專利名稱：用可見光/近紅外光譜測量和相關(guān)水果特性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及把可見光和近紅外線光譜組合在一種裝置內(nèi)的應(yīng)用，如測量物理參數(shù)，例如堅固性、密度和內(nèi)部及外部的不規(guī)則性，和化學(xué)參數(shù)，例如水果中包含O-H，N-H和C-H化學(xué)鍵的分子，以及把測量結(jié)果與水果質(zhì)量和成熟度特性相關(guān)的方法，后者包括白利糖度、密度，pH，堅固度，顏色和對預(yù)期消費者好的內(nèi)部和外部缺陷，包括味覺愛好和外觀，以及收獲、儲存及運輸?shù)淖償?shù)。用本發(fā)明的裝置和方法，照射樣品(例如包括蘋果類的水果)的內(nèi)部，檢測和測量樣品的吸收和散射光譜，確定對滿足吸收和散射光譜與樣品特性(例如水果質(zhì)量和成熟度特性)之間相關(guān)關(guān)系的樣品等級的預(yù)測、校準和分類算法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的主要點體現(xiàn)在組合可見光和近紅外光儀和它的應(yīng)用模式，主要表現(xiàn)在把近紅外用于測量含O-H，N-H和C-H鍵的分子，它們是包括水果質(zhì)量，特別是果樹果實質(zhì)量的樣品質(zhì)量的指示器。近紅外分光儀背景自1970年起近紅外分光儀就已用于低含水量食品的成份分析。但是，只是近10-15年，近紅外分光儀才成功地應(yīng)用于高含水量產(chǎn)品，例如水果。近紅外是振動分光儀的一種形式，它對含C-H(炭-氫)，O-H(氧-氫)，和N-H(氮-氫)組的分子特別檢測。因此，像糖和淀粉(C-H)，水份，酒精和酸(O-H)，和蛋白質(zhì)(N-H)等組分可定量測定其液體，固體和稀漿。此外，氣體分析(例如水蒸氣，氨)是可能的。近紅外不是痕跡分析技術(shù)，它通常用來測量存在濃度高于0.1％的成份。
短波近紅外與長波近紅外習(xí)慣上，近紅外為電磁頻譜的1100-2500nm區(qū)間，但是，700-1100nm的區(qū)間(短波近紅外或SW-NIR)已更引人注意。SW-NIR區(qū)間對在線和現(xiàn)場物體的組份分析有數(shù)多優(yōu)點。近紅外(NIR)的這一部分易于由低價格、高性能的硅探測器和光纖來探得。此外，高強度激光二極管和低價格光輻射二極管在各種NIR波長輸出中變得更加有用。
在SW-NIR區(qū)較低的消光(光吸收)系數(shù)產(chǎn)生吸收與分析濃度的線性關(guān)系，并準許使用長和方便的通道長度。SW-NIR的滲透深度也比更長波長的NIR大，準許“體”材料的比較足夠的取樣，當(dāng)要分析的樣品是非均勻時(例如水果)，這一點特別重要。
散射的反射取樣與傳輸取樣常規(guī)的NIR分析使用散射的反射取樣。這一取樣模式對具有高光散射的樣品或不能實際使用傳輸分光儀的樣品是合適的。散射的反射光是進入樣品，經(jīng)多次散射，并從表面以雜亂的方向發(fā)出的光。進入樣品的一部分光也被吸收，光的滲透深度與樣品的特性緊密相關(guān)，且經(jīng)常受樣品中顆粒的大小和樣品密度的影響。此外，散射反射偏離于樣品表面，并對大的、不均勻的樣品(例如蘋果)不提供有代表性的數(shù)據(jù)。
傳輸取樣典型地用于透明溶液分析的同時，它也能用于探詢固體樣品。傳輸測量通常是用探測器直接對著光源(亦即從180°方向)來進行的，樣品置于中間。另外，探測器也可置于接近光源(小于180°角方向)的地方，它通常必須提供比較容易檢測的光電平。因為對于大多數(shù)水平的長樣品通道和高光散射特性，除非采用專門的方法來改善信噪比，傳輸測量只能在SW-NIR波長區(qū)進行。
NIR校準NIR分析大部分是經(jīng)驗方法；光譜線很難分配，分光儀通常在高光散射的樣品中使用，那里不遵守Beer’s定律。因此，通常使用統(tǒng)計校準技術(shù)來確定在分析組分(或樣品特性)與儀器響應(yīng)之間是否有相互關(guān)系。為了揭露這一關(guān)系，需要一組有代表性的“訓(xùn)練”或校準樣品。這些樣品必須覆蓋未來要用該儀器觀測的所有樣品的化學(xué)和物理特性的范圍。
校準從收集每個樣品的光譜開始，然后對所有感興趣分析的組分值用具有最佳精度和準度的參考方法來獲得。注意到用統(tǒng)計相關(guān)技術(shù)發(fā)展起來的定量光譜法并不優(yōu)于參考方法這一點很重要。
在收集數(shù)據(jù)之后，開發(fā)采用統(tǒng)計技術(shù)的的計算機模型，它把NIR光譜與測量的組分值或性能聯(lián)系起來。這些標準模型可以推廣，且必須用一般的測試方法周期性更新和和驗證。
影響校準的因子包括水平的類型和可變性，季節(jié)和地理的差別，和是否是新鮮或經(jīng)冷藏或其它儲存。校準變量包括特定的性能或要測量的化學(xué)成份和密度或性能電平。組間相關(guān)(同線性)應(yīng)在校準樣品中減創(chuàng)最小，以避免例如預(yù)測模型的錯誤判譯。同線性發(fā)生在當(dāng)兩種成份的密度相關(guān)時，例如，當(dāng)一種成份高時，另一種成份總是低，或反之亦然存在的逆相關(guān)關(guān)系。
NIR對果樹果實的應(yīng)用和現(xiàn)有的在線NIR儀對NIR的果樹果實的分析存在研究的生長體。NIR已用于測量果汁，鮮度和整個果實。在果汁中，單糖(蔗糖，葡萄糖，果糖)和總酸度可以量化為高相關(guān)(＞95)和可接受的誤差。在整個水果中，單糖不是容易測量的。白利糖度是整個水果中最成功能測量的NIR參數(shù)，且通?？色@得±1.5-1.0白利糖度的誤差。最新研究結(jié)果表明，整個水果堅固性和酸性測量也是可能的。
只有日本有在線MIR水果分類的大規(guī)模推廣應(yīng)用。這些儀器在測量之前需要人工放置/指向水果，且早期的版本局限于測量每秒三個樣品的速率。日本的NIR儀也局限于水果的單通道，很難適應(yīng)美國用的多道分類儀。而早期的日本NIR儀采用反射取樣，比較新的儀器用傳輸取樣。
在Koashi等的美國專利NO.4,883,953中，有描述測量液體中糖濃度的方法的裝置。測量是在兩個不同的深度用弱和強紅外輻射進行的。在這兩個深度之間的糖水平能被測定。這種方法和裝置使用950-1,150nm，1,150-1,300nm，和1,300-1,450nm的波段。
美國專利NO,5,089,701(DU11)用在800-1,050nm波長范圍，MIR輻射來證明在香密瓜內(nèi)的可溶性固體測量。因為有厚的外殼，照射水果光的位置與收集光的位置需8厘米或更大。
Iwamoto等人的美國專利NO.5,324,945也使用NIR輻射來預(yù)測柑橘的糖含量。Iwamoto利用傳輸測量結(jié)構(gòu)，光通過整個水果樣品，并相對于光輸入角180°的角度檢測。中等皮厚的水果(柑橘)用來證明這一方法，它依賴于水果的直徑用在844nm的標準(刻度)光譜來校正。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，它與糖含量的相關(guān)關(guān)系最低，發(fā)現(xiàn)在914-919nm范圍的NIR波長與糖含量有最高的相關(guān)關(guān)系。加入多回歸分析方法用于把MIR光譜與糖含量相關(guān)的第二，第三和第四波長是769-720nm，745nm，和785-786nm。
在美國專利NO.5,708,271中，Ito等人顯示了用三個在860-960nm范圍內(nèi)不同NIR波長的糖含量測量裝置。光發(fā)射和收集之間的角度在0-180°之間可變，并得出結(jié)論，當(dāng)光探測器相對于輻射源180°放置時，必須被檢測的低NIR輻射水平是不希望的，因為它需要比較復(fù)雜的方法和設(shè)備。NIR吸收與香瓜和西瓜的糖含量的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)中等角度探測時被發(fā)現(xiàn)，它能給出更大的NIR輻射強度。用這種方法無尺寸相關(guān)。
美國專利NO.4,883,953(Koashi等)用較長波長的NIR(亦即＞950nm)輻射，而在美國專利MO.5,089,701(Dull)和5,708,271(Ito)中，分別采用關(guān)于800nm和860nm的NIR波長輻射，在美國專利NO.5,324,945中，當(dāng)水果分別沿著平分球體的園或等軸部分測量時，與柑橘糖含量具有最高相關(guān)系數(shù)的MIR波長是914nm或919nm。所有這些方法都用近紅外波長與整個水果的糖含量相關(guān)，沒有其它質(zhì)量參數(shù)用這些技術(shù)測量。
這四種公開的專利與這里描述的裝置方法相似，本發(fā)明也是測量糖含量的。專利中的兩種(No.5,089,701和No.5,324,945)，NIR波長小于850nm，No.5,089,701揭示了本發(fā)明在“約800nm至約1050nm”范圍內(nèi)的工作，No.5,324,945列出了914nm或919nm作為與整個水果糖含量相關(guān)的基本分析波長；多線性回歸用于把如下依次的波長加入模型中769-770nm(加入的第二波長)，745nm(加入的第三波長)，和785-786(加入的第四波長)。在專利No.5,089,701中，把第四波長加入模型中只減少預(yù)測的標準差(SEP)0.1-0.2白利糖度，它接近或小于確定基準(“真”)白利糖度值的折光儀的誤差范圍。
描述于此的裝置和方法與上面提到的四個專利之間的其它相似處包括利用多變量統(tǒng)計分析來建立近紅外光譜數(shù)據(jù)與整個水果糖含量的相關(guān)關(guān)系。大多數(shù)也采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如二次導(dǎo)數(shù)變換和某種類型的光譜歸一化。所有這些把NIR光譜與化學(xué)或物理性能聯(lián)系起來的方法，對NIR分光儀的業(yè)內(nèi)人士來說都是熟知的技術(shù)。
以前的專利和發(fā)表的文章，根據(jù)37CFR 1.97在此提供在信息披露說明中。

發(fā)明內(nèi)容
全世界各研究小組繼續(xù)探索近紅外光譜儀對果樹果實的應(yīng)用。這里發(fā)明的裝置和方法是用近紅外光譜儀無損確定或預(yù)測含O-H，N-H和C-H的分子，它是樣品質(zhì)量的指示器，包括像蘋果，櫻桃，橙子，葡萄，西紅柿，谷物，和其它這種樣品。先前的技術(shù)利用745nm以上的光譜。本發(fā)明是1)利用從250nm至1150nm的光譜測量或預(yù)報一個或多個參數(shù)，例如白利糖度，堅固度，酸度，密度，pH，顏色和外部與內(nèi)部的缺陷和不規(guī)則性，例如包括表面和次表面的損傷，結(jié)疤，曬傷，水，內(nèi)部變黑；2)照射樣品內(nèi)部和檢測從暴露在至少一個上面提到的光譜范圍內(nèi)的樣品輻射光的裝置和方法，在優(yōu)選例中，至少兩個光譜范圍250至499nm和500至1150nm；3)應(yīng)用峰值在680nm的葉綠素吸收波段，組合700nm以上的光譜來預(yù)報上述一個或多個參數(shù)；4)利用可見色素區(qū)包括葉黃素，約從250nm至499nm和花青素，約從500至550nm，組合葉綠素波段和700nm以上的光譜來預(yù)報所有上面的參數(shù)。
先前的技術(shù)僅僅利用預(yù)測白利糖度的水果光譜。本發(fā)明用組合可見光和近紅外波長區(qū)更大的光譜來預(yù)測上面提到的特性。本發(fā)明的裝置和方法消除了在特定光譜區(qū)內(nèi)光譜探測器的飽和問題，而同時獲得檢測中其它光譜區(qū)的數(shù)據(jù)，特別是水果檢測中。這就是說，用CCD(電荷耦合器件)陣列或PDA(光二極管陣)探測器將探測250至1150nm區(qū)的光，但當(dāng)探測從水果中出來的光譜在某些區(qū)域飽和，例如700至925nm，在其它區(qū)域信雜比(S/N)不能滿足要求，且不能用于定量，例如250至699nm和高于925nm時，會妨礙關(guān)于上面提到的參數(shù)的附加信息的獲得。于是，本發(fā)明的裝置和方法準許1)單通道多光譜自動測量或在單通道或單次測量期間，一次測量多個光譜范圍，2)組合多于一個的探測光譜范圍，3)用存儲的校準算法比較組合光譜，4)預(yù)報上面提到的參數(shù)。
在本發(fā)明的裝置和方法中的每一種情況下，都有不同譜段的二個或多個水果光譜接收，這是這樣完成的1)連續(xù)地用不同光源強度或用一個光譜儀不同探測器/光譜儀曝光時間收集不同光譜區(qū)的數(shù)據(jù)；2)用不同的光強度多個光譜儀并行接收數(shù)據(jù)，例如，用改變燈源的輸入電壓，或?qū)庾V儀不同的曝光時間；但是，不同的曝光時間導(dǎo)致取樣誤差，特別是樣品正在移動的地方，例如，在流水線中，由于要觀測樣品不同的區(qū)域；3)用同一曝光時間的多個光譜儀，不變燈強度的二個或多個光探測器，包括中性密度濾光探測器(其中濾光探測器給出與較短曝光時間相同的效果)。這種方法提供二個或多個對單光源強度所有波長強度好的信雜比的光譜，且對所有光譜儀探測器有相同的曝光時間。這種方法至少使用一個濾光輸入82到光譜儀170的濾光探測器，而不是不同的曝光時間。濾光器可以是在任何光譜儀所用波長范圍內(nèi)等強度吸收光譜的材料，包括但不限于中性密度濾光器，Spectralon，特氟論，乳化玻璃，屏。用兩個不同燈電壓的雙強度法證明是有問題的，因為高和低強度的光譜由于光譜中斜率不同不易組合到一起。雙曝光法產(chǎn)生特別好的組合光譜，它對堅固度和其它特性的預(yù)測和改善白利糖度測量精度是需要的。
用本發(fā)明的裝置和方法的測量被公開了，它同時在多個樣品類型中進行，例如樣品是蘋果，測量與特定的栽培品種無關(guān)，用單個校準方程，誤差為1-2分貝和±0.5-1.0白利糖度。本發(fā)明適合于實驗室，可移動和在線NIR分析儀，用于同時測量多個包括蘋果樣品的質(zhì)量參數(shù)。根據(jù)要預(yù)測或測量的特定特性和應(yīng)用，可使用各種變化的校準模型，從通用的到高度專用的，例如校準可專用于變體，不同的地理位置，儲存的水果對新鮮的水果和其它校準。
本發(fā)明是更大作用的NIR技術(shù)，該技術(shù)將作為包括水果質(zhì)量的樣品質(zhì)量分級的工具。NIR提取非化學(xué)“性能”的統(tǒng)計校準技術(shù)的主要能力為開發(fā)對果樹果實通用的NIR“質(zhì)量指數(shù)”提供了技術(shù)。這種通用的“質(zhì)量指數(shù)”把所有能從NIR光譜中提取的信息組合起來，并包括關(guān)于白利糖度，酸度，密度，pH，顏色和外部與內(nèi)部不規(guī)則性和缺陷的信息。
低于745nm的近紅外波長區(qū)，在以前的研究中尚未被開發(fā)。一般，先前的技術(shù)設(shè)計和/或所用的裝置是這樣較長的波長區(qū)提供適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。用近紅外光譜儀測量液體中和整個水果中糖含量的先前技術(shù)是利用較長的輻射波長。沒有測量其它重要質(zhì)量參數(shù)，如堅固度，酸度，密度，和pH的先前技術(shù)，也沒有把消費者味覺受好與組合的NIR確定多個質(zhì)量參數(shù)，如糖度，酸度，pH，堅固度，顏色，和內(nèi)部與我部缺陷和不規(guī)則性相關(guān)聯(lián)的先前技術(shù)。
本專利將表明，從250-1150nm的波長區(qū)能用于無損測量，不僅對各種整個水果的糖含量(白利糖度)進行測量，而且也對堅固度，密度，酸度，pH，顏色和內(nèi)部及外部的缺陷進行測量。例如，測量橙子的密度并與質(zhì)量相關(guān)，例如凍壞的水果和干果比好水果典型地具有較低的密度和較低的含水量(亦即更大的干物質(zhì)含量)。NIR密度測量可用來把低質(zhì)量的水果從分類/包裝線上或在超市上拿走。關(guān)于顏色色素和葉綠素的信息，與品質(zhì)和質(zhì)量有關(guān)，從250至約699nm獲得。從約700-1150nm，短波長NIR區(qū)，可獲得C-H，N-H，O-H信息。組合可見光和NIR區(qū)，給出更多的分析能力來預(yù)告水果的化學(xué)，物理和消費者性能。所有這些參數(shù)可以同時從組合的可見光/NIR光譜確定。多個參數(shù)能組合起來以達到“質(zhì)量指數(shù)”，它是比單參數(shù)更好的品質(zhì)或質(zhì)量的測量。
