CN107345908B - 一种获取果实多面漫反射信息的散射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取果实多面漫反射信息的散射系统，包括箱体，安装在箱体内的光源系统、成像系统、样本输送系统及样本旋转系统；光源系统用于提供照射样本的光源；成像系统用于采集光源进入样本内部经散射后在表面的漫反射信息；样本输送系统及样本旋转系统用于调整样本的位置及带动样本旋转以采集样本多面漫反射信息；还包括位于箱外的计算机控制系统，本发明的高光谱散射系统，可扩展性好，精度高，能快速、准确的获得果实在400‑1000nm波段的漫反射率。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织光学特性研究中的光学特性参数测量领域，具体涉及一种获取果实多面漫反射信息的散射系统。
背景技术
光谱分析技术在农产品品质分析领域的应用已经十分广泛，目前所采用的分析方法多为统计方法，即通过扫描大量样品光谱来建立样品物理、化学信息和光谱数据之间的相关模型，进而获取未知样品的养分生理信息。
农产品形态的多样性和结构的复杂性给定量分析带来了不便，光谱分析方法避开了组织内部十分复杂的光输运过程，虽然简化了模型，却丢失了光在生物组织传输过程中吸收和散射变化的信息，产生了光和组织相互作用的机理无法解释、光从组织中携带的信息量变化不明确等问题，而这些恰恰是当前分析模型不稳定、适应性不好、分析精度难于进一步提高等问题的根源所在。
为此，我们有必要从组织内部出发，通过对组织光学特性及光和组织相互作用规律等问题的研究来挖掘原本被丢失的重要信息，从而为进一步提高分析精确性和稳定性寻找新的有效途径。
光入射到组织内部后与组织相互作用，光子被不断的散射、吸收，一部分光子被组织吸收，一部分光子从组织表面出射。出射光中携带了组织内部的光学信息，因此，测量组织表面的光分布并且结合理论的传输模型可计算出组织内部的光学特性参数。
漫反射式测量方法简单且具有无创性，在组织光学特性参数间接测量中应用最为广泛。漫反射式测量技术依据不同的测量原理主要包括：时间分辨(TR)技术、频域分辨(FR)技术和稳态空间分辨(SR)技术。
TR和FR测量技术需要的测量仪器昂贵，测量过程耗时且要求成像系统与目标组织能够紧密接触。除此之外，两种方法都因为有限的可调波长范围而不能覆盖较宽的光谱区域。
基于以上原因，TR和FR测量技术特别适合异质体的异常组织的医疗诊断，并且已被广泛地应用在生物医学研究领域，在农产品、食品的无损检测应用领域并不实用。SR漫反射测量技术可实现不同位置的多点测量，稳态连续激光光源较为简单，测量系统的造价较低，因此该技术已广泛应用在漫反射式测量方面。
公开号CN104523241A的中国发明型专利文献公开了一种生物组织光学特性的检测装置和检测方法，其检测装置利用光纤阵列获取生物组织表面漫反射光，有着便携、低成本的优点，但是需要光纤探头与样本紧密接触，由于农产品安全和卫生要求，使得其难以在农产品光学特性测试中得到广泛的运用。
公开号CN104833638A的中国发明型专利文献公开了一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测方法及装置，其检测装置包括高光谱成像系统、光源系统及样本输送装置。但是其光源光纤由固定支架固定在距镜头轴线呈一定角度的位置，通过滑动在弧形槽内的螺母调节角度，精度较差，且不能调节光源与镜头轴线的距离；由于样本大小不一致，每一次的检测都需要手动调整保证其距镜头的距离不变，过程繁琐。且该系统在待测物扫描过程中,一次只能得到面向扫描系统一面的散射信息,物体其它面的信息只能再次扫描,这样降低了散射信息获取的效率,同时也无法自动的采集被测物的全方位多面信息。
发明内容
