用空間頻域成像檢測農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué)特性的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種農(nóng)產(chǎn)品組織的檢測裝置及方法，尤其是涉及了一種用空間頻域 成像檢測農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué)特性的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可見近紅外光譜(Vis-NIR)技術(shù)，作為農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全的無損檢測手段，已存在 大量的研究和報導(dǎo)。這類技術(shù)通常獲取光與生物組織作用后的吸收、反射或透射信號，通過 后期的化學(xué)計量學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法分析，與糖酸度、硬度等指標進行建模，從而達到品質(zhì)檢測 的目的;但是，建立的模型通用性不足。這是因為光譜技術(shù)未能正確分析光在生物組織中的 傳輸機理，無法將光與組織相互作用后的吸收效應(yīng)與散射效應(yīng)進行分離，而只是籠統(tǒng)地將 獲得的信號進行建模。因此，正確理解光與生物組織的相互作用，分析其傳輸機理，對于提 高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全的無損檢測意義重大。
[0003] 光與生物組織的相互作用主要包括吸收和散射，分別用吸收系數(shù)ya和約化散射系 數(shù)y/進行表征。有關(guān)生物組織的光學(xué)特性檢測最早出現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前已有較為深 入的研究和廣泛的應(yīng)用，主要集中在疾病的診斷與治療方面。近年來，關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué) 特性的檢測研究也有所增加。農(nóng)產(chǎn)品組織是一種高散射的生物組織(μ/ >>ya)，光在組織中 的傳輸受固有光學(xué)特性的影響。研究表明，吸收系數(shù)以3與組織化學(xué)組成（葉綠素、糖度、水 分)相關(guān)，約化散射系數(shù)μ/與組織物理結(jié)構(gòu)(硬度、細胞結(jié)構(gòu))相關(guān)。在過去的幾十年內(nèi)已經(jīng) 開發(fā)出了多種方法以測量組織的光學(xué)特性參數(shù)，用來區(qū)分光在組織中的吸收效應(yīng)和散射效 應(yīng)，主要有積分球方法、時域方法、頻域方法和穩(wěn)態(tài)空間分辨方法。這些方法能實現(xiàn)組織吸 收和散射特性的定量測量，但是大多數(shù)局限于點光源照射一一只能實現(xiàn)樣品極小部位光學(xué) 特性參數(shù)的獲取，無法準確得到較大區(qū)域甚至整個樣品的光學(xué)特性。這對于我們評價農(nóng)產(chǎn) 品組織的光學(xué)特性，并將它用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與安全檢測是不利的。因此，通過單次測量定 量獲取農(nóng)產(chǎn)品組織R0I內(nèi)每個像素點的光學(xué)特性參數(shù)，就顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，提供了一種用空間頻域成像檢測農(nóng)產(chǎn)品組織 光學(xué)特性的裝置及方法，利用空間頻域成像的光學(xué)成像技術(shù)，以非接觸、單次測量的方式定 量獲取農(nóng)產(chǎn)品組織R0I內(nèi)每一個像素點的吸收系數(shù)μ4Ρ約化散射系數(shù)μ/，解決傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品 光學(xué)特性檢測方法無法準確獲取組織R0I內(nèi)甚至整個樣品的光學(xué)特性的問題。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] -、一種基于空間頻域成像的農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué)特性的檢測裝置：
[0007] 包括置于暗箱中的光源系統(tǒng)、成像系統(tǒng)及樣品固定調(diào)節(jié)裝置，光源系統(tǒng)固定安裝 在光學(xué)平板上，成像系統(tǒng)和樣品固定調(diào)節(jié)裝置均通過導(dǎo)軌安裝在光學(xué)平板上。
[0008] 所述的光源系統(tǒng)包括播放電腦、DLP投影儀、中性密度濾光片和入射線性偏振片； 所述的成像系統(tǒng)包括控制電腦、數(shù)字信號產(chǎn)生器、CCD相機、濾波片轉(zhuǎn)輪和接收線性偏振片； 所述的樣品固定調(diào)節(jié)裝置包括高度可調(diào)的樣品臺、前樣品夾和后樣品夾。
