CN113740316A - 基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统，方法包括：确定参考光斑位置，所述参考光斑位置为指示光斜射在聚焦透镜的聚焦点位置处的光斑位置；将样品放置在三维移动平台后，调整样品与聚焦透镜的相对距离，获取样品上的指示光在样品上形成的实时光斑位置；调整样品与聚焦透镜的相对距离，使得实时光斑位置与参考光斑位置重合。本发明的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统，能够基于斜射的指示光的光斑位置实现LIBS系统精确定位，光斑位置的可参考性强，误差低。

Description

基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统

技术领域

本发明属于光谱检测及分析技术领域，特别涉及一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术是一种原子发射光谱技术，通过将高能脉冲激光聚焦在样品表面，烧蚀激发样品产生等离子，然后根据所采集的等离子体光谱，可以对样品中所含元素进行定性和定量分析。该技术具有不需要复杂的样品预处理、适应环境能力强、可以对多种元素同时进行快速分析、远程分析以及原位在线实时分析等优点，广泛应用于太空探索、工业生产、环境监测以及资源勘探等领域，目前已成为物质成分分析领域研究的热点。

采用LIBS进行检测时，由于待测样品具有不同的厚度以及表面平整度，激光聚焦透镜与样品表面的相对距离会发生较大变化，影响LIBS测量结果的稳定性和精确度。目前聚焦调节方式主要有：手动调节、根据样品表面成像清晰度调节以及利用激光测距仪进行调节等。这些调节方式的调节的精度受样品表面特性如平整度、反射率以及所用设备的灵敏度影响较大。

因此，亟需一种稳定、精确的激光诱导击穿光谱(LIBS)系统激光聚焦点位置自动定位方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，包括：

确定参考光斑位置，所述参考光斑位置为指示光斜射在聚焦透镜的聚焦点位置处的光斑位置；

将样品放置在三维移动平台后，调整样品与聚焦透镜的相对距离，获取样品上的指示光在样品上形成的实时光斑位置；

调整样品与聚焦透镜的相对距离，使得实时光斑位置与参考光斑位置重合。

进一步地，基于在相机采集光斑图像上以指定参考点为原点的坐标系，确定所述参考光斑位置和获取所述实时光斑位置。

进一步地，确定参考光斑位置包括：

根据聚焦透镜的焦距，移动三维移动平台调节样品表面与聚焦透镜的相对距离，确定系统的聚焦点位置；

调节指示光发生器的指示光的光轴方向，使得聚焦点位置与指示光发生器产生的光斑中心重合。

进一步地，调整样品与聚焦透镜的相对距离包括：

判断实时光斑位置与参考光斑位置的位置关系；

根据所述位置关系调整样品与聚焦透镜的相对距离。

进一步地，调整样品与聚焦透镜的相对距离包括：通过以下公式确样品定移动距离L：

其中，(X₀，Y₀)为参考光斑位置在相机成像中的坐标，(X₁，Y₁)为放置样品后指示光在相机成像中的实时光斑位置的坐标，θ为指示光的入射角度。

进一步地，根据参考光斑位置在相机成像中的坐标与实时光斑位置的坐标的大小关系，确定样品移动方向。

本发明还提供一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位系统，用于执行所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，包括：

