食品物性學-光學

食品的光學性質色度學基礎

食品光學測定原理

食品光學性質的應用

應用實例

4123主要內容1）光度與光通量（luminosityandluminousflux)光度是表示光輻射照度產(chǎn)生光感的程度，但由于在通常范圍內，光度的大小與輻射照度成正比，并適合加法定律，因此可以借用計算機輻射照度的方法計算光度。對于波長為λ1~λ2的連續(xù)光譜，有：1.與食品光學性質相關的基本物理量一色度學基礎

式中，k為常數(shù)，Vλ為光譜光視效率；Eλ為光譜強度；Φ為光通量，其單位為流明（lm,Lumen）。1.與食品光學性質相關的基本物理量2）照度（illumination）表示某一受光點單位面積的光通量，單位為lm/m2，或表示為：式中：Φ為光通量；A2為受光面積；E為照度。3）光出射度（luminousemittance）光出射度表示某發(fā)光點單位面積的發(fā)光光通量，符號為M，單位為lm/m2，表達式為：式中，Φ為光通量；A1為受光面積.一色度學基礎1.與食品光學性質相關的基本物理量4）發(fā)光強度（luminousintensity）發(fā)光強度定義為從某個光源或光源的一個元素發(fā)射出包含該方向在內的一個無限小角錐中的光通量dΦ與該小角錐立體角dΩ1的商，符號為I，單位為lm/sr，或cd，其表達式為：式中，Φ為光通量；Ω1為錐體角。5）亮度（luminance）亮度指發(fā)光體單位面積在制定方向的明亮程度。設發(fā)光體表面積為A，觀測方向的發(fā)光強度為I，發(fā)光體表面法線與觀測方向夾角為θ，則亮度（符號為L）定義為：一色度學基礎2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉換1）顏色的表色系統(tǒng)介紹1931年國際發(fā)光委員會（CIE，InternationalCommissiononIllumination）建立了兩種表色系統(tǒng)，簡稱為表色系。一種為RGB表色系統(tǒng)，一種為XYZ表色系統(tǒng)。RGB表色系統(tǒng)：波長為700.0nm的紅光（R），波長為546.1nm的綠光（G）和波長為435.8nm的藍光（B），圖像處理中使用的其它表色系統(tǒng)一般都是從RGB表色系統(tǒng)轉換而來的。人們將RGB值經(jīng)歸一化形成rgb（色品坐標），其關系式如下：②XYZ表色系統(tǒng)

CIE-XYZ表色系統(tǒng)又稱為CIE1931標準表色系統(tǒng)，是以三個假象的原色X、Y、Z建立起來的一個新色度系統(tǒng)，可以由RGB表色系統(tǒng)轉換得到。在此系統(tǒng)中可以用色品坐標確定顏色（如下式），因此在食品及農產(chǎn)品顏色檢測中具有極高的使用價值。一色度學基礎2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉換③CIEL*a*b*表色系統(tǒng)

可由CIE-XYZ轉換得到，L*a*b*表色空間又稱為獨立色坐標，它是把顏色按其所含紅、綠、黃、藍的程度來度量的。一色度學基礎2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉換2）顏色系統(tǒng)的相互轉換①RGB與CIE-XYZ的轉換RGB值與XYZ值為線性齊次函數(shù)，則可用下式表示：

X=a11R+a12G+a13RY=a21R+a22G+a23GZ=a31R+a32G+a33B不同圖像采集系統(tǒng)上述表達式中的九個系數(shù)會不相同，為了求得這些系數(shù)，需要有實測樣本數(shù)據(jù)。農產(chǎn)品的顏色種類很多，因此要設計食品及農產(chǎn)品顏色測試系統(tǒng)，為使該系統(tǒng)可以測試各種顏色，要求樣本集合應由各種顏色組成。2）XYZ與CIE1976L*a*b*之間的轉換

