基于光纤光谱仪测量茶叶表面颜色的研究.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 8 年9 月 文章编号：1 0 0 2 2 0 8 2 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 7 5 0 0 3 应用光学 J o u r n a lo fA p p l i e dO p t i c s V 0 1 2 9N o 4 S e p 2 0 0 8 基于光纤光谱仪测量茶叶表面颜色的研究 陈潇潇，曹远生，谢兴尧，谭和平 ( 中国测试技术研究院，四川成都6 1 0 0 2 1 ) 摘要：茶叶表面颜色是评定茶叶质量优劣的重要指标，介绍了一种基于光纤光谱仪测量一定 范围内茶叶表面颜色特征的方法。该方法根据C I E 色度系统三刺激值1 计算式，通过光纤光谱仪 分别获得茶叶和已知光谱反射率的标准白板反射光谱功率分布，计算出茶叶表面的反射率，再代 入相关常量获得茶叶的三刺激值来表征茶叶表面颜色。装置采用溴钨灯作为光源，将茶叶及标准 白板样品依次放入暗盒，在自编程序控制下，旋转步进电机多次采样，并利用光纤光谱仪同步接收 反射光信号，对数据进行采集、储存、计算等。实验证明，该方法能快速测量出茶叶表面总体颜色， 测量的重复性精度约为1 。 关键词：色度学；茶叶表面颜色；颜色三刺激值；光纤光谱仪 中图分类号：0 4 3 2 3 ；0 4 3 3 1 ；T N 2 5 文献标志码：A T e ac o l o rm e a s u r e m e n tw i t hf i b e rs p e c t r o m e t e r C H E NX i a o x i a o ，C A OY u a n s h e n g ， ( N a t i o n a lI n s t i t u t eo fM e a s u r e m e n ta n dT e s t i n g X I EX i n g y a o ，T A NH e p i n g T e c h n o l o g y ，C h e n g d u610 0 21 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：S u r f a c ec o l o ro ft e ai sani m p o r t a n tp a r a m e t e rt oe s t i m a t et h eq u a l i t yo ft e a A m e t h o db a s e do naf i b e rs p e c t r o m e t e rt od e t e c t t h es u r f a c ec o l o ro ft e ai si n t r o d u c e d T h e r e f l e c t i v es p e c t r u mo ft e ai sd e t e c t e db yt h es p e c t r o m e t e ra n dn o r m a l i z e db yt h er e f l e c t i v e s p e c t r u mo faw h i t es t a n d a r dc e r a m i cp l a t e T h e nt h eC I Et r i s t i m u l u sv a l u e so ft e aarec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt Ot h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a le x p r e s s i o n sa n du s e dt Oc h a r a c t e r i z e t h es u r f a c ec o l o r o ft e a At u n g s t e nb r o m i n el i g h ti su s e da sl i g h tsourcei nt h ee x p e r i m e n t T h er e f l e c t i v es p e c t r a o ft e aa n dw h i t ec e r a m i cs t a n d a r dp l a t earea u t o m a t i c a l l ya n dr e p e a t e d l yr e c o r d e db yt h e s p e