第七章食品的光學(xué)性質(zhì)

7.1光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散光通過介質(zhì)時(shí)，一部分在界面上被反射，一部分被介質(zhì)吸收，另一部分被介質(zhì)散射，余下部分按一定折射方向繼續(xù)前進(jìn)(這部分也可以叫做透射光)。因此，通過介質(zhì)透出的光強(qiáng)度必然比入射光弱。同時(shí)，由于不同波長的光在介質(zhì)中的傳播速度不同，因而同一介質(zhì)對(duì)不同波長的光，有不同的折射率，所以一束白光或復(fù)合光在折射時(shí)，只要入射角不為零，則不同波長的光，將按不同的折射角而散開，稱之為色散。由此可見，光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散是光在介質(zhì)中傳播時(shí)所發(fā)生的普遍現(xiàn)象。1目前一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.1光的吸收

由于光是一種能量流，在光通過材料傳播時(shí)，會(huì)引起材料的價(jià)電子躍遷或使原子振動(dòng)，從而使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為光的吸收。被吸收的光強(qiáng)與吸收體的厚度成正比。物質(zhì)對(duì)光的吸收有選擇性。同一介質(zhì)對(duì)不同波長(不同顏色)的光的吸收程度不等。無色透明物質(zhì)，例如玻璃，對(duì)可見光(波長在400一800nm之間)吸收很少。通常lcm厚的玻璃對(duì)可見光只吸收約1%，但玻璃對(duì)紫外線吸收較為顯著。石英對(duì)紫外線吸收不多，而對(duì)紅外線吸收性較強(qiáng)。一般有色透明體，例如紅色玻璃對(duì)紅、橙色光吸收較弱(透過較多)，而對(duì)其他色光吸收較強(qiáng)。諸如這類現(xiàn)象稱為透明介質(zhì)對(duì)光的選擇透射。不透明物質(zhì)對(duì)光也有選擇性，相對(duì)來說也就是選擇反射。白色物體對(duì)各種波長的可見光的吸收程度很小，而反射程度很大。有色物體對(duì)可見光的選擇反射性顯著。例如黃色物體對(duì)黃色光反射最強(qiáng)，對(duì)橙色和綠色光反射很弱，而對(duì)其他紅、藍(lán)等色光吸收很強(qiáng);藍(lán)色物體對(duì)藍(lán)色反射最強(qiáng)，對(duì)綠色和靛色光反射很弱，對(duì)其他黃、紫、紅等色光吸收很強(qiáng)。因此，黃色顏料與藍(lán)色顏料混合而成綠色顏料，即為剩余反射現(xiàn)象。

2目前二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)介質(zhì)吸收光能，引起介質(zhì)中電子的受迫震動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為其他形式的能。設(shè)強(qiáng)度為I的某種光，通過厚度為dx的某種均勻介質(zhì)層，因被介質(zhì)吸收部分光能量而使強(qiáng)度減少dI，如圖7一1所示，朗伯（Lambert），指出()與吸收層厚度dx成正比，即有:式中aλ與介質(zhì)性質(zhì)和光波的波長有關(guān)，稱為該介質(zhì)對(duì)該種光的吸收系數(shù)。當(dāng)介質(zhì)總厚度為x，原入射光強(qiáng)度為I0，通過整個(gè)介質(zhì)以后的光強(qiáng)度為I，將上式積分，得亦即:

或3目前三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)此即為朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于選擇吸收的物質(zhì)來說，在吸收波段內(nèi)，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)總厚度x＝1/aλ時(shí)，由式(7-2)得

也就是說，厚度為aλ的介質(zhì)層，可使光強(qiáng)減弱到原有光強(qiáng)的1/2.72。實(shí)驗(yàn)證明，稀溶液對(duì)光的吸收系數(shù)aλ與其濃度c成正比，即有aλ＝kiC的關(guān)系，式中ki為決定于吸收物質(zhì)的分子特性，而與濃度無關(guān)的另一常數(shù)。由此，式(7一2)變?yōu)?/p>

根據(jù)光在溶液中的被吸收的程度，可以決定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。此式稱為比爾定律。4目前四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.2光的反射光的反射：光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)的交界面時(shí)，一部分光返回原來介質(zhì)中，使光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為光的反射。光的反射定律：反射光線與入射光線、法線在同一平面上；反射光線和入射光線分居在法線的兩側(cè)；反射角等于入射角可歸納為：“三線共面，兩線分居，兩角相等”。

5目前五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分被反射，另一部分穿入。反射的多少視兩種介質(zhì)折射率的比例而定，此外，還依賴于入射角度，這些關(guān)系可由菲涅耳公式闡明:式中，θ為入射角，為折射角；下標(biāo)S表示垂直于入射面的電場分量；P表示在入射面內(nèi)的電場分量；Rs，Rp為反射光的電場分量；Es，Ep為入射光的電場分量，θ與的關(guān)系由下式?jīng)Q定：式中，n——兩介質(zhì)的折射率n1和n2之比。6目前六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.3光的折射光的折射：當(dāng)光由一種介質(zhì)斜射到另一種介質(zhì)時(shí)，其傳播方向發(fā)生改變這種現(xiàn)象叫光的折射。光發(fā)生折射后，其頻率不變，但波長和波速發(fā)生改變。光折射時(shí),折射光線,入射光線,法線在同一平面內(nèi),折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè).折射角隨入射角的改變而改變，但兩者不等。

7目前七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.4光的散射定義：一束光通過介質(zhì)時(shí)其中一部分光偏離主要的傳播方向，這種現(xiàn)象稱為光散射?，F(xiàn)象的本質(zhì)是光波電磁場與介質(zhì)分子相互作用的結(jié)果。光的散射是原子或分子體系從入射光波中獲得能量后，改變傳播方向及相位，甚至改變頻率的再輻射過程。當(dāng)光波射人介質(zhì)時(shí)，在光波電場的作用下，分子或原子獲得能量產(chǎn)生誘導(dǎo)極化，并以一定的頻率作強(qiáng)迫振動(dòng)，形成振動(dòng)電偶極子（偶極子是指相距很近的符號(hào)相反的一對(duì)電荷）。這些振動(dòng)的偶極子就成為二次波源，向各個(gè)方向發(fā)射出電磁波。在純凈的均勻介質(zhì)中，這些次波相互干涉的結(jié)果，使光線只能在折射方向上傳播，而在其他方向上則相互抵消，所以沒有散射光出現(xiàn)。但當(dāng)均勻介質(zhì)中摻入進(jìn)行著布朗運(yùn)動(dòng)的微粒后，或者體系由于熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生局部的密度漲落或濃度漲落時(shí)，就會(huì)破壞次波的相干性，而在其他方向上出現(xiàn)放射光。8目前八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)光波投到一般物體表面時(shí)，由于物體的線度遠(yuǎn)大于光波的波長，因而產(chǎn)生漫射(又稱漫反射)現(xiàn)象。當(dāng)光波投到細(xì)小質(zhì)點(diǎn)上的時(shí)候，根據(jù)惠更斯原理，從質(zhì)點(diǎn)表面上各點(diǎn)激發(fā)次級(jí)子波，進(jìn)而形成同樣波長的光波向各方向散開，如圖7一2(a)所示。這種現(xiàn)象稱為光的散射現(xiàn)象。

