CN107991284B - 拉曼光谱检测设备及其检测安全性的监控方法 - Google Patents

拉曼光谱检测设备及其检测安全性的监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了拉曼光谱检测设备及其检测安全性的监控方法。该拉曼光谱检测设备包括：光学装置，用于将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；光谱仪，用于对由光学装置收集的光信号进行分光以生成被检测的样品的拉曼光谱；以及安全监控器，被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的安全状态并提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号。

Description

拉曼光谱检测设备及其检测安全性的监控方法
技术领域
本发明的实施例涉及拉曼光谱检测领域，尤其涉及拉曼光谱检测设备和监控拉曼光谱检测设备的检测安全性的方法。
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。拉曼光谱检测方法已经广泛应用于液体安检、珠宝检测、爆炸物检测、毒品检测、药品检测等领域。
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。
发明内容
为了解决或至少部分地缓解现有技术中存在的一个或多个问题，提出了安全性更高的拉曼光谱检测设备和监控拉曼光谱检测设备的检测安全性的方法。
本发明的实施例提供了一种拉曼光谱检测设备，包括：
激光器，用于发射激发光；
光学装置，用于将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；
光谱仪，用于对由光学装置收集的光信号进行分光以生成被检测的样品的拉曼光谱；以及
安全监控器，被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的安全状态并提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号。
在一实施例中，安全监控器包括：温度传感器，被配置成在来自激光器的激光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化。
在一实施例中，安全监控器包括相对于样品的不同位置以检测样品的温度或温度变化的多个所述温度传感器。
在一实施例中，所述温度传感器包括：红外探测器，用于检测所述样品发出的红外光，以获得被检测的样品的温度或温度变化。
在一实施例中，所述光学装置被配置成建立用于收集来自所述样品的光信号的拉曼光信号收集光路，并且其中，
所述光学装置包括：设置在所述拉曼光路信号收集光路中的第一分光镜，所述第一分光镜布置成形成从拉曼光路信号收集光路分支的红外辐射支路，以将来自样品的光中的红外光朝向红外探测器引导。
在一实施例中，所述第一分光镜为短通二向色镜，所述短通二向色镜设置成将波长大于预定波长的光朝向红外探测器反射，而使波长小于该预定波长的光透射通过所述短通二向色镜，所述预定波长在700纳米至300微米之间。
在一实施例中，所述第一分光镜设置成将来自样品的光信号中的一部分朝向红外探测器反射，而将所述光信号中的另一部分朝向光谱仪透射。
在一实施例中，所述光学装置还包括：
设置在拉曼光信号收集光路中的第一会聚透镜，所述第一会聚透镜用于将激发光会聚到样品并收集来自样品的光信号；
设置在拉曼光信号收集光路中的第二会聚透镜，所述第二会聚透镜用于将收集来的光信号会聚到光谱仪；以及
第二分光镜，所述第二分光镜在所述拉曼光信号收集光路中位于第一分光镜和第二会聚透镜之间或位于第一分光镜和第一会聚透镜之间，并布置成用于将来自于激光器的激发光向第一会聚透镜反射并使由第一会聚透镜收集的来自样品的光信号的至少一部分透射通过该第二分光镜以射向所述第二会聚透镜。
在一实施例中，所述第二分光镜为长通二向色镜。
在一实施例中，所述光学装置还包括设置在所述拉曼光信号收集光路中的长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述第一分光镜的下游，用于滤除经过第一分光镜之后的光信号中的瑞利光。
在一实施例中，所述光学装置还包括设置在所述拉曼光信号收集光路中的长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述样品和光谱仪之间，用于滤除光信号中的瑞利光。
在一实施例中，所述光信号包括拉曼光谱信号和红外信号，所述光谱仪和红外探测器设置在同一探测器中，该探测器的一部分被配置成在来自激光器的激光照射样品期间检测所述样品发出的红外信号，该探测器的另一部分被配置成检测来自样品的拉曼光谱信号。
在一实施例中，所述光学装置被配置成建立：
拉曼光信号收集光路，用于收集来自所述样品的光信号；以及
红外光收集光路，用于收集来自所述样品的红外光，所述红外光收集光路与所述拉曼光信号收集光路分离，或者红外光收集光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路是同轴的。
在一实施例中，从激光器至样品的激发光光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路和红外光收集光路中的至少一个是同轴的，或者该激发光光路与拉曼光信号收集光路或红外光收集光路是偏离的。
