食品物性学-光学

食品的光学性质色度学基础

食品光学测定原理

食品光学性质的应用

应用实例

4123主要内容1）光度与光通量（luminosityandluminousflux)光度是表示光辐射照度产生光感的程度，但由于在通常范围内，光度的大小与辐射照度成正比，并适合加法定律，因此可以借用计算机辐射照度的方法计算光度。对于波长为λ1~λ2的连续光谱，有：1.与食品光学性质相关的基本物理量一色度学基础

式中，k为常数，Vλ为光谱光视效率；Eλ为光谱强度；Φ为光通量，其单位为流明（lm,Lumen）。1.与食品光学性质相关的基本物理量2）照度（illumination）表示某一受光点单位面积的光通量，单位为lm/m2，或表示为：式中：Φ为光通量；A2为受光面积；E为照度。3）光出射度（luminousemittance）光出射度表示某发光点单位面积的发光光通量，符号为M，单位为lm/m2，表达式为：式中，Φ为光通量；A1为受光面积.一色度学基础1.与食品光学性质相关的基本物理量4）发光强度（luminousintensity）发光强度定义为从某个光源或光源的一个元素发射出包含该方向在内的一个无限小角锥中的光通量dΦ与该小角锥立体角dΩ1的商，符号为I，单位为lm/sr，或cd，其表达式为：式中，Φ为光通量；Ω1为锥体角。5）亮度（luminance）亮度指发光体单位面积在制定方向的明亮程度。设发光体表面积为A，观测方向的发光强度为I，发光体表面法线与观测方向夹角为θ，则亮度（符号为L）定义为：一色度学基础2.颜色的表色系统及其转换1）颜色的表色系统介绍1931年国际发光委员会（CIE，InternationalCommissiononIllumination）建立了两种表色系统，简称为表色系。一种为RGB表色系统，一种为XYZ表色系统。RGB表色系统：波长为700.0nm的红光（R），波长为546.1nm的绿光（G）和波长为435.8nm的蓝光（B），图像处理中使用的其它表色系统一般都是从RGB表色系统转换而来的。人们将RGB值经归一化形成rgb（色品坐标），其关系式如下：②XYZ表色系统

CIE-XYZ表色系统又称为CIE1931标准表色系统，是以三个假象的原色X、Y、Z建立起来的一个新色度系统，可以由RGB表色系统转换得到。在此系统中可以用色品坐标确定颜色（如下式），因此在食品及农产品颜色检测中具有极高的使用价值。一色度学基础2.颜色的表色系统及其转换③CIEL*a*b*表色系统

可由CIE-XYZ转换得到，L*a*b*表色空间又称为独立色坐标，它是把颜色按其所含红、绿、黄、蓝的程度来度量的。一色度学基础2.颜色的表色系统及其转换2）颜色系统的相互转换①RGB与CIE-XYZ的转换RGB值与XYZ值为线性齐次函数，则可用下式表示：

X=a11R+a12G+a13RY=a21R+a22G+a23GZ=a31R+a32G+a33B不同图像采集系统上述表达式中的九个系数会不相同，为了求得这些系数，需要有实测样本数据。农产品的颜色种类很多，因此要设计食品及农产品颜色测试系统，为使该系统可以测试各种颜色，要求样本集合应由各种颜色组成。2）XYZ与CIE1976L*a*b*之间的转换

在CIE1976L*a*b*表色系统中，对应的变换关系为：当X/Xn＞0.008856时：X*=(X/Xn)1/3Y*=(Y/Yn)1/3Z*=(Z/Zn)1/3当X/Xn＜0.008856时：一色度学基础3.光的吸收、反射、散射和色散1）光的吸收光通过任何介质都有不同程度的被吸收。物质对光的吸收有选择性，同一介质对不同波长（不同颜色）光的吸收程度不等。介质吸收光能，引起介质中电子的受迫振动，进而转化为其他形式的能。朗伯定律（如下式）可以得到光强和介质厚度的关系。I=I0e-αλx上式中，I、I0分别表示出入射光强，x为介质厚度，λ为波长。对于选择吸收的物质来说，在吸收波段内，αλ值可以很大，αλ值越大，表示吸收越强。当介质总厚度x=1/αλ时，由上式得：I=I0/e≈I0/2.72也就是说，厚度为1/αλ的介质层，可使光强减弱到原有光强的1/2.72.对于稀溶液，则上式可改为：I=I0e-kicx一色度学基础3.光的吸收、反射、散射和色散2)光的反射