散射是指由傳播介質(zhì)的不均勻性引起的光線向四周射去的現(xiàn)象。圖7-29目前九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)散射物質(zhì)對(duì)入射光沒有經(jīng)過共振吸收作用，所以此種現(xiàn)象不是共振輻射，而是直接從被照射物體的微粒表面“反射”而來。事實(shí)上，光的散射與反射和衍射有著密切的關(guān)系。例如光波投入混濁介質(zhì)(含有許多懸浮微粒的透明物質(zhì))時(shí)，由于介質(zhì)中有許多線度大于波長的微粒呈無規(guī)則的分布，則有部分光波被散射，散射光波將繞過微粒兩邊，向各方發(fā)散，類似于單徑衍射現(xiàn)象。然而，混濁介質(zhì)中，由于懸浮微粒的存在，破壞了介質(zhì)的光學(xué)均勻性(存在微小區(qū)域有密度起伏現(xiàn)象)。因此，雖有些類似于衍射現(xiàn)象，而沒有干涉現(xiàn)象的伴隨，故此呈現(xiàn)為散射現(xiàn)象。這種光的散射現(xiàn)象稱為廷德爾(Tyndll)散射。

如圖7一2(b)所示，在一杯清水中加入幾滴豆?jié){，成為混濁透明介質(zhì)，光沿X軸方向通過時(shí)，在Y軸方向可以看到杯中有光亮散發(fā)出來，這就是屬于廷德爾散射的一個(gè)實(shí)例。10目前十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)又如某些從表面看來是均勻純凈的介質(zhì)，當(dāng)有光波通過時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，只是它的散射光強(qiáng)度比不上混濁介質(zhì)的散射光強(qiáng)。這種散射現(xiàn)象是由線度小于光波長的介質(zhì)分子所產(chǎn)生。稱為分子散射，又稱瑞利散射。例如大氣中的空氣分子，對(duì)太陽光中的藍(lán)色光波散射特別顯著，所以呈現(xiàn)蔚藍(lán)色天空。根據(jù)光的電磁理論，次波振幅A與其波動(dòng)頻率的平方成正比，次波光強(qiáng)I又與振幅A的平方成正比，同時(shí)頻率與波長λ成反比，故散射光強(qiáng)度：可見散射光強(qiáng)度與波長的四次方成反比，稱為瑞利定律。11目前十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)由瑞利定律可知，白光中的短波成分的散射效應(yīng)較為顯著，波長越大散射越不顯著。所以空氣分子對(duì)藍(lán)色光的散射特別顯著，對(duì)太陽光的散射呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。質(zhì)點(diǎn)足夠微小的煙霧，在白光照耀下，往往呈現(xiàn)淡藍(lán)色，所謂“一縷藍(lán)煙”，也是藍(lán)色光散射的道理。

早、晚太陽偏東、西方，太陽光線通過大氣層的厚度比中午陽光通過大氣層厚度要大得多，如右圖所示，根據(jù)瑞利定律，早、晚太陽光中的短波成分被空氣分子的散射較多，因而橙紅色光透射相對(duì)較為顯著，所以早、晚天空多現(xiàn)橙紅色光;空中如有云彩，則將出現(xiàn)紅霞。12目前十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)光波通過介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸收作用，足使透射光強(qiáng)減弱，介質(zhì)的散射，也足以使透射光強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。設(shè)光波通過厚度為dx的薄層介質(zhì)時(shí)，因介質(zhì)的散射作用而使入射光強(qiáng)度I減小一個(gè)微量dI，則此光強(qiáng)的相對(duì)減少量與光波通過該介質(zhì)的厚度dx成正比，即有

式中，δ—比例系數(shù)，稱為該介質(zhì)對(duì)該波長光波的散射系數(shù)。將上式積分，得：式中，1o—入射于介質(zhì)之前的光強(qiáng)度；

I—通過厚度為x的介質(zhì)，除去被散射以外(不考慮純吸收)的透過光強(qiáng)度。如果結(jié)合前面講的光的吸收，一般測量所得光的“吸收系數(shù)”應(yīng)包括純吸收系數(shù)α和散射系數(shù)δ兩個(gè)部分。因此，實(shí)際上，入射光強(qiáng)1o通過厚度為x的介質(zhì)以后，透出光強(qiáng)度I應(yīng)為以上所述的瑞利散射，它的散射光波長與入射光的波長相同。

13目前十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.5光的衍射光離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象叫光的衍射。

衍射又稱為繞射,光線照射到物體邊沿后通過散射繼續(xù)在空間發(fā)射的現(xiàn)象。

光衍射的本質(zhì)：光的衍射與微粒的剛性反彈沒有關(guān)系，在這里我們要用到的是光的波動(dòng)性而不是光的粒子性。道理很容易理解：由于光是波動(dòng)傳播的，它走的路線自然就是如正弦函數(shù)那樣的曲線。只是在大的尺度下我們分辨不出而以為光是沿直線傳播的罷了。光的曲線走向就是光的衍射，它給了我們光偏離了運(yùn)動(dòng)方向的錯(cuò)覺。

14目前十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)衍射屏

觀察屏

不但光線拐彎,而且在屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋。衍射屏

觀察屏

透過手指縫看日光燈，也能看到衍射條紋。光的衍射15目前十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)平行單色光照到一圓孔上，在孔板后不同處的面上觀察光的不同特點(diǎn)16目前十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)17目前十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.1.6光的色散光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區(qū)域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，等于．但是不同頻率的單色光，在介質(zhì)中傳播時(shí)由于受到介質(zhì)的作用，傳播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同．紅光速度大，紫光的傳播速度小，因此介質(zhì)對(duì)紅光的折射率小，對(duì)紫光的折率大．當(dāng)不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發(fā)生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端．紫光的頻率大，在介質(zhì)中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端，出現(xiàn)彩色光帶，稱為光的色散現(xiàn)象。為了表征介質(zhì)折射率因波長不同而變化的程度，引入色散率這個(gè)概念，并且定義:介質(zhì)色散率的量值等于介質(zhì)折射率對(duì)波長的變化率。18目前十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)不同波長的光會(huì)有不同的折射角——色散的原因19目前十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.2食品顏色的表征

7.2.1

顏色的視覺(顏色辨認(rèn))l

顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。因而物體的顏色不僅取決于物體本身，還與光源、周圍環(huán)境的顏色，以及觀察者的視覺系統(tǒng)有關(guān)系。一般來說可見光譜上的各種顏色隨光強(qiáng)度的增加而有所變化(向紅色或藍(lán)色變化)。這種顏色隨光強(qiáng)度而變化的現(xiàn)象﹐叫做貝楚德-樸爾克效應(yīng)。但在光譜上黃(527nm)﹑綠(503nm)﹑藍(lán)(478nm)三點(diǎn)基本上不隨光強(qiáng)而變。人眼對(duì)波長變化引起的顏色變化的辨認(rèn)能力(顏色辨認(rèn)的靈敏閾)﹐在光譜中的不同位置是不同的。人眼剛能辨認(rèn)的顏色變化就稱為顏色辨認(rèn)的靈敏閾。最靈敏處為480nm(青)及600nm(橙黃)附近﹔最不靈敏處為540nm(綠)及光譜兩端。靈敏處只要波長改變1nm﹐人眼就能感受到顏色的變化﹐而多數(shù)要改變1~~2nm才行。20目前二十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)顏色可分為彩色和非彩色。非彩色指白色﹑黑色和各種不同深淺的灰色。

