專利名稱：激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置是為激光燒蝕微區(qū)分析提供一種簡單準(zhǔn)確的聚焦裝置，主要涉及材料成分分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾十年來，激光燒蝕在材料成分分析領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦冶、地質(zhì)、考古、環(huán)境、化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。分析對象可以是固相樣品微選區(qū)和微粒樣品，也可以是氣相和液相樣品，也可分析導(dǎo)體、非導(dǎo)體或高溫熔融樣品，樣品不需要前處理或僅需簡單處理，空間分辨率在5～10um，檢測限在ppt量級。
激光燒蝕微區(qū)分析中，激光可以直接作為樣品原子/離子化源的分析儀器，如LA-OES/MS等，或激光作為樣品蒸發(fā)源，電感耦合等離子體ICP、微波誘導(dǎo)等離子體MIP或空陰極放電HCD作為原子/離子化源的儀器，如LA-ICP/MIP/HCD-MS。在這些儀器中，激光燒蝕的目的是，激光聚焦在樣品表面，將激光能量有效耦合到樣品中，燒蝕產(chǎn)生穩(wěn)定靈敏的發(fā)射譜線或穩(wěn)定均勻的樣品量，以進(jìn)行定量分析。
激光參數(shù)中影響定量分析結(jié)果的如激光模式、激光能量和重復(fù)頻率都可通過參數(shù)的優(yōu)化獲得相對好的再現(xiàn)性。激光在樣品表面的聚焦位置直接影響耦合到樣品中的能量，在現(xiàn)有的商用儀器或其他的公開的激光燒蝕裝置中的聚焦裝置，很難保證激光在樣品表面聚焦位置的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的聚焦方法中，通常是通過人眼觀察顯微成像CCD中樣品的清晰程度來進(jìn)行調(diào)節(jié)聚焦位置，見文獻(xiàn)laser ablation in ahalyticalchemistry-a review，Richard E.Russo，xiaolei mao，haichen liu ect，Talanta，57(2002)427。這種聚焦方法存在的問題是1)CCD顯微成像光路和激光輸出光路為同一光路，激光焦距取決于激光波長，激光束的聚焦點(diǎn)和光學(xué)成像聚焦點(diǎn)不在同一位置；2)適合表面平整的樣品，不適合表面不平整的樣品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供解決激光燒蝕微區(qū)分析中的上述聚焦方法不足的一種測距自動(dòng)聚焦裝置。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是采用激光三角測量原理，半導(dǎo)體激光器作為光源，CCD傳感器作為光接收探測器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)樣品工作臺(tái)的自動(dòng)聚焦裝置。
本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是，所述的聚焦裝置包括激光三角測量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)激光三角測量系統(tǒng)由激光器，發(fā)射透鏡，接收透鏡，探測器組成，激光器發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射透鏡會(huì)聚后照射在被分析樣品表面處，由被分析樣品表面反射回來的光線經(jīng)接收透鏡成像于探測器，從基準(zhǔn)面到被分析樣品表面沿入射光方向發(fā)生位移X，從而引起探測器像斑發(fā)生位移X′，進(jìn)而引起探測器輸出信號(hào)的變化。被分析樣品位移X和探測器像斑位移X′滿足三角測量原理，被分析樣品和燒蝕用激光透鏡的相對距離S的計(jì)算公式為X=X′LL′sinα-X′cosα]]>S＝S0±X若被分析樣品表面由基準(zhǔn)面位置下移，式中取″-″，反之取″+″號(hào)，L、L′-分別是基準(zhǔn)面處物距和像距，α是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，S0為激光聚焦透鏡到基準(zhǔn)面的距離；信號(hào)采集處理系統(tǒng)由探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路和計(jì)算機(jī)組成，探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路采集探測器輸出信號(hào)的變化，計(jì)算機(jī)處理探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路輸出的信號(hào)，根據(jù)上述公式計(jì)算被分析樣品和燒蝕用激光透鏡的相對距離，并與給定的聚焦位置進(jìn)行比較；樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)由樣品工作臺(tái)組成，樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的比較結(jié)果，調(diào)整樣品工作臺(tái)的位置實(shí)現(xiàn)被分析樣品的移動(dòng)定位。