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】
[0001] 本发明设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】
[0002] 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。
[0003] 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'.=μs(l-g)，其中Ws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。
[0004] 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，W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。 阳〇化]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W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 "化201420229142. 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，本申请人使用一个化-化激光器作为光源，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】
[0006] 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。 阳007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一、一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的装置
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 所述光源部分，包括面鹤灯、光源光纤、光纤包覆圆筒、准直镜和光斑缩小装置；光 源光纤的一端与面鹤灯连接，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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 二、一种连续光谱下检测农产品的光学特性参数的方法
[0016] 采用面鹤灯作为连续谱光源，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Rt与总透射率Tt时光源出射口与被测样 品的距离一致，并获得测总反射率Rt与总透射率Tt所需要的不同的参比光谱；通过本装置 测量得到总反射率Rt与总透射率Tt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。与约化散射系数μ'S。
[0017] 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。;约化散射系数μ'S。
[001引获得总反射率Rt与总透射率Τ t的过程是：
[0019] 1)面鹤灯关闭，光谱仪测得暗场光谱，即DA服；
[0020] 2)面鹤灯开启，积分球盖贴紧积分球光束出射口；
[0021] 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； 阳02引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;
[002引W自动控制的被测样品移开，光谱仪测得透射参比光谱，即Tref;
[0024] 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，即化ef; 阳0巧]7)积分球盖复位；
[0026] 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;
[0027] 9)光源移动装置与样品台复位；
[002引总透射率Tt与总反射率Rt的计算公式分别为：
[0029]
[0030]将总透射率Tt、总反射率Rt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。与约化散射系数μ'S。
[0031] 所述各向异性系数g值W化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。
[0032] 本发明具有的有益效果是：
[0033] 本发明使用面鹤灯来取代激光光源，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】
[0034] 图1是积分球系统整体示意图。
[0035] 图2是光源部分示意图。
[0036] 图3是光源部分剖面图。 阳037] 图4是光源移动装置示意图。
[0038] 图5是测总透射光强值T时系统各部分位置示意图。
[0039] 图6是测透射参比Tref光谱时系统各部分位置示意图。
[0040] 图7是测反射参比化ef光谱时系统各部分位置示意图。
[0041] 图8是测总反射光强值R时系统各部分位置示意图。
[00创图9是3种g值迭代计算得到的μ'准（全谱）图。
[00创图10是3种g值迭代计算得到的μa值（全谱）图。
[0044] 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、面鹤灯；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】
[0045] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0046] 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。
[0047] 如图1、图2、图3所不，所述光源部分1，包括面鹤灯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的一端与面鹤灯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。
[0048] 光斑缩小装置105的端面上贴有一张开有小孔的厚侣锥，用W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 阔或其他小孔装置）。
[0049] 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