彩色就是指黑白系列以外的各種顏色。

對(duì)于理想的完全反射的物體﹐其反射率為100%﹐稱它為純白﹔而對(duì)于理想的完全吸收的物體﹐其反射率為零﹐稱它為純黑。白色﹑黑色﹑和灰色物體對(duì)光譜各波段的反射和吸收是沒有選擇性的﹐稱它們?yōu)橹行陨?。?duì)光來說﹐非彩色的黑白變化相當(dāng)于白光的亮度變化﹐即當(dāng)白光的亮度非常高時(shí)﹐人眼就感覺到是白色的﹔當(dāng)光的亮度很低時(shí)﹐就感覺到發(fā)暗或發(fā)灰﹐無光時(shí)是黑色的。21目前二十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.2.2

顏色的基本物理量

⑴色彩三要素色彩的三要素是明度、色相（即色調(diào)）、飽和度，是評(píng)價(jià)食品顏色的主要依據(jù)。色調(diào)與飽和度合稱為色度（Chromaticity），它既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度。色度再加上亮度，就能對(duì)顏色作完整的說明。

①明度亮度或明度是光作用于人眼時(shí)所引起的明亮程度的感覺，是指色彩明暗深淺的程度，也可稱為色階。每一種顏色在不同強(qiáng)弱的照明光線下都會(huì)產(chǎn)生明暗差別。同一物體由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就產(chǎn)生了同一顏色的物體在不同能量光線的照射下呈現(xiàn)出明暗的差別。22目前二十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)②色調(diào)（也稱色相）

就是指不同顏色之間質(zhì)的差別，它們是可見光譜中不同波長的電磁波在視覺上的特有標(biāo)志。它是指各種顏色之間的差別。從表面現(xiàn)象來講，例如一束平行的白光透過一個(gè)三棱鏡時(shí)，這束白光因折射而被分散成一條彩色的光帶，形成這條光帶的紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色，就是不同的色調(diào)。從物理光學(xué)的角度上來講，各種色調(diào)是由射入人眼中光線的光譜成分所決定的，色調(diào)即色相的形成取決于該光譜成分的波長。

物體的色調(diào)由照射光源的光譜和物體本身反射特性或者透射特性決定。例如藍(lán)布在日光照射下，只反射藍(lán)光而吸收其它成分。如果分別在紅光，黃光或綠光的照射下，它會(huì)呈現(xiàn)黑色。紅玻璃在日光照射下，只透射紅光，所以是紅色。光源的色調(diào)取決于輻射的光譜組成和光譜能量分布及人眼所產(chǎn)生的感覺。23目前二十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)③飽和度

飽和度是指構(gòu)成顏色的純度，即彩色的純潔性﹐色調(diào)深淺的程度。它表示顏色中所含某顏色成分的比例。某彩色比例越大，該色彩的飽和度越高，反之則飽和度越低。飽和度還和亮度有關(guān)，同一色調(diào)越亮或越暗越不純。強(qiáng)光下比陰暗的光線下飽和度高。同一顏色的物體，表面光滑的物體比表面粗糙的物體飽和度大。

可見光譜的各種單色光是最飽和的彩色。當(dāng)光譜色(即單色光)摻入白光成份時(shí)﹐其彩色變淺﹐或者說飽和度下降。當(dāng)摻入的白光成份多到一定限度時(shí)﹐在眼睛看來﹐它就不再是一種彩色光而成為白光了﹐或者說飽和度接近于零，白光的飽和度等于零。物體色調(diào)的飽和度決定于該物體表面反射光譜輻射的選擇性程度，物體對(duì)光譜某一較窄波段的反射率很高，而對(duì)其它波長的反射率很低或不反射，表明它有很高的光譜選擇性，物體這一顏色的飽和度就高。不同的色別在視覺上也有不同的飽和度，紅色的飽和度最高，綠色的飽和度最低，其余的顏色飽和度適中。24目前二十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑵光度學(xué)基本物理量①光度與光通量光度是表示光輻照度產(chǎn)生光感的程度。在光學(xué)中用光通量表示光度。光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的可見光的輻射能量（即Φ=W/t），單位為流明。流明與瓦特有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。光通量的單位是流明lumen記作lm，這是功率單位。光通量與輻射通量之間的換算，根據(jù)國際上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)：1瓦波長為555nm的單色輻射通量是等于683流明的光通量。這是光功當(dāng)量，也是最大的光功當(dāng)量。或者1流明波長為555nm的單色光通量相當(dāng)于1/683瓦的輻射通量。其他波長的單色光，1瓦輻射通量引起的光刺激都小于683流明，它們的關(guān)系就是視見函數(shù)關(guān)系。光源在給定方向上1球面度立體角內(nèi)發(fā)出0.00146W，波長為555nm的單色光的輻射能通量（亮度）時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉。1坎德拉（cd）=1流明/1球面度立體角（lm/1sr）25目前二十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)設(shè)在波長λ與dλ之間光的輻射照度為Eλ?dλ，則光通量的定義式為：

Φλ=Vλ

?Eλ

?dλ

對(duì)于波長為λ1～λ2的連續(xù)光譜：

Φ=kVλ

Eλ

dλλ2λ1

式中：K-表示常數(shù)；Φ-表示光通量，單位為流明（lm,lumen）;Vλ–表示波長為λ光的相對(duì)光譜光效率；Eλ–表示波長為λ的光源的輻射功率（單位為W）。多色光源的光通量為各單位光光通量之和。26目前二十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)②照度表示某一受光點(diǎn)單位面積的光通量為照度。即：E=dΦdA2式中，A2表示受光面積，單位為m2；E表示照度，單位為lm/m2(流明/米2)，也為勒克斯（lux）。即1lux=llm/m227目前二十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)③光出射度（面發(fā)光度）從一發(fā)光表面的單位面積上發(fā)出的光通量稱為該表面的光出射度，以M表示。光出射度和光照度E是一對(duì)相同意義的物理量，只是前者是發(fā)出而后者是接收光通量。兩者的單位本質(zhì)上是相同的。式中，A1表示發(fā)光面積，單位為m2；M表示發(fā)光光通量，單位為lm/m2。發(fā)光表面可以是本身發(fā)光的，也可以是受外來照射后投射或反射發(fā)光的；可以是實(shí)際發(fā)光體，也可以是其象面。對(duì)于后一種情況，其發(fā)光度則與該面接收的輻射通量有關(guān)，即與表面的照度有關(guān)。令ρ表示該面的反射率，ρ＜1。M=ρEM=dΦdA128目前二十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度簡稱光強(qiáng)，國際單位是candela（坎德拉）簡寫cd。Φ是指光源在指定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光源輻射是均勻時(shí)，則光強(qiáng)為I=Φ/ω，ω為立體角，單位為球面度（sr）,Φ為光通量，單位是流明。I（發(fā)光強(qiáng)度）單位為lm/sr。設(shè)點(diǎn)光源在一立體角dω內(nèi)發(fā)出的光通量為dΦ，則其發(fā)光強(qiáng)度為立體角因此，整個(gè)空間當(dāng)光源在各個(gè)方向上發(fā)光強(qiáng)度相同時(shí)，總光通量為④發(fā)光強(qiáng)度29目前二十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑤亮度（光亮度）光亮度是表示發(fā)光面明亮程度的，指發(fā)光表面在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比，單位是坎德拉/平方米。對(duì)于一個(gè)漫散射面，盡管各個(gè)方向的光強(qiáng)和光通量不同，但各個(gè)方向的亮度都是相等的。亮度用L表示，L=dIdAcosθ式中，A表示發(fā)光體表面積，單位m2；

