第七章食品的光学性质

第七章食品的光学性质1第1页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散

光通过介质时，一部分在界面上被反射，一部分被介质吸收，另一部分被介质散射，余下部分按一定折射方向继续前进(这部分也可以叫做透射光)。因此，通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时，由于不同波长的光在介质中的传播速度不同，因而同一介质对不同波长的光，有不同的折射率，所以一束白光或复合光在折射时，只要入射角不为零，则不同波长的光，将按不同的折射角而散开，称之为色散。由此可见，光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象。第2页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.1光的吸收

由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为光的吸收。被吸收的光强与吸收体的厚度成正比。物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色)的光的吸收程度不等。无色透明物质，例如玻璃，对可见光(波长在400一800nm之间)吸收很少。通常lcm厚的玻璃对可见光只吸收约1%，但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多，而对红外线吸收性较强。一般有色透明体，例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过较多)，而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光的选择透射。不透明物质对光也有选择性，相对来说也就是选择反射。白色物体对各种波长的可见光的吸收程度很小，而反射程度很大。有色物体对可见光的选择反射性显著。例如黄色物体对黄色光反射最强，对橙色和绿色光反射很弱，而对其他红、蓝等色光吸收很强;蓝色物体对蓝色反射最强，对绿色和靛色光反射很弱，对其他黄、紫、红等色光吸收很强。因此，黄色颜料与蓝色颜料混合而成绿色颜料，即为剩余反射现象。

第3页，共88页，2023年，2月20日，星期一

介质吸收光能，引起介质中电子的受迫震动，进而转化为其他形式的能。设强度为I的某种光，通过厚度为dx的某种均匀介质层，因被介质吸收部分光能量而使强度减少dI，如图7一1所示，朗伯（Lambert），指出()与吸收层厚度dx成正比，即有:

式中aλ与介质性质和光波的波长有关，称为该介质对该种光的吸收系数。当介质总厚度为x，原入射光强度为I0，通过整个介质以后的光强度为I，将上式积分，得亦即:

或第4页，共88页，2023年，2月20日，星期一

此即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说，在吸收波段内，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越强。当介质总厚度x＝1/aλ时，由式(7-2)得

也就是说，厚度为aλ的介质层，可使光强减弱到原有光强的1/2.72。实验证明，稀溶液对光的吸收系数aλ与其浓度c成正比，即有aλ＝kiC的关系，式中ki为决定于吸收物质的分子特性，而与浓度无关的另一常数。由此，式(7一2)变为

根据光在溶液中的被吸收的程度，可以决定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。此式称为比尔定律。第5页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.2光的反射光的反射：光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光返回原来介质中，使光的传播方向发生了改变，这种现象称为光的反射。光的反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。

第6页，共88页，2023年，2月20日，星期一

当光从一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，另一部分穿入。反射的多少视两种介质折射率的比例而定，此外，还依赖于入射角度，这些关系可由菲涅耳公式阐明:

式中，θ为入射角，为折射角；下标S表示垂直于入射面的电场分量；P表示在入射面内的电场分量；Rs，Rp为反射光的电场分量；Es，Ep为入射光的电场分量，θ与的关系由下式决定：式中，n——两介质的折射率n1和n2之比。第7页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.3光的折射

光的折射：当光由一种介质斜射到另一种介质时，其传播方向发生改变这种现象叫光的折射。光发生折射后，其频率不变，但波长和波速发生改变。光折射时,折射光线,入射光线,法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧.折射角随入射角的改变而改变，但两者不等。

第8页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.4光的散射定义：一束光通过介质时其中一部分光偏离主要的传播方向，这种现象称为光散射。现象的本质是光波电磁场与介质分子相互作用的结果。光的散射是原子或分子体系从入射光波中获得能量后，改变传播方向及相位，甚至改变频率的再辐射过程。当光波射人介质时，在光波电场的作用下，分子或原子获得能量产生诱导极化，并以一定的频率作强迫振动，形成振动电偶极子（偶极子是指相距很近的符号相反的一对电荷）。这些振动的偶极子就成为二次波源，向各个方向发射出电磁波。在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光线只能在折射方向上传播，而在其他方向上则相互抵消，所以没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后，或者体系由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就会破坏次波的相干性，而在其他方向上出现放射光。第9页，共88页，2023年，2月20日，星期一

光波投到一般物体表面时，由于物体的线度远大于光波的波长，因而产生漫射(又称漫反射)现象。当光波投到细小质点上的时候，根据惠更斯原理，从质点表面上各点激发次级子波，进而形成同样波长的光波向各方向散开，如图7一2(a)所示。这种现象称为光的散射现象。

散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。图7-2第10页，共88页，2023年，2月20日，星期一

散射物质对入射光没有经过共振吸收作用，所以此种现象不是共振辐射，而是直接从被照射物体的微粒表面“反射”而来。事实上，光的散射与反射和衍射有着密切的关系。例如光波投入混浊介质(含有许多悬浮微粒的透明物质)时，由于介质中有许多线度大于波长的微粒呈无规则的分布，则有部分光波被散射，散射光波将绕过微粒两边，向各方发散，类似于单径衍射现象。然而，混浊介质中，由于悬浮微粒的存在，破坏了介质的光学均匀性(存在微小区域有密度起伏现象)。因此，虽有些类似于衍射现象，而没有干涉现象的伴随，故此呈现为散射现象。这种光的散射现象称为廷德尔(Tyndll)散射。

