一种自动对正对焦的LIBS系统

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种自动对正对焦的激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)系统。

背景技术

LIBS技术是将高能量脉冲激光光束聚焦到样品表面，产生烧蚀并伴生具有高亮度的高温等离子体，通过对等离子体辐射光的采集并分析其原子、离子和分子光谱谱线，进而推导出被测样品中各个元素的组成成分及其含量。该技术具有同时检测多种元素，样品制备简单或无需制备，可实时分析，原位探测和远程探测等优点，广泛应用于材料加工、食品安全、艺术品鉴定、生物医学、深空探测等众多领域。

当前，目标物体的等离子体光谱数据获取手段主要包含三种方式：(1)室内检测，(2)室外采集和(3)航空航天遥感。其中室内检测装置获取的环境(光照、大气扰动等因素)比室外更稳定、观测结果的重复性和稳定性更好，因此获得了广泛应用。

中国专利文献《自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置》(公告为CN107783242A，公告日为2018年3月9日)公开了一种自动对焦LIBS检测装置，该装置分为自动对焦装置和LIBS检测装置两个模块；其工作流程为：首先将待测块状物移动到光路正下方，待测物料经透镜组所成的像经荧光反射镜反射后被面阵电荷耦合器件(ChargeCoupled Device，CCD)相机采集，计算机控制驱动装置上下移动，同时对面阵CCD相机采集到的光强信号进行分析，当面阵CCD相机上各像素点光强度的标准差最小时，即完成对焦。接下来激光烧蚀待测样品表面，进行成分分析。该自动对焦装置仅实现激光聚焦在样品表面，不能保证激光垂直烧蚀在样品表面，影响了光谱强度的稳定性。目前，LIBS对焦装置平台只实现激光聚焦到样品表面，未实现激光束与样品表面在空间上垂直，这种LIBS平台只适用于检测表面较为平坦连续的样品。

综上所述，目前LIBS检测平台只能将激光聚焦在凹凸不平的样品表面，不能保证激光束与样品表面在空间上垂直，导致获取到的光谱强度稳定性和实验重复性低。为此，本发明提出了一种自动对正对焦的LIBS系统，该装置不仅可以实现激光自动聚焦在待测样品表面，而且保证激光束每次垂直烧蚀样品表面，以获取高稳定性的光谱信息。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自动对正对焦的LIBS系统，旨在解决LIBS技术对表面凹凸不平的样品进行检测时，激光无法垂直聚焦烧蚀样品表面的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种自动对正对焦的LIBS系统，包括：激光器、光谱仪、面阵CCD相机、控制模块、激光测距传感器、激光聚焦光路、样品成像光路、光谱收集光路以及五轴电动位移模块；

所述激光器用于发射激光；所述激光聚焦光路用于将所述激光器发射的激光聚焦到待检测样品表面；所述样品成像光路用于将待检测样品表面形貌成像至面阵CCD相机；所述光谱收集光路用于将待检测样品表面被所述激光烧蚀后产生的等离子体光束收集，传输至所述光谱仪；所述光谱仪用于处理所述等离子体光束信息；

所述五轴电动位移模块用于承载所述待检测样品，并控制所述待检测样品在空间上自由移动；所述激光测距传感器用于采集所述待检测样品表面上每个点的高度信息；

所述控制模块结合所述待测样品表面的高度信息，指示所述五轴电动位移模块带动待检测样品的表面移动至与所述聚焦激光垂直；所述控制模块结合待检测样品表面在所述面阵CCD相机上的成像，判断所述待检测样品表面在面阵CCD相机上的成像是否清晰，若不清晰，则指示所述五轴电动位移模块带动待检测样品移动，直至所述待检测样品表面的成像清晰；所述激光聚焦光路控制所述激光聚焦的水平面为待检测样品表面成像清晰时的水平面；

所述控制模块指示所述五轴电动位移模块带动待检测样品移动，以将激光垂直聚焦于所述待检测样品表面上的各个点，使得所述光谱仪收集和分析所述待检测样品表面上各个点对应的等离子体光谱信息。

