CN110411717A - 显微球面光谱自动分析仪及应用其的光谱自动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种显微球面光谱自动分析仪及应用其的光谱自动分析方法。自动分析仪包括载物台、光路系统、光谱分析系统以及对焦装置，所述对焦装置包括手动微调机构、自动对焦机构以及控制系统，所述载物台设于对焦装置的驱动端，所述控制系统内组件有数据库，所述控制系统与光谱分析系统数据连接，对焦装置配置为根据光路系统的实时数据与样本数据的相对差值对实现自动对焦。本发明提供一种显微球面光谱自动分析仪，其能够对被测镜片实现自动对焦、自动分析功能。本发明能够根据样品的光斑成像情况实时的进行自动聚焦，减小了光谱信号波动；聚焦过程自动完成，无需专业人员参与，提高光谱分析的操作效率，降低光谱分析的操作门槛。

Description

显微球面光谱自动分析仪及应用其的光谱自动分析方法

技术领域

本发明涉及显微球面光谱分析仪器，特别涉及一种显微球面光谱自动分析仪和一种光谱自动分析方法。

背景技术

根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器；新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为：棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。

无论是经典光谱仪还是新型光谱仪，均需要专业人员进行操作，即操作门槛高；而且，以上的光谱仪在对焦过程复杂，仅依靠专业人员的肉眼判断，长时间的操作导致出现对焦效率低、对焦不准确等情况，从而导致光谱分析效率低下，导致光谱分析的结果不准确。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了显微球面光谱自动分析仪，包括载物台、光路系统以及光谱分析系统，载物台位于光路系统的正下方，光路系统与光谱分析系统数据连接，还包括对焦装置，所述对焦装置包括手动微调机构、自动对焦机构以及控制系统，所述自动对焦机构设于手动微调机构的驱动端，所述载物台设于自动对焦机构的驱动端，所述控制系统内镶嵌有样本数据，所述控制系统与光谱分析系统数据连接。

对焦装置配置为根据光路系统的实时数据与样本数据的相对差值对载物台与光路系统的相对距离进行调节，从而实现自动对焦功能。

本发明提供一种显微球面光谱自动分析仪，通过设置对焦装置与光路系统实时数据连接方式，使得自动对焦机构能够根据光路系统的实时数据与样本数据的相对差值对载物台与光路系统的相对距离进行调节，从而实现对焦功能。本发明能够根据样品的光斑成像情况实时的进行自动聚焦，减小了光谱信号波动；聚焦过程自动完成，无需专业人员参与，提高光谱分析的操作效率，降低光谱分析的操作门槛；本发明结构简单，只需输入对焦样本数据，即能对多个受检测片进行光谱自动分析。

在一些实施方式中，自动对焦机构包括安装板、滑板以及驱动件，滑板和驱动件均设于安装板上，驱动件与滑板驱动连接，载物台安装在滑板上。

由此，滑板由驱动件进行升降驱动，从而对载物台的与光路系统的相对距离进行调节，即实现焦距调节功能。

在一些实施方式中，手动微调机构包括旋钮、齿轮组以及连接杆，旋钮通过齿轮组与连接杆传动连接，连接杆与安装板驱动连接。

由此，手动微调机构为对整个自动对焦机构进行升降调节。转动旋钮，旋钮通过齿轮组对连接杆进行传动，从而使得安装板升降运动。

在一些实施方式中，对焦装置还包括固定板，安装板可升降活动地设于固定板，固定板上设有开口，连接杆透过开口与安装板连接。

由此，安装板能够在固定板上进行升降滑动，连接杆透过开口与安装板连接，从而实现手动微调机构驱动自动对焦机构整体升降。

在一些实施方式中，控制系统与驱动件信号连接；控制系统与光谱分析系统数据连接。控制系统配置为采集光路系统的实时数据，并结合样本数据对驱动件进行实时控制，从而使得驱动件驱动载物台升降实现自动对焦功能。