在一实施例中，拉曼光谱检测设备还包括控制器，所述控制器被配置成在由安全监控器提供的安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，所述拉曼光谱检测设备包括控制器，所述控制器被配置成在由温度传感器感测的样品的温度或温度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，拉曼光谱检测设备还包括控制器，该控制器被配置成接收所述红外探测器的检测结果，并在由红外探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时向所述激光器发送控制信号以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，所述光学装置集成在光纤探头中，所述激光器发出的激发光通过导入光纤导入所述光纤探头，所述光纤探头通过收集光纤将收集到的拉曼光信号传送至光谱仪。
在一实施例中，安全监控器进一步被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态，该表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。
在一实施例中，安全监控器包括用于获取样品的表面的图像的成像装置。
在一实施例中，所述光学装置被配置成建立用于收集来自所述样品的光信号的拉曼光信号收集光路，并且从样品至成像装置的用于获取样品的表面的图像的图像获取光路完全独立于所述拉曼光信号收集光路，或者该图像获取光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路是同轴的。
在一实施例中，拉曼光谱检测设备还包括：
图像处理器，被配置成处理由相机获取的图像以确定样品的表面的图像的灰度变化；和
控制器，被配置成在所述灰度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，安全监控器包括烟雾探测器，该烟雾探测器被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面是否产生烟雾，并且该拉曼光谱检测设备还包括控制器，该控制器被配置成在所述烟雾探测器监测到样品的表面产生烟雾时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，所述温度传感器包括接触式温度传感器或非接触式温度传感器，其中，所述接触式温度传感器与样品的预定位置接触，并以有线或无线方式传输样品的温度信息。
本发明的实施例提供一种监控拉曼光谱检测设备的检测安全性的方法，包括下述步骤：
由激光器发射激发光；
将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；以及
在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的安全状态并提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号。
在一实施例中，该方法还包括在所述安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，监测样品的安全状态的步骤包括：
在来自激光器的激光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化；和
在感测到的样品的温度或温度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，感测被检测的样品的温度或温度变化包括：
由红外探测器检测所述样品发出的红外光的辐射能量以监控所述样品的温度或温度变化。
在一实施例中，所述方法还包括：
在由红外探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，所述安全监控方法还包括：
在激光器发射激发光持续一预定时间段后关断激光器，并根据被激发光照射的样品在该预定时间段中的温度变化来确定被检测的样品的安全性。
在一实施例中，该方法还包括建立从样品至光谱仪的拉曼光信号收集光路，以收集来自所述样品的光信号。在一实施例中，该方法还包括：
由设置在所述拉曼光路信号收集光路中的第一分光镜形成从拉曼光路信号收集光路分支的红外辐射支路，以将来自样品的光中的红外光朝向红外探测器引导；或者
由红外探测器通过与所述拉曼光信号收集光路分离的光路收集来自样品的光中的红外光。
在一实施例中，由设置在同一探测器中的部件分别检测所述样品发出的红外信号和拉曼光谱信号。
在一实施例中，监测样品的安全状态的步骤包括：在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态，该表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。
在一实施例中，监测样品的表面状态包括获取样品的表面的图像。
在一实施例中，该方法还包括：
处理所获取的图像以确定样品的表面的图像的灰度变化；和
在所述灰度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
在一实施例中，监测样品的表面状态包括在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面是否产生烟雾，并且该方法还包括在监测到样品的表面产生烟雾时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
借助于根据上述实施例的拉曼光谱检测设备以及其检测安全性的监控方法，能够防止在拉曼光谱检测过程中由激光照射引起样品过热损毁而导致安全性问题。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：
