CN109884030A - 一种利用激光的食品/药品安全识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光的食品/药品安全识别装置，该装置包括：激光发射部件，用于发射预定频率的激光；多个聚焦透镜，用于将所述预定频率的激光聚焦后照射在待测食品或药品的不同层面的多个不同位置上；具有纳米级表面结构的基板，用于承载待测食品或者药品；光学信号采集器，用于采集待测食品或药品、基板反射的光信号；光谱产生器，用于基于待测食品或药品、基板反射的光信号形成光谱图像；光谱处理器，对所形成的图像进行空间转换，基于空间转换后的结果进行外部包装与内部待测食品或药品的光谱分离；光谱识别器，基于所分离的光谱确定包装成份以及内部食品或者药品的成份，通过本发明，能够便捷地、快速地对食品/药品进行安全识别。

Description

一种利用激光的食品/药品安全识别装置

技术领域

本发明涉及食品安全技术领域，尤其涉及一种利用激光的食品识别装置。

背景技术

食品和药品安全直接关系着我们的健康和生命安全，但问题食品和假冒药品不断出现在市场上，人们在购买时很多时候难以辨别，人们需要一种方便、有效而且快速的检测手段，能够获得检测结果，以放心购买。

拉曼光谱技术是一种基于拉曼效应的有效的检测分析手段。拉曼效应是指一定频率的激光照射到待测食品或药品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出组成物质的分子的种类。自1928年印度科学家拉曼发现拉曼现象以来，经过几十年来科学家共同的努力，拉曼光谱技术得到了极大的发展。基于拉曼现象设计的拉曼光谱仪性能不断提升，具有很大的实际应用价值。这种激光技术作为一种无须待测食品或药品先进行处理，灵敏度相对较高，分析测试快速便捷。传统的拉曼光谱仪体积较大，内部结构精密，造价昂贵，需要放置在光学平台上，对使用环境要求较高，不仅分析成本相对较高，也不方便携带，不适合推广应用。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。本发明的一个方面，提供了一种利用激光的食品或者药品安全识别装置，该装置包括：激光发射部件，用于发射预定频率的激光；多个聚焦透镜，用于将所述预定频率的激光聚焦后照射在待测食品或药品的不同层面的多个不同位置上；具有纳米级表面结构的基板，所述纳米级表面结构包括多个列或者多个孔，用于承载待测食品或者药品；光学信号采集器，用于采集待测食品或药品、基板反射的光信号；光谱产生器，用于基于待测食品或药品、基板反射的光信号形成光谱图像；光谱处理器，对所形成的图像进行从光谱强度-波长到光谱强度-位移的空间转换，基于空间转换后的结果进行外部包装与内部待测食品或药品的光谱分离；光谱识别器，基于所分离的光谱确定包装成份以及内部食品或者药品的成份。

可选的，所述光学信号采集器包括：显微镜头、聚焦透镜、准直透镜，其中显微镜头用于收集待测食品或药品、基板散射的光信号；聚焦透镜、准直透镜分别将所述收集的光信号进行聚焦、再转换为平行光投射到光谱产生器上。

可选的，所述光谱产生器为反射衍射光栅，所述反射衍射光栅按照不同的波长进行色散，形成光谱。

可选的，所述光谱产生器包括：微反射镜列，用于将所述光谱中不同波长的光进行分离；传感器，用于测量分离的各波长的光的强度，形成模拟光谱数据，模数转换器，用于将模拟光谱数据进行转换，生成数字光谱数据。

可选的，所述光谱处理器包括：图谱域转换单元，用于将光信号强度和波长空间转换为光信号强度与光位移空间；波段图像提取单元，用于提取激光点及邻域的波段图像；图像信息分离单元，用于分离外部包装、内部食品图像信息。

可选的，所述光谱识别器，将所分离的光谱与预先存储的光谱模型进行比较，根据比较结果确定食品或药品是否含有预定成份或者预定成份的含量是否超过预定阈值。

可选的，该装置的激光发射部件容置在直线管内。

可选的，所述激光发射部件、多个聚焦透镜、光学信号采集器、光谱产生器、光谱处理器、光谱识别器自下而上设置，均容置在一个腔体内，在腔体上设置激光灯开关按钮，所述激光灯开关按钮用于控制激光发射部件。

