CN207779898U - 拉曼光谱检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例提供了一种拉曼光谱检测设备。该拉曼光谱检测设备包括：激发光光源，配置成向待测样品发射激发光；光学装置，所述光学装置具有光谱检测光路和样品成像光路，所述光谱检测光路配置成收集来自所述待测样品被激发光照射的位置的光信号，所述样品成像光路配置成拍摄所述待测样品的图像；光谱仪，配置成接收来自所述光谱检测光路的光信号并由所述光信号生成待测样品的拉曼光谱；以及样品安全性判别装置，配置成基于由所述样品成像光路拍摄的所述待测样品的图像来确定待测样品的安全性。

Description

拉曼光谱检测设备

技术领域

本实用新型的实施例涉及拉曼光谱检测领域，尤其涉及一种拉曼光谱检测设备。

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、农药残留检测等领域。

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。

由于拉曼光谱需要用高功率密度的激光作为激发光源，可能具有较强的热效应，在样品未知的情况下，贸然检测有可能会导致样品被激光烧蚀损伤，甚至有可能导致激光引燃或引爆一些易燃易爆化学品，造成人身财产的损失。

实用新型内容

本实用新型旨在提出了一种拉曼光谱检测设备，其能够有效地避免在拉曼光谱信号采集中待测样品被激发光损毁所造成的检测风险。

本实用新型的实施例提供了一种拉曼光谱检测设备，包括：

激发光光源，配置成向待测样品发射激发光；

光学装置，所述光学装置具有光谱检测光路和样品成像光路，所述光谱检测光路配置成收集来自所述待测样品被激发光照射的位置的光信号，所述样品成像光路配置成拍摄所述待测样品的图像；

光谱仪，配置成接收来自所述光谱检测光路的光信号并由所述光信号生成待测样品的拉曼光谱；以及

样品安全性判别装置，配置成基于由所述样品成像光路拍摄的所述待测样品的图像来确定待测样品的安全性。

在一实施例中，所述样品成像光路包括：补光灯、成像装置和照相机，所述补光灯配置成照射所述待测样品，所述成像装置配置成将待测样品的图像投射到照相机。

在一实施例中，所述光谱检测光路依次包括收集透镜、分光镜、拉曼滤光片组和耦合透镜，且样品成像光路中的成像装置包括收集透镜、分光镜和聚焦透镜组，其中，所述收集透镜和分光镜是所述光谱检测光路和所述成像装置的公共部件。

在一实施例中，所述照相机是具有红、绿、蓝颜色通道的CCD照相机。

在一实施例中，所述样品安全性判别装置包括：

颜色直方图生成模块，所述颜色直方图生成模块配置成根据由所述样品成像光路拍摄的所述待测样品的图像生成多种颜色的直方图；

色阶比率计算模块，所述色阶比率计算模块配置成分别计算每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率；和

比较模块，所述比较模块配置成将每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率与预定的阈值进行对比，在所有颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率均超出所述预定的阈值的情况下，确定所述待测样品不安全；反之，则确定所述待测样品安全。

在一实施例中，所述多种颜色的直方图包括红色、绿色和蓝色的直方图。

在一实施例中，所述拉曼光谱检测设备还包括：

控制装置，所述控制装置配置成在样品安全性判别装置确定待测样品安全的情况下启动激发光光源发射光信号，而在样品安全性判别装置确定待测样品不安全的情况下停止激发光光源发射光信号。

借助于根据上述实施例的拉曼光谱检测设备，能够削减或防止在光谱检测过程中因为激发光引燃、烧蚀或引爆样品而导致的检测风险。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图2示出了根据本实用新型的一实施例的样品安全性检测方法的流程图；

图3示出了根据本实用新型的一实施例的样品安全性检测方法所检测到的一种样品的图像的颜色直方图的示例；

图4示出了根据本实用新型的一实施例的样品安全性检测方法所检测到的另一种样品的图像的颜色直方图的示例；以及

图5示出了根据本实用新型的一实施例的样品安全性检测方法所检测到的又一种样品的图像的颜色直方图的示例。

附图没有对根据本实用新型的实施例的测试对象安全性检测设备中的所有的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，对本实用新型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。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体实用新型构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。

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。

本实用新型的实施例提供了一种拉曼光谱检测设备100。如图1所示，该拉曼光谱检测设备100包括：激发光光源10、光学装置20、光谱仪30和样品安全性判别装置40。该激发光光源10，例如可以包括激光器，配置成向待测样品50发射激发光。所述光学装置20具有两组光路，即光谱检测光路21和样品成像光路22。所述光谱检测光路21配置成收集来自所述待测样品50被激发光照射的位置的光信号。所收集到的光信号可以被传送至光谱仪30。光谱仪30则可配置成接收来自所述光谱检测光路21的光信号并由所述光信号生成待测样品50的拉曼光谱，从而实现拉曼光谱检测的正常流程。而所述样品成像光路22配置成拍摄所述待测样品50的图像，该图像被传送给样品安全性判别装置40。该样品安全性判别装置40则可配置成基于由所述样品成像光路22拍摄的所述待测样品50的图像来确定待测样品50的安全性。

