Experimental and theoretical study of light propagation in the apple tissues. Application to an optical process of laser spectroscopy spatially resolved.
Étude expérimentale et théorique de la propagation de la lumière dans les tissus de la pomme. Application à un procédé optique de spectroscopie laser résolue dans l'espace.
Résumé
Light interaction with biological materials such as fruits and vegetables is a complex phenomenon involving both absorption and scattering of light within their structures (flesh and skin). In order to estimate the skin effect on the light propagation in apple samples, experimental and numerical studies have been carried out. A multispectral imaging system (633, 763, 784 and 852 nm) was developed to capture backscattered images of whole, cut apple, with and without skin (Granny Smith, Royal Gala and Golden Delicious). The originality of the instrument is due to the reconstruction of the backscattered signals (initially saturated) and to retrieve the internal optical properties (μa and μ's) optimized by an inverse method. The numerical model is mainly based on the stochastic Monte Carlo method. The apple sample is simulated as a sphere comprising the flesh surrounded by a thin layer (skin). The input data were retrieved experimentally. A comparison between experimental and numerical results was performed by considering the two tissue arrangements (i.e. whole and half cut apples), with and without skin. These investigations show that the skin strongly influences the light propagation in apples close to the optical axis. Finally, a study focused on the correlations between recovered optical parameters (μa and μ's) and mechanical or rheological parameters was carried out. It has been shown that the reduced scattering coefficient (μ's) is able to predict the apple firmness. Correlations were also established between the optical properties (μa, μ's and μeff) and both elastic (G') and viscous (G'') moduli of apple purees.
L’interaction de la lumière avec des matériaux biologiques tels que les fruits et légumes est un phénomène complexe qui implique l'absorption et la diffusion de la lumière dans leurs structures (chair et peau). Afin d'estimer l’effet de la peau sur la propagation de la lumière dans des échantillons de pommes, des études expérimentales et numériques ont été menées. Un système d'imagerie multispectrale (633, 763, 784 et 852 nm) a été mis au point pour capturer des images rétrodiffusées à la surface de pommes entières ou coupées, pelées ou non pelées (Granny Smith, Royal Gala, et Golden Delicious). L’originalité de l’instrumentation repose sur la possibilité de reconstruire les signaux rétrodiffusés (initialement saturés) et d’extraire des paramètres optiques internes (μa et μ's) par une méthode inverse optimisée. L’étude numérique est principalement fondée sur la méthode stochastique de Monte Carlo. La pomme est simulée comme une sphère renfermant la chair et entourée d'une couche mince figurant la peau. Une comparaison entre les données expérimentales et numériques a été réalisée en considérant les deux configurations de tissus (pommes entières et coupées), avec et sans peau. Ces investigations montrent que la peau influence fortement la propagation de la lumière dans les pommes à proximité de l'axe optique. Un dernier volet a porté sur la recherche de corrélations entre les paramètres optiques recouvrés (μa et μ's) et les paramètres mécaniques ou rhéologiques. Il a été montré que le coefficient de diffusion réduit (μ's) peut prédire la fermeté de la pomme. Des corrélations ont été également établies entre les paramètres optiques (μa, μ's et μeff) et les deux modules élastique (G') et visqueux (G'') des purées de pommes.