CN114245871A - 自动聚焦libs系统 - Google Patents

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CN114245871A
CN114245871A CN202080037419.8A CN202080037419A CN114245871A CN 114245871 A CN114245871 A CN 114245871A CN 202080037419 A CN202080037419 A CN 202080037419A CN 114245871 A CN114245871 A CN 114245871A
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Abstract

LIBS分析仪(2)包括：聚焦透镜装置(6)；激光器(8)，用于通过聚焦透镜装置(6)传播激光束(L)以在其焦平面(F)处聚焦；用于产生光强度数据的检测器(10)；用于改变焦平面(F)的定位点的平移机构(22)；以及控制器(14)，用于自动控制平移机构(22)以达到由控制器(14)根据将光强与最佳位置相关联的数学变换应用于由激光束(L)产生的等离子体的光强数据而计算的、焦平面(F)和样品(20)的上表面(18)重合的最佳位置。

Description

自动聚焦LIBS系统
技术领域
本申请涉及自动聚焦激光诱导击穿光谱(‘LIBS’)分析系统和在LIBS分析系统中自动聚焦的方法。
背景技术
LIBS分析系统是已知的并且用于以一定准确度检测样品中较低原子序数元素的存在和/或浓度。这些设备通常包括高功率激光器，它充分加热样品的部分以产生等离子体。随着等离子体冷却，最终电子返回到它们的基态。在此过程中，光子以构成样品的特定元素特有的波长发射。在LIBS分析系统中对这些光子的检测和分析能够对样品的元素组成进行定量和/或定性测定。
为了获得足够高的功率密度以产生等离子体，必须将激光聚焦成小光斑尺寸，通常为100皮米或更小。样品上非常小的光束光斑尺寸要求激光必须精确地聚焦在被分析样品的表面上，以获得一致的分析结果。由于被分析的样品通常至少相对于激光束采样区域的大小而言是不均匀的，LIBS分析系统通常提供入射激光束和样品表面之间的相对运动，以便可以在多个不同的表面区域分析样品，以获得对其元素构成的更具代表性的测定。然而，被分析的样品通常具有相对不平坦的表面，因此当样品被移动以暴露其表面的不同区域以进行LIBS分析时，激光必须反复重新聚焦。
从US 9,267,842可知，提供了一种手持式自动聚焦LIBS分析系统，包括配置为沿第一轴移动的聚焦透镜、具有沿第一轴定向并穿过聚焦透镜的输出的烧蚀激光器、从安装用于在垂直于第一轴的平面中进行相对移动的样品输出强度数据的光谱仪，以及控制器系统，控制器系统响应于光谱仪的输出并且配置为实现样品的相对移动以暴露多个不同的区域以供分析，并且在每个不同的区域重复激发激光，处理光谱仪的输出，并调整聚焦透镜相对于样品的位置，直到光谱仪输出指示聚焦到样品该区域的一个点上烧蚀激光输出产生的等离子体的最大或接近最大强度。不幸的是，这种自动聚焦方案需要在每个采样区域进行多次测量，每次在透镜的沿第一轴的不同位置进行，以便为该区域的LIBS分析建立激光输出的最佳焦点。这会导致样品的分析时间增加，并且由于同一区域的大量激光烧蚀实例可能导致分析结果出现错误。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了LIBS分析系统，包括：具有焦平面的聚焦透镜；激光器，配置为在沿着光路的方向上通过聚焦透镜传播激光束以聚焦在焦平面上；具有与入射电磁辐射强度成正比的输出的检测器；样品架，用于固定样品，其上表面与光路相交；平移机构，可操作以实现样品架和聚焦透镜的相对运动，以改变焦平面沿光路相对于样品架的定位点；以及控制器，配置为自动控制所述平移机构的操作以实现相对运动，以达到焦平面和与光路相交的上表面的分析区域处于重合或接近重合的最佳位置，其中控制器进一步配置为根据存储在控制器可访问的存储器中的数学变换计算最佳位置，该变换将上表面的与光路相交的区域的测量数据与最佳位置相关联，并且使用从来自由激光束撞击样品上表面的一个或多个其他区域而产生的等离子体的电磁辐射获得的输出生成。通过采用计算而不是测量激光在每个采样区域的最佳位置的变换，减少了非分析测量的数量。
在实施方案中，控制器配置为控制LIBS分析系统执行轮廓生成周期，在该周期期间，控制器配置为操作平移机构以实现相对运动，从而达到在上表面的第一其他区域处焦平面的沿着光路相对于样品架的多个不同位置；操作激光器以在多个不同位置中的每个位置处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置中的每个位置处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示作为强度数据与位置进行索引而获取到存储器中，用于生成数学变换。在一些实施方案中，控制器配置为处理强度数据以生成将检测器输出与焦平面的位置相关联的数学表达式并将数学表达式作为数学变换存储在存储器中。因此，为了自动聚焦的目的在采样区域执行的等离子体生成事件的数量被减少，优选地减少到一个事件。
