一种带照明和指示光的光谱采集器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种带照明和指示光的光谱采集器，其结构为：显微物镜和光纤准直镜的光轴重合，光纤束的合束端与光纤准直镜连接在一起，光纤束的一端包括三个分束端，分别与LED光源、光谱仪和半导体激光器连接在一起；工业相机与显微物镜同轴或旁轴布置，以采集等离子体发射的可见光光谱信号，LED光源、光谱仪、半导体激光器和工业相机均与计算机相连接。本发明指示光斑的尺寸为微米量级，以保证采集器的对准精度和光谱采集效率，并为机器视觉提供照明光源，实现机器视觉辅助对准技术，使本发明可以实现机器视觉辅助的光谱采集器与等离子体光谱采集点的精确对准，达到最佳光谱采集效率。
【专利说明】一种带照明和指示光的光谱采集器
【技术领域】
[0001]本发明属于光谱检测【技术领域】，具体为一种带照明和指示光的光谱采集器，主要应用于原子发射光谱(Atomic Emission Spectrum:AES),电感稱合等离子体原子发射光谱(Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrum:1CP-AES),激光诱导击穿光谱(Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy:LIBS),激光诱导突光光谱(Laser InducedFluorescence:LIF)技术中，实现采集点的准确定位和光谱信号的采集。
【背景技术】
[0002]光谱采集时，一般需要对被采集点进行精确定位，传统的光谱采集器一般没有指示装置，因此在光谱采集时存在很多问题。例如，激光诱导击穿光谱分析(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy,简称LIBS)是采用高能量密度激光激发被分析物质产生等离子体，通过分析等离子体的原子发射光谱来确定被分析物质的种类和含量的一项技术。一般来说，所激发的等离子体尺寸在几百微米到几个毫米尺寸范围内，且等离子体内部的粒子浓度和温度按照一定的规律分布。目前，光谱信号采集主要存在以下问题:第一，光谱采集效率受等离子体尺寸的限制，当等离子体尺寸在微米量级时，光谱采集器与等离子体对准比较困难，导致光谱采集效率很低；第二，光谱采集器仅能实现对等离子体光谱的宏观采集，而不能实现对等离子体微区进行采集(即对等离子体的不同辐射区域进行采集)；第三，光谱采集器不具有辅助照明功能，难以实现机器视觉辅助定位。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种带照明和指示光的光谱采集器，实现光谱信号的精确米集。
[0004]本发明提供的光谱米集器，其特征在于，它包括显微物镜、光纤准直镜、光纤束、半导体激光器、LED光源、工业相机、计算机和光谱仪，共同实现照明、指示和采集三种功能；显微物镜和光纤准直镜的光轴重合，光纤束的合束端与光纤准直镜连接在一起，光纤束的一端包括三个分束端，第一分束端与LED光源连接在一起，第二分束端与光谱仪连接在一起，第三分束端与半导体激光器连接在一起；工业相机与显微物镜同轴或旁轴布置，用来采集等离子体发射的可见光光谱信号；LED光源、光谱仪、半导体激光器和工业相机均与计算机相连接。
[0005]针对现有的光谱采集器存在的缺点，本发明提供了上述技术方案，即具有指示功能和照明功能的光谱采集器，指示光斑的尺寸为微米量级，以保证采集器的对准精度和光谱采集效率，并为机器视觉(或称监测系统)提供照明光源，利用机器视觉辅助对准，使本发明可以实现机器视觉辅助的光谱采集与等离子体光谱采集点的精确对准，达到最佳光谱采集效率。具体而言，本发明具有以下技术特点:
[0006](I)本发明最突出的特点是光谱采集器的定位精度高。用于传输指示光的光纤纤芯直径可以为50 μ m、100 μ m、200 μ m、550 μ m或900 μ m,从光纤束出射的指示光经过光纤准直镜的准直和显微物镜的聚焦作用后，其聚焦光斑直径最小可达?ο μ m,能够实现光谱采集器与等离子体采集点的精确定位。
[0007](2)本发明的第二个突出特点是能够实现对等离子体光谱进行采集。等离子体一般为椭球形或半椭球形结构，其尺寸可以达到几百微米到几个毫米，且等离子体内部的粒子浓度和温度分布不均匀，导致等离子体不同区域的光谱辐射强度和光谱类型也将有所不同。因此，通过光谱采集器的精确定位功能，能够利用光谱采集器对等离子体的不同区域进行精确对准，实现对等离子体不同区域发射光谱的采集。
