CN107907527B - 基于反射光功率和图像识别的拉曼光谱检测设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种检测设备，包括：激光器，其配置成向待检测的物体发射激光；拉曼光谱仪，其配置成接收来自所述物体的拉曼光；成像装置，其配置成用于获取所述物体的图像；光传感器，其配置成用于接收因受激光照射而由所述物体反射和散射的光，并确定其所接收到的光的功率；和控制器，其配置成基于所述成像装置获取的图像以及所述光传感器确定的功率控制所述检测设备的操作。本申请还公开了使用上述检测设备进行检测的方法。

Description

基于反射光功率和图像识别的拉曼光谱检测设备及方法
技术领域
本申请涉及一种检测设备和检测方法，并且特别地涉及一种基于反射光功率和图像识别的拉曼光谱检测设备及方法。
背景技术
拉曼光谱分析技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，它能对物质的成分进行定性、定量分析。拉曼光谱是一种分子振动光谱，它可以反映分子的指纹特征，可用于对物质的检测。拉曼光谱检测通过检测待测物对于激发光的拉曼散射效应所产生的拉曼光谱来检测和识别物质。
近年来，拉曼光谱分析技术在危险品检查和物质识别等领域得到了广泛的应用。在物质识别领域，由于各种物质的颜色、形状各异，人们通常无法准确判断物质的属性，而拉曼光谱由被检物的分子能级结构决定，因而拉曼光谱可作为物质的“指纹”信息，用于物质识别。因此拉曼光谱分析技术在海关、公共安全、食品药品、环境等领域有广泛应用。
由于拉曼光谱需要用高功率密度的激光作为激发光源，比如近红外的785nm激光有较强的热效应，在待检测物体的成分未知的情况下，贸然检测很可能会导致待检测物体被激光烧蚀损伤，如果待检测物体是易燃易爆化学品，则可能会导致产生燃烧、爆炸等状况，造成人身财产的损失。
发明内容
本申请的目的在于至少部分地解决或缓解现有技术中的一个或多个技术问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种检测设备。
根据一个示例性的实施例，所述检测设备可包括：激光器，其配置成向待检测的物体发射激光；拉曼光谱仪，其配置成接收来自所述物体的拉曼光；成像装置，其配置成用于获取所述物体的图像；光传感器，其配置成用于接收因受激光照射而由所述物体反射和散射的光，并确定其所接收到的光的功率；和控制器，其配置成基于所述成像装置获取的图像以及所述光传感器确定的功率控制所述检测设备的操作。
根据另一实施例，所述控制器可被进一步配置为将光传感器确定的所述功率与一阈值功率作比较，并根据光传感器确定的功率与所述阈值功率的比较结果控制所述检测设备的操作。
根据另一实施例，所述成像装置可被进一步配置成在激光器发射激光之前获取所述物体的图像作为参考图像，并在激光器发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；并且所述控制器被进一步配置成将所述参考图像与所述实时图像中的每一帧图像作比较，并根据参考图像与实时图像中的每一帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
根据另一实施例，所述成像装置可被进一步配置成在激光器发射激光对所述物体进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；并且所述控制器被进一步配置成将所述实时图像的第一帧图像作为参考图像与所述实时图像中的其他帧图像作比较，并根据实时图像的第一帧图像与其他帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括报警装置，并且所述控制器被进一步配置为在指示检测设备终止检测的同时或之后指示所述报警装置发送报警信号。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括：固定装置，其配置为将所述物体的待检测表面设置成与照射到该表面上的激光的方向垂直。
根据另一实施例，所述固定装置可具有：通光孔径，激光器发射的激光穿过该通光孔径照射到所述物体的待检测表面；和内定位表面，其设置成与穿过所述通光孔径的激光的方向垂直，并且所述物体的所述待检测表面被设置成紧贴所述内定位表面。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括：第一分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中并且配置成将所述激光器发射的激光引导至所述物体并使得来自所述物体的拉曼光穿过该第一分光镜传输至所述拉曼光谱仪。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括：第二分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中并且配置成反射可见光以使成像装置对所述物体成像并允许所述激光器发射的激光和来自所述物体的拉曼光通过该第二分光镜。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括：第三分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中的位于所述第一分光镜和所述第二分光镜的下游，并且所述第三分光镜被配置成将由所述物体反射和散射并透过所述第一分光镜和第二分光镜的激光反射至所述光传感器并使得来自所述物体的拉曼光穿过该第三分光镜传输至所述拉曼光谱仪。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括以下光学部件中的至少一个：第一滤波片，其设置在所述拉曼光光路中的所述第三分光镜的下游并且配置成用于滤除光信号中的瑞利光；第二滤波片，其设置在所述激光器与所述第一分光镜之间并配置成将所述激光器发出的激光限定在期望的波长段内；和第三滤波片，其设置在所述成像装置与所述第二分光镜之间并且配置成用于滤除激光。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括以下光学部件中的至少一个：第一会聚透镜或透镜组，其设置在第二分光镜与所述物体之间；第二会聚透镜或透镜组，其设置在成像设备与第二分光镜之间；第三会聚透镜或透镜组，其设置在拉曼光谱仪与第三分光镜之间；和第四会聚透镜或透镜组，其设置在光传感器与第三分光镜之间。