在一个实施方案中，控制器配置为操作平移机构以在垂直于光路的平面中移动样品台以将上表面的多个不同的其他区域与光轴连续相交，每个不同的其他区域在平面中具有不同的已知定位点；操作激光束以在多个不同的其他区域中的每一个处产生等离子体，并根据在平面中不同已知定位点中的每一个处的检测器输出与强度数据的比较来生成数学变换。数学变换将识别最佳位置的信息与垂直于光路的平面中区域的定位点联系起来，并且控制器配置为操作LIBS系统以收集分析区域的定位点作为测量数据。这具有以下优点，即可以根据对该区域的定位点的了解来计算样品表面上的区域的最佳定位点，而不必首先对该区域进行烧蚀。因此，可以在样品表面的未烧蚀区域上执行LIBS分析测量。
根据本发明的第二方面，提供了操作根据第一方面的LIBS分析系统的方法，包括通过自动控制平移机构的操作以实现相对运动来将LIBS分析系统的激光器输出的激光束的焦点定位点自动调整为最佳定位点以达到焦平面和上表面的与光路相交的区域处于重合或接近重合的最佳定位点，其中该方法进一步包括使用控制器产生数学变换，该数学变换将与光路相交的上表面区域的测量数据与最佳数学相关联，并使用从来自激光束照射到样品的上表面的一个或多个其他区域所产生的等离子体的电磁辐射中获得的输出生成；获得上表面区域的测量数据并将数学变换应用于测量数据以确定最佳定位点。因此可以实现对应于第一方面的优点。
附图说明
参考附图，通过考虑以下对一个或多个非限制性实施方案的描述，将更好地理解本发明的这些和其他优点，其中：
图1示出了根据本发明的LIBS系统的示意性功能框图；
图2示出了图1所表示LIBS系统的样品和样品台的平面图；
图3示出了与根据本发明的LIBS系统的操作相关的主要步骤的流程图；
图4示出了两种碳相关等离子体发射的强度与沿z轴位置的关系图；
图5示出了根据本发明的与LIBS系统分析周期相关联的的主要步骤流程图；
图6示出了根据本发明的方法的实施方案的与数学变换的生成相关联的主要步骤的流程图；
图7示出了与采用根据图6生成的数学变换的根据本发明的LIBS系统的分析周期相关联的主要步骤的流程图；并且
图8示出了样品表面的运动数据的网格图。
具体实施方式
根据本发明的LIBS分析系统2的实施例在图1中示意性地示出为包括样品台4；聚焦透镜装置6；激光器8；探测器10；元素组成确定单元12和控制器14。
激光器8被定向成使得当被激励时，在本实施方案中，在控制器14的控制下，产生准直激光束L，该准直激光束沿光路O引导通过聚焦透镜装置6并朝向样品台4，以撞击位于样品台4上的样品20的上表面18的分析区域40。典型地，样品20具有已知尺寸和近似几何形状，并且在本实施例中是具有圆形横截面的圆柱形样品。在下文中，将假设该样品20具有大致凸出的上表面18，其最高点位于中心。这通常是由压制颗粒或颗粒材料形成的LIBS样品所呈现的形状。然而，如下文将阐明的，样品几何形状和拓扑结构的此类知识对于本发明不是必要的。
聚焦透镜装置6配置为将激光束L聚焦在位于沿光路O的给定位置处的焦平面F。可以在控制器14的控制下进行聚焦透镜装置6和样品台4的相对移动，以使焦平面F与样品20的上表面18重合(或接近重合)。通过激光束L撞击上表面18的分析区域40产生等离子体当达到这种重合(或接近重合)时，它具有最大(或接近最大)强度。
控制器14可以包括一个或多个微处理器、数据处理器、存储器设备、数字信号处理器、模拟和/或数字电路或类似部件、和/或专用集成电路设备并且可以是分布式的，例如，一个数据处理器可以与元素组成确定单元12相关联，而另一个数据处理器可以配置为确定强度分布数据(如下所述)，并且微控制器可以与激光器8相关联，另一个微控制器可以与平移机构22相关联。对于用于配置控制器14以如下所述操作的算法、软件、固件等同样如此。
提供平移机构22以实现相对运动并且可以包括步进电机、蜗杆驱动器、电磁线圈或其他平移装置。在本实施方案中，平移机构配置为响应于来自控制器14的指令，至少在平行于光路O的方向(“z”方向)上控制样品台4的移动。在本实施方案中，平移机构22还配置为实现样品台4在垂直于z方向的平面(图1和图2中所示的“x-y”平面)中的移动，使得随着在xy平面中进行激光束L与样品台4上的样品20之间的相对运动，激光束L可以撞击样品20的上表面18的不同区域。因此，本平移机构22配置为在三个正交方向(x方向、y方向和z方向)上独立地控制样品台4的移动。在一些实施方案中，平移机构22可以是分布式的，包括两个或更多个单独的单元，并且可以附加地或替代地控制聚焦透镜装置6的运动以实现z方向和x-y平面中的相对运动之一或两者。在一些实施方案中，平移机构22可以配置为实现样品台4(因此样品20)在x-y平面中围绕平行于z方向的轴的旋转。