[0008](3)本发明的第三个突出特点是具有照明功能。照明光纤采用多根多模光纤传输LED光源产生的可见光,可见光的光谱范围为400nm-700nm,而该发明中的显微物镜是为某特定波长设计的。因此，大数值孔径的显微物镜无法使可见光光谱范围内的所有波长聚焦到同一平面，即由照明光线出射的可见光经过光纤准直镜的准直和显微聚焦物镜的聚焦后，其在聚焦平面上将形成一定区域的光斑，从而为机器视觉提供可视光源，实现光谱采集器与等离子体采集点的精确定位(即机器视觉辅助定位)。
[0009]综上所述，与目前的等离子体光谱分析技术中的光谱采集器相比较，本发明具有如下技术优势:
[0010]第一，指示精度高。指示光斑直径最小可达10 μ m，而等离子体尺寸从几百微米到几个毫米，因此可以实现光谱采集器与等离子体采集点的精确对准；第二，能够对等离子体光谱的不同区域进行采集。在极细指示光(光斑直径为IOym)的指示作用下，可以将光谱采集器与等离子体不同区域进行精确对准，实现对等离子体不同区域发射光谱的采集；第三，该光谱采集器具有照明功能。通过多模光纤将LED光源产生的可见光传输至光纤准直镜，经过光纤准直镜的准直和显微物镜的聚焦作用下，可见光在聚焦平面上形成一定区域的光斑，为机器视觉提供可见光源。
[0011]本发明可替代现有的光谱采集系`统进行光谱的采集与分析，可以应用于材料科学与工程、机械制造、冶金、石油化工、生物工程、电子工程、核物理、农业和安全检测等诸多领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明实例提供的光谱采集器的【具体实施方式】的结构示意图；
[0013]图2为本发明实例提供的旁轴监测的光谱采集器的【具体实施方式】的结构示意图；
[0014]图3为本发明实例提供的多芯光纤束的第一种【具体实施方式】的结构示意图；
[0015]
[0016]其中，1.光纤准直镜；2.反射镜；3.显微物镜；4.光纤束；5.第一分束端；6.第二分束端；7.第三分束端；8.半导体激光器；9.LED光源；10.双绞线；11.双绞线；12.工业相机；13.千兆网网线；14.显示器；15计算机；16.光谱仪；17.同轴电缆。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0018]本发明实例提供的光谱采集器包括光谱采集监控子系统100和控制分析子系统200。其中，光谱采集监控子系统包括光纤准直镜1、反射镜2、显微物镜3、光纤束4、半导体激光器8、LED光源9和工业相机12。其中，显微物镜3的数值孔径值范围从0.07-1.4，而空气介质显微物镜的数值孔径值一般不大于0.95(本发明中，显微物镜为空气介质型，数值孔径值可为0.13,0.25,0.4,0.5或0.77)，通常选取数值孔径较大的显微物镜以获得较高的空间分辨率，提升光谱采集精度与效率；但是，显微物镜的工作距离随着数值孔径值的增大而变小，因此，显微物镜的选取原则是，在保证光谱采集的对准精度与光谱采集效率的同时，应当使显微物镜与等离子火焰保持适当的距离。本实例中显微物镜3的数值孔径值为0.4,焦距为IOmm,工作距离为6mm;控制分析子系统包括计算机15和光谱仪16。
[0019]光纤准直镜1、反射镜2和显微物镜3依次位于同一竖直光路上,显微物镜3和光纤准直镜I的光轴重合，以保证对光谱信号的精确采集。反射镜2为一款分光镜，其分光比(R:T，其中R代表反射率，T代表透过率)可以为10:90-50:50(如10:90、30:70或50:50)，本发明实例中反射镜2的分光比为30:70，从而可以同时获得最佳的光谱透过率与机器视觉效果，光谱信号经过反射镜2的反射面时，将有30%的光谱信号被反射，剩余70%的光谱信号将透过反射镜2进入到光纤准直镜I中，反射镜2的反射面与显微物镜3和光纤准直镜I的光轴成45度角，因此，被反射镜2反射的可见光光谱信号的传播方向将转折90度。工业相机12位于反射镜2的反射光路上，且二者共线，由等离子体火焰发射的可见光光谱信号透射显微物镜3后，在反射镜2的反射作用下进入工业相机12，从而实现对光谱采集器与等离子体采集点精确定位的监测。