三维移动平台、聚焦透镜、指示光发生器和相机；

三维移动平台用于承载样品，并移动样品；

聚焦透镜用于聚焦激光，以激发样品产生等离子体；

指示光发生器，用于通过激光光束在样品表面形成激光光斑，实现辅助定位；

指示光发生器的激光光束具有与聚焦透镜相对固定的位置；

相机用于对激光光斑进行成像。

进一步地，系统还包括：扩束系统、激光全反射镜、分色镜、收集透镜、光纤、光谱仪、计算机、数据线、控制线和触发线；

扩束系统用于扩展能量激光的光束直径并减小激光束的发散角，扩束系统设置在激光器的一侧；

经过扩束系统处理的能量激光发射到设置在扩束系统一侧的激光全反射镜，激光全反射镜用于反射能量激光；

分色镜设置在激光全反射镜下方，与激光全反射镜平行；

激光全反射镜反射的能量激光经过分色镜，发送到分色镜下方的聚焦透镜；

收集透镜用于汇聚等离子体产生的等离子光，并聚焦至设置在收集透镜一侧的光纤的端面；

指示光发生器与聚焦透镜呈一定角度，相对固定设置，以使得指示光的光轴方向与能量激光的光轴形成一定角度；

光纤用于将等离子体发出的等离子光传输至光谱仪进行分光，完成光电转换和光谱数据采集，等离子光经过收集透镜和光纤耦合进光谱仪中；

计算机通过数据线与光谱仪相连接，实现光谱数据保存；

激光器通过触发线与光谱仪相连接，以实现激光器与光谱仪的时序同步；

计算机通过控制线控制三维移动平台的移动。

本发明的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法及系统能够基于斜射的指示光的光斑位置实现LIBS系统精确定位，光斑位置的可参考性强，误差低，并能够根据实时光斑位置与参考光斑位置的位置关系，快速调整样品与聚焦透镜的相对距离。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种基于光斑坐标位置的激光聚焦点位置自动定位系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的光斑位置与样品位置的关系示意图。

1-激光器，2-扩束系统，3-激光全反射镜，4-分色镜，5-聚焦透镜，6-样品，7-三维移动平台，8-等离子体，9-指示光发生器，10-收集透镜，11-光纤，12-光谱仪，13-计算机，14-数据线，15-控制线，16-触发线，17-相机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例针对现有激光诱导击穿光谱技术无法实现激光脉冲聚焦点位置快速自动定位，手动调焦的速度慢、精度低，尤其样品表面平整度和反射率等不同时，导致LIBS系统激光聚焦点位置不同，影响系统的检测稳定性等问题，提出一种适用于不同样品表面特性的、简单的、通用性较强的激光聚焦点位置自动定位方法，实现LIBS系统中激光脉冲的快速精确地自动聚焦在样品表面，提高光谱信号的稳定性和可靠性。

一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，包括如下步骤：

确定参考光斑位置，所述参考光斑位置为指示光斜射在聚焦透镜的聚焦点位置处的光斑位置；

将样品放置在三维移动平台后，调整样品与聚焦透镜的相对距离，获取样品上的指示光在样品上产生的实时光斑位置；

调整样品与聚焦透镜的相对距离，使得实时光斑位置与参考光斑位置重合。具体地，判断实时光斑位置与参考光斑位置的位置关系；根据所述位置关系调整样品与聚焦透镜的相对距离，使得实时光斑位置与参考光斑位置重合。

基于在相机采集光斑图像上，以指定参考点为原点的坐标系，确定所述参考光斑位置和获取所述实时光斑位置。即，参考光斑位置对应图像中的参考光斑坐标，实时光斑位置对应图像中的实时光斑坐标。

本发明实施例的基于光斑坐标的激光聚焦点位置自动定位方法可以通过定位系统，如LIBS系统来实现，定位系统至少包括三维移动平台、聚焦透镜、指示光发生器和相机，三维移动平台用于承载样品，并移动样品。本发明实施例中的三维移动平台至少能够上下移动，进一步地，也可以左右移动。其中，上下移动是指与相对设置的聚焦透镜之间的距离拉近或拉远，不失一般性地，上下移动即为按照自然的上下方向(重力方向)移动，但不限制在某些环境下，也可以夹持样品水平移动以靠近或远离聚焦透镜；聚焦透镜用于聚焦激光，以激发样品产生等离子体；指示光发生器，用于通过激光光束在样品表面形成激光光斑，实现辅助定位。示例性地，指示光发生器为指示激光器或者LED光源等，本发明实施例中以指示激光器为例进行说明。指示光发生器的激光(即指示光)光束具有与聚焦透镜相对固定的位置。相机用于对激光光斑进行成像。

自动定位过程包括以下步骤：

步骤1：根据聚焦透镜的焦距，移动三维移动平台调节样品表面与聚焦透镜的相对距离，确定系统的聚焦点位置。本发明实施例中通过移动三维移动平台带动样品移动来对焦，在另外的实施例中，对焦的过程也可以通过移动聚焦透镜或者移动聚焦透镜和三维移动平台二者来实现，以找到聚焦透镜的聚焦点。聚焦透镜的聚焦点位置是样品被检测时，应当设置在样品表面位置。

步骤2：调节指示光的方向，使指示光与步骤1确定的系统中能量激光(一种脉冲激光)的聚焦点位置重叠，形成参考光斑位置。具体地，指示光的光轴方向与聚焦透镜汇聚的能量激光(用于烧蚀样品的激光)形成一定角度(如45度)，聚焦点位置与指示光发生器产生的光斑中心重合。通过形成参考光斑位置，完成LIBS系统激光聚焦点位置的确定。

