CN113624734A - 兼具灵敏度和响应速度的拉曼光谱检测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
现有的拉曼光谱检测技术大多用于物质定性检测，且由于拉曼散射比瑞利散射小10～14个数量级、比荧光散射小2～3个数量级，所以需要较大能量的激发光聚焦于检测物质，对于活体的定量检测，存在灵敏度、响应速度和产生的伤害的矛盾。本发明主要创新点包括：1、采用控制函数控制激发光光斑大小和位置，大幅度减轻对于活体的伤害；2、采用点光斑长时积分采集高精度拉曼光谱数据，采用面光斑短时积分采集抵精度拉曼光谱数据，采用统计和深度学习的校准函数兼顾灵敏度和速度；3、采用聚光接收器收集高倍数的散射光能量以增加检测灵敏度2个数量级；4、采用激发光和散射光离轴光路优化系统效率。提供拉曼光谱检测用于体外诊断设备IVD的实施例。
Description
技术领域
本发明涉及光学计量领域和激光生物学领域，尤其涉及散射光检测和传感器，特别是涉及兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测的方法与系统构成，例如用于人体无创伤的IVD(英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品)体外血糖、激素等检测的产品。
背景技术
一、关键问题综述
传统的拉曼光谱仪通常用于对于检测物质的定性测量，用于定量测量甚至用于人体检测的场景较为少见。其原因在于：
1、光斑位置问题
由于其激发光都是采用聚焦方式照射检测物质，这种聚焦的光斑很小，对于非均匀检测物质，由于光斑位置处的限定，所检测的光谱数据不能全面反映检测物质中被检测到的目标物质的含量。这种情况只有在目标物质在检测物质中含量均匀，检测结果才能够正确反映目标物质在检测物质中的和含量。此外，对于人体检测来说，聚焦的激光光斑对于人体组织多少都有伤害，尤其是对于需要连续检测的场景，伤害问题较为严重。
2、分辨率问题
由于拉曼散射在全部散射光中所占的含量非常小，据资料介绍，拉曼散射光比瑞利散射光小10～14个数量级，比荧光散射光小2～3个数量级！尽管人们在光谱光路中，采用滤光镜阻止与激发光同波长的瑞利散射光，采用差分激发光及其差分算法以消除荧光散射光，现有高精度拉曼光谱仪，虽然用于积分的AD转换器通常采用16bit的，分辨率可以达到1/65536,但是其实际最大分辨率远远达不到这个量级，对于溶液含量来说，仅为1％，而在人体静脉血液中葡萄糖的检测中，其最低浓度约为0.04％，这远远超出分辨率要求。
3、灵敏度问题
基于拉曼效应的原理，激发光的单位面积内能量越大，拉曼散射光也越容易被激发，其含量也越大，也越容易拉开与黑底噪声的距离。因此，在条件允许的情况下，高灵敏度的拉曼光谱仪通常采用加大激发光功率，降低光电转换器温度，并且采用聚焦方式照射到检测物质上。以近红外光作为激发光为例，常用的激光器功率在100mW～1000mW之间，聚焦的光斑直径约在0.3mm左右。这些方案对于人体或者是生物活体检测，无论是对于皮肤还是内部组织，由于产生的破坏较大，因此都不合适。
4、响应速度问题
限于拉曼散射光及其微弱，为了获得足够的灵敏度，实际测量中通常采用较长时间(例如10～100秒)的积分方式获取光谱数据。这对于低速测量还可以满足，但是对于高速测量，这样的采样时间就不无法支撑了。例如，如果采用脉搏来校验血糖值，由于脉搏的周期小于1秒，而积分的时间大于10秒，这就无法完成通过脉搏来校验血糖值。
5、同轴工作问题
目前，几乎所有的拉曼光谱仪都采用同轴方式工作，即激发光的一次光路的光轴与散射光接收的二次光路的光轴，在检测端，都采用半反半透镜合成为同一个光轴，这不仅很难实现对于这两个光路的独立调节，还由于两次经过半反半透镜，使得总的光能量损失高达75％，严重影响了测量的灵敏度。
小结：
现有的拉曼光谱检测设备中，灵敏度和响应速度以及聚焦光斑对活体的伤害是个普遍的矛盾。
二、拉曼散射光检测背景技术
依据发明人的研究发现，以往的拉曼散射光检测，可归纳为同轴聚焦法、离轴聚焦法、同轴大光斑光纤束法、离轴大光斑光纤束法，它们的特点分别如下：
1、同轴聚焦法
同轴聚焦法是最常用的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过半反半透镜和聚焦透镜聚焦入射光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受入射光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，通过半反半透镜，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。
这种方法对于散射光总能量的采集，有以下两点不利因素：
1)、半反半透镜将入射光的能量减半，同时又将收集到的散射光的能量减半，从入射光到散射光的全程，能量损失高达75％，收益仅有25％，损失高达4倍。
2)、设聚光镜到焦点处的距离为R，此处半球的面积为SR，聚光镜的有效半径为r，此处圆形的面积为Sr，散射光的总能量为ER，假设散射光为半球状均匀分布，则在聚光镜处，吸收的散射光能量为Er为公式(1.1)所示：
由公式(1.2)可见，这一不利因素散射光能量损失高达
倍。
由此可见，这两个不利因素将给散射光能量的采集带来总体损失高达
倍！，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝800。
2、离轴聚焦法
离轴聚焦法较为罕见。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用交叉的两个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过聚焦透镜聚焦入射光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受入射光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。交叉点为焦点。
由此可见，离轴聚焦法与同轴聚焦法的差别之一是光路中没有采用半反半透镜，因此这一环节没有能量损失。
由于二次光路的聚焦环境与同轴聚焦法相同，因此，总体的散射光能量损失为
倍，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝200。
3、同轴大光斑光纤束法
这也是一种较为罕见的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过透镜汇聚入射光在检测物质上产生一个面积为S0的光斑；在二次光路中，采用光纤束采集散射光，其中光纤束距离光斑为L，假定L＝10mm，光斑在L处的半球面积为S1，如公式(1.3)所示；光纤束总截面积为S2，其中纤芯半径r＝0.05mm，光纤根数为100，全部纤芯总截面积为S3，如公式(1.4)所示，在不考虑光纤全反射临界入射角的情况下，散射光总体能量损失为公式(1.5)：
S1＝4πL2＝400πmm2 1.3
S3＝100×2πr2＝0.5πmm2 1.4
可见总体散射光能量总体损失估算倍数为800倍。
4、离轴大光斑光纤束法
这也是一种极为罕见的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用采用交叉的两个光轴。其它方案跟同轴大光斑光纤束法相似，总体散射光能量损失相同，为800倍。
由此分析可见，现有技术在散射光检测方面，存在200～800倍的能量损失。另一方面，对于基于拉曼光谱检测和荧光光谱检测上，现有技术对于物质含量(例如溶液的浓度)的灵敏度，其上限最多也只有1％。对于一些特别应用，要求的检测灵敏度要达到0.01％，例如对于糖尿病患者的血糖检测，依据国际卫生组织规定，常规安全范围为4～11mmol/L(每升毫摩尔)，折合成血液中的葡萄糖浓度为0.0720％～0.1980％(每100克水中葡萄糖克数的比例)。如果采用激光拉曼光谱检测人体血糖，其灵敏度至少要提高到0.01％，即要将现有的检测灵敏度提高2个数量级，即提高100倍！
此外，如果方案是采用人体体外无创检测，考虑入射光(通常是采用近红外激光)对于人体皮肤有所伤害，而这个伤害的关键指标是单位面积上激光的照射强度，要求这个单位面积上激光的照射强度越低越好。因此，上述聚焦的方案不适合，应该采用大光斑照射方案，以减轻患者皮肤的伤害。
小结：
为了解决现有技术的这些问题，必须采用大光斑检测，同时需要提高检测灵敏度2个数量级。
三、光学探头背景技术
发明人发现，已经开始有人关注光学探头的设计问题，与本发明申请最接近的有以下两个专利申请可作为对比文件，它们是“用于测量拉曼散射的光学探头及其测量方法-CN201611124263.9”、“用于测量拉曼散射的光学探头-CN201621343446.5”。这些申请虽然在技术上有所进步，但是在创造性上，这两个对比文件的特点是：