检测器10配置为产生与入射在其上的电磁辐射的强度成比例的输出。在本实施方案中，检测器10包括光谱仪，该光谱仪配置为产生电信号输出，该电信号输出指示作为波长的函数的接收电磁辐射的幅度，以供控制器14和元素组成确定单元12之一或两者处理。检测器10被定位成接收由激光器8产生的激光束L撞击样品20的上表面18产生的等离子体的电磁辐射。来自等离子体的电磁辐射沿着检测路径行进，在本实施方案中，该检测路径包括聚焦透镜装置6；光学元件24，并连接到检测器10。
光学元件24沿光路O位于激光器8和聚焦透镜装置6之间，并被形成为通过激光束L并在朝向检测器10的方向上反射来自等离子体的较低能量的电磁辐射。
元素组成确定单元12配置为接收从检测器10输出的电信号并且以LIBS分析领域已知的方式确定被聚焦激光束L撞击的样品20的分析区域40的组成。在一些实施方案中，元素组成确定单元12的操作由控制器14控制，使得仅当焦平面F与样品20的上表面18重合(或接近重合)时才进行组成确定。
控制器14通过合适的编程配置为操作LIBS系统2，基本上如图3所示，以便为放置在样品台4上的每个样品20执行轮廓生成周期。在该轮廓生成周期期间，针对不同于分析区域40的上表面18的第一其他区域16收集强度数据。该强度数据代表针对焦平面F的沿光路O的相对于沿着焦平面F的位置索引的多个不同位置测量强度值。在本实施方案中，控制器14激励平移机构22以将样品台4定位在沿光路O相对于焦平面F的初始位置处(图3的步骤2)，并且优选地但不是本质上，将上表面18的中心与光路O对齐，以便随后生成的强度数据将用于第一其他区域16，此处处于样品表面18的最高部分处。然后，在本实施方案中，控制器14激励激光器8以产生激光束L，该激光束在第一其他区域16处撞击样品的上表面18。从检测器10接收到的电信号输出相对于初始位置的表示索引地被存储在存储器26中(图3的步骤4)作为强度数据的元素。控制器14然后操作以激励平移机构22以相对于焦平面F沿着光路O将样品台4移动到新位置(图3的步骤6)；使激光器8再次发射光束L以撞击第一其他区域16并将从检测器10接收到的电信号输出相对于新位置的表示索引地存储在存储器26中(图3的步骤8)作为强度数据的另外的元素。重复这些步骤(步骤6和步骤8)，直到在控制器(步骤10)中确定已经到达沿光路O的最终位置为止。样品台4沿光路O相对于焦平面F的初始位置和最终位置对应于选定的预定位置范围，预定位置范围倍选择以确保焦平面F与样品台4上的样品20的上表面18重合(或接近重合)的位置被包围。该位置表示入射到检测器10上的电磁辐射的强度最大(或接近最大)的最佳位置。在一个实施方案中，位置的变化被迭代地完成，使得样品台4采用在初始位置和最终位置之间的离散位置。在另一个实施方案中，位置的变化在初始位置和最终位置之间基本连续地进行。在一些实施方案中，激光器8可以仅在样品台4的一个移动方向期间被控制器14激励，而在其他实施方案中，激光器8在样品台4的双向移动期间被激励。
在一些实施方案中，控制器14可以在该强度数据生成周期期间给平移机构22通电以移动样品台4，例如将圆(如图2所示)描述为第一其他区域16，从而对于样品台4的沿着光路O的每个新位置暴露上表面18的新部分。第一其他区域16的每个新部分应该足够接近该区域16的先前新部分，使得上表面18的形貌没有显着变化(即，不会由于高度变化而对等离子体有可测量的影响)，并且在组成变化不会显着影响等离子体强度的限度内，组成保持恒定。
在一些实施方案中，在初始位置和最终位置之间的每个位置处以一个或多个特定波长测量等离子体的强度。在一些实施方案中，可以选择两个特定波长，例如图4中分别图示为C193(暗线)和C230(亮线)的193纳米(nm)和230nm处的碳等离子体发射线。C193发射线是由于中性碳，而C230是由于电离碳，并且发生在比C193发射线更高的等离子体温度下。由于产生的等离子体的特性，在样品上表面18上方一定距离处的等离子体中出现更高的温度。这又意味着样品台4沿z方向的达到最大等离子体强度的位置对于每个发射线(C193和C230)都会不同。该差异可用于确定在如下所述的自动聚焦程序中移动样品台4的方向。应当理解，可以基于预期的样品组成来选择元素发射线，例如应该选择由于构成基本样品基质的元素引起的发射线而不是由于潜在样品杂质引起的发射线(对于例如有机样品中的碳、氢或氮元素发射线)。可以选择另一条发射线来表示连续谱等离子体发射，因为已知连续谱发射的强度随着等离子体温度的增加而增加。
一旦控制器14已经操作以实现初始位置和最终位置之间的所有期望位置，控制器14配置为访问存储器26(图3的步骤12)并处理存储的强度数据以便识别样品台4沿z方向的对应于存储强度数据的最大(或接近最大)强度的最佳位置(zOPT)(图3的步骤12a)，并激活平移机构22以移动样品阶段4到如此确定的最佳位置(图3的步骤12b)。例如，从图4可以看出，在该实施方案中，zOPT约为0.6毫米(mm)。
控制器14还配置为控制LIBS系统2执行校准生成周期(图3的步骤14)，在该周期期间，控制器14使用存储在存储器26中的强度数据生成数学变换，该数学变换将沿z方向的最佳位置与样品上表面18的区域的可测量特性相关并且将数学变换存储在存储器26中以用于下文描述的自动聚焦程序。
