基于拉曼光譜成像技術(shù)無損檢測濾棒內(nèi)植透明爆珠

潘永華，楊成波，張 凌，李 泰，周文建，韓金江

（紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100）

0 引 言

內(nèi)含香精香料的卷煙爆珠用以實現(xiàn)特色香味的可控釋放，減少外界環(huán)境對吸味的影響和造成的香精損失，并起到豐富卷煙吸食口味、增香保潤等作用，同時也突出卷煙產(chǎn)品的個性化風(fēng)格，因而得到了快速發(fā)展[1]。自2007年推出市場后，濾棒中植入可改變吸味爆珠的卷煙在全球獲得了明顯的成功，成為了煙草企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新亮點[2]。卷煙爆珠壁材普遍著色，依據(jù)GD 2760—2014食品添加劑最大使用量的最高限量要求，部分爆珠產(chǎn)品壁材中水溶劑著色劑存在超量使用的風(fēng)險。爆珠添加技術(shù)安全性受到社會的關(guān)注和質(zhì)疑[3]。為此，隨著爆珠壁材與內(nèi)含液調(diào)配加工技術(shù)的進步，國內(nèi)外煙草企業(yè)推出了采用透明壁材和無色內(nèi)液滴制成的爆珠植入到卷煙濾棒中。受爆珠粒徑合格率、破損漏液等來料質(zhì)量問題和植珠速度與濾棒成型速度同步差異等因素影響，爆珠植入生產(chǎn)過程不可避免會出現(xiàn)缺珠、多珠、相位偏移和破損漏液等質(zhì)量缺陷。現(xiàn)國際國內(nèi)爆珠檢測技術(shù)主要為微波檢測和視覺光電檢測。其中，微波技術(shù)基于微波諧振腔微擾法介電常數(shù)檢測原理，通過檢測爆珠濾棒長度方向上的介電常數(shù)或與之相關(guān)的信號分布特性[4]來判定植入質(zhì)量，光電技術(shù)通過測量一束可見光（通常為白光）穿過濾棒后的色調(diào)變化，利用濾棒纖維、爆珠壁材和內(nèi)含液三者對不同波長入射光吸收和散射差異反映爆珠位置和形狀信息[5]。濾棒醋酸纖維和無色透明爆珠兩者之間存在顏色相近、結(jié)構(gòu)不同的特性，電介質(zhì)常數(shù)不具有化學(xué)特異性，可見光檢測技術(shù)不適用于無色壁材和透明料液，經(jīng)測試，微波和光電檢測均不能滿足無色透明爆珠植入質(zhì)量精確檢測要求。基于光譜檢測能夠無損傷、實時監(jiān)測[6]不同結(jié)構(gòu)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特點，且已廣泛應(yīng)用于煙葉檢測、真?zhèn)舞b定[7]和爆珠內(nèi)含液成分離線分析[8]等領(lǐng)域，而拉曼光譜作為一種可以反映化學(xué)分子結(jié)構(gòu)特征性的檢測方式[9]，已成功應(yīng)用于煙液成分分析[10]和卷煙品質(zhì)優(yōu)劣識別等離線檢測任務(wù)[11]，將視覺成像技術(shù)的空間分辨性與拉曼光譜的化學(xué)特異性相結(jié)合發(fā)展出了拉曼成像技術(shù)，可獲取樣品中不同化學(xué)組分的空間分布信息，適用于無色透明爆珠植入質(zhì)量檢測。拉曼光譜利用穿透性較強的激光光源激發(fā)，無需復(fù)雜的樣品制備過程，采用的光學(xué)器件通用易維護，探測器響應(yīng)速率快，其主要來源于高對稱性的分子振動模式，在極性較弱的分子中可以觀察到較強的拉曼譜峰，因而基本不受水分等背景的干擾，并與紅外光譜形成互補，在面粉添加劑、乳制品檢測[12]以及生物醫(yī)學(xué)成像[13]等領(lǐng)域中得到了有效應(yīng)用。因此，本文研究將拉曼成像技術(shù)應(yīng)用到無色透明爆珠濾棒的無損檢測中。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

材料：無色透明爆珠（直徑2.7 mm，壁材：無色透明膠皮，粒徑合格率≥90%，云南恩典科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司）；如圖1所示，爆珠加香濾棒（4粒無色透明爆珠，濾棒長度：120 mm，圓周：16.90 mm）。在自然光照條件下，爆珠壁材和內(nèi)含液均呈現(xiàn)無色透明。測試樣品包括正常濾棒以及缺少一顆爆珠并伴隨爆珠漏液的不合格樣品。其中缺少一顆爆珠的不合格濾棒從生產(chǎn)線剔除的廢棒中人工篩選獲得，同時，利用細針將該濾棒上一顆完好爆珠扎破獲得漏液缺陷，并靜置15 min。

