臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
學號：M9032028 總頁數：134頁
論文名稱：凹面型光柵光譜儀應用於水果糖度檢測之研製
學校名稱：國立屏東科技大學 系（所）別：機械工程系 碩士班
畢業時間及摘要別：九十一學年度第二學期碩士學位論文摘要
研究生：張建中 指導教授：謝俊夫
論文摘要內容：
本研究以凹面型光柵光譜儀架構一套近紅外線檢測單元。鎢鹵光源照射於水果表面，經吸收反射後由鏡頭聚焦進入單光儀的凹面型光柵，分光後聚焦於檢波器感光元件上，再經由電腦數據處理，利用修正部分最小平方迴歸 (MPLSR)、多重線性迴歸(MLR)等分析方法來建立糖度的校正方程式。經由光源之選擇與影響實驗、聚焦鏡頭聚焦點驗證實驗、平面型光柵與凹面型光柵分光實驗等儀器性能測試，作為未來線上檢測機設計之參考。
實驗結果顯示，鎢鹵燈泡具有ALU(aluminum)功能者，較適合用於近紅外光區之檢測；在鏡頭的設計上如無依照不同的折射率加入色差修正因子，不但將使光強度訊號的損失並會造成波形的失真；另外，凹面型光柵不需要繁瑣的光學元件配置，單一元件即可分光的，因此利用其所設計的光譜儀，較適合線上型檢測所使用。由上述各結果所架構的檢測系統，經由水果糖度吸收光譜量測實驗，以MPLSR五因子模式所建立之蓮霧糖度校正方程式，其相關係數( )為0.949，標準校正偏差( )值、交叉驗證標準偏差( )分別為0.41、0.778°Brix，校正方程式預測指數( )則為0.641。以MLR建立之蓮霧糖度校正方程式，最佳五個波長數為1228、1038、1447、989、1176nm，其 、 分別為0.863 、0.6833， 及驗證標準偏差( )值則分別0.658及1.0413°Brix。以此校正方程式模擬選別分級，共檢測30顆蓮霧，其選別率達80%。

Abstract
A near infrared detecting system was develop for evaluating sugar content of fruit in this study. This detecting system used a concave grating for simpled optical components; single component to have more sufficient splitting. The tungsten light source was illuminated on the fruit surface, then absorbed and reflected, and entered the concave grating of the monochromator through object lens focus. The light source was then focused on the sensitization component of the detector after splitting, and was analyzed with Modified Partial Least Squares Regression (MPLSR), Multiple Linear Regression (MLR) to establish the calibration equation for sugar content. Instrument functionality tests, including the light source selection and impact experiment, focusing point validation test for focal lens, ruled grating and concave grating splitting test, were conducted for future reference to online inspection system.
The results showed that the tungsten halogen lamp with ALU (aluminum) was more suitable for detection of near infrared ray zone. If the chromatic aberration factors based on various refractive indexes were not considered in the lens design, the intensity signal may be destructed and result in distortion of waveforms. In addition, the concave grating required simpled optical components; single component would be sufficient for splitting. Thus, the spectrometer developed with the concave grating would be more desirable for online detection. In the absorption spectrum test for fruit sugar content using the detection system constructed based on the abovementioned results, as well as the sugar content calibration equation for wax apple based on MPLSR five-factors model, the multiple correlation coefficient of calibration (rcal) was 0.949, the standard error of calibration (SEC) and standard error of cross validation (SECV) were 0.41 and 0.778°Brix respectively, and the calibration equation index (1-VR) was 0.641. The five optimal wavelengths in the MLR calibration equation for wax apple sugar content were 1228, 1038, 1447, 989, and 1176nm, where rcal and rval were 0.863 and 0.6833, respectively. SEC and SEP were 0.658 and 1.0413°Brix, respectively. In the simulation of classified detecting over 30 wax apples with this calibration equation, the selectivity was 80%.