1、只是设计了一个光学探头，并没有提出反射腔应该设计成将激发光或散射光汇聚到聚光接收器，同时其发明内容和实施例中从未提出汇聚散射光能量以提高检测灵敏度问题。
2、入射光的发射和散射光的接收只是采用同轴方式，没有采用离轴方式，这就造成了聚光接收器镜头无法实现独立设计，从而无法实现聚集散射光的作用。
3、反射腔只是用于反射激发光到检测物质上，而不是用于反射到聚光接收器上用于增加接收散射光的能量。
发明人还发现，有一些研究报告提出基于复合抛物面聚光器(英文CompoundParabolic Concentrator，英文缩写CPC)的方法来实现非成像聚光，例如“1000倍聚光的光伏聚光器的非成像设计，哈尔滨工业大学学报2011.5”、“复合抛物面聚光器(CPC)光学分析研究，能源技术2006.4”、“Optical efficiency study of PV Crossed CompoundParabolic Concentrator，Applied Energy 2013”。基于CPC类的聚光技术，其区别于本发明的特点在于：
1、CPC的聚焦光线的入口角度较小，最大限度不超过±30度，无法做到散射光的±90度半球角度。
2、CPC的底部聚焦的光线角度太大，由于光纤全反射的临界角较小，实际有效聚光比例并不高，聚光贡献率较小。
3、CPC的轴向长度太大，不利于组件的小型化。
小结：
为了改进现有技术的这些问题，本发明设计一种新型的聚光罩组件。
四、激发光光源背景技术
发明人发现，对于基于拉曼光谱检测技术的激发光的光源，通常采用单色的激光光源，基于拉曼散射的原理，要求光源的能量越大越好，这样才能有效地激发拉曼散射。因此都是采用激发光源聚焦于检测物的方式，这对于人体、动物活体检测而言，就存在激发效果和伤害的悖论。在FDA(Food and Drug Administration，中文：美国食品和药物管理局，英文简称FDA)认证中，要求IIIb类激光功率限制在5mW5～500mW。而在实际检测中，通常采用300mW的激光，以聚焦方式(聚焦光斑大约在0.5mm2以下)照射人体皮肤，300mW的激光伤害是很大的，如果是类似于人体葡萄糖的连续检测，要求激光是全天连续照射皮肤，这将直接导致皮肤烧坏，因此此法绝无可能采用。
小结：
为此，必须大幅度降低单位面积的激光照射功率，为此，在激光功率不变的前提下，采用大光斑激发散射，以大幅度降低照射到皮肤上的单位面积的能量密度是合适的解决方案。
现有技术方法不足
依据上述分析，发明人认为，现有技术和方法存在以下不足：
1、聚焦光斑形式的激发光法对于活体组织伤害较大，不适合活体检测。
2、不能兼顾测量灵敏度和响应速度。
3、目前的拉曼光谱检测方式混合物质的最大灵敏度仅为1％太低，无法完成超低超微量级的检测。
发明目的和意图
发明人通过长期的观察、实验和研究，提出兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法与系统，本发明的目的和意图在于：
1、实现兼具拉曼光谱检测的灵敏度和响应速度。
2、大幅度提高检测灵敏度。
3、实现高灵敏度拉曼光谱数据校准低灵敏度拉曼光谱数据。
4、大幅度减轻激发光对于活体组织的伤害。
5、提供拉曼光谱检测用于体外诊断设备(IVD)的应用可行性。
发明的有益效果
1、本发明申请提供的兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法与系统，实现了发明内容及发明目的，并为此提供了详实的实施例。
2、提供了一种完整的人体血糖体外检测设备的实施例及可行性。
3、实现了超低含量的混合物质检测和数据分离的拉曼光谱检测。
发明内容
1、关于方法的基本说明
兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法，包括：
S1000步骤，设定发光器产生点状光斑照射检测物质以激发散射光，采用聚光接收器收集所述散射光，驱动光谱仪采用长时积分以获取高精度拉曼光谱数据。
S2000步骤，设定所述发光器产生面状光斑照射所述检测物质以激发散射光，采用所述聚光接收器收集所述散射光，驱动所述光谱仪采用短时积分以获取低精度拉曼光谱数据。
S3000步骤，依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，以获取所述高精度拉曼光谱数据。
S4000步骤，采用所述高精度拉曼光谱数据校验所述低精度拉曼光谱数据以提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
2、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
S5000步骤，调整所述点状光斑照射到所述检测物质上的位置。
S6000步骤，所述聚光接收器包括采用聚光元件收集所述散射光能量。
S7000步骤，所述发光器的激发光光轴与所述聚光接收器接收的散射光光轴采用离轴方式或同轴方式。
S8000步骤，所述发光器采用激发光中心波长双波长差分工作。
3、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S1000步骤和所述S2000步骤包括：
S1010步骤，基于设定，由控制函数控制所述发光器产生光斑的开启和停止，并控制所述光斑大小，包括从所述点状光斑到最大所述面状光斑的分级或无级调节。
S1020步骤，所述控制函数控制所述发光器产生一个以上中心波长的激发光，采用异步、同步照射所述检测物质。
S1030步骤，采用滤光镜过滤所述发光器产生的光源得到所述中心波长的激发光。
S1040步骤，所述控制函数控制所述光谱仪进行长时积分以产生所述高精度拉曼光谱数据、进行短时积分以产生所述低精度拉曼光谱数据。；
S1050步骤，所述拉曼光谱的工作步骤包括：由发光器产生所述中心波长的激发光，照射所述检测物质，产生的散射光中包括的非弹性的、碰撞所述检测物质分子使得电子的能级跃迁所产生的光子能量改变、波长偏离所述激发光的中心波长的这部分散射光。
S1060步骤，所述聚光接收器或所述光谱仪采用滤光镜过滤所述散射光中所述中心波长的散射光光谱，放行所述拉曼光谱到所述光谱仪。
S1070步骤，所述光谱仪采集、分解、产生并输出所述拉曼光谱的数据。
4、S3000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S3000步骤具体包括：
S3010步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化包括依据前后采样的时间比较所述拉曼光谱数据，设定一个变化阈值，如果变化超过所述变化阈值，则输出条件为1，如果变化小于所述变化阈值，则输出条件为0。
S3020步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，包括当所述输出条件为1时，执行所述S1000步骤，包括当所述输出条件为0时，不予执行所述S1000步骤。
S3030步骤，所述变化阈值依据用户的应用预先确定，或者由所述高精度拉曼光谱数据和低精度拉曼光谱数据和采样时刻计算确定。
5、S4000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S4000步骤具体包括：
S4010步骤，依据在不同的所述高精度拉曼光谱数据的数据段，采用在短时刻内交替采集所述高精度拉曼光谱数据和所述低精度拉曼光谱数据，建立比对数据集。
S4020步骤，依据统计学方法，针对所述比对数据集，计算参考误差。
S4030步骤，依据深度学习方法，针对所述比对数据集，计算所述参考误差。
S4040步骤，依据所述参考误差，修补所述低精度拉曼光谱数据以校验所述低精度拉曼光谱数据，提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
6、S5000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S5000步骤具体包括：
S5010步骤，依据所述最大的面状光斑所覆盖的区域，分割成一个以上所述点状光斑的位置，并建立对应的位置坐标。
S5020步骤，建立基于时间段均匀分布的所述位置坐标的分布函数。
S5030步骤，按照所述分布函数，调整所述点状光斑照射到所述位置坐标，以激发产生所述散射光。
7、S6000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S6000步骤具体包括：
S6010步骤，所述聚光元件包括反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件；所述聚光元件构成光路，将所述检测物质被所述激发光激发产生的所述散射光聚集到所述聚光接收器包括的传导元件，以传导到所述光谱仪。
S6020步骤，采用反射光路，将所述散射光通过所述反射式聚光元件中包括的曲面反射镜的反射和聚焦的方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件。