被整個水果在約256-699nm區(qū)的光吸收是由色素主控的，包括葉綠素(綠色色素)，它吸收在約600-699nm區(qū)。葉綠素由一組葉綠-蛋白質(zhì)合成。在這些葉綠素-蛋白質(zhì)合成中的改變和在其它包料中的改變，最值得注意的花青素(紅色色素)和葉黃素(黃色色素)與熟化和催熟過程有關(guān)。葉綠素和色素對確定堅固度很重要。
700-925nm和更長的NIR波長容易地為普通近紅外光譜儀采用時，由于下列理由，更短波長還沒有開發(fā)1)鉛鹽和其它類型的探測器，例如InGaAs(砷綠銦)，對較短的波長不檢測；2)光衍射光柵在較長波長放光，在較短波長效率很低；3)在較短波長光源沒有足夠能量輸出，以克服強的光吸收和生物(植物和動物)材料在可見光區(qū)(250-699nm)的散射。
本發(fā)明是一種測量裝置和方法，用可見光/近紅外(VIS/NIR)分光鏡技術(shù)測量糖含量(也稱為白利糖度或可溶性固體，它與干物質(zhì)含量呈反比關(guān)系)，堅固度，酸性，密度，pH，顏色和內(nèi)部及外部的缺陷和不規(guī)則性。該設(shè)備和方法成功地測量一個或更多個在蘋果，葡萄，橙子，土豆和櫻桃中的這些特性。本發(fā)明證明了組合化學(xué)和物理特性數(shù)據(jù)預(yù)告消費者特性的能力，如味覺，外觀和顏色；收獲變數(shù)，如收獲的時間；和儲存變數(shù)，如堅固度保持和直至變壞的時間的預(yù)測。


本發(fā)明的前面和其它特性優(yōu)點，借助于參考下面的優(yōu)選例和附加例，并結(jié)合相應(yīng)的附圖將變得比較容易理解，其中圖1是測量和相關(guān)水果與組合可見光和近紅外光譜特性的裝置頂視圖，表示本發(fā)明的一個實施例，圖示一個樣品座，具有固緊或彈簧位移的特件對支撐物加力，表示于此的基本上是半球，與有樣品表面的樣品接觸，并防止樣品運動，表示的樣品是一個蘋果，具有光探測器固緊或彈簧位移的物件放置或支撐光探測器與樣品表面接觸，光源最接近樣品表面，光源位置相對于光檢測器在0和90度之間，例如典型地為45°。光源和光探測器的指向通常垂直于樣品表面。光源可以是，例如，鎢/鹵燈。一個選擇的濾光器或作為保溫功能的濾光器，帶通和/或截止濾光器可放在光源與樣品之間，或樣品與光譜儀之間。光源可以是，例如但不限于來自光譜儀的5瓦燈源或一個或多個外部光源，它們由CPU控制，功率高至每個1000瓦，但比較典型的是50瓦，75瓦或150瓦。從光檢測器的輸出，表示在此的是光纖傳感器，變成在光譜儀內(nèi)的光探測器(如CCD陣)的輸入。樣品座、光探測器堅固件和具有光源堅固件的光源固定在平板或其它固定物上。其它固定件可用于固緊或放置在測量期間只需要保持相對于光源和光探測器位置的樣品。
圖1A是圖1的側(cè)視圖部分。
圖1B是圖1的側(cè)視圖部分，表示無樣品的光源堅固件。
圖1C是流程圖，表示本發(fā)明的方法。該流程圖代表了本發(fā)明的所有實施例。
圖1D是流程圖，表示本裝置和方法，說明照射樣品的光源，來自樣品的光譜光收集通道1…n(光探測器1…n)，作為供給光譜測量設(shè)備的輸入，這里表示的是光譜儀1…n。光譜儀1…n的通道輸出1…n被模-數(shù)變換，并變成對每個通道的CPU輸入。CPU是每一步控制的計算機程序，在本流程圖中的CPU說明代表控制活動的計算機程序。CPU輸出也是對每個通道1…n的，其中步驟1)計算對每個通道1…n發(fā)生的吸收光譜，2)把吸收光譜組合到從樣品由光譜儀1…n探測的整個波長范圍。3)數(shù)學(xué)處理，例如平滑或箱車平滑或計算偏差，4)用儲存的校準光譜對每個檢查的樣品特征1…x比較處理的組合光譜，5)分類決定根據(jù)步驟(4)的結(jié)果做出，或6)進一步組合和比較檢查樣品的每一個特征1…x的量化結(jié)果。吸收的計算如下一旦收集了黑光譜，基準光譜和樣品光譜，對它們進行處理以計算吸收光譜，Beer’s定律表明它們正比于濃度。可能包括背景/環(huán)境光的黑光譜從樣品光譜和基準光譜中減去，然后計算基準光譜以10為底的對數(shù)被樣品光譜除，這就是吸收光譜。注意，黑光譜和基準光譜可周期性地收集，亦即它們并不需要按每個樣品光譜來收集。如果光源和探測器是穩(wěn)定的并無漂移，則可應(yīng)用儲存的黑和基準光譜。預(yù)處理是業(yè)內(nèi)人士熟知的技術(shù)，如重新分級，平滑，波長比，取微分，光譜歸一化，波長減等等。然后把處理的吸收光譜與儲存的校準算法比較，以產(chǎn)生代表一個或多個特征的輸出，例如樣品30的堅固度，白利糖度，pH，酸度，密度，顏色，和內(nèi)部及外部缺陷或酸度。
圖1E是流程圖，表示本裝置和方法，說明作為寬頻帶源的光源，例如鎢/鹵燈，它照射樣品；至少一個，但在優(yōu)先例中有多個，離散波長濾波(帶通)的照相探測器提供對來自樣品光譜的光收集通道1…n的光譜探測。被探測的光譜的管理如圖1D所示。
圖1F是流程圖，表示本發(fā)明的裝置和方法，說明由離散波長光輻射二極管(LED)提供的光源，它可以依次點亮來照射樣品；至少一個寬波段照相探測器和在另一個例子中至少對每個LED一個寬頻帶照相探測器提供對來自樣品光譜的光收集通道1…n的光譜探測(照相探測器1…n)。被探測的光譜的管理描述于圖1D中。這一例中的另一種光源包括，但不限于可調(diào)諧二極管激光器，激光器二極管和在光源與樣品之間或樣品與照相探測器之間的濾波器輪的應(yīng)用。
圖2是表示至少一個光源的頂視圖，圖中示出了單個光源，選擇濾波器和至少一個光探測器，一組最接近樣品的表面的光探測器。這一圖表示光探測器相對于投射在樣品表面的光方向的指向。有一個光探測器的指向約與光源投射光方向成45度，第二個光探測器的指向約為180度。在這一圖中，光探測器處于與從光源來的共同一平面。光探測器的輸出作為供給光譜儀的輸入示出。該輸出可組合起來，以提供單個輸入給單個光譜測量和探測儀或可以分別的形式輸入分別的光譜儀。對于單個測量儀的情況，可以使用快門且交互激活以分別依次提供來自每一測量位置的光輸入，于是產(chǎn)生兩個來自樣品不同深度或位置的光譜。
圖2A是圖2的截面圖，樣品已移走。
圖2B是頂視圖，表示單光源，具有選擇濾波器和多個光探測器，它們接近和指向照射的樣品表面，表示兩個光探測器都從相對于光源投射光方向約45度的指向。在這一圖中，光探測器指向同一平面，它垂直于由光源投射的光。
圖2C是圖2B的仰視圖。
圖2D是圖2C的截面圖，表示屏蔽方法或裝置，例如以波紋管或其它屏蔽物的形式屏蔽光探測器，避免環(huán)境光并定向光探測器探測從樣品輸出的光譜。
圖2E是圖2的光探測器與樣品之間屏蔽設(shè)備的細節(jié)，在這一圖中表示的波紋管式的屏蔽。其它屏蔽裝置和方法將提供同樣的屏蔽結(jié)構(gòu)。
圖3是表示光源和光探測器結(jié)構(gòu)的另一實施例的頂視圖，其中光源由光纖從照射源連通，例如像光譜儀中的燈；光探測器由光檢測器提供，例如光纖或其它傳輸裝置，以各種與光源的相互關(guān)系定位。
圖3A是圖3的截面，表示光源120或燈123由光源光纖從光源120或燈123傳輸?shù)膶嵤├?，光源至少與一個探測光纖或光探測器80同心，光源和光探測器可以如圖1所示。另一種光源可以由作為一組光源表示在此的至少一個光源提供。它可以依次點亮輻射二極管輻射離散的波長；在采用LED的地方，光檢測器或光探測器可以是寬頻帶光電二極管探測器，其中心為共心定位的LED。圖3A表示光源或燈(和可替換LED)圍繞寬頻帶光探測器(和可替換寬頻帶光敏二極管探測器255)同心放置時，將認識到本例的這種光源，以及其它例的光源120/LED 257可用其它布置來代替。這兩種和其它結(jié)構(gòu)也適合濾波光敏探測器255和寬頻帶燈123設(shè)計的應(yīng)用。
圖3B是圖3的截面，表示光探測器或光探測器光纖圍繞至少一個光源或光源光纖的例子。光源和光探測器可以如圖1所示?？梢蕴峁┝硪环N光源和光探測。在本例中，中心放置的光源可以是燈或從光譜儀的光發(fā)射；光探測可以是在光纖與燈之間有離散帶寬濾波器的光纖傳輸，限制由任何單個或一組光纖的傳輸。可替換的是，光源供給和探測可以是分路反射探針；反射探針可提供一個或多個光供給源和一個或多個光探測器，它對一個或多個光譜儀提供輸入。
圖4是頂視面，表示另一種光源和光探測器結(jié)構(gòu)的實施例，那里至少一個，本例中是兩個，光源由光纖從照射源連通，例如像光譜儀中的燈或由計算機控制的外部燈；光探測由光檢測器提供，例如光纖或其它傳輸手段，以各種對光源的相互關(guān)系放置，探測來自樣品的輸出，并提供對光譜儀的輸入。
圖5是頂視圖，表示本發(fā)明手持情況的另一種實施例，光源和光探測器放置在取樣頭中。在本例中，取樣頭中至少有一個光源，它可以是鎢/鹵燈，相對于離散波長濾波光敏探測器放置。需要屏蔽光敏探測器避免光源和環(huán)境光的方法或技術(shù)，圖中示出了例如，由柔性或可壓縮的泡沫塑料、波紋管和其它這燈材料或結(jié)構(gòu)提供的環(huán)境屏蔽。在這一圖中，取樣頭這樣布置，使光敏探測器布成相對于光源共心的陣。光源可由光纖從照射源連通，例如箱內(nèi)的燈或在取樣頭內(nèi)放置的燈，例如寬頻帶輸出燈，例如鎢鹵燈，它們放在共心光敏探測器陣的中心。光源可與樣品表面接觸或最近樣品表面。在光源與光探測器和計算機處理器之間的實施電連通。滿足光譜儀或光譜測量功能的光敏探測器，為儲存校準算法的微處理機的處理提供輸入，以產(chǎn)生代表一個或多個樣品參數(shù)的輸出。本例的工作可見圖1E，其中所有部件部封裝在箱250內(nèi)。
圖5A是圖5的側(cè)視圖，表示裝在樣品頭上的樣品。
圖5B是圖5例的說明，其中聯(lián)樣頭260以夾子263的形式，它至少有兩個夾子爪266，接收和堅固至少一個燈123在至少一個夾爪結(jié)構(gòu)內(nèi)，且至少一個光探測器80在至少一個夾爪結(jié)構(gòu)266內(nèi)，當(dāng)夾子263閉合時，夾爪266接收樣品30。把它放置在至少有一個燈123和至少有一個光探測器80最接近樣品的表面35的地方。光探測器80作為光纖示出，它把來自樣品的光譜傳至濾波陣130，光敏探測器255或光譜儀170傳輸光譜。輸出82將如圖1D或1E所示管理。
圖5C是圖5濾波130光敏探測器255陣的截面圖。由光纖80從樣品探測的光譜這樣傳輸，使光纖在濾波130光敏探測器255陣共心的中心。定位結(jié)構(gòu)79堅固和相對于濾波130光敏探測器255放置光探測器。
圖5D是圖5例的說明，其中取樣頭260在至少有兩個夾爪266的夾子263中，該夾子接收和堅固至少一個燈123在至少一個夾爪266內(nèi)，和至少一個弧形光敏探測器陣90在至少一個夾爪266內(nèi)，這樣，當(dāng)夾子266閉合時，夾爪266接收樣品30，放置在至少一個燈123和至少一個弧形光敏探測器陣90最接近樣品表面35的地方，弧形光敏探測器陣90作為濾波130光敏探測器255陣示出。當(dāng)接收樣品時，該陣將與燈等距離。輸出82將如圖1D或1E所示管理。
圖5E是圖5D的光敏探測器陣的截面圖。
圖6是頂視圖，表示本發(fā)明手持情況的附加例，以取樣頭的形式示出光源和光探測器結(jié)構(gòu)。在這一例中，取樣頭中至少一個光源相對于至少一個光敏探測器放置。需要屏蔽光源和光探測器或光敏探測器避免環(huán)境光的方法或技術(shù)，作為環(huán)境屏蔽，例如，示出了由柔性或可壓縮泡沫塑料，波放管，如圖2D和2E結(jié)構(gòu)所示出，和其它同樣認可作為提供這種屏蔽結(jié)構(gòu)的物體所提供的屏蔽。在這一圖中，取樣頭這樣布置，使至少一個光探測器或光敏探測器位于離散波長光輻射二極管同心陣的中心。在本例中，光輻射二極管滿足光源的功能，并依次點亮，輸出光譜由至少一個光探測器或光敏探測器探測。這一實施例的工作可見圖1F，其中所有部件封裝在箱250中。
圖6A是圖6取樣頭的截面圖，表示環(huán)境屏蔽，光輻射二極管和光敏探測器或由附加特固定在取樣頭內(nèi)的光探測器。也示出了從光探測器的輸出。
圖6B是代表本發(fā)明和圖6例的附加例的仰視圖，其中取樣頭固定在盒子里，光探測器由附加物固定在取樣頭內(nèi)，取樣頭接收樣品，放置在由光源燈照射的地方。本例表示盒子有蓋，作為環(huán)境屏蔽。此外，最簡單的取樣頭結(jié)構(gòu)可以是可壓縮或柔性泡沫塑料或波紋管，它提供能屏蔽環(huán)境的結(jié)構(gòu)。光源輸入例如可來自光譜儀，從光敏探測器的輸出可輸入到光譜測量儀，如有探測器的光譜儀。
圖6C是圖6B例的平面圖，表示一組光探測器，示在這里作為光纖光探測器。在這一圖中示出的是兩個光探測器。其中一個最接近光源，另一個在光源的遠端，其目的是為提供兩個不同的路徑長度，淺的和深的，借助于取遠端或深的光譜與近的或淺的光譜之差，可獲得更高精度的數(shù)據(jù)。這種差分方法提供路徑長度校正，以改善濃度或性能或樣品特征的預(yù)測。
圖6D是圖6B的截面細節(jié)圖，表示光源，燈，光源固定物，盒子，取樣頭，最接近和遠離光源的光探測器，光源輸入和光探測器輸出。
圖6E是圖6實施例的仰視圖，其中取樣頭結(jié)構(gòu)提供環(huán)境屏蔽結(jié)構(gòu)。
圖6F是圖6E的截面細節(jié)，表示固定在樣品頭環(huán)境屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)最接近和遠離光源的光探測器，有燈輸入的燈，光探測器輸出和盒子。
圖7是側(cè)視圖，表示在包裝/分類線上的另一實施例，圖示由托架固定和放置的光源和光探測器，光探測器夾具和光源固緊物，它作為一種結(jié)構(gòu)，至少可吊載，剛性固緊和其它安裝一個光源和一個光探測器，包括有桿，棒和其它這一類托架卡具物。至少一個光源定位于照射樣品，在本圖中是一個蘋果。至少一個光探測器由托架定位，且光探測器固定于探測來自樣品的光譜輸出。在本圖中樣品由樣品傳輸機輸送?？傮w曝光于至少一個光源和至少一個光探測器的時間將受被探樣品的性質(zhì)和具體例子的限制，例如在分類/包裝線上對蘋果的取樣時間限于5毫秒或更短。但是應(yīng)認識到，其它取樣時間和策劃將在本發(fā)明的應(yīng)用范圍內(nèi)。至少一個監(jiān)視樣品的光探測器以相對于至少一個光源投射的方向約30度的指向探測光，盡管如此，各種其它的光探測器相對于光源的布置也是有用的。光源和光探測器定位于最接近樣品。光源燈可從光譜儀或外部由CPU控制供電。光探測器可以是具有被探測光譜的單個光纖，形成對光譜探測儀的輸入，例如光譜儀。被測光譜的處理如圖1C和1D所述。
圖7A是圖7的截面圖，表示光源，樣品輸送系統(tǒng)，托架夾具，光源固緊物，燈輸入和當(dāng)樣品移入光源的照射并向著光探測器時的光譜儀。
圖7B是圖7的截面圖，表示光探測器，樣品輸送系統(tǒng)，托架夾具，光探測器夾具，光探測器輸出，光譜儀，和作為樣品的探測器移向并在光探測器之下。
圖7C是仰視圖，表示至少一個光探測器80和所示的一組光探測器80，代表一組光譜區(qū)的測量。濾波130光探測器80代表700至925nm光譜的探測，另一個光探測器80代表紅色素和葉綠素在500至699nm范圍內(nèi)和926至1150nm范圍內(nèi)的探測，另一個光探測器80代表黃色素區(qū)在250至499nm范圍內(nèi)的探測。兩個附加的光探測器80位于光源120燈123的對面，這樣，使樣品將通過燈123和光檢測器80之間，并代表分別工作于250至499nm和500至1150nm范圍的基準光譜儀的輸入。在有蘋果的地方，將期望附加的基準通道并不探測樣品輸出的光譜，并將指出樣品的存在或不存在。于是，這一基準通道信息可用于幫助選擇最佳樣品光譜用于預(yù)測。在光源與光探測器和/或樣品之間可采用屏蔽，例如，選擇包括但不限于1)作為屏障的光屏蔽可以從托架夾具在光源和光探測器之間延伸，以減少光探測器直接曝光于光源，2)光屏蔽可在光源和光探測器及樣品之間延伸，形成光源與樣品之間的光屏蔽裝置，限制從樣品向光探測器的表面反射，3)光屏蔽可提供濾波器功能，例如在光源與樣品之間熱阻斷，截止和帶通，限制對樣品的加熱或燒壞的可能性。
圖7D是圖7C的截面圖，表示從側(cè)面照射樣品的燈。如圖所示，作為蘋果的樣品從其柄部分被照射。
圖7E是7C的截面圖，表示光探測器80中的一個。
圖8是側(cè)視圖，表示圖7中裝置的附加例，其中至少一個光屏蔽是由托架夾具物安置的，當(dāng)樣品由樣品傳送機在光源下并通過光源向著并在底下向光探測器傳輸時，以使至少一個光源與至少一個光探測器分開。光屏蔽可以是一種屏障，如圖8所示，作為屏障由兩部分組成，每一部分都從托架夾具吊下來。至少兩個屏障部分重疊，并當(dāng)樣品通過時分開。