如图7一2(b)所示，在一杯清水中加入几滴豆浆，成为混浊透明介质，光沿X轴方向通过时，在Y轴方向可以看到杯中有光亮散发出来，这就是属于廷德尔散射的一个实例。第11页，共88页，2023年，2月20日，星期一

又如某些从表面看来是均匀纯净的介质，当有光波通过时，也会产生散射现象，只是它的散射光强度比不上混浊介质的散射光强。这种散射现象是由线度小于光波长的介质分子所产生。称为分子散射，又称瑞利散射。例如大气中的空气分子，对太阳光中的蓝色光波散射特别显著，所以呈现蔚蓝色天空。根据光的电磁理论，次波振幅A与其波动频率的平方成正比，次波光强I又与振幅A的平方成正比，同时频率与波长λ成反比，故散射光强度：可见散射光强度与波长的四次方成反比，称为瑞利定律。第12页，共88页，2023年，2月20日，星期一

由瑞利定律可知，白光中的短波成分的散射效应较为显著，波长越大散射越不显著。所以空气分子对蓝色光的散射特别显著，对太阳光的散射呈现蔚蓝色。质点足够微小的烟雾，在白光照耀下，往往呈现淡蓝色，所谓“一缕蓝烟”，也是蓝色光散射的道理。

早、晚太阳偏东、西方，太阳光线通过大气层的厚度比中午阳光通过大气层厚度要大得多，如右图所示，根据瑞利定律，早、晚太阳光中的短波成分被空气分子的散射较多，因而橙红色光透射相对较为显著，所以早、晚天空多现橙红色光;空中如有云彩，则将出现红霞。第13页，共88页，2023年，2月20日，星期一

光波通过介质时，由于介质的吸收作用，足使透射光强减弱，介质的散射，也足以使透射光强度进一步减弱。设光波通过厚度为dx的薄层介质时，因介质的散射作用而使入射光强度I

减小一个微量dI，则此光强的相对减少量与光波通过该介质的厚度dx成正比，即有

式中，δ—比例系数，称为该介质对该波长光波的散射系数。将上式积分，得：式中，1o—入射于介质之前的光强度；

I—通过厚度为x的介质，除去被散射以外(不考虑纯吸收)的透过光强度。如果结合前面讲的光的吸收，一般测量所得光的“吸收系数”应包括纯吸收系数α和散射系数δ两个部分。因此，实际上，入射光强1o通过厚度为x的介质以后，透出光强度I应为

以上所述的瑞利散射，它的散射光波长与入射光的波长相同。

第14页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.5光的衍射

光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。

衍射又称为绕射,光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。

光衍射的本质：光的衍射与微粒的刚性反弹没有关系，在这里我们要用到的是光的波动性而不是光的粒子性。道理很容易理解：由于光是波动传播的，它走的路线自然就是如正弦函数那样的曲线。只是在大的尺度下我们分辨不出而以为光是沿直线传播的罢了。光的曲线走向就是光的衍射，它给了我们光偏离了运动方向的错觉。

第15页，共88页，2023年，2月20日，星期一衍射屏

观察屏

不但光线拐弯,而且在屏上出现明暗相间的条纹。衍射屏

观察屏

透过手指缝看日光灯，也能看到衍射条纹。光的衍射第16页，共88页，2023年，2月20日，星期一

平行单色光照到一圆孔上，在孔板后不同处的面上观察光的不同特点第17页，共88页，2023年，2月20日，星期一第18页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.1.6光的色散

光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可见光区域，红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，等于．但是不同频率的单色光，在介质中传播时由于受到介质的作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同．红光速度大，紫光的传播速度小，因此介质对红光的折射率小，对紫光的折率大．当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端．紫光的频率大，在介质中的折射率大，在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端，出现彩色光带，称为光的色散现象。

为了表征介质折射率因波长不同而变化的程度，引入色散率这个概念，并且定义:介质色散率的量值等于介质折射率对波长的变化率。第19页，共88页，2023年，2月20日，星期一不同波长的光会有不同的折射角——色散的原因第20页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.2食品颜色的表征

7.2.1

颜色的视觉(颜色辨认)l

颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象﹐叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)﹑绿(503nm)﹑蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力(颜色辨认的灵敏阈)﹐在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色变化就称为颜色辨认的灵敏阈。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近﹔最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm﹐人眼就能感受到颜色的变化﹐而多数要改变1~~2nm才行。第21页，共88页，2023年，2月20日，星期一颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色﹑黑色和各种不同深浅的灰色。

彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。

对于理想的完全反射的物体﹐其反射率为100%﹐称它为纯白﹔而对于理想的完全吸收的物体﹐其反射率为零﹐称它为纯黑。白色﹑黑色﹑和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的﹐称它们为中性色。对光来说﹐非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化﹐即当白光的亮度非常高时﹐人眼就感觉到是白色的﹔当光的亮度很低时﹐就感觉到发暗或发灰﹐无光时是黑色的。第22页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.2.2

