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1、33農業機械學刊第 14 卷第 1 期2005 年 3 月砷化銦鎵多通道檢波器水果檢測系統之研製蔡兆胤1，謝俊夫2，盛中德31. 國立中興大學生物產業機電工程學系博士班研究生2. 國立屏東科技大學生物系統工程系副教授3. 國立中興大學生物產業機電工程學系教授，本文通訊作者摘要目前市售水果近紅外線線上檢測機均使用矽(Si)質檢波器，該材質受限於檢測 波長之關係，無法檢測高於 1100nm之波長，文獻記載水果檢測低於 1100nm之波 長適用於糖度，高於 1100nm之波長則適用於酸度。砷化銦鎵(InGaAs)檢波器之檢 測波長在 8001700 nm，此段波長除可應用於糖度外，依據文獻未來在酸度
2、的應 用性更佳，但砷化銦鎵檢波器具高暗電流，以及光子能量會隨檢測波長增加而變 弱等特性，又衍生出其他問題，致使檢測效果受到考驗。本研究以砷化銦鎵檢波 器，配合照明光源、聚光鏡頭、單光儀及其控制系統，研製一套以 9001600 nm 波長為範圍之線上型近紅外線水果檢測系統。用光學元件設計系統之照明光源及 聚光鏡頭，以加強系統之檢測信號。經試驗發現檢波器溫度-10、曝光時間200ms、 增益值 5、A/D轉換 12bits為系統操作之最佳條件。另使用尼龍板簡化傳統波長校 正方法，建立校正模式之結果為 R2=0.999 及 SEC=1.546。為瞭解研製系統之檢測 效果，量測 100 顆印度棗之吸收
3、光譜，建立預測糖度之最佳檢量線，得到 R2、 SECV、1-VR 及 SEC 值各為 0.8349、0.9392、0.6017 及 0.6000 之結果，可證明本套線 上型近紅外線水果檢測系統具有高度準確性之實用價值，能於水果分級上做即時 之內部品質檢測。關鍵詞：近紅外線、聚光鏡頭、單光儀、砷化銦鎵多通道檢波器DEVELOPMENT OF AN INGAAS MULTICHANNEL DETECTOR INSPECTING SYSTEM FOR FRUITChao-Yin Tsai1, Junn-Fu Hsieh2, Chung-Teh Sheng31. Graduate Student, D
4、epartment of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing University. 2. Associate Professor, Department of Bio-Systems Engineering, National Ping Tung University of Science and Technology. 3. Professor, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing Uni
5、versity, Corresponding Author.ABSTRACTSi photodiode array is widely adapted in the commercial fruit online inspecting systems of near infrared (NIR). But the effective scope on detecting wavelength of a Si-type detector prevented it from measuring over 1100nm wavelength. Reports34農業機械學刊第14卷第1期2005年3
6、月indicated the best wavelength of utilizing NIR to inspect fruit was below 1100nm for sugar content; and above 1100nm for acidity. The detecting wavelength of 8001700nm was effectiveworking wavelength range foran InGaAs detector, which can be used not only to predict the sugar content but also to de
7、tect acidity for fruits infuture.However,thecharactersofahighdarkcurrentand thephoto-energy getting weak along the wavelength of an InGaAs detector induced other problems. This is also inhibited the evaluation function of an InGaAs detector. In this research, an InGaAs multichannel detector in the r
8、ange of 9001600nm wavelength was chosen to develop a NIR fruit online inspecting system with two light sources, a collecting lens, a monochrometor, and a control unit. The light source and collecting lens of system made of optical components were designed to enhance the detecting signal. The results