θ表示發(fā)光體表面法線與觀測方向夾角。30目前三十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.2.3顏色的物理表示

⑴顏色的三色學(xué)說人們發(fā)現(xiàn)了三原色現(xiàn)象，即只要有紅、綠、藍(lán)這三種光，經(jīng)過適當(dāng)配比，就可以得到一切彩色。

人的眼睛色覺是由紅、綠、藍(lán)三種感覺組合形成的，這就是三色學(xué)說。眼睛的三種感色細(xì)胞分別為赤錐體、綠錐體、藍(lán)錐體細(xì)胞。31目前三十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)互補(bǔ)色：凡兩個(gè)以適當(dāng)比例相混合產(chǎn)生白色的顏色光是互補(bǔ)色。兩個(gè)色光的主波長定義為互補(bǔ)波長，但在不同光源下補(bǔ)色的主波長是會(huì)有所不同的?；蛘甙催m當(dāng)比例混合而能產(chǎn)生黑色或灰色的兩種顏色的染料，都互為補(bǔ)色。例如黃與藍(lán)，紅與藍(lán)綠即為互補(bǔ)色。在混合時(shí)，如果比例不對(duì)則成為不飽和的彩色，色調(diào)偏于過多的一色。藍(lán)、綠、紅三原色互為補(bǔ)色的黃、品紅、青三色通常稱為“三補(bǔ)色”。這三個(gè)補(bǔ)色在可見光譜中，各約占1／3。

32目前三十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

三種光互相混合，誕生了四種新色彩：黃、品、青、白。在這個(gè)由六色構(gòu)成的色環(huán)中：

每一種色與相鄰的色彩構(gòu)成了鄰色系統(tǒng)，每一種色與對(duì)面的色彩構(gòu)成補(bǔ)色系統(tǒng)。

在混合兩種非補(bǔ)色時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種新的介于他們之間的中間色。白33目前三十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑵三刺激值色度學(xué)中用三原色匹配物體反射色光所需要紅、綠、藍(lán)原色數(shù)量稱為物體顏色的三刺激值，即X、Y、Z，也是物體色的色度值。

三刺激值相當(dāng)于眼睛三種感光細(xì)胞，即稱赤錐體、綠錐體、藍(lán)錐體細(xì)胞，對(duì)各種等能量單色波長光的感度。自然界中的每種顏色都可以用選定的、能刺激人眼中三種受體細(xì)胞的紅、綠、藍(lán)三原色，按適當(dāng)比例混合而成。34目前三十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)三刺激值，即在給定的三色系統(tǒng)中與待測色達(dá)到色匹配所需要的三個(gè)原刺激量，分別以X、Y、Z表示。通過對(duì)眾多具有正常色覺的人體(稱為標(biāo)準(zhǔn)觀察者，即標(biāo)準(zhǔn)眼)進(jìn)行廣泛的顏色比較試驗(yàn)，測定了每一種可見波長(380～780nm)的光引起每種錐體刺激的相對(duì)數(shù)量的色匹配函數(shù)，這些色匹配函數(shù)分別用(λ)、(λ)、(λ)來表示。把這些色匹配函數(shù)組合起來，描繪成曲線，就叫做CIE色度標(biāo)準(zhǔn)觀察者的光譜三刺激值曲線(見圖)。35目前三十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)任何一種顏色可以用紅、綠、藍(lán)三原色按照不同比例混合來得到。顏色匹配過程是通過三原色混合后的光的顏色與對(duì)應(yīng)給定光的顏色相同。CIE（國際照明委員會(huì)）選取的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三種光的波長分別為：紅光，R，λ1=700nm；

綠光，G，λ1=546nm；

藍(lán)光，B，λ1=435.8nm。

36目前三十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑶RGB和CIE-XYZ表色系統(tǒng)光顏色的匹配可以用式子表示為：其中權(quán)值

r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對(duì)量，也就是三刺激的值。1931年，CIE給出了用等能標(biāo)準(zhǔn)三原色來匹配任意顏色的光譜三刺激值曲線，這樣的一個(gè)系統(tǒng)被稱為CIE-RGB系統(tǒng)。但一部分500μm附近的R三刺激值是負(fù)數(shù)。37目前三十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)由于實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，而且這種計(jì)算極不方便，不易理解，人們希望找出另外一組原色，用于代替CIE-RGB系統(tǒng)，因此，1931年的CIE-XYZ系統(tǒng)利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X（紅）、Y（綠）、Z（藍(lán)），以便使我們能夠得到的顏色匹配函數(shù)的三刺激值都是正值。類似的，該系統(tǒng)的光顏色匹配函數(shù)定義為如下的一個(gè)式子：38目前三十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)用R、G、B三原色（實(shí)際上是CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)原色）的單位向量可以定義一個(gè)三維顏色空間（圖），一個(gè)顏色刺激（C）就可以表示為這個(gè)三維空間中一個(gè)以原點(diǎn)為起點(diǎn)的向量，我們把該三維向量空間稱為（R、G、B）三刺激空間，該空間落在第一象限，該空間中的向量的方向由三刺激的值確定，因而向量的方向代表顏色。