在一个可选的实施例中，所述五轴电动位移模块包括：x轴线性模组、y轴线性模组、z轴线性模组、第一旋转平台以及第二旋转平台；

所述y轴线性模组通过第一底座安装在x轴线性模组上，x轴线性模组通过第一底座带着y轴线性模组沿x轴方向移动；z轴线性模组通过第二底座竖直安装在y轴线性模组上，y轴线性模组通过第二底座带着z轴线性模组沿y轴方向移动；第一旋转平台通过第三底座安装在z轴线性模组上，z轴线性模组通过第三底座带着第一旋转平台沿z轴方向移动；第二旋转平台通过三角架安装在第一旋转平台上，第一旋转平台可通过三角架带着第二旋转平台以x轴为中轴线自由旋转；所述待检测样品放置在第二旋转平台上的载物台，第二旋转平台可带着待检测样品以z轴为中轴线自由旋转；

所述五轴电动位移模块接收控制模块的指令，控制x轴线性模组、y轴线性模组、z轴线性模组、第一旋转平台或第二旋转平台中的至少一个运动，以带动所述待检测样品在空间上自由移动，使得激光垂直聚焦于待检测样品表面上的各个点。

在一个可选的实施例中，所述激光聚焦光路包括：二向色镜、分束镜以及第一聚焦镜；

所述激光器发射的激光与二向色镜的中心线呈45°入射到二向色镜，并在所述二向色镜上反射偏转45°出射；

从所述二向色镜上发射的激光呈45°入射到所述分束镜，并在所述分束镜上反射偏转45°出射，最后垂直透过所述第一聚焦镜，经所述第一聚焦镜汇聚后聚焦到待检测样品表面上。

在一个可选的实施例中，所述样品成像光路包括：所述第一聚焦镜、所述分束镜、所述二向色镜以及第二聚焦镜；

所述待检测样品表面反射的环境光透过第一聚焦镜，经过所述分束镜反射，透过所述二向色镜，最后经过所述第二聚焦镜汇聚到所述面阵CCD相机的感光区域，面阵CCD相机获取到样品表面成像。

在一个可选的实施例中，所述光谱收集光路包括：所述第一聚焦镜、所述分束镜、第三聚焦镜以及光纤；

所述待检测样品表面被所述激光烧蚀后产生的等离子体光束垂直透过所述第一聚焦镜、所述分束镜以及第三聚焦镜，最后汇聚至所述光纤；

所述光纤连接光谱仪。

在一个可选的实施例中，所述激光测距传感器获取待检测样品表面的高度数据矩阵，样品表面上每个点的高度H

其中，i表示每个点的行数，j表示每个点的列数，θ

样品表面上点O(i,j)附近区域面与y轴方向水平线偏差的倾斜角度为θ

其中，所述控制模块控制第一旋转平台和第二旋转平台将待检测样品旋转倾斜角度(θ

所述五轴电动位移模块根据旋转误差(d

在一个可选的实施例中，该自动对正对焦的LIBS系统还包括：数字脉冲发生器；

所述数字脉冲发生器产生时序脉冲以控制所述激光器发射激光。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种自动对正对焦的LIBS系统，本发明可将待检测样品进行平移和旋转，保证激光每次垂直聚焦烧蚀样品表面，提高LIBS技术的实验准确性和稳定性。本发明可实现表面凹凸不平的样品快速自动对正对焦，保证激光聚焦在样品表面且激光束与待检测样品表面垂直，从而有效提高光谱的信号质量。

本发明提供了一种自动对正对焦的LIBS系统，只需要扫描一次获取待检测样品表面高度数据和一次自动对焦，控制模块即可计算出所有位置对正对焦的位点，切换每个烧蚀位点时候，控制模块控制五轴电动位移系统能够快速将待检测样品表面移动至激光聚焦位置，且保证激光束与样品表面在空间上垂直。