在CIE1976L*a*b*表色系統(tǒng)中，對應的變換關系為：當X/Xn＞0.008856時：X*=(X/Xn)1/3Y*=(Y/Yn)1/3Z*=(Z/Zn)1/3當X/Xn＜0.008856時：一色度學基礎3.光的吸收、反射、散射和色散1）光的吸收光通過任何介質都有不同程度的被吸收。物質對光的吸收有選擇性，同一介質對不同波長（不同顏色）光的吸收程度不等。介質吸收光能，引起介質中電子的受迫振動，進而轉化為其他形式的能。朗伯定律（如下式）可以得到光強和介質厚度的關系。I=I0e-αλx上式中，I、I0分別表示出入射光強，x為介質厚度，λ為波長。對于選擇吸收的物質來說，在吸收波段內，αλ值可以很大，αλ值越大，表示吸收越強。當介質總厚度x=1/αλ時，由上式得：I=I0/e≈I0/2.72也就是說，厚度為1/αλ的介質層，可使光強減弱到原有光強的1/2.72.對于稀溶液，則上式可改為：I=I0e-kicx一色度學基礎3.光的吸收、反射、散射和色散2)光的反射

當光從一種介質進入另一種介質時，一部分被反射，另一部分穿入。反射多少視兩種介質折射率的比率而定，此外，還依賴于入射角度，這種關系可由菲涅爾公式闡明。式中，θ為入射角，φ為折射角；下標S表示垂直于入射面的電場分量，P表示在入射面內的電場分布；Rs、Rp為反射光的電場分量；Es、Ep為入射光的電場分量。一色度學基礎3.光的吸收、反射、散射和色散3）光的散射

當光波投到細小質點上時，根據(jù)惠更斯原理，從質點表面上各點激發(fā)次級子波，進而形成同樣波長的光波向各方向散開，這種現(xiàn)象稱為光的散射現(xiàn)象。根據(jù)光的電磁原理，次波振幅A與其波動頻率v的平方成正比，次波光強I又與振幅A的平方成正比，同時頻率V與波長λ成反比。4）光的色散

白光通過玻璃三角棱鏡后，出現(xiàn)彩色光帶，稱為光的色散現(xiàn)象，這是由于不同的光具有不同波長。為了表征介質折射率因波長不同而變化的程度，引入色散率η這個概念，并且定義：介質色散率的量值等于介質折射率對波長的變化率。一色度學基礎4.標準光源及觀測條件1）標準光源CIE推薦了五種標準照明體：標準照明體A：代表色溫為2856K的完全輻射體。CIE規(guī)定用分布溫度2856K的充氣鎢絲燈來實現(xiàn)標準照明體A。標準照明體B：代表相關色溫大約為4874K的直射陽光，CIE規(guī)定用A光源添加一組特定的DG濾光器。標準照明體C：代表相關色溫大約為6774K的平均日光，CIE規(guī)定用A光源添加一組特定的DG濾光器。標準照明體D：代表各時段日光的相對光譜功率分布。CIE在1967年建議采用D65作為標準光源，它相應于色溫6504K的白晝光。標準照明體E：將在可見光波段內光譜輻射功率為恒定值的光刺激定義為標準照明體E，也稱為等能光譜或等能白光。一色度學基礎4.標準光源及觀測條件2）觀測條件四種測色的標準照明和觀察條件一色度學基礎根據(jù)比爾定律，溶液的某特定波長的光密度（D）正比與吸光物質濃度和它在該波長時的吸收系數(shù)。D=log(I1/I2)=αλb/2.303=kλcb/2.303

式中，b為光程或光穿過的介質厚度；kλ為吸收系數(shù)。其中吸收系數(shù)kλ單位為cm2/mol，當采用m2/mol為單位時，稱為摩爾吸收系數(shù)。