图1为示出根据本发明一实施例的拉曼光谱检测设备的布置的示意图；
图2为示出根据本发明另一实施例的拉曼光谱检测设备的布置的示意图；
图3为示出根据本发明又一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图；
图4为示出根据本发明再一实施例的拉曼光谱检测设备的布置的示意图；
图5为示出根据本发明另一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图；
图6为示出根据本发明一实施例的监控拉曼光谱检测设备的检测安全性的方法的流程图；以及
图7为示出根据本发明另一实施例的拉曼光谱检测设备的布置的示意图；
图8为示出根据本发明又一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图；
图9为示出根据本发明又一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图；
图10为示出根据本发明又一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图；以及
图11为示出根据本发明又一实施例的拉曼光谱检测设备的布置示意图。
附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的总体构思，提供一种拉曼光谱检测设备，包括：激光器，用于发射激发光；光学装置，用于将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；光谱仪，用于对由光学装置收集的光信号进行分光以生成被检测的样品的拉曼光谱；以及安全监控器，被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的安全状态并提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号，由此能够防止在拉曼光谱检测过程中由激光照射引起样品过热损毁而导致安全性问题。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1为根据本发明的一种示例性实施例的拉曼光谱检测设备100a的结构示意图。拉曼光谱检测设备100a包括：激光器10，用于发射激发光11；光学装置或组件20，用于将所述激发光11引导至样品30和收集来自所述样品30的光信号；光谱仪40，用于对由光学装置收集的光信号进行分光以生成样品30的拉曼光谱。作为示例，由光谱仪40生成的样品30的拉曼光谱可以与已知物质的拉曼光谱进行比较以确定样品30的成分。该比较可以例如通过计算机或处理器来完成。
在拉曼检测过程中，产生安全问题往往是由于在激光照射样品期间样品吸热导致温度上升，进而有可能导致对被测物的烧蚀，甚至产生引燃、引爆等现象。在本发明的实施例中，拉曼光谱检测设备还包括或设置有安全监控器，其被配置成在来自激光器10的激发光11照射样品30期间监测样品30的安全状态。在一个示例中，可以由安全监控器提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号。
在一些示例中，如下所述，拉曼光谱检测设备还可以包括控制器(例如，参见图5)，其被配置成在由安全监控器提供的安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
示例性地，在激光照射样品的检测中，样品的安全状态可以由样品的温度、温度变化或表面状态等来表征。在一些实施例中，安全监控器包括温度传感器，其被配置成在来自激光器的激光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化。在由温度传感器感测的样品的温度或温度变化超过一阈值时，控制器可以向激光器发送控制信号，可以采取相应的措施，如减小激光器的功率或关断激光器，以保证检测安全性。在其它实施例中，也可以在拉曼检测前先通过短暂出光后监控温度，通过温度变化判断样品的检测安全性，然后再针对性的控制激光出束。
温度传感器可以是接触式温度传感器或非接触式温度传感器。接触式温度传感器可以接触样品的预定位置(例如，可位于激发光照射到样品上的位置附近，可位于样品的正面、侧面或背面)，感测被激光照射的样品的表面或内部的温度。接触式温度传感器可以以有线或无线方式向系统传输温度信息。
作为非接触式温度传感器的示例，如图1所示，可以采用红外探测器50作为红外测温仪来检测所述样品30发出的红外光31，能够监控样品30的温度或温度变化。这是由于当样品温度的上升时，往往伴随着红外光的辐射能量加大。而通过对于红外光的辐射能量的监控就能够发现样品30的温度变化情况并及时控制激光出束，从而避免出现安全事故。
可以理解，多种形式的温度传感器可以作为安全监控器来监控被检测样品的温度或温度变化，以下仅以红外探测器50作为温度传感器的示例进行描述。
图2示出了根据本发明的一实施例的拉曼光谱检测设备100b的布置。在一示例中，如图2所示，光学装置20可以建立或形成拉曼光信号收集光路21，用于收集来自所述样品30的光信号，包括拉曼光成分。在所述拉曼光信号收集光路21中设置有第一分光镜22，所述第一分光镜22布置成形成建立从拉曼光信号收集光路21分支的红外辐射支路23，以将来自样品30的光中的红外光朝向红外探测器50引导。该第一分光镜22能够将样品30发出的红外光从拉曼光信号收集光路21中提取出来，可以在尽量不影响拉曼光信号的情况下对红外光进行探测。作为示例，第一分光镜22要求在尽量不影响拉曼光(一般是0-3000cm-1(波数)范围)的前提下，尽量将红外探测器响应波段的红外光引导(如反射)到红外探测器。当然，也可以根据需要对红外辐射支路23中的红外光进行波段选择、会聚等处理。