根据另一实施例，所述检测设备还可包括：光源，其配置成向所述物体提供照明。
根据另一实施例，第一分光镜对于45度角入射的激光的透过率的范围为5％-30％。
根据本发明的另一方面，还提出了利用前述任意实施例所述的检测设备进行检测的一种方法。
在一个示例性的实施例中，所述方法可包括以下步骤：向待检测的物体发射用于预检测的激光脉冲；接收来自所述物体的因所述激光脉冲而产生的反射和散射的光并确定该反射和散射的光的功率；将确定的功率与阈值功率作比较，若确定的功率大于或等于阈值光功率，则执行正式检测，若确定的功率小于阈值功率，则终止检测。执行正式检测的步骤可包括：在发射激光之前获取待检测的物体的图像作为参考图像；在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；将实时图像与参考图像作比较；和基于实时图像与参考图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
根据本发明的又一方面，还提出了利用前述任意实施例所述的检测设备进行检测的另一中方法。
在一个示例性的实施例中，所述方法可包括以下步骤：向待检测的物体发射用于预检测的激光脉冲；接收来自所述物体的因所述激光脉冲而产生的反射和散射的光并确定该反射和散射的光的功率；将确定的功率与阈值功率作比较，若确定的功率大于或等于阈值光功率，则执行正式检测，若确定的功率小于阈值功率，则终止检测。执行正式检测的步骤可包括：在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像，并将该实时图像中的第一帧图像用作参考图像；将实时图像中的其他帧图像与所述第一帧图像作比较；和基于所述第一帧图像与所述其他帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
附图说明
现在将通过举例的方式结合附图对本申请的优选实施例进行描述，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的检测设备的示意性的方块图；
图2是根据本申请的另一实施例的检测方法的示意性的流程图；和
图3是根据本申请的又一实施例的检测方法的示意性的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图详细地描述本申请的示例性实施例。附图中的类似的附图标记指代类似的部件或特征。本申请也可以其他不同形式实现，因此本文阐述的实施例不应当被解释为本申请的限制。提供这些实施例的目的在于使本领域技术人员能够充分和完全的理解本申请的构思。
根据本发明的一个基本发明构思，提供了一种检测设备。所述检测设备，包括：激光器，其配置成向待检测的物体发射激光；拉曼光谱仪，其配置成接收来自所述物体的拉曼光；成像装置，其配置成用于获取所述物体的图像；光传感器，其配置成用于接收因受激光照射而由所述物体反射和反向瑞利散射的光，并确定其所接收到的光的功率；和控制器，其配置成基于所述成像装置获取的图像以及所述光传感器确定的功率控制所述检测设备的操作。
图1示出了根据本申请的一个实施例的检测设备的原理图。如图1所示，在该实施例中，检测设备100包括：激光器110，其配置成向一待检测的物体120发射激光111；拉曼光谱仪130，其配置成接收来自所述物体120的拉曼光信号112；成像装置180，其配置成获取所述物体120的图像；光传感器140，其配置成用于接收因受激光照射而由所述物体120反射和反向瑞利散射的激光，并确定其所接收到的光的功率；和控制器150，其配置成基于所述成像装置获取的图像以及所述光传感器确定的功率控制所述检测设备100的操作。
为激发被检测物体的拉曼散射效应，通常激光器发射的激光具有较高的功率密度，而高功率密度的激光能够产生较强的热效应，如果被检测物体的颜色较深(例如，深灰、黑色等)，则物体会较多地吸收激光从而导致其表面温度快速地升高，可能会导致物体被局部熔化或烧蚀。或者，如果被检测物体的熔点较低，即使物体的颜色并不深，激光辐射也很容易导致物体的被检测部位的温度升高到熔点以上，从而导致物体的该被检测部位熔化或烧蚀。
为避免出现上述现象，本申请的技术方案提供了光传感器以通过在正式检测之前的一预检测过程判断待检测的物体的颜色的深浅，以判断该物体的颜色深浅程度是否适于进行激光检测，只有物体的颜色深浅程序适于进行激光检测的情况下才进行正式的激光检测；同时还提供了成像装置，以便在对物体进行正式的激光检测过程中获取物体的实时图像，并判断物体或其被检测部位在正式检测过程中是否发生形态或颜色的显著变化(形态或颜色的显著变化可被认为是被检测的物体或其局部在检测过程中被激光烧蚀或熔化)，并根据判断结果确定是否继续执行检测，还是采取适当的安全措施，例如停止检测和/或发出报警信号等。
