食品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)4

第四章利用光學(xué)特性的檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

第四節(jié)近紅外光特性的檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備第六節(jié)應(yīng)用實(shí)例2023/6/151當(dāng)前第1頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)2023/6/152第四章利用光學(xué)特性的檢測(cè)技術(shù)利用紫外、可見(jiàn)、紅外等光線與物體的相互作用而產(chǎn)生的反射和吸收現(xiàn)象，對(duì)物料進(jìn)行非接觸式檢測(cè)的方法是上世紀(jì)用于食品與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的新方法。

根據(jù)物料的反射和吸收光譜可以鑒定物質(zhì)的性質(zhì)；

以紫外作為激勵(lì)光源，根據(jù)熒光的強(qiáng)度可以判別食品上附著的微生物及其代謝產(chǎn)物，如蛋品中的霉菌、花生類(lèi)干果上的黃曲霉素；

當(dāng)前第2頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)用可見(jiàn)光做光源，加上代替人眼的色彩傳感器，測(cè)定對(duì)象的反射光和透射光，用于判定果品的成熟度和谷物種子、稻米、水果的等級(jí)；

利用對(duì)象物的延時(shí)發(fā)光，可以對(duì)水果和蔬菜的葉綠素含量做判定，識(shí)別新茶和陳茶；

波長(zhǎng)0.8~2.5微米的近紅外光，可在40s內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)定多種食品主要成分；當(dāng)前第3頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

很久以前，人們就對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)識(shí)到光直線傳播的特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)光在介質(zhì)面反射與折射性質(zhì)的了解，掌握了成象的基本規(guī)律。這些都屬于幾何光學(xué)的范圍。

B、波動(dòng)說(shuō)惠更斯所提出的光波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光是在媒質(zhì)中傳播的一種波動(dòng)，但到底是一種什么波動(dòng)，概念還是不清楚，該觀點(diǎn)可解釋光的干涉、衍射及偏振等現(xiàn)象。

一、光的本質(zhì)A、粒子說(shuō)牛頓所主張的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是從發(fā)光體發(fā)出的而且以一定速度向空間傳播的一種微粒，并用這種觀點(diǎn)對(duì)反射和折射定律作了解釋；2023/6/154當(dāng)前第4頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)D、波—粒兩重性（光量子）：電磁波理論不解釋光與物質(zhì)相互作用等方面的一些現(xiàn)象，如：物質(zhì)對(duì)光的吸收、色散和散射、光電效應(yīng)等等。愛(ài)因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出了光量子的概念，從而使人們對(duì)光的本性有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到光具有波粒二重性。C、電磁波說(shuō)：

1860年麥克斯韋電磁理論建立后，才認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波，從而本質(zhì)上證明了光和電磁波的統(tǒng)一性，并很好地說(shuō)明光在傳播過(guò)程中的發(fā)射、偏振以及光在各向異性介質(zhì)中的傳播現(xiàn)象。

當(dāng)然上述認(rèn)識(shí)仍然是近似的，但它更接近實(shí)際了，當(dāng)然我們不敢斷言，現(xiàn)在對(duì)光的概念已是最后的定論。2023/6/155當(dāng)前第5頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)光的波長(zhǎng)分布2023/6/156當(dāng)前第6頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)二、光的單色性、偏振性與相關(guān)性

1.光的單色性

具有單一波長(zhǎng)的光稱為單色光，不同波長(zhǎng)的單色光通過(guò)人的視覺(jué)器官反映出不同的顏色。從長(zhǎng)段波長(zhǎng)開(kāi)始分別為赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。具體的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的顏色關(guān)系下圖所示。

340400500600700紫藍(lán)綠黃紅波長(zhǎng)（nm）2023/6/157當(dāng)前第7頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光的感受是不同的，同樣功率的輻射在不同波長(zhǎng)表現(xiàn)為不同的明亮程度，用高能量輻射照射眼睛，視覺(jué)范圍可擴(kuò)大到312~

nm及1150nm,取平均實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是在明視覺(jué)條件下用不同波長(zhǎng)單色光匹配一定亮度所需的相對(duì)輻射量，人的感覺(jué)如圖所示。實(shí)線為明視覺(jué)曲線，虛線為暗視覺(jué)曲線。明視覺(jué)與暗視覺(jué)等能光譜亮度曲線2023/6/158當(dāng)前第8頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

光是橫波，光矢量和光的傳播方向相垂直。如果光矢量在一個(gè)固定平面內(nèi)只沿著一個(gè)固定方向作振動(dòng)，這種光稱作線偏振光或面偏振光（簡(jiǎn)稱為偏振光）。自然光是非偏振的，在所有可能的方向上的振幅都可看作完全相等。2.偏振性2023/6/159當(dāng)前第9頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

波動(dòng)是具有疊加性的。光是一種波動(dòng)，所以兩束單色自然光在空間相遇處的振動(dòng)，將是各自的振動(dòng)的矢量和。因?yàn)檎缥锢韺W(xué)中有關(guān)機(jī)械波動(dòng)中討論的，相干波必須滿足同頻率、同振動(dòng)方向、同周相或有恒定周相差等條件時(shí)才能發(fā)生的干涉現(xiàn)象，只有從同一部分發(fā)出的光通過(guò)某些特殊裝置后，才能獲得符合相干條件的兩束光。3.相干性2023/6/1510當(dāng)前第10頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)4.光源

發(fā)光的物體稱為光源。

光源的種類(lèi)繁多，形式多樣。在光電技術(shù)中經(jīng)常見(jiàn)到的有以下四類(lèi)：（1）熱輻射光源由物體溫度升高而發(fā)光的光源，如太陽(yáng)、黑體、白熾燈和鹵鎢燈等；（2）氣體放電光源電流通過(guò)氣體（包括金屬蒸氣）而發(fā)光的光源，如熒光燈、汞燈、氙燈等；（3）固體發(fā)光光源如場(chǎng)致發(fā)光燈，半導(dǎo)體發(fā)光二極管等；（4）激光器。2023/6/1511當(dāng)前第11頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)三、光在介質(zhì)表面的反射、折射及光的吸收

1.光的反射、反射定律

反射定律指出：入射光線與反射光線及法線同在一平面內(nèi)，并且入射角與反射角相等。反射光能量和入射光能量之比稱作反射率R：R=Ef／E0

式中R為反射率；Ef是反射光的能量；E0是入射光的能量。光與介質(zhì)的相互作用γ2023/6/1512當(dāng)前第12頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

對(duì)于不同頻率的光，同樣的物體表面的反射率是不同的，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示就是物體的發(fā)射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，這就是人們?cè)谌粘Ｉ钪兴匆?jiàn)的物體表面總帶有不同顏色的道理。2023/6/1513當(dāng)前第13頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)2.折射、折射定律一束平行光由一介質(zhì)進(jìn)入另一介質(zhì)時(shí)，將改變進(jìn)行方向，這種現(xiàn)象稱光的折射。2023/6/1514當(dāng)前第14頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

絕對(duì)折射率、相對(duì)折射率

如果我們以光在真空中的速度為標(biāo)準(zhǔn)，則光在其他介質(zhì)中的相對(duì)速度定義為：光在真空中的速度/光在介質(zhì)中的速度。此比值稱為絕對(duì)折射率，通常用n表示。

當(dāng)光線由一介質(zhì)進(jìn)入另一介質(zhì)，例如由空氣進(jìn)入玻璃，由玻璃進(jìn)入水等，以該兩介質(zhì)中的光速比值表示其速度的改變更為方便，如：