圖8A是圖8的截面圖，表示光屏蔽和至少一個屏障，光源，和當(dāng)樣品在光屏蔽之下并與光屏蔽接觸移入時的樣品輸送系統(tǒng)。圖8B是圖8的截面圖，表示光屏蔽，至少一個屏障，光探測器和當(dāng)樣品在光屏蔽下并與其接觸移入時的樣品傳送系統(tǒng)。
具體實施例方式
本發(fā)明的裝置和方法圖示于圖1至圖8中，圖1C，1D，1E和1F是流程圖，說明本發(fā)明的方法。流程1C是所有本發(fā)明實施例的代表。流程圖1D表示一個或多個光源120和從光探測器50通過樣品特征最后預(yù)測的多個通道。圖1D說明本發(fā)明的裝置和方法，表示光源120，它可以是燈123或其它光源，它照射樣品30內(nèi)部36，光收集通道1…n，例如由光纖80或光敏探測器255組成，例如來自樣品光譜的光探測器1…n，提供對光譜測量設(shè)備的輸入，這里示出的是光譜儀1…n 170。在優(yōu)選例中，具有燈123的光源120是光譜儀外部的，并由CPU 172控制，它觸發(fā)能量125給光源120燈123。光譜儀1…n 170通道輸入1…n由A/D變換器把模擬信號變成數(shù)字信號1…n 171，并對每一通道變成對CPU 172的輸入。CPU 172是由每一步控制的計算機程序。在這圖中，CPU 172的是控制活動的計算機程序代表。為每個通道1…n提供CPU 172輸出的步驟是1)計算發(fā)生在每個通道1…n的吸收光譜，2)把吸收光譜組合到由光譜儀1…n 170從樣品檢測到的整個波長范圍內(nèi)的單一光譜中，3)數(shù)學(xué)預(yù)處理或預(yù)處理175，例如平滑或箱車平滑或計算偏差、4)預(yù)測或預(yù)示176，對每一通道把經(jīng)處理的組合光譜175與存儲的校準光譜或校準算法177比較，用于每個特征1…x 178，例如白利糖度，堅固度，酸度，密度，pH，顏色和外部及內(nèi)部的缺陷與不規(guī)則性，這些都是樣品要檢查的指標，接著5)決定或進一步組合和比較每一特性1…x的定量結(jié)果，例如確定內(nèi)部和外部不規(guī)則性缺陷170，180；確定顏色181；確定質(zhì)量指數(shù)，如口感質(zhì)量指數(shù)182，外觀質(zhì)量指數(shù)183和分類或其它決策184。例如，分類或其它決策184可以是輸入進程控制器，用來控制包裝/分類線或可確定收獲的時間，從冷藏里移出的時間和運輸?shù)臅r間。圖1到圖8中表示的裝置并沒有全部說明從樣品30照射到預(yù)測結(jié)果(如圖1C，1D，1E和1F)的整個流程圖次序。對于信號處理的說明，可參考所指明的附圖。
圖1E是流程圖，說明方法和裝置，表示光源120作為寬頻帶源，例如鎢鹵燈，它用來照射樣品30；至少一個，但在實施例中是一組離散波長濾波(帶通)光的探測器255，它有濾波器130，提供來自樣品光譜的光收集通道1…n(光敏探測器1…n)的光譜探測。在本例中，具有燈123的光源120由CPU 172控制，它的觸發(fā)能量供給光源120的燈123。從樣品表面探測的光譜由作為光探測器80的光纖傳送給光敏控制器255。被測光譜的管理如圖1D所述。代替這一實施例，可采用AOTF(聲光調(diào)諧濾波器)代替至少一個或一組光敏探測器作為光譜探測設(shè)備。
圖1F是說明本裝置和方法的流程圖，表示由至少一個，但本例中是一組離散波長光輻射二極管257提供的光源，它可依次由CPU觸發(fā)器用作電源點亮光源來照射樣品30；至少一個寬頻帶光敏探測器255，在另一個例中，用于每個LED至少為一個寬頻帶光敏探測器，提供對來自樣品光譜的光收集通道1…n(光敏探測器1…n)的光譜探測。被測光譜的管理如圖1D所述。用于本例中的(另)可替代光源包括但不限于可調(diào)諧二極管激光器，激光二極管和放置在光源與樣品之間或樣品與光敏探測器之間的濾波器。
圖1，1A和1B表示無損傷水果品質(zhì)和質(zhì)量測試儀1的實施例，用于測量和相關(guān)水果的組合可見光和近紅外光譜的特性，表示樣品座5具有固緊或彈簧位移物9，它對支撐物12加力固緊并接觸樣品。圖1中所示的支撐物基本上是接收樣品30大小的半球。樣品具有樣品表面35。至少一個燈源120要最接近樣品表面35。光源120至少包括一個燈123，可選擇濾波器130。這里圖示了兩個光源120，每個燈的方向基本上與樣品表面35正交并且彼此相對約60至90度照射樣品。光探測器80以相對于從光源120的投射光約30至45度方向探測來自樣品表面的光。光探測器80由光探測器固定物50定位，它有光探測固緊或彈簧位移件60放置、支撐和/或推動光探測器與樣品表面35接觸。光源120的監(jiān)視由向著燈123方向的光探測器80進行；這些基準光探測器80的輸出82由基準光譜儀170探測；用基準光探測器80依次測量和光探測器80指向樣品表面可代替使用兩個光譜儀。所有光探測器由光探測器固定物50用光探測器固緊或彈簧位移物60固定于平板7或其它容器，如盒子。推動支撐物12對樣品用力的固緊件9也推動樣品的檔著探測器固緊件9和支撐物12與光探測器80和光探測器固緊件60組合在一起，保證避免樣品移動。在圖1中所示樣品30是一個蘋果。光源120可以是鎢/鹵燈，選擇濾波器130或作為隔熱的濾波器130，帶通或截止濾波器，分別或組合放置在燈123和樣品30之間，或樣品30與光探測器80之間。光源120可以是燈123，由外部提供例如50瓦，75瓦或150瓦的燈，它們由計算機CPU控制。電源125可由光譜儀170提供或另一電源提供。光源和光譜儀都由CPU 172控制，它們的工作被精確地控制并用數(shù)字輸入/輸出(I/O)觸發(fā)器最佳同步。光探測器80，這顯示出的是光纖傳感器，提供光探測器輸出82，它成為光譜儀170的輸入，或其它光測量或處理儀的輸入，該輸出由探測器200探測，例如，至少一個探測器設(shè)備或器件(如CCD陣，它可以是光譜儀170內(nèi)的CCD陣)。樣品夾具5，光探測器夾具50和光探測器固緊件60和具有光源固緊件122的光源都固定于平板7，為了實驗的目的將另外封裝和/或固定在容器，盒，箱，或其它內(nèi)，或其它商業(yè)用夾具內(nèi)，例如，應(yīng)用包括但不限于在高速分類和包裝線上樣品的測量，收獲機，卡車，傳送帶和實驗室。其它托架，夾具或物件可用來固緊或定位樣品夾5，光探測器50和/或樣品30。對后者需在測量期間保持樣品相對于光源120和光探測器50的位置；固定方法包括焊接，螺栓，螺絲，粘結(jié)，薄板成形和其它可用于實驗或商業(yè)目的的方法。
圖2，2A，2B，2C，2D和2E表示無損傷水果質(zhì)量和品質(zhì)探測儀1的另一種實施例，示出了單光源120，燈123和選擇濾波器130，多個與樣品表面35接觸的光探測器80。圖示光探測器80相對于樣品30或樣品表面35的位置指向屏蔽光探測器80避免環(huán)境光的方向，試圖說明在光探測器80和樣品表面25之間，或直接接觸或用屏蔽物84屏蔽，例如用波紋管，泡沫塑料或其它柔性或可壓縮的物體，或提供密封結(jié)構(gòu)的裝置或保證光探測器屏蔽環(huán)境光和來自光源的光并只接收來自樣品30的光譜輸入的裝置。光源120相對于光探測器80的定位表示一個光探測器80相對于光源120照射樣品30方向約45度的θ角。第二光探測器80以約180°的γ角指向光源120直射方向。光探測器以約180°指向光源直射光方向可以是用于檢測樣品內(nèi)部不規(guī)則性的位置，例如在Tasmecnia Jonagold蘋果內(nèi)的不規(guī)則性，如水芯，爛芯，內(nèi)部變褐/軟化，二氧化碳損害，和在某些情況下，蟲災(zāi)/大面損害。在本圖中，建議光探測器80有許多可能的位置，其指向與樣品和要檢測的特性有關(guān)。在本圖中，光探測器80位于與光源120發(fā)射光同一平面內(nèi)探測。光源120與光探測器80之間的180°指向有利于較小的樣品。較大的樣品30將衰減光的傳輸，于是需要光探測器最接近光源，以保證曝光輸出82樣品30的特征光譜。光源120與光探測器80的指向?qū)λ拇笮?，果皮和果肉或新鮮性檢測。樣品30為蘋果時的指向避免180°，因為光源120的接近程度和強度極可能損害或燒壞蘋果的皮。但是，橘子皮不太檢測且能承受，不會造成高強度光源120和與橘子皮緊密接近導(dǎo)致商業(yè)上的降級。通常，信號輸出或光探測器輸出80與光源相對于樣品30和樣品表面35和光探測器80的指向有關(guān)。
圖2B和2C表示光探測器的另一種指向，其中光探測器80以相對于光源120直射光45°θ角指向。這一圖說明兩個光探測器80分開約90°并近似同平面探測光。從這些圖中認識到一種變通技術(shù)，光源和光探測器的定位將依賴于所要做的測量。圖2D和2E表示屏蔽方法和設(shè)備，例如以波紋管或其它屏蔽物84屏蔽光探測器避免環(huán)境光，并使光探測器只探測來自樣品的光譜。屏蔽84的結(jié)構(gòu)可以是可彎曲或柔性橡皮，泡沫塑料或塑料，它可適應(yīng)樣品的表面不規(guī)則性，且提供在屏蔽材料與樣品間的密封作用，消除環(huán)境光導(dǎo)入與光探測器接觸。屏蔽84在圖2D和2E中表示為波紋管的形式。
圖1，2-4，6，7和8表示可由光譜儀170(如同圖3的情況)或由CPU 172控制的外部燈(如同圖1，2，4-8的情況)提供的光源。在圖1-4，6，7的8的全部情況中，采用鎢鹵燈或等效的燈，它通常產(chǎn)生在250-1150nm范圍內(nèi)的光譜(當(dāng)燈絲溫度為2500至3500°K時)。用于本發(fā)明的光源可以是寬頻帶燈，例如但不限于鎢鹵燈或等效的燈，它可產(chǎn)生250-1150nm范圍內(nèi)的光譜；其它寬頻帶光譜燈，與樣品30要測的特性和實施例有關(guān)也可采用。光探測器80輸出82通常由光譜儀170接收，該光譜儀有探測器200，例如CCD陣。
圖3，3A和3B表示無損水果品質(zhì)和質(zhì)量測試儀-組合具有組合源/探測器135的組合單元126的組合單元15。本例中光源和光探測方法可以是光源120，燈123和光探測器80構(gòu)成，其中光源120的燈123由光纖從照射源連通，例如在光譜儀170中的燈；光探測由光探測器80提供，例如光纖或其它光的傳輸狀態(tài)，以與燈123的各種相互關(guān)系定位，如圖3A和3B所示。圖3A是圖3的截面，表示組合源/探測器135的組合單元有另一個光源和光探測器；作為一組光源示出的光源可以依次點亮光輻射二極管257，輻射離散的波長；光探測器可以是寬頻帶光敏二極管探測器255，放在同心設(shè)置的LED的中心。組合單元126和樣品夾具5安裝于平板7或其它安裝或容納夾具，盒，箱或其它適合于商業(yè)或?qū)嶒炗玫脑O(shè)備，例如用托架或其它安裝物，使其固定或有彈簧或其它位移功能推動組合單元126和樣品夾具5頂住樣品。光屏蔽84，如圖2D和2E所示，為用在組合源/探測器135與樣品表面35之間。圖3B是圖3的截面圖，表示組合單元126的附加例，其中光源120燈123中心放置，例如從鎢鹵燈來的光通過光纖與至少一個，這里表示的是一組，離散波長光敏探測器同心。至少一個探測光纖或光探測器80的輸出是光譜儀170或其它光譜測量儀，如光敏探測器255的輸入，圖示的是有控制器200的光譜儀。
另外，對圖3B實施例的光源供給和探測可由分路反射探針來進行；另外，認識到探針可提供一個或多個光供給源和一個或多個光探測器，提供對一個或多個光譜儀的輸入。在圖3A表示LED 257圍繞寬帶帶光敏探測器255同心放置的同時，將認識到本例的LED，以及其它例的光源120可放在其它布置時，例如光敏二極管探測器255，以及其它例中的探測器80可在LED257中相對180°放置，樣品30放置在LED 257和光敏二極管探測器之間，例如對櫻桃和葡萄；另外，LED 257可放置在一個弧上，與樣品的關(guān)系等距但與光敏探測器255 180°相反。這兩種布置都建議了LED257(光源120)，光敏二極管探測器255(光探測器80)和樣品之間的相互定位關(guān)系，以及采用其它類光源和探制器的情況，例如用寬頻帶燈123的濾波光敏探測器255的使用，如圖5所示。在這一實施例中，特別的樣品30類型結(jié)合特別的要測的特性將要求光源120和光探測器80相對于樣品30的布置圖型，另外，認識到這里所用的光源包括寬頻帶燈，如鎢鹵燈，LED和其它光輻射器件；這里所用的光探測器包括光纖，光敏二極管探測器和其它對光檢測并能檢測光的器件。
圖4是頂視圖，表示無損水果品質(zhì)和質(zhì)量測試儀的另一實施例，示出了至少一個光源120和燈123和光探測器50的結(jié)構(gòu)，其中至少一個，本例中是兩個光源120和燈123由光纖從燈123或外部光源的照射源連通至/最接近樣品表面135。在本實施例中，光探測器80和光源120與樣品表面135接觸，光探測器80探測從樣品來的光譜輸出，并提供光探測器對光譜測量或處理儀器或方法的輸入82，例如有探測器200的光譜儀170。對某些樣品，光探測器80將插入樣品30，這樣實現(xiàn)光探測器避免環(huán)境光的屏蔽，例如安裝在收割機上的應(yīng)用或在處理工廠，那里要處理的產(chǎn)品是例如甜芽或葡萄。此外，圖2D和2E表示的光屏蔽84可用于樣品30和樣品表面35與光探測器80和光源120和燈123之間的相互關(guān)系。圖4所示是從至少一個光探測器80的光探測器輸出80的連接，形成對光譜測量或處理儀的輸入。認識到本例的每一部件由通常的方法固定在平板7或其它安裝或容納夾具，盒，箱或其它適合于商業(yè)或?qū)嶒?目)的設(shè)備。
圖5是頂視圖，表示手持無損傷水果品質(zhì)和質(zhì)量測試儀1，示出了光源120和至少一個光探測器80，在這里表示的是六個探測器80，構(gòu)成取樣頭260的形式。在本例的取樣頭260中，至少一個光源120和燈123位在相對于由至少一個離散波長光敏探測器255提供的光探測器。圖5所示是一組離散光敏探測器255，滿足光探測器80和光探測儀，例如CCD陣探測器200的組合功能。這一實施例的工作見圖1E，其中所有部件封裝在盒250內(nèi)。取樣頭260與計算機控制線路之間的電子與計算機通訊通過電信號電纜或無線，包括紅外的或其它這類傳輸方法或裝置。取樣頭260環(huán)境屏蔽262將提供屏蔽方法或裝置，例如在屏蔽至少一個光敏二極管255和燈123避免環(huán)境光方面滿足圖2D和2E中屏蔽的相同或類似結(jié)構(gòu)功能，圖5和5A中所示的取樣頭260和環(huán)境屏蔽262可由柔性泡沫塑料形成，在其內(nèi)，至少一個燈123和至少一個光敏二極管255可由夾具固緊。組成樣品頭260和環(huán)境屏蔽262的材料和結(jié)構(gòu)可以是塑性或柔性泡沫塑料，做成波紋管或其它類似圖2D和2E中指出的形式。柔性泡沫塑料對做成環(huán)境屏蔽262的應(yīng)用借助于樣品表面35環(huán)境屏蔽262之間的密封將起到密封或避免至少一個光敏探測器255和燈123暴露于環(huán)境光的作用。其它屏蔽裝置和方法將提供充分的屏蔽結(jié)構(gòu)，包括波紋管，密封取樣頭260和樣品30的盒或箱?；蚱渌峁┰诃h(huán)境光與聯(lián)樣頭260至少一個光敏探測器255和燈123以及樣品30和樣品表面35之間的界面之間屏蔽的物件。本實施例的工作見圖1E，其中所有部件密封在盒250內(nèi)。
圖5和圖5A表示布置成至少一個，圖5中是一組離散波長濾波130光敏探測器255的同心陣，其中心為至少一個光源120。光源120燈123，它可由光纖從照射源接通，例如盒150內(nèi)的燈，或特殊例子如橙子，可與樣品表面接觸或最接近樣品表面35。在光源120和光敏探測器255和光譜儀170之間的電通訊和光通訊用光纖和/或有線，印制電路路徑，電纜來實現(xiàn)。光敏探測器255滿足光譜儀或光譜測量功能，提供輸入82，它將由儲存校準算法的微處理機處理，產(chǎn)生代表一個或多個樣品參數(shù)的輸出。圖5A也是圖5的側(cè)視圖，表示定位在取樣頭上的樣品。
圖5B，5C，5D和5E表示本發(fā)明特別對小的樣品的實施例，例如葡萄和櫻桃，其中取樣頭260是至少有兩個夾爪266的夾子263的形式，它接收并固緊至少一個具有光源輸入125的燈在至少一個夾爪結(jié)構(gòu)266內(nèi)，和至少一個光探測器在至少一個夾爪266內(nèi)，這樣，當(dāng)夾子閉合時，夾爪266夾住樣品，使至少一個燈123和至少一個光探測器最接近樣品表面35。光探測器80作為從樣品向濾波130光敏探測器255或光譜儀170傳輸光譜的光纖示出。輸出82將如圖1D和1E所示管理。圖5B表示光探測器作為從樣品30向要顯示在濾波130光敏探測器陣255上傳輸光譜的光纖示出，其中光纖80位于把來自樣品的被測光譜傳給同心濾波130光敏探測器255陣的中心。定位結(jié)構(gòu)79，它可以是與光敏探測器件中心的光探測器相互接觸的管子，光探測器80相對于濾波130光敏探測器255固緊并定位。準直透鏡78放置在光探測器80光纖和陣255之間，保證來自光探測器80的光垂直于濾波130光敏探測器陣255。圖5F表示弧形光探測器陣90被接收和固緊于至少一個夾爪266內(nèi)，其中在光敏探測器陣90的光敏探測器255最好與光源120或燈123等距。
