具有自动对焦与微区成像功能的LIBS分析装置及应用

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱技术领域，具体地说，涉及一种具有自动对焦与微区成像功能的手持式LIBS分析装置及应用。

背景技术

LIBS是Laser-Induced Breakdown Spectroscopy(激光诱导击穿光谱)的简称，其工作原理是利用脉冲激光聚焦于样品上，诱导样品产生等离子体的原子发射光谱，并通过光谱仪提取原子发射光谱，以此来识别样品中的元素组成，是一种进行材料的识别、分类、定性以及定量分析的技术。

随着激光器和高分辨率光谱仪的不断发展，体积与成本不断缩小和降低，LIBS技术得以广泛研究和应用，LIBS检测装置也逐渐小型化，已经从实验室大型装置发展到可以户外使用的手持式仪器。借助其保留了LIBS技术的优势，着重于原位及在线分析，因此特别适用于野外环境，目前，已报道的应用领域包括环境(水质检测和土壤污染等)、地质(野外岩石判别)和文化遗产(古建筑和壁画)等，商业应用主要是金属牌号识别和废旧金属回收。

实际上，野外天然矿物大多非绝对均质，而是掺杂一些杂质颗粒，因此操作人员无法判断激光靶点是否落在样品上还是杂质颗粒上，如果激光靶点落在这些杂质颗粒上，会导致所获取的光谱信息与样品不匹配，从而影响分析结果。

发明内容

针对现有技术中存在LIBS仪器无法判断激光靶点是否落在样品上还是杂质颗粒上的缺陷，本发明提供了一种具有自动对焦与微区成像功能的手持式LIBS分析装置。其能够实现检测样品时观察LIBS仪器激光靶点的位置，从而判断出激光靶点是否落在样品上还是杂质颗粒上，较佳的方便使用。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。

一种具有自动对焦与微区成像功能的LIBS分析装置，其包括装置主体，装置主体包括安装座，安装座上设有脉冲激光器、光路模块以及自动对焦模块，光路模块包括自下而上依次布置的第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱，第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱内分别设有均可转动的打孔全反镜、分束镜及全反镜，自动对焦模块与脉冲激光器分别设置于第一安装箱的两侧且在同一水平面内相对设置，第二安装箱的侧面上连接有光纤耦合器，第三安装箱的侧面上连接有摄像头，安装座上还设有与光纤耦合器和摄像头均连接的处理模块。

通过本发明的构造，装置主体能够对检测样品进行检测，具体的，通过脉冲激光器发射出激光，使得激光诱导检测样品的表面产生等离子体，进而等离子体发射原子光谱依次通过打孔全反镜反射至分束镜、分束镜的透反比例为1:9，故，9/10强度比例的原子光谱被分束镜反射至光纤耦合器内，进而进入处理模块内；1/10强度比例的原子光谱透过分束镜被全反镜反射至摄像头内，进而使处理模块得到图像信息，从而判断出激光靶点是否落在检测样品上；相比于现有技术，此举使得操作人员在使用装置过程中能够更佳准确的检测样品，较佳的方便使用。

作为优选，第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱的一侧均开口设置，且通过一连接板将第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱形成一个整体，第一安装箱与第二安装箱、第二安装箱与第三安装箱均通过一竖直孔互相连通；第一安装箱上沿水平方向设有供脉冲激光器激光穿过的贯穿孔，第二安装箱侧面上沿水平方向设有第一通孔，第三安装箱的侧面上沿水平方向设有第二通孔；第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱内均设有镜片支架，三个镜片支架分别用于安装打孔全反镜、分束镜及全反镜。

通过本发明中的设置，使得脉冲激光器发射激光穿过贯穿孔，进而穿过小孔，最终激光落在检测样品上，从而得到对应检测样品的光谱信息；本发明中第一通孔和第二通孔的设置，方便原子光谱进入至光纤耦合器及摄像头中。