光在空氣中的速度／光在玻璃中的速度=angang稱為相對(duì)折射率。2023/6/1515當(dāng)前第15頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)2.折射、折射定律面內(nèi)，入射光線與折射光線各在法線的一側(cè)，入射角正弦與折射角正弦之比，對(duì)任意兩介質(zhì)及任意波長(zhǎng)的光而言為一常數(shù)。Sini/Sini’=n’/n式中n’／n為第1介質(zhì)到第2介質(zhì)的相對(duì)折射率，對(duì)兩介質(zhì)和某波長(zhǎng)光而言，此值為常數(shù)。

折射定律指出：入射光線、折射光線與法線三者同在一平

光與介質(zhì)的相互作用γ當(dāng)前第16頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)3.光的吸收、吸收定律

光的吸收現(xiàn)象一束光線與介質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，除發(fā)生光的反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象，還將發(fā)生光的吸收現(xiàn)象。對(duì)大多數(shù)介質(zhì)當(dāng)光在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)一段距離后，部分光能轉(zhuǎn)化為熱能、電能或化學(xué)能形式。換言之，光已被物質(zhì)吸收。光在均介質(zhì)中的傳播2023/6/1517當(dāng)前第17頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

光在均勻物質(zhì)中通過(guò)一距離時(shí)，到達(dá)該處的光能中將有同樣比例的能量被該層物質(zhì)所吸收，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

光在均介質(zhì)中的傳播…物質(zhì)的光吸收系數(shù)

…入射光強(qiáng)

…到達(dá)距離l處的光強(qiáng)

…

光透過(guò)物質(zhì)的距離

吸收定律（朗伯Lambr）2023/6/1518當(dāng)前第18頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

考慮物質(zhì)的不均勻性和光的現(xiàn)射想象，朗伯定律可改寫(xiě)成：

……稱作散射系數(shù)，它是物體組成和波長(zhǎng)的函數(shù)；……稱作物體的衰減系數(shù)。2023/6/1519當(dāng)前第19頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)吸收定律（比爾定律Beer）

對(duì)液體溶液而言，吸光度A

除了與純物質(zhì)的消光系數(shù)有關(guān)外，還與溶質(zhì)的濃度C有關(guān)，比爾研究了這一吸光情況，導(dǎo)出了如下的關(guān)系式：

……入射光強(qiáng)

……到達(dá)距離l處的光強(qiáng)

…光透過(guò)溶液的距離

……比例系數(shù)，與溶液的性質(zhì)有關(guān)A……

吸光度也叫光密度OD

2023/6/1520當(dāng)前第20頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)四、輻射度的基本物理量

立體角的計(jì)算與平面角的定義相似，我們定義球面的立體角為4

rOR立體角的計(jì)算以O(shè)點(diǎn)為中心畫(huà)出以R／Cos為半徑的球面，計(jì)算出由Ad切截的球面面積，除以

求得立體角值。若以探測(cè)器面積代替球面積，于是有：2023/6/1521當(dāng)前第21頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)2．輻射度學(xué)的基本物理量（3）輻[射]強(qiáng)度Ie

（4）輻[射]照度Ee

（5）輻[射]出[射]度Me

（6）輻[射]亮度Le

輻射能是一種發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ǎㄖ饕缸贤?、可?jiàn)或紅外輻射）能量，當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如電能、熱能等。（1）輻[射]能單位為J（焦耳）（2）輻[射]通量

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積元dA的輻射能被定義為通過(guò)此面積元的輻[射]通量Φe，即：Qe以J表示，t以S（秒）表示單位為W（瓦）2023/6/1522當(dāng)前第22頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)

輻射源所發(fā)射的能量由很多不同波長(zhǎng)所組成，因此需要對(duì)各種波長(zhǎng)間隔內(nèi)的單色輻射量做出相應(yīng)的規(guī)定。在單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射量定義為光譜輻射量。對(duì)于具體的輻射量又可分別定義。

（7）光譜輻射量（輻射量的光譜密度）＝＝如果連續(xù)輻射源，其總輻通量是：

不連續(xù)輻射源具有線光譜或帶光譜特征，其總輻通量為：

2023/6/1523當(dāng)前第23頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)五、光度學(xué)的基本物理量

光度學(xué)所有單位由發(fā)光強(qiáng)度的基本單位推導(dǎo)出來(lái)的，1979年由CIPM規(guī)定為坎德拉?！耙粋€(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz（555nm）的單色輻射，若一定方向上輻射強(qiáng)度為1／683W/Sr，則該光源該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd（坎）”。光通量單位lm（流明），是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，或在所有方向上以1cd的發(fā)光強(qiáng)度均勻發(fā)射的點(diǎn)光源，它的光通量為4lm。光亮度的單位是cd/m2（坎/米2），相當(dāng)與1m2表面積沿法線方向發(fā)出1cd的發(fā)光強(qiáng)度的亮度。

光照度的單位是lx（勒克斯），它相當(dāng)與1lm的光通量均勻地照射在1m2面積上產(chǎn)生的光照度。2023/6/1524當(dāng)前第24頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)光特性的內(nèi)容與檢測(cè)原理輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)單位輻[射]能光量輻[射]通量或輻[射]功率光通量輻[射]照度[光]照度輻[射]出度[光]出射輻[射]強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度輻[射]亮度[光]亮度光譜光視效率

輻射度量和光度量的對(duì)照表當(dāng)前第25頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)六、光譜的能量

輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子（如分子、原子的振動(dòng)可視為線性諧振子），由于帶電的關(guān)系，線性諧振子不能與周?chē)碾姶艌?chǎng)交換能量，這些諧振子與古典物理中所說(shuō)的不同，只可能處于某些特殊的分立狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，相應(yīng)的能量是某一最小能量（叫做能量子）的整數(shù)倍，即：

，2，3，4，5，…，n

n為正整數(shù)。

光子的假說(shuō)：光在發(fā)射或吸收時(shí)具有粒子性，在空間傳播時(shí)也具有粒子性，這些光粒子稱為光量子，也稱光子，每個(gè)光子的能量是=h，不同頻率的光子具有不同的能量。按能量的順序依次為：紫外線光譜、可見(jiàn)光譜、紅外光譜。

2023/6/1526當(dāng)前第26頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)七、光與食(農(nóng)產(chǎn))品物料的相互作用特點(diǎn)光與水果的相互作用（1）體反射Iρ1；（2）鏡面反射Iρ2；

（3）吸收Ia；（4）透射Iτ（5）發(fā)射Ie。

Io=Iρ1+Iρ2+Ia+Iτ+IeOD=log（Io/Iτ）2023/6/1527當(dāng)前第27頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)八、光學(xué)特性常用檢測(cè)模式

1.透射法測(cè)定

透射測(cè)定法漫透射測(cè)定法

2023/6/1528當(dāng)前第28頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)2.反射法測(cè)定

樣品對(duì)光的漫反射示意圖(a)光隨入射深度衰減(b)光和樣品相互作用2023/6/1529當(dāng)前第29頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)三種反射方式常用的3種反射光譜檢測(cè)方法2023/6/1530當(dāng)前第30頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)反射法檢測(cè)技術(shù)（1）絕對(duì)漫反射率（2）相對(duì)漫反射率（3）漫反射吸光度2023/6/1531當(dāng)前第31頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)九、食品與農(nóng)產(chǎn)品的光特性應(yīng)用（1）缺陷檢測(cè)食品與農(nóng)產(chǎn)品的光學(xué)特性已經(jīng)被成功用于殘、次、劣質(zhì)物料的檢測(cè)和判別、分選等加工操作工序，如挑剔米粒中的石子和黃黑米粒等。（2）成分分析快速檢測(cè)食（農(nóng)產(chǎn)）品的水分、脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸、糖分、酸度等化學(xué)成分的含量，用于品質(zhì)的監(jiān)督和控制。（3）成熟度與新鮮度分析在成熟度和新鮮度檢測(cè)方面應(yīng)用最多也最成功的是果蔬產(chǎn)品，它們的成熟階段總是與某種物質(zhì)的含量有密切關(guān)系，并表現(xiàn)出表面或內(nèi)部顏色的不同。2023/6/1532當(dāng)前第32頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