本发明提供了一种获取果实多面漫反射信息的散射系统，可扩展性好，精度高，通过选择合适的光源、光纤、光谱仪、相机，能保证获得果实在400-1000nm波段的漫反射率，通过优化测量方法，快速、准确获取果实组织漫反射信息，用于进一步对果实组织光学特性参数进行准确反演。
一种获取果实多面漫反射信息的散射系统，包括:
箱体，安装在箱体内的光源系统、成像系统、样本输送系统及样本旋转系统；
所述的光源系统用于提供照射样本的光源；
成像系统用于采集光源进入样本内部经散射后在表面的漫反射信息；
样本输送系统及样本旋转系统用于调整样本的位置及带动样本旋转以采集样本多面漫反射信息；
还包括位于箱外的计算机控制系统。
所述的光源系统包括卤钨灯光源、入射光纤、光源调整器；光源调整器用于调节光源入射角度及光源与成像系统的距离；
所述光源调整器包括：滑台，旋转刻度盘，支撑架，透镜；旋转刻度盘通过第一支撑架与滑台相连，透镜通过第二支撑架与旋转刻度盘相连，透镜角度可通过调节旋转刻度盘而改变，透镜通过入射光纤与卤钨灯光源耦合。
所述的成像系统安装在箱体升降架上，包括依次向下连接的CCD相机、光谱仪及镜头。
所述的光谱仪为波段范围为400-1000nm的光谱仪，以获得可见近红外波段的实验结果。
所述的光源调整器与成像系统的距离为1.5mm，与成像系统的夹角小于15度。
在漫反射理论模型中，假设条件是一个无限小连续光束垂直入射样本表面，且当光源与成像系统的距离无限接近时，不能获取其漫反射率。但在实际获取空间分辨漫反射率时，并不能使光束无限小且垂直入射，Haiyan Cen.在Hyperspectral Imaging-BasedSpacially-Resolved Techniques for Accurate Measurement of the OpticalProperties of Horticultural Products(2011年，Michigan state University)一文中通过蒙特卡罗仿真试验证明了实际应用中光束直径小于1mm、光源和成像系统的距离在1.5mm左右且光束与成像系统的夹角在15度以内可以获取较好的实验结果。
所述的样本输送系统包括样本高度感应模块、升降台、电机、联轴器、线性滑轨、载物台；升降台安装在箱体底部，线性滑轨固定在升降台上，电机通过联轴器与线性滑轨的转轴连接，载物台固定在线性滑轨的滑块上；样本高度感应模块包括两个高度传感器，分别通过支架安装在样本两侧，两传感器的高度一致；
所述的样本高度感应模块用于检测不同样本表面和镜头的距离，并将距离信息发送给计算机，计算机控制升降台的运动，从而使得不同样本与镜头的距离保持不变。
所述的样本与镜头的距离根据分辨率、光强、样本与镜头高度及曝光时间进行调整，以使得CCD相机采集的数据有效。
所述的样本旋转系统包括固定架、电机、样本固定卡盘；升降台两侧各安装有一个固定架，固定架上安装有驱动样本固定卡盘旋转的电机。
测量过程中，样本放置在载物台上，样本固定卡盘固定样本，根据样本高度感应模块检测的距离自动调整好样本表面与镜头的距离后，载物台水平移动，测量完相应的信息后，载台先回到原来的位置，旋转样本至另一面，载物台再移动测量相应面的散射信息；每次测量前都会根据样本高度感应模块检测的距离自动调整样本与镜头的距离，保证每次测量样本与镜头的距离的一致。
所述的计算机控制系统包括安装有高光谱散射系统取像软件的计算机和传输线；高光谱散射系统取像软件包括取像模块，成像模块，控制模块及校正模块；
取像模块用于根据实验需求设置散射测量的起始位置，设置测量参数，包括：光源与成像系统的距离(Offset)，设置换样品等待的时间(Wait)，扫描线之间的间隔(Interval)，以及每一面测量的扫描线数(Step)；
分析模块用于根据需要提取所需要波段的漫反射信息，并存储所需波段的漫反射信息；
控制模块用于控制样本输送系统及样本旋转系统，可根据需要设置载物台移动果实的速度及卡盘旋转果实的速度；
校正模块用于对相机进行平场校正，以达到相机成像均匀度一致的目的。