可选的，该装置还包括音频转换部件，用于将识别结果转换为语音输出。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：便于手持和随身携带，能够对带包装的食品或者药品直接进行检测，而且不需要对待测食品或者药品进行提前处理，也不需要检测后等待很长时间出结果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明提出的安全识别装置的结构图；

图2示出了一种具体实施方式的安全识别装置的布置图；

图3示出了一种具体实施方式的工作流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的一个方面，提供了一种利用激光检测食品或者药品的装置，如图1所示，该装置包括：激光发射部件01，用于发射预定频率的激光；聚焦透镜02，用于将所述预定频率的激光聚焦后照射在待测食品或药品的不同层面的多个不同位置上；具有纳米级表面结构的基板00，所述纳米级表面结构包括多个列或者多个孔，用于承载待测食品或者药品；通过实验证明，采用这种结构的基板能够增强散射光，且能够避免背景对测试结果的影响。光学信号采集器10，用于采集待测食品或药品、基板反射的光信号；光谱产生器20，用于基于待测食品或药品、基板反射的光信号形成光谱图像；光谱处理器30，对所形成的图像进行从光谱强度-波长到光谱强度-位移的空间转换，基于空间转换后的结果进行外部包装与内部待测食品或药品的光谱分离；光谱识别器40，基于所分离的光谱确定包装成份以及内部食品或者药品的成份。在具体测试时，将待测食品或者药品放置在纳米基板上。通过手持该装置，对待测的食品或者药品进行激光照射，同时对激光点位置附近一定范围内进行图像采集。本发明可通过手持移动该装置，对不同层面、不同位置进行照射，以获取多个不同位置的图像。

为了限定多个不同的被测位置，在激光发射部件的下方设置聚焦透镜02，聚焦透镜02能够将激光发射部件发射的激光汇聚到待测位置上。作为一种更优的方式，可在聚焦透镜的下方设置狭缝，狭缝能够有效减小杂散光的干扰，又能限定被测位置的大小。

激光发射部件用于产生激光，在本发明中，优选长波长设计，由于波长越短，荧光的干扰越大，处理的难度也越高，所以选择长波长的激光器更适合用于食品和药品等荧光背景较强的待测食品或药品检测。作为一种优选实施方式，该装置的激光发射部件容置在直线管内。

在本发明中，为了滤除杂散光以及瑞丽光，在上述聚焦透镜的下方安置双向分光片03，一方面该双向分光片03将聚焦透镜02汇聚的激光投射至一显微镜头04，一方面将通过显微镜头04采集的光信号反射至光信号采集装置10，所述光信号采集装置具体包括聚焦透镜、准直透镜；其中，聚焦透镜、准直透镜分别将所述收集的光信号进行聚焦、再转换为平行光投射到光谱产生器上。由于拉曼散射信号较弱，所以需要尽可能地排除其他杂散光对信号的干扰，提高系统的信噪比。本发明通过显微镜头能够进行散射信号的采集，显微镜头的采用能够解决拉曼光谱不容意采集以及采集不准确的技术问题，同时利用显微镜头将滤除瑞丽光的激光照射在待测食品或者基板上的不同位置上。

所述光谱产生器包括反射衍射光栅，所述反射衍射光栅按照不同的波长进行色散，形成光谱。反射衍射光栅的工作原理是利用多缝衍射和干涉作用，将入射过来的光束按照不同的波长进行色散，形成光谱。所述光谱产生器还包括：微反射镜列以及探测器，其中所述微反射镜列用于将所述光谱中不同波长的光进行分离，从而得到完整谱图；所述微反射镜列是由很多微小的镜片组成，微反射镜列是依靠反射光线工作的。光谱在微反射镜列上成像后，通过控制微反射镜阵列中不同列的偏转角度，可以选择光谱中不同波长的光依次进入探测器，最终得到完整谱图；探测器能够分时测出不同波长的信号强度，最后形成完整的光谱。探测器，用于测量分离的各波长的光的强度，形成模拟光谱数据，通过模数转换器，将模拟光谱数据进行转换，生成数字光谱数据。