如本领域技术人员可以理解的，白色或浅色物体对于光的反射率和瑞利散射率高，因此，可以通过检测物体反射和散射的激光的功率确定被检测的物体颜色的深浅，并在确定物体颜色的深浅后控制检测设备的检测操作。
在本发明中，光传感器140可包括任意适当的光电转换元件，例如而不限于：光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。在本发明的一个示例性实施例中，所述光传感器140包括光电二极管。光电二极管是一种对光敏感的光电元件，其内部的反向电流随接收到的光的功率的增大而增大，因此可基于其反向电流的具体数值来确定其所接收到的光的功率的具体数值。类似地，如果光传感器140包括光敏电阻，也可以根据光敏电阻的电阻值变化反推其所接收到的光的功率。
基于本发明的技术方案，本领域技术人员可以理解，如果被检测的物体120是白色或浅色物体，则其反射和散射的激光就更多，光传感器140接收到的来自物体120的反射和散射的激光的功率也更大。因此，可以预先设定一阈值功率1th，如果确定光传感器140接收到的光的功率I大于或等于阈值功率Ith，则可以确定被检测的物体是浅色或白色物体，否则可以确定被检测的物体是深色或黑色物体。
光传感器140接收到的光的功率I的计算可通过预先存储在现场操作的电脑、远程控制中心内的电脑或控制器150内的存储装置中的软件或算法或各种专用设备或电路实现。例如，在采用光电二极管的情况下，可以通过对光电二极管中的反向电流进行测量，进而确定光的功率。这些技术内容对于本领域技术人员来说是容易理解的，此处不再赘述。此外，阈值功率Ith的具体数值可根据检测设备的各种技术参数、检测环境等具体情况加以设定。
在上述实施例中，控制器150可被进一步配置为将光传感器140确定的功率I与阈值功率Ith作比较：如果接收到的光的功率I大于或等于阈值功率Ith(即，I≥Ith)，则可判定当前被检测的物体120为白色或浅色物体，可进行激光检测，并指示激光器110发射激光进行检测；如果接收到的光的功率I小于阈值功率Ith(即，I＜Ith)，则判定当前被检测的物体120为黑色或深色物体，对激光能量的吸收较高，存在烧蚀的风险，因此可指示检测设备终止检测。
在一个示例性的实施例中，检测程序启动后，并且在正式的激光检测过程开始之前，可由激光器110先向放置在待检测位置的物体120发出一段用于对物体120进行预检测的激光脉冲(例如，持续时间5毫秒的激光脉冲)，光传感器140接收来自物体120的因该脉冲激光的照射而产生的反射光和散射光并确定光传感器40接受到的反射和散射的光的功率I，然后判断该功率I是否大于、等于或小于阈值功率Ith。基于功率I与阈值功率Ith的关系，控制器150判断当前的待检测物体是否适于进行正式的激光检测。例如，控制器150可配置为：当功率I大于或等于阈值功率Ith时，确定物体的适于进行正式的激光检测；以及当功率I小于阈值功率Ith时，确定物体的不适于进行正式的激光检测。如果控制器150判断当前待检测物体适于激光检测，则控制器150可指示激光器110开始正式发出连续的激光束以对物体120进行检测。如果控制器150判断当前待检测物体不适于进行正式的激光检测，则150可直接终止检测程序，激光器110无需发射连续激光束进行正式的检测。
此外，根据另一实施例，检测设备100还可包括一报警装置160。当控制器150判断物体不适于激光检测时，可在终止检测程序的同时或之后指示报警装置160发出一报警信号，以提示附近的工作人员当前待检测的物体由于颜色较深而不适宜进行检测或不宜继续进行检测和/或检测操作已终止。报警信号可以是特定的声音信号、图像信号等中的至少一种。
需要说明的是，同样的物体(或颜色深浅程度相同的样品)因为摆放方式不同，其被检测的表面与检测激光束的方向成不同的角度，可能会导致由光传感器接收到的来自物体的反射及散射光的功率不同。同样地，颜色深浅程度不同的物体，因其形状和摆放方式的不同，可能会导致由光传感器接收的到的来自物体的反射及散射光的功率相同。在上述这两种情况下，光传感器接收到的功率失真，会导致控制器对物体颜色的深浅程度产生误判，从而导致产生危险的结果。
为了尽可能地避免或消除因不同样品的形状、摆放方式等因素对反射及散射光的功率的影响，在进一步的实施例中，检测设备100还可包括用于固定物体120的固定装置170。
固定装置170例如可以是箱式或卡夹式固定装置或其他适当的固定装置或结构，用于将待检测的物体120的待检测表面设置成与激光光束的方向垂直。例如，在图1所示的示例性实施例中，固定装置170为箱式固定装置，其具有与激光光束的方向垂直的内定位表面，物体120的待检测表面紧贴着固定装置170的内定为表面，从而物体120的待检测表面也被设定成与激光光束的方向垂直。物体120的后部可固定装置170的其他适当的固定部件(图中未示出)进一步固定。在固定装置170的前壁可开设有一通光孔171，激光光束可通过该通光孔171照射到在固定装置170内部固定的物体120的待检测表面。该通光孔171的形状可为矩形狭缝、矩形方孔或者圆孔等。
成像装置180可采用CCD成像装置、CMOS成像装置或本领域中已知的其他成像装置。物体的图像可以是从某一方向获取的物体整体的图像，也可以是物体的一部分的图像，这与待检测的物体120本身的尺寸、检测设备100的检测面积等参数、以及是否具有用于物体120的固定装170置及其构造等有关。例如，如果待检测的物体是尺寸很小的宝石，则成像装置可获得物体某一侧面的整体图像，而如果待检测的物体的尺寸较大，则成像装置可对物体的待检测部位进行局部成像。
当物体的局部被熔化或烧蚀时，通常该部分会出现颜色和/或形状的改变。在将物体的参考图像与实时图像进行比较的过程中，如果发现图像中的物体或物体的一部分出现了颜色和/或形状的改变，则控制器可确定被检测的物体或其局部出现了激光烧蚀现象。