由此，控制系统的控制过程为：采集光谱分析系统的实时光斑数据并结合样本数据对驱动件进行控制，驱动件对载物台进行焦距调整，光谱分析系统的实时光斑数据不断靠近样本数据，最终使实时光斑数据与样本数据重合，对焦完成。

在一些实施方式中，光路系统包括入射光路、折射光路以及输出光路，入射光路和折射光路相互垂直连接且之间设有反射镜，输出光路设于折射光路的末端，输出光路与折射光路之间设有棱镜。

由此，光路系统中，光源从入射光路入射，再经过反射镜反射至待测镜片上，镜片的光进入折射光路通过棱镜进入输出光路，最终进入光谱分析系统中。

在一些实施方式中，入射光路至输入端向内依次包括第一镜片组、第二镜片组、第三镜片组以及第四镜片组。

由此，第一镜片组和第二镜片组配置为将输入的光汇聚成线，第三镜片组和第四镜片组配置为使光线保持准直。

在一些实施方式中，折射光路至输入端向内依次包括第五镜片组、第六镜片组、第七镜片组。

由此，第五镜片组、第六镜片组、第七镜片组配置为将光汇聚成像。

在一些实施方式中，光路系统还包括目镜组件、物镜组件，物镜组件和目镜组件分别安装在入射光路的两端。

由此，目镜组件为CCD电子目镜，其能够将实施影像数据传输至光谱分析系统中。待测镜片的折射光从物镜组件处进入折射光路。

在一些实施方式中，光谱分析系统包括分析器和数据处理装置，分析器与输出光路的输出端数据连接，分析器与数据处理装置数据连接，目镜组件与数据处理装置数据连接。

由此，数据处理装置为计算机，计算机与物镜组件、分析器相连接，计算机采集物镜组件、分析器的数据，形成光斑实时影像和被测物光谱信息表，光谱信息表为曲线图形，从而直接显示被测镜片的光谱分析结果。

根据本发明的另一个方面，还提供了光谱自动分析方法，包括所述的显微球面光谱自动分析仪，还包括以下步骤：

S1、输入样本数据：在控制系统处输入一个以上样本数据，形成样本数据库；

S2、自动对焦：控制系统根据光路系统的实时数据与样本数据的相对差对驱动件进行实时控制，从而使得驱动件驱动载物台升降实现自动对焦功能；

S2.1、采集：载物台持续而缓慢地升降移动，促使焦距不断变化，控制系统定点采集光谱分析系统的被测镜片的光斑的实时数据；

S2.2、分析：控制系统对采集的实时数据进行分析，并确定最接近的样本数据，将实时数据与最接近样本数据进行比对分析，得出结果；

S2.3、输出：控制系统将“分析结果”转化为电信号，对自动对焦机构的驱动件进行控制，促使“实时数据”无限接近“最接近的样本数据”并重合，完成对焦。

S3、光谱分析；

S4、光谱图形。

本发明的有益效果为：本发明提供一种显微球面光谱自动分析仪，其能够对被测镜片实现自动对焦、自动分析功能。本发明能够根据样品的光斑成像情况实时的进行自动聚焦，减小了光谱信号波动；聚焦过程自动完成，无需专业人员参与，提高光谱分析的操作效率，降低光谱分析的操作门槛；本发明结构简单，只需输入对焦样本数据，即能对多个受检测片进行光谱自动分析。

