一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置的制造方法
一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种生物组织光学特性无损检测装置，尤其设及一种基于连续波 的双层瓜果组织光学特性无损检测装置。
【背景技术】
[0002] 光谱分析技术，尤其是可见与近红外波段，在农产品品质分析领域的应用已经十 分广泛，目前主要应用于农产品品质检测，例如瓜果类的糖度、硬度及病变等。但常规光谱 分析技术获得的光谱为光与生物组织相互作用后的所有光信号，无法将吸收特性与散射特 性进行分离，且不具有指纹图谱的特性，在后期分析时只能通过化学计量学与统计学方法 分析建模，有人称此过程为"暗箱"。在光源设计及布置时，也只能通过经验与后期建模效果 来进行对比，过程繁琐且可靠性差。该主要是由于缺乏对光在生物组织中传播的理解及生 物组织光学特性的相关知识。生物组织光学特性在医学领域的研究已经相当深入，通过光 学特性进行疾病诊断已经成为医疗诊断的重要方法之一。但对于农产品光学特性的研究却 鲜有报道。因此，对农产品光学特性的检测，尤其是针对双层组织结构的瓜果类光学特性的 检测，就显得尤为重要。
[0003] 光与生物组织的相互作用主要包括吸收与散射，与之相对应的光学特性参数分别 为吸收系数（y。)、约化散射系数（y/ )。对于农产品诸如瓜果类，光与生物组织的相互 作用主要表现出弱吸收、强散射的特性。福射传输理论（RadiationTransferTheory)能 够较为准确的描述光在生物组织中的传播，但该模型较为复杂，变量较多，不适用于实际应 用。扩散近似理论值ifTusionApproximation)作为福射传输理论的简化，已被证明并广 泛应用于生物组织内光传输的描述。基于扩散近似理论的光学特性检测方法主要有时域方 法、频域方法、空间分辨方法和积分球方法等。其中基于连续波的空间分辨方法能够实现宽 波段检测，较适合于农产品光学特性检测。
[0004][0005] 对于瓜果类农产品，大多属于双层结构组织（果皮、果肉），且果皮和果肉的光学 特性通常存在较大差异。因此有必要对双层结构组织分别测出其光学特性参数。Kienle 等（参见KienleA,等.Noninvasivedeterminationoftheopticalpropertiesof two-layered1:urbidmedia.Appliedoptics,1998,37(4):779_791.)基于扩散近似理 论推导出了用于双层生物组织光学特性参数检测的理论模型，可用于双层生物组织光 学特性参数的反演计算。Cen等（参见CenH,等.Quantificationoftheoptical propertiesoftwo-layerturbidmaterialsusingahyperspectralimaging-based spatially-resolvedtechnique.Appliedoptics, 2009, 48 (29): 5612-5623.)对上述模型 进行了验证及应用，结果表明，在已知第一层光学特性参数及厚度的情况下，反演计算得到 的第二层光学特性参数精度较高，而对双层光学特性参数进行同时反演计算时，精度较差， 误差局达23%。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是克服上述【背景技术】的不足，提供一种基于连续 波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，本实用新型综合了高光谱成像技术、空间分辨 漫反射技术、倾斜反射技术的bliquereflectrometry)及有限元分析方法，可W非侵入的 方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉的吸收系数y。和约化散射系数y/。
[0007] 本实用新型采用了W下技术方案：
[000引一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其特征在于：包括高光 谱成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机、 成像光谱仪及镜头，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源，分别与两个光源禪合的垂 直入射光纤、倾斜入射光纤及光纤固定支架，垂直入射光纤、倾斜入射光纤分别通过固定螺 母垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入射光纤的前侧，光纤固定支架 沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。
[0009] 所述样本输送装置包括电机、联轴器、线性滑轨和托盘；电机通过联轴器与线性滑 轨的转轴连接，托盘固定在线性滑轨的滑块上。