在上述示例中，红外光所经过的光路和拉曼光所经过的光路在前端(靠近样品30的一端，即从样品至第一分光镜的光路)是相同的或同轴的，以这种方式收集的红外光能够更好地体现样品30的实际温度。
作为示例，第一分光镜22可以为短通二向色镜，所述短通二向色镜设置成将波长大于预定波长的光朝向红外探测器50反射，而使波长小于该预定波长的光透射通过所述短通二向色镜。例如，所述预定波长可以在700纳米至300微米之间，如在900纳米至1500纳米之间，如可以将预定波长设定成1200纳米。但本发明的实施例中的短通二向色镜的预定波长不限于此范围。通常，拉曼光谱检测设备中的光谱仪所处理的拉曼光谱的波长范围为550纳米至1100纳米。波长短于所述预定波长的光可以透射通过该短通二向色镜(例如透射率可以在90％以上)，对拉曼光谱检测基本上没有影响，波长长于所述预定波长的光可以沿着红外辐射支路中被传输到红外探测器50。而相应的红外光将被红外探测器接收分析。而典型的红外探测器的响应波段例如为1500纳米至3000纳米。但本发明的实施例不限于此，可以根据具体的探测器设置该预定波长。
虽然在上述示例中，以短通二向色镜对于第一分光镜22进行介绍，但是这不是必须的，也可以采用本领域已知的任何其它波长选择分光部件来实现第一分光镜22。
在本申请的实施例中，第一分光镜例如也可以采用普通分光镜来实现。作为示例，第一分光镜可以设置成将来自样品的光信号中的一部分朝向红外探测器反射，而将来自样品的光信号中的另一部分朝向光谱仪透射。这也可以实现信号光收集功能和温度监测功能。
在一示例中，如图2所示的示例性的拉曼光谱检测设备100b，在拉曼光信号收集光路21中可以还设置有第一会聚透镜24、第二会聚透镜41和第二分光镜25。所述第一会聚透镜24用于将激发光11会聚到样品30并收集来自样品30的光信号。第二会聚透镜41用于将收集来的光信号会聚到光谱仪40。所述第二分光镜25在所述拉曼光信号收集光路21中位于第一会聚透镜24和第一分光镜22之间，布置成用于将来自于激光器10的激发光11向第一会聚透镜24反射并使由第一会聚透镜24收集的来自样品30的反射光的至少一部分透射通过该第二分光镜以射向所述第一分光镜22或第二会聚透镜41。在该示例中，激发光11被引导至样品30上的光路与拉曼光信号收集光路21在第二分光镜25和样品30之间的部分是重合的或同轴的。而在光路中，第一分光镜22位于第二分光镜25的下游，可以避免对于光路前端的干扰。
作为示例，图2中的第一分光镜22和第二分光镜25的位置可以互换。例如，如图7所示，在拉曼光谱检测设备100b′中，第二分光镜25在所述拉曼光信号收集光路21中位于第一分光镜22和第二会聚透镜41之间。
作为示例，所述第二分光镜25可以为长通二向色镜，即仅允许波长长于一定阈值的光透射通过，而将波长短于该阈值的光挡住。该方案的优势在于，可以削弱来自样品30的瑞利光。样品30在产生拉曼光的同时往往也会产生波长小于拉曼光的瑞利光，而长通二向色镜的该阈值可以设置成削弱甚至消除波长较短的瑞利光，从而提高拉曼光信号的信噪比。长通二向色镜的具体阈值可以根据实际测量的要求来进行选择。本发明的实施例中，第二分光镜25不限于长通二向色镜，例如也可以采用本领域已知的任何其它分光部件来实现第二分光镜25。
在一示例中，如图5所示，为了更好地抑制瑞利光，拉曼光谱检测设备100e还可以在拉曼光信号收集光路21中第一分光镜的下游设置长通滤波片或陷波滤波片26，用于滤除经过第一分光镜22之后的光信号中的瑞利光。但在本发明的实施例中，长通滤波片或陷波滤波片26在拉曼光信号收集光路21中的位置不限于此，其可以设置在样品和光谱仪之间的任何位置上，只要能够起到去除收集光路中的光信号的瑞利光的作用即可。例如，长通滤波片或陷波滤波片也可以位于第一分光镜的上游，如对于图5所示的实施例的变体，长通滤波片或陷波滤波片也可以设置在第一分光镜与第二分光镜之间的位置。在此情况下，收集光路中的光信号可以依次经过第一会聚透镜、第二分光镜、长通滤波片或陷波滤波片、第一分光镜、第二会聚透镜和光谱仪。当然，本发明的实施例并不限于此，例如，也可以不设置长通滤波片或陷波滤波片26。
在另一示例中，如图3和图4所示，光学装置20′还可以形成或建立：拉曼光信号收集光路21，用于收集来自所述样品的拉曼光信号；以及红外光收集光路23′，用于收集来自所述样品30的红外光。与上述如图1和图2所示的示例中的红外辐射支路23不同，所述红外光收集光路23′完全独立于所述拉曼光信号收集光路21或与拉曼光信号收集光路21。这可以尽可能地保留拉曼光谱检测装置的原有光路结构。红外探测器50可以设置于样品30附近的任何位置，只要红外信号的强度能够满足红外探测器50的检测要求即可。
图3中示出的示例性的拉曼光谱检测设备100c和图4中示出的示例性的拉曼光谱检测设备100d的区别仅在于，在图3中，激发光11被引导至样品30上的光路(激发光光路)和拉曼光信号收集光路21在第二分光镜25和样品30之间的部分是重合的或同轴的，而在图4中，激发光11被引导至样品30上的光路和拉曼光信号收集光路21是完全分离的(或者称为激发光11被偏轴或偏离地照射到样品30)。在图4的示例中，第二分光镜25并不是必要的元件，在图4中示出仅仅是为了便于与图3的示例进行比较。
在图1和图4的示例中，作为示例，在激发光照射到样品30上之前还可以被某些光学元件(如反射镜等)来改变方向以更为方便和准确地被引导到样品30上。