圖6至圖6F表示無損水果品質(zhì)和質(zhì)量測試儀1的附加例。圖6是頂視圖，表示本發(fā)明手持情況的附加例，示出了LED 257形式的光源和光探測器80，后者是光敏探測器255的形式，構(gòu)成取樣頭260。用LED 257和光敏探測器255的結(jié)構(gòu)，光敏探測器255沒有用濾波器，亦即波長帶通濾波器，并對約250-1150nm檢測。提供光源和光探測的另一種器件或方法包括，但不限于二極管激光器和其它產(chǎn)生離散波長光譜的光源。在本例的取樣頭260中，至少一個LED 257和如圖6所示的一組LED 257相對于至少一個光敏探測器255放置。需要屏蔽LED 257和光敏探測器/光敏二極管探測器255避免環(huán)境光的方法或技術(shù)，它作為環(huán)境屏蔽262示出，包括可壓縮和柔性泡沫塑料，例如2D和2E的屏蔽結(jié)構(gòu)84表示的波紋管，和其它這類材料、結(jié)構(gòu)、或技術(shù)。在本例中，取樣頭260布置成至少一個光的探測器/光敏二極管探測器255位于同心離散波長LED 257陣的中心。在本例中，光輻射二極管257滿足光源的功能，并依次由至少一個光敏探測器/光敏二極管探測器255探測的光譜輸出點亮。光敏探測器255輸出82由圖1F的說明來處理。
光敏探測器255響應(yīng)于寬范圍波長，包括可見光和近紅外(亦即約250-1150nm)。當(dāng)每個LED 257被點亮?xí)r，光進入樣品30，與樣品30相互作用，并再次發(fā)射由光敏探測器255探測的光。光敏探測器255產(chǎn)生正比于被探測光強度的電流，該電流被轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)模數(shù)變換器數(shù)字化。該數(shù)字信號由放入的微控制器/微處理器儲存。在優(yōu)選例中所用的微控制器/微處理器是Infel 8051。但是，其它微處理器和其它設(shè)備和其它電路將執(zhí)行所需的任務(wù)。當(dāng)每個LED被點亮?xí)r，由光敏探測器255探測的信號被A/D變換后儲存。在每個LED 257被點亮并被變換信號儲存后，微處理器儲存的讀數(shù)組合起來以產(chǎn)生與LED 257一樣多的數(shù)據(jù)點組成的光譜。然后，這一光譜被放入的微處理器組合以前存儲的校準算法使用，以預(yù)測感興趣的樣品特性。然后，進行如圖1F所示的信號處理。圖6A是圖6的截面圖，表示取樣頭，示出了環(huán)境屏蔽262，例如由可壓縮泡沫塑料或波紋管或其它這種結(jié)構(gòu)組成，例如橡皮塞，最初為真空固定夾具設(shè)計，它看起來很像抽水馬桶的塞子，但有比較和緩的曲線，并可變各種尺寸，包括1毫米直徑和更大；在某些實施例中，20毫米的橡皮塞與光纖固定夾具一起用，作為與塞子配合的“手柄”。樣品在測量之前用塞子密封。其它設(shè)備或方法也將提供所需的如這一規(guī)范中所說明的密封結(jié)構(gòu)，還示出的是光輻射二極管257和光探測器/光敏二極管探測器80，它們用固定件固定在取樣頭內(nèi)。固定件將由托架件和其它安裝結(jié)構(gòu)(一種認可的變通技術(shù))組成。從光探測器80的輸出82，如同圖1F所示處理盒子250一樣示出。
圖6B，6C和6D代表本發(fā)明的附加例，其中取樣頭260固定在盒250內(nèi)，光探測器由固緊件固定在取樣頭260內(nèi)，取樣頭260容納樣品30，它置于光源120燈123的照射下。本實施例表示有蓋的盒子作為環(huán)境屏蔽262。另外，取樣頭的結(jié)構(gòu)可以是可壓縮或柔性泡沫塑料或波紋管，它可提供能屏蔽環(huán)境的結(jié)構(gòu)。在樣品30就位后環(huán)境光也能被測量，但是要在光源120燈123接通以前。這一環(huán)境光信號被儲存并在以后的測量中要減去它。光源輸入電源125，例如來自光譜儀170或可來自CPU 172的觸發(fā)器或其它外部燈源和/或電源。如圖1F所示一樣示出并處理從光探測器/光敏二極管探測器80的輸出。
圖6E和6F代表本發(fā)明的一個實施例，其中燈123在取樣頭260內(nèi)。另外，燈123可以由環(huán)境屏蔽262內(nèi)的固定件定位。
本發(fā)明的包裝/分類線形式的另一實施例示于圖7，7A和7B，示出了光源120和光探測器30，它們被固定和定位于托架件275，光探測器夾具50和光源固緊件122，它被認為可吊掛至少一個燈源120和至少一個光探測器80的安裝結(jié)構(gòu)，由剛性固緊和其它包括棒，桿，和別的支撐件275夾具等應(yīng)用的定位。至少一個光源120定位于照射樣品30，本圖中畫的是蘋果。至少一個光探測器80由支撐件257和光探測器夾具50定位，用來探測來自被照樣品30的光譜輸出。本圖中樣品30的樣品傳送機傳送。對至少一個光源120和至少一個光探測器80的總曝光時間由所用光源的強度和被測樣品的性質(zhì)決定。對蘋果，5-10毫秒或更少的曝光時間通常就能提供在傳送線速度為20米/秒時對每個蘋果的多次測量。圖7中所示至少一個光探測器80與光源120分開約90°，且光探測器80和光源120基本上在同一平面內(nèi)與樣品垂直。但是，對本發(fā)明的每一實施例，光探測器80和光源120相互間相對定位和與樣品的相對定位與樣品的特征和要測量的特征有關(guān)。例如，光源120可定位于離光探測器80指向的平面90°指向的平面內(nèi)垂直指向樣品表面30。光源120和光探測器80放置最接近樣品30。光源120燈123可由光譜儀170供電或其它外部源供電，如圖1討論中所說明的。光探測器80可以是具有被測光譜的單個光纖，形成對光譜探測儀，如光譜儀170和探測器200的輸出82。被測光譜的處理如圖1e所示。
用于分類/包裝線的另一實施例見圖7C，7D和7E，表示至少一個光探測器80，圖示為一組光探測器80，代表一組光譜區(qū)的測量。濾波130光探測器80代表700-925nm光譜的探測，另一個光探測器80代表在500至699nm范圍內(nèi)紅色素和葉綠素的探測和在926至1150nm范圍內(nèi)水，酒精和物理質(zhì)量(例如堅固度，濃度)信息的測量，另一個光探測器80代表在250至499nm范圍內(nèi)黃色素的探測。兩個附加光探測器80相對光源120燈123放置，這樣，使樣品將通過燈123和光探測器80之間，代表對兩個基準光譜儀170的輸入，一個監(jiān)視250-499nm波長區(qū)，另一個監(jiān)視500-1150nm區(qū)。樣品為蘋果時，可期望附加的基準通道將不探測樣品的輸出光譜，但指示是否有樣品存在。基準通道的輸出可用作目標探測器，用來確定來自樣品光探測器的哪些光譜需保留為預(yù)測中用。在光源120燈123與光探測器80和/或樣品30之間可用屏蔽，例如選擇包括，但不限于1)作為屏障285的光屏蔽可從光源120燈123和光探測器80之間的支撐夾具延伸，以減少光探測器80直接暴露于光源120燈123，2)光屏蔽285可在光源120燈123和光探測器80和樣品30之間延伸，其中將形成在光源120燈123和樣品30之間的光屏蔽284內(nèi)的一個孔徑，以限制從樣品表面至光探測器80的表面反射，3)光屏蔽284可提供濾波器130的功能，例如在光源120燈123與樣品表面35之間隔熱，截止和帶通，以限止樣品被加熱或燒壞。
圖8，8A和8B是另一個實施例，其中光屏蔽284由支撐件275定位，當(dāng)樣品30由傳送機295在光源120和燈123下并通過光源120和燈123和在光探測器下并向著光探測器傳送時，使至少一個光源120和燈123與至少一個光探測器80分離。光屏蔽284可以是屏障285，如圖8所示出的，它由至少一部分，圖8A中是兩部分或多個部分組成。每一部分都從支撐件275吊掛。在有多個屏障285部分的地方，各屏障部分285將重疊并當(dāng)樣品通過時分開。
在本實施例中，如圖8所示，樣品30，例如蘋果，由包裝/分類傳送系統(tǒng)295傳送。當(dāng)每個樣品在光屏蔽284下，與其接觸并向著它通過時重復(fù)循環(huán)。樣品30依次放在包裝/分類傳送系統(tǒng)295上，樣品30之間的距離通常相對于樣品30的尺寸極小。當(dāng)樣品30向著，但并不接觸光屏蔽284移動時，樣品30將被光源120照射，而光探測器80將只探測環(huán)境光且對光源120屏蔽。當(dāng)樣品30在光屏蔽284之下并與之接觸移動時，樣品30，在連續(xù)由光源照射的同時，對光探測器80曝光，后者將探測來自樣品30的光譜。當(dāng)樣品30移動通過光屏蔽284時，光探測器80將再一次對光源120屏蔽，且只探測環(huán)境光。光源120可以是，例如鎢/鹵燈或由光學(xué)傳輸?shù)墓庹丈錁悠?0。光探測器80，例如光纖探測器這樣放置，當(dāng)樣品30接觸并通過光屏蔽284下時，使樣品表面35最接近光探測器。光屏蔽284可由可塑或柔性對光譜不透明的板組成，而這些光譜是光探測器檢測的，也可由例如硅橡膠，聚脂薄膜，熱塑料和其它材料組成。光探測器80，光屏蔽284和光源120由支撐件275機械固定，或其它容易認識到的普通技術(shù)或在包裝/分類系統(tǒng)上測量的安裝設(shè)備或方法。圖7和8實施例的另一種結(jié)構(gòu)將采用一組光源120，包括，例如光源120從頂部照射樣品30，用第二光源從側(cè)面照射樣品，或兩個光源120從相對的兩邊照射樣品30，圖示對光源120可采用的多個位置。一組光探測器80觀測相同或不同樣品表面35的位置，每個光探測器80輸出82或者由分開的光譜儀檢測，或者組合成單一輸出82。在由一組光譜儀170接收一組輸出82的地方，至少一個光譜儀170具有中性密度濾波器，安裝來阻斷從光探測器某個百分比的輸出，例如50％，用這一光譜儀170來提供特定光譜范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，例如約700至約925nm。第二個光譜儀將不使用濾波器，且在約700至925nm飽和，但將得到很好的信號與噪聲(S/N)比的數(shù)據(jù)(從約500至699nm和約926至1150nm)。其它對濾波輸入光譜儀170的輸出82將準許檢查規(guī)定的光譜范圍。此外，這一方法準許對光譜儀170使用相同的曝光時間，使它們更容易同時控制。這基本上就是雙曝光法，它使用對光譜儀170濾波的輸入82，而不是不同的曝光時間。對一個光譜儀170的光的阻斷實現(xiàn)了用較短曝光時間同樣的結(jié)果。雙強度法證明了由于高和低強度光譜因它們在光譜中斜率的不同不易粘貼或組合在一起的疑問，但雙強度法對某種樣品類型(例如儲存的水果或橙子)預(yù)測某些參數(shù)(例如堅固度，密度)是有利的。當(dāng)雙曝光法產(chǎn)生很好的組合光譜時，這兩種方法都提供可用的組合光譜，它對堅固度和其它參數(shù)預(yù)測是必須的，且也改善白利糖度測量的正確度。
典型地，在校準期間，使用部分最小平方(PLS)回歸分析來產(chǎn)生回歸矢量，它把VIS和NIR光譜與白利糖度，堅固度，酸度，密度，pH，顏色和外部及內(nèi)部缺陷和不規(guī)則性聯(lián)系起來。這一存儲的回歸矢量作為預(yù)測或校準算法的基準。在回歸分析之前，對數(shù)據(jù)作光譜例行處理，以改善信號與噪聲(S/N)比，把與感興趣的參數(shù)無關(guān)的光譜移走，例如基線偏置和斜率改變，并對路徑長度和散射誤差用數(shù)學(xué)方法校準來歸一化數(shù)據(jù)。典型的預(yù)處理程序包括“重新分級”，例如平均5-10個探測通道以改善S/N，箱車或高斯平滑(以改善A/N)和計算微商。二次微商是最常用的，但是，一次微商也可以用，用四次微角也是可能的。對堅固度和預(yù)測，數(shù)據(jù)常在重新分級，平滑和基線校正或歸一化后使用；那里不用微商。對于白利糖度和其它化學(xué)性質(zhì)，2階微商變換經(jīng)常是最佳的。
用其本成份分析(PCA)分類算法可有效地把軟水果和很硬的水果從中等硬度的水果中識別。還有，未成熟和成熟的水果能分開，如變壞的，例如較高pH，或腐爛的水果識別以便分開。整個蘋果的NIR譜，和其它水果的NIR譜，在約250-1150nm范圍也表現(xiàn)出與pH和總酸度相關(guān)。250-699nm波長區(qū)包含顏色信息，例如葉黃素，黃色在250-499nm的吸收區(qū)；花青素，它是紅色，有500-550nm區(qū)的吸收波段，用來改善分類或預(yù)測性能，特別對堅固度。一個例子是如何利用和測量或把在或接近520nm的花青素吸收與合適的預(yù)測或分類算法比較來預(yù)測紅櫻桃性能未成熟的橙子，具有綠顏色，可用在或接近680nm的葉綠素吸收區(qū)(綠色)樣品光譜輸出82的測量，并應(yīng)用測得的輸出82光譜于合適的預(yù)測算法中來預(yù)測。在950-1150nm區(qū)的樣品光譜輸出具有關(guān)于水、酒精和酸，和蛋白質(zhì)含量的信息。例如，在大多數(shù)水果中樣品的水含量把堅固度與儲存期產(chǎn)生的水損失相聯(lián)系。高pH水果，常常是腐爛的指示，也能用分類算法把它從其它蘋果中識別。
本發(fā)明是無損傷方法和裝置，用來測量散射或吸收光的光譜，特別在250-1150范圍內(nèi)，用于應(yīng)用預(yù)測算法來預(yù)測的目的，特別是水果特征預(yù)測，包括糖含量，堅固度，密度，pH，總酸度，顏色和內(nèi)部及外部缺陷。這些水果特征是確定品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，例如何時摘，何時運，何時和怎樣儲存，質(zhì)量，例如甜度/酸度比和堅固度或?qū)υS多水果或蔬菜的易碎性。這些特征也是消費者味覺愛好、期望的儲藏壽命、經(jīng)濟價值、和其它特征的指示器。內(nèi)部不規(guī)則性也能探測，例如，對Tasmania Jonagold蘋果，包括像水芯，爛芯，內(nèi)部變黑/軟化，二氧化碳破壞，和在某些情況下，昆蟲損害/蔓延。本發(fā)明同時利用1)可見光吸收區(qū)(約250-699nm)，它含有關(guān)于顏色和葉綠素的信息，2)短波NIR的波長部分，它在生物組織里有最好的滲透，特別是水果的蔬菜組織(700-925nm)，和3)926-1150nm區(qū)，它含有關(guān)于水含量和其它O-H成份，如酒精和有機酸(如蘋果酸，檸檬酸，酒石酸的信息)。
臺式，手持，便攜和自動包裝/分類實施例都已揭示。臺式例與高速包裝/分類例的一般差別在于用多于一個強度的光源120更易于檢查樣品，例如，多個燈123或多于一個電壓或電源電平控制的光源或多于一個曝光時間。在這里討論的臺式例使用雙強度光源120，例如用雙電壓或雙曝光時間或其它改變照射樣品30的光源120強度的方法。另外，光探測器80可工作于提供至少在一個燈123強度的一次曝光，和例如，光探測器80可提供在一個燈強下的二次或多次曝光的方法按如下完成光探測器80的曝光時間通過基本計算機軟件控制可調(diào)。在計算機程序中，對每個樣品，收集兩個不同曝光時間的光譜。臺式法按操作者的選擇可包括樣品表面35與提供光源120的裝置之間直接的物理接觸，例如，至少一個光探測器80可透過樣品表面35進入樣品內(nèi)部。高速包裝/分類例通常限于光源120的供給或曝光相對于或在樣品表面35，在有限的時間，通常為數(shù)毫秒，樣品30將處于光源120的范圍內(nèi)。多路徑或多光源120布置和多探測器80，包括光敏探測器255和其它光探測器件，在高速包裝/分類例中，將準許樣品的多光源120強度曝光。手持例通常允許由果園操作者取樣有限的項目，亦即水果樣品在植物或樹上和向雜貨分配中或單個雜貨店從包裝/分類檢查時。