S6030步骤，采用透射光路，将所述散射光通过所述透射式聚光元件中包括的曲面透镜的折射和聚焦的透射方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件。
S6040步骤，采用反射透射混合式光路，将所述散射光通过所述反射透射混合式聚光元件包括的反射镜、透镜、半反半透镜的组合聚焦到所述聚光接收器的所述传导元件。
8、关于系统的基本说明
兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测系统，包括本体。
所述本体包括相互连接的发光器、聚光接收器。
所述发光器由所述本体连接光源元件、光学元件、调整组件，所述光源元件和所述光学元件在所述调整组件的控制下，产生激发光的光斑，所述调整组件包括控制接口，通过所述控制接口连接所述系统控制器，实现对于所述光斑的调整，成为点状光斑和大小分级或者无极控制的面状光斑，和控制改变光斑的位置。
所述聚光接收器包括聚光元件、传导元件，接收并汇聚由所述光斑对于检测物质的激发而产生的散射光，通过所述传导元件输出散射光信号。
所述光谱仪连接所述聚光接收器，从所述传导元件接收散射光信号，并连接所述系统控制器，执行所述长时积分将所述散射光信号解析为所述高精度拉曼光谱数据，执行所述短时积分将所述散射光信号解析为所述低精度拉曼光谱数据。
所述系统控制器还包括对于所述系统所包括的其它部件的协调控制，所述其它部件至少包括电源部件、外部通信部件、附件。
9、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器具体包括：
所述光源元件包括单色光发生器，具体包括气体激光器、半导体激光器，其发光波长包括可见光、紫外光和红外光。
所述光学元件包括单一的凸透镜、凹透镜、反光镜、半反半透镜或其一个以上的组合；
所述调整组件包括由电气连接和机械连接的通信接口、电磁机构和执行机构，由所述控制接口获取指令，驱动电磁机构，由所述电磁机构再驱动执行机构，调整所述光学元件或所述光源元件的位置，实现对于所述光斑大小、所述光斑位置的控制。
所述电磁机构包括直线电机或步进电机或超声波电机或电磁位移器。
所述控制接口为电气控制信号的通信接口，接口形式包括I2C、GPIO、USB、RS232、RS485。
所述调整组件还包括MCU、存储器，所述存储器存储所述调整组件的控制程序，由所述MCU执行。
所述光源元件支持差分工作模式。
10、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光接收器具体包括：
所述聚光元件由反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件构成。
所述传导元件由光导纤维构成，其中一头连接所述聚光元件，另外一头连接所述光谱仪。
所述反射式聚光元件包括椭球聚光器或一节以上的复合抛物面聚光器。
所述透射式聚光元件包括广角镜或鱼眼镜。
所述反射透射混合式聚光元件包括所述复合抛物面聚光器或所述椭球聚光器和所述广角镜或所述鱼眼镜的混合，以完成聚集所述散射光。
所述聚光接收器包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
11、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用离轴方式布置，其中交汇位置设置在系统所包括的检测窗口。
所述检测窗口采用透明材料封装，以隔离所述检测物质和所述本体。
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用同轴方式布置，其中所述激发光光轴和所述散射光光轴采用半反半透镜合成。
12、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述光谱仪具体至少包括：光输入端口、分光镜、光电转换器、积分采集器、输出端口、控制接口。
所述光输入端口与所述聚光接收器的所述传导元件连接，由所述分光镜依据光的波长从小到大依次分散排列成为光谱，照射到所述光电转换器，所述光电转换器在所述积分采集器的控制下将光谱信号采集转换成光谱电信号，由所述输出端口输出。
所述光谱仪在输入端包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
13、扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述系统控制器具体包括：
所述系统控制器包括MCU、存储器，所述存储器存储运行程序，由所述MCU执行所述运行程序，对所述调整组件下达控制指令，包括所述光斑大小和所述管板位置的控制。
所述系统控制器通过自身的接口，连接所述调整组件的所述控制接口和所述光谱仪的控制接口。
所述系统控制器还包括接受用户指令的接口，通过所述运行程序中包括的控制函数，控制所述发光器和所述光谱仪，实现包括：所述光斑位置的调整、所述光斑大小的调整和所述长时积分、所述短时积分。
附图清单
图1：方法与系统原理图(摘要附图)
图2：方法与系统原理说明图
图3：聚光接收器镜头和导光器结构示意图
图4：光斑调节结构示意图
图5：光谱仪结构示意图
图6：点状光斑椭球光路仿真图
图7：面状光斑椭球光路仿真图
图8：复合抛物面聚光罩组件
图9：混合物质拉曼光谱图
图10：葡萄糖拉曼光谱图
本发明的目的和意图是采用如下实施例的技术方案实现的：
实施例一、通用型拉曼光谱的IVD体外诊断产品
本发明“兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法与系统”的应用实施例之一是拉曼光谱IVD(英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品)，它凸显了本发明的基本优势，设计成为一种适合将拉曼光谱检测用于人体体外检测诊断的、兼具灵敏度和响应速度的IVD产品，例如用于人体体外血糖快速检测设备、激素快速检测设备甚至新冠病毒快速预筛选设备等产品。
在本实施例中，只涉及本发明的方法和系统的叙述，不作为一个实际系统的完整设计，也不是对于本发明的限定。
1、附图详细说明
图1：方法与系统原理图。
说明如图2。
图2：方法与系统原理说明图。
其中：OP是发光器发出的入射光的轴线，OQ是接收器接收的散射光的轴线，O点是第一焦点，O′点是第二焦点，C点是椭球的中心点。2001是本体，它将发光器、聚光接收器、检测窗口等要素按照要求的光路组合为一体。2002是内反射腔，2003是发光器，2004是发光器的透镜，2005是发光器的入射光光路示意，这里包括聚焦成点状光斑的光路示意和面状光斑的光路示意，2006是调整组件。2007是接收器中的导光器，2008是接收器的镜头，2009是散射光射向接收器的光路示意，包括散射光经过内反射腔汇聚到第二焦点的散射光一和散射光经过直接照射到第二焦点的散射光二这两种光路。2010是检测窗口。接收器的镜头包括广角镜、鱼眼镜和小型球状透镜。2011是拉曼光谱仪，2012是位于拉曼光谱仪中的系统控制器的输出控制端口，控制调整组件。
工作流程主要是：2003发光器中包括激发光发光管，由发光管发出激发光，经过2004透镜聚焦，射向2010检测窗口，在2006调整组件的调节下，激发光在检测窗口处产生聚焦方式的点状光斑聚集到O处的第一焦点，或者激发光以调焦方式产生面状光斑，散发到处于第一焦点处的焦平面上。在2010检测窗口的外测放置检测物质，点状光斑或面状光斑激发检测物质产生散射光，朝向聚光罩做180度任意方向传输。散射光的一部分经过内反射腔的反射，汇聚到O′点所在的第二焦点的焦平面上，散射光的另外一部分直射到第二焦点的焦平面上，这两部分反射或直射的散射光由接收器的镜头接收，通过2007导光器，传导出聚光组件，供后续使用。
图3：接收器镜头和导光器结构示意图。
这是一种广角镜或者鱼眼镜的结构，其中，镜头由一组透镜镜片组构成，如3001和3002，导光器3003是由硬质光纤构成，3004是滤光镜，基于拉曼光谱的应用，这里选用低通滤光镜，或者带阻滤光镜。3005是广角光线光路示意图。
镜头和导光器设计的要领是：1、需要尽可能多地接收散射光，这里的广角镜或者鱼眼镜的入射光轴向视角设计要尽可能大，例如至少达到150度。2、镜头的出口光的散射角度要保持大多数光线能量尽可能集中在一个较小的轴向角度，对于导光器来说，就是入射光角度要有可能多地保持大于其全反射的临界角。
图4：光斑调节结构示意图。
其中，4001是发光器的透镜，它将激发光整形为点光斑或者面光斑。4002是透镜的内套筒，外侧有螺纹，转到螺纹可使得镜头沿广州滑动，以改变焦距，进而改变面光斑的大小或产生点光斑。4003是发光器的支架，内侧有与4002内套筒配套的螺纹套筒。4004是激发光发光管，这里选择单色光的激光管。4005是步进电机或超声波电机，4006是齿轮，4007是步进电机或超声波电机支架，4008是步进电机或超声波电机的控制板，4008上还带有对外通信的控制接口，可连接系统控制器，接受系统控制去的控制。4009是滤光镜，基于拉曼光谱的应用时，这个滤光镜采用带通滤光镜，中心波长为激发光波长。步进电机或超声波电机在系统控制去的控制下，做步进旋转，带动齿轮，以驱动透镜内套筒的转到，从而实现光斑的调节，产生点状光斑，或者大小可调的面状光斑。