[0010] 所述倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固定螺母将倾斜入射光纤的下端固 定在光纤固定支架上，另一个螺母安装在光纤固定支架的弧形槽内并固定着倾斜入射光 纤的中部，螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹角范围为 15。-75。。
[0011] 所述光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8°。
[0012] 本实用新型的有益效果是；本实用新型提供了一种基于连续波的双层瓜果组织光 学特性无损检测装置，综合了高光谱成像技术、空间分辨漫反射技术、倾斜反射技术及有限 元分析方法，可W非侵入的方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉在宽波段（400-1100nm) 的吸收系数y。和约化散射系数y/。较已有方法具有检测精度高、覆盖波段宽、备样简单、 无损、操作简单的优势，且能够同时实现双层组织的光学特性检测。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型的整体结构图。
[0014] 图2a-l、2a-2是本实用新型的主视及侧视结构示意图。
[0015] 图化是图2a-2中A部的放大示意图。
[0016] 图3是本实用新型的检测流程图。
[0017] 图4是本实用新型的反演算法流程图。
[001引图中：1、CCD相机，2、成像光谱仪，3、镜头，4、一号光源，5、垂直入射光纤，6、二号 光源，7、倾斜入射光纤，8、光纤固定支架，9、固定螺母，10、样本，11、托盘，12、线性滑轨，13、 滑块，14、联轴器，15、电机，8-1、弧形槽，12-1、转轴。
【具体实施方式】
[0019] W下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于W 下实施例。
[0020] 本实用新型所述的基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测方法，综合了高 光谱成像技术、空间分辨漫反射技术、倾斜反射技术及有限元分析方法。其中高光谱成像技 术通过线扫描采集样本的漫反射高光谱图像，该图像由二维数组组成，同时包含了光谱信 息和空间信息；空间分辨漫反射技术则用于通过漫反射光谱在不同位置的变化来反演计算 生物组织的光学特性参数；该方法所用光源包括垂直入射光源与倾斜入射光源两部分，其 中倾斜入射光源用于获取第一层组织的光学特性信息，而垂直入射光源则用于获取第一层 及第二层组织的光学特性信息；有限元方法与反演算法结合，组成反向有限元方法，通过反 演计算得出生物组织的光学特性参数。
[0021] 如图3所示，所述方法包括下列操作步骤：
[0022] (1)用计算机控制位移平台输送样本至光源正下方停止，开启倾斜入射光源，然后 高光谱成像系统通过沿样本运动方向的线扫描获取样本漫反射高光谱图像，此图像由二维 数组组成，包括空间信息和光谱信息。线扫描的位置通过镜头中屯、且沿样本运动方向。由 于倾斜入射光源朝镜头中屯、方向倾斜入射，所采集的图像只包含样本第一层的光学特性信 息；
[002引 似提取步骤（1)中采集的漫反射高光谱图像得到不同波长对应的空间分辨漫反 射光谱，通过反向有限元方法反演计算得到第一层组织被扫描区域的平均吸收系数y和 约化散射系数Ud';
[0024] (3)保持样本位置不动，开启垂直入射光源，高光谱成像系统通过线扫描方式采集 样本的漫反射高光谱图像，得到二维数组（空间信息和光谱信息），此图像包含第一层及第 二层组织的光学特性信息；
[002引 （4)提取步骤做中采集的漫反射高光谱图像得到不同波长对应的空间分辨漫反 射光谱，通过反向有限元方法反演计算得到第二层组织被扫描区域的平均吸收系数y和 约化散射系数y,2'。
[0026] 所述步骤（2)进一步包括下列操作内容：
[0027] (2a)步骤（1)所采集的图像为二维数组，其中一维为光谱信息，另一维为空间信 息。空间分辨漫反射光谱提取时保留所有空间信息，即一个波长提取出一条空间分辨漫反 射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑降噪；
[002引 （2b)如图4所示，反演算法具体包括；有限元方法基于初始光学特性参数值对倾 斜入射光在单层组织内的传输进行仿真得出相应的空间分辨漫反射光谱，将该光谱与高光 谱成像系统采集的空间分辨漫反射光谱进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方 和，并通过非线性偏最小二乘法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条 光谱的差值平方和小于设置的阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得出 对应的吸收系数Ual和约化散射系数yd';
[0029] (2c)依次提取不同波长对应的空间分辨漫反射光谱，重复步骤（2b)， 便可计算出 所有波长下的光学特性参数。
[0030] 所述步骤（4)进一步包括W下操作内容：