要在250-1150nm波長區(qū)獲得數(shù)據(jù)只能用多強度或多曝光時間測量，亦即如例中的雙強度或雙曝光。當(dāng)用一個光譜儀可覆蓋500-1150nm區(qū)間時，第二個光譜儀需覆蓋250-499nm區(qū)間。不同光源強度數(shù)或所需的曝光數(shù)與樣品和探測器200的特性有關(guān)。在更長探測器200曝光時間或更高光源強度使探測器象素飽和(對某些探測器)，例如，索尼1L×511，或東芝1201，從約700-925nm，然而從約500-699nm和從約926-1150nm得到很好的S/N數(shù)據(jù)。低強度或較短曝光時間的光譜，對提供700-925nm好的S/N數(shù)據(jù)是最佳的。新鮮的存儲水果準確的堅固果度預(yù)測需要200-925nm區(qū)和500-699nm區(qū)，例如，顏色和綠色素，加上926-1150nm區(qū)。250-499nm的附加區(qū)，例如黃色(已知吸收光的葉黃素)，將改善堅固度和其它參數(shù)，如白利糖度，酸度，pH，顏色和內(nèi)部及外部缺陷的預(yù)測。在926-1150nm區(qū)樣品30的光譜輸出與含水量之間有高的相關(guān)關(guān)系。儲存的水果表現(xiàn)為相對于新鮮水果有較高的相對含水量和較少的光散射。葉綠素和樣品30的顏色是用與250-699nm區(qū)樣品光譜輸出82相關(guān)來預(yù)測的，用這種相關(guān)也是對新鮮水果堅固度預(yù)測最重要的，而更長波長的水區(qū)間可能對存儲水果的正確堅固度測量是比較重要的。
正像更長NIR波長區(qū)一樣，700-925nm區(qū)也含有C-H，O-H，和N-H鍵的吸收波段，在蛋白質(zhì)為關(guān)鍵成份的地方，926-1150nm區(qū)是最感興趣的。但是，谷物中預(yù)先蒙芽的情況，例如，可用檢查500-699nm區(qū)樣品的輸出光譜來預(yù)測。
裝置的優(yōu)先例是由至少一個光源120，樣品支持5，包括例如分類/包裝樣品傳送機295和其它放置樣品30的設(shè)備和方法，具有至少一個光探測器80組成，亦即在優(yōu)先例中的光纖光探檢測器，探測由光譜測量儀(如光譜儀170，它帶有探測器200，例如CCD陣)接收的樣品光譜輸出82，這樣探測的信號被有存儲器的CPU 172計算機處理、并與存儲的校準算法比較，(亦即存儲在CPU存儲器中的校準算法)，產(chǎn)生一個或多個樣品特征的預(yù)測。至少一個光源120和至少一個光探測器80相對于樣品表面35放置，使允許對來自樣品表面散射和吸收光譜的檢測。支撐夾具275，支撐以及其它認識的定位和固定設(shè)備和方法都被用來放置光源120，光探測器80和樣品夾5。在優(yōu)先例中，光源120和光檢測器或光探測器80這樣定位，使屏蔽84光探測器避免直接曝光于光源120，并限制光探測器探測或曝光于來自光源120通過樣品30的發(fā)射光。光源120可固定在錐形或其它杯形屏蔽容器內(nèi)，它允許光源120對樣品表面直接曝光，而與光探測器80屏蔽。另外，光探測器80可固定在屏蔽容器內(nèi)，例如，屏蔽84或環(huán)境屏蔽262，這樣，屏蔽光探測器80避免光源80，并只對從光源80至光探測器80通過樣品30發(fā)射的光譜曝光。由光探測器80探測的光譜，亦即信號輸出82，作為對至少一個光譜儀170或其它檢測于和有接收和測量光譜能力的設(shè)備的輸入。有優(yōu)先例中，使用了兩個或多個光譜儀170，一個光譜儀170監(jiān)視樣品通道，亦即光探測器80輸出82，另一個光譜儀170監(jiān)視基準，亦即光源120通道。如果在測量間燈123接通和關(guān)閉，可對光探測器80和光源120通道進行環(huán)境光校準，例如，從光點亮并穩(wěn)定時收集的光譜中減去沒有燈時的光譜。另外，光源120可留下，而環(huán)境光用屏蔽84或環(huán)境屏蔽262物理消除，如罩或蓋或適當(dāng)?shù)墓饷芊夂?。由光纖組成的光探測器80屏蔽的討論也應(yīng)用于光敏探測器255和不同于鎢鹵燈的光源的利用，包括例如光輻射二極管257。
用多取樣點和多光探測器80，如光纖檢測器的另一個方法取代覆蓋全部或某些取樣品，如圖4中所述，背對單樣品或光探測器80通道170，例如，用分支，三分支或其它多個光纖光譜儀170輸入。多個或一組樣品點，亦即光探測器80，提供樣品30更好的覆蓋，例如，取樣更能代表作為整體的樣品，或允許多點，例如在滿足產(chǎn)品的傳送帶，由單外光譜儀170測量，這樣提供“平均”光譜，用于預(yù)測平均性能，如對所有樣品或探測器80通道的白利糖度。
在優(yōu)先例中，兩個或多個光譜儀170，或至少兩個光譜儀170用于基準和/或測量。本例中用于收集數(shù)據(jù)的光譜儀170利用在750nm傳播的光柵，以提供從500-1150nm的覆蓋。此外，工作于250-499nm波長區(qū)的光譜儀170可包括提供擴大的可見光區(qū)的覆蓋，其中葉黃素吸收光，例如黃色。在從1000-1100nm探測的輸出82光譜中的信息也包含重復(fù)信息，如果從500-550nm不用截止或帶通濾波器，例如有關(guān)的花青素(它是紅色)具有從500-550nm區(qū)的吸收帶，它能改善分類或預(yù)測性能，特別是堅固度。
用于優(yōu)先例中的光譜儀170具有2048個象素或通道的電荷耦合器件(CCD)陣探測器200，但其它陣列探測器200，其它光探測器80，包括其它做成與陣列尺寸相對尺寸的探測器200或其它探測器規(guī)模特征化的方法，可作為普通技術(shù)使用。兩個光譜儀中的一個監(jiān)視光源120強度和直接的波長輸出，提供光源基準信號81，用作對環(huán)境光和燈，探測器，和由于溫度變化和燈老化引起的電子漂移的糾正。另一個光譜儀170接收來自一個或多個光探測器80的信號輸出82，光探測器檢測從一個或多個樣品30和/或一個或多個樣品30上的位置來的光輸出，例如，在單個樣品(如蘋果)上的多點，或在蘋果、葡萄或櫻桃傳送機295帶上的多點，或不同的樣品30，例如在封裝/分類線上不同通道，都可用每個附加的光譜儀170測量。在優(yōu)先例中每個光檢測器，例如光探測器80(光敏探測器255或其它光敏裝置或方法)代表分開的樣品30或同一樣品30上的不同位置或樣品組30。從所有光譜儀170來的光譜同時收集起來。與光譜儀類型有關(guān)，對每個光譜儀A/D變換可并行或串行(優(yōu)先為并行)。然后，計算機處理光譜并產(chǎn)生輸出。通用的單CPU計算機順序處理光譜，雙CPU計算機，兩個計算機，或數(shù)字信號處理硬件可執(zhí)行光譜處理并提供平行輸出。
在另一個實施例中，從包括蘋果的樣品30檢測從250-1150nm波長區(qū)的近紅外光譜。在這一特別實驗中，反射光纖探針用作光探測器80。當(dāng)用于收集數(shù)據(jù)的光譜儀170L是型號Model DPA 20時，亦即檢測從光探測器80檢測光譜輸出82。普通的業(yè)內(nèi)人士應(yīng)認識到其它光譜儀和光敏儀170都可使用?；鶞使饷魞x170使用5瓦鎢鹵光源120，光纖光檢測器來探測從樣品30來的光譜或輸出82，并提供光檢測器信號輸入82到光譜儀170。其它燈123或光源120也可像其它光檢測器或光探測器80可替代一樣被代替。光探測器信號輸入82到光譜儀170，在本例中被電荷耦合器件陣列探測器200探測。如同前面所述那樣對從電荷耦合器件陣列探測器的輸出作的處理。堅固度和白利糖度分別使用標準破壞性的Maghess-Taylor堅固度法(“穿孔”試驗)和折光儀進行測試，在本實施中，MIR光譜由陣列探測器200探測，它允許記錄或探測1024個數(shù)據(jù)點。這1024個數(shù)據(jù)點用九點高斯平滑，接著用九點的“間隙”尺寸作二階微分變換。用部分最小平方(PLS)回歸把二階微分NIR光譜與白利糖度和堅固度相關(guān)起來。為保證不發(fā)生錯誤的相關(guān)，用漏交叉驗證法來產(chǎn)生預(yù)測的標準誤差。在交叉驗證中，用幾乎一個樣品構(gòu)造預(yù)測模型；然后預(yù)測剩下的樣品的白利糖度和堅固度，重復(fù)處理直到所有樣品被預(yù)測。于是，經(jīng)驗證明模型可用于整個水果中未知白利糖度和堅固度的無損預(yù)測。這一信息引導(dǎo)收獲決策，指示收獲的時間，哪些水果適宜冷藏，哪里是水果從可接受到不可接受的質(zhì)量或消費者口味的分類界限，哪些水果因不滿足所需的特性而要從分類/包裝操作中分開，例如堅固度，白利糖度，顏色和其它特性。
本發(fā)明實施的裝置和方法寄望于多于一個來自樣品的光譜區(qū)的測量和使用，在本例中，葉綠素吸收區(qū)和NIR區(qū)，包括高吸收950-1150 O-H區(qū)的應(yīng)用是用曝光樣品于多于一個強度的光源或曝光光探測器于多于一個曝光時間，例于雙強度光源或至少兩個強度的光源，或用多于一個光探測器80探測來自樣品的光，使每個光探測器80對不同光譜檢測，例如用濾波一個或多個光探測器80或在樣品30和光探測器80之間，或在光探測器80輸出82與光譜儀170輸入之間等來實現(xiàn)。圖1表示濾波光源120允許樣品30曝光于不同光強。圖2表示多于一個光探測器80的使用，其中濾波在樣品30和光探測器80之間，允許不同光譜區(qū)的探測。表示于用3A的實施例是，光源是一組離散波長LED 257，樣品曝光于一組光強。光源120的強度將選擇成能對光探測器80提供光輸出，使光探測器80能給出在所要的光譜區(qū)內(nèi)最佳S/N數(shù)據(jù)。在第一通道中，低強度光源用來照射如蘋果的樣品，從而在700-925nm區(qū)獲得可接受的S/N比的數(shù)據(jù)。在較高(＞925nm)和較低(＜700nm)波長，由于低的光電平，光譜主要由噪聲覆蓋，所以是沒有用的。在第二通道，選擇較高強度的光源來照射樣品，使探測器陣列在700-925nm區(qū)飽和，而在500-600nm的紅色區(qū)，600-699nm的葉綠素區(qū)和926-1000nm的O-H區(qū)獲得有可接受的S/N比的數(shù)據(jù)。從兩個通道的每個通道來的數(shù)據(jù)包括分開的數(shù)據(jù)輸入，供給模數(shù)變換器，用于計算機處理。相同的光譜儀和A/D用于臺式單元，那里依次收集兩個光譜。在線使用兩臺光譜儀，每臺都有它自己的A/D。在一個實施例中，使用外部到計算機的A/D卡，它是串行的并由海洋光學(xué)公司提供。這提供了為多通道進入數(shù)據(jù)分析器的方法，用于由軟件分析。在這一例中，海洋光學(xué)公司驅(qū)動器，此后稱為驅(qū)動器，接收MS“C”或基本可見光，1)確定從樣品探測的光譜或2)把數(shù)據(jù)置于預(yù)測算法之下，并產(chǎn)生輸出。顯示控制計算機程序或軟件周期性地要求驅(qū)動器提供要組合的光譜。然后，用標準顯示軟件，該數(shù)字組合產(chǎn)生輸出顯示，它代表從每個樣品探測的整個光譜范圍。對于每個樣品都可能有多光譜數(shù)據(jù)。例如，光譜取樣協(xié)議可查找多通道中每個通道的50個光譜樣品，例如在把水果樣品置于低強度光源下的通道期間，50個光譜樣品和在把水果樣品置于高強度光源下的通道期間分開的50個光譜樣品。每個通道的總持續(xù)時間將由分類/包裝線的速度確定，且可限于每樣品約5毫秒。但是，應(yīng)認識到，對所有實施例和樣品類型，其它取樣時間和策略都在本發(fā)明的應(yīng)用范圍內(nèi)，只是作為不同的樣品和不同的實施例使用。在分類/包裝線上處理的樣品為蘋果的地方，期望在每個連續(xù)的蘋果之間有小的空隙。從該蘋果間的空隙獲得的光譜和在樣品或蘋果前沿和后沿獲得的光譜將被放棄。當(dāng)蘋果或其它水果在光探測器80下移動時，被探測的光譜數(shù)據(jù)將是樣品30輸出的數(shù)據(jù)，它代表樣品30對光源120的曝光點和對光探測器80探測的光譜輸出點之間的路徑中樣品30部分的光譜數(shù)據(jù)。借助于每一光譜的數(shù)學(xué)檢查，例如通過計算機自動檢查，這一方法可確定是否有來自分類/包裝線樣品傳送機295中的蘋果或蘋果間空隙的光被探測器80探測。當(dāng)蘋果通過時這一方法也能用光探測器80(它具有到光譜儀170的輸出82)探測蘋果前沿和后沿邊緣。從這一數(shù)據(jù)可辨別來選擇特定光譜的樣品，它是期望從樣品或蘋果的中間截面得到的光譜。用每個光譜(在線)的數(shù)學(xué)檢查未確定它是否是好的蘋果譜或線材料的光譜。對分類/包裝線的樣品傳送機上的每個樣品30，由光探測器80探測的周期是由初始段組成，那里用光探測器80和光源120之間的屏蔽使光探測器80或探測光纖只暴露于環(huán)境光。
當(dāng)樣品30，例如蘋果，在光屏蔽284下并與直接觸移入時，蘋果的前沿或邊開始暴露，使光探測器能探測從蘋果來的光譜輸出82，光屏蔽284例如可以是屏障285。繼續(xù)在光屏蔽284下移動樣品30，使光探測器80暴露于來自樣品30的光譜輸出82，直到樣品30移到樣品30的后沿或邊仍然暴露于光源120的點。然后，樣品30移過光屏蔽284，且所有來自光源120的光在光探測器80和光源120之間被阻斷。這樣，由光探測器80探測的初始光譜將是樣品30的前沿或邊接近屏障285時的光譜。在樣品30前沿暴露于光源120初始時刻與樣品30的后沿或邊暴露于光源120的時間之間中間光譜的測量將包括光探測器80或光采集在最佳位置探測最能代表當(dāng)光源120照射樣品30時，來自樣品30的光譜輸出特性的光譜，樣品30例如蘋果，其它水果或其它O-H，C-H或N-H材料。在優(yōu)先例中，為容易處理數(shù)據(jù)，光探測器80模擬輸出80由A/D卡變換成數(shù)字數(shù)據(jù)。計算機程序或軟件測試該數(shù)據(jù)以決定接受或放棄。每一光譜樣品30接受的判據(jù)是由預(yù)期的樣品30的光譜輸出82確定的預(yù)定光譜特性，例如在樣品為蘋果時，其判據(jù)將是探測從250至1150nm落在對蘋果預(yù)期的光譜內(nèi)的光譜。在分類/包裝線上蘋果間間隙的探測將被認為沒有蘋果。對每個樣品30收集的光譜是對預(yù)測算法的輸入，如圖1C的流程圖所示。例如50個光譜的多光譜被光探測器80對每個樣品探測，計算機程序把每個探測的離散光譜與來自特定樣品的預(yù)期光譜比較，放棄不滿足判據(jù)的光譜，保留的光譜，例如40-50個樣品，被組合起來，提供成為對預(yù)測算法的輸入光譜。平均來自樣品的多光譜，以提供代表蘋果上多點的單一平均光譜，蘋果可以在通過檢測器旁邊時旋轉(zhuǎn)，例如，相對于分類線行進的方向順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，樣品的逆時針運動指出有更好的測量，這樣，能給出樣品表面更大的覆蓋。一旦算出樣品的平均吸收光譜，則將該光譜與回歸矢量相乘(通過矢量乘的點積)?；貧w矢量是從以前的計算工作中獲得的，并存在計算機內(nèi)。對每個被預(yù)測的參數(shù)有一個分開的回歸矢量，例如堅固度，白利糖度。光譜輸出82被預(yù)測算法處理的結(jié)果將確定樣品的預(yù)測特性對每個樣品，例如蘋果或其它水果，確定的的特性將用于對樣品30作出去除或安排的決策，例如包括1)在包裝/分類線上，不同的特性將用于分類和包裝決策，例如，根據(jù)顏色，大小，堅固度，由酸度和白利糖預(yù)測的味道等決策，2)指示損壞的特性可觸發(fā)特殊的樣品30從包裝/分類線上消失的方法。
蘋果的分類和包裝同樣包含對每條線的多個包裝/分類照射或光源120和光探測器80。當(dāng)樣品30為較小的水果時，例如葡萄或櫻桃，可以有單個或多個光的多個光檢測器來檢查和收集來自一盤這種小水果的數(shù)據(jù)，而不是檢查每個離散的葡萄或櫻桃。對每個樣品30，獲取和測試數(shù)據(jù)以確定該數(shù)據(jù)是否相應(yīng)于預(yù)設(shè)判據(jù)，后者具有滿足預(yù)設(shè)判據(jù)的選擇數(shù)據(jù)，并且，如果不滿足預(yù)設(shè)判據(jù)則放棄。由光檢測器接收的數(shù)據(jù)組合起來組成取樣的總光譜?？偣庾V與預(yù)測算法比較，并作出關(guān)于樣品30的決策，包括分類/包裝決策?？偣庾V與預(yù)測算法比較的結(jié)果提供一組或其它輸出用于最終使用，包括用于指向分類設(shè)備的計算機的信息。