c t r o m e t e r T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o di ss i m p l e ，r a p i d ，a n di th a st h e r e p r o d u c i b i l i t yo fa b o u t1 K e yw o r d s ：c o l o r i m e t r y ；t e ac o l o u r ；t r i s t i m u l u sv a l u e ；f i b e rs p e c t r o m e t e r 引言 茶叶作为传统的天然饮料，一直受到世人的欢 迎。随着茶叶消费的增长，茶叶品质的评定也变得 愈来愈重要。2 0 世纪7 0 年代日本采用近红外光谱 分析技术对茶叶多种组分进行定量分析，如茶多 酚、咖啡碱、全氮量、粗纤维等的定量分析口 ，其后 国内外也有很多学者利用光谱对茶叶组分进行广 泛的研究 2 1 4 。但作为评定茶叶质量优劣另一重要 指标的茶叶表面颜色，仍采用主观目视法进行评 定 5 。目视法是一种最传统的颜色测量方法，具体 做法是由标准色度观察者在特定的照明条件下对 产品进行目测鉴别，并与C I E ( 国际照明委员会) 标 准色度图比较，得出颜色参数。人的眼睛虽有优异 的视觉功能，但是不能准确识别微细的色彩差异， 收稿日期：2 0 0 8 0 4 1 0s 修回日期：2 0 0 8 0 6 1 7 作者简介：陈潇潇( 1 9 8 1 一) 女，四川人，助理工程师，主要从事光学计量测试研究。E m a i l ：x i a o x i a o k k 1 6 3 c o r n 应用光学2 0 0 8 ，2 9 ( 5 )陈潇潇，等：基于光纤光谱仪测量茶叶表面颜色的研究 7 5 1 常出现色彩判断失误。用这种方法测量的结果精度 低，操作麻烦，并且不同的人得出的结果也往往不 一样。本文采用便携式C C D 光谱仪作为探测器件， 不仅具有测量速度快，准确性高的优点，而且实现 装置小型化，便于实时测量。再结合C I E 色度系统 规定计算出颜色三刺激值，因此能客观地反映茶叶 表面颜色特性。实验表明，其重复性精度约为1 。 1 测量原理 C I E 色度系统用三刺激值定量描述颜色，根据 C I E 色度系统三刺激值计算式5 | ： X = 志f 伊( A ) j ( A ) d A Y k I P ( A ) y ( A ) d A ( 1 ) l Z k I P ( A ) z ( A ) d A 。 式中：P ( A ) 为颜色刺激函数，当被测物体为不透 明非自发光物体时，伊( A ) = I D ( A ) * S ( A ) ；S ( A ) 是 照明光源的相对光谱功率分布；I D ( A ) 为物体的光 谱反射比；z ( A ) ，y ( A ) ，z ( A ) 是C I E 规定的标准色 度观察者的光谱三刺激值。 已知反射比为l D 。( A ) 的标准白板在一定照明 条件下的反射光谱功率分布为翰( A ) ，相同照明条 件下物体表面反射的光谱分布为讫( A ) 。通过测量 可以得到物体表面的光谱发射比P ：( A ) = 仍( A ) * D 1 ( A ) 仍( A ) 。 2实验装置 图1 为装置示意图。固定在步进电机上的样品 盒置于内壁全部涂黑的样品箱中，直径1 0 0m m 。溴 钨灯作照明光源以4 5 。入射到样品表面，在样品盒 正上方直径为0 6 m m 的光纤接收反射光后传输 光纤 光源 I 光谱仪。 必。 l 计 算 、 步进电【 机 掣愠 I 机控制I 上L 光源 电源 图1 装置示意图 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n ts e t u p 到光谱仪中( 光谱仪使用2 0 4 8 像元的线阵C C D 探 测器) 。标准白板通过分光光度计校准得到光谱反 射率。利用自编软件，控制步进电机旋转一定角度 后，光谱仪进行采样并画出实时光谱功率分布图， 步进电机每旋转一周，自编软件对光谱仪多次采样 结果进行计算得到茶叶的颜色三刺激值。 2 1C C D 探测器谱线的校准 为确保C C D 探测器光谱测量的准确性，先对 探测器进行谱线校准，具体方法是：分别点燃标准 低压H g 灯和C d 灯，使用光谱仪探测特征谱线，并 与标准谱线比较，如表1 所示。差值通过自编程序 进行修正。 