参考图像与实时图像的比较可通过多种不同的方式实现。
例如，在第一种实现方式中，所述参考图像是在进行正式检测之前预先获取的物体的图像。因此，在这种方式中，控制器150被进一步配置成将预先获得的参考图像与正式检测中获得的实时图像中的每一帧图像作比较。此外，获取参考图像的步骤可以在通过激光器110对物体120进行预检测之前或之后进行。在一个示例性的实施例中，可以在通过激光器110对物体120进行预检测之后、并且在对物体120进行正式检测之间获取物体120的参考图像。
在第二种实现方式中，所述参考图像可以是实时图像的一部分。例如，所述参考图像是所述实时图像的第一帧图像，其用于与实时图像中的除第一帧之后的每一帧图像进行对比。因此，在这种方式中，控制器150被进一步配置成将所述实时图像的第一帧作为参考图像与所述实时图像中的其他帧图像作比较。与所述第一种实现方式相比，第二种实现方式更加有利，因为在检测过程中，激光束本身会对成像装置180获取的图像产生一定的影响，从而不利于准确地图像对比。
在一个示例性的实施例中，可基于图像中的像素的灰度变化确定物体是否被烧蚀。例如，检测设备100可包括图像处理器(图中未示出)，以用于对成像装置获取的物体的参考图像和实时图像进行灰度化处理，以获取参考图像和实时图像中的每一个像素的灰度值(0至255之间的值)。在一个示例中，图像处理器可集成于成像装置180中(即，成像装置180包括图像处理器)；在另一示例中，图像处理器也可以集成在控制器150中(即，控制器150包括图像处理器)；在其他示例中，图像处理器也可以被提供在进行现场操作的电脑中或远程控制中心中。在替换实施例中，也可以通过存储在现场操作的电脑、远程控制中心内的电脑或控制器150内的存储装置中的软件或算法对被检测物体的图像进行灰度化处理以获得图像中的每一个像素的灰度值。
在确定参考图像(正式检测之前预先获得的物体图像，或实时图像中的第一帧图像)和实时图像中的每一帧图像中的每个像素的灰度值之后，检测设备100可，例如通过计算机算法或特定处理器等，将实时图像中的每个像素与参考图像中的每个对应的像素的灰度值进行比较(如果采用实时图像中的第一帧图像作为参考图像，则比较对象为实时图像中的第一帧图像中的像素的灰度值与实时图像中的其他帧图像中的像素的灰度值。下同)。如果实时图像中的某一帧图像中有超过预定数目的像素或超过实时图像中的总像素数的预定百分比的像素与参考图像中的像素的灰度值不同，则说明物体被检测部位的形态已经发生了显著变化，因此可判定物体120或其局部已经被烧蚀。在判定被检测物体或其局部已经被烧蚀之后，控制器150可控制检测设备100停止检测。在进一步的实施例中，控制器150还可进一步指示报警装置160发出报警信号，以提示相关操作人员当前待检测的物品已被烧蚀和/或提示相关操作人员当前检测操作已终止。报警信号可以是特定的声音信号、图像信号中的至少一种。通过将实时图像中每一帧图像的每个像素与参考图像中的每个对应的像素的灰度值进行比较，如果确定所有像素的灰度值均未发生变化或仅由很少量的像素的灰度值发生了变化或者灰度值发生变化的像素数占总像素数的百分比很小，则说明被检测物体的被检测部位的形态未发生显著变化(例如，可能是由于系统误差或其他原因导致的)，则检测过程可继续进行。
例如，可以预先设定一像素数目阈值或百分比阈值，当灰度值发生改变的像素的数目超出该数目阈值或者灰度值发生改变的像素的数目相对于总像素数目的百分比超出该百分比阈值时，则可判定被检测的物体被烧蚀。上述数目阈值或百分比阈值可根据实际情况加以设定。例如，可依据检测设备的检测范围或者图像的成像范围等参数加以设定。
在另一示例性的实施例中，可基于图像中的像素的颜色变化确定物体是否被烧蚀。例如，检测设备100可通过图像处理器(图中未示出)或计算机算法对成像装置获取的物体的参考图像和实时图像中的每一帧图像中的每一个像素进行颜色识别，以获取参考图像和实时图像中每一帧图像中的每一个像素的颜色。
在确定参考图像和实时图像中每一帧图像中的每个像素的颜色之后，检测设备100可，例如通过计算机算法或特定处理器等，将实时图像中的每一帧图像的每个像素与参考图像中的每个对应的像素的颜色进行比较。如果实时图像中的某一帧图像中有超过预定数目的像素或超过实时图像中的总像素数的预定百分比的像素与参考图像中的像素的颜色不同，则说明物体被检测部位的形态已经发生了显著变化，因此可判定物体120或其局部已经被烧蚀。在判定被检测物体或其局部已经被烧蚀之后，控制器150可控制检测设备100停止检测。在进一步的实施例中，控制器150还可进一步指示报警装置160发出报警信号，以提示相关操作人员当前待检测的物品已被烧蚀和/或提示相关操作人员当前检测操作已终止。报警信号可以是特定的声音信号、图像信号中的至少一种。通过将实时图像中每一帧图像的每个像素与参考图像中的每个对应的像素的颜色进行比较，如果确定所有像素的颜色均未发生变化或仅由很少量的像素的颜色发生了变化或者颜色发生变化的像素数占总像素数的百分比很小，则说明被检测物体的被检测部位的形态未发生显著变化(例如，可能是由于系统误差或其他原因导致的)，则检测过程可继续进行。
例如，可以预先设定一像素数目阈值或百分比阈值，当颜色发生改变的像素的数目超出该数目阈值或者颜色发生改变的像素的数目相对于总像素数目的百分比超出该百分比阈值时，则可判定被检测的物体被烧蚀。上述数目阈值或百分比阈值可根据实际情况加以设定。例如，可依据检测设备的检测范围或者图像的成像范围等参数加以设定。
本发明的检测设备100还可以包括适当的存储装置(图中未示出)。在获得物体的参考图像之后，可将参考图像存储在所述存储装置中，以便在随后的与实时图像的比较过程中随时从存储装置中调取。