目 錄
頁數
摘要-------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
英文摘要-------------------------------------------------------------------------------Ⅱ
誌謝-------------------------------------------------------------------------------------Ⅲ
目錄-------------------------------------------------------------------------------------Ⅳ
圖表索引-------------------------------------------------------------------------------Ⅷ
第一章 前言----------------------------------------------------------------------------1
第二章 文獻探討----------------------------------------------------------------------3
2.1 近紅外線光譜分析基本原理------------------------------------------------3
2.1.1 指數定律-------------------------------------------------------------------5
2.1.2 反射光譜與化學成分關係之線性化----------------------------------6
2.2 校正方程式性能評估的統計指標------------------------------------------6
2.3 近紅外線光譜檢測分析模式----------------------------------------------10
2.3.1 多重線性迴歸-----------------------------------------------------------10
2.3.1.1 MLR迴歸模式波長的選擇---------------------------------------11
2.3.1.2 MLR迴歸模式參數設定及修正---------------------------------13
2.3.2 部分最小平方迴歸-----------------------------------------------------14
2.3.2.1 PLSR迴歸模式因子數的決定-----------------------------------16
2.3.2.2 PLSR迴歸模式參數設定-----------------------------------------17
2.3.3 樣本選擇-----------------------------------------------------------------18
2.4 近紅外線檢測單元硬體架構與設計-------------------------------------19
2.5 近紅外線線上檢測系統----------------------------------------------------20
2.6 近紅外光之光源--------------------------------------------------------------22
第三章 理論分析--------------------------------------------------------------------24
3.1 反射定律----------------------------------------------------------------------24
3.2 折射定律----------------------------------------------------------------------25
3.3 全反射-------------------------------------------------------------------------27
3.4 鏡及其成像-------------------------------------------------------------------29
3.4.1 球面及平面鏡-----------------------------------------------------------29
3.4.2 薄透鏡--------------------------------------------------------------------29
3.4.3 放大率--------------------------------------------------------------------30
3.5 色散----------------------------------------------------------------------------31
3.6 球差----------------------------------------------------------------------------34
3.7 色差----------------------------------------------------------------------------37
3.8 光柵及其分光----------------------------------------------------------------40
3.8.1 光柵的工作原理--------------------------------------------------------40
3.8.2 平面與凹面型光柵光譜儀工作原理---------------------------------43
3.8.2.1 平面型光柵光譜儀工作原理--------------------------------------43
3.8.2.2 凹面型光柵光譜儀工作原理--------------------------------------44
3.8.2.2.1 凹面型光柵的繞射與反射性質-------------------------------45
3.8.2.2.2 理論模擬與分析-------------------------------------------------48
3.8.3 光柵的色散及解析力---------------------------------------------------49
3.8.3.1 光柵的色散----------------------------------------------------------49
3.8.3.2 光柵的解析力------------------------------------------------------50
第四章 檢測單元硬體規劃與設計方法-----------------------------------------52
4.1 多通道檢波器之配置-------------------------------------------------------52
4.1.1 儀器設備-------------------------------------------------------------------52
4.1.2 配置方法及軟體設定----------------------------------------------------53
4.2 凹面型光柵單光儀之設計與配置----------------------------------------59
4.2.1 儀器設備-----------------------------------------------------------------59
4.2.2 設計方法-----------------------------------------------------------------60
4.3 光源及投射機構之設計與配置--------------------------------------------66
4.3.1 儀器設備-----------------------------------------------------------------66
4.3.2 配置及設計方法--------------------------------------------------------67
4.4 聚焦透鏡組設計--------------------------------------------------------------72
4.4.1 儀器設備------------------------------------------------------------------72
4.4.2 配置及設計方法---------------------------------------------------------72
4.5 其他設備設計與配置--------------------------------------------------------77
4.6 設計原理-----------------------------------------------------------------------77