設Aλ1和Aλ2是式樣在兩個波長λ1和λ2時的D值，和分別為樣品中某待測成分對應于波長λ1、λ2的D值。和分別為樣品中其它成分相應的D值。則：1.利用透光特性的測定當選擇合適波長λ1、λ2時，使=，則：顯然，這時避免了其它成分引起的測量誤差。二、食品光學測定原理2.反射光特性的測定與透過光相類似，我們同樣可以定義反射率，為反射光強度，為入射光強度。反射光密度的定義式為：反射光特性的測定與投射光的測定類似，也利用反射光密度差來進行。兩個待定波長的反射光密度差為△

：式中，R1和R2分別為兩個特定波長的光對物體表面的反射率。二、食品光學測定原理1、光透過特性的測定方法和應用1）測定裝置

檢測食品的光透過特性或光反射特性所用的一起最典型的構造由以下部分組成：光源、光譜分離器、光波檢測器、示波器、記錄儀等。光源：一般采用標準白光源，提供可見光范圍的連續(xù)光譜。光譜分離器：是可以把特定波長光分離出來的部件。到達試樣的光的純度或特性取決于分光手段，一般分光手段采用棱鏡或衍射光柵做的單色儀，也可以使用濾光鏡達到同樣效果。光波檢測器：檢測器選擇時要考慮到反應速度、光譜響應、靈敏度、雜波水平、電阻抗、尺寸、價格等因素。一般測定透光或反射光的檢測器，在可見光領域常用硫化鉛光敏電阻。示波器、記錄儀：把檢測器感知的信號放大，并且顯示、記錄。二、食品光學測定原理2）光密度差的求出與兩種波長的選擇

為了提高測定精度，在測定光密度差時要選擇兩種特定波長的光。一種波長應該是對于待測成分的變化十分敏感；一種波長相反，應是對待測成分變化幾乎沒有反應。由于兩波長一般都對試樣尺寸、光源，檢測器等因素的變化反應敏感，故后一種波長就作為參照波長，用來抵消這些因素的影響。3）利用光密度比測定

當測定厚度不同的果實時，為了消除果實尺寸的影響，可以利用兩個不同波長的光密度比進行測定。1、光透過特性的測定方法和應用二、食品光學測定原理4）透光測定法在視頻品質評價上的應用

透光測定法是視頻無損檢測的一種常用方法，比較經(jīng)典的應用有：果蔬成熟度的檢測、谷類水分含量測定、碎米程度、食品顏色、雞蛋內血絲混入的檢測等。

應用這種方法的前提是，食品中與光透過有光的物質或色素，必須和食品的品質指標有很好的相關性。

例如，對花生熟度測定常采用Kramer開發(fā)的花生熟度計。該儀器就是用波長分別為480nm和510nm的兩波長光來測定光密度，判斷花生熟度。因為花生隨著成熟，其光密度減少。對于花生油，在特定的波長光照射時，成熟花生的有比生花生的油透光性要好，其差異在425nm、455nm和480nm最為顯著。

在其他方面，透光測定法還可以應用于對食品水分測定；果實內部的空洞、褐變、病變等的檢測；自動選果等。左圖為櫻桃種子分檢裝置。1、光透過特性的測定方法和應用二、食品光學測定原理右圖9-12表示測定光的反射率時光源、物料和檢測器的配置方法，陰影部分表示測定光近似通過的區(qū)域。測定反射率時一般是將一束光同時照射到物料樣品和一個標準的白色參照表面（一層氧化鎂）上，并對它們的反射光強度進行比較，以確定反射率，如圖9-13.下圖9-14、9-16分別是光反射率對食品的檢測實例。三、食品光學性質的應用2、光反射特性的測定方法和應用3、延遲發(fā)光現(xiàn)象的利用

