一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测方法与检测系统

本领域属于光学领域，涉及到一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测方法与检测系统，采用格雷码作为模板，利用相关算法计算得到待测样品的三维轮廓信息与深度信息。

背景技术：

1、光学分辨率存在衍射极限的限制，在空间中位置靠得很近的两个点，无法被光学系统分辨，其影响了水果微损伤检测的效果。例如，在果品表皮下有轻微损伤，但是在水果表面看不到损伤痕迹，研究人员一直在努力研究超分辨识别显微的办法，相关技术主要包括以下几种成像方法：

2、(1)基于荧光淬灭的受激发射损耗显微技术：通过将光斑外围的光晕淬灭，实现超分辨成像，分辨率可达到10-20nm。该方法需要很强的光毒性才能实现，会对样本造成严重的光损伤，而本发明的待测对象为水果，需要达到无损检测，同时不需要这么高的精度。

3、(2)随机光学重建显微：通过随机点亮部分荧光分子，实现精确的荧光定位，然而该方法需要拍摄上百张图像才能重建一张超分辨图像，严重降低成像速度，同时要求特殊的荧光蛋白，不适用于水果微损伤检测领域。

4、(3)结构光超分辨显微技术：通过结构光技术，可以将传统光学极限分辨率扩展一倍，同时结构光技术光毒性较弱，果品检测无损伤，是目前水果微损伤检测的最有效技术之一。

5、结构光三维传感技术具有非接触、精度高、测量速度快、信息容量大以及测量简单等优点，已被广泛应用于生物医学、工业检测、3d模型建构等领域。其原理采用投影仪投射具有编码信息的结构图案到待测物体上，ccd相机记录编码图案进行解码，还原物体的三维信息。目前，结构光三维传感技术也被用于水果检测，克服了水果微损伤检测的难题。由于其非接触检测的特点，可实现对水果的无损检测；精度高及测量速度快克服了过往人工检测检测速度慢，耗时久的难题。现有的水果表面损伤检测都存在一些不足：

6、(1)测量时，采用的是接触式测量，会对果品表面造成损失。

7、(2)果农人工肉眼观察损伤果，效率低下，耗时久。

8、(3)人眼精度低，将微损伤果归为正常果。

9、本发明正是基于上述背景下提出，旨在提供一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测方法与检测系统，以克服以上缺陷。

技术实现思路

1、本发明旨在一定程度上解决上述相关技术的技术问题。

2、本技术的第一个目的在于提出一种基于pancharatnam-berry相位的贝塞尔光束生成系统，解决了后续水果微损伤检测系统所需贝塞尔光的生成问题。其特征在于：光源2发射光，经过准直系统3 进行扩束，过格兰激光偏振镜4、四分之一波片5组成的偏振控制系统获得左旋圆偏振光，到达平面轴棱锥透镜6形成贝塞尔光束，入射进空间光调制器7进行调制：根据实验目的，调控所需的振幅、折射率等光学参数。

3、本发明利用基于pancharatnam-berry相位设计的超表面平面轴棱锥透镜6来产生贝塞尔光束。传统的轴棱锥透镜能将入射光场转化为贝塞尔光束是因其厚度沿径向变化，当光场通过它会获得一个径向变化的相位，而超表面通过控制其微结构单元的几何形状与空间分布理论上可以使入射广场获得任意相位。本发明采用在石英硅玻璃中写入微纳米波片对光场偏振态进行操控，从而使入射光场获得想要的pancharatnam-berry相位。

4、pancharatnam-berry相位是一类与光场偏振态改变有关的几何相位，具有自旋相关的特性。飞秒激光可以在石英玻璃中诱导产生的形式双折射，双折射的大小可以通过激光的强度和偏振等进行控制。在玻璃按事先设计好的空间分布写入微纳米量级的波片实现对光束横截面内偏振的操控，从而使光场获得所需的空变pancharatnam-berry相位。

