專利名稱：水果的光譜評價的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水果的光譜評價，更具體地說，涉及用于以光譜方法來評價水果特性的一種光學(xué)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種在傳送帶上輸送水果時，用光譜方法評價水果的組件。
背景技術(shù)：
通常，用客觀方法監(jiān)測水果和蔬菜的食用質(zhì)量是破壞性的和緩慢的(例如，擠出汁來測量含糖量)。因此需要能夠快速和不侵入地評價進入新鮮市場渠道或用于處理的新鮮水果和蔬菜的內(nèi)部質(zhì)量的方法。近紅外線光譜分析(NIRS)，核磁共振(NMR)和聲學(xué)方法都可以提供不侵入地評價完整水果的內(nèi)部成分。在上述中，在設(shè)備、應(yīng)用、附件和化學(xué)測量軟件包方面，相對于成本和工作速度，NIRS是最先進的方法。
近紅外線光(NIR)是電磁輻射光譜的一小部分，它起始于高能波，例如X-射線，通過可見光譜，至低能波，例如微波和無線電波。NIR接近光的可見部分，并且是太陽光的一個自然部分。一般，NIR定義為人眼看不見的波長為700～2500納米(nm)的輻射光。
特定的分子可以吸收特定的波長。這個特性在辨識和定量分析給定化合物時是有益的。紫外光和可見光的吸收是與電子在原子或分子內(nèi)的軌道之間的轉(zhuǎn)換相聯(lián)系的。生物材料對紅外線的吸收主要包括N-H，C-H和O-H鍵的旋轉(zhuǎn)和拉伸。這些鍵與對水果質(zhì)量評價要關(guān)注的成分相聯(lián)系，這些成分包括糖分，淀粉，蛋白質(zhì)，類脂體和水。通常，有機化學(xué)家利用紅外線吸收光譜去辨別有機分子。然而，紫外線、可見光和紅外線輻射光對大塊組織的穿透性差。本質(zhì)上說，依賴這種波長的技術(shù)對溶液或表面研究是有用的。電磁光譜的近紅外線區(qū)能較好地穿透大塊的生物材料，并且這個區(qū)還承載對紅外吸收光譜信息的“回音”。然而，在近紅外線區(qū)發(fā)生的第二和第三泛音吸收帶弱且寬，并因此，NIRS相對于其他方法是一個“緩慢的開始者”，只是現(xiàn)在才得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
NIRS技術(shù)已在圓藝學(xué)應(yīng)用中試驗了20多年。然而，近年來纖維光學(xué)，陣列式檢測器，個人計算機的計算能力和能夠進行復(fù)雜的統(tǒng)計數(shù)學(xué)計算的軟件的發(fā)展，使得在排成行的水果包裝中的應(yīng)用成為可能。
過去建議使用反射鏡光譜分析，用一個檢測器觀察水果的照亮的區(qū)域；或是使用部分透射率光譜分析，將檢測器安裝成離開水果一個角度。檢測器通常為一個陣列式光譜分析儀，可進行光譜分析，以確定水果的特性。
過去的建議使用鎢鹵素光源作為NIR的強發(fā)射器或使用發(fā)射NIR的二極管激光器，其波長相對于所關(guān)注的特征的指定波段來選擇。例如，美國專利第5708271號使用NIR激光器，該激光器以不同于0°和180°的角度指向水果中心，并且通常與檢測器和水果中心的線成40°～60°。

發(fā)明內(nèi)容
本質(zhì)上說，本發(fā)明具有使水果通過靠近一個近紅外光源定位的傳感器頭的裝置。該傳感器頭通過光纖與一個光譜分析儀連接，其特征在于，傳感器頭基本上平行于來自光源的光定位，光纖只能探測從內(nèi)部反射或折射的、從水果發(fā)出的光。


現(xiàn)在結(jié)合附圖僅通過示例來說明本發(fā)明的實施例。其中圖1為光學(xué)檢測裝置的一個實施例的簡圖；圖2為光學(xué)檢測裝置的另一實施例的簡圖；圖3為根據(jù)第三實施例的檢測裝置的橫截面圖；以及圖4為圖3所示裝置的平面圖。
具體實施例方式
圖1和圖2示出用于以光譜方法評價甜瓜特性的光學(xué)檢測裝置的二個簡圖。甜瓜放在形成傳送帶一部分的一個盤子上。檢測裝置10安裝在一個支承結(jié)構(gòu)上(沒有示出)，以便當(dāng)甜瓜通過光學(xué)裝置時，該光學(xué)裝置靠近甜瓜的周邊。該光學(xué)裝置具有一個放在拋物線反射鏡12中心上的白熾光源11，即鎢鹵素光源。反射鏡12的口13設(shè)置有一個帶圓形開口的環(huán)形孔15，而反射鏡12的幾何形狀設(shè)計成使光線作為平行光束離開反射鏡12，有效地沿徑向照射在水果上。圓柱體20形式、具有封閉端21和開口22的探針以圓柱體20的開口22距甜瓜四周大約20到30毫米的方式定位。