9、 of tests showed that detector temperature at -10, exposure time of 200ms, gain value of 5, and 12 bits A/D were the optimum parameters for operation . A method for wavelength calibration with nylon board of R2= 0.999 and SEC=1.546 was established to simplify the work of traditional way. The perform
10、ance of the developed system was validated by measuring absorption spectrum of 100 Indian jujubes. The results were used to establish the effective calibration model to predict thesugar content ofIndian jujubes, thevalues of R2, SECV , 1-VR and SEC are 0.8349, 0.9392, 0.6017, and 0.6000, respectivel
11、y. These results indicated that the developed NIR inspecting system can be used to assess the internal quality evaluation of a fruit grading system in real time.Keywords: Near infrared, Collecting lens, Monochrometor, InGaAs multichannel detector一、前言隨著科技的進步，電磁波廣泛的被應用於通訊、生物技術及檢測上，電磁波包含很廣，若依頻率大小順序排列，有
12、宇宙射線、伽瑪射線、X射線、遠紫外線、紫外線、可視光線、近紅外光線、紅外光線、遠紅外光線、微波、雷達波、電視波、核磁共振波、無線電波等(Mohsenin, 1984)。各種電磁波有不同之能量，其與頻率及Planck常數之關係為=(1)：電磁波之能量 (joules)：電磁波之頻率 (s-1)：Planck 常數 6.6310-34(joules s)：電磁波之波長 (m)：光在真空中之速度 3108 (m/s)不同能量之電磁波有不同之用途，如：穿透力強的加碼射線及X射線，可用於工業及醫學上之檢測；對微生物具強殺傷力之紫外線則做殺菌之用；可視光及紅外光可提供綠色植物行光合作用；微波、雷達波、電視
13、波等做通信及加熱之用。另外，紅外線也可被用做成分分析，其原理是運用特定波長之紅外線能激發物質分子間原子的振動或轉動之物理性質，藉由檢測經物質內部散射光的波長及強度，就能預測該物質的成分及含量（李等，1997）。近紅外線之波長範圍為 7802500 nm，物質在此波段區內之吸光現象，主要是來自存在於紅外線區域內的基本振動的倍頻(overtone)及組合(combination)現象所造成的(Blanco and Villarroya,2002)。將光照射於水果上，會因其具有不同成分而吸收不同波長之光，故藉檢測水果之近紅外線吸收光譜，即可量測水果之糖酸度，相關研究在最近十年內已有多人投入，如張等人
14、(1998)、Changet al. (1998)、Kawano et al. (1989)、Lanza and Li35砷化銦鎵多通道檢波器水果檢測系統之研製(1984)等多位學者。蔡(2000)曾利用矽質多通道檢波器、單光儀、CCTV 鏡頭及鹵素燈等零組件研發水果近紅外線線上檢測單元，經實驗證實能有效量測小番茄之吸收光譜。目前現有商用型水果近紅外線線上檢測機之檢波器，都採用矽材質之設計，其所檢測之波長範圍在 5501100nm 之間，更高波長範圍之線上型檢測設備，因砷化銦鎵檢波器之價格為矽質之十倍以上，還未廣泛應用，故砷化銦鎵檢波器應用於線上檢測之效果是否實用，為本研究主要之目的。隨著科技
15、進步砷化銦鎵光電材料之生產技術不斷的改良，其售價逐日降低，未來應能達到矽材質檢波器之價格。有鑑於砷化銦鎵檢波器可檢測 9001700nm 之波長範圍，此範圍對水果酸度檢測有較好之結果（邱，1999），如本研製之系統可以實用化，將來應用於水果酸度檢測，會有更好的預測能力。但改變檢測波長又衍生其他之問題，如長波段區之光子能量及穿透力變弱，以及砷化銦鎵具有較高之暗電流等特性，嚴重影響檢測效果，對水果糖酸度之預測能力顯然會變差，如何突破這些問題，使檢測結果優於目前矽質檢波器之檢測系統為本研究之重點。本研究是開發一套以砷化銦鎵檢波器研製之線上型水果近紅外線檢測系統，其中包含自行研發之照明光源、聚光鏡頭及
16、其控制系統，配合市售之單光儀及砷化銦鎵線性多通道檢波器等零組件。研究中為提高檢測信號，設計以聚光方式使檢測光源強度增加，並限制檢測物之照射範圍，減少規則反射(regular reflection)之發生。另外，利用研發聚光鏡頭，有效將檢測之光線聚集進入單光儀內，以加強檢測信號。實驗中也說明如何將最基本之光強度資料轉成吸收光譜資料。為簡化本研製系統之波長校正工作，免除傳統複雜之校正手續，研發以尼龍板作為波長校正板之校正方法，研究中證實以此方式校正本系統之波長，具有極高之準確度，可應用於本系統之波長校正工作。取 100 顆印度棗，以研製之系統量測其吸收 光 譜，藉 WINISI 光 譜 分 析 軟 體(FOSSNIRSystem, 1998)，使用部分最小平方迴歸法(PLSR)尋找之糖度校正方程式，可得到很好之結果。二、實驗設備與材料本研究所使用之設備有照明光源、聚光鏡頭、單光儀、砷化銦鎵線性多通道檢波器、陶瓷白板、尼龍板、電腦、資料擷取軟體、數位式糖度計、NIRS 6500 型光譜分析儀及 WINISI 光譜分析軟體等。其中照明光源及聚光鏡頭為自行研發之設備，