图5：光谱仪结构示意图
图5是通用制冷型高精度拉曼光谱仪的本发明的改进。最主要的改进点在于5009、5010和5011。其中，5001是由2007导光器输入到光谱仪的散射光。5002是滤光镜，这里需要特别注意的是，滤光镜采用的是带阻型或者低通型滤光镜，阻止的散射光波长等于激发光中心波长，如果在图3的接收器中安装有3004滤光镜，那么这里就不需要重复采用5002，如果接收器中没有安装滤光镜，则这里的5002就必须安装。5003是用于散射光聚光的凸透镜。5004是狭缝。5005是准直凸透镜。5006是用于将不同波长分散开的光栅。需要注意的是，狭缝和光栅需要跟激发光中心波长匹配。5007是光电转换器，例如CCD线状阵列或者面状整列，它将经过光栅展开的拉曼效应的散射光按照物理位置逐个转换成电信号。5008是制冷二极管，用于将光电转换器做深度制冷(-25℃～100℃)。5009是系统控制器，功能至少包括制冷控制、光电转换的积分控制、发光器调整组件控制、数据输出控制和系统综合控制等，5010是连接发光器调整组件的输出控制接口，5011是数据输出端。
图6：点状光斑椭球光路仿真图。
入射光以点状光斑聚焦方式照射第一焦点，激发检测窗口处的检测物质，产生散射光，这时的散射光是以第一焦点的点状方式，向内反射腔内以180度球状散射。基于光反射原理，全部散射光将通过内反射腔聚焦到第二焦点。此时，采用接收器镜头置于第二焦点处，将收集到几乎全部的散射光，以获取远高于传统的由凸透镜直接采集散射光的散射光强度。
图7：面状光斑椭球光路仿真图。
入射光以面状光斑聚焦方式照射第一焦点的焦平面，激发检测窗口处的检测物质，产生散射光，这时的散射光是以全部焦平面上所照射的区域中全部的点，向内反射腔内以180度球状散射。基于光反射原理，全部散射光将通过内反射腔聚焦到第二焦点处的焦平面上。设计一种透镜或者反射镜，将第二焦平面上的散射光大部分都汇聚到导光器中，将大幅度增加检测的灵敏度。
图8：复合抛物面聚光罩组件
OP是发光器发出的激发光的轴线，OQ是接收器接收的散射光的轴线，O点是第一焦点，
8001是CPC聚光罩内反射腔，8002是发光器，8003是接收器，8004是发光器镜头，8005是检测窗口。
OP是发光器发出的激发光的轴线，OQ是接收器接收的散射光的轴线，O点是第一焦点，O′点是第二焦点，C点是椭球的中心点。
图9混合物质拉曼光谱图。
这是直接测量人体皮肤上产生的拉曼光谱，由于皮肤上属于多种物质分子的混合，即这是混合物质的拉曼光谱图。
本实施例结合拉曼光谱仪和特别设计的计算方法，对于浓度低于0.03％的葡萄糖溶液都能够测量出来，而传统的高灵敏度拉曼光谱仪最多只能够检测出浓度高于3％的葡萄糖溶液。图中9001、9002、9003为葡萄糖特征峰。如果不采用本发明的椭球聚光罩组件，现有的高灵敏度拉曼测试仪式无法实现这一检测的。
图10葡萄糖拉曼光谱图。
这是多种浓度的单纯葡萄糖溶液的拉曼光谱图，其中1001-1005分别是浓度依次降低的葡萄糖光谱，1030是葡萄糖的一个特征峰。
2、方法步骤说明
以下是基于本发明的基于拉曼光谱的IVD体外检测设备的工作方法及步骤的详细说明。
2.1：基本说明
兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法，包括：
S1000步骤，设定发光器产生点状光斑照射检测物质以激发散射光，采用聚光接收器收集所述散射光，驱动光谱仪采用长时积分以获取高精度拉曼光谱数据。
S2000步骤，设定所述发光器产生面状光斑照射所述检测物质以激发散射光，采用所述聚光接收器收集所述散射光，驱动所述光谱仪采用短时积分以获取低精度拉曼光谱数据。
S3000步骤，依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，以获取所述高精度拉曼光谱数据。
S4000步骤，采用所述高精度拉曼光谱数据校验所述低精度拉曼光谱数据以提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
这里需要强调的是，本设备在发光器方面，工作与点状光斑和大小可变的面状光斑的两个方面，分别由点状光斑模式下经过长时积分以检测高精度拉曼光谱数据和由面状光斑模式下经过短时积分以检测快速的低精度拉曼光谱数据。其中，点状光斑模式和面状光斑模式依据实际检测中的数据的属性，采用轮流转换进行采集，并依据数据属性加以校验，其中用高精度拉曼光谱数据用于提高设备的检测灵敏度，用低精度拉曼光谱数据用于加快检测速度和减轻激发光对于皮肤、人体生物组织的伤害。
在校验算法上，需要依据检测数据的属性加以修改。例如，在做体外CGM(Continuous Glucose Monitor连续血糖测量)连续血糖数据检测时，由于人体的血糖数据的变化，在信号与系统上来看，属于变化较慢的大惯性系统，在前后相间隔的采样周期(例如几分钟左右)内，例如，前一个由点状光斑进行长时积分采集的高精度拉曼光谱数据为血糖值5.65mmoL/L，后一个由面状光斑进行快速短时积分采集的低精度拉曼光谱数据为血糖值5mmoL/L，此时的后一个数据5mmoL/L就可以依据前一个数据5.65mmoL/L进行校验和修补，使之接近5.65mmoL/L。在例如，在做体外心电图数据检测时，由于心电图的变化周期远小于血糖变化周期，这是的校验算法就需要用户进行针对性修改。
2.2：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
S5000步骤，调整所述点状光斑照射到所述检测物质上的位置。
这个选项的意图是通过改变点状光斑在皮肤或者人体生物组织上照射的位置，以减轻激发光的伤害。具体实现办法包括采用机械位移、旋转来改变激光管的照射点，或者采用移动、旋转凌镜来改变固定的激光管的激光的照射点。
S6000步骤，所述聚光接收器包括采用聚光元件收集所述散射光能量。
这个选项的意图是采用罩或者聚光镜头来实现对于散射光的收集，聚光元件包括但不限于带有椭球内反射腔的方案、复合抛物面聚光方案、广角镜鱼眼镜等的聚焦方案。
S7000步骤，所述发光器的激发光光轴与所述聚光接收器接收的散射光光轴采用离轴方式或同轴方式。
这个选项的意图是离轴和同轴的不同选择，由于同轴方案大多是采用半反半透镜合成光轴，此时对于光线的能力有较大的损失，而在离轴方案中，就没有这种损失。
这里的三个步骤是选择项，用户可以针对自己的需要，进行组合选用，或者不选用。例如，作为低成本的选项，S5000步骤可以不用，对于设备体积较小时，S7000可以不用。但是需要注意的是，由于不选用，会带来设备的总体性能下降，用户需要综合考虑决策。
S8000步骤，所述发光器采用激发光中心波长双波长差分工作。
这个选项有利于消除荧光噪声，具体是采用两组单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光。
设定所述激发光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的所述散射光，保留所述拉曼方式的所述散射光，其中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值小于1％，即；|λ1-λ2|/λ1≤0.01。
所述差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。
2.3：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S1000步骤和所述S2000步骤包括：
S1010步骤，基于设定，由控制函数控制所述发光器产生光斑的开启和停止，并控制所述光斑大小，包括从所述点状光斑到最大所述面状光斑的分级或无级调节。
S1020步骤，所述控制函数控制所述发光器产生一个以上中心波长的激发光，采用异步、同步照射所述检测物质。
S1030步骤，采用滤光镜过滤所述发光器产生的光源得到所述中心波长的激发光。
S1040步骤，所述控制函数控制所述光谱仪进行长时积分以产生所述高精度拉曼光谱数据、进行短时积分以产生所述低精度拉曼光谱数据。
这里的控制函数，运行载体可以是光谱仪中的系统控制器中(即图5中的5009)，由系统控制器通过输出控制接口(图5中的5011)来控制发光器的光斑运行(连接图4中的4008控制接口)，也可以是系统中的独立的处理器系统。
S1050步骤，所述拉曼光谱的工作步骤包括：由发光器产生所述中心波长的激发光，照射所述检测物质，产生的散射光中包括的非弹性的、碰撞所述检测物质分子使得电子的能级跃迁所产生的光子能量改变、波长偏离所述激发光的中心波长的这部分散射光。
S1060步骤，所述聚光接收器或所述光谱仪采用滤光镜过滤所述散射光中所述中心波长的散射光光谱，放行所述拉曼光谱到所述光谱仪。