如图5所示，在一示例中，拉曼光谱检测设备100e还可以包括控制器60。所述控制器60接收所述红外探测器50的检测结果并向所述激光器10发送控制信号。所述控制器60可以配置成在由红外探测器50检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时减小激光器10的功率或关断激光器10。作为示例，由于样品30的温度与其所发出的红外光的辐射能量存在对应关系，因此，控制器60中所设定的红外光的辐射能量的预定阈值可以对应于一不超过样品30的最大允许温度的温度值，从而避免样品30因为温度过高而被毁。所述控制器60可以由如集成电路、信号处理器、计算机等部件来实现。
作为示例，所述光学装置20可以集成在光纤探头70中，所述激光器10发出的激发光11可以通过导入光纤71导入所述光纤探头70，所述光纤探头70通过收集光纤72将收集到的拉曼光信号传送至光谱仪40。当然，光学装置20也可以由分立的光学元件来构建。但采用光纤探头70的方式，能够提高系统的稳定性。
作为示例，激发光在到达第二分光镜25或第一会聚透镜24之间，还可以经过准直透镜27和窄带滤波片28。准直透镜27可以使激发光称为近似于平行光以提高方向性和光学效率。窄带滤波片28可以去除干扰，提高激发光在期望的波长段上的信噪比。作为示例，为了实现光路的折叠，还可以设置一个或更多个偏转反射镜29。作为示例，为了使拉曼信号光能够更好地耦合入光谱仪40，还可以在收集光纤72的上游设置第二会聚透镜41。
此外，需要指出的是，虽然在图示的实施例中，仅图示了一个红外探测器，但本发明不限于此。在其它实施例中，可以采用多点检测方式，在相对于样品的不同位置设置多个温度传感器(如，红外探测器)来更加准确地、及时地检测样品的温度或温度变化。例如，一些温度传感器位于样品附近(如位于样品侧面或背面)或接触样品，而另一些温度传感器(如，红外探测器)相对远离样品定位，可以根据待检测样品的具体需求(如，尺寸、形状、位置等)启用不同的传感器。
红外探测器或温度传感器的位置不局限于以上示例的位置，比如可以设置在光谱仪附近。图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的拉曼光谱检测设备的布置。如图所示，在该拉曼光谱检测设备中，红外探测器可采用红外光谱仪，将红外探测器和检测拉曼光谱的光谱仪集成在一起或紧邻设置在同一探测器中，例如，设置在图8的探测器45中，该探测器45的一部分(如，探测单元或像素点)被配置成在来自激光器的激光照射样品期间检测样品30发出的红外信号，该探测器的另一部分被配置成检测来自样品30的拉曼光谱信号，从而能够在紧邻的位置实现对拉曼光谱和红外光的检测。设置在在拉曼光信号收集光路21中的分光镜25用于将来自于激光器10的激发光11向会聚透镜24反射并使由会聚透镜24收集的来自样品30的反射光的至少一部分透射通过分光镜25以射向探测器45。同样，如上所述，激发光11的光路可以与拉曼光信号收集光路21部分地同轴，或者可以相对于拉曼光信号收集光路21完全分离(独立)、偏轴或偏离。
可以理解，本文的探测器45可以包括由多个探测器元件或单元组成的阵列，该阵列中的一部分探测器元件或单元用于检测样品发出的红外信号，该阵列中的另一部分探测器元件或单元用于检测来自样品的拉曼光谱信号。此外，在其它实施例中，用于检测来自样品的拉曼光谱信号的探测器和用于检测来自样品的红外信号的探测器或传感器可以相对于样品位于大致相同的方位，例如，可以设置彼此邻近或并排的至少两个独立的探测器，它们可以定位成相对于拉曼光信号收集光路对称，以分别检测来自样品的拉曼光谱信号和红外信号。
在本发明的一些实施例中，安全监控器可以在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态，该表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。样品在激光照射产生烧蚀前或期间通常伴随着表面轻微的损坏(如颜色灰度变化或产生凹坑)或烧损产生烟雾，通过对这些表面状态的监测可以监控对样品的检测的安全性。
在图9图示的实施例中，安全监控器包括用于获取样品30的表面的图像的成像装置80，如相机。成像装置80可以设置在被检测的样品30的附近或周围，在激光照射样品期间，获取样品30的被激光照射的表面的图像。示例性地，在拉曼光谱检测设备对样品进行检测期间，可以由成像装置实时地获取被检测的样品的表面的图像，也可以以一定的时间间隔间断地或周期性地获取被检测的样品的表面的图像。
可以基于所获取的图像观察或识别被检测的样品的表面状态，如颜色或灰度及其变化、表面凹坑等，可以对不同时间获取的图像进行对比来确定样品的表面状态。在一个实施例中，如图9所示，拉曼光谱检测设备还包括图像处理器90和控制器60，图像处理器90用于处理由成像装置80获取的图像以确定样品30被激光照射的表面的图像的灰度变化，在该灰度变化超过一阈值时，可以判断样品表面被损坏或烧蚀，由此由控制器60向激光器10发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器，保证检测安全性。
在图10图示的实施例中，成像装置可以采取CCD装置81的形式，并且可以在拉曼光信号收集光路21中设置分光镜22′，以将来自样品30的一部分光沿着光路82朝向CCD装置81引导。可以在光路82中设置会聚透镜83以由CCD装置81更精确地获取样品30被照射的表面的图像。
在一些示例中，从样品30至成像装置的用于获取样品的被激光照射的表面的图像的光路可以完全独立于拉曼光信号收集光路，如图9所示；或者从样品30至CCD装置81的用于获取样品的被激光照射的表面的图像的光路82的至少一部分与拉曼光信号收集光路21可以是同轴的，如图10所示。
