CN105067568A - 自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

自动聚焦功能式激光诱导击穿光谱检测系统及其检测方法，包括对焦光源、光学检测探头、信号采集与处理模块、自动聚焦模块、检测探头位置调节模块。光学检测探头内部包含入射激光聚焦透镜、等离子体光谱信号收集透镜、传输光纤耦合接口等。通过采集样品表面上两个对焦光源的光斑，根据光斑距离和离焦量的关系获得测量点的离焦量，然后由检测探头位置调节模块调节检测探头的位置，从而实现对焦光源在样品上的自动聚焦。本发明可以实现样品位置的自动聚焦，能够克服待测样品表面起伏引起的光谱信号波动，提高激光诱导击穿光谱技术的检测精度。

Description

自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱检测领域，具体为一种具有自动聚焦功能的激光诱导击穿光谱检测系统及其检测方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是近些年迅速发展起来的一种物质成分分析方法，已经被广泛应用于工业过程控制、环境污染检测、空间探测、农产品检测等领域。LIBS技术利用脉冲激光激发待测样品，当聚焦光斑处的能量密度超过靶材样品的电离阈值时，样品材料经过蒸发、气化和原子化后电离，形成高温、高密度的等离子体。等离子体的辐射光包含了样品组分元素对应的光谱信息，对等离子体进行探测就可以实现被测样品成分的定性或定量分析。与传统的光谱分析方法相比，LIBS具有简便、快速，对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格，无须烦琐的样品预处理过程等优点，并且结合光纤技术LIBS技术可在恶劣环境下实现远程多组分、原位、在线、实时、痕量检测。

尽管LIBS具有很多优点，但是在实际应用过程中它也表现出了一些缺点和困难有待进一步克服，如检测精度低、信号重复性和稳定性差等，从而限制了LIBS技术的应用化和商品化。如何进一步提高LIBS技术的分析性能已经成为目前该领域研究的主要方向。LIBS的检测性能与激发样品产生的等离子体特性有密切关系，由于LIBS技术以脉冲激光作为激发光源，脉冲激光在样品表面的聚焦状况会直接影响等离子体的辐射特性，国内外很多研究学者开展了大量的研究工作研究样品表面到聚焦透镜的距离对等离子体参数的具体影响，研究结果表明透镜位置小范围的变化都会引起光谱信号很大的波动，不同聚焦状况下产生的等离子体特性也有很大的变化。实际应用中，一般很难保证待测样品表面都是平整的，即透镜到样品表面的距离不能保证是一个常数，因此，在进行多点测量时就容易造成光谱信号较大的波动，进而造成样品成分的定量分析精度较低。

本发明目的是提供一种具有自动聚焦功能的激光诱导击穿光谱检测系统，实现激发光源在样品表面的自动聚焦，以解决LIBS技术中由于样品表面高低不平引起的信号稳定性和重复性差的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统，包括两个对焦光源、激光器、光学检测探头、信号采集与处理模块、自动聚焦模块、检测探头位置调节模块；

所述的检测探头位置调节模块与光学检测探头连接，调节改变光学检测探头的位置与角度；

所述的光学检测探头上设有呈夹角设置的自动聚焦透镜和入射激光聚焦透镜，以及采集等离子体光谱信号的收集透镜，两个对焦光源分别设置在自动聚焦透镜和入射激光聚焦透镜的上方，入射激光聚焦透镜设置在检测样品正上方；

所述的激光器通过二向色镜将激光通过入射激光聚焦透镜照射在检测样品上。

所述的信号采信与处理模块包括对收集透镜收集的等离子信号进行采集的光纤和与光纤相连接的光谱仪，光谱仪通过电荷耦合器件与PC机连接；

所述的自动聚焦模块包括成像镜头、CCD探测器和图像采集卡，CCD探测器通过成像镜头采集自动聚焦透镜和入射激光聚焦透镜照射在检测样品上的光斑位置信息，CCD探测器将光斑位置信息通过图像采集卡传输给PC机，PC机控制检测探头位置调节模块，调节两个光斑的位置重合，完成自动调焦。

所述的检测探头位置调节模块包括运动控制器、电机驱动器和步进电机，PC机的驱动信号传输给运动控制器，运动控制器通过电机驱动器控制步进电机运动，步进电机与光学检测探头的外壁连接。

