專利名稱：用于自動校準拉曼光譜檢測系統的方法及拉曼光譜檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種拉曼光譜檢測系統以及一種對拉曼光譜檢測系統進行自動校準的方法。本發明還涉及一種利用自校準拉曼光譜檢測系統對物體進行檢測的方法。
背景技術：
光照射到物質上時會發生散射。在發生散射時，大部分散射光的波長并不發生變化，這種波長不發生變化的散射稱為瑞利散射；少部分散射光的波長會增大或減小，這種波長發生變化的散射稱作拉曼散射，其對應的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜屬于分子的振動光譜，通過檢測物質的拉曼光譜可以知道被檢物是哪種物質或者含有哪種成分，因此，拉曼光譜可以作為識別物質的“指紋”。由此拉曼光譜可以在醫藥、食品安全、文物寶石鑒定、安全檢查等領域都有重要應用。同時，隨著拉曼光譜在這些領域的應用日益廣泛，亟需一種能進行現場快速檢測的拉曼光譜儀，以適應各種應用場合的不同環境。但是，用于激發物質產生拉曼散射的激光的特性如頻率和功率等會隨著環境溫度的變化以及使用時間的增加而發生變化，從而使得測得的拉曼光譜也會隨之變化。此外，對于經常移動的拉曼光譜儀，在運輸和使用的過程中可能因為震動等原因導致系統的光路結構等發生變化，從而使得激發拉曼光的激發效率和信號收集效率都發生變化，從而可能導致系統在不同時間和環境下測量同一個樣品時的拉曼光譜發生變化。科研用的拉曼光譜儀大多采用頻率和功率穩定的激光器作為激發光源，并對使用環境等要求較為嚴格。但頻率和功率穩定的激光器價格昂貴，不利于拉曼光譜儀的推廣和普及。即使頻率和功率穩定的激光器，經過一段時間的使用后，其功率也會有所衰減，從而導致測量結果不確定。
發明內容
因此本公開的目的在于，提供一種拉曼光譜檢測系統和方法，該拉曼光譜檢測系統和方法用于消除由于環境因素、關鍵器件變化導致的系統性能的變化對測得的拉曼光譜產生的影響，從而提高物質識別的準確率。根據本公開的一個方面，提供了一種拉曼光譜檢測系統，包括光源，用于發射激發被檢物發出拉曼光的激發光；外光路系統，用于將光源發射的光照射到被檢物上并收集被檢物發出的拉曼光；光檢測裝置，用于接收外光路系統收集的拉曼光，并檢測該拉曼光以獲得該拉曼光的光譜數據；控制裝置，用于控制所述激發光源提供所述激發光，控制光檢測裝置對拉曼光的檢測，接收從光檢測裝置輸出的光譜數據并對該光譜數據進行分析以識別所述被檢物；以及自動校準裝置，用于對所述拉曼光譜檢測系統進行自動校準。根據本公開該方面的優選實施方式，自動校準裝置包括標準樣品以及該標準樣品的復位固定裝置。根據本公開該方面的優選實施方式，復位固定裝置是彈簧。根據本公開該方面的優選實施方式，控制裝置進一步包括校準單元，用于通過分
3析從光檢測裝置接收的標準樣品的拉曼光譜數據來確定系統當前的特性，并基于該當前的特性校準被檢物的拉曼光譜數據。根據本公開該方面的優選實施方式，外光路系統包括反射鏡，該反射鏡反射來自光源的激發光；濾光鏡，所述濾光鏡反射由反射鏡反射的激發光，并透過波長長于該激發光的拉曼光；收集透鏡，所述收集透鏡將來自濾光鏡的激發光聚焦到被檢物上并收集被檢物發出的拉曼光；匯聚透鏡，所述匯聚透鏡將所述收集透鏡收集的拉曼光聚焦到光檢測裝置中。根據本公開該方面的優選實施方式，濾光鏡是二向色鏡，或者是陷波濾光片。根據本公開該方面的優選實施方式，還包括報警裝置，用于接收控制裝置的識別結果并輸出提示或警報。根據本公開該方面的優選實施方式，所述特性包括光源的頻率和功率以及外光路系統的激發效率和信號收集效率。根據本公開的另一方面，提供了一種利用如上所述的拉曼光譜檢測系統檢查物體的方法，包括步驟利用標準樣品對系統進行自動校準；控制激發光照射物體以激發該物體發射拉曼光；檢測該拉曼光以獲得該拉曼光的光譜數據；分析該光譜數據以識別所述物體。根據本公開的再一方面，提供了一種對如上所述的拉曼光譜檢測系統進行自動校準的方法，包括步驟在檢測被檢物前，控制激發光照射標準樣品以激發該標準樣品發射拉曼光；接收該拉曼光并獲得該拉曼光的光譜數據；分析該光譜數據以確定系統當前的特性；通過將系統當前的特性與預存的數據相比較，獲得用于自動校準系統的校準值。