在本发明的另一个示例性实施例中，如图11所示，用于监测样品的表面状态的安全监控器可以包括烟雾探测器86，其用于在来自激光器30的激发光11照射样品30期间监测样品30的表面是否产生烟雾。示例性地，烟雾探测器以合适的距离邻近样品定位，以便能够及时准确地检测样品表面是否产生烟雾。控制器60在烟雾探测器86监测到样品30的表面产生烟雾时向激光器10发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
可以理解，虽然在图示的实施例中，分别图示了用于监测样品的安全状态的不同布置，如温度传感器(例如、红外探测器)、成像装置、烟雾探测器等，但本发明不限于此。在其它实施例中，还可以采用其它合适的安全监控形式。此外，同样可以采用多点检测方式，在相对于样品的不同位置设置多个温度传感器(如，红外探测器)、成像装置、烟雾探测器或其组合等，以更加准确地、及时地监测样品在被检测期间的安全状态。
本发明的实施例还提供了一种监控拉曼光谱检测设备检测样品的安全性的方法200。如图6所示，该方法200可以包括：
步骤S10：由激光器发射激发光；
步骤S20：将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的拉曼光信号；以及
步骤S30：在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的安全状态并提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号。
在一些实施例中，步骤S30可以包括在来自激光器的激光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化。示例性地，可以由红外探测器检测所述样品发出的红外光的辐射能量以监控所述样品的温度或温度变化。该方法可以用于在拉曼光谱检测设备工作时监控样品的温度或温度变化。
在其它实施例中，步骤S30可以包括在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态，该表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。示例性地，在来自激光器的激发光照射样品期间，可以获取样品的被激光照射的表面的图像，并处理所获取的图像以确定样品的表面的图像的灰度变化。替换地或附加地，可以在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面是否产生烟雾，以监测样品的表面状态。
作为示例，所述方法200还可以包括：
步骤S40：在所述安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。在一些实施例中，在感测到的样品的温度或温度变化超过一阈值时(例如，在样品的温度高于一预定阈值时)向激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。示例性地，在由红外探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时向激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。在其它实施例中，在所确定的样品的表面的灰度变化超过一阈值时，和/或在监测到样品的表面产生烟雾时，向所述激光器发送控制信号向激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
该步骤S40可以在拉曼光谱检测设备工作时实时地监测样品的温度是否大于预定阈值(该预定阈值例如可以为80度、100度、150度等等，可依赖于样品30来确定)，从而保证检测工作的安全性。
作为示例，所述监控方法200还可以包括：
步骤S50：在激光器发射激发光持续一预定时间段后关断激光器，并根据被激发光照射样品在该预定时间段中的温度变化来确定样品的安全性。
该步骤S50可以用于在正式执行拉曼光谱检测操作之前评估检测的安全性。该预定时间段例如可以是0.5秒、1秒、3秒等等。如果预计样品的温度可能过高，则可以有针对性地控制拉曼检测参数(例如激光功率、样品位置等)，从而避免在正式检测中出现安全风险。
在本发明的实施例中，步骤S40和步骤S50可以择一使用，也可以组合使用。图6中虚线部分表示可选的步骤。
在本发明的实施例中，可以在拉曼检测过程中实时监测被检测的样品的安全状态，也可以在拉曼检测前先通过短暂出光后确定所采用的激光检测是否会损坏样品，判断样品的检测安全性，然后再针对性的控制拉曼检测参数(如激光功率等)，保证检测安全。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，本发明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公开，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，本公开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，本公开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)。
除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (36)

1.一种拉曼光谱检测设备，包括：
激光器，用于发射激发光；
光学装置，用于将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；
光谱仪，用于对由光学装置收集的光信号进行分光以生成被检测的样品的拉曼光谱；以及