为了使图像对比更加准确，在确定参考图像和实时图像的灰度值或颜色之前，可通过检测设备100还可以通过各种算法对图像进行增强处理，从而提高灰度值识别或颜色识别的准确性。
根据本申请的另一实施例，检测设备100还可包括一个或多个光学装置，用于配置或引导激光器110与被检测物体120之间的光路(以下简称“激光光路”)、被检测物体120与拉曼光谱仪130之间的光路(以下简称“拉曼光光路”)、光传感器140与被检测物体120之间的光路(以下简称“功率感测光路”)和/或成像装置180与被检测物体120之间的光路(以下简称“成像光路”)。
如图1所示，光学装置可包括第一分光镜161，其配置在拉曼光光路中，并且被配置成将激光器110发射的激光引导至被检测物体120并且不会影响来自被检测物体120的光信号(拉曼散射光)向拉曼光谱仪130的传播。
作为示例，第一分光镜161可以是长波通二向色镜。长波通二向色镜通常允许波长大于预定波长的光通过，并且反射波长小于预定波长的光。在采用激光照射被检测物体激发拉曼散射效应的情况下，绝大部分拉曼散射光的频率减小，波长变长。因此，适当地配置该长波通二向色镜能够将激光器110发出的具有预定波长的激光朝向被检测物体120反射，并且允许来自被检测物体120的波长变长的拉曼散射光通过该长波通二向色镜朝向拉曼光谱仪130传播。长波通二向色镜可根据激光器110发射的激光的波长进行配置或设定。
虽然在上述示例中，以长波通二向色镜为例对于第一分光镜22进行了说明，但本申请的第一分光镜161并不仅限于长波通二向色镜，其可采用本领域已知的其它波长选择分光部件来实现上述功能。
通过设置第一分光镜161，可以使激光光路与拉曼光光路至少部分地合并，从而有利于减小检测设备的整体尺寸。
此外，如图1所示，光学装置还可包括第二分光镜162，其也被配置在拉曼光光路中，并且被进一步配置成反射可见光以便成像装置180对待检测物体成像并允许激光器110发射的激光和来自被检测物体120的拉曼散射光通过该第二分光镜162。
作为示例，所述第二分光镜162也可以是长波通二向色镜。例如，在使用波长为785nm的近红外激光的情况下(即，激光器110被配置成发射波长为785nm的近红外激光)，由于可见光的波长范围通常为380nm至780nm，因此当第二分光镜162为长波通二向色镜时，其可以反射可见光，并且允许波长大于可见光的红外光穿过。这样，不会影响成像装置180对待检测物体成像，也不会影响激光器110发射的激光和来自被检测物体120的拉曼散射光的传播。长波通二向色镜的具体阈值可以根据实际情况(例如，激光的波长等参数)加以设定或配置。本申请的实施例中，第二分光镜162不限于长波通二向色镜，也可以采用本领域已知的其它分光部件来实现第二分光镜162的上述功能。
通过设置第二分光镜162，可以使成像光路与拉曼光光路至少部分地合并，从而有利于减小检测设备的整体尺寸。
需要说明的是，以上实施例仅是通过举例的方式说明本发明的工作原理，本发明并不仅限于上述具体的实施例，第一分光镜161和第二分光镜162也不仅限于长波通二向色镜。例如，在另一实施例中，激光器110发射紫外激光，此时，第一分光镜161为长波通二向色镜，而第二分光镜162可以是短波通二向色镜。
如图1所示，在拉曼光光路中，第二分光镜162设置得比第一分光镜161更靠近待检测物体120(即，第二分光镜162设置在拉曼光光路的上游侧，而第一分光镜161设置在拉曼光光路的下游侧)。然而，本发明并不仅限于这种具体的构造。例如，在激光器110发射紫外激光的情况下，第二分光镜162也可以相对于第一分光镜1261设置在拉曼光光路的下游侧，并且第二分光镜162为短波通二向色镜。
此外，如图1所示，光学装置还可包括第三分光镜163，其也被配置在拉曼光光路中，并且被进一步配置成反射来自物体120的部分激光的反射光和散射光，以便光传感器140光的功率进行检测。
需要说明的是，第三分光镜163也可以不设置在拉曼光光路中，而是具有其单独的光路。但是，将其设置在拉面光路中可以使感测光路与拉曼光光路至少部分地合并，从而有利于减小检测设备的整体尺寸。这里需要进一步说明的是，如果将第三分光镜163设置在如图1所示的拉曼光光路中，则第一分光镜161和第二分光镜162需要至少能够透射被物体反射和散射的激光的一部分。
在示例性的实施例中，为了确保来自激光器110的激光的利用率，第一分光镜161包括对于具有预定波长的激光具有高反射率的高反膜，用于将大部分激光反射至物体120，此外，该第一分光镜161对于所述具有预定波长的激光还具有预定的透过率。需要说明的是，反射率(或透过率)的具体数值可根据实际情况加以设定，例如基于激光器110发射的激光功率、光传感器140的光敏感度等。例如，通常情况下，可以通过镀膜等方式配置第一分光镜161，使其对于45度角入射的激光波长的反射率在70％至95％之间(即透过率为5％-30％)。
第三分光镜163可包括对于激光波长具有高反射率的薄膜或构造，使得透过第一分光镜161和得让分光镜162的部分激光光束能够被充分地甚至完全地朝向光传感器140反射。为了使光传感器140对于光强的检测更加灵敏准确，在示例性的实施例中，第三分光镜163对于45度角入射的预定波长的激光具有至少94％的反射率，优选地，反射率至少99.5％，以充分地利用所述具有波长的激光的透射过第一分光镜161和第二分光镜162的部分。
作为示例，所述第三分光镜162也可以是长波通二向色镜，其对于激光器110发出的具有预定波长的激光具有高反射率，但允许激光经拉曼散射后产生的波长更大的拉曼散射光通过。长波通二向色镜的具体阈值可以根据实际情况(例如，激光器110发出的激光的波长等参数)加以设定或配置。本申请的实施例中，第三分光镜163不限于长波通二向色镜，也可以采用本领域已知的其它分光部件来实现第三分光镜163的上述功能。