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是，上述的樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)中，除樣品工作臺(tái)外，還包括運(yùn)動(dòng)控制卡，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路，計(jì)算機(jī)的比較結(jié)果輸送給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)樣品工作臺(tái)移動(dòng)到給定的聚焦位置，實(shí)現(xiàn)被分析樣品的自動(dòng)聚焦。
本發(fā)明的又一個(gè)技術(shù)方案是，上述激光器是半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的又一個(gè)技術(shù)方案是，上述的探測器為CCD傳感器。
本發(fā)明的再一個(gè)技術(shù)方案是，上述的發(fā)射透鏡和燒蝕用激光器的聚焦透鏡為同一透鏡。
和現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)整個(gè)聚焦過程靠聚焦裝置自動(dòng)完成，無須人工參與，準(zhǔn)確、效率高。
2)半導(dǎo)體激光方向性好，光功率高，測量分辨率高，測量精度高，因而聚焦精度高，提高激光燒蝕微區(qū)分析結(jié)果的可再現(xiàn)性。
3)可適用于不平整樣品的聚焦，可用于在線聚焦，拓寬了激光燒蝕微區(qū)分析應(yīng)用的范圍。


附圖1為本發(fā)明激光燒蝕微區(qū)分析中一種聚焦裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖做進(jìn)一步詳述。
由附圖1可看出，本發(fā)明包括激光三角測量系統(tǒng)，信號(hào)采集處理系統(tǒng)，樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)。
激光三角測量系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器1，發(fā)射透鏡2，接收透鏡4，CCD傳感器5組成，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射透鏡2會(huì)聚后照射到被分析樣品3表面，由被分析樣品3反射回來的光線通過接收透鏡4聚焦于CCD傳感器5。其測距原理為半導(dǎo)體激光器1會(huì)聚后照射在基準(zhǔn)面的O點(diǎn)處(以下簡稱物光點(diǎn))，經(jīng)接收透鏡組4成像于CCD傳感器的5光電中心O′點(diǎn)(以下簡稱像光點(diǎn))。此時(shí)CCD傳感器5的輸出為零。當(dāng)激光束照射到被分析樣品3時(shí)，物光點(diǎn)將沿入射光方向位移X，從而引起像光點(diǎn)發(fā)生位移X′，進(jìn)而引起CCD傳感器5輸出信號(hào)的變化。被分析樣品位移X和探測器像斑位移X′滿足三角測量原理，被分析樣品3和燒蝕用激光透鏡的相對距離S的計(jì)算公式為
X=X′LL′sinα-X′cosα]]>S＝S0±X若被分析樣品3表面由基準(zhǔn)面位置下移，式中取″-″；反之取″+″號(hào)。L、L′——分別是基準(zhǔn)面處的物距和像距。α是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。S0為激光聚焦透鏡到基準(zhǔn)面的距離。由此可見精確的測量X′就可以得到被分析樣品的位移量X，也就得到了被分析樣品和燒蝕用激光聚焦透鏡的距離S。
信號(hào)采集處理系統(tǒng)由CCD傳感器驅(qū)動(dòng)和采集電路6和計(jì)算機(jī)7組成，計(jì)算機(jī)7處理CCD傳感器驅(qū)動(dòng)和采集電路6輸出的信號(hào)，計(jì)算被分析樣品3和燒蝕用激光透鏡的相對距離，并與給定的聚焦位置進(jìn)行比較。
樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制卡8、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路9和樣品工作臺(tái)10組成，計(jì)算機(jī)獲得的比較結(jié)果輸送給運(yùn)動(dòng)控制卡8，運(yùn)動(dòng)控制卡8控制步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路9驅(qū)動(dòng)樣品工作臺(tái)10移動(dòng)到給定的聚焦位置。
權(quán)利要求