所述光谱处理器包括：图谱域转换单元，用于将光信号强度和波长空间转换为光信号强度与光位移空间；图像提取单元，用于提取激光点及邻域的波段图像；图像信息分离单元，用于分离外部包装、内部食品图像信息。

所述光谱识别器，将所分离的光谱与预先存储的光谱模型进行比较，根据比较结果确定食品或药品是否含有预定成份或者预定成份的含量是否超过预定阈值。

作为一种具体实施例，安全识别装置的工作流程如下：

步骤如下：

a、将待检测食品放置在拉曼散射点光源图像采集系统中，采集并获取在n个不同位置的图像矩阵，每个图像均包含激光源在3个不同的波长下，在待测食品上形成的以激光点为中心及距离激光点不同距离的点组成的一条线。

b、将n个不同位置的图像矩阵取均值，得到均值矩阵Mavg。将图像中强度-波长的空间转换到强度-光谱峰值位移的空间，波长到位移的转换公式利用每个图像矩阵中的那条线的相关性通过转换公式实现：

其中，λ0表示激光激发光谱产生的基准波长，仪器基础设定是785nm，程序中设定最大值点对应的波长；λi表示第i个点的散射光波长，M_S既是得到的光谱谱峰位移矩阵。

c、提取感兴趣的区域:如果第25行是激光点的位置，则提取Mavg矩阵的第25行的100到800列的矩阵，这个位置的矩阵产生的光强最强，包含信息量最丰富，根据所提取的图像数据部分，得到一向量矩阵MRS。

以向量矩阵MRS为纵轴、光谱峰值位移矩阵RS为横轴组成强度-位移空间，从强度-位移空间中选取峰峰值，并且返回均值矩阵Mavg中选择拉曼峰随激光点不同距离的变化矩阵P。

d、将步骤c所得的拉曼峰随激光点不同距离的变化矩阵P进行归一化，得到矩阵Pnorm，：

其中，Pmin是P矩阵中的最小值，Pmax是P矩阵中的最大值，Pnorm是归一化后的矩阵。

将Pnorm输入预先建立的预定食品、包装检测模型进行检测处理，通过残差分析，获取光谱峰值是由表层包装物质产生或内部物质产生的判断结果。

在步骤d中，预先建立检测模型包括：

(1)选取包装、食品、包装食品三种样本，将样本放置在拉曼散射点光源图像采集系统中，采集并获取分层样本在不同位置的拉曼图像；

(2)将分层样本中只属于表层或外包装产生的拉曼峰和只属于内部物质产生的光谱，随激光点不同距离的强度变化归一化处理后，进行高斯拟合建模，其模型形式为：

其中，x为归一化后均匀分布的横坐标点；

(3)对于采集数据点{x_i,y_i}，(i＝1,2,3,...N)进行拟合，其中，x_i为归一化后的第i个横坐标点，y_i为归一化后波峰随激光点位置变化的第i个点。拟合时乘以幅度常数A，得

到准则函数为：

(4)对准则函数求解，得到对应参数估计σ2、μ、A，将参数带入步骤(2)的模型中，建立检测模型。

e、从步骤d中得到包装覆盖食品混合光谱中所有峰的归属，提取出只属于内部食品的拉曼光谱信息，直接用光谱分析对食品的品质进行评价。

预先存储的模型需要提前建立，建立步骤如下：

(1)选取包装、食品、包装食品三种样本，将样本放置在基板上，采集并获取分层样本在N个不同位置的光谱图像，N优先选择10；

(2)将分层样本中只属于包装和只属于食品产生的波峰随激光点不同距离的强度变化归一化处理后，进行高斯拟合建模；

(3)对于采集数据点{xi,yi}，i＝1,2,3,...N进行拟合，并在拟合时乘以幅度常数A，得到准则函数；

(4)根据准则函数确定高斯拟合所建模型的具体参数，从而建立包装以及内部食品检测模型。

所述模型数据存储在数据库中，所述数据库可以进行数据的添加和删减，所述数据库中包含常见的食品、药品、添加剂、化学试剂、有毒物品的光谱数据。光谱处理器能够分析检测得到的数据并与所述数据库中已有数据进行比对，最后将检测结果反馈到液晶显示屏或者通过语音的方式进行播报。作为可选择的方式，本发明提出的装置还包括液晶显示屏或者/和音频转换部件以及播放部件。

