第四章-食品无损检测：光学特性检测

第四章光学特性检测潘磊庆南京农业大学食品科技学院LOGO단기4353년3월1일2南京农业大学食品科技学院第一节物理光学基础一、光的本性在电磁波谱中:紫外光：波长200-400nm;可见光：波长400-780nm;红外光：波长0.78-1000um。0.78-2.5um——2.5-40um——40-1000um近红外区中红外区远红外区단기4353년3월1일3南京农业大学食品科技学院1．光的单色性单色光：具有单一波长的光。颜色：在可见光区域，不同波长的单色光通过人的视觉器官反映。紫外光和红外光由于不在人眼觉察范围内，无颜色可言。从长段波长开始分别为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。二、光的单色性、偏振性与相关性단기4353년3월1일4南京农业大学食品科技学院人眼对同样功率辐射的可见光的敏感程度不同；在特别情况下(能量加大)，人眼的感受范围可扩大到近红外线(1150nm)和紫外线部分(312.5nm)。단기4353년3월1일5南京农业大学食品科技学院CIE推荐：明视觉光谱光效率曲线(555nm)；暗视觉光谱光效率曲线(510nm)用算术坐标表示形成为两条近似对称的圆滑钟形曲线。단기4353년3월1일6南京农业大学食品科技学院分离单色光：可以从复合光的光谱中将单色光分离出来。常用的方法有棱镜、平面光栅、干涉滤光片、干涉光图等方法。단기4353년3월1일7南京农业大学食品科技学院偏振光的振动方向和传播方向所形成的面称为振动面；和振动方向相垂直而包含传播方向的面称为偏振面。2.光的偏振性光是横波，光矢量E和光的传播方向相垂直。如果光矢量正在一个固定平面内只沿着一个固定方向作振动，这种光称作线偏振光或面偏振光(简称为偏振光)。단기4353년3월1일8南京农业大学食品科技学院自然光是非偏振的，在所有可能的方向上，E的振幅都可看作完全相等。如图4-4所示。在光学实验中，常采用某些装置移去自然光中的一部分振动而获得偏振光。至于纵波，由于振动方向就是传播方向，纵波是没有偏振性可言的。（声波）단기4353년3월1일9南京农业大学食品科技学院3．光的相干性波动是具有叠加性的。光是一种波动，所以两束单色自然光在空间相遇处的E振动，将是各自的E振动的矢量和。相干波必须同频率、同振动方向、同周相或有恒定周相差等条件。只有从同一部分发出的光通过某些装置后，才能获得符合相干条件的两束光。단기4353년3월1일10南京农业大学食品科技学院水滴·肥皂泡·干涉条纹)杨氏干涉条纹薄膜的等厚干涉薄膜的等厚干涉단기4353년3월1일11南京农业大学食品科技学院4．光源发光的物体称为光源。热光源：利用热能激发的光源。例如：白炽灯；단기4353년3월1일12南京农业大学食品科技学院冷光源：利用化学能、电能或光能激发的光源。例如：萤火虫的光就是化学发光的现象；稀薄气体在通电时发出的辉光，就是常见的电致发光；某些物质如碱土金属的氧化物和硫化物等，在可见光或紫外线照射下被激发而发光就是光致发光。단기4353년3월1일13南京农业大学食品科技学院三、光在介质表面的反射、折射及光的吸收1．光的反射定律如图4-5所示，一束平行光沿BA方向照射在垂直表面DE一部分光从表面沿AF方向反射出来；一部分光透过表面改变方向沿AC发生光的折射现象。与AD表面垂直的NN'称为法线。反射定律指出，入射光线与反射光线及法线在同一平面内，并且入射角i与反射角γ相等。단기4353년3월1일14南京农业大学食品科技学院단기4353년3월1일15南京农业大学食品科技学院2．光的折射定律一束平行光由一介质进入另一介质时，将改变其行进方向，这种现象称作光的折射。原因是由于光在不同介质中的传播速度不等。21sinsinvvi단기4353년3월1일16南京农业大学食品科技学院3．光的吸收定律对大多数介质，当光在介质中经过一段距离后，部分光能转化为热能、电能或化学能形式。即：光已被物质吸收。朗伯(Lamber)能量定律给出了光在均匀物质中通过一距离时，到达该处的光能中将有同样比例的能量被该层物质所吸收，数学表达式为:即：dxIdIa/laeII0단기4353년3월1일17南京农业大学食品科技学院四、光与食(农产)品物料的相互作用特点食品与农产品物料的光学特性：指物料对投射到其表面上的光产生反射、吸收、透射、漫射或受光照后激发出其他波长的光等的的性质等。