1.激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是，它包括激光三角測量系統(tǒng)，由激光器(1)，發(fā)射透鏡(2)，接收透鏡(4)，和探測器(5)組成，激光器(1)發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射透鏡(2)會(huì)聚后照射在被分析樣品(3)表面處，由被分析樣品(3)表面反射回來的光線經(jīng)接收透鏡(4)成像于探測器(5)，從基準(zhǔn)面到被分析樣品(3)表面沿入射光方向發(fā)生位移X，從而引起探測器(5)像斑發(fā)生位移X′，進(jìn)而引起探測器(5)輸出信號(hào)的變化，被分析樣品位移X和探測器像斑位移X′滿足三角測量原理，被分析樣品(3)和燒蝕用激光透鏡的相對距離S的計(jì)算公式為X=X′LL′sinα-X′cosα]]>S＝S0±X若被分析樣品(3)表面由基準(zhǔn)面位置下移，式中取″-″，反之取″+″號(hào)，L、L′-分別是基準(zhǔn)面處物距和像距，α是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，S0為激光聚焦透鏡到基準(zhǔn)面的距離；信號(hào)采集處理系統(tǒng)，由探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路(6)和計(jì)算機(jī)(7)組成，探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路(6)采集探測器(5)輸出信號(hào)的變化，計(jì)算機(jī)(7)處理探測器驅(qū)動(dòng)和采集電路(6)輸出的信號(hào)，計(jì)算被分析樣品(3)和燒蝕用激光透鏡的相對距離，并與給定的聚焦位置進(jìn)行比較；樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)，由樣品工作臺(tái)(10)組成，根據(jù)計(jì)算機(jī)(7)的比較結(jié)果，調(diào)整樣品工作臺(tái)(10)的位置實(shí)現(xiàn)被分析樣品(3)的移動(dòng)定位。
2.如權(quán)利要求1所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是，所述的樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)中還包括運(yùn)動(dòng)控制卡(8)和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路(9)，計(jì)算機(jī)(7)的比較結(jié)果輸送給運(yùn)動(dòng)控制卡(8)，運(yùn)動(dòng)控制卡(8)控制步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路(9)驅(qū)動(dòng)樣品工作臺(tái)(10)移動(dòng)到給定的聚焦位置，從而實(shí)現(xiàn)被分析樣品的自動(dòng)聚焦。
3.如權(quán)利要求1、2所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是所述的激光器(1)是半導(dǎo)體激光器。
4.如權(quán)利要求1、2所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是，所述的探測器(5)為CCD傳感器。
5.如權(quán)利要求3所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是所述的探測器(5)為CCD傳感器。
6.如權(quán)利要求1、2所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是所述的發(fā)射透鏡(2)和燒蝕用激光器的聚焦透鏡為同一透鏡。
7.如權(quán)利要求5所述的激光燒蝕微區(qū)分析中的一種聚焦裝置，其特征是所述的發(fā)射透鏡(2)和燒蝕用激光器的聚焦透鏡為同一透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及為激光燒蝕微區(qū)分析提供的一種聚焦裝置，由激光三角測量系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)和樣品移動(dòng)定位系統(tǒng)組成。本發(fā)明采用激光三角測量原理，半導(dǎo)體激光器作為光發(fā)射源，CCD傳感器作為光接收元件，三角測量結(jié)果經(jīng)分析處理獲得被分析樣品與燒蝕用激光聚焦鏡頭的相對位置，并與給定的聚焦位置進(jìn)行比較，利用比較結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)樣品工作臺(tái)完成燒蝕用激光在被分析樣品表面的自動(dòng)準(zhǔn)確聚焦。
文檔編號(hào)G01N21/00GK1815295SQ200610057540
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者姚寧娟, 陳吉文, 楊志軍, 沈?qū)W靜, 王海舟 申請人:鋼鐵研究總院