[0031] (4a)步骤做所采集的图像为二维数组，其中一维为光谱信息，另一维为空间信 息。空间分辨漫反射光谱提取时保留所有空间信息，即一个波长提取出一条空间分辨漫反 射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑降噪；
[0032] (4b)如图4所示，反演算法具体包括；有限元方法基于初始光学特性参数值对垂 直入射光在双层组织内的传输进行仿真得出相应的空间分辨漫反射光谱，将该光谱与高光 谱成像系统采集的空间分辨漫反射光谱进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方 和，并通过非线性偏最小二乘法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条 光谱的差值平方和小于设置的阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得出 对应的吸收系数和约化散射系数yS2'。
[0033] 所述的有限元仿真，基于W下控制方程和边界条件：
[0034]控制方程；D ▽ 2巫（r)- y a巫（r) = S
[003引 边界条件；0(/) -2乂坊i. VdW/-) =0
[0036] 其中D为扩散系数，
[0037] D = l/(3(iia2+ys2,））
[003引 A与边界处内部反射有关，可通过下式计算：
[0039]A= (1+时/(1-时
[0040] R> -1. 439化-2+0. 709化-1+0. 6681+0. 0636n
[0041] 其中n为折射率。
[0042] 如图1到图化所示，本实用新型所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性 无损装置，包括：高光谱成像系统、光源系统及样本输送装置；
[0043]如图1、图2a-l、图2a-2所示，高光谱成像系统；包括CCD相机1 (与计算机连接）、 成像光谱仪2及镜头3 (竖直朝下布置）；CCD相机1分辨率不低于512巧12像素，光谱覆盖 范围200-1100皿；成像光谱仪2光谱覆盖范围400-1100皿，成像光谱仪2尾端与CCD相机 1相连；镜头3为变焦镜头，焦距范围11-110mm，镜头3与成像光谱仪2前端相连，镜头3前 端到样本被检测位置的距离为11-llOmm，具体根据被检测对象大小而定，须保证线扫描区 域落在样本上；高光谱系统垂直固定在机架（未画出）上。
[0044] 如图2a-l、图2a-2、图化所不，光源系统；包括两个相同的面鹤灯光源（一号光 源4和二号光源6)、垂直入射光纤5、倾斜入射光纤7及光纤固定支架8 ;垂直入射光纤5 与倾斜入射光纤7的一头分别与一号光源4和二号光源6禪合，另一头通过固定螺母9固 定在光纤固定支架8上，其中垂直入射光纤5垂直固定，倾斜入射光纤7倾斜布置；光纤固 定支架8上开有S个圆孔，一个弧形槽8-1，其中两个圆孔用于固定垂直入射光纤5,剩下 的一个圆孔和弧形槽用于固定倾斜入射光纤7(倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固 定螺母将倾斜入射光纤的下端固定，另一个螺母安装在弧形槽8-1内并固定着倾斜入射光 纤的中部），螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹角范围为 15° -75° ;光纤固定支架8沿样本10运动方向布置（即光纤固定支架8与样本运动方向 平行），垂直入射光纤5在前，倾斜入射光纤7在后，即样本运动过程中先到达垂直入射光纤 5正下方，再到达倾斜入射光纤7正下方，垂直入射光纤5与倾斜入射光纤7头部紧贴，两入 射光纤头与样本表面最近距离约为1mm，同时两入射光纤边缘与高光谱成像系统线扫描位 置的最近距离约为1. 5mm;为避免光源系统遮挡高光谱成像系统的视野，光纤固定支架8的 上端偏离镜头3中屯、的方向倾斜，使得光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8° (通常 约为5° )。
[0045] 如图1、图2a-l、图2a-2所示，样本输送装置：包括电机15(与计算机连接并受控 制）、联轴器14、线性滑轨12和托盘11 ;电机15通过联轴器14与线性滑轨12的转轴12-1 连接（转轴为常规的丝杆，与线性滑块螺纹配合），托盘11固定在线性滑轨12的滑块13 上。
[0046] 下面结合图1~图4通过一个具体的实验说明本实用新型的工作过程：
[0047] 本实验W厮澄为样本，厮澄果皮较厚，一般为3~5mm，很难用无损的方法同时测 得果肉和果皮的光学特性参数。本实用新型通过预实验测得W厮澄为检测对象时倾斜入射 光纤7的倾斜角度（与竖直方向的夹角）为55°左右时较为合适，所W将倾斜入射光纤7 的倾斜角度设置为50° ;两盏面鹤灯功率选为50W，入射光纤巧茎选为200um;镜头3焦距 设置为100mm，镜头3与样本10的最近距离为100mm。