在一些实施方案中，校准生成周期(步骤14)包括使用存储在存储器26中的强度数据生成数学变换，该数学变换将样品台4沿z方向的位置与强度联系起来，该强度数据是在轮廓生成周期期间从样品20的上表面18的第一其他区域16获得的。在这些实施方案的分析周期(见图5)期间，控制器14在步骤16操作平移机构22以在x-y平面中移动样品20以呈现上表面18的分析区域40，该分析区域40未在在步骤14的数学变换产生中使用。在步骤18，控制器14操作激光器8以从该分析区域40产生等离子体，并且所产生的等离子体的强度作为样品上表面18的区域的测量数据获得，数学变换将最佳位置zOPT与测量数据相关。在步骤20，控制器14然后启动自动聚焦例程，在该例程期间，数学变换被应用于所获得的强度，并且确定对应于该强度的沿z轴的位置。将该位置与最佳位置zOPT进行比较，并计算出差异。
在一些实施方案中，可以对应于不同的温度发射来确定在两个不同波长处的发射强度。如图4所示，对于沿z方向的位置，在这些位置，高温发射(此处为C230发射)的测量强度低于其他发射(此处为C193发射)，这将对应于低于最佳定位点zOPT的样品表面，并且当测量强度高于另一个时，这将对应于最佳定位点zOPT上方的样品表面。可以在控制器14中利用该信息来确定样品台4沿z方向的所需移动方向。
在步骤22，控制器14然后操作平移机构22以移动样品台4对应于计算出的差异的量(并且任选地在从如以上所讨论的两个波长处的发射强度的比较确定的方向上)。从而使焦平面F与分析区域40处的样品台4上的样品20的上表面18重合(或接近重合)。在步骤24，控制器14然后操作激光器8以再次产生来自该分析区域40的等离子体。在步骤26，控制器14操作元素组成确定单元12以分析电信号输出，该电信号输出指示作为其从检测器10接收的、入射在检测器10上的波长的函数的电磁辐射的幅度。然后，样品20的分析区域40的组成由元素组成确定单元12以LIBS分析领域中已知的方式从该波长相关强度数据确定。
在一些实施方案中，校准生成周期(步骤14)包括执行图6中所示的步骤以便生成表面图。在步骤14a，控制器14操作平移机构22以在x-y平面中将样品台移动预定量，以便将样品12的上表面18的另外的其他区域暴露于激光束L。在步骤14b，控制器14激励激光器8以在该另外的其他区域产生等离子体并且检测器10产生与来自该等离子体的电磁辐射强度相对应的输出。在步骤14c，控制器14操作以确定对应于该强度的沿z方向的位置。将该位置与最佳位置进行比较，并且在一些实施方案中，计算两者之间的差Δz，其在步骤14d相对于该另外区域的位置(例如样品台4的绝对x，y位置或相对于第一其他区域16的记录强度随沿z方向位置的变化的x，y位置或坐标系的其他原点选择测量的位置Δx，Δy)索引地存储在存储器26中。在一些实施方案中，该差Δz可以在后面的步骤中确定，并且确定的沿着z方向的位置相对于关联的另外的其他区域的定位点的指示索引地被存储在存储器26中。
重复这些步骤，直到在步骤14e确定在x-y平面中的已知定位点的足够数量的另外的其他区域已经暴露于激光束L，从而可以生成数学变换。在一些实施方案中，在样品台4设置在最佳定位点zOPT的情况下，另外的其他区域位于一个或多个圆上(在图2中示为三个圆34、36、38)。
在步骤14f，生成数学变换，该数学变换将实现最佳位置zOPT所需的沿z方向的移动量(Δz)与区域在x-y平面中的定位点进行映射。这可以通过样条或多项式表面拟合来实现，例如使用在诸如来自USA Natick,MA 01760-2098的MathWorks的
Figure BDA0003364019000000091
之类的市售软件中提供的相应算法，该软件产生在测量点之间内插的校准。
在这些实施方案的分析周期(见图7)中，在步骤28采用表面映射作为数学变换，控制器14操作平移机构22以在x-y平面(Δx,Δy)中将样品20移动已知量，以呈现上表面18的分析区域40，该区域在步骤14的数学变换的生成中未采用。分析区域40在xy平面中的绝对(或者，可替代地，相对)定位点，通常是x和y坐标的指示，被用作样品上表面18的区域的测量数据，数学变换将最佳位置zOPT与该测量数据相关联。控制器14然后启动自动聚焦例程，在该例程期间，在步骤30，数学变换被应用到获得的定位点信息，并且计算实现最佳位置zOPT所需的沿z轴的移动量Δz用于分析区域40。在步骤32，控制器14然后操作平移机构22以移动样品台4对应于计算的移动量Δz的量，从而使焦平面F与分析区域40处的样品台4上的样品20的上表面18重合(或接近重合)。在步骤34，控制器14操作激光器8以从该分析区域40产生等离子体，并且在步骤36，操作元素组成确定单元12以分析该电信号输出，电信号输出表示来自生成的等离子体的电磁辐射的大小，它是其从检测器10接收到的、入射到检测器10上的波长的函数，并且以LIBS分析领域中已知的方式根据该波长相关强度数据确定样品20的该分析区域40的组成。