附图说明

图1为本发明一实施方式的显微球面光谱自动分析仪的立体结构示意图。

图2为图1所示显微球面光谱自动分析仪的部分结构的立体结构示意图。

图3为图1所示显微球面光谱自动分析仪中对焦装置的立体结构示意图。

图4为图3所示对焦装置的另一角度的立体结构示意图。

图5为图1所示显微球面光谱自动分析仪中光路系统的立体结构示意图。

图6为图5所示光路系统的剖视结构示意图。

图7为图1所示显微球面光谱自动分析仪的自动对焦的逻辑流程示意图。

图8为图1所示显微球面光谱自动分析仪的自动对焦的实况流程示意图。

图9为图1所示显微球面光谱自动分析仪的分析结果的平面示意图。

图中标号：0、机架；1、载物台；2、光路系统；21、入射光路；211、第一镜片组；2111、第一镜片；2112、第二镜片；212、第二镜片组；2121、第三镜片；2122、第四镜片；2123、第五镜片；213、第三镜片组；2131、第六镜片；214、第四镜片组；2141、第七镜片；2142、第八镜片；22、折射光路；221、第五镜片组；2211、第九镜片；222、第六镜片组；2221、第十镜片；2222、第十一镜片；223、第七镜片组；2231、第十二镜片；23、输出光路；24、反射镜；25、棱镜；26、目镜组件；27、物镜组件；3、光谱分析系统；31、分析器；32、数据处理装置；4、对焦装置；41、手动微调机构；411、旋钮；412、齿轮组；413、连接杆；42、自动对焦机构；421、安装板；422、滑板；423、驱动件；43、固定板；431、开口；44、控制系统；441、采集模块；442、分析模块；443、输出模块；444、储存模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1-2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的显微球面光谱自动分析仪，包括机架0、载物台1、光路系统2以及光谱分析系统3。载物台1、光路系统2以及光谱分析系统3均安装在机架0上，机架0包括支撑架和壳体，支撑架为实现分析仪支撑作用，壳体配置对内置零件实施保护。载物台1位于光路系统2的正下方，光路系统2与光谱分析系统3数据连接。显微球面光谱自动分析仪还包括对焦装置4，对焦装置4设于机架0内。所述对焦装置4包括手动微调机构41、自动对焦机构42以及控制系统44，所述自动对焦机构42设于手动微调机构41的驱动端，所述载物台1设于自动对焦机构42的驱动端，所述控制系统44内镶嵌有一个以上的样本数据，所述控制系统44与光谱分析系统3数据连接。

对焦装置4配置为根据光路系统2的实时数据与样本数据的相对差值对载物台1与光路系统2的相对距离进行调节，从而实现自动对焦功能。

本发明提供一种显微球面光谱自动分析仪，通过设置对焦装置4与光路系统2实时数据连接方式，使得自动对焦机构42能够根据光路系统2的实时数据与样本数据的相对差值对载物台1与光路系统2的相对距离进行调节，从而实现对焦功能。本发明能够根据样品的光斑成像情况实时的进行自动聚焦，减小了光谱信号波动；聚焦过程自动完成，无需专业人员参与，提高光谱分析的操作效率，降低光谱分析的操作门槛；本发明结构简单，只需输入对焦样本数据，即能对多个受检测片进行光谱自动分析。

结合图3-4，自动对焦机构42包括安装板421、滑板422以及驱动件423，驱动件423为步进电机。滑板422和驱动件423均设于安装板421上，驱动件423与滑板422驱动连接，载物台1安装在滑板422上。滑板422由驱动件423进行升降驱动，从而对载物台1的与光路系统2的相对距离进行调节，即实现焦距调节功能。

结合图3-4，手动微调机构41包括旋钮411、齿轮组412以及连接杆413，旋钮411通过齿轮组412与连接杆413传动连接，连接杆413与安装板421驱动连接。手动微调机构41为对整个自动对焦机构42进行升降调节。转动旋钮411，旋钮411通过齿轮组412对连接杆413进行传动，从而使得安装板421升降运动。

结合图3-4，对焦装置4还包括固定板43，安装板421可升降活动地设于固定板43，固定板43上设有开口431，连接杆413透过开口431与安装板421连接。安装板421能够在固定板43上进行升降滑动，连接杆413透过开口431与安装板421连接，从而实现手动微调机构41驱动自动对焦机构42整体升降。

结合图7-8，控制系统44与驱动件423信号连接；控制系统44与光谱分析系统3数据连接。

控制系统44配置为采集光路系统2的实时数据，并结合样本数据对驱动件423进行实时控制，从而使得驱动件423驱动载物台1升降实现自动对焦功能。

控制系统44包括，

采集模块441：采集模块441与光谱分析系统3连接，采集模块441配置为采集光谱分析系统3的实时数据；样本储存模块444：样本储存模块444配置为存储一个或以上的样本数据；

