The following dissertation deals with the development of a Time Domain (TD) Near Infrared Spectroscopy (NIRS) instrument for characterization of turbid media, in particular for the non-destructive assessment of the internal quality of fruit. The novelty elements of the setup, which allow it to adapt to an industrial, agrifood context, are the possibility of working in transreflectance configuration (i.e. the source-detector angle can be chosen in the interval α ∈ [0°, 180°]) and the fact that it is non-contact (i.e. it does not require optical fibers in contact with the sample to deliver and collect light). These innovative elements require special care in the design phase of the instrument: therefore, afterpresenting the theoretical foundations behind the technique and some operative remarks related to data acquisition and analysis (chapter 1), the components making up the setup were carefully picked out and their choice justified (chapter 2). Special attention is given to the optical design of a lens system collecting output light from the sample, since it determines the non-contact nature of the instrument and requires careful minimization of energy transfer losses. Simulations were also run in order to assess the order of magnitude of the acquired signal in transreflectance at various source-detector angles. Lastly, after assembling the setup, phantoms were measured with the instrument and their optical parameters were retrieved (chapter 3), in order to validate the instrument and demonstrate the feasibility of the non-contact TD NIRS approach both in transreflectance (α = 30°) and transmittance (α = 180°) configurations for probing fruit and other turbid media with similar optical parameters.
La presente Tesi di Laurea Magistrale tratta lo sviluppo di uno strumento di spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) nel dominio del tempo (TD) per la caratterizzazione di mezzi torbidi, in particolare per la valutazione non distruttiva dello stadio di maturazione della frutta. Gli elementi di novità del setup, che ne consentono l’inserimento in un contesto industriale e agroalimentare, sono la possibilità di lavorare in configurazione di interattanza (cioè l’angolo sorgente-rivelatore può essere scelto nell’intervallo α ∈ [0°, 180°]) e il fatto di essere ’non-contact’ (cioè di non necessitare di fibre ottiche a contatto con il campione per iniettare e raccogliere la luce). Essendo elementi innovativi, richiedono una particolare cura nella fase di progettazione dello strumento: pertanto, dopo aver presentato le basi teoriche della tecnica e alcune osservazioni operative relative all’acquisizione e all’analisi dei dati (capitolo 1), sono stati scelti con cura i componenti che compongono il setup e ne è stata giustificata la scelta (capitolo 2). Particolare attenzione è stata dedicata alla progettazione ottica del sistema di lenti che raccoglie la luce in uscita dal campione, poiché determina la natura non-contact dello strumento e richiede un’attenta minimizzazione delle perdite di trasferimento di energia. Sono state eseguite anche simulazioni per valutare l’ordine di grandezza del segnale acquisito in interattanza a vari angoli sorgente-rivelatore. Infine, dopo aver assemblato i componenti, sono stati misurati dei fantocci con lo strumento e sono stati recuperati i loro parametri ottici (capitolo 3), dimostrando in definitiva la fattibilità della tecnica TD NIRS non-contact sia in configurazione di interattanza (α = 30°) che di trasmittanza (α = 180°) per sondare frutta e altri mezzi torbidi con parametri ottici nell’intervallo di quelli della frutta.
Development of a non-contact non-destructive transreflectance TD NIRS setup for optical characterization of turbid media
Negretti, Fabio
2021/2022
Abstract
The following dissertation deals with the development of a Time Domain (TD) Near Infrared Spectroscopy (NIRS) instrument for characterization of turbid media, in particular for the non-destructive assessment of the internal quality of fruit. The novelty elements of the setup, which allow it to adapt to an industrial, agrifood context, are the possibility of working in transreflectance configuration (i.e. the source-detector angle can be chosen in the interval α ∈ [0°, 180°]) and the fact that it is non-contact (i.e. it does not require optical fibers in contact with the sample to deliver and collect light). These innovative elements require special care in the design phase of the instrument: therefore, afterpresenting the theoretical foundations behind the technique and some operative remarks related to data acquisition and analysis (chapter 1), the components making up the setup were carefully picked out and their choice justified (chapter 2). Special attention is given to the optical design of a lens system collecting output light from the sample, since it determines the non-contact nature of the instrument and requires careful minimization of energy transfer losses. Simulations were also run in order to assess the order of magnitude of the acquired signal in transreflectance at various source-detector angles. Lastly, after assembling the setup, phantoms were measured with the instrument and their optical parameters were retrieved (chapter 3), in order to validate the instrument and demonstrate the feasibility of the non-contact TD NIRS approach both in transreflectance (α = 30°) and transmittance (α = 180°) configurations for probing fruit and other turbid media with similar optical parameters.| File | Dimensione | Formato | |
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