现在将参考图8描述参考图1描述的LIBS分析系统2的实施例，其配置为根据关于图2、图3、图4、图6和图7所描述的方法操作。
在用于位于样品台4上的样品20的强度数据生成周期(见图3)期间，控制器14访问并运行存储在存储器26中的程序代码以引起C193和C230发射线的强度数据的采集和存储在存储器26中。具体地，在本实施方案中，控制器14启动平移机构22以将样品台14移动一圈并依次将上表面18的第一其他区域16的多个新部分暴露于激光束L。在此在一个实施方案中，平移机构22被激活以移动样品20，使得第一其他区域的多个部分将位于靠近圆柱形样品20的中心的圆16上。在第一其他区域16的多个新部分中的每个部分中，控制器14控制平移机构22将样品台4沿z方向移动到新位置，选择每个位置，以便所有位置一起跨越预定位置范围，包括最佳位置ZOPT和低于和高于此最佳位置ZOPT的位置。存储在存储器26中的强度数据表示等离子体产生的电磁辐射的强度值，这里为193nm和230nm，相对于沿z方向的位置索引，如图4所示。如上文结合图4所讨论的，曲线30代表193nm处以毫米为单位的位置z的强度变化，曲线32代表230nm处相同位置处的强度变化。对同一位置z处的两个强度进行比较，可以确定样品表面在z方向上的移动方向，以获得最佳位置ZOPT。
存储在存储器26中的与193nm处的发射(最靠近样品表面18产生)相关的强度数据由控制器14处理以确定在z方向上的位置，在该位置处测量的强度处于最大值。该确定的位置表示最佳位置ZOPT，在该定位点，激光束L的焦平面F与样品20的上表面18重合(或几乎重合)的位置的最佳位置ZOPT，这里被确定为0.6mm。
一旦控制器14确定了最佳位置zOPT，LIBS分析系统2在控制器14的控制下执行校准生成周期(见图6)。在校准生成周期期间，系统2被控制以获取来自样品20的上表面18上的多个已知定位点和样品架4在z方向上相对于最佳定位点zOPT(优选最佳位置zOPT)的固定的相同定位点的等离子体发射强度数据。具体在本实施方案中，在样品台4的位置相对于最佳位置zOPT(这里选择该固定位置为zOPT)沿z方向的位置固定的情况下，控制器14启动平移机构22移动样品台14顺序地将描述样品20的上表面18的圆34、36、38的多个其他区域暴露于激光束L，其中多个其他区域的每个区域具有在样品表面18上的x-y平面中的不同于先前暴露于激光束L的所有其他区域的已知定位点。在该实施方案中，平移机构22由控制器14激活以移动样品台4(因此是样品20)，使得多个其他区域将位于样品20的上表面18上的一个或多个(此处为三个)圆34、36、38上。
在圆34、36、38上的多个其他区域的每一个处，控制器14操作激光器8以产生激光束L以在该其他区域撞击上表面18并产生等离子体。来自等离子体的以193nm和230nm的两个波长入射在检测器10上的电磁辐射的强度值与其他区域的定位点的表示一起存储在存储器26中，例如原点在样品20的中心的笛卡尔坐标(x，y)。在控制器14中，将193nm处的发射的每个这样的强度值与强度值进行比较，该强度值构成在样品台4的沿z方向的多个不同位置以及从这些位置确定的、193nm发射的强度值与强度数据的强度值重合(或接近重合)的沿z方向的位置处获得的强度数据。由此，可以将值Δz计算为沿z方向的确定位置与最佳位置zOPT之间的差值。因此，该值Δz表示在该区域使该区域的表面与激光束L的焦平面F重合(或接近重合)所需的沿z方向的移动。在本实施方案中，控制器14访问存储在存储器26中的数学变换，通过该数学变换将强度值关联到沿z方向的位置并且将该区域处的193nm发射的强度值应用于变换以计算实现了重合的位置。如上所述，可以在该区域比较193nm和230nm强度来确定实现最佳位置zOPT所需的沿z轴的移动方向。所确定的位置或所需运动的计算值Δz(优选后者)中的一个或两者相对于x-y平面中的另一区域的定位点索引地被存储在存储器26中，作为运动数据。
在采集与圆34、36、38相关联的所有多个不同的其他区域的运动数据时，控制器14处理采集的索引运动数据以生成数学变换，该数学变换将运动数据关联到x-y平面中的一个区域的定位点并将该变换存储在存储器26中(由图8中的网格图42说明)。数学变换可以使用本领域公知的数学拟合算法，例如来自USA Natick,MA 01760-2098的MathWorks的
Figure BDA0003364019000000121
由数据点(图8中的P1例示)的三次样条拟合来生成。