颜色的基本物理量

⑴色彩三要素

色彩的三要素是明度、色相（即色调）、饱和度，是评价食品颜色的主要依据。色调与饱和度合称为色度（Chromaticity），它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。

①明度亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。第23页，共88页，2023年，2月20日，星期一②色调（也称色相）

就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长。

物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生的感觉。第24页，共88页，2023年，2月20日，星期一③饱和度

饱和度是指构成颜色的纯度，即彩色的纯洁性﹐色调深浅的程度。它表示颜色中所含某颜色成分的比例。某彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。强光下比阴暗的光线下饱和度高。同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大。

可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色(即单色光)掺入白光成份时﹐其彩色变浅﹐或者说饱和度下降。当掺入的白光成份多到一定限度时﹐在眼睛看来﹐它就不再是一种彩色光而成为白光了﹐或者说饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就高。不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，绿色的饱和度最低，其余的颜色饱和度适中。第25页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑵光度学基本物理量①光度与光通量光度是表示光辐照度产生光感的程度。在光学中用光通量表示光度。光通量是光源在单位时间内所发出的可见光的辐射能量（即Φ=W/t

），单位为流明。流明与瓦特有一定的对应关系。光通量的单位是流明lumen记作lm，这是功率单位。光通量与辐射通量之间的换算，根据国际上规定的标准：1瓦波长为555nm的单色辐射通量是等于683流明的光通量。这是光功当量，也是最大的光功当量。或者1流明波长为555nm的单色光通量相当于1/683瓦的辐射通量。其他波长的单色光，1瓦辐射通量引起的光刺激都小于683流明，它们的关系就是视见函数关系。光源在给定方向上1球面度立体角内发出0.00146W，波长为555nm的单色光的辐射能通量（亮度）时的发光强度为1坎德拉。

1坎德拉（cd）=1流明/1球面度立体角（lm/1sr）第26页，共88页，2023年，2月20日，星期一

设在波长λ与dλ之间光的辐射照度为

Eλ•dλ，则光通量的定义式为：

Φλ=Vλ

•Eλ

•dλ

对于波长为λ1

～λ2的连续光谱：

Φ=kVλ

Eλ

dλλ2λ1

式中：K-表示常数；Φ-表示光通量，单位为流明（lm,lumen）;Vλ–表示波长为λ光的相对光谱光效率；Eλ–表示波长为λ的光源的辐射功率（单位为W）。多色光源的光通量为各单位光光通量之和。第27页，共88页，2023年，2月20日，星期一②照度表示某一受光点单位面积的光通量为照度。即：E=dΦdA2式中，A2表示受光面积，单位为m2；

E表示照度，单位为lm/m2(流明/米2)，也为勒克斯（lux）。即1lux=llm/m2第28页，共88页，2023年，2月20日，星期一③光出射度（面发光度）从一发光表面的单位面积上发出的光通量称为该表面的光出射度，以M表示。光出射度和光照度E是一对相同意义的物理量，只是前者是发出而后者是接收光通量。两者的单位本质上是相同的。式中，A1表示发光面积，单位为m2；M表示发光光通量，单位为lm/m2。发光表面可以是本身发光的，也可以是受外来照射后投射或反射发光的；可以是实际发光体，也可以是其象面。对于后一种情况，其发光度则与该面接收的辐射通量有关，即与表面的照度有关。令ρ表示该面的反射率，ρ＜1。

M=ρEM=dΦdA1第29页，共88页，2023年，2月20日，星期一

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Φ是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=Φ/ω，ω为立体角，单位为球面度（sr）,Φ为光通量，单位是流明。I（发光强度）单位为lm/sr。设点光源在一立体角dω内发出的光通量为dΦ，则其发光强度为立体角因此，整个空间当光源在各个方向上发光强度相同时，总光通量为④发光强度第30页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑤亮度（光亮度）光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。亮度用L表示，L=dIdAcosθ式中，A表示发光体表面积，单位m2；

θ表示发光体表面法线与观测方向夹角。第31页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.2.3颜色的物理表示

⑴颜色的三色学说

人们发现了三原色现象，即只要有红、绿、蓝这三种光，经过适当配比，就可以得到一切彩色。

人的眼睛色觉是由红、绿、蓝三种感觉组合形成的，这就是三色学说。眼睛的三种感色细胞分别为赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞。第32页，共88页，2023年，2月20日，星期一互补色：凡两个以适当比例相混合产生白色的颜色光是互补色。两个色光的主波长定义为互补波长，但在不同光源下补色的主波长是会有所不同的。或者按适当比例混合而能产生黑色或灰色的两种颜色的染料，都互为补色。例如黄与蓝，红与蓝绿即为互补色。在混合时，如果比例不对则成为不饱和的彩色，色调偏于过多的一色。

蓝、绿、红三原色互为补色的黄、品红、青三色通常称为“三补色”。这三个补色在可见光谱中，各约占1／3。

第33页，共88页，2023年，2月20日，星期一

三种光互相混合，诞生了四种新色彩：黄、品、青、白。在这个由六色构成的色环中：

每一种色与相邻的色彩构成了邻色系统，每一种色与对面的色彩构成补色系统。

在混合两种非补色时，会产生一种新的介于他们之间的中间色。白第34页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑵三刺激值