圖1 內(nèi)含透明爆珠的標(biāo)準(zhǔn)濾棒樣品

儀器：本論文中使用的商用和定制儀器主要包括：可見分光光度計（723PC型，上海精密儀器儀表有限公司）；拉曼光譜儀：科研級拉曼光譜儀（QE65 Pro-Raman，美國 Ocean Insight公司）；基于拉曼成像的透明爆珠無損檢測裝置（圖2）（定制儀器，與武漢微動科技公司聯(lián)合研制開發(fā)）。

圖2 基于拉曼成像的透明爆珠濾棒無損檢測裝置

如圖2所示，該檢測儀的主要組成部分包括：（a）375 nm 半導(dǎo)體激光光源（LD-0375-0070-1，德國Toptica公司）；（b）柱面透鏡（LJ4395RM-A，美國Thorlabs公司）；（c）電動線性位移臺（GTS150，美國 Newport公司）；（d）手動濾光片旋轉(zhuǎn)輪（FW1A，美國Thorlabs公司）及420 nm窄帶濾光片（FF01-420/5-25，美國 Semrock公司）：（e）成像鏡頭（FLYFL3528，日本 Ricoh公司）；（f）線陣 CMOS 相機（P4CC04K04T，加拿大 TeldyneDalsa公司）；（g）白光LED光源（FH-PL12-12V1A18W，深圳奮華自動化公司）。圖2中，紫色和藍色光束分別代表375 nm的激發(fā)光以及421 nm的拉曼散射光。控制、數(shù)據(jù)采集分析在工控計算機（IPC-610L，研華科技有限公司）上完成。

1.2 方法

1.2.1 用于光譜測量的爆珠內(nèi)含液樣品的制備

從5根標(biāo)準(zhǔn)濾棒中剝離20顆爆珠，加入到試管中，壓破煙用爆珠壁材，使得爆珠內(nèi)含液釋放，充分搖勻，靜置10 min。隨后利用移液槍將試管中的上層液體抽出100 μL，轉(zhuǎn)移到玻璃比色皿中，并蓋上頂蓋，抑制揮發(fā)。

1.2.2 透明爆珠內(nèi)含液的可見波段吸光度以及拉曼光譜測量

可見吸收光譜測量：設(shè)置可見分光光度計為聯(lián)機自動測量模式，波長掃描范圍設(shè)定為325～1 000 nm。將參考空比色皿放入可見光分光光度計中，進行基線標(biāo)定測量。隨后更換為裝有待測內(nèi)含液的比色皿，測量爆珠內(nèi)含液的吸光度。

采用785 nm激光光源作為拉曼激發(fā)光源，功率設(shè)置為120 mW，波數(shù)掃描范圍為250～3 050 cm-1。將待測比色皿放入拉曼光譜儀中，測量其拉曼光譜。

1.2.3 濾棒的線掃描拉曼成像檢測

將前述無損檢測裝置中的翻轉(zhuǎn)鏡架（h）調(diào)整到水平位置，使得375 nm激光光束可以經(jīng)過柱面透鏡整形為線激光照射到濾棒上，從而將該裝置的檢測模式切換為拉曼成像檢測。利用上位機控制軟件設(shè)置電動位移臺（c）的線性運動速率為5 mm/s，線陣相機的行頻為1 kHz，觸發(fā)模式為外部電平觸發(fā)，375 nm激光光源的光功率為70 mW，連續(xù)運行模式工作。上位機軟件觸發(fā)電動位移臺開始線性運動，同時觸發(fā)線陣相機開始以固定的行頻采集圖像。電動位移臺移動120 mm后，上位機軟件控制位移臺停止運動，并同時觸發(fā)相機停止采集，從而獲得包含一根完整濾棒的圖像。分別更換標(biāo)準(zhǔn)合格濾棒以及缺珠和漏液濾棒進行上述測量。

1.2.4 濾棒的可見光線掃描檢測

將前述無損檢測裝置中的翻轉(zhuǎn)鏡架（h）調(diào)整到豎直位置，使得白光LED可以經(jīng)過柱面透鏡整形為線狀光斑照射到濾棒上，同時，旋轉(zhuǎn)濾光片轉(zhuǎn)輪（d），將窄帶濾光片移出光路，從而將該裝置的檢測模式切換為可見光視覺檢測。設(shè)置白光LED光源的電功率為6.0 W（0.5 A），連續(xù)運行模式工作。其余參數(shù)設(shè)置以及測量過程與前述線掃描拉曼成像基本一致。

