一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種生物組織光學(xué)特性無損檢測裝置，尤其設(shè)及一種基于連續(xù)波 的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜分析技術(shù)，尤其是可見與近紅外波段，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十 分廣泛，目前主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測，例如瓜果類的糖度、硬度及病變等。但常規(guī)光譜 分析技術(shù)獲得的光譜為光與生物組織相互作用后的所有光信號(hào)，無法將吸收特性與散射特 性進(jìn)行分離，且不具有指紋圖譜的特性，在后期分析時(shí)只能通過化學(xué)計(jì)量學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 分析建模，有人稱此過程為"暗箱"。在光源設(shè)計(jì)及布置時(shí)，也只能通過經(jīng)驗(yàn)與后期建模效果 來進(jìn)行對(duì)比，過程繁瑣且可靠性差。該主要是由于缺乏對(duì)光在生物組織中傳播的理解及生 物組織光學(xué)特性的相關(guān)知識(shí)。生物組織光學(xué)特性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，通過光 學(xué)特性進(jìn)行疾病診斷已經(jīng)成為醫(yī)療診斷的重要方法之一。但對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的研究卻 鮮有報(bào)道。因此，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的檢測，尤其是針對(duì)雙層組織結(jié)構(gòu)的瓜果類光學(xué)特性的 檢測，就顯得尤為重要。
[0003] 光與生物組織的相互作用主要包括吸收與散射，與之相對(duì)應(yīng)的光學(xué)特性參數(shù)分別 為吸收系數(shù)（y。)、約化散射系數(shù)（y/ )。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品諸如瓜果類，光與生物組織的相互 作用主要表現(xiàn)出弱吸收、強(qiáng)散射的特性。福射傳輸理論（RadiationTransferTheory)能 夠較為準(zhǔn)確的描述光在生物組織中的傳播，但該模型較為復(fù)雜，變量較多，不適用于實(shí)際應(yīng) 用。擴(kuò)散近似理論值ifTusionApproximation)作為福射傳輸理論的簡化，已被證明并廣 泛應(yīng)用于生物組織內(nèi)光傳輸?shù)拿枋??；跀U(kuò)散近似理論的光學(xué)特性檢測方法主要有時(shí)域方 法、頻域方法、空間分辨方法和積分球方法等。其中基于連續(xù)波的空間分辨方法能夠?qū)崿F(xiàn)寬 波段檢測，較適合于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性檢測。
[0004][0005] 對(duì)于瓜果類農(nóng)產(chǎn)品，大多屬于雙層結(jié)構(gòu)組織（果皮、果肉），且果皮和果肉的光學(xué) 特性通常存在較大差異。因此有必要對(duì)雙層結(jié)構(gòu)組織分別測出其光學(xué)特性參數(shù)。Kienle 等（參見KienleA,等.Noninvasivedeterminationoftheopticalpropertiesof two-layered1:urbidmedia.Appliedoptics,1998,37(4):779_791.)基于擴(kuò)散近似理 論推導(dǎo)出了用于雙層生物組織光學(xué)特性參數(shù)檢測的理論模型，可用于雙層生物組織光 學(xué)特性參數(shù)的反演計(jì)算。Cen等（參見CenH,等.Quantificationoftheoptical propertiesoftwo-layerturbidmaterialsusingahyperspectralimaging-based spatially-resolvedtechnique.Appliedoptics, 2009, 48 (29): 5612-5623.)對(duì)上述模型 進(jìn)行了驗(yàn)證及應(yīng)用，結(jié)果表明，在已知第一層光學(xué)特性參數(shù)及厚度的情況下，反演計(jì)算得到 的第二層光學(xué)特性參數(shù)精度較高，而對(duì)雙層光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行同時(shí)反演計(jì)算時(shí)，精度較差， 誤差局達(dá)23%。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種基于連續(xù) 波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測裝置，本實(shí)用新型綜合了高光譜成像技術(shù)、空間分辨 漫反射技術(shù)、傾斜反射技術(shù)的bliquereflectrometry)及有限元分析方法，可W非侵入的 方式實(shí)時(shí)、無損的獲取瓜果果皮與果肉的吸收系數(shù)y。和約化散射系數(shù)y/。
[0007] 本實(shí)用新型采用了W下技術(shù)方案：
[000引一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測裝置，其特征在于：包括高光 譜成像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)及樣本輸送裝置；其中，高光譜成像系統(tǒng)包括依次連接的CCD相機(jī)、 成像光譜儀及鏡頭，鏡頭豎直朝下布置；光源系統(tǒng)包括兩個(gè)光源，分別與兩個(gè)光源禪合的垂 直入射光纖、傾斜入射光纖及光纖固定支架，垂直入射光纖、傾斜入射光纖分別通過固定螺 母垂直固定在光纖固定支架上，且垂直入射光纖位于傾斜入射光纖的前側(cè)，光纖固定支架 沿樣本運(yùn)動(dòng)方向布置，并與鏡頭的軸線呈一定夾角。
[0009] 所述樣本輸送裝置包括電機(jī)、聯(lián)軸器、線性滑軌和托盤；電機(jī)通過聯(lián)軸器與線性滑 軌的轉(zhuǎn)軸連接，托盤固定在線性滑軌的滑塊上。