[0048] 开启系统，待系统预热5分钟，计算机控制电机15带动线性滑轨12上的滑块13 运动，待样本10厮澄的最高点到达垂直入射光纤5的正下方时停止；开启一号光源6,高 光谱成像系统通过线扫描方式采集获得厮澄在倾斜入射光照射下的漫反射高光谱图像，扫 描完成后关闭一号光源6,该高光谱图像W二维数组的方式存储在计算机中，其中一维为光 谱信息，另一维为空间信息，通过程序对该二维数组进行数据提取，保留所有空间信息，即 一个波长提取出一条空间分辨漫反射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑 降噪；如图4所示，将实验得到的空间分布漫反射光谱R。（A)与有限仿真得到的漫反射光 谱Rm(A)进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方和，并通过非线性偏最小二乘 法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条光谱的差值平方和小于设置的 阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得到该波长下第一层组织被扫描区 域的平均吸收系数和约化散射系数yd'，依次提取不同波长对应的空间分辨漫反射 光谱，重复上述步骤，便可计算出所有波长下的第一层组织被扫描区域的光学特性参数；开 启二号光源6,高光谱成像系统采集厮澄在垂直入射光照射下的漫反射高光谱图像，扫描完 成后关闭二号光源6,W同样的反演算法可W获得第二层组织被扫描区域的平均吸收系数 和约化散射系数yS2'，至此，一个厮澄果皮和果肉在被扫描区域的光学特性参数检测 完毕。
[0049] 最后，需要注意的是，W上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新 型不限于W上实施例，还可W有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的 内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其特征在于：包括高光谱 成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机（1)、 成像光谱仪（2)及镜头（3)，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源（4、6)，分别与两个 光源耦合的垂直入射光纤（5)、倾斜入射光纤（7)及光纤固定支架（8)，垂直入射光纤、倾斜 入射光纤分别通过固定螺母（9)垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入 射光纤的前侧，光纤固定支架沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。2. 根据权利要求1所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其 特征在于：所述样本输送装置包括电机（15)、联轴器（14)、线性滑轨（12)和托盘（11);电 机通过联轴器与线性滑轨的转轴（12-1)连接，托盘固定在线性滑轨的滑块（13)上。3. 根据权利要求1或2所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装 置，其特征在于：所述倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固定螺母将倾斜入射光纤的下 端固定在光纤固定支架上，另一个螺母安装在光纤固定支架的弧形槽（8-1)内并固定着倾 斜入射光纤的中部，螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹 角范围为15° -75°。4. 根据权利要求3所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其 特征在于：所述光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8°。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置。目的是提供的装置可以非侵入的方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉的吸收系数μa和约化散射系数μs’。技术方案是：一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，包括高光谱成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机、成像光谱仪及镜头，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源，分别与两个光源耦合的垂直入射光纤、倾斜入射光纤及光纤固定支架，垂直入射光纤、倾斜入射光纤分别通过固定螺母垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入射光纤的前侧，光纤固定支架沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。