优选的，所述的CCD为EMCCD(电子倍增CCD)，因为EMCCD的灵敏度极高，能形成高质量的图像。
所述的卤钨灯的光源的光强和入射光纤的直径根据漫反射理论模型来确定，理论上来说光源光斑需要无限小，但在实际的光学设计中无法实现，因此在保证足够光强的条件下选用形成的光斑尽可能小的入射光纤。通过仿真实验选取测量误差小于5％的范围内得到的最优参数。
所述的镜头的焦距根据需要的视场角进行选择，视场角的大小取决于测量样品的高度和大小。
所述的线性滑轨的可移动距离根据所测果实的大小进行设计。
本发明同时提供一种对本发明的散射系统进行验证的方法，包括如下步骤：
(1)对相机进行平场校正；
(2)利用3D打印苹果验证系统可靠性。
所述步骤(1)中对相机进行平场校正是由于相机成像存在均匀度不一致问题，使其不能得到真实的漫反射信息，因此在拍摄前需要校正每一像素上对应的波长的光谱响应。
3D打印苹果具有真实苹果一致的吸收和散射特性，所述步骤(2)中根据HaiyanCen.的Hyperspectral Imaging-Based Spacially-Resolved Techniques for AccurateMeasurement of the Optical Properties of Horticultural Products(2011年，Michigan state University)文中参数设定3D打印苹果的吸收系数、约化散射系数、折射率、各向异性因子，比较利用蒙特卡洛仿真模型仿真其表面漫反射率与高光谱散射系统测量的真实的漫反射率，验证系统可靠性。
本发明的高光谱散射系统采用光源调整器，调节光源与成像系统的角度与距离，采用样本高度感应器检测样本与镜头的距离，并通过计算机控制升降台的运动，保证样本与镜头的距离不变，采用旋转模块转动样本，可自动获得样本组织多面散射信息；利用平场校正方法和3D打印苹果验证了系统的准确性和可靠性，保证了漫反射率测量的可靠性与精度；克服了现有检测装置存在的精度差，不能调节光源与镜头轴线的距离，需要手动调整样本与镜头的距离，且一次只能得到面向扫描系统一面的散射信息的不足。
附图说明
图1为本发明获取果实组织多面漫反射率信息的高光谱散射系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明进行苹果组织漫反射率测量时,首先搭建高光谱散射系统，然后设计合理的方法测量漫反射率。
如图1所示，本发明的获取苹果组织多面漫反射率信息的高光谱散射系统包括：卤钨灯光源1，入射光纤2，旋转刻度盘3，透镜4，滑台5，CCD相机6，光谱仪7，镜头8，样本高度感应模块9，样本10，样本固定卡盘11，固定架12，载物台13，线性滑轨14，升降台15，电机16，暗箱17，传输线18，计算机19。
卤钨灯光源1，入射光纤2，旋转刻度盘3，透镜4，滑台5，两个支撑架组成光源系统，其中滑台5，旋转刻度盘3，透镜4和两个支撑架组成光源调整器，旋转刻度盘3通过其中一个支撑架与滑台5相连，透镜4通过另一个支撑架与旋转刻度盘3相连，透镜4角度可通过调节旋转刻度盘3而改变，透镜4通过入射光纤2与卤钨灯光源1耦合。
卤钨灯光源1的光照强度为150Lux。
入射光纤2直径为200um，使得形成的点光源在样本10表面形成的光斑较小。
CCD相机6，光谱仪7，透镜8组成了成像系统，CCD相机安装在暗箱16内部的升降架上，向下依次为光谱仪7和镜头8。
CCD相机6为EMCCD(电子倍增CCD)，因为EMCCD的灵敏度极高，能形成高质量的图像。
光谱仪7为波段范围为400-1000nm的光谱仪，以获得可见近红外波段的实验结果。
镜头8焦距为35mm，最大光圈为1.9。
光源调整器与成像系统的距离为1.5mm，与成像系统的夹角为15度。