光源120的工作能使可再生的數(shù)據(jù)以很好的S/N快速收集，即使在高的光散射和吸收(250-699nm區(qū))和強吸收(＞950nm區(qū))的情況。在優(yōu)先例中的燈123是12伏，75瓦的鎢鹵燈。但是，可以使用但不限制的其它光源包括光發(fā)射二極管，激光二極管，可調(diào)諧二極管激光器，閃光燈和其它這類光源，它將提供等效光源并為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。燈保持2伏的靜止電壓。當(dāng)進行測量時，燈上升到所需要的電壓，簡單的延時使燈輸出82穩(wěn)定，然后收集光譜。在數(shù)據(jù)收集后，燈下降到靜止電壓。這一方法延長了燈的壽命并避免燒毀樣品。在高速工作中，燈可以總是亮著的，例如，在高速包裝/分類線上或收獲設(shè)備上，光“斷路”或短路或其它等效的技術(shù)或方法可用來提供以一定周期通過樣品的光。光源的工作在延長燈壽命，減少工作消耗和減少破壞工作的時間方面是重要的。燈123的電壓升高和降低，以保持燈123的壽命和減少燒壞水果的可能性。預(yù)熱電壓保持燈123的燈絲預(yù)熱。環(huán)境/房間光背景測量用于糾正黑色光譜，它可包括環(huán)境光。儲存背景光譜并從樣品和基準(如果可應(yīng)用的話)光譜中減去，使沒有環(huán)境光對樣品光譜的貢獻，它會影響準確度。雙強度照射用于1)用于改善高于925nm和低于700nm的數(shù)據(jù)準確度，2)歸一化由于散射的路徑長度改變。雙曝光時間增加了大、小水果提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的可能性。多于一個光探測器80的利用，每個位于離樣品不同的距離，同樣增加從約250nm至1150nm的每一部分光譜獲得高數(shù)據(jù)質(zhì)量的可能性。
確定預(yù)測算法中的其它步驟包括用電極測量確定pH基準和用抽取的果汁的端點滴定確定總酸度的基準。在NIR光譜與基準數(shù)據(jù)(pH和總酸)之間進行相關(guān)。業(yè)內(nèi)人士熟知的方法，如部分最小平方(PLS)用于確定NIR光譜與所選的參數(shù)(例如pH)的相關(guān)關(guān)系。一旦建立這種相關(guān)關(guān)系，PLS用來產(chǎn)生來自校準樣品的回歸矢量。這一回歸矢量與樣品光譜的點積用于預(yù)測樣品的特性。NIR分析可直接在果汁上執(zhí)行，得到與白利糖度，pH，和總酸度很高的相關(guān)關(guān)系。使用商用的“浸入探針”，它是光纖制造商或包括處理分析的公司的一般商品。除了用PLS定量分析白利糖度，堅固度，pH和酸度以外，基本成份分析(PCA)也對NIR譜數(shù)據(jù)執(zhí)行。PCA不同于PLS，它不需要基準數(shù)據(jù)。PCA允許對硬與軟蘋果和低與高pH樣品的分類。這種分類算法足以達到產(chǎn)品分開的目的。用PCA，低質(zhì)量水果能從一批樣品中移走，最高質(zhì)量的水果分入優(yōu)質(zhì)類，從低質(zhì)量水果總是觀測到比高質(zhì)量水果有較高的pH電平。
圖4表示本發(fā)明的另一實施例，包括至少一個由傳輸物傳輸?shù)墓庠?20，例如光纖或其它用于傳輸光的等效物；樣品30，它有樣品表面35；定位從至少一個光源120的光最接近樣品表面的輸入機構(gòu)；至少一個亮度探測器；定位至少一個亮度探測器最接近樣品表面的輸出機構(gòu)；至少一個光源120和至少一個亮度探測器，借助于所提供的定位件，例如，壓向樣品表面的定位彈簧，定位于相對樣品表面或反面；由至少一個光源120或至少一個亮度探測器作用于樣品表面的壓力受樣品的表面特征和/或測量方法的特點的限制，亦即在樣品表面會受到損壞或高速測量中允許對每個分開的樣品接觸的時間受限的情況下壓力可減少。照射亮度被傳遞到表面，例如被光纖或其它等效的狀態(tài)；至少一個設(shè)備或方法測量從樣品探測的亮度。光源，這里可以是寬頻帶燈，例如但不限于鎢鹵燈或等效的燈，它可產(chǎn)生在250-1150nm范圍內(nèi)的光譜，并有2500至3500°K的燈絲溫度；其它寬頻帶燈，依據(jù)樣品30，要預(yù)測的特性，和所用的實施例可使用；至少測量亮度的一個設(shè)備或方法可以是具有至少一個輸入的光譜儀；至少一個光譜儀可包括，例如，1024線陣列探測器，業(yè)內(nèi)人士認識到其它這類探測器將提供等效的探測；至少一個照度探測器可以是光檢測纖維或其它等效探測器，包括，例如光纖光檢測；至少一個照度探測器收集由至少一個光譜儀輸入所接收的光譜；在本例中的樣品來自CH，NH，OH的化學(xué)組或堅固度，密度，顏色和內(nèi)部及外部缺陷的物理特性。此外，光源120可包含一組照射纖維。在本例中，一組照射纖維可以是陣列，使每個照射纖維與相鄰的照射纖維等距離；至少一個照度探測器可以，在本例中，位于照射纖維陣列的中心。在本發(fā)明的實施例中，一組照射纖維可以由例如32個照射纖維組成，且光源120可由例如5瓦鎢鹵燈或其它等效光源提供或至少二個光源提供的一組照射源提供，例如至少兩個50瓦光源。照射源可由，例如，帶有冷卻風(fēng)扇的聚焦橢圓反射鏡組成。在本例中，至少一個照度探測器可包括一組光探測器80，它可以是陣列，使每個照度探測器與相鄰的光探測器80等距離；在采用二個光源的地方，在照射纖維陣列中，它們可以相對于照度探測器45°定位。在本發(fā)明的附加例中，一組光探測器80可包括22個照度探測器。本發(fā)明的實施例可包括至少一個5W鎢鹵燈組成的光源120；至少一個照度探測器是單探測纖維；光源120相對于樣品30放置在探測纖維的遠端。如果對樣品表面的測量是非接觸狀態(tài)，則可替代的實施例可包括在光源120和樣品之間的偏振濾波器，例如它可由線偏振濾波器或等效的普通業(yè)內(nèi)人士了解的濾波器提供；匹配偏振濾波器位于至少一個照度探測器和樣品之間，它可用例如相對于光源120和樣品之間的線偏振濾波器旋轉(zhuǎn)90°的線偏振濾波器提供。
上面描述的方法，使用專門選擇包括黃色素吸收波段(250-499nm)，紅色素吸收波段(500-600nm)和綠色素或葉綠素吸收波段(601-699nm)的可見光輻射(250-699nm)以及NIR(700-1150nm)輻射，來與白利糖度，堅固度，pH，酸度，密度，顏色以及內(nèi)部與外部缺陷相關(guān)，并用各種裝置來實現(xiàn)。
在描述本發(fā)明的優(yōu)先例的同時，對業(yè)內(nèi)人士十分明顯，可做許多改變和修改而不偏離本發(fā)明更廣泛的應(yīng)用方面。因此，附上的權(quán)利要求試圖覆蓋所有這些改變和修改，作為在本發(fā)明的實際精神和范圍之內(nèi)。附圖的附加說明圖9是仰視圖，表示本發(fā)明的附加例，說明至少一個光探測器具有向光譜儀170的輸出82，光譜儀有探測器200，共照度透鏡78在至少一個探測器80和樣品30的中間，探測器80定位于探測來自樣品30的光。光源120燈123；盒250在光源120燈123與由樣品傳送機295傳送的樣品30中間，孔徑310允許樣品30由光源120燈123照射，最少的快門300在光源120燈123與孔徑310中間?？扉T300可由快門操作裝置操作，快門控制裝置305接收來自CPU的控制信號，CPU給出快門控制輸出307?；鶞使鈧鬏斞b置81包括從光源120燈123接收基準光輸出光纖，基準光快門301可由快門控制裝置305接收來自CPU172的控制信號，該CPU具有快門操作控制輸出307?；鶞使鈧鬏斞b置81提供對光譜儀170的輸入。CPU172提供燈電源125給光源120燈123。光譜儀170，接收來自基準光傳輸裝置81的輸入，給出輸出，作為對CPU172的輸入。光譜儀輸出82經(jīng)A/D變換，形成對CPU172的輸入。光譜儀170，接收來自探測器的輸入，輸出82作為CPU接收的輸入。對光源120燈123，控制器80，快門300，快門控制裝置305，基準光傳輸裝置81和盒250的安裝手段如在其它結(jié)構(gòu)中所述。編碼/脈沖產(chǎn)生器330輸入到CPU172，提供樣品傳送機295的運動數(shù)據(jù)。計算機程序操作CPU172的數(shù)據(jù)收集和控制功能。
圖10表示用分光儀檢測器測量水果和蔬菜，而水果和蔬菜在二個樣品傳送機295上運動。圖示接近檢測裝置340的樣品。說明的是樣品輸送機295，盒250，共照度透鏡78。
圖10A是圖10的截面，表示以反射裝置的形式接近檢測裝置340。
圖11表示光源120燈123基準測量的方法，其中強度對波長的輸出也可用反射裝置360獲得。當(dāng)根據(jù)反射控制裝置作為從CPU172的輸出支配作反射測量時，反射裝置360可通過孔徑310插入，例如盒250內(nèi)。CPU通過裝置探測樣品30是否存在，當(dāng)樣品在“n”時間增量內(nèi)不存或樣品傳送機295的運動提供反射控制裝置38控制信號給反射定位裝置306，例如由裝置操作的線性傳動或旋轉(zhuǎn)螺線管，該裝置例如由電力、氣力、水力，或其它能源裝置推動的機械。
圖12和13表示把基準裝置430機械插入或接近通常樣品實際測量時位置。插入由插入裝置實行，包括但不限于傳動系統(tǒng)400。
圖14和14A表示減少裝置結(jié)構(gòu)寬度的方法，它是用把光源120燈123安裝在樣品的遠端，該樣品的光譜來自反射裝置360和透鏡78指向樣品或來自基準光傳輸裝置320，后者是通過孔徑310接收的光譜。
圖15和15A表示對樣品30的光譜探測，而不是離散的增量，例如蘋果，包括如土豆片，其中光源120燈123照射樣品，用探測器80接收輸入，用光探測器輸出82作為光譜儀170探測器200的傳送輸入。在這一圖中，透鏡130放在樣品30和探測器80之間。圖15和15A詳細畫出了濾波器130和安裝方法，單個探測器80。
由計算機程序控制的CPU沒有畫在圖10，10A，11，12，13，14，14A，15或15A，因為業(yè)內(nèi)人將能從本發(fā)明的其它附圖中理解這種結(jié)構(gòu)。附加詳細說明可見光/近紅外檢測器的校準概述所需的校準說明于原始申請09/524329中，其中的章節(jié)用頁/行表示如下1/18；3/17，22，28；4/2；8/8；9/4；9/14；12/16；16/8；22/5；31/21；33/19；39/10；43/4；47/1；52/13等等。折光儀品質(zhì)和質(zhì)量的校準包括建立算法，它把單個水果或蔬菜的可見光和近紅外光譜與一個或多個下列參數(shù)組合起來白利糖度(包括，但不限于糖含量，或甜度，或可溶性固體含量)；酸度(包括，但不限于總酸度，或酸味，或蘋果酸含量或檸檬酸含量或酒石酸含量)；pH；堅固度(包括，但不限于脆性或硬度)；內(nèi)部不規(guī)則性或缺陷，包括，但不限于水心，發(fā)黑，爛芯，昆蟲侵入。此外，上面收集的單個性能數(shù)據(jù)可組合如下用糖含量與酸含量的比來更好的預(yù)測吃的質(zhì)量，味道，甜/酸比；用下列兩個或多個數(shù)據(jù)的組合來更好地預(yù)測吃的質(zhì)量糖含量，酸含量，pH，堅固度，顏色，外部和內(nèi)部不規(guī)則性。
把可見光/NIR檢測器與包裝，分類和傳送系統(tǒng)結(jié)合起來，并把收集的數(shù)據(jù)與產(chǎn)品位置/最佳收集樣品數(shù)據(jù)的位置和基準及標準化數(shù)據(jù)同步起來。
檢測的樣品數(shù)據(jù)，包括樣品是否存在，說明在原始申請中，以頁/行表示如下20/20；36/8等等。折射儀檢測器測量在傳送機295系統(tǒng)上運動中的水果和蔬菜，用于分類和包裝侖庫，示于圖10和圖10A，并按下列進行樣品30存在或不存在和樣品30相對于光譜測量點的定位/位置用下列一個或多個方法確定1)樣品30位置確定裝置和/或樣品傳送機295位置確定裝置，例如由編碼器或脈沖產(chǎn)生器330提供，見圖9，組合樣品傳送機295和探測樣品傳送機295的運動，提供一個或多個電子或數(shù)字信號給CPU，該CPU由計算機軟件控制激發(fā)控制信號去起動或停止光譜的收集，2)光譜本身自動地由計算機程序或程序化硬件檢查，例如，數(shù)字信號處理器，來確定被測樣品是否在最佳位置，3)最接近的檢測裝置340，包括但不限于最接近的磁感應(yīng)、光學(xué)、機械檢測器；和已知作為客觀存在的檢測器，例如透光束或反射檢測器341，也被用來提供關(guān)于位置的信息，亦即產(chǎn)品在包裝或分類線上相對于NIR檢測器的位置和指向，例如，光探測器80，和/或樣品30的大小，這種最接近的檢測裝置340和它們的應(yīng)用，對業(yè)內(nèi)人士來說是普通的知識。最接近檢測裝置340可旋轉(zhuǎn)于長度的1，2，3或…n單元，例如杯或袋或傳送帶長度，在NIR檢測器之前，例如探測器80，未指示是否1，2，3或…n更多的空的空間，例如杯或袋或已知一定的傳輸帶長度，依次存在，這樣，允許有更多的時間用于處理暗光譜和/或基準光譜和/或標準/校準樣品。用一個或多個上面提到的方法，樣品30的存在或不存在是在特定樣品傳送機295系統(tǒng)的給定長度的確定的。如果樣品30存在，當(dāng)樣品通過光源120燈123時，多個可見光和近紅外光譜被收集，提供光探測器輸出82和光譜儀170探測器200的輸入；這種光的收集可用共照度透鏡78和/或其它光傳輸裝置，例如包括光纖來獲得，把經(jīng)與樣品30相互作用的光傳給光譜儀170探測器200。如果沒有樣品存在，則進行其它基準測量，以改善前面提到的暗光譜、基準光譜(燈強度和顏色輸出)，和標準/校準樣品的穩(wěn)定度和準確度，它可以是具有已知且可重復(fù)光譜特性的光纖或聚合物或有機材料。沒有樣品時的測量包括，但不限于1)測量光源的基準光譜(強度對波長)，2)測量一個或多個光譜儀170探測器200的暗電流(無光情況)，包括但不限于取樣光譜儀170和基準光譜儀170，和3)標準或校準樣品或濾波器130或材料。
獲得燈的光譜，用于確定基準光輸出和獲得探測器的基線暗電流?；鶞使庾V和暗光譜與樣品光譜一起用來計算產(chǎn)品的吸收光譜。
參考基準，基線和暗光譜說明于起始的申請中，以頁/行表示如下12/18；39/10；52/14等等。計及光強或顏色輸出變化的基準測量可用基準傳輸裝置320獲得，例如可分枝的光纖束，光管或其它傳輸光的裝置具有公共終端322，提供對基準光譜儀170的輸入，在分枝的地方，一個或多個分枝終端81，每個的安裝使只有來自光源120燈123的光進入基準光傳輸裝置320。快門300放在每個光源120燈123與每個基準光傳輸裝置320之間。至少一個快門300被快門控制裝置305，包括例如由線性傳動裝置或旋轉(zhuǎn)螺絲管或其它機械或氣壓設(shè)備，或一起驅(qū)動的控制裝置打開或關(guān)閉。
系統(tǒng)中每個光源120燈123可被分別測量，根據(jù)存儲的強度對波長光譜的曲線以確定它是否損壞或需要很快替換。來自基準光傳輸裝置320的組合強度用作基準光譜，用于計算吸收(或log 1/R)譜，它與濃度(例如百分比白利糖度或酸度或硬度的磅，等等)成線性關(guān)系。
關(guān)閉所有基準光傳輸裝置320的快門330，對光譜儀170探測器200的暗電流(無光情況)進行測量。暗電流極大地受溫度的影響，并必須周期性測量，它的強度值(在每個波長或探測器象素)從快門330打開時測得的基準光譜中減去。
取樣光譜儀170探測器200的暗電流也必須周期性地測量，用關(guān)閉快門330的辦法，該快門放置在光源和樣品30之間，或放在樣品30與取樣光譜儀光收集光纖，這里為探測器80之間。對基準測量也一樣，取樣光譜儀170的暗電流必須從快門打開時獲得的樣品光譜中減去。很明顯，對用于光源120燈123測量的光譜儀170，以及用來收集探測器80光譜輸出82的光譜儀170在計算機程序控制的CPU中，處理與樣品特征有關(guān)的算法時必須進行基準測量。
用快門手段的基準測量說明于圖9中，圖9是仰視圖，表示本發(fā)明的附加例，說明至少一個光探測器80具有至少一個輸出82給至少一個光譜儀170，該光譜儀至少有一個探測器200。至少一個共照度透鏡78在至少一個光探測器80和樣品30中間。至少一個光探測器80定位于探測來自樣品30的光。至少一個光源120燈123；屏蔽裝置在至少一個光源燈123和由樣品機傳送的樣品30之間。在屏蔽裝置中，至少有一個孔徑310，允許由至少一個光源燈123照射樣品30。業(yè)內(nèi)人士明白，儀器盒或容器將是安裝本發(fā)明所有實施例中元件的裝置。很明顯，盒250可提供屏蔽和安裝用于本發(fā)明的裝置。至少一個光中斷裝置在至少一個光源120燈123和至少一個孔徑310之中間。光中斷裝置，例如由快門300裝置提供，至少一個快門300可由至少一個快門控制裝置305操作，例如線性傳動裝置或旋轉(zhuǎn)螺絲管，它們由電力，氣壓，水力或其它能源裝置機械驅(qū)動，或其它快門裝置，包括由操作的液晶屏。至少一個快門控制裝置305接收來自至少一個CPU的控制信號，該CPU具有至少一個快門操作控制輸出307。至少一個基準光傳輸裝置81包括，例如，包括分枝的光纖，接收來自至少一個光源燈123的基準光輸出。至少一個基準光中斷裝置，例如由快門301組成，在至少一個光源120燈123與至少一個基準光傳輸裝置81中間。至少一個基準快門301可由至少一個快門控制器305操作，例如，線性傳動裝置或旋轉(zhuǎn)螺絲，它們由電力，氣壓，水力或其它能源裝置機械驅(qū)動，或其它快門裝置包括，例如被操作的液晶屏。至少一個基準光快門301控制裝置305接收來自至少一個CPU的控制信號，該CPU具有至少一個快門操作控制輸出307。至少一個基準光傳輸裝置81提供輸入給至少一個光譜儀170探測器200。至少一個CPU172提供至少一個燈電源輸出125給至少一個光源120燈123。至少一個光譜儀170，接收來自至少一個基準光傳輸裝置81的輸入，該傳輸裝置至少有一個輸出82，它是作為至少一個CPU的輸入接收的。光譜儀輸出82經(jīng)A/D變換，形成對至少一個CPU172的輸入，至少一個光譜儀170，接收來自至少一個探測器輸出82的輸入，作為對至少一個CPU172的輸入，光譜儀輸出82經(jīng)A/D變換，形成對至少一個CPU172的輸入。安裝對光源120燈123，探測器80，快門300，快門控制裝置305，基準光傳輸裝置81和盒250是重要的。編碼器/脈沖產(chǎn)生器330輸入至CPU172，提供樣品傳送機運動數(shù)據(jù)，計算機程序操作CPU數(shù)據(jù)收集和控制功能。
