食品物性學(xué)-光學(xué)

食品的光學(xué)性質(zhì)色度學(xué)基礎(chǔ)

食品光學(xué)測定原理

食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

應(yīng)用實(shí)例

4123主要內(nèi)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(nèi)，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(jì)算機(jī)輻射照度的方法計(jì)算光度。對于波長為λ1~λ2的連續(xù)光譜，有：1.與食品光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的基本物理量一色度學(xué)基礎(chǔ)

式中，k為常數(shù)，Vλ為光譜光視效率；Eλ為光譜強(qiáng)度；Φ為光通量，其單位為流明（lm,Lumen）。1.與食品光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的基本物理量2）照度（illumination）表示某一受光點(diǎn)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(diǎn)單位面積的發(fā)光光通量，符號為M，單位為lm/m2，表達(dá)式為：式中，Φ為光通量；A1為受光面積.一色度學(xué)基礎(chǔ)1.與食品光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的基本物理量4）發(fā)光強(qiáng)度（luminousintensity）發(fā)光強(qiáng)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(nèi)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(dá)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(shè)發(fā)光體表面積為A，觀測方向的發(fā)光強(qiáng)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(xué)基礎(chǔ)2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)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(lán)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(zhuǎn)換而來的。人們將RGB值經(jīng)歸一化形成rgb（色品坐標(biāo)），其關(guān)系式如下：②XYZ表色系統(tǒng)

CIE-XYZ表色系統(tǒng)又稱為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換得到。在此系統(tǒng)中可以用色品坐標(biāo)確定顏色（如下式），因此在食品及農(nóng)產(chǎn)品顏色檢測中具有極高的使用價(jià)值。一色度學(xué)基礎(chǔ)2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換③CIEL*a*b*表色系統(tǒng)

可由CIE-XYZ轉(zhuǎn)換得到，L*a*b*表色空間又稱為獨(dú)立色坐標(biāo)，它是把顏色按其所含紅、綠、黃、藍(lán)的程度來度量的。一色度學(xué)基礎(chǔ)2.顏色的表色系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換2）顏色系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換①RGB與CIE-XYZ的轉(zhuǎn)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(dá)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(shí)測樣本數(shù)據(jù)。農(nóng)產(chǎn)品的顏色種類很多，因此要設(shè)計(jì)食品及農(nóng)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(yīng)由各種顏色組成。2）XYZ與CIE1976L*a*b*之間的轉(zhuǎn)換

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

當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，一部分被反射，另一部分穿入。反射多少視兩種介質(zhì)折射率的比率而定，此外，還依賴于入射角度，這種關(guān)系可由菲涅爾公式闡明。式中，θ為入射角，φ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(xué)基礎(chǔ)3.光的吸收、反射、散射和色散3）光的散射

當(dāng)光波投到細(xì)小質(zhì)點(diǎn)上時，根據(jù)惠更斯原理，從質(zhì)點(diǎn)表面上各點(diǎn)激發(fā)次級子波，進(jìn)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(qiáng)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(zhì)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(zhì)色散率的量值等于介質(zhì)折射率對波長的變化率。一色度學(xué)基礎(chǔ)4.標(biāo)準(zhǔn)光源及觀測條件1）標(biāo)準(zhǔn)光源CIE推薦了五種標(biāo)準(zhǔn)照明體：標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體A。標(biāo)準(zhǔn)照明體B：代表相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)照明體C：代表相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光源，它相應(yīng)于色溫6504K的白晝光。標(biāo)準(zhǔn)照明體E：將在可見光波段內(nèi)光譜輻射功率為恒定值的光刺激定義為標(biāo)準(zhǔn)照明體E，也稱為等能光譜或等能白光。一色度學(xué)基礎(chǔ)4.標(biāo)準(zhǔn)光源及觀測條件2）觀測條件四種測色的標(biāo)準(zhǔn)照明和觀察條件一色度學(xué)基礎(chǔ)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(zhì)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(zhì)厚度；kλ為吸收系數(shù)。其中吸收系數(shù)kλ單位為cm2/mol，當(dāng)采用m2/mol為單位時，稱為摩爾吸收系數(shù)。

設(shè)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(yīng)于波長λ1、λ2的D值。和分別為樣品中其它成分相應(yīng)的D值。則：1.利用透光特性的測定當(dāng)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(xué)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(qiáng)度，為入射光強(qiáng)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(jìn)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(xué)測定原理1、光透過特性的測定方法和應(yīng)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(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做的單色儀，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。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(xué)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(yīng)該是對于待測成分的變化十分敏感；一種波長相反，應(yīng)是對待測成分變化幾乎沒有反應(yīng)。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(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。3）利用光密度比測定

當(dāng)測定厚度不同的果實(shí)時，為了消除果實(shí)尺寸的影響，可以利用兩個不同波長的光密度比進(jìn)行測定。1、光透過特性的測定方法和應(yīng)用二、食品光學(xué)測定原理4）透光測定法在視頻品質(zhì)評價(jià)上的應(yīng)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(yīng)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(nèi)血絲混入的檢測等。