作为一种具体实施方式，所述激光发射部件、多个聚焦透镜、光学信号采集器、光谱产生器、光谱处理器、光谱识别器自下而上设置，均容置在一个腔体内，在腔体上设置激光灯开关按钮50，所述激光灯开关按钮用于控制激光发射部件，在另一侧设置识别开关，识别开关用于控制电路板(包括信号采集装置10、光谱产生器20、光谱处理器30、光谱识别器40)的通断电，在装置的上部设置识别结果语音播放装置60、电池70，在电池的外侧可设置识别结果液晶显示部件，在装置的顶部设置充电口80。该实施方式的装置小巧、便于携带和随时手持检测。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：便于手持和随身携带，能够对带包装的食品或者药品直接进行检测，而且不需要对待测食品或者药品进行提前处理，也不需要检测后等待很长时间出结果。

本发明的一个具体实施方式如下：

食品或者药品待测食品或药品A置于基板上，激光器产生985nm的激光通过准直透镜准直，以45°的角度入射并穿过双向分色镜，再经过显微镜头照射到待测食品上，待测食品产生拉曼散射光，其波长与入射激光的波长不同，同时也产生大量的瑞利散射光，其波长与入射激光波长相同。显微镜头收集待测食品或药品A产生的拉曼散射光和瑞利散射光，同样以45°的角度入射到双向分色镜，此时，瑞利散射光与激光波长相同，将在双向分色镜上发生透射，不进入后边光路，而波长发生改变的拉曼散射光在双向分色镜上发生反射，以45°角射出，经过聚焦透镜聚焦到狭缝，狭缝的作用是减小杂散光的影响，聚焦透镜能够将信号光聚焦到狭缝当中，此外，狭缝的宽度决定了光谱的分辨率。

狭缝出来后的光经第二准直透镜准直后照射到反射衍射光栅，反射衍射光栅可以根据波长的不同进行色散，形成光谱由成像聚焦透镜聚焦到微反射镜列。微反射镜列起到波长选通的作用，由于单元InGaAs探测器不能同时接收整个光谱，所以利用微反射镜列分时按照波长从短到长依次将光谱中不同波长的光反射到探测器中，当选择反射985nm波长的光时，微镜阵列对应985nm波长的一列或者几列微镜将发生+12°的偏转，入射光在这个角度下恰好能反射进入单元InGaAs探测器，而非985nm波长光对应的微镜阵列将发生-12°的偏转，将光线以其他角度射出，不进入单元InGaAs探测器，经过多次反射不同的波长的光，最终拼成完整的谱图。

单元InGaAs探测器12将模拟信号输出，经模数转换器13转换为数字信号输入到微处理器14，微处理器14能够将检测到的数据与数据库中的数据对比，数据库包含常见的食品添加剂、化学试剂、毒品、药品等的光谱数据用于分析对比，且可以不断更新添加新数据，若检测到的物质与数据库中现有的数据(如苏丹红等)匹配，光谱处理器根据光谱数据分析出其含量，最后将检测结果输出显示到显示液晶屏上或者音频转换部件上。

本发明专用于食品和药品的检测，过程快速准确，对待测食品或药品无损，不需要放置在专用的光学平台上，对使用环境要求较低，能够推广使用。

在本发明中，还提供另一种实施方式的利用激光的食品安全性检测装置，该装置包括：壳体，激光发射部件，用于发射预定频率的激光；聚焦透镜，设置在激光发射部件下方，用于将所述预定频率的激光聚焦后照射在待测食品上，使待测食品表面气化产生等离子体；等离子体容置腔，由壳体下端内凹形成，用于罩住激光照射的位置；离子光反射片，用于反射由等离子体反射的光；光学信号采集器，用于采集等离子体反射的光信号；光谱产生器，用于基于所述光信号形成光谱图像；光谱识别器，基于所述光谱图像确定食品是否含有预定成份并判断是否安全。