第五章 實驗設備與研究方法-----------------------------------------------------79
5.1 光源之選擇與影響實驗----------------------------------------------------79
5.1.1 目的-------------------------------------------------------------------------79
5.1.2 設備-------------------------------------------------------------------------79
5.1.3 方法-------------------------------------------------------------------------83
5.2 聚焦鏡頭聚焦點驗證實驗-------------------------------------------------84
5.2.1 目的-------------------------------------------------------------------------84
5.2.2 設備-------------------------------------------------------------------------84
5.2.3 方法-------------------------------------------------------------------------84
5.3 平面型光柵與凹面型光柵分光實驗-------------------------------------86
5.3.1 目的-------------------------------------------------------------------------86
5.3.2 設備-------------------------------------------------------------------------86
5.3.3 方法-------------------------------------------------------------------------89
5.4 水果糖度及光譜量測實驗-------------------------------------------------89
5.4.1 目的-------------------------------------------------------------------------89
5.4.2 設備與材料----------------------------------------------------------------89
5.4.3 方法-------------------------------------------------------------------------90
5.5 光譜處理及分析-------------------------------------------------------------95
5.6 糖度預測與選別率實驗----------------------------------------------------96
第六章 結果與討論-----------------------------------------------------------------98
6.1 光源之選擇與影響實驗----------------------------------------------------98
6.2 聚焦鏡頭聚焦點驗證實驗------------------------------------------------101
6.3平面型光柵與凹面型光柵分光實驗-------------------------------------104
6.4 蓮霧糖度吸收光譜實驗---------------------------------------------------107
6.4.1 蓮霧糖度最佳取樣位置----------------------------------------------107
6.4.2 蓮霧糖度分佈情形----------------------------------------------------111
6.5光譜處理及分析-------------------------------------------------------------113
6.5.1 校正組迴歸模式與分析探討----------------------------------------113
6.5.2 驗證組糖度校正方程式建立----------------------------------------118
6.6 模擬蓮霧選別分級實驗---------------------------------------------------122
第七章 結論-------------------------------------------------------------------------124
參考文獻-----------------------------------------------------------------------------126
作者簡介-----------------------------------------------------------------------------134
圖 表 索 引
頁數
圖 2-1 電磁輻射光譜圖------------------------------------------------------------4
Fig.2-1 Spectroscopic regions of interest for electromagnetic wave----------4
圖 2-2 鎢燈的光譜強度分佈----------------------------------------------------23
Fig.2-2 Spectra of intensity distribution (tungsten lamp)---------------------23
圖 3-1 反射-------------------------------------------------------------------------25
Fig.3-1 Reflection------------------------------------------------------------------25
圖 3-2 折射-------------------------------------------------------------------------27
Fig 3-2 Refraction------------------------------------------------------------------27
圖 3-3 全反射----------------------------------------------------------------------28
Fig.3-3 Total internal refrection--------------------------------------------------28
圖 3-4 色散-------------------------------------------------------------------------33
Fig.3-4 Dispersion------------------------------------------------------------------33
圖 3-5 稜鏡之折射----------------------------------------------------------------34
Fig.3-5 Dispersion of refrection--------------------------------------------------34
圖 3-6 不同光學物質材料之折射率與波長曲線----------------------------34
Fig.3-6 Refractive index and wanelengh curves of various optical materials ------------------------------------------------------------------------------34
圖 3-7 球差示意圖----------------------------------------------------------------35
Fig.3-7 Spherical aberration-------------------------------------------------------35
圖 3-8 點光源通過凸透鏡所造成的球差-------------------------------------36
Fig.3-8 Spherical aberration(point light source through the convex mirror)
------------------------------------------------------------------------------36