第二節(jié)

可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

（1）既能檢測(cè)表面品質(zhì)，又能檢測(cè)內(nèi)部品質(zhì)，而且檢測(cè)為非接觸性的，因而是非破壞性的，經(jīng)過(guò)檢測(cè)和分選的產(chǎn)品可以直接出售或進(jìn)行后續(xù)工序的處理；（3）勞動(dòng)強(qiáng)度低，自動(dòng)化程度高，便于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)；優(yōu)點(diǎn)（2）排除主觀因素的影響，對(duì)產(chǎn)品全數(shù)（100%）檢測(cè)；

（4）機(jī)械的適應(yīng)能力強(qiáng)，通過(guò)調(diào)節(jié)背景光或比色板，即可以處理不同的物料，生產(chǎn)能力大。在利用可見(jiàn)光的特性對(duì)食品與農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)中，常用的方法主要有折射法、反射法、透射法和延時(shí)發(fā)光等。

2023/6/1533當(dāng)前第33頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

一、反射法檢測(cè)技術(shù)

絕大多數(shù)的農(nóng)產(chǎn)品是在自然條件下生長(zhǎng)的，它們的葉、莖、桿、果實(shí)等在陽(yáng)光的撫育下，形成了各自固有的顏色。這些顏色受到輻照、營(yíng)養(yǎng)、水分、生長(zhǎng)環(huán)境、病蟲(chóng)害、損傷、成熟程度等諸因素的影響，會(huì)偏離或改變其固有的顏色。換言之，人們可以通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品的顏色變化，識(shí)別、評(píng)價(jià)植物或果實(shí)及它們的品質(zhì)特性（包括內(nèi)部的成分含量，如糖度、酸度、淀粉、蛋白質(zhì)等）。2023/6/1534當(dāng)前第34頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

1．色度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（1）顏色的分類(lèi)和特性

顏色可分為非彩色和彩色兩大類(lèi)。顏色是非彩色和彩色的總稱。非彩色是白色、黑色和各種深淺不同的灰色。它們可以排列成一個(gè)系列，由白色漸漸到淺灰，再到中灰，再到深灰，直到黑色，叫做白黑系列。

白黑系列中由白到黑的變化可以用一條垂直線表示，一端是純白，另一端是純黑，中間有各種過(guò)渡的灰色。彩色是指白黑系列以外的各種顏色。2023/6/1535當(dāng)前第35頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)純白是理想的完全反射的物體，其光反射率等于1；純黑是理想的無(wú)反射的物體，其光反射率等于零。在現(xiàn)實(shí)生活中，并沒(méi)有純白和純黑的物體。白黑系列的非彩色代表物體的光反射率的變化，在視覺(jué)上是明度的變化。愈接近白色，明度愈高，反之，愈接近黑色，明度愈低。2023/6/1536當(dāng)前第36頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)彩色有三種特性：明度、色調(diào)、飽和度。明度彩色光的亮度愈高，人眼愈覺(jué)得明亮，或者說(shuō)有較高的明度。彩色物體表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。

色調(diào)

色調(diào)是彩色彼此相互區(qū)分的特性?？梢?jiàn)光不同波長(zhǎng)的輻射在視覺(jué)上表現(xiàn)為各種色調(diào)。光源的色調(diào)決定于輻射的光譜組成對(duì)人眼所產(chǎn)生的感覺(jué)。物體的色調(diào)決定于光源的光譜組成和物體表面所反射（透射）的各種波長(zhǎng)輻射的比例。飽和度

飽和度是指彩色的純潔性。可見(jiàn)光譜的各種單色光是最飽和的彩色。當(dāng)光譜色摻入白光成分愈多時(shí)，就愈不飽和。2023/6/1537當(dāng)前第37頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

格拉斯曼將顏色混合現(xiàn)象總結(jié)成顏色混合定律：

(A)人的視覺(jué)只能分辯顏色的3種變化：明度、色調(diào)、飽和度。

(B)在由兩個(gè)成分組成的混合色中，如果一個(gè)成分連續(xù)地變化，混合色的外貌也也連續(xù)變化。

(C)

顏色外貌相同的光，不管它們的光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果。既在視覺(jué)上相同的顏色都是等效的。

(2)顏色方程

以（C）代表被混合的顏色，以（R），（G），（B）代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍(lán)原色，又以R，G，B代表三原色的數(shù)量（三原色的數(shù)量稱為三刺激值），則可寫(xiě)出顏色方程：（C）=

R（R）＋G（G）＋B（B）式中“=”號(hào)表示匹配，即視覺(jué)上相等。2023/6/1538當(dāng)前第38頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)補(bǔ)色律每種顏色都有一個(gè)相應(yīng)的補(bǔ)色。如果某一顏色與其補(bǔ)色以適當(dāng)?shù)谋壤旌?，便產(chǎn)生白色或灰色；如果二者按其它比例混合，便產(chǎn)生近似比重大的顏色成分的非飽和色。

顏色方程的三個(gè)基本定律代替律相似色混合仍相似。如果顏色A＝顏色B；顏色C＝顏色D，那么：顏色A＋顏色C＝顏色B＋顏色D

中間色律任何兩個(gè)非補(bǔ)色相混合，便產(chǎn)生中間色，其色調(diào)決定于兩顏色的相對(duì)數(shù)量，其飽和度決定于二者在色調(diào)順序上的遠(yuǎn)近。2023/6/1539當(dāng)前第39頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)用紅、綠、藍(lán)三種基本顏色可以混合出其它的各種顏色。組成各種顏色的三個(gè)基本色我們稱為三原色。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還證明：三原色不一定必須是紅、綠、藍(lán)，也可以是其它的三種基本顏色，只要在三個(gè)基本顏色中的任何一種顏色不能由另外兩種顏色混合得到。而紅、綠、藍(lán)三原色產(chǎn)生其它顏色最為方便，所以紅、綠、藍(lán)是最優(yōu)選的三原色。（3）三原色定律2023/6/1540當(dāng)前第40頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)2．色坐標(biāo)與色度圖

在色度學(xué)中，不直接用三原色數(shù)量來(lái)表示顏色，而用三原色各自在R＋G＋B總量中的相對(duì)比例表示顏色。三原色各自在R＋G＋B總量中的相對(duì)比例叫做色度坐標(biāo)。某一特定顏色的色度坐標(biāo)r，g，b為：（G）（B）（R）W0.330.332023/6/1541當(dāng)前第41頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

由于r＋g＋b＝1，所以只用r和g即可表示一個(gè)顏色。某一特定顏色（C）的方程可寫(xiě)成：（C）≡

r（R）＋g（G）＋b（B）在顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，常用一特定的白光作為標(biāo)準(zhǔn)，另外選擇三個(gè)特定波長(zhǎng)的紅、綠、藍(lán)三原色進(jìn)行混合，直到三原色光以適當(dāng)比例匹配標(biāo)準(zhǔn)白光。標(biāo)準(zhǔn)白光（W）的色度坐標(biāo)：因而：（W）≡0.333（R）＋0.333（G）＋0.333（B）2023/6/1542當(dāng)前第42頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)3．CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)（1）CIE1931-RGB系統(tǒng)

三刺激值的函數(shù)(萊特和吉爾德兩項(xiàng)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果)叫做“CIE1931-RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”，簡(jiǎn)稱“CIE1931-RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者”。

2023/6/1543當(dāng)前第43頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（1）CIE1931-RGB系統(tǒng)

上圖是根據(jù)CIE1931-RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜三刺激值所繪制的色度圖。光譜三刺激值與光譜色坐標(biāo)的關(guān)系式為：