本发明提供了一种自动对正对焦的LIBS系统，本发明可提高现有的LIBS检测表面凹凸不平样品的元素成分分析准确率，可以应用于食品安全、农业监测、病原体检测、医疗诊断等诸多领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自动对正对焦的LIBS系统平台的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光谱仪；2为激光器；3为数字脉冲发生器；4为计算机；5为五轴电动位移平台控制器；6为面阵CCD相机；7为第二聚焦镜；8为二向色镜；9为激光测距传感器；10为z轴线性模组；11为第一旋转平台；12为光纤；13为第三聚焦镜；14为分束镜；15为第一聚焦镜；16为待检测样品；17为第二旋转平台；18为y轴线性模组；19为x轴线性模组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种自动对正对焦的LIBS检测装置，可用于表面凹凸不平的物质样品成分的无损快速检测。

针对现有LIBS装置不保证激光聚焦点与样品表面烧蚀区域垂直的缺点，本发明提供了下述技术方案：一种自动对正对焦的LIBS检测装置，包括激光测距传感器、第一聚焦镜、二向色镜、第二聚焦镜、分束镜、第三聚焦镜、面阵CCD相机、五轴电动位移系统、数字脉冲发生器、激光器、光纤、光谱仪和计算机；

激光测距传感器通过安装支架固定在被检测样品上方，被检测样品放置于五轴电动位移系统上的载物台。激光器与二向色镜的中心线成45°，二向色镜与面阵CCD相机、第一聚焦镜、分束镜的中心线均在同一水平线上，面阵CCD相机、第一聚焦镜在二向色镜左侧，分束镜在二向色镜右侧，分束镜的镜面与铅垂线成45°向下，分束镜的中心线与光纤、第二聚焦镜、第三聚焦镜的中心线在同一竖直线上，第二聚焦镜、光纤在分束镜正上方，第三聚焦镜在分束镜正下方，五轴电动位移系统在第三聚焦镜正下方。数字脉冲发生器连接激光器、光谱仪，计算机与激光测距传感器、面阵CCD相机、五轴电动位移系统、数字脉冲发生器、光谱仪连接。

优选地，激光测距传感器为高精度微米级测距传感器。

优选地，激光器为脉冲激光器。

优选地，第一聚焦镜，用于将样品透过第三聚焦镜，经分束镜反射，透过二向色镜的反射光汇聚在面阵CCD相机的感光区域。

优选地，第二聚焦镜，用于将等离子体的透过第三聚焦镜、分束镜的发射光线聚汇聚在光纤。

优选地，第三聚焦镜，用于将激光器发射的经二向色镜反射，经分束镜反射的激光聚焦在被测样品表面。

优选地，五轴电动位移系统包括z轴线性模组、y轴线性模组、x轴线性模组、第一旋转平台、第二旋转平台和五轴电动位移平台控制器；y轴线性模组通过安装底座垂直安装在z轴线性模组上，x轴线性模组通过安装底座竖直安装在y轴线性模组上，第一旋转平台通过安装底座安装在x轴线性模组上，第二旋转平台与第一旋转平台通过三脚支架连接，载物台位于第二旋转平台上。计算机与五轴电动位移平台控制器连接，五轴电动位移平台控制器与z轴线性模组、y轴线性模组、x轴线性模组、第一旋转平台和第二旋转平台连接，控制五轴电动位移平台实现五自由度运动。

具体地，y轴线性模组通过底座安装在x轴线性模组上，x轴线性模组通过底座带着y轴线性模组沿x轴方向移动；z轴线性模组通过底座竖直安装在y轴线性模组上，y轴线性模组通过底座带着z轴线性模组沿y轴方向移动；第一旋转平台通过底座安装在z轴线性模组上，z轴线性模组通过底座带着第一旋转平台沿z轴方向移动；第二旋转平台通过三角架安装在第一旋转平台上，第一旋转平台通过三角架带着第二旋转平台以x轴为中轴线360度旋转；待检测样品放置在第二旋转平台上的载物台，第二旋转平台带着待检测样品以z轴为中轴线360度旋转。综上，五轴电动位移系统可实现待检测样品五自由度运动。