5、本技术的第二个目的在于提出一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测系统，解决了现有水果表面损伤检测精度低的问题，通过贝塞尔光束本身无衍射，通过障碍物可自己复原的特性，解决了测量物体表面光信息丢失的问题；通过结构光系统扩展两倍频谱探测范围，提升空间分辨率，提高成像准确度。

6、本技术的第三个目的在于提出一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测方法。

7、为达上述目的，本发明提出一种基于贝塞尔光束的水果微损伤检测方法与检测系统：控制系统1、光源2(he-ne激光器)、准直系统3、格兰激光偏振镜4、四分之一波片5、平面轴棱锥透镜6、空间光调制器7、光纤8、投影仪9、偏振片10、ccd相机11、液晶可调谐滤波器12、透镜13、ccd相机 14、液晶可调谐滤波器15、透镜16和样品台17。其中，光源2(he-ne激光器)、准直系统3、格兰激光偏振镜4、四分之一波片5、平面轴棱锥透镜6组成的贝塞尔光束生成系统发射贝塞尔光传输到投影仪9到达结构光系统；结构光系统由投影仪9、偏振片10、ccd相机11、液晶可调谐滤波器12、透镜13、ccd相机14、液晶可调谐滤波器15、透镜16、样品台17组成，该系统功能为：投影仪9将前述贝塞尔光束编码投影到样品台对待测样品编码；由ccd相机11、液晶可调谐滤波器12、透镜13、 ccd相机14、液晶可调谐滤波器15、透镜16组成的双目系统用于记录样品的调制图像；控制系统1 用于获取双目系统记录的多个调制图像，并通过三维重建算法实现三维成像。

8、本发明采用格雷码作为调制图案，格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，因此可达到错误最小化的目的。

9、光源2(he-ne激光器)、准直系统3、格兰激光偏振镜4、四分之一波片5、平面轴棱锥透镜6、空间光调制器7组成的贝塞尔光束生成系统发射贝塞尔光，经过光纤8到达投影仪9，发出投影光，在经过偏振片10偏振后，到达样品台17对样品进行调制，经两路反射，第一路反射光依次经过透镜 13和液晶可调谐滤波器12到ccd相机11；第二路反射依次经过透镜16和液晶可调谐滤波器15到ccd 相机14；两路编码光在对应ccd相机处成像，最终在控制系统1解调获取实际图像。

10、进入ccd相机11、14上分别呈现样品台上待测样品图像，利用相关算法，采用格雷码作为模板，对样品台17上的样品进行调制，最后通过控制系统1解调图像，达到快速获取待测样品物理信息的目的。

11、进入ccd相机11，在ccd上形成清晰的像，通过控制系统1对该图像进行处理，以获取待测样品的三维轮廓信息与深度信息。

12、进入ccd相机14，在ccd上形成清晰的像，通过控制系统1对该图像进行处理，以获取待测样品的点云图便于划分瘀伤区域。

13、本发明的技术解决问题是：针对水果的微损伤检测问题，提出利用贝塞尔光作为调制光；利用结构光三维传感技术获得待测水果的三维点云轮廓图，依据轮廓大小划分水果品级；利用图像分割相关算法划分出损伤区域。

14、本发明与现有技术相比有以下优点：

15、(1)本发明提出提出一种基于pancharatnam-berry相位的贝塞尔光束生成系统，解决了贝塞尔光束的生成问题，同时可通过改变频率来更改后续入射编码光的波长。

16、(2)本发明提出采用贝塞尔光作为编码光，贝塞尔光束本身无衍射，通过障碍物可自己复原的特性，解决了测量物体表面光信息丢失的问题。

17、(3)本发明提出采用结构光三维传感技术，使用格雷码编码，利用相关算法获取待测水果的三位轮廓信息，该方法具有非接触、精度高、测量速度快、图像深度信息准确的优点。

18、(4)本发明提出采用阈值分割相关算法划分水果的三维点云图，利用灰度差异划分出损伤区域，该方法具有精度高、测量速度快的优点。