圖 3-9 非球面鏡-------------------------------------------------------------------37
Fig.3-9 Aspherical lens------------------------------------------------------------37
圖 3-10 縱向色差示意圖----------------------------------------------------------39
Fig.3-10 Axial (or Longitudinal) chro-matic aberration------------------------39
圖 3-11 橫向色差示意圖----------------------------------------------------------39
Fig.3-11 Lateral chromatic aberration---------------------------------------------39
圖 3-12 入射與反射光之相位關係----------------------------------------------42
Fig.3-12 Relationship between optical path of incidence and reflection-----42
圖3-13 光柵表面繞射示意圖-----------------------------------------------------42
Fig.3-13 Diffraction of grating-----------------------------------------------------42
圖 3-14 平面型光柵之分光光譜儀系統架構----------------------------------43
Fig.3-14 Optical path of spectroscopic system by ruled grating---------------43
圖 3-15 凹面型光柵之分光光譜儀系統架構----------------------------------44
Fig.3-15 Optical path of spectroscopic system by concave grating-----------44
圖3-16 凹面型光柵聚焦角度示意圖--------------------------------------------47
Fig.3-16 Focus angle of beam by concave grating-------------------------------47
圖 3-17 Rowland’s circle 示意圖-------------------------------------------------48
Fig.3-17 Rowland’s circle of concave grating------------------------------------48
圖 3-18 理論模擬角度與位置示意圖-------------------------------------------49
Fig.3-18 Simulation angle and position of concave grating theory-----------49
圖 4-1 檢測單元硬體配置示意圖----------------------------------------------55
Fig.4-1 Dimensional diagram of develop detecting system-------------------55
圖 4-2 檢測單元硬體配置實體圖----------------------------------------------56
Fig.4-2 The develop detecting system-------------------------------------------56
圖 4-3 C8061-G8161-512S InGaAs多通道檢波器實體圖-----------------56
Fig.4-3 C8061-G8161-512S InGaAs multichannel detector------------------56
圖 4-4 MCD Controller C7557實體圖-----------------------------------------57
Fig.4-4 MCD Controller C7557--------------------------------------------------57
圖 4-5 MCD Controller C7557 Application Software Ver 2.02 設定視窗及
參數-------------------------------------------------------------------------58
Fig.4-5 MCD Controller C7557 Application Software Ver 2.02 Setting
argument-------------------------------------------------------------------58
圖 4-6 CP-140凹面型光柵單光儀實體圖-------------------------------------62
Fig.4-6 CP-140 concave grating monochromator------------------------------62
圖 4-7 凹面型光柵實體圖-------------------------------------------------------62
Fig.4-7 Concave grating-----------------------------------------------------------62
圖 4-8 狹縫片實體圖-------------------------------------------------------------63
Fig.4-8 Slits--------------------------------------------------------------------------63
圖 4-9 光學濾光鏡片組實體圖-------------------------------------------------63
Fig.4-9 Optical filter sets----------------------------------------------------------63
圖 4-10 校正用筆式汞氬燈與電源供應器實體圖----------------------------64
Fig.4-10 Pencil style spectral calibration lamp and power supply------------64
圖 4-11 利用校正用筆式汞氬燈定義波長-------------------------------------64
Fig.4-11 Definition wavelength(use calibration lamp)--------------------------64
圖 4-12 校正光譜圖（使用LPF-900及SPF-1000濾光鏡）-------------------65
Fig.4-12 Output spectrum of Hg(Ar) lamp(with LPF-900及SPF-1000 optical filter)-------------------------------------------------------------------------65
圖 4-13 校正光譜圖（僅使用LPF-900濾光鏡）--------------------------------65
Fig.4-13 Output spectrum of Hg(Ar) lamp(with LPF-900 optical filter)------65
圖 4-14 光源投射機構硬體配置示意圖----------------------------------------68
Fig.4-14 Dimensional diagram of projecto configuration----------------------68
圖4-15 光源投射機構硬體配置實體圖-----------------------------------------69
Fig.4-15 Optical configuration of light source projecto-------------------------69
圖 4-16 EO-57×42FL非球面鏡實體圖-----------------------------------------69
Fig.4-16 Aspherical lens(EO-57×42FL)------------------------------------------69
圖 4-17 鍍金反射鏡實體圖-------------------------------------------------------70
Fig.4-17 Gold reflector(Coating on sureface)------------------------------------70