利用上述实施例中的装置的工作流程，如图3所示，如下：

S1.通过激光发射部件产生激光；

S2.通过自动调焦单元进行自动调焦，使激光通过聚焦透镜形成聚焦激光；

S3.聚焦激光击打在待测食品表面气化产生激光诱导等离子体；

S4.光学信号采集器从离子光反射片采集其反射的光信号；

S5.光谱产生器根据所述光信号形成光谱；

S6.光谱识别器根据将所述形成的光谱与预先存储的光谱进行比对，从而确定待测食品所含的各预定成份的含量并判断是否安全。

与前面的实施方式相比较，该实施例主要是采集等离子体形成的光谱，因而不需要进行不同层的激光照射和光信号采集，而是保证激光的功率，使得待测食品表面能气化，诱导出等离子体以及，光路中包括有离子光反射片，以能够采集离子光。本实施例能更大程度上提高检测的准确性。

在该实施方式中，利用等离子体的光谱特性进行食品的成份的判断，可以非常快速地进行食品的安全性识别。

本发明所提供的装置针对水果和蔬菜的农药残留物质检测，可以无视湿润等恶劣环境，在不对物品产生损坏的情况下，快速的检测出果蔬的农药残留物质，就算是混合残留也可以清楚的表示出来，具有超高的灵敏度。可对伪造、劣质食品进行检测，比如酒、蜂蜜和食用油，还有变质食品等，通过激光检测系统，来分析比如酒类的酒曲光谱变异性，或者蜂蜜、食用油类的分子物质是否纯碎，还有食物变质后的一些分子变化等；还可用于生鲜肉的质量检测，肉类的组成一般有动物蛋白和脂肪等这几个重要成分组成，激光检测分析动物蛋白和脂肪的浓度和分配情况，从而判断生鲜肉的质量等级。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims (9)

1.一种利用激光的食品/药品安全识别装置，其特征在于，该装置包括：激光发射部件，用于发射预定频率的激光；多个聚焦透镜，用于将所述预定频率的激光聚焦后照射在待测食品或药品的不同层面的多个不同位置上；具有纳米级表面结构的基板，所述纳米级表面结构包括多个列或者多个孔，用于承载待测食品或者药品；光学信号采集器，用于采集待测食品或药品、基板反射的光信号；光谱产生器，用于基于待测食品或药品、基板反射的光信号形成光谱图像；光谱处理器，对所形成的图像进行从光谱强度-波长到光谱强度-位移的空间转换，基于空间转换后的结果进行外部包装与内部待测食品或药品的光谱分离；光谱识别器，基于所分离的光谱确定包装成份以及内部食品或者药品的成份。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述光学信号采集器包括：显微镜头、聚焦透镜、准直透镜，其中显微镜头用于收集待测食品或药品、基板散射的光信号；聚焦透镜、准直透镜分别将所述收集的光信号进行聚焦、再转换为平行光投射到光谱产生器上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征还在于，所述光谱产生器为反射衍射光栅，所述反射衍射光栅按照不同的波长进行色散，形成光谱。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征还在于，所述光谱产生器包括：微反射镜列，用于将所述光谱中不同波长的光进行分离；传感器，用于测量分离的各波长的光的强度，形成模拟光谱数据，模数转换器，用于将模拟光谱数据进行转换，生成数字光谱数据。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征还在于，所述光谱处理器包括：图谱域转换单元，用于将光信号强度和波长空间转换为光信号强度与光位移空间；波段图像提取单元，用于提取激光点及邻域的波段图像；图像信息分离单元，用于分离外部包装、内部食品图像信息。

6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征还在于，所述光谱识别器，将所分离的光谱与预先存储的光谱模型进行比较，根据比较结果确定食品或药品是否含有预定成份或者预定成份的含量是否超过预定阈值。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征还在于，该装置的激光发射部件容置在直线管内。

8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征还在于，所述激光发射部件、多个聚焦透镜、光学信号采集器、光谱产生器、光谱处理器、光谱识别器自下而上设置，均容置在一个腔体内，在腔体上设置激光灯开关按钮，所述激光灯开关按钮用于控制激光发射部件。

9.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征还在于，该装置还包括：液晶显示屏，用于显示识别结果；或者/和：音频转换部件，用于将识别结果转换为语音输出。