CN113740317A - 基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位方法及系统 - Google Patents

基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位方法及系统，包括：确定参考光斑面积，所述参考光斑面积为聚焦透镜的聚焦点位置处的指示光的光斑面积；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，获取样品在不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第一备选光斑面积；确定多个第一备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第一光斑面积；根据第一光斑面积确定与第一光斑面积相对应的第一样品位置，将第一样品位置作为自动定位结果。本发明的定位方法及系统能够基于光斑面积实现LIBS系统精确定位，光斑面积可参考性强，误差低。

Description

基于光斑面积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面积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-i nduced 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L IBS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(L I BS)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面积的激光聚焦点位置自动定位方法，包括：
确定参考光斑面积，所述参考光斑面积为聚焦透镜的聚焦点位置处的指示光的光斑面积；
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，获取样品在不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第一备选光斑面积；
确定多个第一备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第一光斑面积；
根据第一光斑面积确定与第一光斑面积相对应的第一样品位置，将第一样品位置作为自动定位结果。
进一步地，方法还包括：
基于第一样品位置向上和/或向下移动样品，获取样品在多个不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第二备选光斑面积；
确定多个第二备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第二光斑面积；
根据第二光斑面积确定与第二光斑面积相对应的第二样品位置，将第二样品位置作为自动定位结果。
进一步地，样品移动方向根据移动过程中光斑面积的变化趋势确定。
进一步地，根据移动过程中光斑面积确定移动距离。
进一步地，确定参考光斑面积包括：
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；
设定合适的相机曝光时间，通过相机的成像确定的聚焦点位置处指示光光斑的面积，作为参考光斑面积。
进一步地，多个第一备选光斑面积通过以下方式获取：
将三维移动平台从最小限位处以第一步长移动至最大限位处，并在各位置处采集指示光光斑的面积。
进一步地，多个第二备选光斑面积通过以下方式获取：
将三维移动平台从第一样品位置以第二步长，在第二距离范围内上下移动，并在各位置处采集指示光光斑的面积；
其中第二步长小于第一步长。
进一步地，限制在最小限位与最大限位之间，参考光斑面积对应的光斑位置仅有一个。
本发明还提供一种基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位系统，用于执行所述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；
聚焦透镜用于聚焦能量激光，以激发样品产生等离子体；
指示光发生器，用于通过指示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。
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，入射到分色镜下方的聚焦透镜；
收集透镜用于汇聚等离子体形成的等离子光，并聚焦至设置在收集透镜一侧的光纤的端面；
指示光发生器与光纤连接，通过光纤将指示光发送到收集透镜，指示光经过收集透镜发射到到分色镜，由分色镜将指示光反射到聚焦透镜之后汇聚到样品表面；
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；
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，用于实现激光器与光谱仪时序的同步；
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面积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面积与样品位置的关系示意图。
附图标记说明
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-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-指示激光器，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。
一种基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位方法，包括如下步骤：
确定参考光斑面积，所述参考光斑面积为聚焦透镜的聚焦点位置处的指示光的光斑面积；
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，获取样品在不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第一备选光斑面积；