[0010] 所述傾斜入射光纖的固定螺母中，其中一個(gè)固定螺母將傾斜入射光纖的下端固 定在光纖固定支架上，另一個(gè)螺母安裝在光纖固定支架的弧形槽內(nèi)并固定著傾斜入射光 纖的中部，螺母可在弧形槽內(nèi)滑動(dòng)從而調(diào)節(jié)傾斜入射光纖與水平面的夾角，該夾角范圍為 15。-75。。
[0011] 所述光纖固定支架與鏡頭的軸線的夾角為4~8°。
[0012] 本實(shí)用新型的有益效果是；本實(shí)用新型提供了一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光 學(xué)特性無損檢測裝置，綜合了高光譜成像技術(shù)、空間分辨漫反射技術(shù)、傾斜反射技術(shù)及有限 元分析方法，可W非侵入的方式實(shí)時(shí)、無損的獲取瓜果果皮與果肉在寬波段（400-1100nm) 的吸收系數(shù)y。和約化散射系數(shù)y/。較已有方法具有檢測精度高、覆蓋波段寬、備樣簡單、 無損、操作簡單的優(yōu)勢，且能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙層組織的光學(xué)特性檢測。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖2a-l、2a-2是本實(shí)用新型的主視及側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖化是圖2a-2中A部的放大示意圖。
[0016] 圖3是本實(shí)用新型的檢測流程圖。
[0017] 圖4是本實(shí)用新型的反演算法流程圖。
[001引圖中：1、CCD相機(jī)，2、成像光譜儀，3、鏡頭，4、一號(hào)光源，5、垂直入射光纖，6、二號(hào) 光源，7、傾斜入射光纖，8、光纖固定支架，9、固定螺母，10、樣本，11、托盤，12、線性滑軌，13、 滑塊，14、聯(lián)軸器，15、電機(jī)，8-1、弧形槽，12-1、轉(zhuǎn)軸。
【具體實(shí)施方式】
[0019] W下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型并不局限于W 下實(shí)施例。
[0020] 本實(shí)用新型所述的基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測方法，綜合了高 光譜成像技術(shù)、空間分辨漫反射技術(shù)、傾斜反射技術(shù)及有限元分析方法。其中高光譜成像技 術(shù)通過線掃描采集樣本的漫反射高光譜圖像，該圖像由二維數(shù)組組成，同時(shí)包含了光譜信 息和空間信息；空間分辨漫反射技術(shù)則用于通過漫反射光譜在不同位置的變化來反演計(jì)算 生物組織的光學(xué)特性參數(shù)；該方法所用光源包括垂直入射光源與傾斜入射光源兩部分，其 中傾斜入射光源用于獲取第一層組織的光學(xué)特性信息，而垂直入射光源則用于獲取第一層 及第二層組織的光學(xué)特性信息；有限元方法與反演算法結(jié)合，組成反向有限元方法，通過反 演計(jì)算得出生物組織的光學(xué)特性參數(shù)。
[0021] 如圖3所示，所述方法包括下列操作步驟：
[0022] (1)用計(jì)算機(jī)控制位移平臺(tái)輸送樣本至光源正下方停止，開啟傾斜入射光源，然后 高光譜成像系統(tǒng)通過沿樣本運(yùn)動(dòng)方向的線掃描獲取樣本漫反射高光譜圖像，此圖像由二維 數(shù)組組成，包括空間信息和光譜信息。線掃描的位置通過鏡頭中屯、且沿樣本運(yùn)動(dòng)方向。由 于傾斜入射光源朝鏡頭中屯、方向傾斜入射，所采集的圖像只包含樣本第一層的光學(xué)特性信 息；
[002引 似提取步驟（1)中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計(jì)算得到第一層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)y和 約化散射系數(shù)Ud';
[0024] (3)保持樣本位置不動(dòng)，開啟垂直入射光源，高光譜成像系統(tǒng)通過線掃描方式采集 樣本的漫反射高光譜圖像，得到二維數(shù)組（空間信息和光譜信息），此圖像包含第一層及第 二層組織的光學(xué)特性信息；
[002引 （4)提取步驟做中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計(jì)算得到第二層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)y和 約化散射系數(shù)y,2'。
[0026] 所述步驟（2)進(jìn)一步包括下列操作內(nèi)容：
[0027] (2a)步驟（1)所采集的圖像為二維數(shù)組，其中一維為光譜信息，另一維為空間信 息。空間分辨漫反射光譜提取時(shí)保留所有空間信息，即一個(gè)波長提取出一條空間分辨漫反 射光譜，然后將提取出的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行平滑降噪；
[002引 （2b)如圖4所示，反演算法具體包括；有限元方法基于初始光學(xué)特性參數(shù)值對(duì)傾 斜入射光在單層組織內(nèi)的傳輸進(jìn)行仿真得出相應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，將該光譜與高光 譜成像系統(tǒng)采集的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出光譜所有位置縱坐標(biāo)的差值平方 和，并通過非線性偏最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)初始光學(xué)特性參數(shù)值進(jìn)行更新迭代，當(dāng)兩條 光譜的差值平方和小于設(shè)置的闊值（根據(jù)需要的計(jì)算精度和速度確定）時(shí)停止計(jì)算，得出 對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)Ual和約化散射系數(shù)yd';
[0029] (2c)依次提取不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，重復(fù)步驟（2b)，