分析模块442：分析模块442配置为对采集模块441采集的实时数据进行分析，并确定最接近的样本数据；

输出模块443：输出模块443配置将“分析模块442的分析结果”对自动对焦机构42的驱动件423进行控制，即对载物台1上的被测物的焦距进行控制，促使“实时数据”无限接近“最接近的样本数据”并重合，完成对焦。

控制系统44的控制过程为：采集光谱分析系统3的实时光斑数据并结合样本数据对驱动件423进行控制，驱动件423对载物台1进行焦距调整，光谱分析系统3的实时光斑数据不断靠近样本数据，最终使实时光斑数据与样本数据重合，对焦完成。

结合图5-6-，光路系统2包括入射光路21、折射光路22以及输出光路23，入射光路21和折射光路22相互垂直连接且之间设有反射镜24，输出光路23设于折射光路22的末端，输出光路23与折射光路22之间设有棱镜25。

光路系统2中，光源从入射光路21入射，再经过反射镜24反射至待测镜片上，镜片的光进入折射光路22通过棱镜25进入输出光路23，最终进入光谱分析系统3中。

结合图6，入射光路21至输入端向内依次包括第一镜片组211、第二镜片组212、第三镜片组213以及第四镜片组214，第一镜片组211、第二镜片组212、第三镜片组213以及第四镜片组214位于同一直线上，其之间距离依次为：37.92mm、99.41mm、27.13mm。第一镜片组211和第二镜片组212配置为将输入的光汇聚成线，第三镜片组213和第四镜片组214配置为使光线保持准直。第四镜片组214与反射镜24之间距离为30.12mm。

结合图6，第一镜片组211包括第一镜片2111、第二镜片2112，第一镜片2111与第二镜片2112相贴合；第一镜片2111的参数为：R127.96mm、R8.03mm、H4.00mm；第二镜片2112的参数为：R-8.03mm、R15.23mm、H1.00mm。(两个R为镜片的由输入端起的两端球面的半径值，正数为凸球面，负数则为凹球面；H为两端球面中心点之间的距离值。下同)

结合图6，第二镜片组212包括第三镜片2121、第四镜片2122以及第五镜片2123，第三镜片2121位于第四镜片2122的左侧并留有距离为0.2mm的间隙，第四镜片2122和第五镜片2123相贴合；第三镜片2121的参数为：R18.67mm、R47.03mm、H2.63mm；第四镜片2122的参数为：R39.24mm、R-9.11mm、H1.00mm；第五镜片2123的参数为：R9.11mm、R446.44mm、H4.00mm。

结合图6，第三镜片组213包括第六镜片2131，第六镜片2131的参数为：R-25.53mm、R21.10mm、H1.81mm。

结合图6，第四镜片组214包括第七镜片2141和第八镜片2142，第七镜片2141和第八镜片2142相贴合；第七镜片2141的参数为：R67.95mm、R31.76mm、H4.90mm；第八镜片2142的参数为：R-31.76mm、R79.67mm、H2.00mm。

结合图6，折射光路22至输入端向内依次包括第五镜片组221、第六镜片组222、第七镜片组223，第五镜片组221、第六镜片组222、第七镜片组223位于同一直线上，其之间的距离依次为19.46mm、10.53mm。第五镜片组221、第六镜片组222、第七镜片组223配置为将光汇聚成像。第五镜片组221与反射镜24之间距离为25.19mm。

结合图6，第五镜片组221包括第九镜片2211，第九镜片2211的参数为：R27.94mm、R-27.52mm、H5.00mm。

结合图6，第六镜片组222包括第十镜片2221和第十一镜片2222，第十镜片2221与第十一镜片2222相贴合。第十镜片2221的参数为：R-179.65mm、R24.02mm、H5.00mm；第十一镜片2222的参数为：R-24.02mm、R70.16mm、H5.00mm。