当光从一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，另一部分穿入。反射多少视两种介质折射率的比率而定，此外，还依赖于入射角度，这种关系可由菲涅尔公式阐明。式中，θ为入射角，φ为折射角；下标S表示垂直于入射面的电场分量，P表示在入射面内的电场分布；Rs、Rp为反射光的电场分量；Es、Ep为入射光的电场分量。一色度学基础3.光的吸收、反射、散射和色散3）光的散射

当光波投到细小质点上时，根据惠更斯原理，从质点表面上各点激发次级子波，进而形成同样波长的光波向各方向散开，这种现象称为光的散射现象。根据光的电磁原理，次波振幅A与其波动频率v的平方成正比，次波光强I又与振幅A的平方成正比，同时频率V与波长λ成反比。4）光的色散

白光通过玻璃三角棱镜后，出现彩色光带，称为光的色散现象，这是由于不同的光具有不同波长。为了表征介质折射率因波长不同而变化的程度，引入色散率η这个概念，并且定义：介质色散率的量值等于介质折射率对波长的变化率。一色度学基础4.标准光源及观测条件1）标准光源CIE推荐了五种标准照明体：标准照明体A：代表色温为2856K的完全辐射体。CIE规定用分布温度2856K的充气钨丝灯来实现标准照明体A。标准照明体B：代表相关色温大约为4874K的直射阳光，CIE规定用A光源添加一组特定的DG滤光器。标准照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光，CIE规定用A光源添加一组特定的DG滤光器。标准照明体D：代表各时段日光的相对光谱功率分布。CIE在1967年建议采用D65作为标准光源，它相应于色温6504K的白昼光。标准照明体E：将在可见光波段内光谱辐射功率为恒定值的光刺激定义为标准照明体E，也称为等能光谱或等能白光。一色度学基础4.标准光源及观测条件2）观测条件四种测色的标准照明和观察条件一色度学基础根据比尔定律，溶液的某特定波长的光密度（D）正比与吸光物质浓度和它在该波长时的吸收系数。D=log(I1/I2)=αλb/2.303=kλcb/2.303

式中，b为光程或光穿过的介质厚度；kλ为吸收系数。其中吸收系数kλ单位为cm2/mol，当采用m2/mol为单位时，称为摩尔吸收系数。

设Aλ1和Aλ2是式样在两个波长λ1和λ2时的D值，和分别为样品中某待测成分对应于波长λ1、λ2的D值。和分别为样品中其它成分相应的D值。则：1.利用透光特性的测定当选择合适波长λ1、λ2时，使=，则：显然，这时避免了其它成分引起的测量误差。二、食品光学测定原理2.反射光特性的测定与透过光相类似，我们同样可以定义反射率，为反射光强度，为入射光强度。反射光密度的定义式为：反射光特性的测定与投射光的测定类似，也利用反射光密度差来进行。两个待定波长的反射光密度差为△

：式中，R1和R2分别为两个特定波长的光对物体表面的反射率。二、食品光学测定原理1、光透过特性的测定方法和应用1）测定装置

检测食品的光透过特性或光反射特性所用的一起最典型的构造由以下部分组成：光源、光谱分离器、光波检测器、示波器、记录仪等。光源：一般采用标准白光源，提供可见光范围的连续光谱。光谱分离器：是可以把特定波长光分离出来的部件。到达试样的光的纯度或特性取决于分光手段，一般分光手段采用棱镜或衍射光栅做的单色仪，也可以使用滤光镜达到同样效果。光波检测器：检测器选择时要考虑到反应速度、光谱响应、灵敏度、杂波水平、电阻抗、尺寸、价格等因素。一般测定透光或反射光的检测器，在可见光领域常用硫化铅光敏电阻。示波器、记录仪：把检测器感知的信号放大，并且显示、记录。二、食品光学测定原理2）光密度差的求出与两种波长的选择

为了提高测定精度，在测定光密度差时要选择两种特定波长的光。一种波长应该是对于待测成分的变化十分敏感；一种波长相反，应是对待测成分变化几乎没有反应。由于两波长一般都对试样尺寸、光源，检测器等因素的变化反应敏感，故后一种波长就作为参照波长，用来抵消这些因素的影响。3）利用光密度比测定