1.2.5 濾棒檢測圖像處理與分析

采用LabVIEW語言按照如下流程編寫圖像處理與分析程序：

由于能夠通過窄帶濾光片的拉曼光波長位于420 nm附近，為藍紫光，因而選取上述拉曼掃描成像檢測所采集到的RGB彩色圖像中的B通道，對其進行濾波平滑處理，隨后選取合適的閾值，將所得到的圖像進行二值化處理，最后利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作去除圖像中噪聲引入的雜散“孤島”和“孔洞”。

將上述可見光線掃描檢測所采集到的RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換到HSL顏色空間，選取其中反映色調(diào)的H通道圖像，按照前述方法進行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 透明爆珠內(nèi)含液的光譜測量結(jié)果及實驗參數(shù)的優(yōu)化選擇

圖3分別為透明爆珠內(nèi)含液的分光光度法以及拉曼光譜的測量結(jié)果。

從圖3（a）中分光光度法的測量結(jié)果可以看出，該透明爆珠內(nèi)含液在通常的可見光波段（400～700 nm）范圍內(nèi)并未表現(xiàn)出顯著的吸收峰，與自然光照條件下爆珠呈現(xiàn)的無色透明外觀相符合，因而難以直接在白光照明下利用機器視覺技術(shù)進行檢測。而在近紫外波段（325～400 nm）范圍內(nèi)，總體上內(nèi)含液的吸光度隨波長的增加而遞增，并在370 nm附近出現(xiàn)較寬的峰值，顯示內(nèi)含液在該波長附近有較強的共振吸收。從圖3（b）中拉曼光譜的測量結(jié)果可以看出，在所測量的波數(shù)范圍（250～3 050 cm-1）內(nèi)，內(nèi)含液呈現(xiàn)出多個顯著的共振譜峰，其中以拉曼位移1 442.43 cm-1以及2 931.52 cm-1處的共振譜峰最為明顯。

圖3 透明爆珠內(nèi)含液的光譜特征測量結(jié)果

上述光譜數(shù)據(jù)的測量結(jié)果為拉曼成像探測裝置的關(guān)鍵參數(shù)和器件選型提供了重要依據(jù)。通常情況下，拉曼光譜利用可見光或近紅外波段的激光器作為激發(fā)光源，其頻率遠低于分子內(nèi)部電子能級間的躍遷頻率，樣品在該波段的吸光度較低，進而導(dǎo)致拉曼光譜的信號較為微弱，不利于提高檢測的速率和優(yōu)化檢測濃度下限。而共振增強拉曼光譜技術(shù)則根據(jù)樣品分子內(nèi)部電子能級間的躍遷頻率，選擇近共振的激發(fā)光進行拉曼光譜測量，極大提高了拉曼散射強度，從而可以提高檢測速率，降低樣品的檢出濃度下限[14]。根據(jù)吸光度的測量結(jié)果，爆珠樣品的吸收共振峰位于370 nm附近，因而在商用的半導(dǎo)體激光光源中，選擇了額定功率較高的375 nm半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)光源，利用共振增強拉曼光譜技術(shù)，提高拉曼成像信號強度和檢測速率，并避免了采用非共振激發(fā)時所需的大功率激光對待測樣品的損傷。而根據(jù)拉曼光譜的測量結(jié)果可以看出，多個共振譜峰可作為爆珠內(nèi)含液的特征譜峰。然而，實際實驗過程中，由于拉曼散射光的信號通常包含在更強的瑞利彈性散射光之中，而后者的波長與入射激發(fā)光相同，因而需要采用中心波長與拉曼散射波長相符的窄帶濾光片將瑞利散射背景濾除。而在375 nm激發(fā)下，較為顯著的兩個拉曼共振譜峰所對應(yīng)的波長分別為 396.4 nm（1 442.43 cm-1）和421.3 nm（2 931.52 cm-1）。如圖4所示，結(jié)合窄帶濾光片的透射特性曲線，選擇421.3 nm（2 931.52 cm-1）作為爆珠內(nèi)含液的單波段拉曼成像裝置的特征譜峰，對該波長的拉曼散射光信號進行掃描測量，充分濾除375 nm的背景散射光對于拉曼信號的干擾。

圖4 窄帶濾光片的透射光譜特性

本文光譜測量目的在于為搭建拉曼成像檢測裝置提供數(shù)據(jù)支持，因而并未進行爆珠內(nèi)含液的化學(xué)組分與光譜數(shù)據(jù)間的比對與指認。