结合图6，第七镜片组223包括第十二镜片2231，第十二镜片2231的参数为：R425.95mm、R83.29mm、H5.00mm。

本发明的光路系统2的入射光路21和折射光路能够保证光源的能量应用，减少光源能量损失，同时可以保证被测样品的小的景深从而实现快速对焦，减少对焦的时间和找到精确的对焦位置。输入光源采用柯勒照明的方式可以让照度更均匀，另外可以和市面上大多数无限远共轭物镜通用，减少物镜的开发成本。内设特殊光阑可以减小样品第二面的反射光的影响，实现测量的准确性。光路系统2的焦距加大，增加了仪器对小曲率样品的敏感性，能快速找到测量中心点，实现宽的光谱波长测量。

结合图5-6，光路系统2还包括目镜组件26、物镜组件27，物镜组件27和目镜组件26分别安装在入射光路21的两端。目镜组件26为CCD电子目镜，其能够将实施影像数据传输至光谱分析系统3中。待测镜片的折射光从物镜组件27处进入折射光路22中。

结合图1-2，光谱分析系统3包括分析器31和数据处理装置32，分析器31与输出光路23的输出端数据连接，分析器31与数据处理装置32数据连接，目镜组件26与数据处理装置32数据连接。

数据处理装置32为计算机，计算机与物镜组件27、分析器31相连接，计算机采集物镜组件27、分析器31的数据，形成光斑实时影像和被测物光谱信息表，光谱信息表为曲线图形，从而直接显示被测镜片的光谱分析结果。

结合图1，本光谱自动分析装置还包括光源，光源通过光纤与入射光路21的输入端连接。

本装置的自动分析步骤为，

S1、输入样本数据：在控制系统44处输入一个以上样本数据，形成样本数据库。本发明具有两种样本数据输入，分别为，

S1.1.1、归零：将载物台1归零，即手动微调机构41、自动对焦机构42复位；

S1.1.2、样本数据采集：将“归零片”放置载物台1上，手动调节直到看到需对焦的光斑，并分别保存白参考数据、暗背景数据保存，最终形成“样本数据”。

S1.2.1、样本拷贝：直接将“样本数据”拷贝至控制系统44的样本储存模块444中，形成数据库。

S2、自动对焦：控制系统44根据光路系统2的实时数据与样本数据的相对差对驱动件423进行实时控制，从而使得驱动件423驱动载物台1升降实现自动对焦功能。

结合图7-8，步骤S2，包括步骤S2.1、S2.2、S2.3。

S2.1、采集：载物台11持续而缓慢地升降移动，促使焦距不断变化，控制系统44的采集模块441定点采集光谱分析系统3的被测镜片的光斑的实时数据；

S2.2、分析：控制系统44的分析模块442对采集的实时数据进行分析，并确定最接近的样本数据(如，被测镜片的光斑数据变化符合A型号的变化规律，则取A型号的样本数据作为最接近数据)；

S2.3、输出：控制系统44的输出模块443将“分析结果”转化为电信号，对自动对焦机构42的驱动件423进行控制，即对载物台1上的被测物的焦距进行控制，促使“实时数据”无限接近“最接近的样本数据”并重合，完成对焦。

S3、光谱分析(光路系统2成像原理)：结合图6，光源发出的发散光依次经过第一镜片组211、第二镜片组212、第三镜片组213、第四镜片组214，形成汇聚的平行光束通过反射镜24输入折射光路22中，物镜采集被测镜片的光依次经过第五镜片组221、第六镜片组222、第七镜片2141汇聚成像，汇聚成像的光最终通过棱镜25输出至分析器31中。

S4、光谱图形：如图9所示，计算机采集物镜组件27、分析器31的数据，形成光斑实时影像和被测物光谱信息表，光谱信息表为曲线图形，以曲线图形的方式直接显示被测镜片的光谱分析结果。