步骤3：设定合适的相机曝光时间，记录步骤2确定的参考光斑位置，具体地通过相机成像，在形成的图像中确定参考光斑位置的坐标，即该位置的光斑中心点坐标。坐标系以指定参考点为原点。示例性地，可以将图像中心点作为原点，也可以将参考光标位置作为原点。该坐标系作为后续检测样品时使用的坐标系。

步骤4：放置样品，通过相机成像得到此时指示光光斑的坐标。具体地，将样品放置在三维移动平台，获取此时指示光在样品上的光斑，即实时光斑位置。

步骤5：移动三维移动平台，使得实时光斑位置移动至参考光斑位置处，完成激光聚焦点位置的自动定位。具体地，判断实时光斑与参考光斑的位置关系，根据位置关系移动三维移动平台，使得实时光斑位置在样品表面移动。

本发明实施例还提供一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位系统(简称定位系统，也是一种LIBS系统)，上述任一实施例的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法能够通过该定位系统实现。下面结合附图对该定位系统的结构和使用原理做示例性说明。

如图1所示，定位系统包括：激光器1、扩束系统2、激光全反射镜3、分色镜4、聚焦透镜5、样品6、三维移动平台7、等离子体8、指示光发生器9、收集透镜10、光纤11、光谱仪12、计算机13、数据线14、控制线15、触发线16、相机17。

激光器1用于提供烧蚀样品所需的能量(能量激光)，扩束系统2用于扩展能量激光的光束直径并减小激光束的发散角，扩束系统2设置在激光器1的一侧，用于接收激光器1产生的能量。

经过扩束系统2处理的能量激光发射到设置在扩束系统2一侧的激光全反射镜3。激光全反射镜3用于反射能量激光，可以改变能量激光的方向。不失一般性地，激光器1、扩束系统2和激光全反射镜3依次设置在同一水平线上。激光全反射镜3将水平的能量激光反射为垂直向下方向。具体地，激光全反射镜3倾斜45度设置。

分色镜4设置在激光全反射镜3下方，与激光全反射镜3平行。激光全反射镜3反射的能量激光经过分色镜4，发送到分色镜4下方的聚焦透镜5。

收集透镜10设置在分色镜4一侧，收集等离子体8发出等等离子光。等离子光经过聚焦透镜5、分色镜4到达收集透镜10。聚焦透镜5用于将能量激光(具体为第二路能量激光)聚焦在置于三维移动平台7上的样品6表面，激发样品产生等离子8，三维移动平台7可以实现样品6的三维移动，收集透镜10用于汇聚等离子光，并聚焦至设置在收集透镜10一侧的光纤11的端面。

光纤11用于将等离子体光传输至光谱仪12进行分光，完成光电转换和光谱数据采集，计算机13通过数据线14实现系统控制以及光谱数据保存，激光器1通过触发线16，用于实现激光器1与光谱仪12的时序同步，计算机13通过控制线15实现三维移动平台7的移动，指示光发生器9用于辅助完成激光聚焦点位置自动定位，相机17用于记录指示光发生器9激光光斑的坐标位置。示例性地，指示光发生器9为指示激光器。

指示光发生器9与聚焦透镜5呈一定角度，相对固定设置。以使得指示光的光轴方向与能量激光的光轴形成一定角度，指示光斜射到样品表面。示例性地，指示光发生器9设置在聚焦透镜5一侧。

激光器1发出的脉冲激光经过扩束系统2、激光反射镜3和聚焦透镜5聚焦在置于三维移动平台7上样品6表面，激发样品产生等离子体8，等离子体产生的等离子光经过收集透镜10和光纤11耦合进光谱仪12中，光谱仪12用于进行光谱的光电转换和信号采集。收集透镜10设置在分色镜4一侧。

检测前，根据聚焦透镜5的焦距，移动三维移动平台7调节样品6表面与聚焦透镜5的相对距离，确定定位系统的聚焦点位置；然后调节指示光发生器9的指示光的光轴方向，使指示光的光斑与步骤1确定的系统中能量激光的聚焦点位置重叠，完成定位系统激光聚焦点位置的设定。设定相机17合适的曝光时间，记录系统聚焦点位置在成像区域中指示光发生器9光斑的坐标(X₀，Y₀)，为计算方便也可设置为(0，0)，即原点o，该坐标即为参考光斑位置；检测时，放置样品在移动平台上，通过相机17成像得到此时指示光发生器9光斑的坐标(X₁，Y₁)，作为实时光斑位置；根据实时光斑位置和参考光斑位置的位置关系，移动三维移动平台7，将指示光发生器9的光斑移动至坐标(X₀，Y₀)处，完成激光聚焦点位置的自动定位，三维移动平台7移动的距离L可通过公式(1)进行计算：