光源120燈123的強度對波長輸出的基準測量也能用反射裝置360獲得，如圖11所示，包括，但不限于，例如鏡子或其它反射或散射材料，包括粗糙的鋁，金，Spectralon，特氟論，毛玻璃，銅。反射裝置360把反射光源120燈123的光，定位于探測器80，該探測器有被光譜儀170探測器200接收的輸出82。共照度透鏡78可位于探測器80和被反射裝置360反射的光中間。反射裝置360可通過孔徑310插入定位，例如在用盒250的地方，當(dāng)根據(jù)反射控制裝置308，作為從CPU172的輸出的要求進行反射測量時。CPU172通過裝置，探測樣品30是否存在，和何時自樣品30對“n”時間增量不存在或樣品傳送機295的運動提供反射控制裝置308的控制信號給反射定位裝置306，例如線性驅(qū)動裝置或被裝置操作的旋轉(zhuǎn)螺絲管，例如由電力，氣壓，水力或其它能源裝置機械推動的裝置。反射裝置360，當(dāng)基準測量中止并且樣品30的光譜測量重新開始時，能根據(jù)CPU172的輸出，由反射控制裝置308取出。
用于獲得基準光譜的光反射或散射體也可由基準裝置430的機械插入或接近通常實際樣品被測量的位置來獲得，如圖12和13所示。它在光源120燈123和導(dǎo)向取樣光譜儀120探測器200的基準光傳輸裝置320之間。插入是用插入裝置進行的，包括，但不限于驅(qū)動裝置系統(tǒng)400，依據(jù)接收的控制信號或包括控制信號的普通技術(shù)所認知的手段或從CPU提供的手段，來操作驅(qū)動裝置410把活塞420伸長到421并縮回到422，如圖12和13所示。電源能，包括電力，氣壓，水力和其它裝置被用來由能量傳輸裝置440操作驅(qū)動裝置，如普通的專業(yè)人士理解的那樣。
CPU172，由計算機程序控制，沒有畫在圖10，10A，11，12或13中，因為業(yè)內(nèi)人士能從觀測這里的其它附圖理解這種結(jié)構(gòu)。
實現(xiàn)整個產(chǎn)品的測量(最小化局部測量的誤差)一個或多個方法所用來確定單個水果或蔬菜樣品30的大小和重量。用于確定產(chǎn)品大小的方法包括，但不限于1)用通常的工業(yè)檢測器分別確定重量或質(zhì)量，2)用顏色分類器或缺陷分類器數(shù)據(jù)(例如從攝像機或CCD圖像)，3)用其它基于磁感應(yīng)，光反射或多光束屏障的尺寸檢測器，通常用于其它工業(yè)。樣品30的相對大小可被用來調(diào)節(jié)硬件光譜收集參數(shù)或光總量(借助于改變孔徑310的大小)，以提供(對大樣器30)改善的信噪比和/或避免對小樣品30探測器80被光飽和，例如，探測器80的曝光或積分時間，對大樣品30設(shè)置更長的時間周期，對小樣品設(shè)置較短的時間周期。
用觀察從單個產(chǎn)品收集的多個獨立光譜和把低質(zhì)量或“局外的”光譜移走的方法改善確度，然后，從對暗，基準和樣品收集的原始數(shù)據(jù)計算吸收光譜。
從對每個獨立產(chǎn)品樣品30收集的系列光譜中的每個獨立光譜，用計算機程序或程序化硬件進行觀察。從這批光譜中刪除低質(zhì)量光譜，留下的光譜用于組分或性質(zhì)預(yù)測。產(chǎn)品保留的光譜與適當(dāng)?shù)幕鶞屎桶惦娏鳒y量相聯(lián)系，以產(chǎn)生吸收光譜如下吸收光譜＝-log10[(樣品強度光譜-樣品暗電流光譜)/(基準強度光譜-基準暗電流光譜)]。亦即吸收光譜等于負的以10底的暗電流校正的樣品光譜與暗電流校正的基準光譜之比的對數(shù)。
對每個產(chǎn)品樣品30的所有吸收光譜組合起來，產(chǎn)生樣品的平均吸收光譜。這一平均的吸收光譜可用來根據(jù)以前儲存的校準算法計算感興趣的成份或性能。另外，每個吸收光譜可獨立地與以前儲存的校準算法一起用，來計算對單獨產(chǎn)品的感興趣的多個成份或性能結(jié)果，接著確定平均成份或性能，用把所有值加起來除以吸收光譜數(shù)目的辦法計算。
用于測量樣品的方法和產(chǎn)品上連接位置的重要性，其中可見光/NIR數(shù)據(jù)在該同一位置收集，該位置由實驗室基準技術(shù)測量。
校準如下進行1)測量樣品30的光譜，并儲存吸收光譜(經(jīng)對基準和暗電流糾正)，2)對樣品30作標準實驗室測量(它常是破壞性的)，注意，樣品30在光源120燈123與光收集探測器，如光探測器80之間向著光譜儀170的部分要與用標準實驗技術(shù)測量的樣品的部分相同，這對NIR法的成功十分重要。
對用于整個水果和蔬菜分類和包裝工作的許多樣品傳送機295來說，產(chǎn)品可以滾動或不滾動通過NIR測量位置傳送。如果在樣品滾動時收集產(chǎn)品的吸收光譜，那么任何一次測量(一個光譜)的精確位置通常是不知道的，因此，必須分析整個產(chǎn)品(作為對著一個固定點)用于感興趣的成份或性能。如果校準算法是以這樣的方法來建立的，則對所有對獨立產(chǎn)品保留的光譜取平均來產(chǎn)生平均吸收光譜，且總的產(chǎn)品成份或性能歸因于這一種吸收光譜。
由于大多數(shù)水果和蔬菜是不均勻的，其成份水平隨位置而變化，因此，要優(yōu)先開發(fā)對不滾動的產(chǎn)品樣品30的校準模型，使每一個收集的光譜來自產(chǎn)品30上已知的物理位置。于是，實驗室測量的產(chǎn)品樣品30的部位應(yīng)與光譜探測的部位相同。當(dāng)用這一方法時，在實驗室分析之前，整個水果或蔬菜樣品30可分割，例如切割或分片成較小的子部分。這些較小的子部分，每個相應(yīng)于產(chǎn)品樣品30內(nèi)NIR數(shù)據(jù)收集的同一位置；NIR數(shù)據(jù)收集的時間周期，分別相應(yīng)于較小或較大產(chǎn)品樣品的測量，可調(diào)節(jié)到更短或更長的時間。在這種情況下，產(chǎn)品樣品30的每一部分將有與特定位置有關(guān)的一個或多個光譜。然后，把實驗室確定的成份或性能賦于每一個光譜或來自特定位置的光譜。
在進行統(tǒng)計相關(guān)分析和校準模型建立之前，對吸收光譜執(zhí)行數(shù)學(xué)處理。
吸收光譜用箱式和平滑功能作預(yù)處理，部分最小平方分析(或其變種，如分段直接標準化)用來把處理的吸收光譜與歸因的成份或性能值連系起來，例如白利糖度，酸度，pH，堅固度，顏色，內(nèi)部或外部不規(guī)則程度和類型，和食用質(zhì)量。
最小化需要開發(fā)校準模型的樣本數(shù)的方法。
為了把校準模所需樣本數(shù)減到最小，可用下面的方法1)對所有測試樣品30收集光譜，2)在有損實驗室測量之前，對吸收光譜作基本成份分析(PCA)，3)然后從PCA產(chǎn)生結(jié)果分值圖(例如分值1對分值2，分值3對分值4，等等)，4)原始樣品的子組(例如40％的原始樣品數(shù))從分值圖中或以隨機方式或選擇一組的方式選出，得到與整個原始樣品30但分值的相同范圍，均值和標準差。
校準需周期性地更新，以保持測量的準確性，特別是對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品樣品30，它的成份隨生長條件和品種而改變。有幾種方法能用來減少校準更新工作。當(dāng)水果或蔬菜樣品30在包裝和分類侖庫中被分析時，它們的可見光/近紅外光譜可用軟件檢查，以確定樣品是否有資格作為校準更新樣品30。好的校準更新樣品30將覆蓋低至高的成份值，并且它的分值要覆蓋原始樣品30分值的同樣范圍。
權(quán)利要求
1.一種確定樣品特征的方法，包括A.建立在樣品特征和來自有內(nèi)心樣品的吸收和散射光之間相互關(guān)系的算法；B.用頻譜儀照射樣品的內(nèi)心；C.探測來自樣品的吸收和散射光譜；D.計算樣品的特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括A.建立產(chǎn)生回歸矢量的算法，該回歸矢量把VIS和VIR光譜與白利糖度，酸度，密度，pH，顏色和外部及內(nèi)部缺陷和不規(guī)則性聯(lián)系起來；B.儲存回歸矢量于有內(nèi)存的CPU，作為預(yù)測或分類校準算法；C.用250至1150nm的光譜照射樣品內(nèi)部；D.把來自樣品內(nèi)部的吸收和散射探測光譜輸入到光譜儀；E.把探測光譜作模數(shù)變換，并把變換的光譜輸入到CPU；組合探測的光譜；F.把組合光譜與儲存的校準算法比較；G.預(yù)測樣品的特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括A.特征為化學(xué)特征，化學(xué)特征包括酸度，pH和糖含量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括A.特征為物理特征，包括堅固度，密度，顏色，外觀和內(nèi)部及外部缺陷和不規(guī)則性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括A.特征為消費者特征。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括A.取樣是從一組C-H，N-H或O-H化學(xué)組的樣品取樣；B.用頻譜儀照射樣品內(nèi)部，包括用可見光和近紅外光；C.分別對白利糖度，堅固度，pH和酸度相對于來自被照射樣品輸出的光譜的相關(guān)分析建立算法；D.用光探測器探測來自樣品的散射和吸收光譜。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.用250至1150nm的頻譜儀照射樣品內(nèi)部；B.屏蔽來自照射光譜的光探測器光纖；C.在680nm附近測量葉綠素的光譜；D.把白利糖度，堅固度，pH和酸度特征與測得的光譜相關(guān)。
8.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1方法的裝置，其特征在于包括A.至少一個光源；有樣品表面和內(nèi)心的樣品；定位至少一個光源最接近樣品表面的輸入機構(gòu)；B.至少一個光探測器；定位至少一個光探測器最接近樣品表面的輸出機構(gòu)；C.至少一個測量來自樣品的被探測亮度的機構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個照射源產(chǎn)生250-1150nm范圍內(nèi)的光譜；B.至少一個測量亮度的裝置是光譜儀，光譜儀至少有一個輸入；C.至少一個光探測器是光檢測光纖；至少一個光探測器收集由至少一個光譜儀輸入的光譜；光譜儀有至少一個光譜儀輸出通道；具有至少一個CPU輸入的CPU；至少一個CPU輸入接收至少一個光譜儀的輸出；至少一個計算機程序；CPU有至少一個CPU輸出；至少一個計算機程序引起至少一個CPU輸出，以執(zhí)行步驟1)計算對至少一個光譜儀輸出通道1…n中的每一個發(fā)生的吸收光譜173，2)組合吸收光譜到單一光譜，后者通過由光譜儀1…n 170從樣品探測的整個波長范圍；3)數(shù)學(xué)預(yù)處理或處理175，例如平滑或箱車平滑或計算微分，4)對至少一個光譜儀輸出通道的每個通道比較經(jīng)處理的組合光譜175與至少一個存儲的校準算法或至少一個對每個樣品特征1…x 178的校準算法177，例如白利糖度，堅固度，酸度，密度，pH，顏色和外部及內(nèi)部缺陷和不規(guī)則性，這些都是樣品要檢查的特性，接著5)決策或進一步組合和比較每個特征1…x的定量結(jié)果，例如內(nèi)部或外部不規(guī)則缺陷的確定179，180；顏色的確定181；像食用質(zhì)量指數(shù)182，外觀質(zhì)量指數(shù)183等指數(shù)的確定和分類結(jié)論或其它決策184；6)分類或其它決策184可輸入到處理控制器，來控制包裝/分類線或可確定收獲的時間，從冷藏室取出的時間，和運輸?shù)臅r間；D.樣品來自C-H，N-O和O-H的化學(xué)組。9A.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個光譜儀輸出由至少一個A/D變換器從模擬變成數(shù)字，對于每個至少一個光譜儀的輸出通道，模數(shù)變換后的信號輸入至少一個CPU的輸入端；至少一個CPU輸出供給至少每一個光譜儀的輸出通道1…n的每一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個照射源是鎢鹵燈；照度由光纖傳到樣品表面；B.至少一個光探測器是光纖檢測器；C.至少一個光譜儀包括1024個線陣列探測器；
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個照射源是照射光纖；
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個照射源包括多個照射光纖；B.多個照明光纖布成陣列，使每個照射光纖與鄰近的照明光纖等距離；至少一個光探測器位于該光纖陣的中心。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于還包括A.多個照射光纖包括32根照射光纖；
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于還包括A.照射源是5瓦鎢鹵燈。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于還包括A.多個照射源包括二個50瓦光源；B.至少一個光探測器由一組光探測器組成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于還包括A.多個光探測器布成陣列，使每個光探測器與相鄰的光探測器等距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于還包括A.多個光探測器包括22個光探測器。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于還包括A.照射源由橢球面反射器構(gòu)成，它有50瓦風(fēng)冷的燈泡；多個照射光纖由至少一個光纖纖維組成，用來把光源傳給樣品表面。B.至少一根光纖和至少一個光探測器用彈簧位移對樣品表面壓緊；彈簧壓力受樣品的特征限制。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個照射源是5瓦的鎢鹵燈；至少一個光探測器是單個光纖纖維；照射源對樣品表面180°遠離探測光纖定位。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于還包括A.偏振濾波器放在至少一個照射源和樣品之間；B.匹配偏振濾波器放在至少一個光探測器和樣品之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于還包括A.偏振濾波器是線偏振濾波器；匹配線偏振濾波器是相對于線偏振濾波器旋轉(zhuǎn)90°的線偏振濾波器。
22.一種實現(xiàn)權(quán)利要求所1方法的裝置，包括A.至少一個光源；具有樣品表面和內(nèi)心的樣品；定位至少一個光源最接近樣品表面的輸入機械裝置；至少一個快門位在至少一個光源和樣品中間；至少一個光源有燈輸出；B.至少一個光探測器；定位至少一個光探測器臨近樣品表面的輸出機構(gòu)；至少一個校準透鏡位于至少一個光探測器和樣品表面之間；至少一個測量從樣品表面探測的亮度的機構(gòu)；C.至少一個指向燈輸出的基準光探測器；至少一個快門位于至少一個基準光探測器和至少一個燈輸出之間；至少一個測量從燈輸出探測的亮度的機構(gòu)；D.