探針覆蓋在一個適當(dāng)?shù)臒o光澤、黑色的不反光涂層內(nèi)，并包括一個圓柱形腔23。在該腔內(nèi)，在一端安裝反射鏡25，該反射鏡與圓柱體20的軸線成45°延伸。圓柱體的壁設(shè)置有一個小孔26，其中容納光纖電纜(沒有示出)的纖維端30，該光纖電纜向后延伸至光譜分析儀(沒有示出)。在探針的口22具有臺階式凹部32，它裝著一塊平玻璃窗35。該探針的作用是遮住從拋物線反射鏡12出來的一些平行光束，從而在探針下面的水果表面上留下一個陰影。在陰影外面的光作為平行光束照射在水果上，然后隨著其進入水果而被水果內(nèi)部折射和反射。來自陰影區(qū)域的被反射和折射的光線可以在從內(nèi)部反射鏡25的表面反射并傳播以被光纖電纜拾取之后被一個非常靈敏的傳感器采集。
圖2示出了一個類似的光學(xué)裝置，除了平玻璃窗35被一個凸透鏡43代替之外。凸透鏡43的作用是使觀察區(qū)的半徑與從探針到水果表面的距離無關(guān)。在所有其他方面，這個裝置與圖1所示的裝置相同。
由光學(xué)裝置采集的信號可以通向光譜分析儀，該光譜分析儀進行確定水果各種參數(shù)，特別是水果的甜度必需的分析。
由這種改進帶來的一個重要優(yōu)點是通過將每個水果通過該光學(xué)裝置，可以迅速地觀察成批的所有水果。幾年來，公知的是提供一種水果操縱設(shè)備，由此將各種形式的水果單獨地定位在固定到鏈式傳送帶上的安放盤中。通過包含CCD照相機的攝影區(qū)時，水果可以轉(zhuǎn)動。照相機能夠記錄水果的大小，顏色和水果上的瑕疵。這個信息被送至計算機中，計算機協(xié)調(diào)彈出裝置，將水果從傳送帶上彈出，進入按尺寸、重量或顏色分類的儲存箱中。當(dāng)將這種設(shè)備與上述的光學(xué)檢測裝置一起使用時，可以理解到該光學(xué)檢測裝置可安裝在一個包括某種形式的伺服電機控制的裝置上，這樣，可以根據(jù)水果的尺寸，改變探針相對于水果的位置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)20mm是從該光學(xué)裝置的透鏡至水果周邊的最佳距離。為了保證該光學(xué)裝置處在這個最佳距離，計算機將記錄水果的尺寸，并然后指令伺服電機，使探針運動，以保證總是大約20mm的間隙。
然而，應(yīng)當(dāng)理解，有其他的方法可以適應(yīng)水果尺寸的變化，而不需要復(fù)雜的計算機控制的光學(xué)頭的運動。
圖2所示的類似的光學(xué)裝置的優(yōu)點是水果至傳感器的距離不太關(guān)鍵。如果水果尺寸的變化不超過約40mm，則可將該傳感器安裝在固定位置上。
在圖3和圖4所示的第三個實施例中，白熾光源11和拋物線反射鏡12被圍繞檢測裝置50的圓柱體20右手側(cè)上的一個圓弧定位的三個激光器51、52和53代替，如圖4所示那樣。每個激光器51、52和53分別發(fā)出波長為910納米，860納米和758納米的激光束。然而，應(yīng)該理解的是NIR波長可在700～2500納米之間變化。
如圖3所示，光學(xué)檢測裝置50包括帶封閉端21和開口22的圓柱體20。如同在先前實施例中一樣，圓柱體覆蓋在黑色不反光的涂層內(nèi)，且包括圓柱形的腔23。在該腔中，在一端處安裝一反射鏡25，該反射鏡與圓柱體軸線大約成45°延伸。如同在第二實施例中一樣，透鏡54跨過圓柱體的開口端的定位。光纖電纜(未示出)的纖維端30通過一個擰入圓柱體側(cè)面的適當(dāng)?shù)倪B接器58饋入該光學(xué)裝置中。光纖電纜向后延伸至光譜分析儀(未示出)。
如圖3所示，來自三個激光器51、52和53的激光束指向檢測裝置，以在探針下面的水果表面上投下陰影。一些激光束直接與水果接觸。然而，雖然圖中沒有示出，但應(yīng)當(dāng)理解，可以設(shè)置如光學(xué)纖維的裝置，以將從激光器發(fā)出的光的方向控制為與傳感器平行指向水果的平行光束。與水果接觸的光與第一個實施例相同的方式被水果內(nèi)含物折射和反射，然后經(jīng)由反射鏡采集，并通過光纖電纜反射回光譜分析儀。反射鏡25安裝在樞軸螺釘66上，該螺釘可使反射鏡作小角度的調(diào)整，以改變反射鏡對圓柱體軸線的傾斜度。然后第二螺釘61將反射鏡鎖緊在選定位置上。凸透鏡54協(xié)助收集從水果表面反射出來的信號，并將該信號送至反射鏡25上所希望的位置。