确定多个第一备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第一光斑面积；
根据第一光斑面积确定与第一光斑面积相对应的第一样品位置，将第一样品位置作为自动定位结果。
进一步地，还可以进行第二轮位置调整(前述的得到多个第一备选光斑面积的过程为第一轮位置调整)，以进一步提高定位精度，具体如下。
基于第一样品位置向上和/或向下移动样品，获取样品在多个不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第二备选光斑面积；
确定多个第二备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第二光斑面积；
根据第二光斑面积确定与第二光斑面积相对应的第二样品位置，将第二样品位置作为自动定位结果。
样品移动方向可以根据移动过程中光斑面积的变化趋势确定。进一步地，移动距离也可以根据移动过程中光斑面积确定，因为样品距离和光斑面积具有确定的相关性。如，样品按照一定方向移动过程中，光斑面积越来越接近参考光斑面积，则继续按照此方向移动。也可以按照步长上下移动调整到最接近的位置。
本发明实施例的激光聚焦点位置自动定位方法基于聚焦点处的参考光斑面积进行多轮样品移动定位，将样品不断接近聚焦点位置，减小位置误差带来的检测误差。移动定位的轮数不限于两次，还可以更多。
下面对自动定位过程进行示例性说明。本发明实施例的激光聚焦点位置自动定位方法可以通过定位系统实现，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；聚焦透镜用于聚焦能量激光，以激发样品产生等离子体；指示光发生器，用于通过指示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LED光源或者指示激光器等。本发明实施例以指示激光器为例进行说明。指示激光器的激光(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，应当设置的样品表面位置。
步骤2：设定合适的相机曝光时间，通过相机的成像计算得到步骤1中所确定的系统聚焦点位置处指示光光斑的面积。在步骤1中，将样品表面调整到聚焦点位置时，将指示激光器的光斑照射到样品表面，形成可以成像的光斑，然后通过相机成像，获取光斑的面积，作为参考光斑面积。
步骤3：放置样品，在相同条件下，将三维移动平台从最小限位处以较大步长移动至最大限位处，并在各位置处采集指示光光斑的面积。按照步骤1和2调整好指示激光器的位置并记录参考激光光斑面积后，测试时，将待测试的样品放在三维移动平台，通过移动三维移动平台获取多个第一备选光斑面积。具体地，以第一步长(较大步长，用于粗定位)在第一距离范围内移动三维移动平台，采集在各个位置的激光光斑的面积，形成多个第一备选光斑面积并记录相对应的多个位置。具体地，第一距离范围可以是三维移动平台的最小限位处到最大限位处之间。进一步地，限制在最小限位与最大限位之间，参考光斑面积对应的光斑位置仅有一个，而不包含与之对称的光斑位置。
步骤5：对比各位置处指示光光斑的面积(即多个第一备选光斑面积)与步骤2中指示光光斑的面积(即参考光斑面积)，面积最接近的位置作为第一样品位置，即认为该第一样品位置为最接近脉冲激光初步聚焦点位置(参考光斑面积对应的位置)。调节三维移动平台至该第一样品位置处，结束自动聚焦过程。也可以进一步执行以下步骤，提高定位精度。
步骤6：将三维移动平台从第一样品位置以第二步长，在第二距离范围内上下移动，并在各位置处采集指示光光斑的面积。第二距离范围小于第一距离范围。第二步长为较小步长，其小于第一步长。进一步地，第二距离范围单向(从第一样品位置到第二距离范围的边界)小于第一步长。在步骤6中获取的各位置处指示光光斑的面积作为第二备选光斑面积。
步骤7：对比各位置处指示光光斑的面积(第二备选光斑面积)，面积最接近参考光斑面积所对应的位置作为第二样品位置，即认为该第二样品位置为与脉冲激光初步聚焦点位置最近或相同的位置。
步骤8：调节移动平台至第二样品位置聚焦点位置处，结束自动聚焦过程。
由于指示激光器发出的激光和系统所使用的脉冲激光波长不同，聚焦位置处的光斑面积并不是最小的面积。
本发明实施例还提供一种激光聚焦点位置自动定位系统(简称定位系统，也是一种L I BS系统)，上述任一实施例的一种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、三维移动平台7、收集透镜9、光纤10、光谱仪11、计算机12、数据线13、控制线14、触发线15、指示激光器16、相机17。
激光器1用于提供烧蚀样品6所需的能量(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，入射到分色镜4下方的聚焦透镜5。
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体8，三维移动平台7可以实现样品6的三维移动，收集透镜9用于汇聚等离子体形成的等离子光，并聚焦至设置在收集透镜9一侧的光纤10的端面。
收集透镜9设置在分色镜4一侧，收集等离子体8发出等离子光。等离子光经过聚焦透镜5、分色镜4到达收集透镜9。
指示激光器16作为指示光发生器与光纤10连接，通过光纤10将指示光发送到收集透镜9，指示光经过收集透镜9发射到分色镜4，由分色镜4将指示光反射到聚焦透镜5之后汇聚到样品表面。
光纤10用于将等离子体8发出的等离子光传输至光谱仪11进行分光，完成光电转换和光谱数据采集，计算机12通过数据线13与光谱仪11相连接，实现系统控制以及光谱数据保存。激光器1通过触发线15与光谱仪11相连接，实现激光器1与光谱仪11时序的同步，计算机12通过控制线14控制三维移动平台7的移动，指示激光器16用于辅助完成激光聚焦点位置自动定位，相机17用于对指示激光器16的指示光光斑的成像，以确定激光光斑的坐标位置，从而获取光斑面积。相机17设置在能够拍摄激光光斑的位置，如设置在激光全反射镜3上方。指示激光器16设置在移动平台侧上方，检测过程中个，具有与聚焦透镜5相对固定的位置关系。