如前所述，利用激发光来采集光学信号是对待测样品进行拉曼光谱检测的基本步骤，而激发光本身具有一定的能量，对于某些材料的待测样品而言，其可能与激发光发生反应而导致样品成分的变化。例如，某些易燃、易爆的物质可能在激发光的作用下被点燃、烧蚀、爆炸等。在实际中，待测样品的成分往往是未知的，因此需要在正式进行光信号采集和测量之前对待测样品的安全性进行检测。在根据本实用新型的实施例的拉曼光谱检测设备100中，是通过对于待测样品50的外观来确定待测样品的安全性的。实践表明，易于被激发光点燃、烧蚀或引爆的待测样品，基本都呈如黑色等较深的颜色。为此，通过对于待测样品50的图像的分析，可以在一定程度上确定待测样品在安全性上的嫌疑。一旦发现待测样品可能存在安全性问题，可以立即停止拉曼光谱检测设备的正常工作，以避免发生危险。

在一示例中，为了更好地获得待测样品的清晰图像，所述样品成像光路22可以包括：补光灯221、成像装置222和照相机223。补光灯221主要是用于为拍摄待测样品的图像提供充足的光照强度。由于在拉曼检测过程中，通常待测样品与光学装置前端的元件(例如收集透镜)的距离比较近，因此，外界的环境光不易对待测样品进行充分的照明。在此情况下，补光灯的作用尤其重要。所述补光灯221配置成照射所述待测样品，例如可以由卤素灯、白炽灯、LED灯等本领域已知的各种能够提供足够的照射强度的灯具来实现。成像装置222配置成将待测样品50的图像投射到照相机223。为了实现更好的成像，成像装置222例如可以包括收集透镜31及聚焦透镜组23等。在图1的示例中，聚焦透镜组23由两个透镜组成，但这只是示例性的，本实用新型的实施例不限于此，聚焦透镜组23可以由任意数量的透镜组成，也可以由本领域已知的任何能够实现清晰成像的透镜组构成。

在一示例中，光谱检测光路21可以依次包括收集透镜31、分光镜32、拉曼滤光片组33和耦合透镜34，样品成像光路22中的成像装置222包括收集透镜31、分光镜32和聚焦透镜组23，其中，收集透镜31和分光镜32是所述光谱检测光路21和所述成像装置222的公共部件。作为示例，拉曼滤光片组33可以包括一个或更多个滤光片，用于过滤瑞利散射光和激发光等不期望的光而保留拉曼散射光信号。耦合透镜34可以用于将经过拉曼滤光片组33过滤的光信号耦合至光谱仪30。在图1所示的示例中，光谱检测光路21和样品成像光路22在靠近待测样品50处具有公共部分，分光镜32允许来自待测样品50的光信号透射通过以射向光谱仪，从而形成光谱检测光路21，分光镜32将带有待测样品的图像的光束反射以形成样品成像光路22。需要说明的是，尽管光谱检测光路21和样品成像光路22具有公共部分，但是，这不意味着光谱检测和样品成像的操作必定同时进行，例如，样品成像操作通常在光谱检测之前进行，以在光谱检测之前确定待测样品的安全性，以避免光谱检测过程中出现危险。作为示例，激发光光源10发射激发光的光路也可以与光谱检测光路21部分重合，例如，如图1所示，设置另一分光镜35，该分光镜35可以将激发光光源10发出的激发光反射，被反射的激发光经过收集透镜31会聚在待测样品50上，这有助于简化光路的调整，然而，本实用新型的实施例不限于此，例如激发光光源10发出的光可以经过与光谱检测光路完全独立的光路来照射待测样品。作为示例，激发光从激发光光源10发出后还可以经过除杂光滤光片36，该除杂光滤光片36可以用于除去杂散光以提高激发光的信噪比。

上述示例仅仅是给出了拉曼光谱检测设备的一种示例性的实现方式，但本实用新型的实施例不限于此，例如，光谱检测光路21与样品成像光路22也可以是完全独立的。

作为示例，所述照相机223可以是具有红、绿、蓝颜色通道的CCD(电荷耦合器件)照相机。然而，本实用新型的实施例不限于此，也可以使用具有其他颜色通道的照相机来采集上述图像。

作为示例，所述样品安全性判别装置40可以包括：颜色直方图生成模块41、色阶比率计算模块42和比较模块43。该颜色直方图生成模块41可配置成根据由所述样品成像光路22拍摄的所述待测样品50的图像生成多种颜色的直方图。该色阶比率计算模块42可以配置成分别计算每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率。该比较模块43可以配置成将每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率与预定的阈值进行对比，在所有颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率均超出所述预定的阈值的情况下，确定所述待测样品不安全；反之，则确定所述待测样品安全。