紅藍(lán)綠●●●39目前三十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)為了在二維空間中表示顏色，我們?cè)谌齻€(gè)坐標(biāo)軸上對(duì)稱的取一個(gè)截面，該截面通過（R）、（G）、（B）三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位向量，因而可知截面的方程為（R）＋（G）＋（B）＝1。該截面與三個(gè)坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，它被稱為色度圖。每一個(gè)顏色刺激向量與該平面都有一個(gè)交點(diǎn)，因而色度圖可以表示三刺激空間中的所有顏色值，同時(shí)交點(diǎn)的個(gè)數(shù)是唯一的，說明色度圖上的每一個(gè)點(diǎn)代表不同的顏色，它的空間坐標(biāo)表示為該顏色在標(biāo)準(zhǔn)原色下的三刺激值，該值是唯一的。對(duì)于三刺激空間中坐標(biāo)為X、Y、Z的顏色刺激向量Q，它與色度圖交點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）即三刺激值，也被稱為色度值，有如下的表示：40目前四十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)色品圖：41目前四十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)色品圖是根據(jù)三原色原理繪制的，它用匹配某一顏色的三原色比例來規(guī)定這一顏色，x色品坐標(biāo)相當(dāng)于紅原色的比例，y色品坐標(biāo)相當(dāng)于綠原色比例，圖中沒有z色品坐標(biāo)，因?yàn)閤+y+z=1，所以z=1-(x+y)。P坐標(biāo)系統(tǒng)的原色(三基色)點(diǎn)，即三角形的三個(gè)角頂〔紅原色點(diǎn)(x)∶x=1，y=z=0；綠原色點(diǎn)(y)∶y=1，x=z=0；藍(lán)原色點(diǎn)(z)∶z=1,x=y=0〕都落在這個(gè)區(qū)域之外，也就是說，原色點(diǎn)的色品是假想的，在物理上不可能實(shí)現(xiàn)。同樣，凡是落在光譜軌跡由紅端到紫端直線范圍以外的顏色是物理上不能實(shí)現(xiàn)的顏色。42目前四十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)①譜軌跡曲線以及連接光譜軌跡兩端所形成的舌形內(nèi)部包括一切物理上能實(shí)現(xiàn)的顏色。②色品圖中的E點(diǎn)是白光，由三原色各1／3彩色量產(chǎn)生，所以也稱為等能白光，其色品坐標(biāo)為E點(diǎn)是CIE標(biāo)準(zhǔn)光源的色光，相當(dāng)于中午陽光的光色。③若色坐標(biāo)給定，可立即從色品圖上定出該色的主波長和飽和度。例如，要求Q點(diǎn)的主波長，只要從Q向E引一條直線，并延長EQ與光譜軌跡相交，交點(diǎn)在510.3nm則Q點(diǎn)的主波長就是510.3nm。某一顏色離開E點(diǎn)的接近光譜軌跡的程度表明它的純度，顏色越靠近E越不純，越靠近光譜軌跡越純，所以接近光譜軌跡的遠(yuǎn)近程度標(biāo)志著飽和度的大小。從E到Q點(diǎn)和P點(diǎn)的距離之比EQ／EP為該Q點(diǎn)顏色的飽和度。43目前四十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)④從色品圖還可推算出由兩種顏色相混合所得出的各種中間色。如Q和S相加，按不同比例，可配出Q到S線段中的各種顏色。光譜軌跡的形狀是近似直線或凸形的，而不是凹形的。因此，任何兩個(gè)波長光相混合所得出的混合色或落在光譜軌跡上，或在光譜軌跡所包圍的面積之內(nèi)，而絕不會(huì)落在光譜軌跡之外。⑤在700～770nm的光譜波段有一恒定的色度值，都是x=07347，y=0.2652，z=0，在色品圖上只由一個(gè)點(diǎn)來表示。這表明，只要將700～770nm這段光譜上的任何不同波長的兩個(gè)顏色調(diào)整到相同亮度，則這兩個(gè)顏色在人眼看來都是一樣的。⑥光譜軌跡540～700nm近似是一條直線，這意味著，在這段光譜范圍內(nèi)的任何光譜色都是可以通過540nm和700nm二種波長的光線以一定比例相混合而產(chǎn)生。⑦光譜軌跡380～540nm是一段曲線，它意味著，在此范圍內(nèi)的一對(duì)光線的混合不能產(chǎn)生兩者之間的位于光譜軌跡上的顏色，而只能產(chǎn)生光譜軌跡所包圍面積內(nèi)的混合色。44目前四十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑧在色品圖上很容易確定一對(duì)光譜色的補(bǔ)色波長：從光譜軌跡上的一點(diǎn)通過等能白光點(diǎn)E劃一直線抵達(dá)對(duì)側(cè)光譜軌跡的一點(diǎn)，直線與兩側(cè)軌跡的相交點(diǎn)就是一對(duì)補(bǔ)色的波長?？梢钥闯?，380～494nm之間的光譜的補(bǔ)色位于570～700nm之間，反之亦然。在494～570nm之間的補(bǔ)色只能由和至少由兩種光線相混合而產(chǎn)生，因?yàn)?，這段通過E點(diǎn)的直線恰好與連結(jié)光譜軌跡兩端的直線相交，而這段直線是由光譜兩端色相加的混合色的軌跡。45目前四十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)光色波長λ（nm)代表波長紅（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黃（Yellow）600～570580綠（Green）570～500550青（Cyan）500～470500藍(lán)（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420光色波長λ（nm)代表波長紅（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黃（Yellow）600～570580綠（Green）570～500550青（Cyan）500～470500藍(lán)（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420紅780～630橙630～600黃600～570綠570～500青500～470藍(lán)470～420紫420～38046目前四十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.3食品的光學(xué)測定原理

7.3.1利用透光特性的測定光密度（OD）[opticaldensity]定義為材料遮光能力的表征,它表示被檢測物吸收掉的光密度，是入射光強(qiáng)度與透射光強(qiáng)度之比值的常用對(duì)數(shù)值。根據(jù)式(7一4)可知，被吸收的光能與光路中吸光的分子數(shù)成正比，通過測定吸收系數(shù)，求出透明液體食品的濃度。比爾定律適用于檢測稀溶液，即要求光路中吸收光的每個(gè)分子對(duì)光的吸取不受周圍分子影響。根據(jù)比爾定律，溶液的某特定波長的光密度D正比于吸光物質(zhì)濃度和它在該波長時(shí)的吸收系數(shù)。

47目前四十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

式中，δ—光程或光穿過的介質(zhì)厚度;κλ—吸收系數(shù)。如果光程單位用cm，吸光物質(zhì)濃度單位用mol/cm3，則吸收系數(shù)κλ單位為cm2/mol。當(dāng)采用cm2/mol單位時(shí)，κλ稱為摩爾吸收系數(shù)。當(dāng)液體中有一個(gè)以上的吸光成分時(shí)，式(7－12)可寫為

式中，ci—第i個(gè)成分的濃度;

κλi—波長為A時(shí)的第i個(gè)成分吸收系數(shù)。以光密度D為縱坐標(biāo)，波長為橫坐標(biāo)，繪制的曲線稱為摩爾吸收光譜曲線。48目前四十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)實(shí)際測量中，直接測定D值并不方便。應(yīng)用較多的是用兩個(gè)波長的光密度差△D(或△Aλ)來確定食品的光透過特性。設(shè)Aλ1和Aλ2是試樣在兩個(gè)波長λ1和λ2時(shí)的D值。ASλ1和ASλ2分別為樣品中某待測成分對(duì)應(yīng)于波長λ1和λ2的D值。ARλ1和ARλ2分別為樣品中其他成分相應(yīng)的D值。則當(dāng)選擇合適波長λ1和λ2時(shí)，使ARλ1＝ARλ2，則