当测定厚度不同的果实时，为了消除果实尺寸的影响，可以利用两个不同波长的光密度比进行测定。1、光透过特性的测定方法和应用二、食品光学测定原理4）透光测定法在视频品质评价上的应用

透光测定法是视频无损检测的一种常用方法，比较经典的应用有：果蔬成熟度的检测、谷类水分含量测定、碎米程度、食品颜色、鸡蛋内血丝混入的检测等。

应用这种方法的前提是，食品中与光透过有光的物质或色素，必须和食品的品质指标有很好的相关性。

例如，对花生熟度测定常采用Kramer开发的花生熟度计。该仪器就是用波长分别为480nm和510nm的两波长光来测定光密度，判断花生熟度。因为花生随着成熟，其光密度减少。对于花生油，在特定的波长光照射时，成熟花生的有比生花生的油透光性要好，其差异在425nm、455nm和480nm最为显著。

在其他方面，透光测定法还可以应用于对食品水分测定；果实内部的空洞、褐变、病变等的检测；自动选果等。左图为樱桃种子分检装置。1、光透过特性的测定方法和应用二、食品光学测定原理右图9-12表示测定光的反射率时光源、物料和检测器的配置方法，阴影部分表示测定光近似通过的区域。测定反射率时一般是将一束光同时照射到物料样品和一个标准的白色参照表面（一层氧化镁）上，并对它们的反射光强度进行比较，以确定反射率，如图9-13.下图9-14、9-16分别是光反射率对食品的检测实例。三、食品光学性质的应用2、光反射特性的测定方法和应用3、延迟发光现象的利用

延迟发光（DLE）具有暗期恢复（darkrecovery）、光饱和以及感温性等特点，常用于含叶绿素的果蔬类食品检测。利用延迟发光特性对果蔬进行分选具有以下优点：①选择光源的范围大，因此装置简单；②照射和测定DLE的时刻可在不同场所进行，给机械的设计带来便利；③除光电管外，不需要其它光学元件，装置比较简单；④没有一般透光测定时，荧光带来的影响误差。以上优点，使得食品加工或精选工程中应用DLE非常方便。DLE的利用在迅速测定生鲜农产品的叶绿素含量和判断新鲜程度方面有着一定优势。三、食品光学性质的应用三、食品光学性质的应用3、延迟发光现象的利用图9-17表示农产品延迟发光特性的测定装置简图。图9-18和图9-19表示番茄、柿子在白炽光激励下的延迟发光光谱曲线。4、食品近红外测定的原理和应用对食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂质等一般成分的评价，近年来，应用进红外线、微波甚至核磁共振等方法受到越来越多的重视。尤其是近红外线技术，在食品的无损伤检测方面取得较大进步。1978年美国的FGIS及加拿大的CGC都把近红外测定法作为国家标准测定法，逐渐取代原有的谷物类蛋白定量测定法。三、食品光学性质的应用1）近红外法的原理近红外线的范围为0.7~3.0μm的光波。物质对红外线的吸收除极少数例外，都是由结合键连接的两个原子间简正伸缩振动的谐波或结合振动的吸收引起的。其中大部分都与物质中的氢原子的简正伸缩振动有直线关系。也就是当光波频率与分子构造中原子结合振动频率相同或是倍数关系时，该波长的波就被吸收。吸收光谱受到各种成分含量比例的影响，是一个叠加而成的曲线。右图就是大豆及主要成分的近红外吸收光谱图。4、食品近红外测定的原理和应用三、食品光学性质的应用2）光谱的特殊处理①平均化处理（smoothing)：是根据移动平均的方法，在移动平均时，所取平均数据的点数，由杂波的性质、吸收光谱特性确定。②微分光谱（derivative)：做为无损伤测定，食品成分的近红外吸收光谱由于受多种成分影响，吸收带较宽，相互重叠。为了区别各成分的吸收光谱情况，常采用微分处理的方法。4、食品近红外测定的原理和应用三、食品光学性质的应用4、食品近红外测定的原理和应用3）测定仪器美国农业部研究中心研制的近红外分光光谱解析装置如图9-26.改装置分光器可提供0.7~2.6μm范围近红外光线。实验的光谱作为光密度D由记录仪记录。技术D所需的标准版：对反射光使用白瓷板；对透射光是空气，或相当实验最大D的金属网。测定对象含水率在15%~20%的低水平时，水分对D影响较小。分析主要在1.6~2.6μm的光波范围进行。三、食品光学性质的应用4）近红外测定的应用（如表9-3）4、食品近红外测定的原理和应用三、食品光学性质的应用1、利用机器视觉技术进行水果品质