如前所述，用于拉曼光谱检测的待测样品的安全性很大程度与待测样品的颜色相关，因此，通过建立待测样品的图像的颜色直方图，可以将具有指定颜色(例如黑颜色或深色)的待测样品找出，以避免潜在的检测风险。

作为示例，所述多种颜色的直方图可以包括红色、绿色和蓝色的直方图。这可以与具有红色、绿色和蓝色的照相机223相对应。通常，红色、绿色和蓝色的直方图就足以反映图像的色彩情况。然而，本实用新型的实施例不限于此，例如，多种颜色的直方图还可以包括黄色、青色等其他颜色的直方图，以适应于不同的图像信息。

在一示例中，根据本实用新型的实施例的拉曼光谱检测设备还可以包括控制装置60。所述控制装置60可以配置成在样品安全性判别装置40确定待测样品安全的情况下启动激发光光源发射光信号，而在样品安全性判别装置确定待测样品不安全的情况下停止激发光光源发射光信号。作为示例，控制装置60可以与样品安全性判别装置40通信连接，当样品安全性判别装置40确定待测样品安全时，样品安全性判别装置40可以发送样品安全信号给控制装置60，控制装置60在接到该信号之后向激发光光源10发出启动信号；而当样品安全性判别装置40确定待测样品不安全时，样品安全性判别装置40可以发送样品危险信号给控制装置60，控制装置60在接到该信号之后不向激发光光源10发出启动信号或向激发光光源10发出停止信号。

作为示例，样品安全性判别装置40和控制装置60均可以由处理器或其他计算装置来实现。

下面对根据本实用新型的实施例的用于拉曼光谱检测的样品安全性检测方法进行介绍。如图2所示，该样品安全性检测方法S100包括：

步骤S10：利用样品成像光路拍摄待测样品的图像；

步骤S20：生成所述图像的多种颜色的直方图；

步骤S30：分别计算每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率；和

步骤S40：将每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率与预定的阈值进行对比，在所有颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率均超出所述预定的阈值的情况下，确定所述待测样品不安全；反之，则确定所述待测样品安全。

作为示例，所述多种颜色的直方图包括红色、绿色和蓝色的直方图。在一示例中，所述步骤S20包括：

步骤S21：读取所述图像的各个颜色通道的图像信息并将每个颜色通道的图像信息记录成一颜色矩阵，该颜色矩阵中的元素与所述图像的像素一一对应；和

步骤S22：将颜色的色阶分成多个区间并统计每个颜色矩阵中落入每个区间的元素的数量，由此形成多种颜色的直方图。

作为示例，该样品安全性检测方法S100还可以包括：步骤S50，即在确定所述待测样品安全的情况下，启动拉曼光谱检测；而在确定所述待测样品不安全的情况下，停止拉曼光谱检测。

下面给出一个具体的计算示例：

首先，利用具有红、绿、蓝颜色通道的CCD照相机来采集待测样品的图像。

之后，选用处理器(例如，微处理器(μP)、数字信号处理器(DSP)等)读取CCD照相机所采集到的图像I。

然后，依次读取图像I的红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的图像信息，记录为IR、IG、IB，其中IR、IG、IB中的每一个表示一个矩阵，该矩阵的元素与图像的像素一一对应，该矩阵的行数和列数亦分别与图像的像素的行数和列数相同。

接下来，读取IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)，其中i，j表示所采集的图像的第i行、第j列的像素，i＝1，2，...，I.width，j＝1，2，...，I.length，其中I.width表示像素的列数，或称图像中在宽度方向上的像素数量、图像宽度；I.length表示像素的行数，或称图像中在长度方向上的像素数量、图像长度。记录图像大小，即图像中的总像素数Size＝I.width*I.length，其中，“*”表示乘法。

接着，将色阶0～255作为颜色直方图的横坐标，同时将色阶分为N个区间，每个区间BIN(n)的范围依次为BIN(n)＝[(n-1)*255/N，n*255/N]，其中，n＝1，2，...，N，“*”表示乘法，“/”表示除法。如图3至图5中所示将色阶分为256个区间，每个区间色阶个数为1，在此，每一个色阶均由0至255之间的这256个整数中的一个表示。然而本实用新型的实施例不限于此，例如，每个区间的色阶个数可以在1至25之间，还可以根据实际需要来另外确定每个区间的色阶个数。

然后，针对于红色通道，统计图像中位于每个区间BIN(n)中的色阶出现的次数。例如，可以穷举图像中的所有像素，计算满足(n-1)*255/N≤IR(i，j)＜n*255/N的像素的个数，例如可以用累加的方式计算。同理，针对于绿色和蓝色通道，也统计图像中位于每个区间BIN(n)中的色阶出现的次数。