本发明所述的激光器为1064nm的Nd：YAG脉冲激光器，对焦光源是532nm的半导体激光器。

自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统的检测方法，包括以下步骤，

步骤一、在PC机中存储未离焦的自动聚焦透镜和入射激光聚焦透镜在检测样品上相重叠的光斑图像信号；

步骤二、开启两个对焦光源，CCD探测器通过成像镜头将照射在检测样品表面的两个激光光斑图像信息转换为视频信号，视频信号再经过图像采集卡转换为数字信号传输给PC机，通过PC机对光斑图像信号进行检测分析；

步骤三、若光斑图像信号与未离焦的光斑图像信号是一致，直接执行步骤五，反之，执行步骤四；

步骤四、PC机根据光斑的位置辩别离焦方向，根据分析计算出离焦量的大小，根据光斑信息与离焦方向和距离之间的数据关系，检测探头位置调节模块使光学检测探头向聚焦平面移动直到调焦完成，实现自动对焦；

步骤五、关闭两个对焦光源，打开激光器，通过入射激光聚焦透镜汇聚在待测样品表面，样品表面被激发产生等离子体，等离子体辐射光经收集透镜耦合由光纤收集送入光谱仪，经电荷耦合器件转换为电信号送入PC机，完成当前测量点的检测；

步骤六、检测样品上当前点测量完毕之后更换测量点，自动聚焦系统再次启动，当样品表面偏离聚焦位置目标平面时，使检测系统暂停检测，再次执行步骤二至步骤五，调整光学检测探头位置，然后再检测，反复进行直至完成样品上多个测量点的LIBS检测。

本发明所述的步骤二中离焦量的大小的计算方法为，

样品处于入射激光聚焦透镜焦平面上时，两个对焦光源在样品表面上的光斑重合在一起，用CCD相机采集光斑图像，通过光斑中心定位程序找到光斑中心位置并记录位置坐标，离焦状态下时，两个对焦光源光斑的图像分离，CCD像面上两个光斑中心的距离d’与离焦量z之间的关系为：

上离焦：

下离焦：

其中：L、L’分别是聚焦时成像镜头的物距和像距，α、β是系统结构参数，z为离焦量。

本发明有如下优点：

1.能够根据样品表面的起伏情况实时的进行测量点的自动聚焦，减小了光谱信号波动；

2.聚焦过程自动完成，无需人工参与，使LIBS测量的效率提高；

3.本发明中的自动聚焦系统通过识别两个对焦光源光斑之间的距离确定离焦量，算法简单，聚焦速度快；

4.结构简单，容易实现系统的集成，促进了LIBS技术在实时检测中的应用。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为本发明装置工作原理图；

图3为本发明自动聚焦系统软件流程图；

图中：1、对焦光源，2、激光器，3、光学检测探头，4、自动聚焦透镜，5、入射激光聚集透镜，6、收集透镜，7、检测样品，8、二色向镜，9、光纤，10、光谱仪，11、成像镜头，12、CCD探测器，13、图像采集卡，14、PC机，15、运动控制器，16、电机驱动器，17、步进电机，18、光纤连接器。

具体实施方式

自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统，包括两个对焦光源、光学检测探头、信号采集与处理模块、自动聚焦模块、检测探头位置调节模块。

所述光学检测探头包含入射激光聚焦透镜（透镜要求镀1064nm增透膜，透镜直径为φ25mm）、自动聚焦透镜（透镜要求镀1064nm增透膜，透镜直径为φ25mm）等离子体光谱信号收集透镜（透镜直径为φ25mm，焦距f=30mm）、光纤连接器（传输光纤耦合接口）等。

所述信号采集与处理模块包括光纤、光谱仪、增强型电荷耦合器件等。

对焦光源发出的激光脉冲经过二向色镜（呈45°设置）后进入光学检测探头，经入射激光聚焦透镜聚焦在样品表面，聚焦光斑处的样品材料被烧蚀汽化，形成高温高密度的等离子体，等离子体辐射出样品元素所对应的特征光谱信号，等离子体光谱信号收集装置将等离子体信号耦合至传输光纤，传输光纤将光谱信号传送至光谱仪，光谱仪对接收到的光谱信号进行分光，增强型电荷耦合器件将光谱信号转化为电信号后传送至PC机进行处理。

所述自动聚焦模块包括两个对焦光源、成像镜头、高分辨能力的CCD相机和图像采集卡。

所述运动控制模块包括运动控制器、电机驱动器和步进电机。电机末端通过机械结构与检测探头连接。

样品处于入射激光聚焦透镜焦平面上时，两个对焦光源在样品表面上的光斑重合在一起，用CCD相机采集光斑图像，通过光斑中心定位程序找到光斑中心位置并记录位置坐标。离焦状态下时，两个对焦光源光斑的图像分离，CCD像面上两个光斑中心的距离d’与离焦量z之间的关系为：