色度学中用三原色匹配物体反射色光所需要红、绿、蓝原色数量称为物体颜色的三刺激值，即X、Y、Z，也是物体色的色度值。

三刺激值相当于眼睛三种感光细胞，即称赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞，对各种等能量单色波长光的感度。自然界中的每种颜色都可以用选定的、能刺激人眼中三种受体细胞的红、绿、蓝三原色，按适当比例混合而成。第35页，共88页，2023年，2月20日，星期一

三刺激值，即在给定的三色系统中与待测色达到色匹配所需要的三个原刺激量，分别以X、Y、Z表示。通过对众多具有正常色觉的人体(称为标准观察者，即标准眼)进行广泛的颜色比较试验，测定了每一种可见波长(380～780nm)的光引起每种锥体刺激的相对数量的色匹配函数，这些色匹配函数分别用(λ)、(λ)、(λ)来表示。把这些色匹配函数组合起来，描绘成曲线，就叫做CIE色度标准观察者的光谱三刺激值曲线(见图)。第36页，共88页，2023年，2月20日，星期一

任何一种颜色可以用红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到。颜色匹配过程是通过三原色混合后的光的颜色与对应给定光的颜色相同。

CIE（国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分别为：红光，R，λ1=700nm

；

绿光，G，λ1=546nm

；

蓝光，B，λ1=435.8nm

。

第37页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑶RGB和CIE-XYZ表色系统

光颜色的匹配可以用式子表示为：

其中权值

r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对量，也就是三刺激的值。

1931年，CIE给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线，这样的一个系统被称为CIE-RGB系统。但一部分500μm附近的R三刺激值是负数。第38页，共88页，2023年，2月20日，星期一

由于实际上不存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易理解，人们希望找出另外一组原色，用于代替CIE-RGB系统，因此，1931年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色X（红）、Y（绿）、Z（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹配函数的三刺激值都是正值。类似的，该系统的光颜色匹配函数定义为如下的一个式子：第39页，共88页，2023年，2月20日，星期一

用R、G、B三原色（实际上是CIE-XYZ标准原色）的单位向量可以定义一个三维颜色空间（图），一个颜色刺激（C）就可以表示为这个三维空间中一个以原点为起点的向量，我们把该三维向量空间称为（R、G、B）三刺激空间，该空间落在第一象限，该空间中的向量的方向由三刺激的值确定，因而向量的方向代表颜色。

红蓝绿●●●第40页，共88页，2023年，2月20日，星期一

为了在二维空间中表示颜色，我们在三个坐标轴上对称的取一个截面，该截面通过（R）、（G）、（B）三个坐标轴上的单位向量，因而可知截面的方程为（R）＋（G）＋（B）＝1。该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，它被称为色度图。

每一个颜色刺激向量与该平面都有一个交点，因而色度图可以表示三刺激空间中的所有颜色值，同时交点的个数是唯一的，说明色度图上的每一个点代表不同的颜色，它的空间坐标表示为该颜色在标准原色下的三刺激值，该值是唯一的。

对于三刺激空间中坐标为X、Y、Z的颜色刺激向量Q，它与色度图交点的坐标（x，y，z）即三刺激值，也被称为色度值，有如下的表示：第41页，共88页，2023年，2月20日，星期一色品图：第42页，共88页，2023年，2月20日，星期一

色品图是根据三原色原理绘制的，它用匹配某一颜色的三原色比例来规定这一颜色，x色品坐标相当于红原色的比例，y色品坐标相当于绿原色比例，图中没有z色品坐标，因为x+y+z=1，所以z=1-(x+y)。P

坐标系统的原色(三基色)点，即三角形的三个角顶〔红原色点(x)∶x=1，y=z=0；绿原色点(y)∶y=1，x=z=0；蓝原色点(z)∶z=1,x=y=0〕都落在这个区域之外，也就是说，原色点的色品是假想的，在物理上不可能实现。同样，凡是落在光谱轨迹由红端到紫端直线范围以外的颜色是物理上不能实现的颜色。第43页，共88页，2023年，2月20日，星期一①谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的舌形内部包括一切物理上能实现的颜色。②色品图中的E点是白光，由三原色各1／3彩色量产生，所以也称为等能白光，其色品坐标为