[0009] DLP投影儀安裝在光學(xué)平板上，DLP投影儀鏡頭的正前方設(shè)有樣品臺，樣品臺上安 裝有用于裝夾檢測對象的前樣品夾和后樣品夾，DLP投影儀與樣品臺之間安裝有中性密度 濾光片和入射線性偏振片，樣品臺、中性密度濾光片和入射線性偏振片均安裝在導(dǎo)軌上并 沿導(dǎo)軌移動調(diào)整位置;DLP投影儀側(cè)方設(shè)有朝向檢測對象的CCD相機，CCD相機鏡頭的正前方 依次設(shè)有濾波片轉(zhuǎn)輪和接收線性偏振片;播放電腦與DLP投影儀連接;控制電腦與數(shù)字信號 產(chǎn)生器連接，數(shù)字信號產(chǎn)生器與CCD相機連接用以控制CCD相機周期性地采集檢測對象反射 過來的圖像，CCD相機與控制電腦連接用來傳輸圖像采集數(shù)據(jù)并存儲。除了 DLP投影儀是直 接安裝在17上，其他光學(xué)元件均是通過導(dǎo)軌安裝在17上的。
[0010] 所述的入射線性偏振片與接收線性偏振片的偏振方向相垂直，用來減弱檢測對象 表面的鏡面反射，有助于反射光被CCD相機接收。
[0011] 所述的濾波片轉(zhuǎn)輪的端面沿圓周間隔均布設(shè)有多個通孔，其中一通孔正對CCD相 機的鏡頭，各個通孔安裝不同波長的濾波片，通過旋轉(zhuǎn)濾波片轉(zhuǎn)輪更換檢測波長。
[0012] 所述的前樣品夾和后樣品夾底部設(shè)有條形槽，條形槽通過螺栓與樣品臺固定，由 此前樣品夾和后樣品夾用來調(diào)節(jié)夾持的檢測對象的安裝厚度，移動兩個樣品夾的位置可以 達到改變夾持樣品厚度的目的，可調(diào)節(jié)的樣品厚度范圍為〇-118_。
[0013] 所述的CCD相機、濾波片轉(zhuǎn)輪、中性密度濾光片和入射線性偏振片、接收線性偏振 片均通過支桿連接滑塊座，滑塊座安裝到導(dǎo)軌上，通過調(diào)節(jié)支桿的長度調(diào)節(jié)上述光學(xué)元件 的中心高度。
[0014] 所述的樣品臺能調(diào)節(jié)檢測對象的檢測尚度。
[0015] 所述的DLP投影儀安放在光學(xué)平板上，通過支桿與底面光學(xué)平板連接固定，通過調(diào) 節(jié)支桿的長度可以調(diào)節(jié)DLP投影儀的安放高度。
[0016] 所述的導(dǎo)軌帶有數(shù)字刻度。
[0017] 所述的檢測裝置置于一個暗箱中。
[0018] 二、一種基于空間頻域成像的農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué)特性的檢測方法：
[0019] 1)在暗箱環(huán)境下，先將通過前、后樣品夾將參比白板固定在樣品臺上，通過轉(zhuǎn)動濾 波片轉(zhuǎn)輪分別更換不同波長的濾波片通過CCD相機重復(fù)采集得到參比白板的圖像；
[0020] 2)取下參比白板，將檢測對象固定在樣品臺上，通過轉(zhuǎn)動濾波片轉(zhuǎn)輪分別更換不 同波長的濾波片通過CCD相機重復(fù)采集得到檢測對象的圖像；
[0021] 3)取下檢測對象，關(guān)閉DLP投影儀，通過CCD相機獲得暗場圖像；
[0022] 4)從參比白板的圖像、檢測對象的圖像和暗場圖像中選取圖像R0I(感興趣區(qū)域）， 通過解調(diào)處理得到不同空間頻率不同空間相位下檢測對象的漫反射圖像；
[0023]原始圖像是對應(yīng)不同空間頻率不同空位相位下的，解調(diào)過程將一個頻率3個相位 下的圖像處理成一幅圖，所以解調(diào)后得到的不同空間頻率下的漫反射圖像。
[0024] 5)通過非線性擬合方法處理得到圖像R0I每一個像素點的吸收系數(shù)ya和約化散射 系數(shù)μ/，作為檢測對象的光學(xué)特性。
[0025]所述步驟1)~3)中通過CCD相機重復(fù)采集得到圖像具體采用以下方式:在暗箱環(huán) 境下，播放電腦通過PowerPoint軟件依次播放具有多個不同空間頻率不同空間相位的正弦 灰度圖案，帶有圖案的光源經(jīng)DLP投影儀投射出依次經(jīng)中性密度濾光片減弱光強、入射線性 偏振片進行偏振處理后入射到前樣品夾和后樣品夾之間的檢測對象上，然后經(jīng)接收線性偏 振片偏振處理，穿過濾波片轉(zhuǎn)輪通孔處的濾波片后被CCD相機接收采集。
[0026]所述的CCD相機采集圖像的周期與DLP投影儀投射圖案的周期相同。
[0027] 所述步驟4)中檢測對象的漫反射圖像采用以下公式解調(diào)處理獲得：
[0028]
[0029]其中，MAC(x，fx)是檢測對象漫反射強度的振幅包絡(luò)，MAC, ref(x，fx)是參比白板漫反 射強度的振幅包絡(luò)，Rd,ref(x，fx)是已知的參比白板的漫反射值，Rd(x，f x)是檢測對象的漫反 射值；
[0030] 上述檢測對象漫反射強度的振幅包絡(luò)MAC(x，fx)和參比白板漫反射強度的振幅包 絡(luò)Mac, (X，f X)均采用以下公式計算：
[0031]
[0032] 其中，11&