；；

色度圖中，偏馬蹄形曲線是光譜軌跡。應(yīng)注意，光譜軌跡很大一部分的r坐標(biāo)都是負(fù)值。CIE1931-RGB系統(tǒng)采用700nm，546.1nm和435.8nm作為（R），（G），（B）三原色，是因?yàn)?00nm是可見(jiàn)光譜的紅色末端，546.1nm和435.8nm是兩個(gè)較為明顯的汞亮線譜，三者都比較容易精確地產(chǎn)生出來(lái)。

2023/6/1544當(dāng)前第44頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（2）CIE1931-XYZ

系統(tǒng)1931年CIE在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用3個(gè)設(shè)想的原色（X），（Y），（Z）建立了一個(gè)新的色度圖—CIE1931-XYZ色度圖。建立CIE1931-XYZ系統(tǒng)主要基于3點(diǎn)考慮。X

r=

1.2750,

g=-0.2778,

b=0.0028Y

r=-1.7392,

g=2.7671,

b=-0.0279Z

r=-0.7431,g=0.1409,

b=1.6022

2023/6/1545當(dāng)前第45頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（2）CIE1931-XYZ系統(tǒng)

為了使用方便，XYZ三角形經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為麥克斯韋直角三角形，即目前國(guó)際通用的CIE色度圖。在CIE1931-XYZ色度圖中仍然保持RGB系統(tǒng)的基本性質(zhì)和關(guān)系。對(duì)某一波長(zhǎng)的光譜刺激，r，g，b與x，y，z色度坐標(biāo)的關(guān)系式為：

2023/6/1546當(dāng)前第46頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（3）CIE1964-XYZ

補(bǔ)充色度系統(tǒng)

在大視場(chǎng)觀察條件下（>4o），顏色視覺(jué)發(fā)生一定的變化。主要表現(xiàn)為飽和度的降低，以及顏色視場(chǎng)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。因此，為了適合10o大視場(chǎng)的色度測(cè)量，另規(guī)定一組“CIE1964補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值（顏色匹配函數(shù)）”和相應(yīng)的色度圖。

2023/6/1547當(dāng)前第47頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)2023/6/1548當(dāng)前第48頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)4．反射法在食品與農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用光電分選機(jī)可看成是按尺寸大小進(jìn)行選別的裝置，因能進(jìn)行非接觸的測(cè)量，減少了物料的機(jī)械損傷，且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（1）光電分選機(jī)

2023/6/1549當(dāng)前第49頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（2）色選機(jī)光電色選機(jī)是一種利用物料的光學(xué)特性，將顏色不正常、表面有缺陷或內(nèi)部變質(zhì)的疵品及雜質(zhì)從大批物料中無(wú)損檢出，并自動(dòng)分選剔除的食品機(jī)械，它可以用于在合格品與疵品因粒度或密度十分接近，無(wú)法用傳統(tǒng)的篩選或比重分選機(jī)械分離的場(chǎng)合。2023/6/1550當(dāng)前第50頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

果皮色分選裝置1-反射鏡；2—果實(shí)；3—背景板；4—集光器；5—透鏡

果皮色分選裝置的工作原理圖

水果依次下落至色檢箱，在通過(guò)的過(guò)程中，受到上下光線的照射。對(duì)于不同的物料，為得到適宜波長(zhǎng)的光，可更換背景板3。從果皮反射的光借箱內(nèi)相隔1200配置的鏡子1反射入3個(gè)透鏡5，通過(guò)集光器4混合，然后分成兩路，分別通過(guò)帶有不同波長(zhǎng)濾光片的光學(xué)系統(tǒng)，得到不同波長(zhǎng)的反射率，從而判別水果的顏色。2023/6/1551當(dāng)前第51頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

物料由振動(dòng)喂料器送入通道成單行依次落入檢測(cè)室，在探測(cè)器與比色板間通過(guò)。被選顆粒對(duì)光的反射率及比色板的反射率用光電探測(cè)器相比較，顏色的差異使光電探測(cè)器的電壓改變。

光電色選機(jī)系統(tǒng)示意圖當(dāng)前第52頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)（3）茶鮮葉的葉綠素檢測(cè)

茶鮮葉的葉綠素隨生長(zhǎng)期的不同發(fā)生變化，表面顏色逐漸由淡色向深色過(guò)渡，葉綠素在可見(jiàn)光區(qū)域會(huì)發(fā)生選擇性反射現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量茶鮮葉的光譜反射特性，可間接求出它的葉綠素含量。

光電檢測(cè)系統(tǒng)方框圖2023/6/1553當(dāng)前第53頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)

右圖是茶鮮葉在上述系統(tǒng)下的反射光譜曲線。為減少反射光譜特性檢測(cè)時(shí)的系統(tǒng)漂移等一些其他影響因素，一般在數(shù)據(jù)分析時(shí)常使用相對(duì)輸出值，即需要對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。2023/6/1554當(dāng)前第54頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

二、透射法檢測(cè)技術(shù)

透射法檢測(cè)的理論基礎(chǔ)都是建立在朗伯—比爾定律的基礎(chǔ)之上。值得注意的是朗伯—比爾定律是建立在許多假設(shè)條件上的，實(shí)際上只是自然界客觀規(guī)律的一種近似，對(duì)透射法檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)在精度要求不太嚴(yán)格時(shí)一般采用線性回歸的數(shù)學(xué)方法來(lái)處理，對(duì)精度要求比較高或采用線性回歸的數(shù)學(xué)方法不能獲得比較滿意的檢測(cè)結(jié)果時(shí)，可采用非線性的數(shù)學(xué)方法加以處理。

可見(jiàn)光（包括紫外光）透射法檢測(cè)技術(shù)的主要應(yīng)用有：定性分析純度檢查結(jié)構(gòu)測(cè)定定量分析2023/6/1555當(dāng)前第55頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

1.定性分析采用可見(jiàn)光（包括紫外光）的透射法定性分析的物質(zhì)一般多為液體物質(zhì)。由于可見(jiàn)光（包括紫外光）吸收光譜譜帶數(shù)目少，比較簡(jiǎn)單，多數(shù)譜帶的特征性不強(qiáng)，大多數(shù)簡(jiǎn)單官能團(tuán)在可見(jiàn)和紫外光區(qū)只有微弱吸收或無(wú)吸收，具有同一基團(tuán)的不同物質(zhì)具有相似的吸收光譜，此外，某些成分的吸收常常掩蓋某些弱吸收帶。（1）與標(biāo)準(zhǔn)物、標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照

（2）比較最大吸收波長(zhǎng)及吸收系數(shù)的一致性2023/6/1556當(dāng)前第56頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

2.純度檢測(cè)

可見(jiàn)或紫外吸收光譜能測(cè)定化合物中含有的具有可見(jiàn)或紫外吸收的雜質(zhì)。如果化合物在可見(jiàn)或紫外光區(qū)沒(méi)有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在可見(jiàn)或紫外光區(qū)有較強(qiáng)的吸收峰，就可檢測(cè)出化合物中所含的雜質(zhì)。3.結(jié)構(gòu)測(cè)定

利用可見(jiàn)或紫外對(duì)未知物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定的方法是可見(jiàn)或紫外光譜分析的主要應(yīng)用內(nèi)容之一。4.定量分析

對(duì)單一成分的定量分析相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，通常采用和標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)照的方法得出結(jié)果。如果要進(jìn)行多次重復(fù)定量分析，使用工作曲線法是很方便的。2023/6/1557當(dāng)前第57頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)可見(jiàn)光的檢測(cè)技術(shù)