安全监控器，被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态并基于所述表面状态提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号，监测样品的表面状态包括获取样品的表面的图像，所述表面状态表征在激发光照射样品的拉曼检测中所述样品的安全状态，所述安全指示信号指示对所述样品的检测是否影响所述样品的安全性，以便在所述安全指示信号指示对样品的检测影响所述样品的安全性时向所述激光器发送控制信号以保证检测安全性。
2.如权利要求1所述的拉曼光谱检测设备，其中，安全监控器包括：
温度传感器，被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化。
3.如权利要求2所述的拉曼光谱检测设备，其中，安全监控器包括设置在相对于样品的不同位置以检测样品的温度或温度变化的多个所述温度传感器。
4.如权利要求2所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述温度传感器包括：红外探测器，用于检测所述样品发出的红外光，以获得被检测的样品的温度或温度变化。
5.如权利要求4所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置被配置成建立用于收集来自所述样品的光信号的拉曼光信号收集光路，并且其中，
所述光学装置包括：设置在所述拉曼光信号收集光路中的第一分光镜，所述第一分光镜布置成形成从拉曼光信号收集光路分支的红外辐射支路，以将来自样品的光中的红外光朝向红外探测器引导。
6.如权利要求5所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述第一分光镜为短通二向色镜，所述短通二向色镜设置成将波长大于预定波长的光朝向红外探测器反射，而使波长小于该预定波长的光透射通过所述短通二向色镜，所述预定波长在700纳米至300微米之间。
7.如权利要求5所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述第一分光镜设置成将来自样品的光信号中的一部分朝向红外探测器反射，而将所述光信号中的另一部分朝向光谱仪透射。
8.如权利要求5所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置还包括：
设置在拉曼光信号收集光路中的第一会聚透镜，所述第一会聚透镜用于将激发光会聚到样品并收集来自样品的光信号；
设置在拉曼光信号收集光路中的第二会聚透镜，所述第二会聚透镜用于将收集来的光信号会聚到光谱仪；以及
第二分光镜，所述第二分光镜在所述拉曼光信号收集光路中位于第一分光镜和第二会聚透镜之间或位于第一分光镜和第一会聚透镜之间，并布置成用于将来自于激光器的激发光向第一会聚透镜反射并使由第一会聚透镜收集的来自样品的光信号的至少一部分透射通过该第二分光镜以射向所述第二会聚透镜。
9.如权利要求8所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述第二分光镜为长通二向色镜。
10.如权利要求8所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置还包括设置在所述拉曼光信号收集光路中的长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述第一分光镜的下游，用于滤除经过第一分光镜之后的光信号中的瑞利光。
11.如权利要求8所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置还包括设置在所述拉曼光信号收集光路中的长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述样品和光谱仪之间，用于滤除光信号中的瑞利光。
12.如权利要求4所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光信号包括拉曼光谱信号和红外信号，所述光谱仪和红外探测器设置在同一探测器中，该探测器的一部分被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间检测所述样品发出的红外信号，该探测器的另一部分被配置成检测来自样品的拉曼光谱信号。
13.如权利要求1所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置被配置成建立：
拉曼光信号收集光路，用于收集来自所述样品的光信号；以及
红外光收集光路，用于收集来自所述样品的红外光，所述红外光收集光路与所述拉曼光信号收集光路分离，或者红外光收集光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路是同轴的。
14.如权利要求13所述的拉曼光谱检测设备，其中，从激光器至样品的激发光光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路和红外光收集光路中的至少一个是同轴的，或者
该激发光光路与拉曼光信号收集光路或红外光收集光路是偏离的。
15.如权利要求1所述的拉曼光谱检测设备，还包括控制器，所述控制器被配置成在由安全监控器提供的安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
16.如权利要求2或3所述的拉曼光谱检测设备，还包括控制器，所述控制器被配置成在由温度传感器感测的样品的温度或温度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