【IPC分类】G01N21/31
【公开号】CN204705583
【申请号】CN201520226582
【发明人】谢丽娟, 王爱臣, 王陈, 应义斌
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月15日
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种生物组织光学特性无损检测装置，尤其设及一种基于连续波 的双层瓜果组织光学特性无损检测装置。
【背景技术】
[0002] 光谱分析技术，尤其是可见与近红外波段，在农产品品质分析领域的应用已经十 分广泛，目前主要应用于农产品品质检测，例如瓜果类的糖度、硬度及病变等。但常规光谱 分析技术获得的光谱为光与生物组织相互作用后的所有光信号，无法将吸收特性与散射特 性进行分离，且不具有指纹图谱的特性，在后期分析时只能通过化学计量学与统计学方法 分析建模，有人称此过程为"暗箱"。在光源设计及布置时，也只能通过经验与后期建模效果 来进行对比，过程繁琐且可靠性差。该主要是由于缺乏对光在生物组织中传播的理解及生 物组织光学特性的相关知识。生物组织光学特性在医学领域的研究已经相当深入，通过光 学特性进行疾病诊断已经成为医疗诊断的重要方法之一。但对于农产品光学特性的研究却 鲜有报道。因此，对农产品光学特性的检测，尤其是针对双层组织结构的瓜果类光学特性的 检测，就显得尤为重要。
[0003] 光与生物组织的相互作用主要包括吸收与散射，与之相对应的光学特性参数分别 为吸收系数（y。)、约化散射系数（y/ )。对于农产品诸如瓜果类，光与生物组织的相互 作用主要表现出弱吸收、强散射的特性。福射传输理论（RadiationTransferTheory)能 够较为准确的描述光在生物组织中的传播，但该模型较为复杂，变量较多，不适用于实际应 用。扩散近似理论值ifTusionApproximation)作为福射传输理论的简化，已被证明并广 泛应用于生物组织内光传输的描述。基于扩散近似理论的光学特性检测方法主要有时域方 法、频域方法、空间分辨方法和积分球方法等。其中基于连续波的空间分辨方法能够实现宽 波段检测，较适合于农产品光学特性检测。
[0004][0005] 对于瓜果类农产品，大多属于双层结构组织（果皮、果肉），且果皮和果肉的光学 特性通常存在较大差异。因此有必要对双层结构组织分别测出其光学特性参数。Kienle 等（参见KienleA,等.Noninvasivedeterminationoftheopticalpropertiesof two-layered1:urbidmedia.Appliedoptics,1998,37(4):779_791.)基于扩散近似理 论推导出了用于双层生物组织光学特性参数检测的理论模型，可用于双层生物组织光 学特性参数的反演计算。Cen等（参见CenH,等.Quantificationoftheoptical propertiesoftwo-layerturbidmaterialsusingahyperspectralimaging-based spatially-resolvedtechnique.Appliedoptics, 2009, 48 (29): 5612-5623.)对上述模型 进行了验证及应用，结果表明，在已知第一层光学特性参数及厚度的情况下，反演计算得到 的第二层光学特性参数精度较高，而对双层光学特性参数进行同时反演计算时，精度较差， 误差局达23%。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是克服上述【背景技术】的不足，提供一种基于连续 波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，本实用新型综合了高光谱成像技术、空间分辨 漫反射技术、倾斜反射技术的bliquereflectrometry)及有限元分析方法，可W非侵入的 方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉的吸收系数y。和约化散射系数y/。
[0007] 本实用新型采用了W下技术方案：
[000引一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其特征在于：包括高光 谱成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机、 成像光谱仪及镜头，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源，分别与两个光源禪合的垂 直入射光纤、倾斜入射光纤及光纤固定支架，垂直入射光纤、倾斜入射光纤分别通过固定螺 母垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入射光纤的前侧，光纤固定支架 沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。