体反射：当一束光射向物料时，大约只有4％的光由物料表面直接反射，其余光入射到物料表层，遇到内部网络结构而变为向四面八方散射的光。大部分散射光重新折射到物料表面，在入射点附近射出物料，这种反射称之为“体反射”。단기4353년3월1일18南京农业大学食品科技学院原理：小部分散射光较深地扩散到内部，一部分被物料所吸收，一部分穿透果实。被吸收的多少与物料的性质、光的波长、传播路径长度等因素有关。对某些物料来说，部分吸收光转化成荧光、延迟发射光等。离开物料表面的光就由如下几种组成：直接反射光、体反射光、透射光和发射光。단기4353년3월1일19南京农业大学食品科技学院단기4353년3월1일20南京农业大学食品科技学院光密度：OD[OD＝lg(I0／Ir)]表示入射光能对透射光能的比值大小。物料的光透过度越低，则光密度越高。Light:Nondestructive단기4353년3월1일21南京农业大学食品科技学院对于某种食品物料，一束平行的入射光I0投射到物料上产生的反射光Ip、透射光Ir、吸收光Ia和发射光Ie的频谱分布和强弱与物料的种类和结构等性质有密切关系，具有强烈的选择性。利用这一原理可用来识别物质。단기4353년3월1일22南京农业大学食品科技学院五、光学特性常用检测模式光学特性检测的模式主要有透射光谱检测和反射光谱检测。透射光谱检测：把待测样品置于光源和探测器之间，探测器所检测的是透过样品的光；反射光谱检测：把探测器与光源置于待测样品的同一侧，探测器所检测的是被样品以各种方式反射回来的光。단기4353년3월1일23南京农业大学食品科技学院1．透射法测定透射光谱检测模式如图4-10和图4-11所示。主要适于清澈透明试样，吸收光程由试样池的透光长度决定，透光能量与试样浓度之间符合朗伯—比尔(Lambere-Beer)定律：clIIA0lg단기4353년3월1일24南京农业大学食品科技学院2.反射法测定按试样表面状态和结构不同有规则反射、漫反射和透入漫反射三种不同情况。可适用于粗糙表面试样、粉末试样等。단기4353년3월1일25南京农业大学食品科技学院단기4353년3월1일26南京农业大学食品科技学院六、食品与农产品的光特性应用(1)缺陷检测缺陷是涉及缺少关于完整性必需的东西，或是出现了有损于完整性的某些东西。如挑剔米粒中的石子和黄黑米粒等。(2)成分分析水分、脂肪、蛋白质、氨基酸、糖分、酸度等化学成分的含量，用于品质的监督和控制。如：近红外光谱分析技术。단기4353년3월1일27南京农业大学食品科技学院(3)成熟度与新鲜度分析果蔬产品成熟度和新鲜度检测，成熟阶段总是与某种物质的含量有密切关系，并表现出表面或内部颜色的不同。综合而言：光学特性检测技术的应用是为了测定品质指标，最终目的是对食品物料进行自动化分级、分类和分选，获得总体质量等级的提高。即从合格物料中剔除缺陷品；按物料中某种成分含量进行分类；把成熟度不同的产品进行分类，以便分别贮藏和销售。단기4353년3월1일28南京农业大学食品科技学院第二节可见光检测可见光检测：最常用的物理方法之一。必要性：食品含有异种异色颗粒、变霉变质粒、机械损伤等传统：人工分选/生产率低、劳动力费用高、容易受主观因素的干扰、精确度低。단기4353년3월1일29南京农业大学食品科技学院优势：①既能检测表面品质，又能检测内部品质，而且检测为非接触性的，非破坏性的，经过检测和分选的产品可以直接出售或进行后续工序的处理；②排除了主观因素的影响，对产品进行全数(100％)检测，保证了分选的精确和可靠性；③劳动强度低，自动化程度高，生产费用降低，便于实现在线检测；④机械的适应能力强，通过调节背景光或比色板，即可以处理不同的物料，生产能力大，适应了日益发展的商品市场的需要和工厂化加工的要求。常用的方法主要有折射法、反射法、透射法和延时发光法等。단기4353년3월1일30南京农业大学食品科技学院(1)颜色的分类和特性颜色可分为非彩色和彩色两大类。颜色是非彩色和彩色的总称。非彩色是白色、黑色和各种深浅不同的灰色。它们可以排列成一个系列，由白色渐渐到浅灰，到中灰，再到深灰，直到黑色，该系列叫做白黑系列。1．色度学基础知识단기4353년3월1일31南京农业大学食品科技学院纯白是理想的完全反射的物体，其光反射率等于1；纯黑是理想的无反射的物体，其光反射率等于0。在现实生活中，并没有纯白和纯黑的物体。