接着，判断[0，m]区间的R、G、B颜色直方图是否超过阈值，其中：[0，m]表示预定的色阶范围，例如，m取值范围可以为[10,60]。

为了判断[0，m]区间的R、G、B颜色直方图是否超过阈值，需要首先分别针对于R、G、B三种颜色计算落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率(或称频率)R：

其中K＝N*m/256。

例如，在图3至图5的示例中，选取m＝30，N＝256，即有K＝N*m/256＝256*30/256＝30，即统计区间BIN(k)(k＝1，2，...，30)内的颜色直方图，计算上述比率。

为了判断[0，m]区间的R、G、B颜色直方图是否超过阈值，还需要选取阈值Th。作为示例，Th取值范围可以为[0.72,0.98]。在如图3至图5所示的示例中，选取Th＝0.85，当针对于R、G、B颜色分别计算的上述比率(分别用RR、RG、RB表示)均高于阈值时，即可判定待测样品可能为深色或黑色物质，可能对待测样品或者操作人员造成危险。

当待测样品的图像中的各个颜色落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率超过阈值时，即样品或者样品表面是深色或者黑色物质时，激光照射后可能会被烧蚀，可中止该次测量，等待下次测量；反之，进行拉曼光谱识别。作为示例，当RR、RG、RB均高于阈值时，可通过处理器(例如，微处理器(μP)、数字信号处理器(DSP)等)发出指令信号，中止激光器出光；反之，继续进行拉曼光谱识别。

图3至图5分别示出对于三种不同的待测样品按照上述方法进行检测得到的R、G、B颜色直方图(按照从上向下的顺序排列)。图3至图5的横坐标为色阶，纵坐标为样本数(本实施例中对应于像素数)。对于图3所示的示例，[0，30]区间的RR、RG、RB均高于阈值0.85，因此，可以判定为样品可能存在风险。而对于图4和图5的示例，颜色直方图[0，30]区间的RR、RG、RB均远低于阈值0.85，因此，可以判定为样品不存在风险。

上述示例仅仅为了解释利用图像的颜色直方图来判定待测样品的检测风险的计算过程，本实用新型的实施例并不限于此，利用其它的方式也是可行的，只要能够通过图像的颜色直方图来准确地确定待测样品的颜色即可。

以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了上述测试对象安全性检测设备及方法的众多实施例。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，本实用新型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，本实用新型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实用新型的保护范围中。

虽然结合附图对本实用新型进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本实用新型优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本实用新型的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本实用新型的限制。

虽然本实用新型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，在不背离本总体实用新型构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (7)

1.一种拉曼光谱检测设备，其特征在于，包括：

激发光光源，配置成向待测样品发射激发光；

光学装置，所述光学装置具有光谱检测光路和样品成像光路，所述光谱检测光路配置成收集来自所述待测样品被激发光照射的位置的光信号，所述样品成像光路配置成拍摄所述待测样品的图像；

光谱仪，配置成接收来自所述光谱检测光路的光信号并由所述光信号生成待测样品的拉曼光谱；以及

样品安全性判别装置，配置成基于由所述样品成像光路拍摄的所述待测样品的图像来确定待测样品的安全性。

2.根据权利要求1所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述样品成像光路包括：补光灯、成像装置和照相机，所述补光灯配置成照射所述待测样品，所述成像装置配置成将待测样品的图像投射到照相机。

3.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述光谱检测光路依次包括收集透镜、分光镜、拉曼滤光片组和耦合透镜，且样品成像光路中的成像装置包括收集透镜、分光镜和聚焦透镜组，其中，所述收集透镜和分光镜是所述光谱检测光路和所述成像装置的公共部件。

4.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述照相机是具有红、绿、蓝颜色通道的CCD照相机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述样品安全性判别装置包括：

颜色直方图生成模块，所述颜色直方图生成模块配置成根据由所述样品成像光路拍摄的所述待测样品的图像生成多种颜色的直方图；

色阶比率计算模块，所述色阶比率计算模块配置成分别计算每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率；和

比较模块，所述比较模块配置成将每种颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率与预定的阈值进行对比，在所有颜色的直方图中落入预定色阶范围中的像素的数量与图像的总像素数的比率均超出所述预定的阈值的情况下，确定所述待测样品不安全；反之，则确定所述待测样品安全。

6.根据权利要求5所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述多种颜色的直方图包括红色、绿色和蓝色的直方图。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的拉曼光谱检测设备，其特征在于，所述拉曼光谱检测设备还包括：

控制装置，所述控制装置配置成在样品安全性判别装置确定待测样品安全的情况下启动激发光光源发射光信号，而在样品安全性判别装置确定待测样品不安全的情况下停止激发光光源发射光信号。