样本高度感应模块8、升降台15、电机、联轴器、线性滑轨14、载物台13组成了样本输送系统；升降台15安装在箱体16底部，线性滑轨14固定在升降台15上，电机通过联轴器与线性滑轨14的转轴连接，载物台13固定在线性滑轨14的滑块上；样本高度感应模块8包括两个高度传感器，分别通过支架安装在样本10两侧，两传感器的高度一致；样本高度感应模块8用于检测不同样本10表面和镜头8的距离，并将距离信息发送给计算机18，计算机18控制升降台15的运动，从而使得不同样本10与镜头8的距离保持不变。
样本10与镜头8的距离根据分辨率、光强、样本10与镜头8高度及曝光时间进行调整，以使得CCD相机采集的数据有效。
线性滑轨14可移动距离为140mm。
固定架12、电机16、样本固定卡盘11组成了样本旋转系统；升降台15两侧各安装有一个固定架12，固定架12上安装有驱动样本固定卡盘11旋转的电机16。
测量过程中，样本10放置在载物台13上，样本固定卡盘11固定样本10，根据样本高度感应模块9检测的距离自动调整好样本表面10与镜头8的距离后，载物台13水平移动，测量完相应的信息后，载物台13先回到原来的位置，旋转样本10至另一面，载物台13再移动测量相应面的散射信息；每次测量前都会根据样本高度感应模块9检测的距离自动调整样本10与镜头8的距离，保证每次测量样本10与镜头8的距离的一致。
计算机控制系统包括安装有高光谱散射系统取像软件的计算机19和传输线18；高光谱散射系统取像软件包括取像模块，成像模块，控制模块及校正模块；
取像模块用于根据实验需求设置散射测量的起始位置，设置测量参数，包括：光源与成像系统的距离(Offset)，设置换样品等待的时间(Wait)，扫描线之间的间隔(Interval)，以及每一面要测量的扫描线数(Step)；
分析模块用于根据需要提取所需要波段的漫反射信息，并存储所需波段的漫反射信息；
控制模块用于控制样本输送系统及样本旋转系统，可根据需要设置载物台移动苹果的速度及卡盘旋转苹果的速度，校正模块用于对相机进行平场校正，以达到相机成像均匀度一致的目的。
除计算机19外，光源系统、成像系统和样本输送及旋转系统都安装在箱体内，主要是为了避免外界光线进入，减少测量时的误差。
本实施例对所述的散射系统进行验证的方法，包括如下步骤：
(1)对相机进行平场校正。相机存在均匀度不一致问题，使其不能得到真实的漫反射信息，因此在拍摄前需要校正每一像素上对应的波长的光谱响应。
(2)利用3D打印苹果验证系统可靠性。3D打印苹果具有真实苹果一致的吸收和散射特性，根据Haiyan Cen.的Hyperspectral Imaging-Based Spacially-ResolvedTechniques for Accurate Measurement of the Optical Properties ofHorticultural Products(2011年，Michigan state University)设定3D打印苹果的吸收系数、约化散射系数、折射率、各向异性因子，比较利用蒙特卡洛仿真模型仿真其表面漫反射率与高光谱散射系统测量的真实的漫反射率，验证系统可靠性。
本实施例中苹果组织多面漫反射率测量过程如下：
(1)正式实验时，确认相关周边仪器已接线完成，并开启所有电源(相机、位移台与光源)。开启软件后，端视相机联机是否正常，联机正常会有光谱暗噪声跳动的现象。
(2)调焦时可以准备黑白条纹的纸，放纸的高度尽量与将要拍摄的待测物高度(此时将实验所需的待测物高度输入散射系统取像软件中，用于后续利用高度感应模块调节待测物高度)相当，且线条的方向与狭缝垂直，对焦时以此高度的平面作为焦平面。调焦距时请放松镜头固定螺丝，此时镜头才能够旋转。对焦是透过改变像距跟物距的方法来让不在焦距的模糊影像清晰，当影像框黑条纹出现锐化时，该镜头位置为最佳位置。