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，等离子体产生的光经过收集透镜9和光纤10耦合进光谱仪11中实现光谱的光电转换和信号采集；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，确定系统的聚焦点位置；设定合适的相机17曝光时间，通过相机17的成像计算得到步骤1中所确定的系统聚焦点位置处指示激光器16的指示光光斑的面积Sj，如图2所示；放置样品6后，将三维移动平台7从最小限位处以较大步长移动至最大限位处，并在各位置处采集指示激光器16的指示光光斑的面积Si；对比各位置处指示激光器16指示光光斑的面积与系统聚焦点位置处指示激光器激16指示光光斑的面积，面积最接近的位置即为脉冲激光接近聚焦点位置的第一样品位置；将三维移动平台7从初聚焦点位置以较小步长上下移动一个较大步长距离，并在各位置处采集指示激光器16指示光光斑的面积；对比各位置处指示激光器16指示光光斑的面积，面积最接近系统聚焦点位置处的光斑面积所对应的位置即为脉冲激光最接近聚焦点位置的第二样品位置聚焦点位置；调节三维移动平台7至第二样品位置聚焦点位置处，结束自动聚焦过程，光斑面积与样品位置的关系如图2所示。
本发明实施例中，指示光通过聚焦透镜5汇聚在样品表面，其中参考光斑面积对应的位置可以是指示光的汇聚点，即最小面积光斑，但更多的情况下，由于系统使用的脉冲激光波长和指示光的波长不同，聚焦后参考光斑面积不是最小面积，即不是汇聚点。本发明实施例的定位方法通过确定最接近面积的位置确定参考光斑面积对应的初步聚焦点位置，相较于直接移动捕捉最小面积更符合实际情况。并且，由于汇聚的指示光具有关于聚焦点对称的光束，光斑面积也具有对称性，在聚焦点相同距离处的面积相等。因此，为了使系统可以测量厚度范围更宽的样品，本发明优选地，采用距离聚焦点上方(光斑面积即为S0,接近于0)一定距离处的Sj作为参考光斑面积，由于Sj具有一定的大小，方便识别。并且，由于Sj对应的位置距离聚焦点有一定长度，其对称点-光斑面积为Sj，因此，能够方便系统区分Si和Sj，避免将相同面积的Si位置误当做Sj的位置。当然，将聚焦点之前的一个光斑面积作为参考面积(如Sj)或者聚焦点之后的一个光斑面积(如Si)作为参考光斑面积均可。
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 (10)

1.一种基于光斑面积的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，包括：
确定参考光斑面积，所述参考光斑面积为聚焦透镜的聚焦点位置处的指示光的光斑面积；
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，获取样品在不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第一备选光斑面积；
确定多个第一备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第一光斑面积；
根据第一光斑面积确定与第一光斑面积相对应的第一样品位置，将第一样品位置作为自动定位结果。
2.根据权利要求1所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，还包括：
基于第一样品位置向上和/或向下移动样品，获取样品在多个不同位置时的多个指示光的光斑面积，作为多个第二备选光斑面积；
确定多个第二备选光斑面积中与参考光斑面积最接近的第二光斑面积；
根据第二光斑面积确定与第二光斑面积相对应的第二样品位置，将第二样品位置作为自动定位结果。
3.根据权利要求2所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，
样品移动方向根据移动过程中光斑面积的变化趋势确定。
4.根据权利要求3所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，
根据移动过程中光斑面积确定移动距离。
5.根据权利要求1所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，确定参考光斑面积包括：
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；
设定合适的相机曝光时间，通过相机的成像确定的聚焦点位置处指示光光斑的面积，作为参考光斑面积。
6.根据权利要求2所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，多个第一备选光斑面积通过以下方式获取：
将三维移动平台从最小限位处以第一步长移动至最大限位处，并在各位置处采集指示光光斑的面积。
7.根据权利要求6所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，多个第二备选光斑面积通过以下方式获取：
将三维移动平台从第一样品位置以第二步长，在第二距离范围内上下移动，并在各位置处采集指示光光斑的面积；
其中第二步长小于第一步长。
8.根据权利要求6所述的激光聚焦点位置自动定位方法，其特征在于，限制在最小限位与最大限位之间，参考光斑面积对应的光斑位置仅有一个。
9.一种基于光斑面积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1-8中任一项所述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；
聚焦透镜用于聚焦能量激光，以激发样品产生等离子体；
指示光发生器，用于通过指示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。
10.根据权利要求9所述的基于光斑面积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，入射到分色镜下方的聚焦透镜；
收集透镜用于汇聚等离子体形成的等离子光，并聚焦至设置在收集透镜一侧的光纤的端面；
指示光发生器与光纤连接，通过光纤将指示光发送到收集透镜，指示光经过收集透镜发射到到分色镜，由分色镜将指示光反射到聚焦透镜之后汇聚到样品表面；
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；
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，用于实现激光器与光谱仪时序的同步；
计算机通过控制线控制三维移动平台的移动。
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