通过设置第三分光镜163，可以使功率感测光路与拉曼光光路至少部分地合并，从而有利于减小检测设备的整体尺寸。
在另一实施例中，光学装置还可以包括除第一分光镜161、第二分光镜162和第三分光镜163之外的一个或多个其他光学构件。
例如，如图1所示，检测设备100还可包括设置在拉曼光光路中第一分光镜161下游的第一滤波片164，其配置成用于滤除穿过第一分光镜161之后的光信号中的瑞利光或其他无效杂散光，以减少它们对于拉曼光谱仪的干扰。在示例性的实施例中，所述第一滤波片164可包括长波通滤波片或陷波滤波片。
在又一实施例中，如图1所示，检测设备100还可包括设置在激光光路中的第一分光镜161上游(即，激光器110与第一分光镜161之间)的第二滤波片165，其配置成将激光器110发出的激光限定在期望的波长段内。在示例性的实施例中，所述第二滤波片165可包括窄带滤波片。
在又一实施例中，如图1所示，检测设备100还可包括设置在成像光路中的第二分光镜162下游(即，第二分光镜162与成像装置180之间)的第三滤波片166，其可配置成用于滤除来自物体120的激光杂散光，以避免在成像装置180对物体120的成像过程中对成像装置180造成不必要的损害或干扰。在示例性的实施例中，例如，所述第三滤波片166可以是陷波滤波片，用于在检测设备100的检测过程中滤除激光的杂散光，避免激光杂散光进入成像装置180对其造成损害。
在又一实施例中，如图1所示，检测设备100还可包括设置在第二分光镜162与待检测物体120之间的第一会聚透镜或透镜组181、设置在成像设备180与第二分光镜162之间的第二会聚透镜或透镜组182、设置在拉曼光谱仪130与第一分光镜161之间的第三会聚透镜或透镜组183、和/或设置在光传感器140与第三分光镜163之间的第四会聚透镜或透镜组184。第一会聚透镜或透镜组181可用于成像装置180对物体120的成像，还可以用于收集来自物体120的散射的拉曼光，使得更多的拉曼散射光能够被传输到拉曼光谱仪，从而有助于提高检测设备100的检测的精确性和灵敏度。第二会聚透镜或透镜组182可用于成像装置180对物体120的成像。第三会聚透镜或透镜组183可用于会聚光线，使得更多的拉曼散射光汇聚进入拉曼光谱仪，从而有利于提高检测设备100的检测准确性和灵敏度。第四会聚透镜或透镜组184可用于会聚光线，使得更多的来自第三分光镜反射的激光汇聚进入光传感器140，从而有利于提高光传感器140的检测准确性和灵敏度。
需要说明的是，前文所述的第一至第四会聚透镜或透镜组中的每一个可以包括图1中所示的单个凸透镜，也可以包括由多个透镜组成的具有聚光功能的透镜组。
此外，根据另一实施例，如图1所示，检测设备100还可包括照明装置190，用于提供向待检测物体120提供照明。通常，检测设备100具有检测端，而待检测物体120贴近该检测端，因此，无法通过外部光源向待检测物体120的待检测部位提供足够的照明。通过在检测设备100内部提供或集成照明装置190，以利于成像装置180获取待检测物体120的清晰的图像。照明装置190可设置在检测设备100内靠近检测端的位置，例如，如图1所示，照明装置190可设置在第二分光镜162与待检测物体120之间，其可以位于第一会聚透镜或透镜组166的上游或下游。在其他实施例中，照明装置也可以设置在检测设备100内的任意适当的位置。照明装置190例如可以包括一个或多个LED灯。根据本申请的另一方面，还提供了一种检测方法。根据本发明的一个总的构思，检测方法可主要包括以下步骤：获取参考图像；在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；将实时图像与参考图像作比较；和基于实时图像与参考图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
该检测方法的具体实现方式主要可包括下文详细说明的两种。
图2示出了根据本申请的一个实施例的利用上述检测设备进行检测的一种方法的示意性的流程图。如图2所示，在检测设备100启动(或检测程序开始)之后，所述检测方法可包括以下步骤：
向待检测的物体120发射用于预检测的激光脉冲；
接收来自物体120的因所述激光脉冲而产生的反射光并确定该反射光的功率I；
将确定的功率I与一阈值功率Ith作比较，若功率I大于或等于阈值功率Ith，则执行正式检测，若功率I小于阈值功率Ith，则终止检测。
其中，执行正式检测包括：
在发射激光之前获取待检测的物体的图像作为参考图像；
在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；
将实时图像与参考图像作比较；和
基于参考图像与实时图像的比较结果控制检测设备的操作。
在示例性的实施例中，基于参考图像与实时图像的比较结果控制检测设备的操作的步骤可包括：
如果实时图像与参考图像相同或基本相同，则继续执行检测；和
如果实时图像与参考图像显著不同，则停止检测。
可以理解，在物体120的一帧实时图像与参考图像比较结束之后，如果检测继续执行，则成像装置180会继续获取物体120的下一帧实时图像以与参考图像进行比较。相邻两帧实时图像之间的时间间隔可根据实际情况加以设定。如果每一帧实时图像与参考图像都相同或基本相同，则检测设备可一直工作到检测完成。
在检测完成之后或终止检测之后，检测设备100工作结束(或检测程序结束)。
实时图像与参考图像的比较的步骤可通过多种方式实现。
在一个示例性的实施例中，实时图像与参考图像的比较可包括：
确定参考图像中的每个像素的灰度值；
确定实时图像中的每一帧图像中的每个像素的灰度值；