[0009] 所述样本输送装置包括电机、联轴器、线性滑轨和托盘；电机通过联轴器与线性滑 轨的转轴连接，托盘固定在线性滑轨的滑块上。
[0010] 所述倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固定螺母将倾斜入射光纤的下端固 定在光纤固定支架上，另一个螺母安装在光纤固定支架的弧形槽内并固定着倾斜入射光 纤的中部，螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹角范围为 15。-75。。
[0011] 所述光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8°。
[0012] 本实用新型的有益效果是；本实用新型提供了一种基于连续波的双层瓜果组织光 学特性无损检测装置，综合了高光谱成像技术、空间分辨漫反射技术、倾斜反射技术及有限 元分析方法，可W非侵入的方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉在宽波段（400-1100nm) 的吸收系数y。和约化散射系数y/。较已有方法具有检测精度高、覆盖波段宽、备样简单、 无损、操作简单的优势，且能够同时实现双层组织的光学特性检测。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型的整体结构图。
[0014] 图2a-l、2a-2是本实用新型的主视及侧视结构示意图。
[0015] 图化是图2a-2中A部的放大示意图。
[0016] 图3是本实用新型的检测流程图。
[0017] 图4是本实用新型的反演算法流程图。
[001引图中：1、CCD相机，2、成像光谱仪，3、镜头，4、一号光源，5、垂直入射光纤，6、二号 光源，7、倾斜入射光纤，8、光纤固定支架，9、固定螺母，10、样本，11、托盘，12、线性滑轨，13、 滑块，14、联轴器，15、电机，8-1、弧形槽，12-1、转轴。
【具体实施方式】
[0019] W下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于W 下实施例。
[0020] 本实用新型所述的基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测方法，综合了高 光谱成像技术、空间分辨漫反射技术、倾斜反射技术及有限元分析方法。其中高光谱成像技 术通过线扫描采集样本的漫反射高光谱图像，该图像由二维数组组成，同时包含了光谱信 息和空间信息；空间分辨漫反射技术则用于通过漫反射光谱在不同位置的变化来反演计算 生物组织的光学特性参数；该方法所用光源包括垂直入射光源与倾斜入射光源两部分，其 中倾斜入射光源用于获取第一层组织的光学特性信息，而垂直入射光源则用于获取第一层 及第二层组织的光学特性信息；有限元方法与反演算法结合，组成反向有限元方法，通过反 演计算得出生物组织的光学特性参数。
[0021] 如图3所示，所述方法包括下列操作步骤：
[0022] (1)用计算机控制位移平台输送样本至光源正下方停止，开启倾斜入射光源，然后 高光谱成像系统通过沿样本运动方向的线扫描获取样本漫反射高光谱图像，此图像由二维 数组组成，包括空间信息和光谱信息。线扫描的位置通过镜头中屯、且沿样本运动方向。由 于倾斜入射光源朝镜头中屯、方向倾斜入射，所采集的图像只包含样本第一层的光学特性信 息；
[002引 似提取步骤（1)中采集的漫反射高光谱图像得到不同波长对应的空间分辨漫反 射光谱，通过反向有限元方法反演计算得到第一层组织被扫描区域的平均吸收系数y和 约化散射系数Ud';
[0024] (3)保持样本位置不动，开启垂直入射光源，高光谱成像系统通过线扫描方式采集 样本的漫反射高光谱图像，得到二维数组（空间信息和光谱信息），此图像包含第一层及第 二层组织的光学特性信息；
[002引 （4)提取步骤做中采集的漫反射高光谱图像得到不同波长对应的空间分辨漫反 射光谱，通过反向有限元方法反演计算得到第二层组织被扫描区域的平均吸收系数y和 约化散射系数y,2'。
[0026] 所述步骤（2)进一步包括下列操作内容：
[0027] (2a)步骤（1)所采集的图像为二维数组，其中一维为光谱信息，另一维为空间信 息。空间分辨漫反射光谱提取时保留所有空间信息，即一个波长提取出一条空间分辨漫反 射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑降噪；
[002引 （2b)如图4所示，反演算法具体包括；有限元方法基于初始光学特性参数值对倾 斜入射光在单层组织内的传输进行仿真得出相应的空间分辨漫反射光谱，将该光谱与高光 谱成像系统采集的空间分辨漫反射光谱进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方 和，并通过非线性偏最小二乘法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条 光谱的差值平方和小于设置的阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得出 对应的吸收系数Ual和约化散射系数yd';