顯然，這時(shí)避免了其他成分引起的測量誤差。分光光度計(jì)(spectrophotometer)就是以光透過度為測量基礎(chǔ)的光譜分析儀器。49目前四十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)圖7一3是對(duì)番茄用單色光進(jìn)行局部照射時(shí)，番茄的透光強(qiáng)度和透光方向變化情況，這種變化與番茄成分、組織結(jié)構(gòu)等對(duì)光的反射、吸收和散射后共同作用的結(jié)果，從透過光的強(qiáng)度可以看出，光穿過的距離對(duì)透光強(qiáng)度影響較大。50目前五十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.3.2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R＝Iτ/I1,，Iτ為反射光強(qiáng)度，I1為入射光強(qiáng)度。

反射光密度Dτ的定義式為

反射光特性的測定與透射光的測定類似，也利用反射光密度差來進(jìn)行測定。

兩個(gè)特定波長的反射光密度差為△Dτ，則

式中，R1和R2分別為兩個(gè)特定波長的光對(duì)物體表面的反射率。如果選定兩個(gè)波長入射光的強(qiáng)度近似相等，則反射光密度差為

51目前五十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.4食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

7.4.1光透過特性的測定方法和應(yīng)用

⑴測定裝置檢測食品的光透過特性或光反射特性所用儀器是由以下部分組成: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(biāo)準(zhǔn)白光源，提供可見光范圍的連續(xù)光譜。

●光譜分離器:可以把特定波長光分離出來的部件。到達(dá)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*作的單色儀(monochromator)，也可以使用濾光鏡達(dá)到同樣效果。

●光波檢測器:檢測器選擇時(shí)要考慮到反應(yīng)速度、光譜響應(yīng)、靈敏度、雜波水平、電阻抗、尺寸、價(jià)格等因素。一般測定透光或反射光的檢測器，在可見光領(lǐng)域常用硫化鉛光敏電阻(leadsulfidephotoconductivecell)。

●示波器、記錄儀:把檢測器感知的信號(hào)放大，并且顯示、記錄。52目前五十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)以一種△D測定儀—差分儀(differencemeter)為例。如圖7一4所示，光源發(fā)出的光通過縫隙、濾光轉(zhuǎn)盤、反射鏡和透鏡射入試樣。入射波的波長由濾光盤上A和B濾光器決定。即同步馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A、B濾光器使得從光源發(fā)出的光變成不同波長的兩個(gè)特定光波，交替射入試樣。校正屏9也叫校正濾光鏡(calibratingscreens)。用它校正試樣的光密度。當(dāng)光線通過試樣，被光電管8感知可得到兩種脈沖信號(hào)，信號(hào)由光電開關(guān)3〔光控繼電器)控制，分別送入記憶電容中去。記憶電容按照由光電管傳來的電信號(hào)強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)電壓。這兩者電壓的差可以通過圖9一4中的電壓計(jì)刻度盤讀取。于是經(jīng)過換算就可以測定出光密度差△D。圖7-453目前五十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑵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(shí)要選擇兩種特定波長的光：①一種波長應(yīng)該是對(duì)于待測成分的變化十分敏感；②一種波長相反，應(yīng)是對(duì)待測成分變化幾乎沒有反應(yīng)（作為參照波長）。由于兩波長一般都對(duì)試樣尺寸、光源，檢測器等因素的變化反應(yīng)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。例如，根據(jù)溫州蜜橘顏色選果時(shí)，所使用的兩種波長分別為681.5nm和700nm，那么得到的△D值與葉綠素含量有著很好的相關(guān)關(guān)系[圖9一5(a)]。54目前五十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑶利用光密度比測定當(dāng)測定厚度不同的果實(shí)時(shí)，為了消除果實(shí)尺寸的影響，可以利用兩個(gè)不同波長的光密度比進(jìn)行測定。其理由如下:根據(jù)朗伯定律，I2=I1e-αλ·δ，αλ為吸收系數(shù)，δ為試樣厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλ

·

δ/2.303，當(dāng)分別用波長為單色光測定同一試樣的D時(shí)，D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2，即在關(guān)系式中不會(huì)出現(xiàn)厚度。55目前五十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑷透光測定法在食品品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用

透光測定法是食品無損檢測的一種常用方法，比較典型的應(yīng)用有:果蔬成熟度的檢測、谷類水分含量測定，玉米霉變損傷檢測、碎米程度、食品顏色、雞蛋內(nèi)血絲混入*的檢測等。

應(yīng)用這種方法的前提是，食品中與光透過有關(guān)的物質(zhì)或色素，必須和食品的品質(zhì)指標(biāo)有好的相關(guān)性。例如，測定果實(shí)的成熟度，是利用了果實(shí)中含有的葉綠素量與成熟度明顯相關(guān)這一規(guī)律。另外有關(guān)的物質(zhì)還有花青素昔類、胡蘿卜素等。

例如：

①對(duì)花生熟度測定常采用一種花生熟度計(jì)(peanutmaturitymeter)。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?yàn)榛ㄉS著成熟，其光密度減少。對(duì)于花生油，在特定波長的光照射時(shí)，成熟花生的油比生花生的油透光性要好，其差異在425nm、455nm和480nm最為顯著。56目前五十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

②對(duì)食品水分測定利用透光特性也比較多。Narris開發(fā)了以水的光譜吸收曲線為基礎(chǔ)的水分計(jì)。水的吸收光譜中有5個(gè)吸收帶，波長分別為:760nm、970nm、1190nm、1450nm和1940nm。

對(duì)谷物的甲醇提取物水分測定使用1940nm光吸收帶，其測定結(jié)果與化學(xué)試劑法測值相比，標(biāo)準(zhǔn)偏差為土0.24%。Narris等人利用此原理對(duì)花生水分測定，發(fā)現(xiàn)△D(970nm,900nm)與水分含量相關(guān)。在含水率30%左右的試樣范圍，測定精度在0.7%。對(duì)于大豆水分測定，采用△D(1940nm，2080nm)法，比干燥法測定標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.1%。57目前五十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

③果實(shí)內(nèi)部的空洞、褐變、病變等也可以通過透光法測定。例如，對(duì)蘋果的糖蜜病，由于蜜病區(qū)細(xì)胞間的空隙充滿了水，因此，對(duì)入射光擴(kuò)散減少，D值也減少。如圖7一6所示，使用水吸收峰值的760nm和810nm兩個(gè)波，即可發(fā)現(xiàn)糖蜜病變。對(duì)于蘋果內(nèi)部的褐變，如圖7-7所示，隨褐變加重，D增加。采用的基本波長為600nm和740nm。