23.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.用樣品的預(yù)測特性作如下組合使用糖含量與酸含量的比值來更好預(yù)測食用的質(zhì)量，味道，甜/酸比；用兩個或更多個下列數(shù)據(jù)的組合來更好的預(yù)測食用質(zhì)量糖含量，酸含量，pH，堅固度，顏色，外部和內(nèi)部不規(guī)則性。
24.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.檢測樣品數(shù)據(jù)，包括用樣品存在檢測裝置檢測樣品傳送機運動時，是否有樣品存在；用樣品位置檢測裝置檢測樣品相對于光譜測量點的位置/定位；存在檢測裝置和位置檢測裝置具有對計算機程序控制的CPU的輸出；計算機程序控制的CPU確定測量的樣品是否在光譜測量的最佳定位，計算機程序控制的CPU確定是否有樣品存在。24A.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于還包括A.存在檢測裝置是一種鄰近檢測裝置。24B.根據(jù)權(quán)利要求24A所述的方法，其特征在于還包括A.位置檢測裝置是編碼器或脈沖產(chǎn)生器330，檢測樣品傳送機295的運動，并提供一個或多個電子或數(shù)字信號給CPU 172，該CPU由計算機程序控制，起動控制信號來啟動和終止光譜的收集。24C.根據(jù)權(quán)利要求24B所述的方法，其特征在于還包括A.由計算機程序控制的CPU時序確定對光源燈的基準測試，光譜儀執(zhí)行光源燈和從探測器輸入的光譜儀接收光譜的基準測試。24D.根據(jù)權(quán)利要求24C所述的方法，其特征在于還包括A.基準測試包括測量暗光譜和/或基準光譜和/或標準/校準樣品。24E.根據(jù)權(quán)利要求24D所述的方法，其特征在于還包括A.用校準透鏡78和/或其它光傳輸裝置獲得光源燈光收集，例如，包括光纖，它把與樣品30相互作用后的光傳給光譜儀170探的測器200；如果沒有樣品，則作其它基準測量，以改善穩(wěn)定性和準確度，例如以前提到的暗光譜，基準光譜(燈強度和顏色輸出)，和標準/校準樣品，它可以是光濾波器或聚合物或有機材料，這些有機材料具有已知并能重復(fù)的光譜特性，無樣品時的測量包括，但不限于1)測量光源的基準光譜(強度對波長)，2)測量一個或多個光譜儀170探測器200的暗電流(無光條件)，包括，但不限于取樣光譜儀170如基準光譜儀170，和3)標準或校準樣品或濾波器130或材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括A.樣品存在檢測裝置，用于檢測樣品傳輸機運動時是否有樣品存在；樣品30相對于光譜測量點的位置/定位的樣品位置檢測裝置；存在檢測裝置和樣品檢測裝置有輸出給計算機程序控制的CPU；計算機程序控制CPU確定測量的樣品是否在對光譜測量的最佳定位；計算機程序控制CPU確定是否有樣品存在。25A.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于還包括A.存在檢測裝置是一種鄰近檢測裝置。25B.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于還包括A.位置檢測裝置是編碼器或脈沖發(fā)生器330，探測樣品傳送機995的運動并提供一個或更多個電子或數(shù)字信號給CPU 172，通過計算機程序控制，啟動控制信號來啟動和終止光譜的收集。25C.根據(jù)權(quán)利要求25B所述的裝置，其特征在于還包括A.計算機程序控制CPU時序執(zhí)行光源燈的基準測試，光譜儀執(zhí)行光源燈和光譜儀接收來自探測器的光譜的基準測試。25D.根據(jù)權(quán)利要求25C所述的裝置，其特征在于還包括A.基準測試包括測量暗光譜和/或基準光譜和/或標準/校準樣品。25E.根據(jù)權(quán)利要求25D所述的裝置，其特征在于還包括A.用校準透鏡78和/或其它光傳輸裝置獲得光源燈光收集，例如，包括光纖，它把與樣品30相互作用后的光傳給光譜儀170探測器200，如果沒有樣品，則作其它基準測量，以改善穩(wěn)定性和準確度，例如以前提到的暗光譜，基準光譜(燈強度和顏色輸出)，和標準/校準樣品，它可以是光濾波器或聚合物或有機材料，這些有機材料具有已知并能重復(fù)的光譜特性，無樣品時的測量包括，但不限于1)測量光源的基準光譜(強度對波長)，2)測量一個或多個光譜儀170探測器200的暗電流(無光條件)，包括，但不限于取樣光譜儀170如基準光譜儀170，和3)標準或校準樣品或濾波器130或材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.由光源燈強度或顏色輸出中基準測量的改變來測量基準光譜儀輸出和從探測器接收樣品光譜輸入的光譜儀輸出；用基準光傳輸裝置把光源燈的光傳送給有探測器的基準光譜儀。26A.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.用光纖作為基準光傳輸裝置。26B.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.用光管作為基準光傳輸裝置。26C.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.定位在光源燈的基準光傳輸裝置，允許只有光源燈的光進入基準光傳輸裝置。26D.根據(jù)權(quán)利要求26C所述的方法，其特征在于還包括A.把至少一個快門放在每個光源燈和每個基準光傳輸裝置中間，用快門控制裝置打開或關(guān)閉至少一個快門。26E.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.用基準光譜儀分別測量每個光源燈；把基準光譜儀的輸出輸入到計算機控制的CPU；對每個光源燈，把強度對波長光譜的曲線存入CPU；把存儲的強度對波長光譜的關(guān)系與基準光譜儀輸出比較；從該比較確定光源燈的狀態(tài)。26F.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.為計算吸收光譜(或log 1/R)，用被探測的光譜作為基準光譜，它與濃度(例如百分比白利糖度或酸度或堅固度的磅)成線性。26G.根據(jù)權(quán)利要求26D所述的方法，其特征在于還包括A.關(guān)閉所有基準光傳輸裝置的快門；準許光譜儀170探測器200的暗電流(無光條件)測量；測量暗電流及其在每個波長(或探測器)像素的強度值，把測得的暗電流從在快門330打開時獲得的基準光譜中減去。26H.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.測量基準光譜儀輸出和取樣光譜儀輸出的暗電流；用屏蔽裝置屏蔽對基準光譜儀的輸入和對取樣光譜儀的輸入；把基準光譜儀輸出和取樣光譜儀輸出輸入到計算機控制的CPU；減去從基準光譜儀測量的輸出；減去從取樣光譜儀測量的輸出。
27.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括A.至少一個光探測器80有至少一個輸出82給至少一個光譜儀170，該光譜儀有至少一個探測器200；至少一個校準透鏡78在至少一個光探測器80和樣品30中間；至少一個光探測器80定位于探測來自樣品的光；至少一個光源120燈123；一種光屏蔽裝置在至少一個光源120燈123和樣品30中間；至少有一個孔徑在光屏蔽裝置中，使樣品30可由至少一個光源120燈123照射；至少一個光斷續(xù)裝置在至少一個光源燈123和至少一個孔徑310中間；至少一個光斷續(xù)裝置可由至少一個光斷續(xù)控制裝置操作；至少一個光斷續(xù)控制裝置接收來自至少一個CPU 172的控制信號，該CPU 172有至少一個光斷續(xù)操作控制信號輸出；至少一個基準光傳輸裝置接收至少一個光源120燈123的基準光輸出；至少一個基準光斷續(xù)裝置在至少一個光源120燈123和至少一個基準光傳輸裝置中間；至少一個基準光斷續(xù)裝置可由至少一個基準光斷續(xù)裝置的控制裝置操作；至少一個基準光斷續(xù)裝置的控制裝置305接收來自至少一個CPU 172的控制信號，該CPU有至少一個基準光斷續(xù)操作控制輸出307；至少一個基準光傳輸裝置81提供對至少一個光譜儀170探測器200的輸入；至少一個CPU 172提供至少一個燈的電源輸出125給至少一個光源120燈123；至少一個光譜儀170，接收來自至少一個基準光傳輸裝置81的輸入，至少有一個輸出82作為對至少一個CPU 172的輸入；光譜儀輸出82能經(jīng)A/D變換形成對至少一個CPU 172的輸入；至少一個光譜儀170，接收來自至少一個探測器的輸入，輸出82由至少一個CPU的輸入接收；光譜儀輸出82經(jīng)A/D變換形成對至少一個CPU 172的輸入；安裝裝置用來安裝光源120燈123，探測器80，包括快門300的光斷續(xù)裝置，快門控制裝置305，反射光傳輸裝置81和盒250；偏碼/脈沖產(chǎn)生器370輸入到CPU 172，提供樣品傳送機295的運動數(shù)據(jù)；計算機程序操作CPU 172的數(shù)據(jù)收集和控制功能。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于還包括A.作為基準測量，用反射裝置360測量光源120燈123的強度對波長輸出；定位反射裝置360來反射來自光源燈的光給有光探測器輸出的光探測器，該輸出被光譜儀探測器接收。28A.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于還包括A.用反射定位位置定位反射裝置，根據(jù)反射控制裝置308的命令把光源燈的光反射給光探測器，該命令作為CPU 172的輸出，控制反射定位裝置；CPU 172通過一系列方法探測是否有樣品存在，在作基準測量時，根據(jù)反射控制裝置308的指揮，作為計算機程序控制CPU 172的輸出，控制反射定位裝置插入反射裝置；根據(jù)反射控制裝置308作為計算機程序控制CPU 172的輸出控制定位裝置取出反射裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括A.由反射定位裝置定位的反射裝置，根據(jù)反射控制裝置308的命令，作為CPU 172的輸出，控制反射定位裝置，把光源燈的光反射給光探測器；CPU 172通過各種裝置檢測樣品30是否存在，在作基準測量時，根據(jù)反射控制裝置308的指揮，作為計算機程序控制CPU 172的輸出，控制反射定位裝置插入反射裝置；根據(jù)反射控制裝置308作為計算機程序控制CPU 172的輸出，控制定位裝置取出反射裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括A.用于獲得基準光譜的光反射或散射體也可用插入基準裝置430的機構(gòu)來獲得，如圖12和13中所示，在或接近通常實際樣品測量的位置，它在光源120燈123和基準光導(dǎo)向取樣光譜儀170探測器200的傳輸裝置320之間；插入是用插入裝置插入，包括但不限于傳動系統(tǒng)400，根據(jù)接收的控制信號或包括控制信號的通常技術(shù)所認知的方法或CPU 172提供的方法，操作傳動器410使活塞420伸至421和縮回到422，如圖12和13所示；能源，包括電力，氣動，水力和其它方法，提供來由業(yè)內(nèi)人士認為合適的能量傳輸裝置440操作傳動裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.用至少一個光源燈照射滾動或旋轉(zhuǎn)中的樣品內(nèi)部，滾動測量通常能改善整個產(chǎn)品的測量。
32.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.在樣品沒有滾動或旋轉(zhuǎn)時，用至少一個光源燈照射樣品內(nèi)部，無滾動測量提供更好的準確度并減少由于運動引入的光譜噪聲。
33.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.當(dāng)樣品通過光譜儀收集點時獲得的多光譜，其中每個光譜代表在樣品上不同測量位置或面積。
34.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.最佳化小的和大的樣品信噪比和準確度，用1)確定樣品的重量或大小(用稱重量或通常工業(yè)用的質(zhì)量檢測器)，2)利用顏色分類器或缺陷分類器提供數(shù)據(jù)，例如從攝像機或CCD圖像；3)利用基于工業(yè)上通常使用的磁、感應(yīng)，光基準或多光束屏障的其它尺寸檢測器。34A.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于還包括A.根據(jù)樣品的相對尺寸，調(diào)節(jié)硬件光譜收集參數(shù)或光量，例如改變孔徑310，以提供對大樣品30改善信號與噪聲比的光譜和/或避免探測器小樣品30的光飽和，例如探測器80曝光或積分時間，對大樣品設(shè)置更長的時間周期，對小樣品設(shè)置較短的時間周期。
35.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.借助于從單個樣品檢測的多個獨立光譜來改善準確性，取走低質(zhì)量或“局外”的光譜；計算來自對暗、基準和樣品的原始數(shù)據(jù)的吸收光譜；用計算機程序控制的CPU或用程序化的硬件檢測對每個獨立產(chǎn)品收集的一列或一批光譜中的每一個獨立光譜；從這批光譜中刪去低質(zhì)量的光譜，用剩下的光譜對組分或性能進行預(yù)測；把保留的樣品光譜與合適的基準和暗電流測量組合起來，產(chǎn)生吸收光譜如下吸收光譜＝-log10[(樣品強度光譜-樣品暗電流光譜)/(基準強度光譜-基準暗電流光譜)]，亦即吸收光譜等于負的以10底的暗電流校正的樣品光譜與暗電流校正的基準光譜之比的對數(shù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于還包括A.把所有對每個產(chǎn)品樣品的吸收光譜組合起來，產(chǎn)生產(chǎn)品樣品的平均吸收光譜；用這一平均吸收光譜來基于以前存儲的校準算法計算感興趣的樣品的成份，特征或性能。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于還包括A.用以前存儲的校準算法，用每一個獨立的吸收光譜來計算對每個獨立產(chǎn)品樣品的成份，特征或性能的多個結(jié)果；把所有這些值加起來，除以吸收光譜的總數(shù)目來確定感興趣的平均成份，特征或性能。
38.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.測量樣品和連接產(chǎn)品樣品上的位置，其中，用實驗室基準技術(shù)測量的相同位置收集可見光/NIR數(shù)據(jù)；校準按下列進行1)測量產(chǎn)品樣品30的光譜和測量吸收光譜；對基準和暗電流進行糾正并儲存測量結(jié)果；2)對產(chǎn)品樣品30進行標準實驗室測量；觀察樣品30在光源120燈123和其收集探測器之間的探測部分，NIR方法的成功十分重要，例如，導(dǎo)向光譜儀170探測器200的光探測器80應(yīng)與標準實驗室測量相同的部分。38A.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于還包括A.樣品傳送機295把樣品傳送至NIR測量位置，包括至光探測器，選擇滾動或不滾動的樣品傳送機295裝置；滾動用來分析整個樣品感興趣的成份，特征或性能；如果校正算法是用這種方法建立的話(用滾動產(chǎn)品測量)，平均保留的所有單獨光譜以得到平均吸收光譜，總的產(chǎn)品成份或性能與這樣一種吸收光譜相連系。38B.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于還包括A.樣品傳送機295把樣品傳送至NIR測量位置，包括至光探測器，選擇不滾動的樣品傳送機裝置；執(zhí)行對產(chǎn)品樣品測量光譜的同一部分的實驗室測量；確定在實驗室分析前是否要把樣品分成更小的部分；調(diào)節(jié)NIR數(shù)據(jù)收集的時間周期至更短或更長的時間，以分別相應(yīng)于較小或較大產(chǎn)品樣品的測量；把產(chǎn)品樣品30的每一子部分與特定位置的光譜相連系；把實驗室確定的成份，特征或性能與樣品特定位置的光譜相連系。
39.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.在進行統(tǒng)計相關(guān)分析和建立校準模型之前，對吸收光譜進行數(shù)學(xué)處理；用箱和平滑函數(shù)對吸收光譜進行預(yù)處理；用部分最小平方分析(或它的變形，如塊狀直接標準化)把處理的吸收光譜與分派的成份和性能相連系，例如白利糖度，酸度，pH，堅固度，顏色，內(nèi)部或外部不規(guī)則的程度及類型，和食用質(zhì)量。
40.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括A.最小化所需開發(fā)校準模型的樣品數(shù)；收集所有試驗樣品的光譜；在破壞性實驗室測量前執(zhí)行對吸收光譜的基本成份分析(PCA)；從PCA產(chǎn)生結(jié)果分值圖(例如分值1對分值2，分值3對分值4，等等)；選擇從分值圖隨機或選擇有同樣范圍、均值和標準差的原始樣品的子組與整個原始樣品30組比較。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于還包括A.為保持測量準確性需周期性地校準更新；最小化校準更新工作；當(dāng)水果或蔬菜樣品在包裝和分類倉庫內(nèi)時，分析可見光/近紅外光譜；用計算機程序控制的CPU檢查，并確定樣品作為校準更新樣品是否合格；選擇校準更新樣品要覆蓋低至高的成份值和其分值要覆蓋原始樣品30分值的同樣范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種1)從250nm到1150nm光譜的應(yīng)用，用于測量或預(yù)測一種或多種參數(shù)，例如在包括水果的N－H、C－H和O－H中，白利糖度，堅固度，酸度，密度，pH，顏色和外部與內(nèi)部的缺陷和不規(guī)則性，例如，包括表面和次表面的損傷，結(jié)疤，曬傷，內(nèi)部變黑；2)在至少一個光譜范圍內(nèi)檢測暴露給上述光譜范圍內(nèi)的樣品輻射光的裝置和方法。在優(yōu)選實施例中，至少使用從250nm到499nm和500nm到1150nm兩個光譜范圍；3)使用峰值在680nm的葉綠素波段，并與700nm以上的光譜組合預(yù)測上述一個或多個參數(shù)，4)使用可見光色素區(qū)域，包括從約250nm到499nm的黃色素和從約500nm到550nm的花青素與葉綠素波段和700nm以上的波段組合預(yù)測所有上述參數(shù)。
文檔編號G01J3/02GK1430723SQ01809360
公開日2003年7月16日 申請日期2001年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月13日
發(fā)明者理查德·M·奧托尼奇 申請人:奧特萊有限公司, 阿韋達控股公司