2.2 透明爆珠濾棒的成像檢測結(jié)果

圖5所示為采用白光LED照明的可見光機器視覺檢測方案對標(biāo)準(zhǔn)透明爆珠濾棒的檢測結(jié)果，顯然從該圖像無法提取關(guān)于爆珠位置和尺寸的有效信息，表明該方案不適用于檢測透明爆珠濾棒。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)透明爆珠濾棒可見光視覺檢測結(jié)果

圖6給出了利用拉曼成像技術(shù)采集的標(biāo)準(zhǔn)透明爆珠濾棒的檢測結(jié)果。在經(jīng)過濾波平滑以及二值化閾值處理后得到的圖6（b）中，白色高亮部分由透明爆珠中內(nèi)含液的拉曼散射光形成，而其余黑色低亮度區(qū)域則代表了濾棒的其他部位。因而依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)濾棒的幾何結(jié)構(gòu)，可以將該圖像劃分成四個區(qū)間，各區(qū)間中應(yīng)包含一個代表透明爆珠的高亮區(qū)域。通過統(tǒng)計區(qū)塊內(nèi)的高亮像素個數(shù)可以得出高亮區(qū)域所占面積，反映爆珠的尺寸信息。而利用如下公式可以計算出各區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)

其中坐標(biāo)軸X沿濾棒長軸方向，Xn為第n個區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)，xi,j、mi,j分別為該區(qū)域中第（i,j）像素的坐標(biāo)和像素值，從而可以定量給出爆珠中心的空間位置。

采用上述方法，并結(jié)合對成像系統(tǒng)的標(biāo)定所獲得的像素大小與待測物體真實尺寸間的對應(yīng)關(guān)系，計算了圖6中四塊白色高亮區(qū)域（左起依次標(biāo)記為1～4號）的質(zhì)心位置、橫向尺寸以及區(qū)域面積，得到如表1所示的測量結(jié)果。可以看出，所測量得到的位置信息與標(biāo)準(zhǔn)濾棒模型基本一致。然而由于濾棒中醋酸纖維以及外層成型紙的光散射效應(yīng)，所測得的橫向尺寸及區(qū)域面積與爆珠的實際直徑直接正相關(guān)，但兩者并不完全相等，而對標(biāo)準(zhǔn)濾棒的測量數(shù)據(jù)則可以作為判斷其他待測濾棒中爆珠是否存在破損或漏液缺陷的參考數(shù)值。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)透明爆珠濾棒拉曼成像檢測結(jié)果

表1 拉曼成像方法獲得的標(biāo)準(zhǔn)濾棒中各爆珠的位置和尺寸數(shù)值

圖7展示了利用拉曼成像技術(shù)對存在缺珠以及漏液缺陷的透明爆珠濾棒的檢測結(jié)果。同樣，通過對二值化閾值圖像的計算，獲得了濾棒中爆珠位置和尺寸信息，如表2所示。通過與標(biāo)準(zhǔn)爆珠濾棒的相應(yīng)數(shù)值進行比較，可以明確判斷樣品中1號爆珠漏液以及4號爆珠缺失缺陷。

圖7 缺陷透明爆珠濾棒拉曼成像檢測結(jié)果

表2 拉曼成像方法獲得的缺陷濾棒中各爆珠的位置和尺寸數(shù)值

3 結(jié)束語

對透明爆珠內(nèi)含液的吸收光譜和拉曼光譜進行了測量，以此為基礎(chǔ)，搭建了一套基于拉曼成像技術(shù)的透明爆珠濾棒無損檢測裝置，對標(biāo)準(zhǔn)濾棒以及存在缺珠和漏液缺陷的濾棒進行了檢測，并與通用的可見光視覺檢測的測量結(jié)果進行了對比，表明該技術(shù)可以準(zhǔn)確測量濾棒中爆珠的位置和尺寸信息，能夠用于檢測濾棒中植入的透明爆珠的生產(chǎn)質(zhì)量。下一步研究方向是提高檢測速率，并將現(xiàn)有原型驗證檢測系統(tǒng)進行集成化、緊湊型設(shè)計，對大批量的樣品進行檢測，驗證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，以便直接應(yīng)用于濾棒生產(chǎn)線上。此外，這種基于拉曼成像技術(shù)的掃描檢測方法不僅適用于透明壁材和內(nèi)含液的爆珠檢測，對于透明壁材和顯色內(nèi)含液的組分仍然適用，而對于有色壁材類型的爆珠，則適合于應(yīng)用現(xiàn)有的可見光機器視覺檢測方案，因而，本文中提出的方案構(gòu)成了對現(xiàn)有檢測方案的有效補充，兩者相結(jié)合，可充分滿足爆珠濾棒質(zhì)量檢測主要需求。