人們發(fā)現(xiàn)所有的光合作用生物都能發(fā)生一種“后發(fā)光”。例如植物被光照一段時(shí)間后放到暗處，能繼續(xù)發(fā)出微弱的紅光，這種后發(fā)光叫做叫做“延時(shí)發(fā)光”，也叫“滯后熒光”，它與激發(fā)光去掉之后就停止的“瞬發(fā)熒光”是有相區(qū)別的。三、延時(shí)發(fā)光法檢測(cè)技術(shù)2023/6/1558當(dāng)前第58頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)紫外分光法（比色法）檢測(cè)各種液體中某些成分的含量；

將紫外光直接用于檢測(cè)的直接檢測(cè)方法和可見(jiàn)光以及紅外光的檢測(cè)方法相似，主要有折射檢測(cè)方法、透射檢測(cè)方法和反射檢測(cè)方法等。

根據(jù)不同物質(zhì)（如各種寶石、玉以及錢(qián)幣的防偽印刷）在紫外光下的反射狀態(tài)不同進(jìn)行的物質(zhì)性質(zhì)的鑒定。

從原理上講利用紫外光的直接檢測(cè)法與利用可見(jiàn)光的檢測(cè)方法是一樣的，故在此不再做介紹。

2023/6/1559當(dāng)前第59頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

一、利用紫外光的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

花生仁中被黃曲霉菌污染產(chǎn)生的黃曲霉素通常指4種黃曲霉，即黃曲霉素B1、B2、G1、G2。這4種物質(zhì)可以根據(jù)其在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生的熒光的顏色加以區(qū)別。B（Blue）指藍(lán)色熒光，G（Green）指綠色熒光。其中B1的毒性最大，對(duì)花生等食品與農(nóng)產(chǎn)品的污染最嚴(yán)重。

1.利用熒光檢測(cè)花生的黃曲霉素

由于被黃曲霉菌污染產(chǎn)生的黃曲霉素B1在紫外光激發(fā)下可產(chǎn)生熒光，所以可以使用熒光分析的方法對(duì)其進(jìn)行快速檢測(cè)。熒光越強(qiáng)，表明黃曲霉素的含量越高，污染越嚴(yán)重。

2023/6/1560當(dāng)前第60頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

汞燈發(fā)出的線光譜經(jīng)聚焦后通過(guò)一組激光濾光片，得到波長(zhǎng)為334～365nm的紫外光束，該光束經(jīng)兩向鏡和聚焦鏡投射在水平放置的花生仁上，其表面被激發(fā)出的熒光經(jīng)450nm的截止濾光片和目鏡，進(jìn)入觀察者眼中，得到清晰的熒光成像。在目鏡處觀察到的是藍(lán)色熒光，黃曲霉素B1發(fā)出的熒光。2023/6/1561當(dāng)前第61頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

（1）隨花生仁變色變質(zhì)程度的發(fā)展，表面熒光強(qiáng)度增強(qiáng)；（2）花生仁的最佳激發(fā)波長(zhǎng)，即產(chǎn)生熒光最強(qiáng)的波長(zhǎng)約為300nm。但要得到此激發(fā)光較難，特別是在實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，而普通高壓汞燈很容易產(chǎn)生波長(zhǎng)365nm的激發(fā)光。

在365nm激發(fā)波長(zhǎng)的條件下,熒光峰值在430～480nm之間，熒光顏色為藍(lán)光。正常仁的熒光強(qiáng)度低于霉變嚴(yán)重仁（I類(lèi)）和霉變較輕仁（II類(lèi)），而峰值波長(zhǎng)基本相同。

2023/6/1562當(dāng)前第62頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)前第63頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

2.利用紫外線檢測(cè)柑橘的損傷

柑橘果皮的細(xì)胞里含有精油，當(dāng)該物質(zhì)從破損的細(xì)胞中漏出果皮表面受到紫外光照射時(shí)，在波長(zhǎng)560nm處發(fā)出很強(qiáng)的熒光，正常部的熒光強(qiáng)度很弱。這樣產(chǎn)生了正常部與損傷部的輝度差，利用熒光強(qiáng)度的不同可以進(jìn)行柑橘的分級(jí)。

柑橘損傷部位的熒光光譜2023/6/1564當(dāng)前第64頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

柑橘正常部分和損傷部分之間的熒光強(qiáng)度差是進(jìn)行損傷果檢測(cè)的重要參數(shù)之一，該熒光強(qiáng)度差越大越容易區(qū)分。左圖是正常部分和損傷部分的熒光檢測(cè)得到的光譜圖，在波長(zhǎng)500~600nm范圍，損傷部分比正常部分的熒光強(qiáng)度起伏大，特別是在550~570nm間更為明顯。

2023/6/1565當(dāng)前第65頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第三節(jié)紫外光的檢測(cè)技術(shù)

柑橘發(fā)出的熒光的強(qiáng)度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次減弱，且峰值波長(zhǎng)逐漸變小。其原因可以被認(rèn)為隨著柑橘的成熟，精油逐漸增多，果皮一旦破損，露出表面的也多，熒光也隨之變強(qiáng)。另外，成熟度不同，峰值波長(zhǎng)也隨之變化，反映出光的顏色也在變化。2023/6/1566當(dāng)前第66頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

近紅外是波長(zhǎng)在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波，是最早發(fā)現(xiàn)的非可見(jiàn)光，已有200多年歷史。20世紀(jì)初，人們有了機(jī)化合物的近紅外光譜，并對(duì)基團(tuán)的光譜特征進(jìn)行了解釋，預(yù)示著近紅外光譜可能作為分析技術(shù)的一種手段得到應(yīng)用。

一、近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展

20世紀(jì)80年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了分析儀器的數(shù)字化和化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科的發(fā)展，化學(xué)計(jì)量學(xué)方法在解決光譜信息的提取及減少背景干擾方面取得良好效果，使它在各領(lǐng)域中的應(yīng)用研究陸續(xù)開(kāi)展，這個(gè)階段堪稱是一個(gè)分析巨人由蘇醒到成長(zhǎng)的時(shí)期。

2023/6/1567當(dāng)前第67頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

20世紀(jì)90年代，在工業(yè)中的應(yīng)用全面展開(kāi)，由于近紅外光在光導(dǎo)纖維中的傳輸特性，使在在線分析中得到應(yīng)用，取得極好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，從此步入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。

現(xiàn)代近紅外光譜分析是從農(nóng)業(yè)分析研究開(kāi)始的。

我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究及應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)70年代年后期引進(jìn)近紅外光譜儀器。從1995年來(lái)已受到多方面的關(guān)注，在儀器的研制、軟件開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究等方面取得了可喜的成果。特點(diǎn)：直接測(cè)量顆粒狀、粉末狀、糊狀、不透明試樣、流動(dòng)試樣、完整樣品，無(wú)需嚴(yán)格的預(yù)處理，分析成本低、速度快、精度高、數(shù)據(jù)可靠和無(wú)化學(xué)污染，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線分析等。

2023/6/1568當(dāng)前第68頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

二、近紅外光譜檢測(cè)原理

1900年普朗克提出了量子假說(shuō)：輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子（如分子、原子的振動(dòng)可視為線性諧振子），由于帶電的關(guān)系，線性諧振子不能與周?chē)碾姶艌?chǎng)交換能量，只可能處于某些特殊的分立狀態(tài)，即：，2，3，4，5……n

…………

n為正整數(shù)，對(duì)于頻率為的諧振子來(lái)說(shuō)，最小能量為：=h

式中h是普朗克常數(shù)，在輻射或吸收能量時(shí)，振子從這些狀態(tài)中躍遷。1、原子、分子的能量級(jí)2023/6/1569當(dāng)前第69頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