E点是CIE标准光源的色光，相当于中午阳光的光色。③若色坐标给定，可立即从色品图上定出该色的主波长和饱和度。例如，要求Q点的主波长，只要从Q向E引一条直线，并延长EQ与光谱轨迹相交，交点在510.3nm则Q点的主波长就是510.3nm。某一颜色离开E点的接近光谱轨迹的程度表明它的纯度，颜色越靠近E越不纯，越靠近光谱轨迹越纯，所以接近光谱轨迹的远近程度标志着饱和度的大小。从E到Q点和P点的距离之比EQ／EP为该Q点颜色的饱和度。第44页，共88页，2023年，2月20日，星期一④从色品图还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如Q和S相加，按不同比例，可配出Q到S线段中的各种颜色。光谱轨迹的形状是近似直线或凸形的，而不是凹形的。因此，任何两个波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹上，或在光谱轨迹所包围的面积之内，而绝不会落在光谱轨迹之外。⑤在700～770nm的光谱波段有一恒定的色度值，都是x=07347，y=0.2652，z=0，在色品图上只由一个点来表示。这表明，只要将700～770nm这段光谱上的任何不同波长的两个颜色调整到相同亮度，则这两个颜色在人眼看来都是一样的。⑥光谱轨迹540～700nm近似是一条直线，这意味着，在这段光谱范围内的任何光谱色都是可以通过540nm和700nm二种波长的光线以一定比例相混合而产生。⑦光谱轨迹380～540nm是一段曲线，它意味着，在此范围内的一对光线的混合不能产生两者之间的位于光谱轨迹上的颜色，而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色。第45页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑧在色品图上很容易确定一对光谱色的补色波长：从光谱轨迹上的一点通过等能白光点E划一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，直线与两侧轨迹的相交点就是一对补色的波长。可以看出，380～494nm之间的光谱的补色位于570～700nm之间，反之亦然。在494～570nm之间的补色只能由和至少由两种光线相混合而产生，因为，这段通过E点的直线恰好与连结光谱轨迹两端的直线相交，而这段直线是由光谱两端色相加的混合色的轨迹。第46页，共88页，2023年，2月20日，星期一光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420红780～630橙630～600黄600～570绿570～500青500～470蓝470～420紫420～380第47页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.3食品的光学测定原理

7.3.1利用透光特性的测定

光密度（OD）[opticaldensity]定义为材料遮光能力的表征,它表示被检测物吸收掉的光密度，是入射光强度与透射光强度之比值的常用对数值。根据式(7一4)可知，被吸收的光能与光路中吸光的分子数成正比，通过测定吸收系数，求出透明液体食品的浓度。比尔定律适用于检测稀溶液，即要求光路中吸收光的每个分子对光的吸取不受周围分子影响。根据比尔定律，溶液的某特定波长的光密度D正比于吸光物质浓度和它在该波长时的吸收系数。

第48页，共88页，2023年，2月20日，星期一

式中，δ—光程或光穿过的介质厚度;κλ—吸收系数。如果光程单位用cm，吸光物质浓度单位用mol/cm3，则吸收系数κλ单位为cm2/mol。当采用cm2/mol单位时，κλ称为摩尔吸收系数。当液体中有一个以上的吸光成分时，式(7－12)可写为

式中，ci—第i个成分的浓度;

κλi—波长为A时的第i个成分吸收系数。以光密度D为纵坐标，波长为横坐标，绘制的曲线称为摩尔吸收光谱曲线。第49页，共88页，2023年，2月20日，星期一

实际测量中，直接测定D值并不方便。应用较多的是用两个波长的光密度差△D(或△Aλ)来确定食品的光透过特性。设Aλ1和Aλ2是试样在两个波长λ1和λ2时的D值。ASλ1和ASλ2分别为样品中某待测成分对应于波长λ1和λ2的D值。ARλ1和ARλ2分别为样品中其他成分相应的D值。则当选择合适波长λ1和λ2时，使ARλ1＝ARλ2，则

显然，这时避免了其他成分引起的测量误差。分光光度计(spectrophotometer)就是以光透过度为测量基础的光谱分析仪器。第50页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图7一3是对番茄用单色光进行局部照射时，番茄的透光强度和透光方向变化情况，这种变化与番茄成分、组织结构等对光的反射、吸收和散射后共同作用的结果，从透过光的强度可以看出，光穿过的距离对透光强度影响较大。第51页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.3.2反射光特性的测定

与透过光相类似，我们同样可以定义反射率R＝Iτ/I1,，Iτ为反射光强度，I1为入射光强度。

反射光密度Dτ的定义式为

反射光特性的测定与透射光的测定类似，也利用反射光密度差来进行测定。

两个特定波长的反射光密度差为△Dτ，则

式中，R1和R2分别为两个特定波长的光对物体表面的反射率。如果选定两个波长入射光的强度近似相等，则反射光密度差为

第52页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.4食品光学性质的应用

7.4.1光透过特性的测定方法和应用

⑴测定装置

检测食品的光透过特性或光反射特性所用仪器是由以下部分组成:光源、光谱分离器、光波检测器、示波器、记录仪等。

●光源:一般采用标准白光源，提供可见光范围的连续光谱。

●光谱分离器:可以把特定波长光分离出来的部件。到达试样的光的纯度或特性取决于分光手段，一般分光手段采用棱镜或衍射光栅*作的单色仪(monochromator)，也可以使用滤光镜达到同样效果。

●光波检测器:检测器选择时要考虑到反应速度、光谱响应、灵敏度、杂波水平、电阻抗、尺寸、价格等因素。一般测定透光或反射光的检测器，在可见光领域常用硫化铅光敏电阻(leadsulfidephotoconductivecell)。