上离焦：

下离焦：

其中：L、L’分别是聚焦时成像镜头的物距和像距，α、β是系统结构参数，α、β是机械结构设计时定下的参数，都是常数，其中α=10°，β=30°，z为离焦量。

通过离焦时光斑在CCD像面上相对于聚焦时光斑位置的偏移方向判断离焦的方向。通过离焦时CCD像面上两个光斑的中心距得到离焦量的大小，然后电机驱动器驱动步进电机带动探头向相应的方向移动来实现自动聚焦。

所述激发光源为1064nm的Nd：YAG脉冲激光器，所述对焦光源是532nm的半导体激光器。

对焦光源1位于光学检测探头正上方，对自动聚焦透镜进行照射的对焦光源1位于检测探头中，两个对焦光源的夹角为α。

所述自动聚焦功能是根据离焦量调节检测探头的位置实现的，样品的位置始终保持不变。

所述光学检测探头外部设置有槽型结构与步进电机连接。

如图1所示，本发明包括LIBS检测部分、自动对焦部分和运动控制部分。LIBS检测部分实现样品组分元素对应光谱信号的产生和采集；自动对焦部分实现样品表面不同测量点聚焦位置的自动调节，减小由于样品表面起伏所引起的光谱信号波动；运动控制部分根据自动对焦部分所反馈的光斑和离焦量数据调节检测探头的位置，并实现系统中各部分之间的时序控制。

图2是系统工作原理示意图。激发光源Nd：YAG激光器发出的脉冲激光束经二向色镜2反射后进入检测探头5，检测探头5中的聚焦透镜3将激光束聚焦在样品表面，样品被烧蚀产生等离子体，等离子体辐射光经过光学检测探头3中的收集透镜6耦合进光纤9，光纤9通过光纤连接器18与光学检测探头3连接，光学检测探头是一个整体，装配完成后是一个整体封闭式的结构，左上角的部件是光纤连接器，该部件的作用就是将光纤接在检测探头3上，光纤9将等离子体光谱信号传送至光谱仪10分光，由ICCD探测器（电荷耦合器件）进行光电转换后，送入PC机进行光谱数据处理。

两个对焦光源1发出的激光束分别经过自动聚焦透镜4和入射激光聚焦透镜5照射在检测样品7表面上，当样品表面处于聚焦透镜3的焦平面上时，两个对焦光源1在检测样品表面上的光斑中心A、B重合在一起，光斑图像经过成像镜头11成像在CCD探测器12的感光面上，记录此时CCD感光面上两个光斑中心的位置为P；当检测样品表面处于离焦状态下时，两个光斑中心分离，在CCD探测器12上两个光斑的中心位置分别为A’、B’，两者之间的距离为d’，根据几何关系可以得到CCD感光面上两个光斑中心的距离d’与离焦量z之间的关系为：

上离焦：

下离焦：

其中：L、L’分别是聚焦时成像镜头的物距和像距，α、β是系统结构参数，z为离焦量。

通过离焦时光斑在CCD像面上相对于聚焦时光斑位置的偏移方向判断离焦的方向。通过离焦时CCD像面上两个光斑的中心距得到离焦量的大小，然后电机驱动器驱动步进电机带动探头向相应的方向移动来实现自动聚焦。对焦的流程图如图3所示。

本发明实施的具体过程为：两个对焦光源1发射出对焦激光束，分别经过自动聚焦透镜4和入射激光聚焦透镜5聚焦在检测样品表面上，CCD探测器12通过成像镜头11将照射在检测样品表面的两个激光光斑图像信息转换为视频信号，视频信号再经过图像采集卡转换为数字信号，通过图像处理软件对光斑图像信号进行检测分析，根据光斑的位置辩别离焦方向，根据相应的关系分析计算出离焦量的大小。运动控制器根据光斑信息与离焦方向和距离之间的数据关系，快速控制检测探头位置调节模块使LIBS光学检测探头3向聚焦平面移动直到调焦完成，实现自动对焦。对焦完成之后运动控制器产生一个脉冲信号触发LIBS检测部分的激光器，实现自动对焦部分和LIBS检测部分的时序控制。Nd：YAG激光器发出的脉冲激光束经过二向色镜8转折后进入光学检测探头3，入射激光聚焦透镜5将激光束聚焦在检测样品表面，聚焦光斑处的材料受激发先后经过蒸发、汽化、电离，形成高温、高密度的等离子体，等离子体辐射光经过收集透6聚焦并由光纤9收集，然后由光谱仪分光和ICCD光电转换后送入PC机进行光谱数据分析。