氧化镁只能接近纯白，黑绒的颜色接近纯黑。白黑系列代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明度的变化。愈接近白色，明度愈高；反之，愈接近黑色，明度愈低。단기4353년3월1일32南京农业大学食品科技学院단기4353년3월1일33南京农业大学食品科技学院彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。①明度彩色光的亮度愈高，人眼就愈觉得明亮，或者说有较高的明度。彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。단기4353년3월1일34南京农业大学食品科技学院②色调色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光不同波长的辐射视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、蓝等。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射(透射)的各种波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。단기4353년3월1일35南京农业大学食品科技学院③饱和度饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺人白光成分愈多时，就愈不饱和。当光谱色掺人白光成分达到很大比例时，在眼睛看来，它就不再成为一个彩色光，而成为白光了。단기4353년3월1일36南京农业大学食品科技学院物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱的选择程度。物体对光谱某一窄波段的反射率很高，而对其他波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，仅一颜色的饱和度就高。非彩色只有明度的差异，而没有色调和饱和度这两种特性.단기4353년3월1일37南京农业大学食品科技学院(2)颜色方程1854年格拉斯曼(H．Grassman)将颜色混合现象总结成颜色混合定律。①人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。②在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续变化。由这一定律导出两个定律。단기4353년3월1일38南京农业大学食品科技学院a．补色律每一种颜色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当的比例混合，便产生白色或灰色；如果二者按其他比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。例如:黄与蓝，红与蓝绿即为互补色。在混合时，如果比例不对则成为不饱和的彩色，色调偏于过多的一色。단기4353년3월1일39南京农业大学食品科技学院b．中间色律任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相对数量，其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近。例如:红与绿混合产生橙色,蓝与红混合产生紫色。中间色的色调偏于较多的一色，饱和度决定于二色在光谱轨迹中的位置，越近则越饱和。단기4353년3월1일40南京农业大学食品科技学院③颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。即：凡在视觉上相同的颜色都是等效的。由这一定律导出颜色的代替律:颜色方程：(C)≡R(R)+G(G)+B(B)（“≡”号表示匹配，即视觉上相等）(C)代表被混合的颜色；(R)，(G)，(B)分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色；R，G，B分别代表红、绿、蓝三原色的数量(三刺激值)；단기4353년3월1일41南京农业大学食品科技学院(3)三原色定律实验证明，用红、绿、蓝三种基本颜色可以混合出其他各种颜色。