分子是由原子組成的，而原子是由原子核和圍繞它的電子所構(gòu)成的。根據(jù)量子力學(xué)理論，分子中存在電子能級(jí)和振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。當(dāng)電子能級(jí)和振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)發(fā)生躍遷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生分子吸收光譜或分子發(fā)射光譜，表現(xiàn)為帶狀光譜。分子吸收或發(fā)射的頻率可用Bohr頻率方程式描述：

雙原子分子振動(dòng)模型2023/6/1570當(dāng)前第70頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

分子運(yùn)動(dòng)所具有的能量稱為分子的能級(jí)。分子不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)都有相應(yīng)的能級(jí)，按能級(jí)從大到小的順序依次為：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)等。

對(duì)稱伸縮s：2853反對(duì)稱伸縮as：2926剪式：1465面內(nèi)搖擺：720面外搖擺：1300扭曲：1250單位：波數(shù)（cm-1）亞甲基的簡(jiǎn)正振動(dòng)形式2023/6/1571當(dāng)前第71頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

分子振動(dòng)除了有基頻振動(dòng)外，還存在著倍頻振動(dòng)、合頻振動(dòng)等形式。近紅外光譜的吸收

分子的近紅外光譜吸收是分子的倍頻或合頻吸收。

分子的中紅外光譜吸收是基頻吸收；

合頻振動(dòng)以兩不同的基頻的和或差的頻率振動(dòng)；

倍頻振動(dòng)以基頻的整數(shù)倍的頻率振動(dòng)；2023/6/1572當(dāng)前第72頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)近紅外光的檢測(cè)技術(shù)

2．近紅外光譜檢測(cè)中的測(cè)樣器件

樣品的物態(tài)、形狀各式各樣，如何將各種樣品快速、準(zhǔn)確地進(jìn)入儀器的檢測(cè)位置，以獲得可靠的近紅外光譜，這便是近紅外光譜檢測(cè)分析測(cè)樣器件所要解決的問(wèn)題。(1)透射分析的測(cè)樣器件

樣品池與常規(guī)光譜儀器所采用的樣品池沒(méi)有差別，有時(shí)配有恒溫裝置或帶有恒溫附件。(2)漫反射分析的測(cè)樣器件

采用漫反射方法檢測(cè)時(shí)由于樣品形態(tài)差別較大，不同樣品在測(cè)樣器件的選用上不相同，有些甚至是專用的測(cè)樣器件。為了獲得更多的各個(gè)方向漫反射光，常用積分球附件。2023/6/1573當(dāng)前第73頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第四節(jié)近紅外光特性的檢測(cè)技術(shù)(3)光纖測(cè)樣器件2023/6/1574當(dāng)前第74頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

一個(gè)完整的光學(xué)特性檢測(cè)系統(tǒng)由光源（輻射源部分）、光學(xué)光路、光電檢測(cè)單元、電子電路、數(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)輸出和存貯單元等組成。不管是分析研究型光譜檢測(cè)儀器，還是應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的專用光學(xué)特性檢測(cè)儀器，光源、分光部件和探測(cè)器都是不可缺少的3個(gè)主要的單元，選擇時(shí)需要關(guān)注的內(nèi)容較多。一、光源（輻射源）

發(fā)射可見(jiàn)光的器件稱為光源，但是使用時(shí)常把發(fā)射紫外和紅外線的器件也泛稱指為光源。2023/6/1575當(dāng)前第75頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

1.輻射源或光源的特征參數(shù)（1）輻射效率和發(fā)光效率

任一光源所發(fā)出的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率，即:

在給定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，任一輻射源發(fā)出的輻通量與產(chǎn)生這些輻通量所需的電功率之比，即為該輻射源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率，于是：

2023/6/1576當(dāng)前第76頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（2）輻通量的光譜分布（3）輻射強(qiáng)度分布

在實(shí)際使用中常采用輻通量的“相對(duì)光譜分布”，這是因?yàn)殡x光源的遠(yuǎn)近變化會(huì)改變輻通量的絕對(duì)值，但它的相對(duì)值基本不變，因此用相對(duì)光譜分布更能說(shuō)明問(wèn)題。相似地，可用光通量的光譜分布或相對(duì)分布來(lái)說(shuō)明在光源可見(jiàn)光區(qū)的光譜分布情況。

一般說(shuō)來(lái)，點(diǎn)輻射光源的輻射強(qiáng)度分布是均勻的；與方向無(wú)關(guān)，其他形式的輻射源的輻射強(qiáng)度與角（中心垂線與方向的夾角）存在一定的關(guān)系，該關(guān)系曲線稱為輻射源的輻射強(qiáng)度分布。2023/6/1577當(dāng)前第77頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（4）分布溫度

任一輻射體在某一波段范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光源分布，等于或近似黑體在某一溫度輻射的相對(duì)光源分布，這一溫度就稱為該輻射體的分布溫度。

色溫是指黑體在發(fā)射出與輻射體有相同色表時(shí)的溫度，由于某色表可以由不相同的光譜產(chǎn)生，所以它不說(shuō)明光譜分布。

（5）色溫（6）顯色指數(shù)（7）色表用眼睛直接觀測(cè)光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。例如白熾燈的色表呈紅黃色，氙燈的色表呈白色等等。把太陽(yáng)光的顯色指數(shù)定為100，其他人造光源的顯色指數(shù)均與之比較而定，其顯色指數(shù)均小于100。2023/6/1578當(dāng)前第78頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

2.熱輻射源

熱輻射源主要是靠物體加熱（主要用電能加熱）到白熾狀態(tài)而發(fā)光，只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，它就能發(fā)射熱輻射。（1）太陽(yáng)太陽(yáng)大氣層外的輻照度：1390W/m2，平均地—日距離上；1438W/m2，在近日點(diǎn)上；1345W/m2，在遠(yuǎn)日點(diǎn)上。

2023/6/1579當(dāng)前第79頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（2）白熾燈

由燈絲和抽成真空或充有惰性氣體的玻璃泡組成的。光輻射通量是由電加熱的鎢絲發(fā)出的，分布溫度在2000～3000K范圍內(nèi)。白熾燈的光通量和使用壽命取決于電壓。白熾燈的發(fā)光效率低，約為10～20lm/w，發(fā)射效率在50%以下。輻通量的光譜分布為連續(xù)分布。

2023/6/1580當(dāng)前第80頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（3）鹵鎢燈

鹵鎢燈是利用1959年發(fā)現(xiàn)的鹵鎢循環(huán)原理制成的新型光源，它的發(fā)光原理與白熾燈是一樣的。一般充入燈泡內(nèi)的是鹵族元素的化合物。鹵素和鎢的這種反應(yīng)是循環(huán)進(jìn)行的，即：化合—分解—化合。

與白熾燈相比，體積小、重量較輕、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，它的分布溫度可高達(dá)3400K，發(fā)光效率可提高到30lm/W。鹵鎢燈的輻通量的光譜分布與白熾燈的輻通量的光譜分布相似，也為連續(xù)光譜分布。

鹵鎢燈目前有管形照明鹵鎢燈（5～20kW），電影、電視照明鹵鎢燈，低壓中小功率鹵鎢燈（20～500W）、微型鹵鎢燈（5～50W）、定向照明鹵鎢燈和紅外鹵鎢燈等。2023/6/1581當(dāng)前第81頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

3．氣體放電光源

利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。在燈中充入發(fā)光用的氣體，也可以是液體或固體，高溫時(shí)為氣態(tài)。在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子、電子運(yùn)動(dòng)時(shí)從電場(chǎng)中得到能量，發(fā)生原子或分子碰撞時(shí)，激勵(lì)出新的電子和離子，受激發(fā)原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外、紅外輻射。

1、發(fā)光效率高比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2～10倍；2、

結(jié)構(gòu)緊湊由于沒(méi)有燈絲，電極可以做得牢固緊湊，耐震，抗沖擊；3、

壽命長(zhǎng)該光源比白熾燈壽命長(zhǎng)2～10倍；4、光色適應(yīng)性強(qiáng)該光源的光色可以在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。

