仪7通过USB线、运动控制箱8通过串口线分别连接到计算机9上；光源部分1、积分球4、球盖开合装置6安装在同一条直线上，保证积分球4的球盖能够刚好紧密贴合积分球4光束出射口，光源部分1的光纤包覆圆筒103与积分球4的光束入射口同轴；装在样品台3上的样品夹孔能同轴移至光源部分1和积分球4光束入射口间或样品夹同轴能同轴移至积分球4光束出射口处。

如图1、图2、图3所示，所述光源部分1，包括卤钨灯101、光源光纤102、光纤包覆圆筒103、准直镜104和光斑缩小装置105；光源光纤102的一端与卤钨灯101螺纹连接，光源光纤102的另一端与准直镜104螺纹连接，准直镜104用螺纹固定在光斑缩小装置105上，光斑缩小装置105与光纤包覆圆筒103螺纹连接，并将光源光纤102与准直镜104包覆在光纤包覆圆筒103内，光纤包覆圆筒103安装在自动光源移动装置2上。

光斑缩小装置105的端面上贴有一张开有小孔(1-2mm)的厚铝箔，用以限制从准直镜104出射的准直光束的直径。其他缩小光斑的方式(如在准直镜出射路径的位置加光阑或其他小孔装置)。

如图4所示，所述光源移动装置2，包括光纤包覆圆筒固定装置201、竖直高度调节安装架202和电动平移台203；竖直高度调节安装架202一侧的两条长槽间安装光纤包覆圆筒固定装置201，光纤包覆圆筒固定装置201孔内装有光纤包覆圆筒103，并且可以调节安装的高度，竖直高度调节安装架202另一侧安装在电动平移台203上。底面上开有两个长方形槽，以便竖直高度调节安装架202安装在电动平移台203上，并可以调节其安装位置，保证光源部分1的光纤包覆圆筒103与能够顺利进出积分球4的入射孔。

如图4所示，所述样品台3，包括纵向电动平移台和横向电动平移台(电动平移台为标准件，可在市场选购)，横向电动平移台正交垂直安装在纵向电动平移台上方，纵向电动平移台固定在横向电动平移台的滑块上，在横向电动平移台的横向支板上装有样品夹。

样品台3和球盖开合装置6的结构，可参见本申请人已公开的申请日为“2015年02月15日”，申请号为“201510082011.3”，发明名称为“基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置”中。

图1、图5、图6、图7、图8所示，本发明方法是：使用本装置结合IAD算法检测食品与农产品过程的步骤为：

1)关闭卤钨灯101，光谱仪7采集到暗场光谱，即DARK；

2)如图5所示，打开卤钨灯101，计算机9输入指令，使运动控制箱8发出信号使得球盖开合装置6从初始位置移动到球盖紧密贴合积分球4光束出射口的位置；同时使样品台3从初始位置移动到样品紧密贴合积分球4光束入射口的位置；同时使光源移动装置2移动到光源部分1的光束出射孔距离样品表面距离为准直镜104的焦距值得位置；在如图5所示的位置时，光谱仪7采集到总透射光强值T；

3)如图6所示，计算机9输入指令，使运动控制箱8发出信号使样品台3移动到初始位置；其他位置与步骤2)一样；如图6所示的位置时，光谱仪7采集到透射参比，即Tref；

4)如图7所示，计算机9输入指令，使自动光源移动装置2移动进入积分球4的内部，到光源部分1的光束出射孔距离样品表面距离为准直镜104的焦距值得位置；其他位置与步骤3)一样；如图7所示的位置时，光谱仪7采集到反射参比，即Rref；

5)如图8所示，计算机9输入指令，使运动控制箱8发出信号使得球盖开合装置6从图5所示的位置移动到初始位置；同时使样品台3移动到样品精密贴合积分球4出射孔的位置；其他位置与步骤4)一致；在如图所示的位置时，光谱仪7采集到总反射光强值R；

6)自动光源移动装置与自动样品台复位，回到初始位置。

7)总透射率与总反射率根据下面两个公式计算：

$T_t=\frac{T-DARK}{Tref-DARK};R_t=\frac{R-DARK}{Rref-DARK}$

将总透射率T_t、总反射率R_t和各向异性系数g代入到逆向倍增算法中来计算得到吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s。

(8)将被测样品折射率、被测样品厚度、光斑直径、总透射率、总反射率、各向异性系数g等参数代入IAD算法，计算得到被测样品的吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s。申请人所使用的积分球系统只测量了总透射率T_t与总反射率R_t，并没有测准直透射率，对每个被测样品、每个波长使用固定的g值来计算。不同的g值计算得到的结果相差极小，这会在实施例结果中介绍。

实施例结果：

对系统的测量精度验证，使用INO公司生产的固体phantom进行试验。下面是试验结果，选取3个波长进行比较，其中μ_a与μ'_s计算值为使用本发明装置与方法结合IAD算法计算得到的值；μ_a与μ'_s参考值为INO公司提供的测试报告中的标定值。

波长	μa计算值	μa参考值	μa误差	μ's计算值	μ's参考值	μ's误差
							632.1	0.004021	0.00387	3.90％	0.9519	0.922	3.24％
710.3	0.003334	0.00341	2.23％	0.9387	0.898	4.53％
							780.1	0.003367	0.00325	3.60％	0.9288	0.893	4.01％