然后控制器14操作以控制LIBS分析系统2以执行分析周期(见图7)，在此期间控制器14激活平移机构22以至少一次移动样品台4已知量并将样品8的上表面18的分析区域40暴露于先前未暴露于激光束L的激光束L。由于样品台4移动了已知量，因此分析区域40的位置是已知的。控制器14操作以访问数学变换并将其应用于该分析区域40的已知位置(这里是区域40的x，y坐标)以确定样品台4在z方向上的位置zOPT，在该位置，焦平面F与分析区域40处的上表面18重合(或接近重合)，然后控制平移机构22在z方向移动样品台一个量Δz以实现最佳位置zOPT。然后控制器14使激光器8通电。由通电的激光器8产生的激光束L撞击暴露的分析区域40并产生等离子体。检测器10的输出代表来自撞击它的产生的等离子体的电磁辐射的强度，该输出被传送到元素组成确定单元12以在其中以本领域已知的方式进行分析，以定量或定性地确定从该区域产生样品20的上表面18的分析区域40的感兴趣元素的浓度或存在。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.LIBS分析系统(2)，包括：具有焦平面(F)的聚焦透镜装置(6)；激光器(8)，配置为在沿着光路(O)的方向上通过所述聚焦透镜装置(6)传播激光束(L)以聚焦在所述焦平面(F)处；具有与入射电磁辐射强度成比例的输出的检测器(10)；用于保持样品(20)的样品架(4)，其上表面(18)与光路(O)相交；平移机构(22)，可操作以实现所述样品架(4)和所述聚焦透镜装置(6)的相对运动，以改变所述焦平面(F)沿所述光路(O)相对于所述样品架(4)的位置；以及控制器(14)，配置为自动控制所述平移机构(22)的操作以实现相对运动以实现所述焦平面(F)和所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)重合或接近重合的最佳位置(zOPT)，其中，所述系统(2)还包括所述控制器(14)能访问的存储器(26)，并且所述存储器中存储有数学变换，该变换是使用从来自所述激光束(L)撞击所述样品(20)的上表面(18)的不同于所述分析区域(40)的一个或更多个其他区域(16；34；36；38)所产生的等离子体的电磁辐射获得的所述检测器(10)的输出而生成的，所述数学变换将所述分析区域(40)的测量数据与最佳位置相关联，并且其中所述控制器(14)还配置为基于存储在所述存储器(26)中的数学变换来计算所述最佳位置(zOPT)并且控制所述平移机构(22)的操作来达到所述最佳位置(zOPT)。
2.如权利要求1所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述平移机构(22)以实现所述相对运动以实现在上表面(18)的第一其他区域(16)处所述焦平面(F)相对于样品架(4)沿所述光路(O)的多个不同位置；操作所述激光器(8)以在所述多个不同位置的每一个处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示相对于位置索引地获取到所述存储器(26)中，作为用于生成所述数学变换的强度数据。
3.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为处理所述强度数据以生成将检测器输出与所述焦平面(F)的位置相关联的数学表达式并将所述数学表达式作为所述数学变换存储在所述存储器中。
4.如权利要求3所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述激光器(8)以在所述分析区域(40)处产生等离子体；将根据来自产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器(10)的输出作为所述测量数据获取到所述存储器(26)中，并通过对所述测量数据应用所述数学变换来计算所述分析区域(40)的最佳位置。
5.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)还配置为操作所述平移机构(22)以在垂直于光路(O)的平面中移动样品台(4)以使所述上表面(18)的多个不同的其他区域(34、36、38)与所述光轴(O)连续相交，每个不同的其他区域(34；36；38)在平面中具有不同的已知定位点；操作所述激光器(8)以在所述多个不同的其他区域(34；46；38)的每一个处产生等离子体，并根据在所述平面中的不同的已知定位点中的每一个处的所述检测器(10)的输出与所述强度数据的比较来生成所述数学变换。
6.如权利要求5所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述数学变换将识别所述最佳位置的信息与平面中垂直于光路的区域的定位点相关联，并且所述控制器(14)配置为操作所述LIBS系统(2)以收集所述分析区域(40)的定位点作为所述测量数据。