作为优选，脉冲激光器上侧面上设有L型固定部，L型固定部包括安装在脉冲激光器上端面的横板及垂直于横板的竖板，光纤耦合器的输入端固定在第二安装箱上且与第一通孔相对设置，竖板上设有供光纤耦合器的输出端穿过的安装口；摄像头的一侧垂直安装在竖板上且镜头朝向第二通孔设置。

通过本发明中的构造，实现脉冲激光器、光纤耦合器、摄像头和光路模块之间在安装座上的安装固定。

作为优选，第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱内均设有镜片调整转动座，镜片支架固定在镜片调整转动座上，第一安装箱、第二安装箱和第三安装箱的侧壁上设有与镜片调整转动座同轴设置且能够跟随镜片调整转动座转动的镜片调整端盖，镜片调整端盖与镜片调整转动座之间通过螺栓连接，螺栓上套设有位于镜片调整端盖与镜片调整转动座之间的碟簧。

本发明中，通过镜片调整端盖、镜片调整转动座、螺栓及碟簧的设置，需要对镜片进行微调时，拧松螺栓，使得碟簧的弹力作用增大镜片调整端盖与镜片调整转动座之间的缝隙，从而使镜片调整转动座跟随镜片调整端盖转动，进而调节镜片的角度，进而调节光路；调节完成，拧紧螺栓，使得镜片调整端盖抵靠在安装箱的外侧壁上，镜片调整转动座抵靠在安装箱内部的内壁上，进而实现镜片的固定。

作为优选，处理模块包括光谱仪及微型电脑，光纤耦合器与光谱仪之间连接有光纤。

本发明中，通过处理模块的设置，使得光纤耦合器将原子光谱反射至光纤内，进而使原子光谱进入至光谱仪内，从而实现光谱仪对检测样品的光谱分析，进而得出检测样品的数据信息，并发送至微型电脑内；本发明中微型电脑的设置，微型电脑设置有屏幕显示，不仅能够显示摄像头采集的图片信息，而且能够显示出检测样品的数据信息。

作为优选，自动对焦模块包括固定在安装座上的固定板，固定板的一侧设有垂直于固定板的固定座，固定板上远离固定座的一端设有电机安装板，电机安装板上安装有驱动电机，驱动电机的电机轴上连接有丝杆，丝杆上螺纹连接有滑动座，滑动座上设有能够朝向或背向固定座运动的对焦座。

本发明中，通过固定座、驱动电机、丝杆、滑动座及对焦座的设置，脉冲激光器在对检测样品进行激光打靶时，驱动电机能够驱使丝杆转动，进而使得滑动座带动对焦座沿着丝杆的轴向做朝向或背向固定座运动，从而实现激光靶点自动聚焦在检测样品的表面上。

作为优选，固定板上设有两块平行设置且长度方向与丝杆轴向相同的滑轨，两块滑轨上均设有可沿滑轨长度方向滑动的滑块，两块滑块上端面设有用于连接两块滑块的长条块，对焦座固定在长条块上端面上，滑动座固定在长条块的下端面上且设置在两滑轨之间。

本发明中，通过滑块及滑轨的设置，使得丝杆带动对焦座沿着丝杆的轴向做朝向或背向固定座运动过程中，两个滑块能够保持在滑轨上滑动，提高对焦座运动的稳定性。

作为优选，固定座与对焦座均设有安装孔，两安装孔同轴设置，固定座远离对焦座的侧面上且位于固定座的安装孔处设有接触端；对焦座远离固定座且位于对焦座的安装孔处设有对焦透镜组；对焦透镜组包括两端均开口的安装筒，安装筒内靠近对焦座的一端设有平凸镜，平凸镜的平镜朝向对焦座的安装孔设置。

通过本发明中的设置，使得接触端接触在检测样品的表面上，进而使脉冲激光器发射的激光穿过对焦透镜组，进一步的说明，激光束在平凸镜的作用下全部聚焦在平凸镜的焦点处，通过调节对焦座在固定板上的位置，使得聚焦的焦点落在检测样品上，进而实现激光靶点落在检测样品上。