(3)将样本放置在载物台上，调节旋转刻度盘，使刻度盘的角度为15度，即在光源与成像系统的夹角在15度以内的情况下，移动光源改变光源与成像系统距离，当在散射系统取像模块中Horizontal模式下的Profile出现有一处光强为最大值(该值不得超过饱合值，超过时，可以调整光源强度或是调整曝光时间)，此时光斑落在狭缝正下方，调节滑台，使光斑向左移动1.5mm，即光源和成像系统的距离为1.5mm。
(4)此时散射系统取像模块中界面[Motion]中[Position]的值为待测物的具体位置，根据实验需求设置[Start]、[End]，选择散射测量的起始位置。
(5)在散射系统取像模块中点击[Tools],勾选[Scattering Save]，在该界面Motion下，填写光源与成像系统的距离[Offset],设置换样品等待的时间[Wait],扫描线之间的间隔[Interval],以及每一面要测量的扫描线数[Step]。
(6)在散射系统取像模块中界面的Capture下，盖上镜头盖子进行Dark记录，将需要测量的苹果放在载物台上，利用样本固定卡盘固定样本，再利用所设置高度感应模块自动调节苹果待测面的高度，高度调节完后正式进行漫反射信息的获取。扫描结束后在[Display wave]中查看某一Scan line某一波段下的漫反射信息。
(7)用高光谱散射系统分析模块提取所需要的信息，点击[Mono],选择所需要的[Band]后，点击[Set]，在该界面[Tools]中勾选[Save Mono Image and Value]，储存所需要波段的漫反射信息。
Claims (4)
1.一种获取果实多面漫反射信息的散射系统，包括:
箱体，安装在箱体内的光源系统、成像系统、样本输送系统及样本旋转系统；
所述的光源系统用于提供照射样本的光源；所述的光源系统包括卤钨灯光源、入射光纤、光源调整器；光源调整器用于调节光源入射角度及光源与成像系统的距离；所述光源调整器包括：滑台，旋转刻度盘，支撑架，透镜；旋转刻度盘通过第一支撑架与滑台相连，透镜通过第二支撑架与旋转刻度盘相连，透镜角度通过调节旋转刻度盘改变，透镜通过入射光纤与卤钨灯光源耦合；所述的光源调整器与成像系统的距离为1.5mm，与成像系统的夹角小于15度；
成像系统用于采集光源进入样本内部经散射后在表面的漫反射信息；
样本输送系统及样本旋转系统用于调整样本的位置及带动样本旋转以采集样本多面漫反射信息；所述的样本旋转系统包括固定架、电机、样本固定卡盘；升降台两侧各安装有一个固定架，固定架上安装有驱动样本固定卡盘旋转的电机；
还包括位于箱外的计算机控制系统。
2.根据权利要求1所述的获取果实多面漫反射信息的散射系统，其特征在于，所述的成像系统安装在箱体升降架上，包括依次向下连接的CCD相机、光谱仪及镜头。
3.根据权利要求1所述的获取果实多面漫反射信息的散射系统，其特征在于，所述的样本输送系统包括样本高度感应模块、升降台、电机、联轴器、线性滑轨、载物台；升降台安装在箱体底部，线性滑轨固定在升降台上，电机通过联轴器与线性滑轨的转轴连接，载物台固定在线性滑轨的滑块上；样本高度感应模块包括两个高度传感器，分别通过支架安装在样本两侧，两传感器的高度一致；
所述的样本高度感应模块用于检测不同样本表面和镜头的距离，并将距离信息发送给计算机，计算机控制升降台的运动，使不同样本与镜头的距离保持不变。
4.根据权利要求1所述的获取果实多面漫反射信息的散射系统，其特征在于，所述的计算机控制系统包括安装有高光谱散射系统取像软件的计算机和传输线；高光谱散射系统取像软件包括取像模块，成像模块，控制模块及校正模块；
取像模块用于根据实验需求设置散射测量的起始位置，设置测量参数，包括：光源与成像系统的距离，设置换样品等待的时间，扫描线之间的间隔，以及每一面测量的扫描线数；
分析模块用于根据需要提取所需要波段的漫反射信息，并存储所需波段的漫反射信息；
控制模块用于控制样本输送系统及样本旋转系统，设置载物台移动果实的速度及卡盘旋转果实的速度；
校正模块用于对相机进行平场校正。
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