S1070步骤，所述光谱仪采集、分解、产生并输出所述拉曼光谱的数据。
这里的拉曼光谱，其激发光的中心波长包括适合拉曼散射光光谱检测的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等，一些其它的拉曼光谱系统中，不限于上述波长。
2.4：S3000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S3000步骤具体包括：
S3010步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化包括依据前后采样的时间比较所述拉曼光谱数据，设定一个变化阈值，如果变化超过所述变化阈值，则输出条件为1，如果变化小于所述变化阈值，则输出条件为0。
S3020步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，包括当所述输出条件为1时，执行所述S1000步骤，包括当所述输出条件为0时，不予执行所述S1000步骤。
S3030步骤，所述变化阈值依据用户的应用预先确定，或者由所述高精度拉曼光谱数据和低精度拉曼光谱数据和采样时刻计算确定。
这个选择项实际上也是控制函数的内容，如前，除了S3010、S3020、S3030之外，在控制函数的算法上还包括需要依据检测数据的属性加以修改。
2.5：S4000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S4000步骤具体包括：
S4010步骤，依据在不同的所述高精度拉曼光谱数据的数据段，采用在短时刻内交替采集所述高精度拉曼光谱数据和所述低精度拉曼光谱数据，建立比对数据集。
S4020步骤，依据统计学方法，针对所述比对数据集，计算参考误差。
S4030步骤，依据深度学习方法，针对所述比对数据集，计算所述参考误差。
S4040步骤，依据所述参考误差，修补所述低精度拉曼光谱数据以校验所述低精度拉曼光谱数据，提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
所述统计学方法，包括T-检验、Z-检验、贝叶斯算法、现代贝叶斯算法等，找出有效值和异常值，以便建立比对数据集，计算参考误差。
所述深度学习算法，包括采用SVM支持向量机进行分类、采用CNN卷积神经网络进行相似度判断，建立比对数据集，计算参考误差。
经过上述算法的计算，最终得出校验后的数据，并且输出其置信度。
例如，在做体外CGM(Continuous Glucose Monitor连续血糖测量)连续血糖数据检测时，由于人体的血糖数据的变化，在信号与系统上来看，属于变化较慢的大惯性系统，在前后相间隔的采样周期(例如几分钟左右)内，例如，前一个由点状光斑进行长时积分采集的高精度拉曼光谱数据为血糖值5.65mmoL/L，后一个由面状光斑进行快速短时积分采集的低精度拉曼光谱数据为血糖值5mmoL/L，此时的后一个数据5mmoL/L就可以依据前一个数据5.65mmoL/L进行校验和修补，使之接近5.65mmoL/L。在例如，在做体外心电图数据检测时，由于心电图的变化周期远小于血糖变化周期，这是的校验算法就需要用户进行针对性修改。
2.6：S5000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S5000步骤具体包括：
S5010步骤，依据所述最大的面状光斑所覆盖的区域，分割成一个以上所述点状光斑的位置，并建立对应的位置坐标。
S5020步骤，建立基于时间段均匀分布的所述位置坐标的分布函数。
S5030步骤，按照所述分布函数，调整所述点状光斑照射到所述位置坐标，以激发产生所述散射光。
这种设计的实施例之一是在于整体设备的自校正，例如在人体体外血糖检测的应用中，采用点状光斑和面光斑检测交互式校验，具体如下：
采用点状光斑激发人体皮肤，采用长时间积分以采集拉曼光谱，此时可以获得较高测量精度的血糖数据。此时对于皮肤来说，由于激发光的能量集中在一个很小的焦点上，皮肤将承受较大的激光能量，将产生相应的不适感，甚至产生轻微的伤害。
采用面状光斑激发人体皮肤，采用短时间积分以快速采集拉曼光谱，此时将获得快速响应，但是精度略低的血糖数据。由于激发光的能量分散在一个较大的面状光斑上，皮肤将承受很小的激光能量，不会产生不适感。
对于同一个人体来说，由于皮肤在短时间内(例如几个小时、一天等)，除了血糖变化之外，其它干扰因素的变化很小，所以，这是采用每一个节拍(例如几个小时、一天等)采集一次点状光斑的血糖数据，而在节拍之内，多次采用面状光斑采集血糖数据，然后依据点状光斑的高精度血糖数据来校验面状光斑的血糖数据，既兼顾响应速度、人体舒适度，有能兼顾测量精度。
在这里，由于点状光斑相对于面状光斑来说面积极小，并且由于检测时，检测窗口在皮肤上的定位也存在一定的位置误差。所以，其分布函数的设计未必采用全覆盖方式。在实际应用中，只要错开系列点状光斑的位置，不要在一个时间段内重复在同一个位置输出点状光斑，不要重复伤害同一个点的皮肤即可。例如，在激发光的输出光路上，加上一个旋转的反光镜，以改变点状光斑的位置即可。但是，对于CGM血糖检测，由于这种设备时长时间连续使用，所以，对于这类设备的设计，分布函数需要尽可能均匀地让点状光斑分布在面状光斑中。
2.7：S6000步骤补充说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述S6000步骤具体包括：
S6010步骤，所述聚光元件包括反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件；所述聚光元件构成光路，将所述检测物质被所述激发光激发产生的所述散射光聚集到所述聚光接收器包括的传导元件，以传导到所述光谱仪。
S6020步骤，采用反射光路，将所述散射光通过所述反射式聚光元件中包括的曲面反射镜的反射和聚焦的方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件。
S6030步骤，采用透射光路，将所述散射光通过所述透射式聚光元件中包括的曲面透镜的折射和聚焦的透射方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件。
S6040步骤，采用反射透射混合式光路，将所述散射光通过所述反射透射混合式聚光元件包括的反射镜、透镜、半反半透镜的组合聚焦到所述聚光接收器的所述传导元件。
2.8：关于拉曼光谱的补充说明
关于拉曼光谱工作方式，具体还包括以下步骤或步骤组合的改进措施：
采用单色光发生器或激光发生器作为发光器的光源，产生入射光。
采用带通滤光镜作为发光器的光学元件，过滤入射光，使得入射光的中心波长为λ1的入射光通过，阻止中心波长之外的入射光通过。
采用低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜用于接收器，以阻止中心波长为λ1的入射光，放行波长大于λ1的或不等于λ1的散射光。
采用基于拉曼散射光谱的光谱仪连接导光器，采集拉曼位移光谱，导光器和光谱仪的连接，包括直接连接和光纤连接。
直接连接，是将聚光罩与光谱仪设计为一体化的硬件，光谱仪直接从导光器的一头获取散射光，这种方式的优点是光强度损耗小，缺点是结构设计和安装较为麻烦；光纤连接，是采用可弯曲的柔性光纤(例如塑料光纤)连接导光器和光谱仪的入口，这种方式的优点是结构设计和安装方便，缺点是光强度有所损耗。
本发明还包括但差分拉曼光谱工作方式，具体包括以下步骤步骤组合的改进措施：
采用两组单色光发生器或激光发生器作为发光器的光源，产生入射光。
设定入射光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的散射光，保留拉曼方式的散射光，其中，中心波长λ1和中心波长λ2之间的差值小于1％，即。|λ1-λ2|/λ1≤0.01。
差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。
在实际设计中，中心波长λ1和中心波长λ2之间的差值通常采用更小的值，例如小于1nm，以利于更好地消除荧光。
2.9：关于血糖检测的补充说明
在本发明中，聚光组件包括固定聚光组件和可调聚光组件，其中固定聚光组件是旨在发明一种固定模式的、低成本、小体积的高效散射光聚光组件，也可以归类于一种传感器。其应用对象举例为人体血糖、激素、特种微量物质的检测，所检测的物质都是固定的，而不是像通用物质检测设备那样，去测量很多中物质。由于是固定模式，所以，其设计主要考虑的是针对这些固定物质。
而可调聚光组件，由于其光斑是可调的，这对于人体或者动物活体检测来说，聚焦方式可用于短时间测量超低含量的微量物质，由于聚集的单位面积上能量密度大，所以，相应的测量精度和量程就更加充足，有利于高精度测量。而大光斑方式时，由于单位面积上能量大大减小，有利于提高量程的舒适度，这有利于长时间、高频率地检测，对于例如实时的连续生物指标测量(例如CGM血糖测量)，较为合适。