2023/6/1582當(dāng)前第82頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（1）汞燈

(A)低壓汞燈

主要發(fā)射2條共振輻射線：253.7和185.0nm。(B)高壓汞燈

發(fā)射可見(jiàn)光區(qū)的4條譜線（404.7、435.8、546.1和577.0～579.0nm），并發(fā)射少量的紫外輻射。

(C)超高壓汞燈

超高壓汞燈使汞蒸氣的譜線加寬，出現(xiàn)如圖（c）所示的連續(xù)光譜,從而得到高亮度的一種光源。

2023/6/1583當(dāng)前第83頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（2）熒光燈

熒光燈（俗稱日光燈）是利用低壓汞蒸氣放電輻射出的短波紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)光的光源。

熒光燈的功率在40～80W范圍內(nèi)。光色分三種：日光（色溫6500K）、冷白光（色溫4500K）和暖白色（色溫2900K）。

熒光燈是室內(nèi)照明的最佳光源。效率高，壽命10000h，效率高白熾燈4倍，壽命10倍，顯色性好，一般在45～95之間。

2023/6/1584當(dāng)前第84頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（3）鈉燈

鈉燈的發(fā)光機(jī)制同汞燈，也可以分成低壓和高壓兩種。

低壓鈉燈589.0nm和589.6nm的兩條共振輻射線,因此常作為單色光源應(yīng)用于偏振計(jì),旋光計(jì)和折光儀中。

高壓鈉燈發(fā)射的譜線有比高壓汞燈更明顯的展寬。已成為道路、機(jī)場(chǎng)等的重要照明光源。這種燈雖然顯色性差，但能透過(guò)霧，可作港口照明用燈和汽車(chē)的防霧燈。

高壓鈉燈的缺點(diǎn)是要求大于2000V的點(diǎn)燃電壓，啟動(dòng)電壓高，使點(diǎn)燈裝置的成本增加。此外，高壓鈉燈重復(fù)點(diǎn)燃困難，熄滅以后要待冷卻后才能再點(diǎn)燃。2023/6/1585當(dāng)前第85頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（4）氙燈

氙燈是由充有惰性氣體氙的石英燈泡構(gòu)成。用高壓點(diǎn)火，產(chǎn)生弧光放電。高氣壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，這在放電光源中已是很難得的，而更為難得是它同太陽(yáng)的光譜極相似。2023/6/1586當(dāng)前第86頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（5）金屬鹵化物燈

金屬鹵化物燈是20世紀(jì)60年代初在高壓汞燈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)時(shí)為改善高壓汞燈的光色，而把某些金屬充入燈內(nèi)，結(jié)果汞的譜線不見(jiàn)了，而出現(xiàn)了許多金屬特征線，燈的光色和亮度都得到了改善。以后又發(fā)現(xiàn)在燈內(nèi)充金屬不僅使蒸氣壓降低，而且還會(huì)腐蝕燈泡，改用金屬鹵化物充入燈內(nèi)，則可以提高蒸氣氣壓，又不腐蝕燈泡，所以后來(lái)均充入金屬鹵化物，故這類(lèi)燈也被稱為“金屬鹵化物燈”。2023/6/1587當(dāng)前第87頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

4．半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LDE）

半導(dǎo)體發(fā)光二極管是在半導(dǎo)體p-n結(jié)或類(lèi)似的結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見(jiàn)光、紫外或紅外輻射的器件。由于它發(fā)射準(zhǔn)單色光，尺寸小、壽命長(zhǎng)和價(jià)廉，被廣泛用作儀表的指示器、光電耦合器和光學(xué)儀器的光源。

（1）效率發(fā)光二極管的效率可以用電光源的常用術(shù)語(yǔ)表征，即對(duì)紫外和紅外光采用輻射效率，對(duì)可見(jiàn)光則用發(fā)光效率。

（2）光的光譜分布

GaAs半導(dǎo)體發(fā)射的紅光為700nm左右，半寬度100nm。通過(guò)一定的措施可使半導(dǎo)體發(fā)射的半寬度減少10倍，由此可見(jiàn)發(fā)光二極管提供的是半寬度較大的單色光。

2023/6/1588當(dāng)前第88頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（3）發(fā)光強(qiáng)度分布

GaAsP的發(fā)光二極管的發(fā)光分布強(qiáng)度如圖所示，譜線寬度為40nm，發(fā)射的角度約為220，輻強(qiáng)度為500μm/Sr。發(fā)光二極管的輻通量是集中在一定角度內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，具有較強(qiáng)的方向性。

2023/6/1589當(dāng)前第89頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)

第五節(jié)光特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備(4)響應(yīng)時(shí)間發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在脈沖驅(qū)動(dòng)或電調(diào)制時(shí)顯得十分重要。發(fā)光二極管的上升時(shí)間隨著電流的增大近似地成指數(shù)地衰減。響應(yīng)時(shí)間僅幾個(gè)ns~100ns。(5)壽命壽命一般是很長(zhǎng)的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，可達(dá)小時(shí)106，即可連續(xù)點(diǎn)燃一百余年。目前限于工藝水平，發(fā)光二極管發(fā)射的輻通量（功率）只有μW，mW級(jí)，幾十mW的已很少見(jiàn)。隨著大功率器件的出現(xiàn)，其應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)?huì)日益擴(kuò)大。2023/6/1590當(dāng)前第90頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

二、分光（色散）器件在光學(xué)特性檢測(cè)中，許多場(chǎng)合需要使用單色光源（單一波長(zhǎng)的輻射），將復(fù)合光分解成單色光的器件稱為分光器件。常用的色散器件有濾光片、棱鏡、光柵、邁克爾遜干涉儀和聲光可調(diào)（AOTF）濾光器等器件。

1.濾光片

能夠過(guò)濾掉某波長(zhǎng)段光譜的器件叫做濾光片。按作用原理可分吸收式、干涉式、反射式、組合式等多種；按光譜特性，可分為帶狀濾光片和截止濾光片兩類(lèi)。

2023/6/1591當(dāng)前第91頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

2．棱鏡

利用棱鏡作為色散元件的光譜儀器已經(jīng)不生產(chǎn)和使用了。棱鏡色散的原理是利用不同波長(zhǎng)的光譜的相對(duì)折射率不同的原理制成的。波長(zhǎng)分辨率太低。3．光柵

光柵有透射式和反射式光柵兩種形式，目前透射式光柵在光譜儀器中已不再使用。圖為反射式平面衍射光柵分光的光路示意圖。2023/6/1592當(dāng)前第92頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

傅立葉變換分光的原理如圖所示，光學(xué)系統(tǒng)的核心部分是一臺(tái)邁克爾遜干涉儀。

4．邁克爾遜干涉儀2023/6/1593當(dāng)前第93頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

5．聲光可調(diào)濾光器（AOTF）

聲光可調(diào)濾光器是20世紀(jì)90年代光譜儀器最突出的進(jìn)展。它利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。

當(dāng)改變射頻信號(hào)的頻率時(shí)，光學(xué)通帶的中心也將相應(yīng)改變，因此，連續(xù)改變超聲波頻率就能實(shí)現(xiàn)衍射光波長(zhǎng)的快速掃描，

2023/6/1594當(dāng)前第94頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

三、探測(cè)器

1．探測(cè)器的分類(lèi)和品質(zhì)因素

光電管光電二極管（1）探測(cè)器的分類(lèi)

光輻射探測(cè)器光電探測(cè)器（光電器件）熱探測(cè)器光電發(fā)射器件充氣光電管

光電倍增管半導(dǎo)體光電器件光敏電阻光電池光電三極管輻射熱電偶和熱電堆熱釋電探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)高萊管光輻射探測(cè)器的分類(lèi)2023/6/1595當(dāng)前第95頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