优选地，数字脉冲发生器控制激光器发射激光并调节激光延时，并控制光谱仪收集等离子体发射光谱并调节光谱仪采集时间延时。

本发明提供一种自动对正对焦的LIBS检测装置，待检测样品放置于五轴电动位移平台上的载物台，计算机控制五轴电动位移系统移动，将待检测样品移动到激光测距传感器正下方，激光测距传感器采集待检测样品的表面高度数据并传输至计算机分析处理；计算机控制五轴电动位移系统移动，将待检测样品移动到第三聚焦镜正下方，样品表面反射光透过第三聚焦镜，经分束镜反射，透过二向色镜，最终透过第一聚焦镜汇聚在面阵CCD相机的感光区域，面阵CCD相机获取样品表面成像并传输到计算机进行分析处理；接下来计算机处理激光测距传感器采集的样品表面高度数据，控制五轴电动位移系统将待检测样品表面旋转至与水平面平行，由于激光束方向为竖直向下，实现激光束与待检测样品表面在空间上垂直；该系统实现激光自动聚焦在样品表面且激光束与样品表面在空间上垂直，即实现自动对正。

由于本系统光路将激光聚焦点与样品表面在面阵CCD相机的成像最清晰时的待检测样品表面位置调至在同一平面，计算机控制五轴电动位移平台移动直至样品表面在面阵CCD的成像最清晰时，激光恰好聚焦在待检测样品表面，计算机控制五轴电动位移系统将待检测样品移动至样品表面在面阵CCD相机成像最清晰处，即实现自动对正对焦。激光器发射高脉冲能量的激光，激光与二向色镜的中心线成45°，激光经二向色镜反射偏转45°，此时激光与分束镜的中心线成45°，激光经分束镜反射再次偏转45°，然后激光垂直透过第三透镜，再经汇聚后垂直烧蚀待检测样品表面；激光烧蚀待检测样品产生的等离子体发射的光线垂直透过第三聚焦镜、分束镜、第二聚焦镜，最后汇聚至光纤，光纤将等离子体发射光线送入光谱仪，光谱仪将光谱信息上传至计算机；数字脉冲触发器控制激光器发射激光并调节激光延时，并控制所述光谱仪收集等离子体发射光谱并调节光谱仪采集时间延时。

如图1所示，本发明实例提供的一种自动对正对焦的LIBS检测平台，包括激光测距传感器9、面阵CCD相机6、第二聚焦镜7、二向色镜8、第三聚焦镜13、分束镜14、第一聚焦镜15、z轴线性模组10、y轴线性模组18、x轴线性模组19、第一旋转平台11、第二旋转平台17、五轴电动位移平台控制器5、数字脉冲发生器3、激光器2、光纤12、光谱仪和1计算机4。

待检测样品16放置在第二旋转平台17上的载物台上，计算机4控制五轴电动位移系统将待检测样品16移动到激光测距传感器9或第一聚焦镜15正下方，激光测距传感器9、面阵CCD相机6、五轴电动位移平台控制器5、数字脉冲发生器3和光谱仪1的信号输入输出端与计算机4连接，面阵CCD相机6位于第二聚焦镜7后方，数字脉冲发生器3的信号输出端与激光器2连接，产生时序脉冲控制激光器2发出激光，激光器2用于发出激光烧蚀待检测样品16表面，光纤12位于第一聚焦镜15的上方，光纤12与光谱仪1连接，光谱仪1用于处理分析光谱信号。

所述五轴电动位移系统包括z轴线性模组10、y轴线性模组18、x轴线性模组19、第一旋转平台11、第二旋转平台17和五轴电动位移平台控制器5。z轴线性模组10固定在实验台上，y轴线性模组18通过安装底座垂直安装在z轴线性模组10上，x轴线性模组19通过安装底座竖直安装在y轴线性模组18上，第一旋转平台11通过安装底座安装在x轴线性模组19上，第二旋转平台17与第一旋转平台11通过三脚支架连接，载物台位于第二旋转平台17上。计算机4与五轴电动位移平台控制器5连接，五轴电动位移平台控制器5与z轴线性模组10、y轴线性模组18、x轴线性模组19、第一旋转平台11和第二旋转平台17连接，控制五轴电动位移系统实现五自由度运动。