應(yīng)用這種方法的前提是，食品中與光透過有光的物質(zhì)或色素，必須和食品的品質(zhì)指標(biāo)有很好的相關(guān)性。

例如，對花生熟度測定常采用Kramer開發(fā)的花生熟度計(jì)。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(yīng)用于對食品水分測定；果實(shí)內(nèi)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(yīng)用二、食品光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)的白色參照表面（一層氧化鎂）上，并對它們的反射光強(qiáng)度進(jìn)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(shí)例。三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用2、光反射特性的測定方法和應(yīng)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(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；②照射和測定DLE的時刻可在不同場所進(jìn)行，給機(jī)械的設(shè)計(jì)帶來便利；③除光電管外，不需要其它光學(xué)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(diǎn)，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。三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用3、延遲發(fā)光現(xiàn)象的利用圖9-17表示農(nóng)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(yīng)用對食品中水分、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)等一般成分的評價(jià)，近年來，應(yīng)用進(jìn)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)，在食品的無損傷檢測方面取得較大進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)性質(zhì)的應(yīng)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(zhì)對紅外線的吸收除極少數(shù)例外，都是由結(jié)合鍵連接的兩個原子間簡正伸縮振動的諧波或結(jié)合振動的吸收引起的。其中大部分都與物質(zhì)中的氫原子的簡正伸縮振動有直線關(guān)系。也就是當(dāng)光波頻率與分子構(gòu)造中原子結(jié)合振動頻率相同或是倍數(shù)關(guān)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(yīng)用三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)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(diǎn)數(shù)，由雜波的性質(zhì)、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(yīng)用三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用4、食品近紅外測定的原理和應(yīng)用3）測定儀器美國農(nóng)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(shí)驗(yàn)的光譜作為光密度D由記錄儀記錄。技術(shù)D所需的標(biāo)準(zhǔn)版：對反射光使用白瓷板；對透射光是空氣，或相當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行。三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用4）近紅外測定的應(yīng)用（如表9-3）4、食品近紅外測定的原理和應(yīng)用三、食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用1、利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行水果品質(zhì)

高速實(shí)時監(jiān)測與分級四、應(yīng)用實(shí)例1）機(jī)器視覺技術(shù)簡介

機(jī)器視覺技術(shù)（machinevisiontechnology）是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而開拓出來的一個新的計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)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(zhuǎn)換成一個數(shù)據(jù)矩陣，并利用一個用以代替人腦的計(jì)算機(jī)來分析圖像并完成一個與視覺有關(guān)的任務(wù)。他是計(jì)算機(jī)、光學(xué)、數(shù)學(xué)、信息論、模式識別、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、人工智能、自動化、CCD技術(shù)、視覺學(xué)、心理學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)字圖像處理等眾多學(xué)科交叉綜合的一門學(xué)科。2）水果品質(zhì)高速實(shí)時監(jiān)測與分級系統(tǒng)Y.Tao研制成功了MERLIN高速高頻機(jī)器視覺水果分級系統(tǒng)（如下圖），該機(jī)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(jī)監(jiān)測系統(tǒng)示意1、利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行水果品質(zhì)

高速實(shí)時監(jiān)測與分級四、應(yīng)用實(shí)例1）超弱發(fā)光技術(shù)簡介超弱發(fā)光（Ultraweakbioluminescence）是任何有生命的物質(zhì)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(nóng)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(guān)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(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行果蔬檢測分級相比，除具有無損傷檢測的特點(diǎn)外，由于超弱發(fā)光是測試活體物質(zhì)的生命活性，故能更好地檢測果蔬內(nèi)部的變化情況，因而，檢測結(jié)果更為準(zhǔn)確、客觀。2、利用生物超弱發(fā)光技術(shù)進(jìn)行果蔬的

檢測與分級四、應(yīng)用實(shí)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(zhuǎn)換成電信號，再用電路放大，用計(jì)算機(jī)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(shù)進(jìn)行果蔬的檢測與分級四、應(yīng)用實(shí)例2、利用生物超弱發(fā)光技術(shù)進(jìn)行果蔬的檢測與分級四、應(yīng)用實(shí)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(qiáng)器、圖像處理器、攝像系統(tǒng)等組成，是以微通道板像增強(qiáng)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(jī)預(yù)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(jié)果與分析：按照GB8852-1988中所界定的番茄成熟期的標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)度，列于表9-6中。2、利用生物超弱發(fā)光技術(shù)進(jìn)行果蔬的檢測與分級四、應(yīng)用實(shí)例2、利用生物超弱發(fā)光技術(shù)進(jìn)行果蔬的檢測與分級四、應(yīng)用實(shí)例

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

食品顏色是食品重要的感光特性，也是關(guān)系食品食用價(jià)值和品質(zhì)的重要評價(jià)指標(biāo)，因?yàn)轭伾淖兓举|(zhì)上是由于食品內(nèi)部組織和成分的復(fù)雜生化反應(yīng)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(yàn)來評價(jià)食品的顏色具有很大的局限性，所以，對食品顏色進(jìn)行定量化測試與評價(jià)是十分必要的。四、應(yīng)用實(shí)例3、食品顏色的定量化測試及評價(jià)1）食品顏色定量化測試與評價(jià)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(guān)色度學(xué)指標(biāo)加以測試計(jì)算，從而獲得食品的色差來定量化評價(jià)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(lán)色。a*、b*、c*絕對值越大，色差越飽和，越純正。四、應(yīng)用實(shí)例2）小包裝牛肉的顏色定量化測試與評價(jià)

右圖是對100包小包