17.如权利要求4至12中任一项所述的拉曼光谱检测设备，还包括控制器，该控制器被配置成接收所述红外探测器的检测结果，并在由红外探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时向所述激光器发送控制信号以减小激光器的功率或关断激光器。
18.如权利要求1至15中任一项所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述光学装置集成在光纤探头中，所述激光器发出的激发光通过导入光纤导入所述光纤探头，所述光纤探头通过收集光纤将收集到的光信号传送至光谱仪。
19.如权利要求1至15中任一项所述的拉曼光谱检测设备，其中所述表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。
20.如权利要求19所述的拉曼光谱检测设备，其中安全监控器包括用于获取样品的表面的图像的成像装置。
21.如权利要求20所述的拉曼光谱检测设备，其中所述光学装置被配置成建立用于收集来自所述样品的光信号的拉曼光信号收集光路，并且
从样品至成像装置的用于获取样品的表面的图像的图像获取光路完全独立于所述拉曼光信号收集光路，或者该图像获取光路的至少一部分与拉曼光信号收集光路是同轴的。
22.如权利要求20或21所述的拉曼光谱检测设备，还包括：
图像处理器，被配置成处理由成像装置获取的图像以确定样品的表面的图像的灰度变化；和
控制器，被配置成在所述灰度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
23.如权利要求19所述的拉曼光谱检测设备，其中安全监控器包括烟雾探测器，该烟雾探测器被配置成在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面是否产生烟雾，
该拉曼光谱检测设备还包括控制器，该控制器被配置成在所述烟雾探测器监测到样品的表面产生烟雾时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
24.如权利要求2所述的拉曼光谱检测设备，其中，所述温度传感器包括接触式温度传感器或非接触式温度传感器，其中，所述接触式温度传感器与样品的预定位置接触，并以有线或无线方式传输温度信息。
25.一种监控拉曼光谱检测设备的检测安全性的方法，包括下述步骤：
由激光器发射激发光；
将所述激发光引导至样品和收集来自所述样品的光信号；以及
在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面状态并基于所述表面状态提供表征样品是否由于激发光照射而受到损坏的安全指示信号，监测样品的表面状态包括获取样品的表面的图像，所述表面状态表征在激发光照射样品的拉曼检测中所述样品的安全状态，所述安全指示信号指示对所述样品的检测是否影响所述样品的安全性，
在所述安全指示信号指示对样品的检测影响所述样品的安全性时，向所述激光器发送控制信号以保证检测安全性。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
在所述安全指示信号指示对样品的检测影响样品的安全性时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
27.根据权利要求25所述的方法，其中监测样品的安全状态的步骤包括：
在来自激光器的激发光照射样品期间感测被检测的样品的温度或温度变化；和
在感测到的样品的温度或温度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
28.根据权利要求27所述的方法，其中感测被检测的样品的温度或温度变化包括：
由红外探测器检测所述样品发出的红外光的辐射能量以监控所述样品的温度或温度变化。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
在由红外探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
30.根据权利要求27-29中任一项所述的方法，还包括：
在激光器发射激发光持续一预定时间段后关断激光器，并根据被激发光照射的样品在该预定时间段中的温度变化来确定被检测的样品的安全性。
31.根据权利要求27或28所述的方法，还包括：
建立从样品至光谱仪的拉曼光信号收集光路，以收集来自所述样品的光信号。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
由设置在所述拉曼光信号收集光路中的第一分光镜形成从拉曼光信号收集光路分支的红外辐射支路，以将来自样品的光中的红外光朝向红外探测器引导；或者
由红外探测器通过与所述拉曼光信号收集光路分离的光路收集来自样品的光中的红外光。
33.根据权利要求31所述的方法，其中由设置在同一探测器中的部件分别检测所述样品发出的红外信号和拉曼光谱信号。
34.根据权利要求25-29中任一项所述的方法，其中所述表面状态指示样品是否由于激发光照射而受到损坏。
35.根据权利要求25-29中任一项所述的方法，还包括：
处理所获取的图像以确定样品的表面的图像的灰度变化；和
在所述灰度变化超过一阈值时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
36.根据权利要求25-29中任一项所述的方法，其中监测样品的表面状态包括在来自激光器的激发光照射样品期间监测样品的表面是否产生烟雾，
该方法还包括：在监测到样品的表面产生烟雾时向所述激光器发送控制信号，以减小激光器的功率或关断激光器。
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