圖 4-18 金屬鍍層之波長與反射率----------------------------------------------70
Fig.4-18 Reflectance of freshly deposited metallic coatings-------------------70
圖 4-19 典型光學反射鏡表面鍍層之波長與反射率-------------------------71
Fig.4-19 Typical near normal reflectance of metal reflector coatings---------71
圖 4-20 鹵素燈電源供應器實體圖----------------------------------------------71
Fig.4-20 Power supply(for tungsten halogen lamp)-----------------------------71
圖 4-21 光學鏡片組實體圖-------------------------------------------------------75
Fig.4-21 Optical lens sets------------------------------------------------------------75
圖 4-22 光學鏡片組配鏡座實體-------------------------------------------------75
Fig.4-22 Optical lens seat------------------------------------------------------------75
圖 4-23 聚焦鏡頭組鏡片配置設計圖-------------------------------------------76
Fig.4-23 Design chart of focal camera lens---------------------------------------76
圖4-24 檢測室實體圖--------------------------------------------------------------78
Fig.4-24 Detecting room-------------------------------------------------------------78
圖 5-1 比色儀校正白板實體圖-------------------------------------------------80
Fig.5-1 Standard reflectance of spectrocolorimeter----------------------------80
圖 5-2 DX-200 光度計實體圖--------------------------------------------------81
Fig.5-2 DX-200 Illumination meter----------------------------------------------81
圖 5-3 市售鎢鹵燈泡-------------------------------------------------------------82
Fig.5-3 Normal tungsten halogen lamp------------------------------------------82
圖 5-4 市售鎢鹵燈泡之外觀----------------------------------------------------82
Fig.5-4 Appearance of normal tungsten halogen lamp------------------------82
圖5-5 光源實驗架構實體圖-----------------------------------------------------83
Fig.5-5 Sketch of all light source experiment-----------------------------------83
圖 5-6 平面型光柵單光儀實體圖----------------------------------------------87
Fig.5-6 Monochromater of ruled grating----------------------------------------87
圖5-7 平面型光柵單光儀檢測系統實體圖-----------------------------------87
Fig.5-7 Monochromater of detecting system by ruled grating----------------87
圖5-8 平面型光柵光譜儀檢測系統配置圖-----------------------------------88
Fig.5-8 Dimensional diagram of detecting system by ruled grating--------88
圖 5-9 數位式糖度曲折度計----------------------------------------------------90
Fig.5-9 Digital refractometer------------------------------------------------------90
圖 5-10 糖度取樣位置圖----------------------------------------------------------93
Fig.5-10 Sampling position of sugar content-------------------------------------93
圖 5-11 蓮霧剖面圖----------------------------------------------------------------93
Fig 5-11 Profile of wax apple-------------------------------------------------------93
圖 5-12 蓮霧上視圖-糖度縱向分佈取樣位置圖------------------------------94
Fig.5-12 Sampling position of sugar content(axial)-----------------------------94
圖 5-13 蓮霧正視圖-糖度橫向分佈取樣位置圖------------------------------95
Fig.5-13 Sampling position of sugar content(lateral)---------------------------95
圖 6-1 不同鎢鹵燈泡之光通量強度訊號比較(360~780nm)-------------100
Fig.6-1 Intensity of various tungsten halogen lamps(360~780nm) --------100
圖 6-2 不同鎢鹵燈泡之連續光譜圖(904.07~1604.8nm)------------------100
Fig.6-2 Spectra of various tungsten halogen lamps(904.07~1604.8nm)---100
圖6-3 市售鎢鹵燈泡常用標記-------------------------------------------------101
Fig.6-3 Function sign of normal tungsten halogen lamp---------------------101
圖 6-4 不同波長設計基準下之光強度訊號比較圖------------------------102
Fig.6-4 Intensity of design based on the various wavelength---------------102
圖 6-5 不同波長設計基準下各波長之變異係數---------------------------103
Fig.6-5 CV value of design based on the various wavelength--------------103
圖 6-6 不同波長設計基準下之連續光譜圖---------------------------------103
Fig.6-6 Spectra of design based on the various wavelength-----------------103
圖 6-7 BK7材質光學玻璃折射率曲線圖------------------------------------104
Fig.6-7 Graph of refractive index by BK7 optical glass---------------------104
圖 6-8 平面型光柵的分光之連續光譜圖(901.36~1624.36 nm)---------106
Fig.6-8 Spectra of splitting by ruled grating-----------------------------------106
圖 6-9 凹面型光柵的分光之連續光譜圖(904.07~1604.8 nm)-----------106
Fig.6-9 Spectra of splitting by ruled grating-----------------------------------106