圖7-6圖7-758目前五十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

④透光檢測在自動(dòng)選果機(jī)上也得到廣泛應(yīng)用。1968年Nelson利用光密度差原理成功地開發(fā)了玉米分選機(jī)。主要是將菜用的甜玉米與飼料玉米分開。這兩種玉米雖然表面顏色相同，但內(nèi)部組成有顯著差別，用人眼難以分辨。用透光法就可以正確判斷。Allen等人(1966)根據(jù)透光測定原理開發(fā)了果實(shí)中有無種子的選果機(jī)。其裝置如圖7一8所示，圖的下方為透光檢測部分，稱陰影檢測器(shadowdetector)。光源與陰影檢測部位正對(duì)。光源發(fā)出的光通過散射可以傳到旁邊的輝光檢測器。輝光檢測器接收的信號(hào)不受種子有無的影響，只給出果實(shí)有無陰影一個(gè)參照信號(hào)，即自動(dòng)補(bǔ)償表皮顏色、果肉特性、果實(shí)大小和光源變化等引起的誤差。把兩檢測器信號(hào)經(jīng)過差動(dòng)放大，當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，則由排除機(jī)構(gòu)去除。圖7-859目前五十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.4.2光反射特性的測定方法和應(yīng)用

圖7一9表示測定光的反射率時(shí)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。圖7-9測定反射率時(shí)一般是將一束光同時(shí)照射到物料樣品和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白色參照表面(一層氧化鎂)上，并對(duì)它們反射光強(qiáng)度進(jìn)行比較，以確定反射率，如圖7一10所示。由光源A發(fā)出的光經(jīng)三棱鏡B色散，并被C分隔成一個(gè)狹窄的波長范圍。通過狹縫的光束被涂銀的鏡片D分成兩束相同強(qiáng)度的光束。通過鏡片D的光束投射到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白色氧化鎂表面上，而由鏡片D反射的光束被鏡片E再反射到試樣表面。圖7一1060目前六十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)一般地說，試樣表面的反射率比白色表面低，投射到標(biāo)準(zhǔn)白色表面上的光強(qiáng)度可通過光量調(diào)節(jié)器F來減弱，直至標(biāo)準(zhǔn)表面和試樣表面具有相等的反射光強(qiáng)度。例如，投射到標(biāo)準(zhǔn)白色表面上的光減弱到70%時(shí)才能和試樣表面反射的光強(qiáng)度保持一致，則試件在該波長的反射率為70%。在實(shí)際應(yīng)用中，測定物料各個(gè)波長時(shí)的反射率，以波長A為橫坐標(biāo)，以反射率I2為縱坐標(biāo)，即可繪制出物料反射率光譜特性曲線。

圖7一1061目前六十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)圖7一11是一些食品物料的光反射率特性曲線的實(shí)例。不同物料之間光譜特性曲線的差異主要是由于物料吸收特性的差異。由圖7一11可見，反射率曲線有若干明顯的吸收帶。這些吸收帶存在于高含水量的物料中，如蘋果、馬鈴薯和肉，而干的土塊卻沒有。由此可見，這是水的吸收帶。其波長約為970nm,1190nm和1450nm,大多數(shù)在紅外線范圍內(nèi)。根據(jù)該特性我們可用紅外線照射的方法測得其含水量。由圖7一11還可看出，在波長約為675nm時(shí)綠蘋果有一個(gè)明顯的吸收帶，而紅蘋果的吸收帶則不太明顯。這是葉綠素的吸收帶，由于隨著物料成熟度提高，葉綠素含量下降，因此綠蘋果比紅蘋果的吸收帶明顯得多。根據(jù)這種分析，我們可用675nm波長的光照射物料，以測定物料葉綠素含量，從而可以確定物料的成熟度。圖7一116759701190145062目前六十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)圖7一12是兩種不同成熟度的番茄反射率曲線。選550nm波長為參照波長，它對(duì)反射率變化是不敏感的，另一個(gè)波長選作670nm，它是葉綠素吸收帶，對(duì)成熟度是比較敏感的。于是，紅番茄的△R(550一670nm)為正，而綠番茄的△R為負(fù)，這樣就可將成熟和不成熟番茄完全分開。單用670nm波長的反射率值是無法將兩種番茄有效地分開的。綠番茄紅番茄圖7一1263目前六十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)圖7一13為馬鈴薯、土塊和石塊的反射率曲一線。用不同波長的光照射馬鈴薯、土塊和石塊發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯在波長600～1300nm的反射率Rλ1比土塊和石塊大，而馬鈴薯在波長1500～2400nm時(shí)的反射率Rλ2比土塊和石塊小。因此，在該波長范圍內(nèi)馬鈴薯的Rλ1/Rλ2的值始終比土塊和石塊大。利用這個(gè)特性即有可能從土塊和石塊中把馬鈴薯分離出來。

圖7一1364目前六十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)大米色選機(jī)的基本原理是利用物料的反射光量差異進(jìn)行品質(zhì)檢測，并利用電磁排料器去除異色?；螂s質(zhì)。色選機(jī)主要由原料供給、光電檢測系統(tǒng)、信息處理、分選等部分組成。其中，光電系統(tǒng)是核心，目前有單色光檢測系統(tǒng)、雙色光檢測系統(tǒng)和三色光檢測系統(tǒng)。目前的色選機(jī)已利用數(shù)字圖象技術(shù)、近紅外技術(shù)等能有效地實(shí)現(xiàn)將不合格產(chǎn)品除去的目的。色選機(jī)的基本原理如下圖所示。65目前六十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.4.3積分球測定技術(shù)

⑴積分球及其測定基本原理積分球通常是由兩個(gè)半球組成，內(nèi)涂層噴涂好以后，再用法蘭把兩個(gè)半球連接起來，構(gòu)成積分球的主體，再由支架支撐起來，就是一個(gè)完整的積分球。積分球上通常開有入光孔、樣品孔和接收孔，有的還配有樣品架、鏡片架、孔塞，光阱、光欄、囪口配接器以及標(biāo)準(zhǔn)白標(biāo)等積分球附件，以滿足各種光學(xué)測量的要求。66目前六十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)積分球基本原理：積分球又稱為光通球，是一個(gè)中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫射均勻。光源S在球壁上任意一點(diǎn)B上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可得，球面上任意一點(diǎn)B的光照度E為：公式(1)中，E1為光源S直接照在B點(diǎn)上的光照度，E1的大小不僅與B點(diǎn)的位置有關(guān)，也與光源在球內(nèi)的位置有關(guān)。如果在光源S和B點(diǎn)間放一擋屏，擋去直接射向B點(diǎn)的光，則E1=0，因而在B點(diǎn)的光照度為：(1)(2)公式(2)中，R為積分球半徑、ρ為積分球內(nèi)壁反射率。R和ρ均為常數(shù)，因此在球壁上任意位置的光照度E（擋去直接光照后）與燈的光通量Φ成正比。通過測量球壁窗口上的光照度E，就可求出光源的光通量Φ。67目前六十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)由于積分球內(nèi)表面具有超高反射和散射的特性，積分球可獲得各種不同的應(yīng)用。在食品的檢測中，一般是采用下圖三測定原理的積分球。把一平行光束從積分球的一孔入射，射到安置在正對(duì)面球壁的試樣上，即可測得試樣的反射系數(shù)、散射系數(shù)和熒光系數(shù)等，從而計(jì)算出相關(guān)的成分含量、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)等。一臺(tái)簡單的積分球測試系統(tǒng)

68目前六十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)69目前六十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.4.4延遲發(fā)光現(xiàn)象的利用