其中，(X₀，Y₀)为系统中参考光斑位置在相机成像中的坐标，(X₁，Y₁)为放置样品后指示光在相机成像中的实时光斑位置的坐标，θ为指示光的入射角度，可根据公式(1)通过三维移动平台7移动固定距离的前后两点坐标计算得到。同时，如图2所示，根据参考光斑位置在相机成像中的坐标与实时光斑位置的坐标的大小关系，确定三维移动平台7带动样品的移动方向，若大于聚焦点位置处(X₀，Y₀)，如坐标为(X_i,Y_i)，则向上移动，上移距离为L_i；相反则向下移动，如坐标为(X_j,Y_j)，则向下移动，下移距离为L_j。其中，坐标的大小关系与坐标轴(x,y)的方向有关，可以有不同的设置。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，包括：

确定参考光斑位置，所述参考光斑位置为指示光斜射在聚焦透镜的聚焦点位置处的光斑位置；

将样品放置在三维移动平台后，调整样品与聚焦透镜的相对距离，获取样品上的指示光在样品上形成的实时光斑位置；

调整样品与聚焦透镜的相对距离，使得实时光斑位置与参考光斑位置重合。

2.根据权利要求1所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，

基于在相机采集光斑图像上以指定参考点为原点的坐标系，确定所述参考光斑位置和获取所述实时光斑位置。

3.根据权利要求1所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，确定参考光斑位置包括：

根据聚焦透镜的焦距，移动三维移动平台调节样品表面与聚焦透镜的相对距离，确定系统的聚焦点位置；

调节指示光发生器的指示光的光轴方向，使得聚焦点位置与指示光发生器产生的光斑中心重合。

4.根据权利要求1所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，调整样品与聚焦透镜的相对距离包括：

判断实时光斑位置与参考光斑位置的位置关系；

根据所述位置关系调整样品与聚焦透镜的相对距离。

5.根据权利要求4所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，调整样品与聚焦透镜的相对距离包括：通过以下公式确样品定移动距离L：

其中，(X₀，Y₀)为参考光斑位置在相机成像中的坐标，(X₁，Y₁)为放置样品后指示光在相机成像中的实时光斑位置的坐标，θ为指示光的入射角度。

6.根据权利要求5所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，根据参考光斑位置在相机成像中的坐标与实时光斑位置的坐标的大小关系，确定样品移动方向。

7.一种基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位系统，其特征在于，用于执行如权利要求1-6任一项所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位方法，包括：

三维移动平台、聚焦透镜、指示光发生器和相机；

三维移动平台用于承载样品，并移动样品；

聚焦透镜用于聚焦激光，以激发样品产生等离子体；

指示光发生器，用于通过激光光束在样品表面形成激光光斑，实现辅助定位；

指示光发生器的激光光束具有与聚焦透镜相对固定的位置；

相机用于对激光光斑进行成像。

8.根据权利要求7所述的基于光斑位置的激光聚焦点位置自动定位系统，其特征在于，还包括：扩束系统、激光全反射镜、分色镜、收集透镜、光纤、光谱仪、计算机、数据线、控制线和触发线；

扩束系统用于扩展能量激光的光束直径并减小激光束的发散角，扩束系统设置在激光器的一侧；

经过扩束系统处理的能量激光发射到设置在扩束系统一侧的激光全反射镜，激光全反射镜用于反射能量激光；

分色镜设置在激光全反射镜下方，与激光全反射镜平行；

激光全反射镜反射的能量激光经过分色镜，发送到分色镜下方的聚焦透镜；

收集透镜用于汇聚等离子体产生的等离子光，并聚焦至设置在收集透镜一侧的光纤的端面；

指示光发生器与聚焦透镜呈一定角度，相对固定设置，以使得指示光的光轴方向与能量激光的光轴形成一定角度；

光纤用于将等离子体发出的等离子光传输至光谱仪进行分光，完成光电转换和光谱数据采集，等离子光经过收集透镜和光纤耦合进光谱仪中；

计算机通过数据线与光谱仪相连接，实现光谱数据保存；

激光器通过触发线与光谱仪相连接，以实现激光器与光谱仪的时序同步；

计算机通过控制线控制三维移动平台的移动。

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