圖1以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統；圖2以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統的示例性控制裝置；圖3a以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統的外光路系統的示例配置；圖北以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統的外光路系統的另一種示例配置；圖4以示意圖形式示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統的示例性自動校準裝置。
具體實施例方式圖1示出按照本發明的實施例的拉曼光譜檢測系統，其在圖1中整體上用附圖標記10表示。在一個實施例中，拉曼光譜檢測系統10包括控制裝置11、光源12、外光路系統14、 光檢測裝置13以及帶有標準樣品的校準裝置15。光源12在控制裝置11的控制下發射用于激發被檢物發射拉曼光的激發光。原則上，任何可以提供線寬窄、頻率和功率穩定的激發光的光源都可以在本發明中使用。在一個實施例中，光源12采用中心波長785nm，輸出準直平行光的激光器。當然也可采用其他波長的激光器，例如中心波長為532nm的激光器，在這種情況下，外光路系統14及光檢測裝置 13根據激發波長作相應的調整。光源12發射的激發光經過外光路系統14照射到被檢物上，由此激發被檢物發射拉曼光。該拉曼光被外光路系統14收集并傳送到光檢測裝置13。在一個實施例中，所述外光路系統14是光纖探頭。在這種情況下光源12和光檢測裝置13可以具有光纖接口。在另一個實施例中，外光路系統14采用自由空間耦合的形式，在這種情況下，光源12準直輸出平行光，而光檢測裝置可以沒有光纖接口。光檢測裝置13接收由外光路系統14收集的被檢物的拉曼光，并在控制裝置11的控制下檢測該拉曼光。在一個實施例中，光檢測裝置13是光譜儀，該光譜儀將不同頻率的拉曼光分開，并獲取不同頻率的拉曼光的信號強度，從而獲得被檢物的拉曼光譜數據。在另一個實施例中，該光譜儀具有光電檢測器。下面對此還要詳細描述。光檢測裝置13將獲得的被檢物的拉曼光譜數據傳送到控制裝置11。在一個實施例中，控制裝置11可以是單片機，在另一個實施例中，控制裝置11可以是通用計算機或者工業用計算機。控制裝置11安裝操作系統及軟件以及標準拉曼光譜數據庫，對從光檢測裝置13傳送的拉曼光譜數據進行分析和處理。具體地說，控制裝置11利用該標準拉曼光譜數據庫以及預裝的模式識別算法，確定接收的拉曼光譜數據是否與違禁品如毒品、爆炸物等的拉曼光譜數據相同或相似。如果是，則確定被檢物是違禁品或含有違禁品。在這種情況下，控制裝置11可以將識別結果通過連接到控制裝置11的顯示器顯示，并且可以通過同樣連接到控制裝置11的報警器發出報警信號，該報警信號以例如聲音、光或震動形式存在。相反，如果確定被檢物不是違禁品或不含有違禁品，控制裝置11也可以將識別結果通過所述顯示器顯示，并通過同樣連接到控制裝置11的提示燈給出安全信號。所述顯示器可以是觸摸屏。在本發明的一個實施例中，控制裝置11還具有在圖2中以110示出的校準單元。 校準單元110可以基于標準樣品自動計算出系統的校準參數，從而控制裝置11在分析和處理被檢物的拉曼光譜數據時可以考慮該校準參數。下面將對此詳細描述。除此之外，拉曼光譜檢測系統10還可以包括樣品室，用于放置被檢物以消除環境雜散光的影響。