該實施例的優(yōu)點是傳感器可以離水果表面更遠，可以構(gòu)想到間隙可以達50mm。這對于當(dāng)傳感器用于針對不同尺寸的水果的高速組件時特別有用。應(yīng)當(dāng)理解，激光器的數(shù)目可以改變，在圍繞傳感器上邊緣的圓弧上可以設(shè)置多于三個激光器。激光器較小，其直徑只有9mm。激光器可以放置在離開傳感器的位置上，且光纖終止在光學(xué)頭上。還應(yīng)理解，根據(jù)用光譜分析評價的水果特性的不同，激光發(fā)出的波長可以改變。
上述的方法和裝置特別適用于以不破壞方式測量水果中的糖分含量的裝置。這種測量技術(shù)的進一步說明可參見下列專利文獻美國專利5708271，5524945和5089701。
權(quán)利要求
1.一種用光譜方法評價水果的裝置，包括定位在近紅外光源附近的傳感器頭，該傳感器頭通過光纖與光譜分析儀連接，該傳感器頭布置成靠近水果的周邊定位，其特征在于，傳感器頭基本上與從光源發(fā)出的光平行定位，由此光纖僅檢測從水果發(fā)出的、被內(nèi)部反射或折射的光。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，光源包括定位在拋物線反射鏡前面的白熾光源，從而在使用時發(fā)出的光是平行光束，并且該傳感器頭在水果上投下一個陰影。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，光源包括多個激光器，該激光器或是靠近傳感器定位，或是與靠近傳感器頭終止的光纖連接。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，激光器為將光束與傳感器頭平行指向的準直光學(xué)儀器。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，激光器定位成使激光束從傳感器頭反射，在水果上形成一個陰影。
6.如權(quán)利要求3～5中任一項所述的裝置，其特征在于，從每個激光器發(fā)出的光束波長不同。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，激光束的波長在700～2500納米(mm)范圍內(nèi)變化。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，使用三個激光器，激光束的波長分別為910納米，860納米和758納米。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，傳感器頭為小開口端圓柱體形式，該圓柱體的開口端靠近水果的周邊定位，該圓柱體包含一個反射鏡，使得從水果上的陰影發(fā)出的光被反射鏡反射，以由光學(xué)纖維傳送至相應(yīng)的光譜分析儀。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，適當(dāng)構(gòu)型的透鏡橫跨圓柱體的開口端定位。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，包括支承水果、使水果靠近傳感器頭通過傳感器頭的傳送裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，水果周邊與圓柱體開口端之間的間隔在20和50mm之間。
13.一種用光譜方法評價水果的方法，包括使水果通過鄰近近紅外光源的傳感器頭，該傳感器頭通過光纖與光譜分析儀連接，其特征在于，該方法包括以下步驟使傳感器頭基本上與來自光源的光平行地定位；只將水果發(fā)出的、內(nèi)部反射或折射的光通過光纖傳送至光譜分析儀，并進行光的光譜分析。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括將水果放在傳送帶上，并將傳感器頭安裝在靠近水果周邊的上面。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，包括將傳感器頭定位在光源的前面，以在水果上投下一個陰影；以及對從陰影發(fā)出的光進行光譜分析。
全文摘要
一種用光譜方法評價水果的裝置，它包括一個放置在近紅外光源(11)附近的傳感器頭(10)。該傳感器頭通過光纖(30)與光譜分析儀連接。該靠近水果周邊定位的傳感器頭基本上與從光源發(fā)出的光平行，因此，光纖只能探測內(nèi)部反射或折射的、從水果發(fā)出的光。
文檔編號G01N21/35GK1419650SQ01806139
公開日2003年5月21日 申請日期2001年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月7日
發(fā)明者彼得·G·布朗, 科林·V·格林西爾, 克里·B·沃爾什 申請人:色視覺系統(tǒng)有限公司, 昆士蘭中心大學(xué)