计算机4控制五轴电动位移系统将待检测样品16移动到激光测距传感器9正下方，激光测距传感器9采集待检测样品16表面高度信息，传输到计算机4中分析处理得出待检测样品16表面每个点的矫正数据；计算机4控制五轴电动位移系统将待检测样品16移动到第一聚焦镜15正下方，待检测样品16表面反射光透过第一聚焦镜15，经分束镜14反射，透过二向色镜8、第二聚焦镜7汇聚到面阵CCD相机6的感光区域，面阵CCD相机6的待检测样品16表面成像传输到计算机4进行分析处理；计算机4处理待检测样品16表面每个点的矫正角度和旋转误差，控制五轴电动位移系统将待检测样品16旋转矫正角度，将待检测样品16平移消除旋转误差，将待检测样品16表面旋转至平行于水平面，由于激光束方向为竖直向下，保证激光束与待检测样品16表面在空间上垂直，即实现系统自动对正。

由于光路系统将激光聚焦点与面阵CCD相机6的待检测样品16表面成像清晰度最高时的样品16表面位置校正到同一水平面，面阵CCD相机6中待检测样品16表面成像清晰度最高时，激光恰好聚焦在样品16表面，计算机4控制五轴电动位移系统将待检测样品16在竖直方向移动，直至面阵CCD相机6中待检测样品16表面成像的清晰度最高，即实现系统自动对焦。

数字脉冲发生器3控制激光器2发射激光，激光经二向色镜8反射，经分束镜14反射，透过第一聚焦镜15汇聚到待检样品16表面烧蚀，产生等离子体；等离子体产生的光透过第一聚焦镜15、分束镜14、第三聚焦镜13汇聚到光纤12，经过光纤12到达光谱仪1分析处理。

实施例：

现对表面凹凸不平的矿石自动对正对焦为例来说明本发明所述LIBS自动对正对焦检测装置的使用流程，具体操作步骤如下：

LIBS自动对正对焦检测装置的光路校正：调节第一聚焦镜位置，使得激光聚焦点与面阵CCD相机中待检测样品表面的成像最清晰处在同一水平面。

获取矿石表面高度信息：首先，将矿石样品放置在载物台上，计算机驱动五轴电动位移系统使得矿石样品位于激光测距传感器正下方，计算机控制五轴电动位移系统进行平移，使得激光测距传感器在矿石样品表面每隔x＝2μm采集一个点的高度信息。激光测距传感器获取矿石样品表面每个点的高度H

旋转误差校正，由上式我们可以得出矿石样品表面上每个点O(i,j)的矫正角度(θ

五轴电动位移系统根据旋转误差(d

接下来计算机驱动五轴电动系统将矿石平移到第三聚焦镜正下方，计算机控制五轴电动位移系统将矿石样品表面上每个点O(i,j)旋转矫正(θ

数字脉冲发生器控制激光器发射激光，激光经二向色镜反射，经分束镜反射，透过第三聚焦镜汇聚到矿石样品表面烧蚀点O(i,j)，矿石样品表面烧蚀点O(i,j)产生等离子体，等离子体反射光透过第三聚焦镜，透过分束镜，透过第二聚焦镜汇聚到光纤，通过光纤到达光谱仪，数字脉冲触发器触发光谱仪分析处理等离子体反射光信号，光谱仪将分析处理后的等离子体反射光信息发送到计算机。计算机控制五轴电动位移系统将矿石样品表面上的下一个点O(i+1,j)移动到第三聚焦镜正下方，实现自动对正对焦，激光烧蚀，光谱仪采集等离子体光谱信号，如此反复，直到矿石样品表面所有点都扫描完。最后计算机对矿石样品表面所有光谱信息做进一步分析处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。