作为优选，滑动座的端面上设有呈方形的卡槽，丝杆上套设有消差轴套，消差轴套包括轴套本体，轴套本体的一端设有凸环，另一端设有两个相对设置的凸块，两个凸块共同构成卡入卡槽内的卡接部。

本发明中，通过消差轴套的设置，凸块始终卡在卡槽内，由于对焦座朝向或背向固定座运动过程中存在一个空回误差，故采用轴向压簧调整法，使得消差轴套能够消除空回误差，进而提高自动对焦模块的可靠性。

作为优选，装置主体还包括安装在安装座下端面的握柄，握柄上设有触发开关及设置在握柄下端面的电池盒。

本发明中，通过握柄、触发开关及电池盒的设置，按动触发开关，方便操作人员将接触端对准检测样品后，脉冲激光器在触发开关的作用下发射激光，本发明中电池盒的设置，使得电池盒保证装置的持续供电。

基于任一上述的装置，本实施例还提供了其在LIBS分析中的应用。

附图说明

图1为实施例1中的装置主体的结构示意图；

图2为实施例1中的装置主体的另一视角结构示意图；

图3为实施例1中的装置主体的半剖示意图；

图4为实施例1中的装置主体的手持示意图。

附图中各数字标号所指代的部位名称如下：

110、安装座；120、脉冲激光器；130、微型电脑；140a、第一安装箱；140b、第二安装箱；140c、第三安装箱；141、连接板；150、摄像头；160、光纤耦合器；161、光纤；170、L型固定部；180、固定座；181、安装套筒；182、对焦座；183、安装筒；184、接触端；190、滑轨；191、滑块；210、光谱仪；220、镜片调整端盖；310、镜片支架；320a、打孔全反镜；320b、分束镜；320c、全反镜；330、驱动电机；331、丝杆；340、平凸镜；510、横板；520、竖板；530、安装口；710、贯穿孔；720、第一通孔；730、第二通孔；1010、镜片调整转动座；1210、固定板；1211、电机安装板；1220、消差轴套；1310、安装孔；1410、长条块；1420、滑动座；1421、卡槽；1430、LED灯珠；2010、凸环；2020、凸块；2110、握柄；2111、触发开关；2120、电池盒。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供了一种具有自动对焦与微区成像功能的手持式LIBS分析装置，其包括装置主体，装置主体包括安装座110，安装座110上设有脉冲激光器120、光路模块以及自动对焦模块，光路模块包括自下而上依次布置的第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c，第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c内分别设有均可转动的打孔全反镜320a、分束镜320b及全反镜320c，自动对焦模块与脉冲激光器120分别设置于第一安装箱140a的两侧且在同一水平面内相对设置，第二安装箱140b的侧面上连接有光纤耦合器160，第三安装箱140c的侧面上连接有摄像头150，安装座110上还设有与光纤耦合器160和摄像头150均连接的处理模块。

通过本实施例中的构造，装置主体能够对检测样品进行检测，具体的，通过脉冲激光器120发射出激光，使得激光诱导检测样品的表面产生等离子体，进而等离子体发射原子光谱依次通过打孔全反镜320a反射至分束镜320b、分束镜320b的透反比例为1:9，故，9/10强度比例的原子光谱被分束镜320b反射至光纤耦合器160内，进而进入处理模块内；1/10强度比例的原子光谱透过分束镜320b被全反镜320c反射至摄像头150内，进而使处理模块得到图像信息，从而判断出激光靶点是否落在检测样品上；相比于现有技术，此举使得操作人员在使用装置过程中能够更佳准确的检测样品，较佳的方便使用。