将实时图像的每一帧图像中的每个像素的灰度值与参考图像的相应像素的灰度值作比较，以确定实时图像中的每一帧图像中的灰度值发生变化的像素的数目，或者确定实时图像中每一帧图像中的灰度值发生变化的像素的数目相对于总像素数目的百分比；和
将实时图像中灰度值发生变化的像素的数目与一阈值数目作比较，或者将实时图像中灰度值发生变化的像素的数目相对于实时图像中的总像素数目的百分比与一阈值百分比作比较。
而基于实时图像与参考图像的比较结果控制所述检测设备的操作的步骤S40可具体地包括：若灰度值发生变化的像素的数目小于所述阈值数目或者灰度值发生变化的像素的数目相对于总像素数目的百分比小于阈值百分比(此时可认为实时图像与参考图像相同或基本相同)，则指示检测设备继续检测，否则，如果上述任一指标超出相应的阈值，可认为实时图像与参考图像显著不同，在这种情况下，应指示检测设备停止检测。
在一替换实施例中，步骤S30可包括：
确定参考图像中的每个像素的颜色；
确定实时图像中的每个像素的颜色；
将实时图像的每一帧图像中的每个像素的颜色与参考图像的相应像素的颜色作比较，以确定实时图像中每一帧图像中的颜色发生变化的像素的数目，或者确定实时图像中每一帧图像中的颜色发生变化的像素的数目相对于实时图像中的总像素数目的百分比；
将颜色发生变化的像素的数目与一阈值数目作比较，或者将颜色发生变化的像素的数目相对于总像素数目的百分比与一阈值百分比作比较。
而基于实时图像与参考图像的比较结果控制所述检测设备的操作的步骤S40’可具体地包括：若颜色发生变化的像素的数目小于所述阈值数目或者颜色发生变化的像素的数目相对于总像素数目的百分比小于阈值百分比(此时可认为实时图像与参考图像相同或基本相同)，则指示检测设备继续检测，否则，如果上述任一指标超出相应的阈值，可认为实时图像与参考图像显著不同，在这种情况下，应指示检测设备停止检测。
在示例性的实施例中，步骤S42还可以包括：在停止检测的同时或之后，发送报警信号，以提示相关工作人员被检测物品可能会在检测中损坏。
图3示出了根据本申请的另一实施例的利用上述检测设备进行检测的另一种方法的示意性的流程图。如图3所示，在检测设备100启动(S0)之后，所述检测方法可包括以下步骤：
向待检测的物体120发射用于预检测的激光脉冲；
接收来自物体120的因所述激光脉冲而产生的反射光和反向瑞利散射光并确定该反射和散射的光的功率I；
将确定的功率I与一阈值功率Ith作比较，若功率I大于或等于阈值功率Ith，则执行正式检测，若功率I小于阈值功率Ith，则终止检测。
其中，执行正式检测包括：
向待检测物体发射激光进行检测；
在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像，并将该实时图像中的第一帧图像用作参考图像；
将实时图像中的其他帧图像与所述第一帧图像作比较；和
基于其他帧图像与第一帧图像的比较结果控制检测设备的操作。
在示例性的实施例中，基于其他帧图像与第一帧图像的比较结果控制检测设备的操作的步骤可包括：
如果实时图像中的所述其他帧图像与第一帧图像相同或基本相同，则继续执行检测；和
如果实时图像中的所述其他帧图像与第一帧图像显著不同，则指示激光器停止发射激光，并终止检测。
在本实施例中，关于实时图像中的第一帧图像与其他帧图像之间是否相同或基本相同或显著不同的判断的原理可与前文所述的其他实施例相同，此处不再赘述。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了上述拉曼光谱检测设备及其监控方法的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本申请的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本申请，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本申请所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本申请所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、光盘(CD、DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。
虽然附图中示出了本发明的一个具体实施例，但本领域技术人员可以理解，即使省略其中的一个或多个非必要的构件/部件，本发明依然可以实施。此外，尽管已经结合附图示出并描述了多个示例性的实施例，但本领域技术人员将会意识到，可以在不背离本申请的原理和实质的前提下对这些实施例作出各种修改和变化，因此，本申请的范围应由所附权利要求及其等同技术方案限定。

Claims (13)

1.一种检测设备，包括：
激光器，其配置成向待检测的物体发射激光；
拉曼光谱仪，其配置成接收来自所述物体的拉曼光；
成像装置，其配置成用于在所述正式激光检测过程中获取所述物体的实时图像；
光传感器，其配置成用于在所述正式激光检测过程之前的预检测过程中，接收因受激光照射而由所述物体反射和散射的光，并确定其所接收到的光的功率；和
控制器，其配置成基于所述成像装置获取的图像以及所述光传感器确定的功率控制所述检测设备的操作，其中所述控制器被进一步配置为将光传感器确定的所述功率与一阈值功率作比较，并根据光传感器确定的功率与所述阈值功率的比较结果控制所述检测设备的操作；
其中，若确定的功率大于或等于所述阈值功率，则执行正式检测，若确定的功率小于所述阈值功率，则终止检测；