7.操作根据权利要求1的LIBS分析系统(2)的方法，包括通过自动控制所述平移机构(22)的操作以实现相对运动来自动地将所述激光器(8)输出的激光束(L)的焦点定位点(F)调整到所述焦平面(F)和上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)处于重合或接近重合的最佳定位点(步骤22；步骤32)的最佳位置(zOPT)，以达到所述最佳位置(zOPT)，其中该方法还包括使用所述控制器(14)生成数学变换，该数学变换将所述分析区域(40)的测量数据与最佳位置(zOPT)相关联并且使用从来自由激光束(L)撞击样品(20)的上表面(18)的不同于所述分析区域(40)的一个或多个其他区域(16；34、36、38)产生的等离子体的电磁辐射获得的所述检测器(10)的输出生成(步骤14；步骤14f)；获得上表面(18)的分析区域(40)的测量数据(步骤18；步骤28)并对所述测量数据应用所述数学变换以确定所述分析区域(40)处的最佳位置(zOPT)(步骤20；步骤30)。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：自动控制所述平移机构(22)以实现相对运动以达到在上表面(18)的单个其他区域(16)处所述焦平面(F)的相对于样品架(4)沿光路(O)的多个不同位置(步骤6)；操作所述激光器(8)以在多个不同位置中的每一个处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置中的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示相对于位置索引地获取到所述存储器(26)中作为强度数据(步骤8)，用于生成数学变换(步骤14；步骤14f)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，生成所述数学变换包括在所述控制器(14)中处理强度数据以产生将检测器输出与焦平面(F)的位置相关联的数学表达式并将所述数学表达式作为所述数学变换存储在所述存储器中(步骤14)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，获得测量数据(步骤18)包括操作所述激光器以在所述上表面的区域中产生等离子体；将激光器(8)输出的激光束(L)的焦点位置(F)调整到最佳位置(zOPT)包括通过对从来自产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出应用所述数学变换来计算该区域的最佳位置(zOPT)(步骤20)；并且操作所述平移机构(22)以将所述样品台(4)移动到最佳位置(zOPT)(步骤22)。
11.如权利要求8所述的方法，其中，生成所述数学变换(步骤14f)包括操作所述控制器(14)给平移机构(22)通电并且在垂直于所述光路的平面中移动所述样品台(4)以将上表面的多个不同区域与光轴连续相交(步骤14a)；操作所述激光器(8)以产生等离子体(步骤14b)，并将从来自在多个不同区域中的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出相对于平面中的相应区域的定位点索引地存储在所述存储器中(阶段14d)，用于根据平面中相应区域的每个定位点处的检测器输出与强度数据的比较生成所述数学变换(步骤14f)。

Claims (11)

1.LIBS分析系统(2)，包括：具有焦平面(F)的聚焦透镜装置(6)；激光器(8)，配置为在沿着光路(O)的方向上通过所述聚焦透镜装置(6)传播激光束(L)以聚焦在所述焦平面(F)处；具有与入射电磁辐射强度成比例的输出的检测器(10)；用于保持样品(20)的样品架(4)，其上表面(18)与光路(O)相交；平移机构(22)，可操作以实现所述样品架(4)和所述聚焦透镜装置(6)的相对运动，以改变所述焦平面(F)沿所述光路(O)相对于所述样品架(4)的定位点；以及控制器(14)，配置为自动控制所述平移机构(22)的操作以实现相对运动以实现所述焦平面(F)和所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)重合或接近重合的最佳位置，其中，所述控制器(14)还配置为根据存储在所述控制器(14)能访问的存储器(26)中的数学变换计算所述最佳位置，该变换将所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)的测量数据与最佳定位点相关联，该变换是使用从来自所述激光束(L)撞击所述样品(20)的上表面(18)的一个或更多个其他区域(16；34；36；38)所产生的等离子体的电磁辐射获得的输出而生成的。
2.如权利要求1所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述平移机构(22)以实现所述相对运动以实现在上表面(18)的第一其他区域(16)处所述焦平面(F)相对于样品架(4)沿所述光路(O)的多个不同位置；操作所述激光器(8)以在所述多个不同位置的每一个处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示相对于位置索引地获取到所述存储器(26)中，作为用于生成所述数学变换的强度数据。
3.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为处理所述强度数据以生成将检测器输出与所述焦平面(F)的位置相关联的数学表达式并将所述数学表达式作为所述数学变换存储在所述存储器中。