图9与图10所示为不同g值0.4、0.7、0.9计算得到的μ_a与μ'_s值，可以发现差别极小，说明本方法测量总透射率T_t和总反射率R_t来计算出吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s是可行的。

Claims (8)

1.一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置，其特征在于，包括：光源部分(1)、光源移动装置(2)、积分球(4)、样品台(3)、球盖开合装置(6)、光纤(5)、光谱仪(7)、运动控制箱(8)和计算机(9)；光源部分(1)安装在光源移动装置(2)上，光谱仪(7)通过光纤(5)连接到积分球(4)的转接球盖上，样品台(3)、光源移动装置(2)、球盖开合装置(6)均通过串口线与运动控制箱(8)相连，光谱仪(7)通过USB线、运动控制箱(8)通过串口线分别连接到计算机(9)上；光源部分(1)、积分球(4)、球盖开合装置(6)安装在同一条直线上，保证积分球(4)的球盖能够刚好紧密贴合积分球(4)光束出射口，光源部分(1)的光纤包覆圆筒(103)与积分球(4)的光束入射口同轴；装在样品台(3)上的被测样品夹孔能同轴移至光源部分(1)和积分球(4)光束入射口间或样品夹同轴能同轴移至积分球(4)光束出射口处。

2.根据权利要求1所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置，其特征在于：所述光源部分(1)，包括卤钨灯(101)、光源光纤(102)、光纤包覆圆筒(103)、准直镜(104)和光斑缩小装置(105)；光源光纤(102)的一端与卤钨灯(101)连接，光源光纤(102)的另一端与准直镜(104)连接，准直镜(104)固定在光斑缩小装置(105)上，光斑缩小装置(105)与光纤包覆圆筒(103)连接，并将光源光纤(102)与准直镜(104)包覆在光纤包覆圆筒(103)内，光纤包覆圆筒(103)安装在自动光源移动装置(2)上。

3.根据权利要求1所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置，其特征在于：所述光源移动装置(2)，包括光纤包覆圆筒固定装置(201)、竖直高度调节安装架(202)和电动平移台(203)；竖直高度调节安装架(202)一侧的两条长槽间安装光纤包覆圆筒固定装置(201)，光纤包覆圆筒固定装置(201)孔内装有光纤包覆圆筒(103)，竖直高度调节安装架(202)另一侧安装在电动平移台(203)上。

4.根据权利要求1所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置，其特征在于：所述样品台(3)，包括纵向电动平移台和横向电动平移台，横向电动平移台正交垂直安装在纵向电动平移台上方，纵向电动平移台固定在横向电动平移台的滑块上，在横向电动平移台的横向支板上装有样品夹。

5.用于权利要求1所述装置的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法，其特征在于：采用卤钨灯(101)作为连续谱光源，通过准直镜(104)准直与光斑缩小装置(105)限制光斑大小得到准直细光束，从而达到逆向倍增算法计算生物组织光学特性参数所需的光源；

通过控制光源移动装置(2)移动光源部分(1)位置，来保证测总反射率R_t与总透射率T_t时光源出射口与被测样品的距离一致，并获得测总反射率R_t与总透射率T_t所需要的不同的参比光谱；

通过本装置测量得到总反射率R_t与总透射率T_t值，结合固定的各向异性系数g值或按公式计算得到的g值，代入到逆向倍增算法计算得到光学特性参数：吸收系数μ_a与约化散射系数μ′_s。

6.根据权利要求5所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法，其特征在于：所述被测样品为固体切片样品或液体样品，并能获得被测样品任意位置的光学特性参数：吸收系数μ_a；约化散射系数μ′_s。

7.根据权利要求5所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法，其特征在于，获得总反射率R_t与总透射率T_t的过程是：

1)卤钨灯(101)关闭，光谱仪(7)测得暗场光谱，即DARK；

2)卤钨灯(101)开启，积分球盖贴紧积分球(4)光束出射口；

3)自动控制的被测样品移动并紧贴到积分球(4)的光束入射口；

4)自动控制的光源部分(1)移动到距离被测样品一定距离，即光源出射口与被测样品的距离为准直镜(104)的焦距处，光谱仪(7)测得透射光谱T；

5)自动控制的被测样品移开，光谱仪(7)测得透射参比光谱，即Tref；

6)自动控制的光源部分(1)的光纤包覆圆筒(103)伸入积分球(4)内，距离积分球盖一定距离，即光源出射口与积分球盖的距离为准直镜(104)的焦距处，光谱仪(7)测得反射参比光谱，即Rref；

7)积分球盖复位；

8)自动控制的被测样品移动并紧贴到积分球(4)的光束出射口，光谱仪(7)测得反射光谱R；

9)光源移动装置与样品台复位；

总透射率T_t与总反射率R_t的计算公式分别为：

$T_t=\frac{T-DARK}{Tref-DARK};R_t=\frac{R-DARK}{Rref-DARK};$

将总透射率T_t、总反射率R_t和各向异性系数g代入到逆向倍增算法中来计算得到吸收系数μ_a与约化散射系数μ'_s。

8.根据权利要求5所述的一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法，其特征在于，所述各向异性系数g值以(0.4-0.9)的固定值代入或用与波长相关的公式计算代入：g＝1.1-0.58λ，λ为波长，单位为μm。