[0029] (2c)依次提取不同波长对应的空间分辨漫反射光谱，重复步骤（2b)， 便可计算出 所有波长下的光学特性参数。
[0030] 所述步骤（4)进一步包括W下操作内容：
[0031] (4a)步骤做所采集的图像为二维数组，其中一维为光谱信息，另一维为空间信 息。空间分辨漫反射光谱提取时保留所有空间信息，即一个波长提取出一条空间分辨漫反 射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑降噪；
[0032] (4b)如图4所示，反演算法具体包括；有限元方法基于初始光学特性参数值对垂 直入射光在双层组织内的传输进行仿真得出相应的空间分辨漫反射光谱，将该光谱与高光 谱成像系统采集的空间分辨漫反射光谱进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方 和，并通过非线性偏最小二乘法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条 光谱的差值平方和小于设置的阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得出 对应的吸收系数和约化散射系数yS2'。
[0033] 所述的有限元仿真，基于W下控制方程和边界条件：
[0034]控制方程；D ▽ 2巫（r)- y a巫（r) = S
[003引 边界条件；0(/) -2乂坊i. VdW/-) =0
[0036] 其中D为扩散系数，
[0037] D = l/(3(iia2+ys2,））
[003引 A与边界处内部反射有关，可通过下式计算：
[0039]A= (1+时/(1-时
[0040] R> -1. 439化-2+0. 709化-1+0. 6681+0. 0636n
[0041] 其中n为折射率。
[0042] 如图1到图化所示，本实用新型所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性 无损装置，包括：高光谱成像系统、光源系统及样本输送装置；
[0043]如图1、图2a-l、图2a-2所示，高光谱成像系统；包括CCD相机1 (与计算机连接）、 成像光谱仪2及镜头3 (竖直朝下布置）；CCD相机1分辨率不低于512巧12像素，光谱覆盖 范围200-1100皿；成像光谱仪2光谱覆盖范围400-1100皿，成像光谱仪2尾端与CCD相机 1相连；镜头3为变焦镜头，焦距范围11-110mm，镜头3与成像光谱仪2前端相连，镜头3前 端到样本被检测位置的距离为11-llOmm，具体根据被检测对象大小而定，须保证线扫描区 域落在样本上；高光谱系统垂直固定在机架（未画出）上。
[0044] 如图2a-l、图2a-2、图化所不，光源系统；包括两个相同的面鹤灯光源（一号光 源4和二号光源6)、垂直入射光纤5、倾斜入射光纤7及光纤固定支架8 ;垂直入射光纤5 与倾斜入射光纤7的一头分别与一号光源4和二号光源6禪合，另一头通过固定螺母9固 定在光纤固定支架8上，其中垂直入射光纤5垂直固定，倾斜入射光纤7倾斜布置；光纤固 定支架8上开有S个圆孔，一个弧形槽8-1，其中两个圆孔用于固定垂直入射光纤5,剩下 的一个圆孔和弧形槽用于固定倾斜入射光纤7(倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固 定螺母将倾斜入射光纤的下端固定，另一个螺母安装在弧形槽8-1内并固定着倾斜入射光 纤的中部），螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹角范围为 15° -75° ;光纤固定支架8沿样本10运动方向布置（即光纤固定支架8与样本运动方向 平行），垂直入射光纤5在前，倾斜入射光纤7在后，即样本运动过程中先到达垂直入射光纤 5正下方，再到达倾斜入射光纤7正下方，垂直入射光纤5与倾斜入射光纤7头部紧贴，两入 射光纤头与样本表面最近距离约为1mm，同时两入射光纤边缘与高光谱成像系统线扫描位 置的最近距离约为1. 5mm;为避免光源系统遮挡高光谱成像系统的视野，光纤固定支架8的 上端偏离镜头3中屯、的方向倾斜，使得光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8° (通常 约为5° )。
[0045] 如图1、图2a-l、图2a-2所示，样本输送装置：包括电机15(与计算机连接并受控 制）、联轴器14、线性滑轨12和托盘11 ;电机15通过联轴器14与线性滑轨12的转轴12-1 连接（转轴为常规的丝杆，与线性滑块螺纹配合），托盘11固定在线性滑轨12的滑块13 上。
[0046] 下面结合图1~图4通过一个具体的实验说明本实用新型的工作过程：