還可以包括可更換的可充電的電池，用于在沒有外接電源的情況下對拉曼光譜檢測系統10進行供電，并在有外接電源的情況下充電。圖2示出本發明實施例的控制裝置11的詳細示意圖。在該實施例中，控制裝置11采用例如帶arm9芯片的控制電路板，預裝有winCE操作系統。控制裝置11從輸入外設接收指令和參數，向光源12和光檢測裝置13發送控制信號，并從光檢測裝置13接收光譜數據。在對該光譜數據進行識別之后，將識別結果傳送給顯示器，必要時發出報警信號。在一個實施例中，輸入外設可以是按鍵、開關或鍵盤，用于通過向控制裝置11輸入指令來設定拉曼光譜檢測系統10各組成部分的參數，以及向拉曼光譜檢測系統10傳送操作指令。在一個實施例中，控制裝置11還可以根據需要具有電源單元111和數據傳輸單元 112。該電源單元111用來將外接電源轉換成拉曼光譜檢測系統10所需的電源。電源單元 111還可以對可選的電池充電，在沒有外接電源時就通過該電池對拉曼光譜檢測系統10供電。數據傳輸單元112用于接收外部輸入拉曼光譜檢測系統10的數據，并且可以將數據傳輸出去。該數據傳輸單元112可以是串行接口、并行接口、USB接口、網絡接口或者無線網絡接口，例如藍牙。通過該數據傳輸單元112，可以將多個本發明實施例的拉曼光譜檢測系統10及控制中心構成一個檢測的網絡系統。該控制中心利用拉曼光譜檢測系統10的網絡通訊功能實現對該系統數據庫的更新、參數設定等。本發明實施例的拉曼光譜檢測系統10可以將檢測數據及結果通過網絡傳輸至控制中心，或者將數據通過數據傳輸單元112導出至U盤或其他存儲設備中，或通過數據傳輸單元112連接打印機打印檢測結果。圖3a以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統11的外光路系統14 的一種示例配置。在該示例配置中，外光路系統14采用自由空間耦合的方式。該外光路系統14包括反射鏡140、激發光窄帶濾光片141、二向色鏡142、長通濾光片143、收集透鏡144及匯聚透鏡145。構成為按照圖1所述的激光器的光源12發出的激發光由反射鏡140反射后，經過激發光窄帶濾光片141，由二向色鏡142反射。反射光由收集透鏡144聚焦到例如放置在樣品室中的被檢物上。被檢物由此被激發出的信號光被同一收集透鏡144收集，并經過二向色鏡142和長通濾光片143，由匯聚透鏡145聚焦到光檢測裝置13上，例如聚焦到光譜儀的狹縫處，從而進入光檢測裝置13。在該示例中，采用激發光窄帶濾光片141來濾掉激光中除激發波長以外的雜散光，這些雜散光主要來自于激光器的自發輻射。該濾光片141的中心波長與所選激光器一致。如果所選用的激光器的雜散光對拉曼光譜的檢測不產生影響，也可以不用激發光窄帶濾光片141。在該示例中，二向色鏡142反射激發光，濾掉信號光中波長與激發光相同的瑞利散射光，并使得波長比激發光長的拉曼光透過。二向色鏡142優選入射角為45度的濾光片。 當然二向色鏡142也可以選擇入射角為其他角度的濾光片，例如5度左右，在以該角度入射時，要能反射激發光波長而且能透過波長比激發光長的光。在該示例中，優選采用長通濾光片143來進一步濾掉信號光中的瑞利散射光。長通濾光片143對于激發光波長有較高的反射率，而對波長比激發光長的光有較高的透過率。長通濾光片還可以用陷波濾光片代替，陷波濾光片只對激發光波長的光有較高反射率， 而對其他波長的光有較高的透過率，其入射角度根據使用要求而定。在該示例中，收集透鏡144優選采用石英凸透鏡，其將激發光聚焦到被檢物上，并收集被檢物發出的信號光。石英凸透鏡的熒光效應較小，避免對被檢物的信號光產生干擾。在該示例中，匯聚透鏡145優選采用消色差的透鏡。匯聚透鏡將信號光聚焦到光檢測裝置13上，例如聚焦到光譜儀的狹縫中，其焦距與通光孔徑的比值(f/D)優選與光譜儀的數值孔徑(F#)相匹配，以達到最佳的信號光利用率。