延遲發(fā)光（DLE）具有暗期恢復（darkrecovery）、光飽和以及感溫性等特點，常用于含葉綠素的果蔬類食品檢測。利用延遲發(fā)光特性對果蔬進行分選具有以下優(yōu)點：①選擇光源的范圍大，因此裝置簡單；②照射和測定DLE的時刻可在不同場所進行，給機械的設計帶來便利；③除光電管外，不需要其它光學元件，裝置比較簡單；④沒有一般透光測定時，熒光帶來的影響誤差。以上優(yōu)點，使得食品加工或精選工程中應用DLE非常方便。DLE的利用在迅速測定生鮮農產(chǎn)品的葉綠素含量和判斷新鮮程度方面有著一定優(yōu)勢。三、食品光學性質的應用三、食品光學性質的應用3、延遲發(fā)光現(xiàn)象的利用圖9-17表示農產(chǎn)品延遲發(fā)光特性的測定裝置簡圖。圖9-18和圖9-19表示番茄、柿子在白熾光激勵下的延遲發(fā)光光譜曲線。4、食品近紅外測定的原理和應用對食品中水分、蛋白質、碳水化合物、脂質等一般成分的評價，近年來，應用進紅外線、微波甚至核磁共振等方法受到越來越多的重視。尤其是近紅外線技術，在食品的無損傷檢測方面取得較大進步。1978年美國的FGIS及加拿大的CGC都把近紅外測定法作為國家標準測定法，逐漸取代原有的谷物類蛋白定量測定法。三、食品光學性質的應用1）近紅外法的原理近紅外線的范圍為0.7~3.0μm的光波。物質對紅外線的吸收除極少數(shù)例外，都是由結合鍵連接的兩個原子間簡正伸縮振動的諧波或結合振動的吸收引起的。其中大部分都與物質中的氫原子的簡正伸縮振動有直線關系。也就是當光波頻率與分子構造中原子結合振動頻率相同或是倍數(shù)關系時，該波長的波就被吸收。吸收光譜受到各種成分含量比例的影響，是一個疊加而成的曲線。右圖就是大豆及主要成分的近紅外吸收光譜圖。4、食品近紅外測定的原理和應用三、食品光學性質的應用2）光譜的特殊處理①平均化處理（smoothing)：是根據(jù)移動平均的方法，在移動平均時，所取平均數(shù)據(jù)的點數(shù)，由雜波的性質、吸收光譜特性確定。②微分光譜（derivative)：做為無損傷測定，食品成分的近紅外吸收光譜由于受多種成分影響，吸收帶較寬，相互重疊。為了區(qū)別各成分的吸收光譜情況，常采用微分處理的方法。4、食品近紅外測定的原理和應用三、食品光學性質的應用4、食品近紅外測定的原理和應用3）測定儀器美國農業(yè)部研究中心研制的近紅外分光光譜解析裝置如圖9-26.改裝置分光器可提供0.7~2.6μm范圍近紅外光線。實驗的光譜作為光密度D由記錄儀記錄。技術D所需的標準版：對反射光使用白瓷板；對透射光是空氣，或相當實驗最大D的金屬網(wǎng)。測定對象含水率在15%~20%的低水平時，水分對D影響較小。分析主要在1.6~2.6μm的光波范圍進行。三、食品光學性質的應用4）近紅外測定的應用（如表9-3）4、食品近紅外測定的原理和應用三、食品光學性質的應用1、利用機器視覺技術進行水果品質

高速實時監(jiān)測與分級四、應用實例1）機器視覺技術簡介

機器視覺技術（machinevisiontechnology）是隨著計算機的發(fā)展而開拓出來的一個新的計算機應用領域。機器視覺是利用一個用以代替人眼的圖像傳感器，獲取一個物體的圖像，將圖像轉換成一個數(shù)據(jù)矩陣，并利用一個用以代替人腦的計算機來分析圖像并完成一個與視覺有關的任務。他是計算機、光學、數(shù)學、信息論、模式識別、數(shù)學形態(tài)學、人工智能、自動化、CCD技術、視覺學、心理學、腦科學、數(shù)字圖像處理等眾多學科交叉綜合的一門學科。2）水果品質高速實時監(jiān)測與分級系統(tǒng)Y.Tao研制成功了MERLIN高速高頻機器視覺水果分級系統(tǒng)（如下圖），該機器可用于蘋果、橘子等水果的分級。目前，該系統(tǒng)已廣泛用于各類水果的分級。多攝像機監(jiān)測系統(tǒng)示意1、利用機器視覺技術進行水果品質