考虑到样品成分不均匀，通常LIBS测量中需要进行多点测量，当前点测量完毕后，自动聚焦系统再次启动，判断样品上新的测量点是否在最佳聚焦位置处，如果处于离焦状态，运动控制器发出一个脉冲信号，使LIBS检测部分暂停检测，再次进行自动对焦，调整检测探头位置，然后再检测，反复进行直至完成样品上所有测量点的LIBS检测。

Claims (5)

1.自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于：包括两个对焦光源（1）、激光器（2）、光学检测探头（3）、信号采集与处理模块、自动聚焦模块、检测探头位置调节模块；

所述的检测探头位置调节模块与光学检测探头连接，调节改变光学检测探头的位置与角度；

所述的光学检测探头（3）上设有呈夹角设置的自动聚焦透镜（4）和入射激光聚焦透镜（5），以及采集等离子体光谱信号的收集透镜（6），两个对焦光源（1）分别设置在自动聚焦透镜（4）和入射激光聚焦透镜（5）的上方，入射激光聚焦透镜（5）设置在检测样品（7）正上方；

所述的激光器（2）通过二向色镜（8）将激光通过入射激光聚焦透镜（5）照射在检测样品（7）上；

所述的信号采信与处理模块包括对收集透镜（6）收集的等离子信号进行采集的光纤（9）和与光纤（9）相连接的光谱仪（10），光谱仪（10）通过电荷耦合器件（11）与PC机（14）连接；

所述的自动聚焦模块包括成像镜头（11）、CCD探测器（12）和图像采集卡（13），CCD探测器（12）通过成像镜头（11）采集自动聚焦透镜（4）和入射激光聚焦透镜（5）照射在检测样品上的光斑位置信息，CCD探测器（12）将光斑位置信息通过图像采集卡传输给PC机，PC机控制检测探头位置调节模块，调节两个光斑的位置重合，完成自动调焦。

2.如权利要求1所述的自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于：所述的检测探头位置调节模块包括运动控制器（15）、电机驱动器（16）和步进电机（17），PC机（14）的驱动信号传输给运动控制器（15），运动控制器（15）通过电机驱动器（16）控制步进电机（17）运动，步进电机（17）与光学检测探头（3）的外壁连接。

3.如权利要求1所述的自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于：所述的激光器为1064nm的Nd：YAG脉冲激光器，对焦光源是532nm的半导体激光器。

4.如权利要求1所述的自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、在PC机中存储未离焦的自动聚焦透镜和入射激光聚焦透镜在检测样品上相重叠的光斑图像信号；

步骤二、开启两个对焦光源，CCD探测器通过成像镜头将照射在检测样品表面的两个激光光斑图像信息转换为视频信号，视频信号再经过图像采集卡转换为数字信号传输给PC机，通过PC机对光斑图像信号进行检测分析；

步骤三、若光斑图像信号与未离焦的光斑图像信号是一致，直接执行步骤五，反之，执行步骤四；

步骤四、PC机根据光斑的位置辩别离焦方向，根据分析计算出离焦量的大小，根据光斑信息与离焦方向和距离之间的数据关系，检测探头位置调节模块使光学检测探头向聚焦平面移动直到调焦完成，实现自动对焦；

步骤五、关闭两个对焦光源，打开激光器，通过入射激光聚焦透镜汇聚在待测样品表面，样品表面被激发产生等离子体，等离子体辐射光经收集透镜耦合由光纤收集送入光谱仪，经电荷耦合器件转换为电信号送入PC机，完成当前测量点的检测；

步骤六、检测样品上当前点测量完毕之后更换测量点，自动聚焦系统再次启动，当样品表面偏离聚焦位置目标平面时，使检测系统暂停检测，再次执行步骤二至步骤五，调整光学检测探头位置，然后再检测，反复进行直至完成样品上多个测量点的LIBS检测。

5.如权利要求4所述的自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统的检测方法，其特征在于：所述的步骤二中离焦量的大小的计算方法为，

样品处于入射激光聚焦透镜焦平面上时，两个对焦光源在样品表面上的光斑重合在一起，用CCD相机采集光斑图像，通过光斑中心定位程序找到光斑中心位置并记录位置坐标，离焦状态下时，两个对焦光源光斑的图像分离，CCD像面上两个光斑中心的距离d’与离焦量z之间的关系为：

上离焦：

下离焦：

其中：L、L’分别是聚焦时成像镜头的物距和像距，α、β是系统结构参数，z为离焦量。