圖北以示意圖示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統的外光路系統的另一種示例配置。該示例配置與圖3a所示出的示例配置的不同之處在于圖北選用一片陷波濾光片 146代替圖3a中的二向色鏡142和長通濾光片143。陷波濾光片146優選入射角為10度左右的濾光片。在本發明的實施例中，光檢測裝置13采用光譜儀。在圖3a和北的示例配置中，光譜儀的光譜范圍須與所選的激發光波長相匹配，并能覆蓋被檢物的拉曼光譜范圍。例如如果選擇785nm的激發光，檢測某被檢物200-2000(^-1內的拉曼峰，則光譜儀可測量的光譜范圍須覆蓋797nm-932nm ；如果選擇532nm的激發光，測量同一被檢物200-20000^1內的拉曼峰，則光譜儀的光譜范圍須覆蓋537nm-596nm。在該實施例中，光譜儀具有光電檢測器。 該光電檢測器優選線陣或面陣的檢測器如CCD，而且選擇光柵及狹縫的寬度，使得能分辨被檢物的拉曼峰且信號強度較強。圖4以示意圖形式示出按照本發明實施例的拉曼光譜檢測系統10的示例性自動校準裝置15。該自動校準裝置15例如是可移動擋板，上面涂覆有標準樣品。該可移動擋板連接到彈簧的一端，而該彈簧的另一端固定在例如拉曼光譜檢測系統10的外殼上。在檢測前，拉曼光譜檢測系統10處于空閑狀態。此時涂覆有標準樣品的可移動擋板15位于系統的出光口，彈簧處于平衡位置。如果通過輸入外設輸入校準的指令，則拉曼光譜檢測系統10的控制裝置11控制光源12發光，發出的激發光經過外光路系統14照射至標準樣品上。然后由外光路系統14收集標準樣品發出的拉曼信號光，并傳送至構成為光譜儀的光檢測裝置13。光檢測裝置13檢測該信號光，獲得拉曼光譜數據，并將該數據傳送給控制裝置11。控制裝置11對該數據進行分析，獲取校準參數，以完成對拉曼光譜檢測系統10中其它部件的校準。在一個實施例中，光檢測裝置13檢測標準樣品的拉曼光譜并傳送給控制裝置11 的校準單元110。該校準單元110自動識別標準樣品的拉曼峰的峰位和峰強，計算檢測出的峰位與預存的標準樣品拉曼峰的峰位之差，即為此時檢測的被檢物的拉曼峰與真實峰之間的頻率差，在此稱為頻率校準值。將被檢物的拉曼峰的頻率減去該頻率校準值，就可以得到被檢物的拉曼峰的真實頻率，從而實現對拉曼峰頻率的校準。校準單元110還計算出測得的峰強值與預存的峰強值之比，此比值即為此時檢測的被檢物的拉曼峰強與真實峰強之間的比例，在此稱為強度校準值。將被檢物拉曼峰的峰強除以該強度校準值，就可以得到被檢物拉曼峰的真實峰強，從而實現對拉曼峰強度的校準。在實際檢測時，將待檢測的被檢物放置于系統的出光口，例如放置在樣品室中。待檢測的被檢物將標準樣品頂開，彈簧被壓縮。此時，拉曼光譜檢測系統10處于檢測狀態，并按照一般公知的拉曼光譜儀的檢測流程檢測被檢物。檢測完成后，待檢測樣品被從系統出光口取出。此時被壓縮的彈簧恢復原狀，并將涂覆有標準樣品的擋板頂回，拉曼光譜檢測系統10回到空閑狀態。通過對本發明實施例的描述，本領域技術人可以了解，所公開的拉曼光譜檢測系統10具有快速自動校準功能，降低了拉曼光譜儀、尤其是便攜式拉曼光譜儀對作為光源的激光器的要求，有效降低了設備的成本。該自動校準功能提高了檢測的準確度，提高了拉曼光譜儀對環境的適應能力，擴大了拉曼光譜儀的適用范圍。上述詳細描述應當理解為在各個方面都是說明性的和示例性的，但非限制性的， 在此公開的發明范圍不應當由具體實施方式
來確定，而應當由根據專利法允許的全部寬度來解釋的權利要求確定。應當理解在此示出和描述的實施例只是說明本發明的原理，本領域技術人員在不脫離本發明精神和范圍的情況下可以實施各種修改。
權利要求