对于另外一种设计用例，可以将聚焦模式和大光斑模式混合应用，由聚焦模式提供高精度，由大光斑模式提供变化趋势和测量的舒适度，并且采用聚焦模式来校准大光斑模式，特别适合作为人体IVD体外检测设备。
在类似于多光谱检测的应用中，可以依据本发明设计出另外的实施例。
本发明的方法步骤部分，可以设计到系统的软件中进行实现。
3：系统结构说明
以下是基于本发明的基于拉曼光谱的IVD体外检测设备的系统结构的详细说明。
3.1：基本说明
兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测系统，包括本体。
所述本体包括相互连接的发光器、聚光接收器。
所述发光器由所述本体连接光源元件、光学元件、调整组件，所述光源元件和所述光学元件在所述调整组件的控制下，产生激发光的光斑，所述调整组件包括控制接口，通过所述控制接口连接所述系统控制器，实现对于所述光斑的调整，成为点状光斑和大小分级或者无极控制的面状光斑，和控制改变光斑的位置。
所述聚光接收器包括聚光元件、传导元件，接收并汇聚由所述光斑对于检测物质的激发而产生的散射光，通过所述传导元件输出散射光信号。
所述光谱仪连接所述聚光接收器，从所述传导元件接收散射光信号，并连接所述系统控制器，执行所述长时积分将所述散射光信号解析为所述高精度拉曼光谱数据，执行所述短时积分将所述散射光信号解析为所述低精度拉曼光谱数据。
所述系统控制器还包括对于所述系统所包括的其它部件的协调控制，所述其它部件至少包括电源部件、外部通信部件、附件。
3.2：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤组合的改进措施：
所述发光器具体包括：
所述光源元件包括单色光发生器，具体包括气体激光器、半导体激光器，其发光波长包括可见光、紫外光和红外光。
所述光学元件包括单一的凸透镜、凹透镜、反光镜、半反半透镜或其一个以上的组合；
所述调整组件包括由电气连接和机械连接的通信接口、电磁机构和执行机构，由所述控制接口获取指令，驱动电磁机构，由所述电磁机构再驱动执行机构，调整所述光学元件或所述光源元件的位置，实现对于所述光斑大小、所述光斑位置的控制。
所述电磁机构包括直线电机或步进电机或超声波电机或电磁位移器。
所述控制接口为电气控制信号的通信接口，接口形式包括I2C、GPIO、USB、RS232、RS485。
所述调整组件还包括MCU、存储器，所述存储器存储所述调整组件的控制程序，由所述MCU执行。
发光器的光源产生入射光，经由发光器的光学元件将入射光调整为固定光斑，投射到检测窗口，激发检测物质产生散射光，以180度半球状朝向检测窗口内任意角度发射，经过内反射腔反射和直射以汇聚到聚焦处。
固定光斑包括直径小于0.5mm的点状光斑，点状光斑为聚焦方式投射到第一焦点。
在点光路的方案应用中，虽然没有将入射光的能量密度减小，但是依然通过反光罩和镜头，大幅度提升了散射光的采集能量，因此同时大幅度提高了检测的灵敏度。
固定光斑包括直径大于0.5mm、小于检测窗口的直径的面状光斑，面状光斑投射到检测窗口。
固定光斑包括长度大于0.5mm、小于检测窗口的尺寸的线状光斑，线状光斑的线型包括直线和曲线，线状光斑投射到检测窗口。
在面光路的方案应用中，由于面状光斑的面积远大于点状光斑，在同等入射光能量的情况下，照射在检测物质(例如人体皮肤)上的单位面积的能量密度大幅度减小，特别有利于人体组织的检测。
可调聚光组件设定为点光斑和面光斑交互工作，以用于拉曼光谱工作方式和差分拉曼光谱工作方式的步骤，其中点光斑设定为长时间积分以获得高精度拉曼光谱数据，面光斑用于短时间积分，以提高检测速度并减轻对于活体的伤害，所获得低精度拉曼光谱数据，再以高精度的拉曼光谱数据校验低精度的拉曼光谱数据。
这种设计的实施例之一是在于整体设备的自校正，例如在人体体外血糖检测的应用中，采用面光斑检测，以获得快速的血糖变化趋势，每个时间节拍(例如数小时、一天等)采用一次点光斑实现较高精度的检测，以获得较高精度的血糖数据，以此来校准每个时间节拍内的面光斑测量数据。
系统还包括以下选择项：
光学元件包括光闸、调整组件、光斑形状模板，其中，光闸用于在从发光器光源开始到入射光出口的光路中阻止和通过光线，调整组件用于调整光斑直径，实现从点状光斑到面状光斑的无极或有级调节，光斑形状模板用于改变光斑的形状，包括圆形、矩形、多边形，其中点状光斑和圆形光斑无需光斑形状模板。
调整组件可以包括一个受步进电机、超声波电机、电磁铁等电驱动机构带动的基于最大面状光斑坐标内移动的凌镜或反光镜，接收控制接口的控制信号，通过反射或者透射折射以改变输出的激发光点状光斑的位置。
控制器控制光闸、调整组件、光斑形状模板，控制方式包括手动控制和电动控制。
手动控制为在可调聚光套件上设置手动开关和调节器实现控制，电动控制为在可调聚光套件上设置步进电机或超声波电机或电磁开关实现控制，电动控制还包括电信接口和接口通信协议。
光闸包括采用机械挡板实现光路开关和采用电控液晶实现光路开关。
控制器的电动控制还包括通对过接口通信协议的编程，实现点状光斑、面状光斑和现状光斑按照时序进行组合的组合光路的工作步骤。
这里的手动控制，实际上就是在本聚光罩组件上设置一个便于手指拨动的开关，开关的一头使得光源聚焦成为点状光斑，入射光以聚焦方式激发检测窗口处的检测物质，以较高的单位面积内的能量密度，激发产生散射光。开关的另外一头使得光源聚焦成为覆盖检测窗口的面状光斑，此时主要意图在于减小单位面积内光源的能量密度，以适合人体或者动物活体的检测，减少不适感，进一步的，适合一些安全规范的要求。
这里的电动控制的目的与手动控制相同，只是在实现方式上，是提供一个电动的接口，以约定的通信协议(例如I2C、TTL、USB、或者直接采用高电平低电平等)，让与该接口连接的其它设备或者电路实现对于电光光斑和面状光斑的控制。
进一步，电动控制还可以控制面状光斑的直径大小和光功率的大小，以适应一些多级控制、无级控制，不仅实现光斑大小的调节，同时还实现光源功率大小的调节。
这种点面组合的光路，一个典型实施例是在发光器上加入一个可以手控或者电控的开关，以移动透镜或其它光学元件，改变入射光产生点状光斑或者面状光斑，以适合不同场景的检测需要。
所述光源元件支持差分工作模式。
这里的光源元件可以包括以下选择方案：
1、采用激光管通过激励电源实现微调发光波长的激光管和激励电源。
2、采用双激光管，其发光波长相差小于1％。
3.3：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光接收器具体包括：
所述聚光元件由反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件构成。
所述传导元件由光导纤维构成，其中一头连接所述聚光元件，另外一头连接所述光谱仪。
所述反射式聚光元件包括椭球聚光器或一节以上的复合抛物面聚光器。
所述透射式聚光元件包括广角镜或鱼眼镜。
所述反射透射混合式聚光元件包括所述复合抛物面聚光器或所述椭球聚光器和所述广角镜或所述鱼眼镜的混合，以完成聚集所述散射光。
所述聚光接收器包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
在这里，本发明申请给出椭圆球形的聚光方案和复合抛物面聚焦方案，分别是：
椭圆球形聚光方案：
设定内反射腔为由平面椭圆函数绕长轴旋转而成的椭圆球形，长轴包括第一焦点和第二焦点，检测窗口定位于过第一焦点的长轴的垂直面，聚焦处定位于过第二焦点的长轴的垂直面。
在检测窗口处截除椭圆球体的小半椭球，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，检测物质放置在检测窗口外侧。
内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，反射膜包括针对特定波长的散射光进行增强反射的设计。
发光器的光学元件包括带通滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
这里采用的带通滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择带通波长为适合拉曼散射光光谱检测的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
接收器采用镜头和导光器方式，具体包括：
镜头设计为微型的广角镜头或鱼眼镜头，放置在第二焦点，微型的尺寸为0.5毫米至50毫米，并且最大不超过第二焦点处的内反射腔的尺寸，
导光器采用硬质的全反射光纤，一头与镜头连接，收集汇聚后的散射光，另外一头引出到聚光罩之外，将散射光传导出来，供后续光路使用。
镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。