●示波器、记录仪:把检测器感知的信号放大，并且显示、记录。第53页，共88页，2023年，2月20日，星期一

以一种△D测定仪—差分仪(differencemeter)为例。如图7一4所示，光源发出的光通过缝隙、滤光转盘、反射镜和透镜射入试样。入射波的波长由滤光盘上A和B滤光器决定。即同步马达转动时，A、B滤光器使得从光源发出的光变成不同波长的两个特定光波，交替射入试样。校正屏9也叫校正滤光镜(calibratingscreens)。用它校正试样的光密度。当光线通过试样，被光电管8感知可得到两种脉冲信号，信号由光电开关3〔光控继电器)控制，分别送入记忆电容中去。记忆电容按照由光电管传来的电信号强弱产生相应电压。这两者电压的差可以通过图9一4中的电压计刻度盘读取。于是经过换算就可以测定出光密度差△D。图7-4第54页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑵光密度差的求出与两种波长的选择

为了提高测定精度，在测定光密度差时要选择两种特定波长的光：①一种波长应该是对于待测成分的变化十分敏感；②一种波长相反，应是对待测成分变化几乎没有反应（作为参照波长）。

由于两波长一般都对试样尺寸、光源，检测器等因素的变化反应敏感，故后一种波长就作为参照波长，用来抵消这些因素的影响。例如，根据温州蜜橘颜色选果时，所使用的两种波长分别为681.5nm和700nm，那么得到的△D值与叶绿素含量有着很好的相关关系[图9一5(a)]。第55页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑶利用光密度比测定

当测定厚度不同的果实时，为了消除果实尺寸的影响，可以利用两个不同波长的光密度比进行测定。其理由如下:

根据朗伯定律，I2=I1e-αλ·δ，αλ为吸收系数，δ为试样厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλ

·

δ/2.303，当分别用波长为单色光测定同一试样的D时，D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2，即在关系式中不会出现厚度。第56页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑷透光测定法在食品品质评价上的应用

透光测定法是食品无损检测的一种常用方法，比较典型的应用有:果蔬成熟度的检测、谷类水分含量测定，玉米霉变损伤检测、碎米程度、食品颜色、鸡蛋内血丝混入*的检测等。

应用这种方法的前提是，食品中与光透过有关的物质或色素，必须和食品的品质指标有好的相关性。例如，测定果实的成熟度，是利用了果实中含有的叶绿素量与成熟度明显相关这一规律。另外有关的物质还有花青素昔类、胡萝卜素等。

例如：

①对花生熟度测定常采用一种花生熟度计(peanutmaturitymeter)。该仪器就是用波长分别为480nm和510nm的两波长光来测定光密度，判断花生熟度。因为花生随着成熟，其光密度减少。对于花生油，在特定波长的光照射时，成熟花生的油比生花生的油透光性要好，其差异在425nm、455nm和480nm最为显著。第57页，共88页，2023年，2月20日，星期一

②对食品水分测定利用透光特性也比较多。

Narris开发了以水的光谱吸收曲线为基础的水分计。水的吸收光谱中有5个吸收带，波长分别为:760nm、970nm、1190nm、1450nm和1940nm。

对谷物的甲醇提取物水分测定使用1940nm光吸收带，其测定结果与化学试剂法测值相比，标准偏差为土0.24%。Narris等人利用此原理对花生水分测定，发现△D(970nm,900nm)与水分含量相关。在含水率30%左右的试样范围，测定精度在0.7%。对于大豆水分测定，采用△D(1940nm，2080nm)法，比干燥法测定标准偏差仅为0.1%。第58页，共88页，2023年，2月20日，星期一

③果实内部的空洞、褐变、病变等也可以通过透光法测定。例如，对苹果的糖蜜病，由于蜜病区细胞间的空隙充满了水，因此，对入射光扩散减少，D值也减少。如图7一6所示，使用水吸收峰值的760nm和810nm两个波，即可发现糖蜜病变。对于苹果内部的褐变，如图7-7所示，随褐变加重，D增加。采用的基本波长为600nm和740nm。

图7-6图7-7第59页，共88页，2023年，2月20日，星期一

④透光检测在自动选果机上也得到广泛应用。

1968年Nelson利用光密度差原理成功地开发了玉米分选机。主要是将菜用的甜玉米与饲料玉米分开。这两种玉米虽然表面颜色相同，但内部组成有显著差别，用人眼难以分辨。用透光法就可以正确判断。Allen等人(1966)根据透光测定原理开发了果实中有无种子的选果机。其装置如图7一8所示，图的下方为透光检测部分，称阴影检测器(shadowdetector)。光源与阴影检测部位正对。光源发出的光通过散射可以传到旁边的辉光检测器。辉光检测器接收的信号不受种子有无的影响，只给出果实有无阴影一个参照信号，即自动补偿表皮颜色、果肉特性、果实大小和光源变化等引起的误差。把两检测器信号经过差动放大，当信号达到一定值时，则由排除机构去除。图7-8第60页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.4.2光反射特性的测定方法和应用

图7一9表示测定光的反射率时光源、物料和检测器的配置方法，阴影部分表示测定光近似通过的区域。图7-9

测定反射率时一般是将一束光同时照射到物料样品和一个标准的白色参照表面(一层氧化镁)上，并对它们反射光强度进行比较，以确定反射率，如图7一10所示。由光源A发出的光经三棱镜B色散，并被C分隔成一个狭窄的波长范围。通过狭缝的光束被涂银的镜片D分成两束相同强度的光束。通过镜片D的光束投射到一个标准的白色氧化镁表面上，而由镜片D反射的光束被镜片E再反射到试样表面。图7一10第61页，共88页，2023年，2月20日，星期一