延遲發(fā)光(DLE)具有暗期恢復(fù)(darkrecovery)、光飽和以及感溫性等特點(diǎn)。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(duì)果蔬進(jìn)行分選具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)選擇光源的范圍大，因此裝置簡單(注意:在625一725nm的光激發(fā)作用較強(qiáng))；(2)照射和測定L)LE的時(shí)刻可在不同場所進(jìn)行，對(duì)于機(jī)械的設(shè)計(jì)帶來方便；(3)除光電管外，不需要其他光學(xué)元件，裝置比較簡單；(4)沒有一般透光測定時(shí)，熒光帶來的影響誤差。熒光給D帶來的誤差有時(shí)高達(dá)25%。

以上優(yōu)點(diǎn)，都使得食品加工或精選工程中應(yīng)用DLE非常方便。DLE的利用在迅速測定生鮮農(nóng)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。葉綠素聚集體有延遲發(fā)光現(xiàn)象。這延遲發(fā)光現(xiàn)象說明葉綠素聚集體在吸收光能后,能把光儲(chǔ)藏在聚集體中。70目前七十頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)圖7一14表示農(nóng)產(chǎn)品延遲發(fā)光特性的測定裝置簡圖。光源LS通過一組透鏡L1，L2和3個(gè)中性密度濾色片F(xiàn)1，快門SH,照在鏡片M上。光被鏡片M反射，照射到放置在暗室CH內(nèi)的樣品S上。光源利用風(fēng)扇F冷卻。為研究溫度對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響，在暗室內(nèi)還裝有加熱器H、隔熱屏HS和熱電偶TC。鏡片M是鉸接的，當(dāng)快門SH關(guān)閉后鏡片及時(shí)地切斷光源通路。圖7一14同時(shí)反射鏡順時(shí)針轉(zhuǎn)450，樣品的延遲發(fā)光通過干涉濾色片F(xiàn)2、紫外光濾色片F(xiàn)3和聚光鏡L3，由光電倍增管PMT接收。暗室和光的通道的內(nèi)壁均涂黑以吸收散射光。樣品激勵(lì)光照射面積由暗室中的罩子MA調(diào)節(jié)。電源和讀出系統(tǒng)如圖7一14所示。71目前七十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)番茄、柿子和橘子在白熾光激勵(lì)下的延遲發(fā)光光譜曲線，如圖7一15、圖7一16和圖7一17所示。由圖可見，延遲發(fā)光強(qiáng)度的峰值是在波長為650一750nm范圍內(nèi)，該光譜范圍正好是在紅光光譜區(qū)域。因此，在測定裝置中所選擇的光電管應(yīng)對(duì)紅光有良好的響應(yīng)。激勵(lì)光源采用白熾燈或熒光燈均可得到良好的延遲發(fā)光輸出。綠番茄綠柿子圖7一15圖7一17圖7一1672目前七十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

延遲發(fā)光強(qiáng)度受多種因素的影響。

①圖7一18表示光照激勵(lì)時(shí)間對(duì)番茄延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響。當(dāng)光照激勵(lì)時(shí)間增加時(shí)，延遲發(fā)光強(qiáng)度也隨之增加到最大值，之后隨光照時(shí)間繼續(xù)增加，延遲發(fā)光強(qiáng)度反而緩慢下降，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，我們稱作達(dá)到飽和狀態(tài)了。對(duì)番茄試驗(yàn)表明，當(dāng)激勵(lì)光照度為5500lx時(shí)，激勵(lì)時(shí)間為3——6s，延遲發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖7一1873目前七十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

②圖7一19表示激勵(lì)光照度對(duì)番茄延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響。光照激勵(lì)照度愈高，達(dá)到延遲發(fā)光飽和狀態(tài)所需時(shí)間愈短。為保證延遲發(fā)光達(dá)到飽和狀態(tài)，激勵(lì)光照度應(yīng)盡可能的高。當(dāng)延遲發(fā)光達(dá)到飽和水平后，增加光照激勵(lì)時(shí)間或照度對(duì)增加延遲發(fā)光強(qiáng)度己不起多大作用。由于在飽和狀態(tài)下激勵(lì)光照度變化不再影響延遲發(fā)光強(qiáng)度，因此延遲發(fā)光照度檢測應(yīng)在延遲發(fā)光飽和狀態(tài)下進(jìn)行。圖7一1974目前七十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)在用光照激勵(lì)食品之前，首先需將物料在暗室中放置一段時(shí)間，我們把這段時(shí)間稱作暗期(darkperiod)。圖7一20表示番茄的延遲發(fā)光強(qiáng)度的衰減曲線。光照激勵(lì)前的暗期長短對(duì)延遲發(fā)光曲線有明顯影響。圖7一21表示暗期對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響。暗期短使延遲發(fā)光強(qiáng)度減弱，暗期長可使延遲發(fā)光達(dá)到飽和狀態(tài)。圖7一20圖7一2175目前七十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)

③樣品溫度對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度也有一定影響。對(duì)番茄和柿子測定表明，當(dāng)溫度低于13一17℃時(shí)，延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而稍有增加，隨著溫度繼續(xù)增加，延遲發(fā)光強(qiáng)度反而下降。對(duì)茶葉和煙葉試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度分別低于31℃和35℃時(shí)，延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而增加，當(dāng)高于上述溫度時(shí)，延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而下降。為得到一些食品的高強(qiáng)度延遲發(fā)光，各項(xiàng)測定參數(shù)組合如表7一1所示。表7一176目前七十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)7.4.5食品近紅外測定的原理和應(yīng)用

食品的外觀、色彩、內(nèi)部狀態(tài)檢測在可見光范圍可通過反射、透過、延遲發(fā)光等光學(xué)特性測定來完成。對(duì)食品中水分、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)等一般成分的評(píng)價(jià)，近年來，應(yīng)用近紅外線、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(shù)，在食品的非破壞檢測方面取得較大進(jìn)步。20世紀(jì)70年代以來，美國等國家的研究部門發(fā)現(xiàn)，利用食品成分對(duì)近紅外線(0.7一3.0μm)的吸收特性，如對(duì)谷類、乳制品、肉制品、飼料等的水分、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖、氨基酸等，可以進(jìn)行有效的無損傷測定。77目前七十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十七點(diǎn)⑴近紅外法的原理和定量方法近紅外線的范圍為可見光到紅外線之間，即波長為0.7-3μm的光波。物質(zhì)對(duì)紅外線的吸收，除極少數(shù)例外，都是由結(jié)合鍵連結(jié)的兩個(gè)原子間簡正伸縮*振動(dòng)的諧波或結(jié)合振動(dòng)的吸收引起的。其中大部分都與物質(zhì)中的氫原子的簡正伸縮振動(dòng)有直線相關(guān)關(guān)系。也就是當(dāng)光波頻率與分子構(gòu)造中原子結(jié)合振動(dòng)頻率相同或是倍數(shù)關(guān)系時(shí)，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(gè)疊加而成的曲線。大豆的近紅外吸收光譜如圖7一22所示。其中水的吸收波長為1.94μm。水以外還有蛋白質(zhì)