这里采用的低通滤光镜、高通滤光镜、带阻滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择低通滤光镜，以阻止发光器发出的入射光的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
接收器采用光电传感器方式，将光电传感器放置在第二焦点，以接收散射光。
在光电传感器的感光器上，采用一种简化的镜头设计，例如一个小型球状透明材料制作。
硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
复合抛物面聚光方案：
设定内反射腔为由抛物面函数或者平面二次方程函数，沿着与二次方程函数的轴线垂直的线段运动而成的包括两个以上焦点构成的三维曲面形状。
线段包括直线段、折线端、曲线段，线段包括封闭和不封闭。
以检测窗口定位于第一焦点，以聚焦处定位于第二焦点。
在第一焦点处截除三维曲面形状的小半形状，以留下的形状的内壁为内反射腔，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，检测物质放置在检测窗口外侧。
内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，反射膜包括针对特定波长的散射光进行增强反射的设计。
发光器的光源产生入射光，由发光器的光学元件将入射光调整为与线段相同的线状光斑，投射到检测窗口，以照射检测物质，由检测物质受到入射光的激发而产生线状发光源的散射光。
线状发光源中的各个点产生的散射光以180度半球的朝向检测串口内任意角度发射，散射光经过内反射腔反射和直射以汇聚到聚焦处。
发光器的光学元件包括带通滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
接收器采用镜头和导光器方式，具体包括：
镜头设计为广角镜头或鱼眼镜头，放置在第二焦点，尺寸最大不超过第二焦点处的内反射腔的尺寸，
导光器采用硬质的全反射光纤，一头与镜头连接，收集汇聚后的散射光，另外一头引出到聚光罩之外，将散射光传导出来，供后续光路使用。，
镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。，
接收器采用光电传感器方式，将光电传感器放置在第二焦点，以接收散射光。
硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
关于镜头，当镜头的直径采用与聚光罩的第二焦点处的直径相近时，聚光罩沿第二焦点处截除小半椭球。
镜头采用广角镜或鱼眼镜，其聚焦角度小于导光器的光纤的全反射临界角度，并且光纤的接头置于镜头的焦点处。
这里的广角镜或者鱼眼镜，在简化、小尺寸、非成像的情况下，可以采用球状透明材料制作。
下列内容为用户选择项：
调整所述镜头参数、所述椭圆函数中的长轴和短轴的比例，使得散射光一的接收率和散射光二的接收率大于特定值。
所述散射光一为所述检测物质产生的散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点的所述散射光，所述散射光二而为所述检测物质产生的散射光经过直接照射到所述第二焦点的所述散射光，所述接收率为所述散射光一和所述散射光二经过所述镜头后，进入所述导光器的光纤时，所述法线入射角大于等于所述光纤的法线临界角而发生全反射时在各自总的光强度中所占的比例，所述特定值至少不小于5％。
其实，作为优化方案，可以使得特定值调整到20％、50％甚至更高。
所述光纤的端点采用垂直切面，所述切面被安置在所述镜头的出光焦点处，以接收出射光。
所述镜头设计为圆形同轴复合镜头，其中心采用小尺寸凹透镜，使得所述散射光一经过所述凹凸镜折射后，收缩其角度，所述凹透镜之外采用凸透镜，使得所述散射光二经过所述凸透镜聚焦到所述光纤的端点。调整所述凹透镜和所述凸透镜的设计参数，使得所述散射光被所述光纤收集到的光强度最大。
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二。
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩散射光一的角度，由凸透镜汇聚散射光二。
调整复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的散射光一和散射光二的光腰重合，被光纤接收。
3.4：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用离轴方式布置，其中交汇位置设置在系统所包括的检测窗口。
所述检测窗口采用透明材料封装，以隔离所述检测物质和所述本体。
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用同轴方式布置，其中所述激发光光轴和所述散射光光轴采用半反半透镜合成。
离轴模式为发光器在聚光罩上的安装位置不与接收器重合，入射光的光轴与长轴或轴线分离。
同轴模式为发光器在聚光罩上的安装位置与接收器重合，入射光的光轴与长轴或轴线重合，其中，在光路上采用半透半反膜镜分别获取入射光和散射光。
3.5：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述光谱仪具体至少包括：光输入端口、分光镜、光电转换器、积分采集器、输出端口、控制接口。
所述光输入端口与所述聚光接收器的所述传导元件连接，由所述分光镜依据光的波长从小到大依次分散排列成为光谱，照射到所述光电转换器，所述光电转换器在所述积分采集器的控制下将光谱信号采集转换成光谱电信号，由所述输出端口输出。
所述光谱仪在输入端包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
本发明包括但不限于荧光光谱或瑞利光谱的工作方式：具体包括以下步骤步骤组合的改进措施：
荧光光谱的工作方式为依据荧光光谱的设计要求，接收器采用荧光光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
瑞利光谱的工作方式为，接收器采用瑞利光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
由于荧光和瑞丽光的强度远远高于拉曼散射光的强度，所以这里需要考虑后续光谱仪的量程溢出问题，调整镜头和聚光罩的相关参数以及光谱仪的光电积分的时间等参数，避免出现量程溢出。
3.6：扩展说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述系统控制器具体包括：
所述系统控制器包括MCU、存储器，所述存储器存储运行程序，由所述MCU执行所述运行程序，对所述调整组件下达控制指令，包括所述光斑大小和所述管板位置的控制。
所述系统控制器通过自身的接口，连接所述调整组件的所述控制接口和所述光谱仪的控制接口。
所述系统控制器还包括接受用户指令的接口，通过所述运行程序中包括的控制函数，控制所述发光器和所述光谱仪，实现包括：所述光斑位置的调整、所述光斑大小的调整和所述长时积分、所述短时积分。
作为通用的实施例，这里的系统控制器选用一种基于PC的工业控制电脑，并且扩展WIFI、BlueTooth、5G等无线通信接口，通过无线局域网或者公众网与外界实现通信。
作为小系统的实施例，这里的系统控制器选用一种基于SoC的微型设计，不仅减小体积，还可以降低成本。
实施例二、紧凑型拉曼光谱产品
1、简介
本实施例是本发明的一种低成本结构紧凑的设计案例，可用于通用的拉曼光谱检测的产品，也可用于便携式拉曼光谱检测产品。
2、图示说明
同实施例一。
3、差异化说明
与实施例一相同之处这里不再复述，不同之处主要有以下几点：
3.1、发光器差异
删除S5000步骤；保留S1010步骤中的“基于设定，由控制函数控制所述发光器产生光斑的开启和停止”，删除“并控制所述光斑大小，包括从所述点状光斑到最大所述面状光斑的分级或无级调节”；删除调整组件中光斑位置调整的结构部件。
3.2、接收器差异
调节接收器镜头，使得针对散射光的固定光斑，在导光器上获得最大比例的散射光强度。
3.3、计算方法差异
结合上述差异，相应地调整修改相关软件。
Claims (13)
1.兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法，包括：
S1000步骤，设定发光器产生点状光斑照射检测物质以激发散射光，采用聚光接收器收集所述散射光，驱动光谱仪采用长时积分以获取高精度拉曼光谱数据；
S2000步骤，设定所述发光器产生面状光斑照射所述检测物质以激发散射光，采用所述聚光接收器收集所述散射光，驱动所述光谱仪采用短时积分以获取低精度拉曼光谱数据；
S3000步骤，依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，以获取所述高精度拉曼光谱数据；
S4000步骤，采用所述高精度拉曼光谱数据校验所述低精度拉曼光谱数据以提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