其中，所述成像装置被进一步配置成在激光器发射激光之前获取所述物体的图像作为参考图像，并在激光器发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；并且所述控制器被进一步配置成将所述参考图像与所述实时图像中的每一帧图像作比较，并根据参考图像与实时图像中的每一帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作；或
所述成像装置被进一步配置成在激光器发射激光对所述物体进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；并且所述控制器被进一步配置成将所述实时图像的第一帧图像作为参考图像与所述实时图像中的其他帧图像作比较，并根据实时图像的第一帧图像与其他帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
2.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括报警装置，并且所述控制器被进一步配置为在指示检测设备终止检测的同时或之后指示所述报警装置发送报警信号。
3.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括：
固定装置，其配置为将所述物体的待检测表面设置成与照射到该表面上的激光的方向垂直。
4.根据权利要求3所述的检测设备，其中，所述固定装置具有：
通光孔径，激光器发射的激光穿过该通光孔径照射到所述物体的待检测表面；和
内定位表面，其设置成与穿过所述通光孔径的激光的方向垂直，并且所述物体的所述待检测表面被设置成紧贴所述内定位表面。
5.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括：
第一分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中并且配置成将所述激光器发射的激光引导至所述物体并使得来自所述物体的拉曼光穿过该第一分光镜传输至所述拉曼光谱仪。
6.根据权利要求5所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括：
第二分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中并且配置成反射可见光以使成像装置对所述物体成像并允许所述激光器发射的激光和来自所述物体的拉曼光通过该第二分光镜。
7.根据权利要求6所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括：
第三分光镜，其设置在从所述物体到所述拉曼光谱仪的拉曼光光路中的位于所述第一分光镜和所述第二分光镜的下游，并且所述第三分光镜被配置成将由所述物体反射和散射并透过所述第一分光镜和第二分光镜的激光反射至所述光传感器并使得来自所述物体的拉曼光穿过该第三分光镜传输至所述拉曼光谱仪。
8.根据权利要求7所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括以下光学部件中的至少一个：
第一滤波片，其设置在所述拉曼光光路中的所述第三分光镜的下游并且配置成用于滤除光信号中的瑞利光；
第二滤波片，其设置在所述激光器与所述第一分光镜之间并配置成将所述激光器发出的激光限定在期望的波长段内；和
第三滤波片，其设置在所述成像装置与所述第二分光镜之间并且配置成用于滤除激光。
9.根据权利要求8所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括以下光学部件中的至少一个：
第一会聚透镜或透镜组，其设置在第二分光镜与所述物体之间；
第二会聚透镜或透镜组，其设置在成像设备与第二分光镜之间；
第三会聚透镜或透镜组，其设置在拉曼光谱仪与第三分光镜之间；和
第四会聚透镜或透镜组，其设置在光传感器与第三分光镜之间。
10.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测设备还包括：
光源，其配置成向所述物体提供照明。
11.根据权利要求5所述的检测设备，其中，
第一分光镜对于45度角入射的激光的透过率的范围为5％-30％。
12.一种利用权利要求1-11中任一项所述的检测设备进行检测的方法，包括以下步骤：
向待检测的物体发射用于预检测的激光脉冲；
接收来自所述物体的因所述激光脉冲而产生的反射光和散射光并确定该反射和散射的光的功率；
将确定的功率与阈值功率作比较，若确定的功率大于或等于阈值光功率，则执行正式检测，若确定的功率小于阈值功率，则终止检测，
其中，执行正式检测的步骤包括：
在发射激光之前获取待检测的物体的图像作为参考图像；
在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像；
将实时图像与参考图像作比较；和
基于实时图像与参考图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
13.一种利用权利要求1-11中任一项所述的检测设备进行检测的方法，包括：
向待检测的物体发射用于预检测的激光脉冲；
接收来自所述物体的因所述激光脉冲而产生的反射光和散射光并确定该反射和散射的光的功率；
将确定的功率与阈值功率作比较，若确定的功率大于或等于阈值光功率，则执行正式检测，若确定的功率小于阈值功率，则终止检测，
其中，执行正式检测的步骤包括：
在发射激光进行检测的过程中实时地获取所述物体的实时图像，并将该实时图像中的第一帧图像用作参考图像；
将实时图像中的其他帧图像与所述第一帧图像作比较；和
基于所述第一帧图像与所述其他帧图像的比较结果控制所述检测设备的操作。
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