1.一種拉曼光譜檢測系統，包括光源，用于發射激發被檢物發出拉曼光的激發光；外光路系統，用于將光源發射的光照射到被檢物上并收集被檢物發出的拉曼光； 光檢測裝置，用于接收外光路系統收集的拉曼光，并檢測該拉曼光以獲得該拉曼光的光譜數據；控制裝置，用于控制所述激發光源提供所述激發光，控制光檢測裝置對拉曼光的檢測， 接收從光檢測裝置輸出的光譜數據并對該光譜數據進行分析以識別所述被檢物； 自動校準裝置，用于對所述拉曼光譜檢測系統進行自動校準。
2.根據權利要求1所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述自動校準裝置包括標準樣品以及該標準樣品的復位固定裝置。
3.根據權利要求2所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述復位固定裝置是彈簧。
4.根據權利要求2所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述控制裝置進一步包括校準單元，用于通過分析從光檢測裝置接收的標準樣品的拉曼光譜數據來確定系統當前的特性，并基于該當前的特性校準被檢物的拉曼光譜數據。
5.根據權利要求1所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述外光路系統包括 反射鏡，該反射鏡反射來自光源的激發光；濾光鏡，所述濾光鏡反射由反射鏡反射的激發光，并透過波長長于該激發光的拉曼光；收集透鏡，所述收集透鏡將來自濾光鏡的激發光聚焦到被檢物上并收集被檢物發出的拉曼光；匯聚透鏡，所述匯聚透鏡將所述收集透鏡收集的拉曼光聚焦到光檢測裝置中。
6.根據權利要求5所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述濾光鏡是二向色鏡，或者是陷波濾光片。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，還包括報警裝置，用于接收控制裝置的識別結果并輸出提示或警報。
8.根據權利要求4所述的拉曼光譜檢測系統，其特征在于，所述特性包括光源的頻率和功率以及外光路系統的激發效率和信號收集效率。
9.一種利用如權利要求1所述的拉曼光譜檢測系統檢查物體的方法，包括步驟 利用標準樣品對激發光進行自動校準；控制激發光照射物體以激發該物體發射拉曼光； 檢測該拉曼光以獲得該拉曼光的光譜數據； 分析該光譜數據以識別所述物體。
10.一種對如權利要求1所述的拉曼光譜檢測系統進行自動校準的方法，包括步驟 在檢測被檢物前，控制激發光照射標準樣品以激發該標準樣品發射拉曼光； 接收該拉曼光并獲得該拉曼光的光譜數據；分析該光譜數據以確定系統當前的特性；通過將系統當前的特性與預存的數據相比較，獲得用于自動校準系統的校準值。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述特性包括光源的頻率和功率以及外光路系統的激發效率和信號收集效率。
全文摘要
本發明涉及一種拉曼光譜檢測系統，包括光源，用于發射激發被檢物發出拉曼光的激發光；外光路系統，用于將光源發射的光照射到被檢物上并收集被檢物發出的拉曼光；光檢測裝置，用于接收外光路系統收集的拉曼光，并檢測該拉曼光以獲得該拉曼光的光譜數據；控制裝置，用于控制所述激發光源提供所述激發光，控制光檢測裝置對拉曼光的檢測，接收從光檢測裝置輸出的光譜數據并對該光譜數據進行分析以識別所述被檢物；以及自動校準裝置，用于放置標準樣品以用于自動校準該系統。本發明還涉及利用拉曼光譜檢測系統對物體進行檢測的方法，以及對拉曼光譜檢測系統進行自動校準的方法。
文檔編號G01N21/65GK102297856SQ20101021954
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者俞冬梅, 劉以農, 張麗, 李元景, 李明亮, 王紅球, 蓋洪峰, 趙自然, 陳志強 申請人:同方威視技術股份有限公司, 清華大學