其中，本实施例中，打孔全反镜320a、分束镜320b及全反镜320c均斜45°安装，打孔全反镜320a设有斜45°方向的小孔。

通过本实施例中的构造，较佳地实现原子光谱沿预定光路进入至光纤耦合器160及摄像头150内；小孔的作用在于：方便脉冲激光器120诱导检测样品的原子光谱，从而检测样品的原子光谱全部的光谱信息且等比例沿预定光路进入至光纤耦合器160及摄像头150内。

本实施例中，第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c的一侧均开口设置，且通过一连接板141将第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c形成一个整体，第一安装箱140a与第二安装箱140b、第二安装箱140b与第三安装箱140c均通过一竖直孔互相连通；第一安装箱140a上沿水平方向设有供脉冲激光器120激光穿过的贯穿孔710，第二安装箱140b侧面上沿水平方向设有第一通孔720，第三安装箱140c的侧面上沿水平方向设有第二通孔730；第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c内均设有镜片支架310，三个镜片支架310分别用于安装打孔全反镜320a、分束镜320b及全反镜320c。

通过本实施例中的构造，使得脉冲激光器120发射激光穿过贯穿孔710，进而穿过小孔，最终激光落在检测样品上，从而得到对应检测样品的光谱信息；本实施例中第一通孔720和第二通孔730的设置，方便原子光谱进入至光纤耦合器160及摄像头150中；其中，本实施例中镜片支架310的设置，实现镜片的安装。

本实施例中，脉冲激光器120上侧面上设有L型固定部170，L型固定部170包括安装在脉冲激光器120上端面的横板510及垂直于横板510的竖板520，光纤耦合器160的输入端固定在第二安装箱140b上且与第一通孔720相对设置，竖板520上设有供光纤耦合器160的输出端穿过的安装口530；摄像头150的一侧垂直安装在竖板520上且镜头朝向第二通孔730设置。

通过本实施例中的构造，实现脉冲激光器120、光纤耦合器160、摄像头150和光路模块之间在安装座110上的安装固定。

本实施例中，第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c内均设有镜片调整转动座1010，镜片支架310固定在镜片调整转动座1010上，第一安装箱140a、第二安装箱140b和第三安装箱140c的侧壁上设有与镜片调整转动座1010同轴设置且能够跟随镜片调整转动座1010转动的镜片调整端盖220，镜片调整端盖220与镜片调整转动座1010之间通过螺栓连接，螺栓上套设有位于镜片调整端盖220与镜片调整转动座1010之间的碟簧。

通过本实施例中的构造，需要对镜片进行微调时，拧松螺栓，使得碟簧的弹力作用增大镜片调整端盖220与镜片调整转动座1010之间的缝隙，从而使镜片调整转动座1010跟随镜片调整端盖220转动，进而调节镜片的角度，进而调节光路；调节完成，拧紧螺栓，使得镜片调整端盖220抵靠在安装箱的外侧壁上，镜片调整转动座1010抵靠在安装箱内部的内壁上，进而实现镜片的固定。

本实施例中，处理模块包括光谱仪210及微型电脑130，光纤耦合器160与光谱仪210之间连接有光纤161。

通过本实施例中处理模块的设置，使得光纤耦合器160将原子光谱反射至光纤161内，进而使原子光谱进入至光谱仪210内，从而实现光谱仪210对检测样品的光谱分析，进而得出检测样品的数据信息，并发送至微型电脑130内；本实施例中微型电脑130的设置，微型电脑130设置有屏幕显示，不仅能够显示摄像头150采集的图片信息，而且能够显示出检测样品的数据信息。

本实施例中，自动对焦模块包括固定在安装座110上的固定板1210，固定板1210的一侧设有垂直于固定板1210的固定座180，固定板1210上远离固定座180的一端设有电机安装板1211，电机安装板1211上安装有驱动电机330，驱动电机330的电机轴上连接有丝杆331，丝杆331上螺纹连接有滑动座1420，滑动座1420上设有能够朝向或背向固定座180运动的对焦座182。