高速实时监测与分级四、应用实例1）机器视觉技术简介

机器视觉技术（machinevisiontechnology）是随着计算机的发展而开拓出来的一个新的计算机应用领域。机器视觉是利用一个用以代替人眼的图像传感器，获取一个物体的图像，将图像转换成一个数据矩阵，并利用一个用以代替人脑的计算机来分析图像并完成一个与视觉有关的任务。他是计算机、光学、数学、信息论、模式识别、数学形态学、人工智能、自动化、CCD技术、视觉学、心理学、脑科学、数字图像处理等众多学科交叉综合的一门学科。2）水果品质高速实时监测与分级系统Y.Tao研制成功了MERLIN高速高频机器视觉水果分级系统（如下图），该机器可用于苹果、橘子等水果的分级。目前，该系统已广泛用于各类水果的分级。多摄像机监测系统示意1、利用机器视觉技术进行水果品质

高速实时监测与分级四、应用实例1）超弱发光技术简介超弱发光（Ultraweakbioluminescence）是任何有生命的物质都发射的一种超弱光子流，其发射光谱是从红外经可见到近紫外的很宽光谱。我国超弱发光研究起步较晚，在农业方面特别是对种子的抗性、发芽率与超弱发光的关系等研究较多。但用于果蔬分级检测方面的研究还比较少，目前还处于尝试阶段。与应用计算机视觉进行果蔬检测分级相比，除具有无损伤检测的特点外，由于超弱发光是测试活体物质的生命活性，故能更好地检测果蔬内部的变化情况，因而，检测结果更为准确、客观。2、利用生物超弱发光技术进行果蔬的

检测与分级四、应用实例2）光子成像探测系统光子成像探测系统的测试原理是将生命样品置于黑暗环境中，用灵敏度极高的光探测器接受来自样品的超弱发光，将其转换成电信号，再用电路放大，用计算机分析处理，从而获得样品的发光信息。2、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级四、应用实例2、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级四、应用实例下图所示为HAMAMATSU公司生产的超弱发光图像探测系统。该系统由图像增强器、图像处理器、摄像系统等组成，是以微通道板像增强器为主的超弱发光图像探测系统。3）番茄成熟度的超弱发光检测①测试方法：利用图9-34所示的超弱发光测试系统，使用前先将仪器开机预热30min，再将样品置于暗室的黑箱中，静置5min后测试。②番茄成熟度的超弱发光检测结果与分析：按照GB8852-1988中所界定的番茄成熟期的标准，分别测试了未熟期、绿熟期、红熟期、红熟后期过熟期番茄的超弱发光强度，列于表9-6中。2、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级四、应用实例2、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级四、应用实例

实验表明，番茄的发光程度与其成熟有很大的关系，成熟度越低，发光强度越高。一般来说，果蔬的超弱发光越强，其生理生活反应越活跃，表明其代谢越强。3、食品颜色的定量化测试及评价

食品颜色是食品重要的感光特性，也是关系食品食用价值和品质的重要评价指标，因为颜色的变化本质上是由于食品内部组织和成分的复杂生化反应所造成的。然而，人的肉眼对颜色的识别阈是有限的，单纯通过感官检验来评价食品的颜色具有很大的局限性，所以，对食品颜色进行定量化测试与评价是十分必要的。四、应用实例3、食品颜色的定量化测试及评价1）食品颜色定量化测试与评价的基本原理食品颜色的定量化测试是基于CIE1976L*a*b*表色系统对食品的相关色度学指标加以测试计算，从而获得食品的色差来定量化评价食品的颜色。CIE1976L*a*b*表色系统的主要组成如下图。表色系统中立轴代表明度，用L*表示，L*=100为白色，L*=0为黑色，中间有100个等级，代表不同的灰度。与立轴垂直的平面分为4个像素，+a*代表红色，-a*代表绿色，+b*代表黄色，-b*代表蓝色。a*、b*、c*绝对值越大，色差越饱和，越纯正。四、应用实例2）小包装牛肉的颜色定量化测试与评价

右图是对100包小包