一般地说，试样表面的反射率比白色表面低，投射到标准白色表面上的光强度可通过光量调节器F来减弱，直至标准表面和试样表面具有相等的反射光强度。例如，投射到标准白色表面上的光减弱到70%时才能和试样表面反射的光强度保持一致，则试件在该波长的反射率为70%。在实际应用中，测定物料各个波长时的反射率，以波长A为横坐标，以反射率I2为纵坐标，即可绘制出物料反射率光谱特性曲线。图7一10第62页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图7一11是一些食品物料的光反射率特性曲线的实例。不同物料之间光谱特性曲线的差异主要是由于物料吸收特性的差异。由图7一11可见，反射率曲线有若干明显的吸收带。这些吸收带存在于高含水量的物料中，如苹果、马铃薯和肉，而干的土块却没有。由此可见，这是水的吸收带。其波长约为970nm,1190nm和1450nm,大多数在红外线范围内。根据该特性我们可用红外线照射的方法测得其含水量。

由图7一11还可看出，在波长约为675nm时绿苹果有一个明显的吸收带，而红苹果的吸收带则不太明显。这是叶绿素的吸收带，由于随着物料成熟度提高，叶绿素含量下降，因此绿苹果比红苹果的吸收带明显得多。根据这种分析，我们可用675nm波长的光照射物料，以测定物料叶绿素含量，从而可以确定物料的成熟度。图7一1167597011901450第63页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图7一12是两种不同成熟度的番茄反射率曲线。选550nm波长为参照波长，它对反射率变化是不敏感的，另一个波长选作670nm，它是叶绿素吸收带，对成熟度是比较敏感的。于是，红番茄的△R(550一670nm)为正，而绿番茄的△R为负，这样就可将成熟和不成熟番茄完全分开。单用670nm波长的反射率值是无法将两种番茄有效地分开的。绿番茄红番茄图7一12第64页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图7一13为马铃薯、土块和石块的反射率曲一线。用不同波长的光照射马铃薯、土块和石块发现，马铃薯在波长600～1300nm的反射率Rλ1比土块和石块大，而马铃薯在波长1500～2400nm时的反射率Rλ2比土块和石块小。因此，在该波长范围内马铃薯的Rλ1/Rλ2的值始终比土块和石块大。利用这个特性即有可能从土块和石块中把马铃薯分离出来。

图7一13第65页，共88页，2023年，2月20日，星期一

大米色选机的基本原理是利用物料的反射光量差异进行品质检测，并利用电磁排料器去除异色粒或杂质。色选机主要由原料供给、光电检测系统、信息处理、分选等部分组成。其中，光电系统是核心，目前有单色光检测系统、双色光检测系统和三色光检测系统。目前的色选机已利用数字图象技术、近红外技术等能有效地实现将不合格产品除去的目的。色选机的基本原理如下图所示。第66页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.4.3积分球测定技术

⑴积分球及其测定基本原理

积分球通常是由两个半球组成，内涂层喷涂好以后，再用法兰把两个半球连接起来，构成积分球的主体，再由支架支撑起来，就是一个完整的积分球。积分球上通常开有入光孔、样品孔和接收孔，有的还配有样品架、镜片架、孔塞，光阱、光栏、囱口配接器以及标准白标等积分球附件，以满足各种光学测量的要求。第67页，共88页，2023年，2月20日，星期一积分球基本原理：积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点B的光照度E为：

公式(1)中，E1为光源S直接照在B点上的光照度，E1的大小不仅与B点的位置有关，也与光源在球内的位置有关。如果在光源S和B点间放一挡屏，挡去直接射向B点的光，则E1=0，因而在B点的光照度为：(1)(2)

公式(2)中，R为积分球半径、ρ为积分球内壁反射率。R和ρ均为常数，因此在球壁上任意位置的光照度E（挡去直接光照后）与灯的光通量Φ成正比。通过测量球壁窗口上的光照度E，就可求出光源的光通量Φ。第68页，共88页，2023年，2月20日，星期一

由于积分球内表面具有超高反射和散射的特性，积分球可获得各种不同的应用。在食品的检测中，一般是采用下图三测定原理的积分球。把一平行光束从积分球的一孔入射，射到安置在正对面球壁的试样上，即可测得试样的反射系数、散射系数和荧光系数等，从而计算出相关的成分含量、产品质量指标等。一台简单的积分球测试系统

第69页，共88页，2023年，2月20日，星期一第70页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.4.4延迟发光现象的利用