4.如权利要求3所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述激光器(8)以在所述分析区域(40)处产生等离子体；将根据来自产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器(10)的输出作为所述测量数据获取到所述存储器(26)中，并通过对所述测量数据应用所述数学变换来计算所述分析区域(40)的最佳位置。
5.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述平移机构(22)以在垂直于光路(O)的平面中移动样品台(4)以使所述上表面(18)的多个不同的其他区域(34、36、38)与所述光轴(O)连续相交，每个不同的其他区域(34；36；38)在平面中具有不同的已知定位点；操作所述激光器(8)以在所述多个不同的其他区域(34；46；38)的每一个处产生等离子体，并根据在所述平面中的不同的已知定位点中的每一个处的所述检测器(10)的输出与所述强度数据的比较来生成所述数学变换。
6.如权利要求5所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述数学变换将识别所述最佳位置的信息与平面中垂直于光路的区域的定位点相关联，并且所述控制器(14)配置为操作所述LIBS系统(2)以收集分析区域(40)的定位点作为所述测量数据。
7.操作根据权利要求1的LIBS分析系统(2)的方法，包括通过自动控制所述平移机构(22)的操作以实现相对运动来自动地将所述激光器(8)输出的激光束(L)的焦点定位点(F)调整到最佳定位点zOPT，以达到所述焦平面(F)和上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)处于重合或接近重合的最佳定位点(步骤22；步骤32)，其中该方法还包括使用所述控制器(14)生成数学变换，该数学变换将所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)的测量数据与最佳定位点相关联并且使用从来自由激光束撞击样品(20)的上表面(18)的一个或多个其他区域(16；34、36、38)产生的等离子体的电磁辐射获得的输出生成(步骤14；步骤14f)；获得上表面(18)的分析区域(40)的测量数据(步骤18；步骤28)并对所述测量数据应用所述数学变换以确定所述分析区域(40)处的最佳定位点(步骤20；步骤30)。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：自动控制所述平移机构(22)以实现相对运动以达到在上表面(18)的单个其他区域(16)处所述焦平面(F)的相对于样品架(4)沿光路(O)的多个不同定位点(步骤6)；操作所述激光器(8)以在多个不同定位点中的每一个处产生等离子体，并将从来自在多个不同定位点中的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示相对于定位点索引地获取到所述存储器(26)中作为强度数据(步骤8)，用于生成数学变换(步骤14；步骤14f)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，生成所述数学变换包括在所述控制器(14)中处理强度数据以产生将检测器输出与焦平面(F)的定位点相关联的数学表达式并将所述数学表达式作为所述数学变换存储在所述存储器中(步骤14)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，获得测量数据(步骤18)包括操作所述激光器以在所述上表面的区域中产生等离子体；将激光器(8)输出的激光束(L)的焦点定位点(F)调整到最佳定位点zOPT包括通过对从来自产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出应用所述数学变换来计算该区域的最佳定位点zOPT(步骤20)；并且操作所述平移机构(22)以将所述样品台(4)移动到最佳定位点zOPT(步骤22)。
11.如权利要求8所述的方法，其中，生成所述数学变换(步骤14f)包括操作所述控制器(14)给平移机构(22)通电以在垂直于所述光路的平面中移动所述样品台(4)以将上表面的多个不同区域与光轴连续相交(步骤14a)；操作所述激光器(8)以产生等离子体(步骤14b)，并将从来自在多个不同区域中的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出相对于平面中的相应区域的定位点索引地存储在所述存储器中(阶段14d)，用于根据平面中相应区域的每个定位点处的检测器输出与强度数据的比较生成所述数学变换(步骤14f)。
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