通过本实施例中的构造，脉冲激光器120在对检测样品进行激光打靶时，驱动电机330能够驱使丝杆331转动，进而使得滑动座1420带动对焦座182沿着丝杆331的轴向做朝向或背向固定座180运动，从而实现激光靶点自动聚焦在检测样品的表面上；

其中，固定座180的下端面设有供丝杆331一端穿过安装套筒181，较佳地实现丝杆331平稳的转动。

本实施例中，固定板1210上设有两块平行设置且长度方向与丝杆331轴向相同的滑轨190，两块滑轨190上均设有可沿滑轨190长度方向滑动的滑块191，两块滑块191上端面设有用于连接两块滑块191的长条块1410，对焦座182固定在长条块1410上端面上，滑动座1420固定在长条块1410的下端面上且设置在两滑轨190之间。

通过本实施例中的构造，使得丝杆331带动对焦座182沿着丝杆331的轴向做朝向或背向固定座180运动过程中，两个滑块191能够保持在滑轨190上滑动，提高对焦座182运动的稳定性。

本实施例中，固定座180与对焦座182均设有安装孔1310，两安装孔1310同轴设置，固定座180远离对焦座182的侧面上且位于固定座180的安装孔1310处设有接触端184；对焦座182远离固定座180且位于对焦座182的安装孔1310处设有对焦透镜组；对焦透镜组包括两端均开口的安装筒183，安装筒183内靠近对焦座182的一端设有平凸镜340，平凸镜340的平镜朝向对焦座182的安装孔1310设置。

通过本实施例中的构造，使得接触端184接触在检测样品的表面上，进而使脉冲激光器120发射的激光穿过对焦透镜组，进一步的说明，激光束在平凸镜340的作用下全部聚焦在平凸镜340的焦点处，通过调节对焦座182在固定板1210上的位置，使得聚焦的焦点落在检测样品上，进而实现激光靶点落在检测样品上；

其中，接触端184的接触面为锥形面，故，实现更好的与检测样品接触，同时也增加一定的样品检测面积。

本实施例中，滑动座1420的端面上设有呈方形的卡槽1421，丝杆331上套设有消差轴套1220，消差轴套1220包括轴套本体，轴套本体的一端设有凸环2010，另一端设有两个相对设置的凸块2020，两个凸块2020共同构成卡入卡槽1421内的卡接部。

通过本实施例中消差轴套1220的设置，凸块2020始终卡在卡槽1421内，由于对焦座182朝向或背向固定座180运动过程中存在一个空回误差，故采用轴向压簧调整法，使得消差轴套1220能够消除空回误差，进而提高自动对焦模块的可靠性。

本实施例中，装置主体还包括安装在安装座110下端面的握柄2110，握柄2110上设有触发开关2111及设置在握柄2110下端面的电池盒2120。

通过本实施例中的构造，按动触发开关2111，方便操作人员将接触端184对准检测样品后，脉冲激光器120在触发开关2111的作用下发射激光，本实施例中电池盒2120的设置，使得电池盒2120保证装置的持续供电。

本实施例中，对焦座182上且与固定座180相对的侧面上沿对焦座182上的安装孔1310周向设有LED灯珠1430。

通过本实施例中的构造，光线不佳时，LED灯珠1430提供照明，便于操作人员更好的观察检测样品。

本实施例的一种具有自动对焦与微区成像功能的手持式LIBS分析装置在具体使用时，手持握柄2110，将接触端184对准检测样品，此时，微型电脑130控制驱动电机330，带动对焦座182在固定板1210上的运动，使得激光靶点落在检测样品上，拨动触发开关2111，使得脉冲激光器120能够发射激光诱导检测样品的表面产生的等离子体，检测样品的等离子体原子光谱沿着预定的光路进入至光纤耦合器160及摄像头150内，光纤耦合器160将接收的原子光谱通过光纤161反射至光谱仪210中，使得光谱仪210对检测样品的光谱信息进行检测；摄像头150将采集到的图片信息发送至微型电脑130内，使得图片信息能够在微型电脑130上屏幕显示，以便操作人员观察。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。