延迟发光(DLE)具有暗期恢复(darkrecovery)、光饱和以及感温性等特点。常用于含叶绿素的果蔬类食品检测。利用延迟发光特性对果蔬进行分选具有以下优点。

(1)选择光源的范围大，因此装置简单(注意:在625一725nm的光激发作用较强)；

(2)照射和测定L)LE的时刻可在不同场所进行，对于机械的设计带来方便；

(3)除光电管外，不需要其他光学元件，装置比较简单；

(4)没有一般透光测定时，荧光带来的影响误差。荧光给D带来的误差有时高达25%。

以上优点，都使得食品加工或精选工程中应用DLE非常方便。DLE的利用在迅速测定生鲜农产品的叶绿素含量和判断新鲜程度方面有着一定优势。叶绿素聚集体有延迟发光现象。这延迟发光现象说明叶绿素聚集体在吸收光能后,能把光储藏在聚集体中。第71页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图7一14表示农产品延迟发光特性的测定装置简图。光源LS通过一组透镜L1，L2和3个中性密度滤色片F1，快门SH,照在镜片M上。光被镜片M反射，照射到放置在暗室CH内的样品S上。光源利用风扇F冷却。为研究温度对延迟发光强度的影响，在暗室内还装有加热器H、隔热屏HS和热电偶TC。镜片M是铰接的，当快门SH关闭后镜片及时地切断光源通路。图7一14同时反射镜顺时针转450，样品的延迟发光通过干涉滤色片F2、紫外光滤色片F3和聚光镜L3，由光电倍增管PMT接收。暗室和光的通道的内壁均涂黑以吸收散射光。样品激励光照射面积由暗室中的罩子MA调节。电源和读出系统如图7一14所示。第72页，共88页，2023年，2月20日，星期一

番茄、柿子和橘子在白炽光激励下的延迟发光光谱曲线，如图7一15、图7一16和图7一17所示。由图可见，延迟发光强度的峰值是在波长为650一750nm范围内，该光谱范围正好是在红光光谱区域。因此，在测定装置中所选择的光电管应对红光有良好的响应。激励光源采用白炽灯或荧光灯均可得到良好的延迟发光输出。绿番茄绿柿子图7一15图7一17图7一16第73页，共88页，2023年，2月20日，星期一

延迟发光强度受多种因素的影响。

①图7一18表示光照激励时间对番茄延迟发光强度的影响。当光照激励时间增加时，延迟发光强度也随之增加到最大值，之后随光照时间继续增加，延迟发光强度反而缓慢下降，最后达到一个稳定值，我们称作达到饱和状态了。对番茄试验表明，当激励光照度为5500lx时，激励时间为3——6s，延迟发光强度达到最大值。图7一18第74页，共88页，2023年，2月20日，星期一

②图7一19表示激励光照度对番茄延迟发光强度的影响。光照激励照度愈高，达到延迟发光饱和状态所需时间愈短。为保证延迟发光达到饱和状态，激励光照度应尽可能的高。当延迟发光达到饱和水平后，增加光照激励时间或照度对增加延迟发光强度己不起多大作用。由于在饱和状态下激励光照度变化不再影响延迟发光强度，因此延迟发光照度检测应在延迟发光饱和状态下进行。图7一19第75页，共88页，2023年，2月20日，星期一

在用光照激励食品之前，首先需将物料在暗室中放置一段时间，我们把这段时间称作暗期(darkperiod)。图7一20表示番茄的延迟发光强度的衰减曲线。光照激励前的暗期长短对延迟发光曲线有明显影响。图7一21表示暗期对延迟发光强度的影响。暗期短使延迟发光强度减弱，暗期长可使延迟发光达到饱和状态。图7一20图7一21第76页，共88页，2023年，2月20日，星期一

③样品温度对延迟发光强度也有一定影响。对番茄和柿子测定表明，当温度低于13一17℃时，延迟发光强度随温度增加而稍有增加，随着温度继续增加，延迟发光强度反而下降。对茶叶和烟叶试验表明，当温度分别低于31℃和35℃时，延迟发光强度随温度增加而增加，当高于上述温度时，延迟发光强度随温度增加而下降。为得到一些食品的高强度延迟发光，各项测定参数组合如表7一1所示。表7一1第77页，共88页，2023年，2月20日，星期一7.4.5食品近红外测定的原理和应用

食品的外观、色彩、内部状态检测在可见光范围可通过反射、透过、延迟发光等光学特性测定来完成。对食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂质等一般成分的评价，近年来，应用近红外线、微波、甚至核磁共振等方法受到越来越多的重视。尤其是近红外线技术，在食品的非破坏检测方面取得较大进步。20世纪70年代以来，美国等国家的研究部门发现，利用食品成分对近红外线(0.7一3.0μm)的吸收特性，如对谷类、乳制品、肉制品、饲料等的水分、蛋白质、脂质、糖、氨基酸等，可以进行有效的无损伤测定。第78页，共88页，2023年，2月20日，星期一⑴近红外法的原理和定量方法

近红外线的范围为可见光到红外线之间，即波长为0.7-3μm的光波。物质对红外线的吸收，除极少数例外，都是由结合键连结的两个原子间简正伸缩*振动的谐波或结合振动的吸收引起的。其中大部分都与物质中的氢原子的简正伸缩振动有直线相关关系。也就是当光波频率与分子构造中原子结合振动频率相同或是倍数关系时，该波长的波就被吸收。

吸收光谱受到各种成分含量比例的影响，是一个叠加而成的曲线。大豆的近红外吸收光谱如图7一22所示。其中水的吸收波长为1.94μm