S5000步骤，调整所述点状光斑照射到所述检测物质上的位置；
S6000步骤，所述聚光接收器包括采用聚光元件收集所述散射光能量；
S7000步骤，所述发光器的激发光光轴与所述聚光接收器接收的散射光光轴采用离轴方式或同轴方式；和/或，
S8000步骤，所述发光器采用激发光中心波长双波长差分工作。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述S1000步骤和所述S2000步骤包括：
S1010步骤，基于设定，由控制函数控制所述发光器产生光斑的开启和停止，并控制所述光斑大小，包括从所述点状光斑到最大所述面状光斑的分级或无级调节；
S1020步骤，所述控制函数控制所述发光器产生一个以上中心波长的激发光，采用异步和/或同步照射所述检测物质；和/或，
S1030步骤，采用滤光镜过滤所述发光器产生的光源得到所述中心波长的激发光；
S1040步骤，所述控制函数控制所述光谱仪进行长时积分以产生所述高精度拉曼光谱数据和/或进行短时积分以产生所述低精度拉曼光谱数据；
S1050步骤，所述拉曼光谱的工作步骤包括：由发光器产生所述中心波长的激发光，照射所述检测物质，产生的散射光中包括的非弹性的、碰撞所述检测物质分子使得电子的能级跃迁所产生的光子能量改变、波长偏离所述激发光的中心波长的这部分散射光；
S1060步骤，所述聚光接收器或所述光谱仪采用滤光镜过滤所述散射光中所述中心波长的散射光光谱，放行所述拉曼光谱到所述光谱仪；
S1070步骤，所述光谱仪采集、分解、产生并输出所述拉曼光谱的数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3000步骤具体包括：
S3010步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化包括依据前后采样的时间比较所述拉曼光谱数据，设定一个变化阈值，如果变化超过所述变化阈值，则输出条件为1，如果变化小于所述变化阈值，则输出条件为0；
S3020步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，包括当所述输出条件为1时，执行所述S1000步骤，包括当所述输出条件为0时，不予执行所述S1000步骤；
S3030步骤，所述变化阈值依据用户的应用预先确定，或者由所述高精度拉曼光谱数据和低精度拉曼光谱数据和采样时刻计算确定。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4000步骤具体包括：
S4010步骤，依据在不同的所述高精度拉曼光谱数据的数据段，采用在短时刻内交替采集所述高精度拉曼光谱数据和所述低精度拉曼光谱数据，建立比对数据集；
S4020步骤，依据统计学方法，针对所述比对数据集，计算参考误差；或，
S4030步骤，依据深度学习方法，针对所述比对数据集，计算所述参考误差；
S4040步骤，依据所述参考误差，修补所述低精度拉曼光谱数据以校验所述低精度拉曼光谱数据，提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S5000步骤具体包括：
S5010步骤，依据所述最大的面状光斑所覆盖的区域，分割成一个以上所述点状光斑的位置，并建立对应的位置坐标；
S5020步骤，建立基于时间段均匀分布的所述位置坐标的分布函数；
S5030步骤，按照所述分布函数，调整所述点状光斑照射到所述位置坐标，以激发产生所述散射光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S6000步骤具体包括：
S6010步骤，所述聚光元件包括反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件；所述聚光元件构成光路，将所述检测物质被所述激发光激发产生的所述散射光聚集到所述聚光接收器包括的传导元件，以传导到所述光谱仪；
S6020步骤，采用反射光路，将所述散射光通过所述反射式聚光元件中包括的曲面反射镜的反射和聚焦的方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件；
S6030步骤，采用透射光路，将所述散射光通过所述透射式聚光元件中包括的曲面透镜的折射和聚焦的透射方式聚集到所述聚光接收器的所述传导元件；
S6040步骤，采用反射透射混合式光路，将所述散射光通过所述反射透射混合式聚光元件包括的反射镜、透镜、半反半透镜的组合聚焦到所述聚光接收器的所述传导元件。
8.兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测系统，包括本体和光谱仪，
所述本体包括相互连接的发光器、聚光接收器；
所述发光器由所述本体连接光源元件、光学元件、调整组件，所述光源元件和所述光学元件在所述调整组件的控制下，产生激发光的光斑，所述调整组件包括控制接口，通过所述控制接口连接所述光谱仪中包括的系统控制器，实现对于所述光斑的调整，成为点状光斑和大小分级或者无极控制的面状光斑，和控制改变光斑的位置；
所述聚光接收器包括聚光元件、传导元件，接收并汇聚由所述光斑对于检测物质的激发而产生的散射光，通过所述传导元件输出散射光信号；
所述光谱仪连接所述聚光接收器，从所述传导元件接收散射光信号，并连接所述系统控制器，执行所述长时积分将所述散射光信号解析为所述高精度拉曼光谱数据，执行所述短时积分将所述散射光信号解析为所述低精度拉曼光谱数据；和/或，
所述系统控制器还包括对于所述系统所包括的其它部件的协调控制，所述其它部件至少包括电源部件、外部通信部件、附件。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述发光器具体包括：
所述光源元件包括单色光发生器，具体包括气体激光器、半导体激光器，其发光波长包括可见光、紫外光和红外光；
所述光学元件包括单一的凸透镜、凹透镜、反光镜、半反半透镜或其一个以上的组合；
所述调整组件包括由电气连接和机械连接的通信接口、电磁机构和执行机构，由所述控制接口获取指令，驱动电磁机构，由所述电磁机构再驱动执行机构，调整所述光学元件或所述光源元件的位置，实现对于所述光斑大小和/或所述光斑位置的控制；
所述电磁机构包括直线电机或步进电机或超声波电机或电磁位移器；
所述控制接口为电气控制信号的通信接口，接口形式包括I2C、GPIO、USB、RS232、RS485；和/或，
所述调整组件还包括MCU、存储器，所述存储器存储所述调整组件的控制程序，由所述MCU执行；
所述光源元件支持差分工作模式。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述聚光接收器具体包括：
所述聚光元件由反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件构成；
所述传导元件由光导纤维构成，其中一头连接所述聚光元件，另外一头连接所述光谱仪；
所述反射式聚光元件包括椭球聚光器或一节以上的复合抛物面聚光器；
所述透射式聚光元件包括广角镜或鱼眼镜；
所述反射透射混合式聚光元件包括所述复合抛物面聚光器或所述椭球聚光器和所述广角镜或所述鱼眼镜的混合，以完成聚集所述散射光；和/或，
所述聚光接收器包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用离轴方式布置，其中交汇位置设置在系统所包括的检测窗口；
所述检测窗口采用透明材料封装，以隔离所述检测物质和所述本体；和/或，
所述发光器的光轴和所述聚光接收器的光轴采用同轴方式布置，其中所述激发光光轴和所述散射光光轴采用半反半透镜合成。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述光谱仪具体至少包括：光输入端口、分光镜、光电转换器、积分采集器、输出端口、控制接口；
所述光输入端口与所述聚光接收器的所述传导元件连接，由所述分光镜依据光的波长从小到大依次分散排列成为光谱，照射到所述光电转换器，所述光电转换器在所述积分采集器的控制下将光谱信号采集转换成光谱电信号，由所述输出端口输出；和/或，
所述光谱仪在输入端包括滤光镜，以阻止所述激发光的中心波长的散射光通过。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统控制器具体包括
所述系统控制器包括MCU、存储器，所述存储器存储运行程序，由所述MCU执行所述运行程序，对所述调整组件下达控制指令，包括所述光斑大小和所述管板位置的控制；
所述系统控制器通过自身的接口，连接所述调整组件的所述控制接口和所述光谱仪的控制接口；
所述系统控制器还包括接受用户指令的接口，通过所述运行程序中包括的控制函数，控制所述发光器和所述光谱仪，实现包括：所述光斑位置的调整、所述光斑大小的调整和所述长时积分、所述短时积分。
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