表1C C D 测得的低压汞灯和镉灯特征谱线与标准谱 线的比较 T a b l e1D e t e c t e dc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r a ll i n e so fH g G e l a m p sb yC C Di nc o m p a r i s o nw i t hs t a n d a r do n e s 低压汞灯低压镉灯 标准谱线n m 鬻慧标准谱线n m 鬻慧 3 6 5 4 83 6 6 9 63 6 1 0 53 6 2 8 9 4 0 7 7 84 0 6 0 94 6 7 8 14 6 8 9 3 4 3 5 8 34 3 7 1 84 7 9 9 94 8 1 1 6 5 4 6 9 6 5 4 7 0 95 0 8 5 85 0 9 7 6 5 7 9 0 25 7 8 2 36 4 3 8 46 4 3 9 3 2 2 光源电压变化的影响 测量中，光源采用直流电源供电，由于光源电 压的变化将引起光源色温的变化，从而改变出射光 的光谱分布，因此应考虑电源的稳定性对颜色三刺 激值的影响。采用k e i t h l e y 2 7 0 0 监控光源电压变 化，在接通电源2h 连续内，电压与测量标准白板 的三刺激值的相对变化如图2 所示。由图可以看 到，在开始接通时光源电压和三刺激值的变化较 图2 光源电压与标准白板三刺激值随时间的相对变化 F i g 2 V a r i a t i o no fv o l t a g eo fl i g h ts o u r c ea n ds p e c t r a l t r i s t i m u l u sv a l u e so fs t a n d a r dw h i t e b o a r dw i t hl i m e 7 5 2 应用光学2 0 0 8 ，2 9 ( 5 )陈潇潇等：基于光纤光谱仪测量茶叶表面颜色的研究 大，在约4 0m i n 后逐步趋于稳定，电压在0 0 3 的 范围内波动，且三刺激值受电压的影响变化不明 显。因此实际测量中，应该在接通电源约4 0r a i n 后 光源相对稳定的情况下进行测量。 2 3 茶叶表面形态的影响 由于茶叶表面粗糙，因此样品盒内茶叶平面的 平整度对测量结果有较大影响，因此放入样品盒中 的茶叶应表面尽可能铺平。但不同茶叶的粗糙度不 同，表面平整度也不相同，是引起测量误差的主要 原因，可通过多次测量减小误差。 3 实验结果分析 图3 为竹叶青1 级、2 级、青山绿水以及普洱茶 4 种茶叶的光谱反射率曲线。由于茶叶中叶绿素对 可见波段的强烈吸收，因此茶叶在可见波段的反射 率很低，但由于竹叶青和青山绿水表面都呈现不同 程度的绿色，因此在波长5 0 0n m 6 0 0n m 出现不 同的峰值。普洱茶几近黑色，因此光谱曲线平坦且 光谱反射率较小。通过图中茶叶光谱反射率的分 图34 种系叶的光谱反射率 F i g 3S p e c t r a lr e f l e c t i v i t yo ft e as u r f a c e 布可以清楚地分辨各类茶叶表面颜色的不同。结合 C I E 色度系统规定，计算出颜色三刺激值，如表2 所示。在连续5 天的测量中，每次结果为各样品重 复5 次测量的平均值。由此可知，该装置能定量地 分辨各类茶叶颜色，对于颜色相近的同类茶叶也能 清楚地分辨，并且有较好的重复性精度。茶叶测量 的相对标准差约为1 。 表2 茶叶测量结果 T a b l e2D e t e c t e dd a t ao ft e a 4结论 与传统目视法相比，本文采用光纤光谱仪测量 茶叶表面颜色的方法，具有客观性强，快速易操作、 重复性精度高的特点，配上标准色板可用作茶叶颜 色评定。另外，该方法还可应用于烟丝、大米、棉花 等其他粗糙表面物体的颜色测量，具有良好的发展 前景。 参考文献： 1 钱小军傅里叶变换近红外光谱分析技术在茶叶中的 应用 J 中国茶叶，1 9 9 6 ，2 2 ( 6 ) ：1 3 1 5 Q I A NX i a o j u n T h ea p p l i c a t i o no fn e a ri n f r a r e d s p e c t r u mt e c h n i q u eo nt h et e a J C h i n aT e a ，1 9 9 9 ， ( 6 ) ：1 3 1 5 ( i nC h i n e s e ) 2 3 徐广通，袁洪福。