探測(cè)器的品質(zhì)因數(shù)可用來(lái)表征探測(cè)器的性能，同時(shí)又能用來(lái)比較同類(lèi)探測(cè)器或不同類(lèi)探測(cè)器的性能參數(shù)。

（A）光譜響應(yīng)率（光譜靈敏度）光譜響應(yīng)率是探測(cè)器的輸出電壓（電流）與入射到探測(cè)器上的單色光輻通量（光通量）之商，即：

[單位：V/W]

或

[單位：A/W]

（B）量子效率量子效率是探測(cè)器輸出的光電子數(shù)與入射到探測(cè)器表面的光子數(shù)之商，也就是單個(gè)光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，它應(yīng)小于1。2023/6/1596當(dāng)前第96頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（B）量子效率（C）光譜響應(yīng)率函數(shù)

光譜響應(yīng)率表示該探測(cè)器的響應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系。圖是兩種典型的光譜響應(yīng)率函數(shù)曲線。

0.40.80.20.63.02.52.01.51.00.5熱電堆Si波長(zhǎng)λ/μmS’(λ)s(λ)S(λ)V/W兩種典型的光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)函數(shù)0.60.32023/6/1597當(dāng)前第97頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（D）線性（E）時(shí)間常數(shù)從零上升到63%峰值所需的時(shí)間為上升時(shí)間常數(shù)，而把從峰值下降到37%峰值所需的時(shí)間稱為下降時(shí)間常數(shù)，因此統(tǒng)稱為探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。

定義：在規(guī)定范圍內(nèi)探測(cè)器輸出電量精確地正比于輸入量的性能。線性也可以理解為在規(guī)定的范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)率是常數(shù)。這一規(guī)定范圍內(nèi)被稱為線性區(qū)。

ττ’0.370.631.00（a）011探測(cè)器時(shí)間常數(shù)的定義2023/6/1598當(dāng)前第98頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

2．光電倍增管光電倍增管在下列領(lǐng)域保持絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，即探測(cè)弱光信號(hào)和探測(cè)高頻或脈沖的弱信號(hào)，因此它是一個(gè)重要的探測(cè)器件。

2023/6/1599當(dāng)前第99頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

3．光敏電阻

半導(dǎo)體光電導(dǎo)是指半導(dǎo)體受輻照后電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。具有光電導(dǎo)效應(yīng)的物體稱為光電導(dǎo)體。光電導(dǎo)體兩端鍍上電極就成為光敏電阻，又稱光導(dǎo)管。

光敏電阻具有體積小，偏置電壓低，光譜響應(yīng)范圍寬的特點(diǎn)。它的時(shí)間常數(shù)一般為10-2~10-7s，特制的可達(dá)10-10s。

在紫外和可見(jiàn)光區(qū)，光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)不突出。在紅外區(qū)它的響應(yīng)率較高、機(jī)械性能好，因此得到廣泛應(yīng)用，是一種很重要的紅外探測(cè)器。

2023/6/15100當(dāng)前第100頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

4.p-n光電二極管

p-n光電二極管屬于結(jié)型光電器件。結(jié)型光電器件是以內(nèi)光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，由p-n結(jié)構(gòu)成的光輻射探測(cè)器，光電二極管的特性曲線

圖是光電二極管的電壓電流特性，由于輻通量的不同構(gòu)成曲線族。

2023/6/15101當(dāng)前第101頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（1）p-i-n光電二極管

又稱快速光電二極管。與一般的光電二極管相比，它具有高的時(shí)間響應(yīng)速度和更大的長(zhǎng)波響應(yīng)率。在高純硅的前后兩面，用外延法或擴(kuò)散法制成p區(qū)及n區(qū)，在兩區(qū)之間加上一層本征區(qū)（即i區(qū)）故稱為p-i-n型光電二極管。

（2）紫外光電二極管

在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，要求是在紫外區(qū)有高的響應(yīng)率，小的暗電流，高的響應(yīng)速度和良好的穩(wěn)定性等。

（3）雪崩光電二極管借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)的一種高速光電器件。典型數(shù)據(jù)：內(nèi)部增益103；響應(yīng)率100A/W；時(shí)間常數(shù)0.5ns；噪聲等效功率為10-15W。因需要專用的電源，影響了推廣使用。

2023/6/15102當(dāng)前第102頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

5．光電三極管

光電三極管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它不僅能把光輻射轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏?，并還具有放大的作用。

2023/6/15103當(dāng)前第103頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

光電二極管和光電三極管的主要差別

（A）光電流的差別光電二極管幾μA到幾百μA，光電三極管幾mA以上，（B）響應(yīng)時(shí)間的差別光電二極管的時(shí)間常數(shù)在0.1μs以內(nèi)，p-i-n管和雪崩光電二極管的時(shí)間常數(shù)在ns數(shù)量級(jí)，而光電三極管的時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)達(dá)5～10μs。（C）輸出特性的差別光電二極管在10-3~103lx的光照范圍內(nèi)具有良好線性。光電三極管輸出特性的線性區(qū)卻很窄。

一般在高精度儀器中大多數(shù)采用光電二極管類(lèi)，而不大采用光電三極管類(lèi)的光器件。2023/6/15104當(dāng)前第104頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

6．光電池

光電池可分成兩類(lèi)：第一類(lèi)是把光電池用作電源，即常說(shuō)的太陽(yáng)能電池，把取之不盡的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這時(shí)對(duì)光電池要求效率高，成本低，壽命長(zhǎng)，以便于火電、水電相競(jìng)爭(zhēng)；第二類(lèi)是把它作為光電探測(cè)器，稱為測(cè)量用光電池。

/

（1）光電池的光電轉(zhuǎn)換效率

光電能轉(zhuǎn)換的定義為：最大輸出功率與輸入光功率之比：

光電池的轉(zhuǎn)換效率與其材料的禁帶寬度有關(guān)。2023/6/15105當(dāng)前第105頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（2）光電池的光譜響應(yīng)

電池的光譜響應(yīng)是指短路電流與入射光波長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系。

2023/6/15106當(dāng)前第106頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第五節(jié)光學(xué)特性檢測(cè)的常用儀器與設(shè)備

（3）四象限光電池與坐標(biāo)光電池激光光斑Vx=V4—V2Vy=V3—V1YXV1V3V3V42023/6/15107當(dāng)前第107頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第六節(jié)應(yīng)用實(shí)例第六節(jié)應(yīng)用實(shí)例1.雞蛋新鮮度的可見(jiàn)光譜分析

雞蛋是一個(gè)橢球體，在鈍端，并有氣室存在；小頭稱做銳端。雞蛋主要是由蛋殼、蛋白和蛋黃等3大部分組成，另外還有兩層薄膜和系帶存在，兩層膜是蛋黃膜和蛋白膜。很顯然雞蛋屬于非均勻質(zhì)物體。2023/6/15108當(dāng)前第108頁(yè)\共有145頁(yè)\編于星期二\15點(diǎn)第四章利用光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)第六節(jié)應(yīng)用實(shí)例雞蛋新鮮度指標(biāo)式中：H

…………蛋白高度，mm；

W

…………雞蛋的重量，g。

雞蛋的新鮮度指標(biāo)一般采用哈夫單位或蛋黃指數(shù)來(lái)衡量。哈夫單位的計(jì)算公式如下：蛋黃指數(shù)的定義為：蛋黃指數(shù)（Y）=蛋黃高度（H）/蛋黃直徑（D）。雞蛋從出生到散黃，蛋黃指數(shù)的變化范圍在0.50～0.00之間。2023/6/15109當(dāng)前第109頁(yè)\