本发明的有益效果为：本发明提供一种显微球面光谱自动分析仪，其能够对被测镜片实现自动对焦、自动分析功能。本发明能够根据样品的光斑成像情况实时的进行自动聚焦，减小了光谱信号波动；聚焦过程自动完成，无需专业人员参与，提高光谱分析的操作效率，降低光谱分析的操作门槛；本发明结构简单，只需输入对焦样本数据，即能对多个受检测片进行光谱自动分析。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.显微球面光谱自动分析仪，包括载物台(1)、光路系统(2)以及光谱分析系统(3)，所述载物台(1)位于光路系统(2)的正下方，所述光路系统(2)与光谱分析系统(3)数据连接，其特征在于，还包括对焦装置(4)，所述对焦装置(4)包括手动微调机构(41)、自动对焦机构(42)以及控制系统(44)，所述自动对焦机构(42)设于手动微调机构(41)的驱动端，所述载物台(1)设于自动对焦机构(42)的驱动端，所述控制系统(44)内镶嵌有样本数据，所述控制系统(44)与光谱分析系统(3)数据连接。

2.根据权利要求1所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述自动对焦机构(42)包括安装板(421)、滑板(422)以及驱动件(423)，所述滑板(422)和驱动件(423)均设于安装板(421)上，所述驱动件(423)与滑板(422)驱动连接，所述载物台(1)安装在滑板(422)上。

3.根据权利要求2所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述手动微调机构(41)包括旋钮(411)、齿轮组(412)以及连接杆(413)，所述旋钮(411)通过齿轮组(412)与连接杆(413)传动连接，所述连接杆(413)与安装板(421)驱动连接。

4.根据权利要求3所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述对焦装置(4)还包括固定板(43)，所述安装板(421)可升降活动地设于固定板(43)，所述固定板(43)上设有开口(431)，所述连接杆(413)透过开口(431)与安装板(421)连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述光路系统(2)包括入射光路(21)、折射光路(22)以及输出光路(23)，所述入射光路(21)和折射光路(22)相互垂直连接且之间设有反射镜(24)，所述输出光路(23)设于折射光路(22)的末端，所述输出光路(23)与折射光路(22)之间设有棱镜(25)。

6.根据权利要求5所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述入射光路(21)至输入端向内依次包括第一镜片组(211)、第二镜片组(212)、第三镜片组(213)以及第四镜片组(214)。

7.根据权利要求6所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述折射光路(22)至输入端向内依次包括第五镜片组(221)、第六镜片组(222)、第七镜片组(223)。

8.根据权利要求7所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述光路系统(2)还包括目镜组件(26)、物镜组件(27)，所述物镜组件(27)和目镜组件(26)分别安装在入射光路(21)的两端。

9.根据权利要求8所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，所述光谱分析系统(3)包括分析器(31)和数据处理装置(32)，所述分析器(31)与输出光路(23)的输出端数据连接，所述分析器(31)与数据处理装置(32)数据连接，所述目镜组件(26)与数据处理装置(32)数据连接。

10.光谱自动分析方法，包括权利要求要求5所述的显微球面光谱自动分析仪，其特征在于，还包括以下步骤：

S1、输入样本数据：在所述控制系统(44)处输入一个以上样本数据，形成样本数据库；

S2、自动对焦：所述控制系统(44)根据光路系统(2)的实时数据与样本数据的相对差对驱动件(423)进行实时控制，从而使得驱动件(423)驱动载物台(1)升降实现自动对焦功能；

S2.1、采集：所述载物台(1)持续而缓慢地升降移动，促使焦距不断变化，所述控制系统(44)定点采集光谱分析系统(3)的被测镜片的光斑的实时数据；

S2.2、分析：所述控制系统(44)对采集的实时数据进行分析，并确定最接近的样本数据，将实时数据与最接近样本数据进行比对分析，得出结果；

S2.3、输出：所述控制系统(44)将“分析结果”转化为电信号，对自动对焦机构(42)的驱动件(423)进行控制，促使“实时数据”无限接近“最接近的样本数据”并重合，完成对焦。

S3、光谱分析；

S4、光谱图形。