陆婉珍现代近红外光谱技术及应用 进展 J 光谱学与光谱分析，2 0 0 0 ，4 ( 2 ) ：1 3 4 1 4 2 X UG u a n g t o n g Y U A NH o n g f u ，L UW a n z h e n D e v e l o p m e n to fm o d e r nn e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p i c t e c h n i q u e sa n di t sa p p l i c a t i o n s J S p e c t r o s c o p ya n d S p e c t r a lA n a l y s i s 2 0 0 0 ，4 ( 2 ) ：1 3 4 1 4 3 ( i nC h i n e s e ) 3 李晓丽何勇，裘正军一种基于可见一近红外光谱快 速鉴别茶叶品种的新方法 J 光谱学与光谱分析， 2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 7 9 2 8 2 L IX i a o l i H EY o n g ，Q I UZ h e n g j u A p p l i c a t i o n P C A A N Nm e t h o dt of a s td i s c r i m i n a t i o no ft e a v a r i e t i e s u s i n g v i s i b l e n e a ri n f r a r e d J S p e c t r o s c o p y S p e c t r o s c o p ya n dS p e c t r a lA n a l y s i s ， 2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 7 9 2 8 2 ( i nC h i n e s e ) 4 韩立苹，须海荣，倪君近红外光谱技术及其在茶叶上 应用研究D 茶叶，2 0 0 7 ，3 3 ( 1 ) ：4 - 7 ( 下转第7 5 7 页) 应用光学2 0 0 8 ，2 9 ( 5 )肖光辉，等：一种带有无光焦度校正板的牛顿光学系统的设计7 5 7 表1 优化设计前后结果比较 T a b l e1 C o m p a r i s o no fr e s u l t so b t a i n e d b e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n 3结论 本文从三级像差理论出发，推导出了求解无光 焦度校正板在主反射镜前的牛顿光学系统的计算 公式。通过移动光阑位置，改变主镜偏心率，选择校 正板光焦度进行光学系统的光线计算，求解出光学 系统的最佳选择，并给出各种设计曲线和设计结 果，对光学系统进行合理的评价。以系统通光孔径 西一3 0 0m m ，相对孔径A 一1 2 ，光阑位置l p z f = 一0 7 5 ，主镜为球面反射镜为例，设计了一套带有 无光焦度校正板且光阑在主反射镜前的牛顿光学 系统，得到校正板透镜最佳光焦度一5 ，优化后 的轴上点波前像差一0 0 0 0I A 。从优化结果可以 看出，利用无光焦度校正板可以很好地校正整个光 学系统的像差，获得较高的成像质量。 参考文献： 1 李大健工程光学系统设计 M 北京：机械工业出版 社，1 9 8 7 E 2 3 4 3 L ID a j i a n D e s i g no fe n g i n e e r i n go p t i c a ls y s t e m M B e i j i n g ：M e c h a n i c a lI n d u s t r yP r e s so fC h i n a ， 1 9 8 7 ( i nC h i n e s e ) 潘君骅，郝沛明具有两个二次曲面反射镜的光学 系统的一般研究E J 天文学报，1 9 9 5 ，1 3 ( 1 ) ：4 6 5 6 P A NJ u n h u a ，H A OP e i m i n g Ag e n e r a ls t u d yo f t h eo p t i c a ls y s t e mw i t ht w oa s p h e r i cm i r r o r s J A c t aA s t r o n o m i c aS i n i c a ，1 9 9 5 ，1 3 ( 1 ) ：4 6 5 6 ( i n C h i n e s e ) S M I T HWJ M o d e r no p t i c a le n g i n e e r i n g M N e w Y o r k ：M c G r a wH i l lB o o kC o m p a n y ，2 0 0 0 郝沛明，王鹏，胡晓阳无光焦度校正器和单一反射 镜组成的光学系统 J 光学学报，2 0 0 3 ，2 3