高速實時監(jiān)測與分級四、應用實例1）超弱發(fā)光技術簡介超弱發(fā)光（Ultraweakbioluminescence）是任何有生命的物質都發(fā)射的一種超弱光子流，其發(fā)射光譜是從紅外經(jīng)可見到近紫外的很寬光譜。我國超弱發(fā)光研究起步較晚，在農業(yè)方面特別是對種子的抗性、發(fā)芽率與超弱發(fā)光的關系等研究較多。但用于果蔬分級檢測方面的研究還比較少，目前還處于嘗試階段。與應用計算機視覺進行果蔬檢測分級相比，除具有無損傷檢測的特點外，由于超弱發(fā)光是測試活體物質的生命活性，故能更好地檢測果蔬內部的變化情況，因而，檢測結果更為準確、客觀。2、利用生物超弱發(fā)光技術進行果蔬的

檢測與分級四、應用實例2）光子成像探測系統(tǒng)光子成像探測系統(tǒng)的測試原理是將生命樣品置于黑暗環(huán)境中，用靈敏度極高的光探測器接受來自樣品的超弱發(fā)光，將其轉換成電信號，再用電路放大，用計算機分析處理，從而獲得樣品的發(fā)光信息。2、利用生物超弱發(fā)光技術進行果蔬的檢測與分級四、應用實例2、利用生物超弱發(fā)光技術進行果蔬的檢測與分級四、應用實例下圖所示為HAMAMATSU公司生產(chǎn)的超弱發(fā)光圖像探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由圖像增強器、圖像處理器、攝像系統(tǒng)等組成，是以微通道板像增強器為主的超弱發(fā)光圖像探測系統(tǒng)。3）番茄成熟度的超弱發(fā)光檢測①測試方法：利用圖9-34所示的超弱發(fā)光測試系統(tǒng)，使用前先將儀器開機預熱30min，再將樣品置于暗室的黑箱中，靜置5min后測試。②番茄成熟度的超弱發(fā)光檢測結果與分析：按照GB8852-1988中所界定的番茄成熟期的標準，分別測試了未熟期、綠熟期、紅熟期、紅熟后期過熟期番茄的超弱發(fā)光強度，列于表9-6中。2、利用生物超弱發(fā)光技術進行果蔬的檢測與分級四、應用實例2、利用生物超弱發(fā)光技術進行果蔬的檢測與分級四、應用實例

實驗表明，番茄的發(fā)光程度與其成熟有很大的關系，成熟度越低，發(fā)光強度越高。一般來說，果蔬的超弱發(fā)光越強，其生理生活反應越活躍，表明其代謝越強。3、食品顏色的定量化測試及評價

食品顏色是食品重要的感光特性，也是關系食品食用價值和品質的重要評價指標，因為顏色的變化本質上是由于食品內部組織和成分的復雜生化反應所造成的。然而，人的肉眼對顏色的識別閾是有限的，單純通過感官檢驗來評價食品的顏色具有很大的局限性，所以，對食品顏色進行定量化測試與評價是十分必要的。四、應用實例3、食品顏色的定量化測試及評價1）食品顏色定量化測試與評價的基本原理食品顏色的定量化測試是基于CIE1976L*a*b*表色系統(tǒng)對食品的相關色度學指標加以測試計算，從而獲得食品的色差來定量化評價食品的顏色。CIE1976L*a*b*表色系統(tǒng)的主要組成如下圖。表色系統(tǒng)中立軸代表明度，用L*表示，L*=100為白色，L*=0為黑色，中間有100個等級，代表不同的灰度。與立軸垂直的平面分為4個像素，+a*代表紅色，-a*代表綠色，+b*代表黃色，-b*代表藍色。a*、b*、c*絕對值越大，色差越飽和，越純正。四、應用實例2）小包裝牛肉的顏色定量化測試與評價

右圖是對100包小包