[0047] 本实验W厮澄为样本，厮澄果皮较厚，一般为3~5mm，很难用无损的方法同时测 得果肉和果皮的光学特性参数。本实用新型通过预实验测得W厮澄为检测对象时倾斜入射 光纤7的倾斜角度（与竖直方向的夹角）为55°左右时较为合适，所W将倾斜入射光纤7 的倾斜角度设置为50° ;两盏面鹤灯功率选为50W，入射光纤巧茎选为200um;镜头3焦距 设置为100mm，镜头3与样本10的最近距离为100mm。
[0048] 开启系统，待系统预热5分钟，计算机控制电机15带动线性滑轨12上的滑块13 运动，待样本10厮澄的最高点到达垂直入射光纤5的正下方时停止；开启一号光源6,高 光谱成像系统通过线扫描方式采集获得厮澄在倾斜入射光照射下的漫反射高光谱图像，扫 描完成后关闭一号光源6,该高光谱图像W二维数组的方式存储在计算机中，其中一维为光 谱信息，另一维为空间信息，通过程序对该二维数组进行数据提取，保留所有空间信息，即 一个波长提取出一条空间分辨漫反射光谱，然后将提取出的空间分辨漫反射光谱进行平滑 降噪；如图4所示，将实验得到的空间分布漫反射光谱R。（A)与有限仿真得到的漫反射光 谱Rm(A)进行对比，计算出光谱所有位置纵坐标的差值平方和，并通过非线性偏最小二乘 法进行优化并对初始光学特性参数值进行更新迭代，当两条光谱的差值平方和小于设置的 阔值（根据需要的计算精度和速度确定）时停止计算，得到该波长下第一层组织被扫描区 域的平均吸收系数和约化散射系数yd'，依次提取不同波长对应的空间分辨漫反射 光谱，重复上述步骤，便可计算出所有波长下的第一层组织被扫描区域的光学特性参数；开 启二号光源6,高光谱成像系统采集厮澄在垂直入射光照射下的漫反射高光谱图像，扫描完 成后关闭二号光源6,W同样的反演算法可W获得第二层组织被扫描区域的平均吸收系数 和约化散射系数yS2'，至此，一个厮澄果皮和果肉在被扫描区域的光学特性参数检测 完毕。
[0049] 最后，需要注意的是，W上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新 型不限于W上实施例，还可W有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的 内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其特征在于：包括高光谱 成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机（1)、 成像光谱仪（2)及镜头（3)，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源（4、6)，分别与两个 光源耦合的垂直入射光纤（5)、倾斜入射光纤（7)及光纤固定支架（8)，垂直入射光纤、倾斜 入射光纤分别通过固定螺母（9)垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入 射光纤的前侧，光纤固定支架沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。2. 根据权利要求1所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其 特征在于：所述样本输送装置包括电机（15)、联轴器（14)、线性滑轨（12)和托盘（11);电 机通过联轴器与线性滑轨的转轴（12-1)连接，托盘固定在线性滑轨的滑块（13)上。3. 根据权利要求1或2所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装 置，其特征在于：所述倾斜入射光纤的固定螺母中，其中一个固定螺母将倾斜入射光纤的下 端固定在光纤固定支架上，另一个螺母安装在光纤固定支架的弧形槽（8-1)内并固定着倾 斜入射光纤的中部，螺母可在弧形槽内滑动从而调节倾斜入射光纤与水平面的夹角，该夹 角范围为15° -75°。4. 根据权利要求3所述的一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，其 特征在于：所述光纤固定支架与镜头的轴线的夹角为4~8°。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置。目的是提供的装置可以非侵入的方式实时、无损的获取瓜果果皮与果肉的吸收系数μa和约化散射系数μs’。技术方案是：一种基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测装置，包括高光谱成像系统、光源系统及样本输送装置；其中，高光谱成像系统包括依次连接的CCD相机、成像光谱仪及镜头，镜头竖直朝下布置；光源系统包括两个光源，分别与两个光源耦合的垂直入射光纤、倾斜入射光纤及光纤固定支架，垂直入射光纤、倾斜入射光纤分别通过固定螺母垂直固定在光纤固定支架上，且垂直入射光纤位于倾斜入射光纤的前侧，光纤固定支架沿样本运动方向布置，并与镜头的轴线呈一定夹角。
【IPC分类】G01N21/31
【公开号】CN204705583
【申请号】CN201520226582
【发明人】谢丽娟, 王爱臣, 王陈, 应义斌
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月15日
最新回复(0)