圖 6-10 光柵繞射功率分析儀---------------------------------------------------107
Fig.6-10 Power meter of grating diffraction efficiency------------------------107
圖 6-11 蓮霧橫切面糖度分佈圖------------------------------------------------111
Fig.6-11 Distribution of sugar content(transaction of wax apple)------------111
圖 6-12 校正組糖度分佈圖------------------------------------------------------112
Fig.6-12 Distribution of sugar content(calibration sets)-----------------------112
圖 6-13 驗證組糖度分佈圖------------------------------------------------------112
Fig.6-13 Distribution of sugar content(validation sets)------------------------112
圖 6-14 校正組原始光譜圖------------------------------------------------------115
Fig.6-14 Original spectra of calibration sets------------------------------------115
圖 6-15 校正組吸收光譜圖------------------------------------------------------115
Fig.6-15 Absorbance spectra of calibration sets--------------------------------115
圖 6-16 校正組MLR模式五個特徵吸收波長迴歸係數與波長關係圖--116
Fig.6-16 Regression coefficient in calibration models on all wavelengths of 5-wavelenghs MLR model for calibration sets----------------------116
圖 6-17 校正組MLR模式糖度預測值與實測值之迴歸關係圖-----------116
Fig.6-17 Relationship between sugar content measured by chemical analysis and by NIRS of calibration sets of 5-wavelenghs MLR model----116
圖 6-18 校正組MPLSR五因子模式之迴歸係數與波長關係圖---------117
Fig.6-18 Regression coefficient in calibration models on all wavelengths of 5-factors MPLSR model for calibration sets-------------------------117
圖 6-19 校正組MPLSR模式糖度預測值與實測值之迴歸關係圖-------117
Fig.6-19 Relationship between sugar content measured by chemical analysis and by NIRS of calibration sets of 5-factors MPLSR model------117
圖 6-20 驗證組原始光譜圖------------------------------------------------------121
Fig.6-20 Original spectra of validation sets--------------------------------------121
圖 6-21驗證組吸收光譜圖------------------------------------------------------121
Fig.6-21 Absorbance spectra of validation sets---------------------------------121
圖 6-22 驗證組MLR模式糖度預測值與實測值之迴歸關係圖----------122
Fig.6-22 Relationship between sugar content measured by chemical analysis and by NIRS of validation sets of 5-wavelenghs MLR model-----122
表3-1 典型光學玻璃之折射率及色散----------------------------------------33
Table 3-1 Typical refractive index and dispersion of optical glass------------33
表 4-1 MCD Controller C7557 規格表---------------------------------------54
Table 4-1 Specifications information of MCD Controller C7557--------------54
表4-2 光譜校正用汞氬燈之波長資料表-------------------------------------61
Table 4-2 Calibration lamps spectral data-----------------------------------------61
表4-3 常用光學材料之波長折射率資料表----------------------------------74
Table 4-3 Optical properties of most common materials----------------------74
表5-1 各波長光學幾何性質資料表-------------------------------------------85
Table 5-1 Optical properties of various wanelengh------------------------------85
表6-1 市售鎢鹵燈泡之光能量訊號大小-------------------------------------99
Table 6-1 Intensity of various common tungsten halogen lamps--------------99
表6-2 蓮霧糖度最佳取樣位置(縱向取樣)之結果表---------------------109
Table 6-2 Results of sugar content by lateral sampling position-------------109
表6-3 蓮霧糖度最佳取樣位置（橫向取樣）之結果表--------------------109
Table 6-3 Results of sugar content by axial sampling position---------------109
表6-4 單因子變異數分析結果-----------------------------------------------110
Table 6-4 Results of ANOVA analysis value-----------------------------------110
表 6-5 MLR模式(Stepwise)蓮霧之吸收光譜校正結果表---------------114
Table 6-5 Calibration results based on the absobance spectra useing MLR (Stepwise) model of wax apple---------------------------------------114
表 6-6 MPLSR模式蓮霧之吸收光譜校正結果表------------------------114
Table 6-6 Calibration results based on the absobance spectra useing MPLR model of wax apple-----------------------------------------------------114
表 6-7 以MLR迴歸模式實際驗證30顆蓮霧之實驗結果表-----------120
Table 6-7 Validation sugar contenet results of 30 random sample-----------120
表 6-8 模擬蓮霧選別分級實驗之結果-------------------------------------123
Table 6-8 Simulation of classified detecting results of wax apple sugar
contenet------------------------------------------------------------------123

參考文獻
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