[0020]如图3所示，光纤束4采用一分三设计结构，即“一”是指合束端A，包含全部9根光纤；“三”是指不同功能类型的光纤各自构成的三个分束端B、C、D，三个分束端B、C、D分别用于光谱信号的耦合与输出、照明和指示，并分别与光谱仪、LED光源和半导体激光器相连。
[0021]光纤束4的合束端与光纤准直镜I连接在一起。光纤束4的第一分束端5与LED光源9连接在一起，同时LED光源9通过双绞线11与计算机15相连。因此，由LED光源9发射的可见光光谱(400nm-700nm)被稱合到第一分束端5中,可见光光谱经过第一分束端5的传输到达光纤束4的合束端，从光纤束4的合束端直接入射到光纤准直镜I中，经过光纤准直镜I的准直作用，发散的可见光光束变为近似平行的出射光束(由于可见光光谱范围为400nm-700nm，而光纤准直镜只能对某一波长的激光束实现准直，因此，经过光纤准直镜准直后的可见光光束并不为平行出射的光束，而是带有一定的发散角)，从光纤准直镜I出射的近似平行的可见光光束再一次经过显微聚焦物镜3的汇聚作用后，汇聚的可见光光束成像在等离子体火焰周围，并形成一定的辐照区域，被照射的区域发出的可见光光谱信号再一次返回显微物镜3，在反射镜2的反射作用下进入工业相机12，工业相机12能够将光谱信号转化为电信号，并通过千兆网网线13输送给计算机15，监测图像在显示器14的屏眷上显不出来。
[0022]第一分束端5包含四根多模石英光纤，四根多模光纤的芯径范围从50 μ m-900 μ m (如 50 μ m、100 μ m、200 μ m、550 μ m 或 900 μ m)，为 了使四根多模光纤耦合足够强度的LED可见光，通常选取芯径较粗的多模光纤，但为了便于将四根多模光纤装配到光纤连接头的芯孔中，并且能够与其余光纤的尺寸进行匹配，本发明实例选取芯径为550um的多模光纤。
[0023] 本实例中,光纤束4的第二分束端6包含一根多模光纤(光纤材料为紫外熔融石英玻璃)，该多模光纤在紫外、可见光以及近红外光谱区域(ISOnm-1lOOnm)具有最佳的光谱透过率,其芯径范围从50 μ m-900 μ m (如50 μ m、100 μ m、200 μ m、550 μ m或900 μ m)，通常选取芯径较大的多模石英光纤以获取最佳的光谱耦合效率，但是，为了便于将该多模石英光纤装配到光纤连接头的芯孔中，并且能够与其余光纤的尺寸进行匹配，本发明实例选取芯径为200um的多模石英光纤。第二分束端6与光谱仪16连接在一起。同时，光谱仪16通过同轴电缆17与计算机15相连。因此，由光纤准直镜I收集到的等离子体光谱信号在光纤准直镜I的聚焦作用下被耦合到光纤束4的合束端，经过第二分束端6对等离子体光谱信号的传输进入到光谱仪16中，光谱仪16能够将等离子体光谱信号转化成电信号经由同轴电缆17送入到计算机15中进行分析，分析结果在显示器14的屏幕上显示出来。
[0024]本实例中，光纤束4的第三分束端7包含四根光纤，四根光纤可以米用单模光纤或多模光纤。单模光纤的芯径范围为8 μ m-10 μ m,多模光纤的芯径范围从50 μ m-900 μ m (如50 μ m、100 μ m、200 μ m、550 μ m或900 μ m)，通常选取纤芯直径小的光纤以获得较小的聚焦光斑，提升光谱采集的定位精度，本实例选取芯径为?ο μ m的单模光纤与半导体激光器8连接在一起，同时，半导体激光器8通过双绞线10与计算机15相连。由半导体激光器8发射的632.8nm激光被耦合到光纤束4的第三分束端7，632.8nm激光经过第三分束端7的传输到达光纤束4的合束端，从光纤束4的合束端直接入射到光纤准直镜I中，在光纤准直镜I的准直作用下，发散的激光束变为平行出射的激光束，四束平行出射的激光束混叠在一起，之后在显微物镜3的作用下(该显微聚焦物镜具有衍射极限性能)，四束平行光束重新汇聚并分离，并在聚焦平面上形成四个极细光斑，光斑直径最小可达10 μ m。
[0025]本发明也可采用附图2所示的结构，其与附图1所示的带照明和指示光的光谱采集器的主要区别在于工业相机12的监测方式不同，图1中工业相机12采取同轴监测方式，而图2中工业相机12采取旁轴监测方式，且显微物镜3与光纤准直镜I通过统一标准的螺纹接口连接在一起，取消了反射镜2。具体为将反射镜2从显微物镜3和光纤准直镜I的中间移除，并将显微物镜3和光纤准直镜I通过统一标准的螺纹接口对接在一起，该统一标准的螺纹接口能够保证显微物镜3和光纤准直镜I的光轴重合。与此同时，将工业相机12旋转一定的角度，即工业相机12的光轴与显微物镜3的光轴保持一定的夹角(通常取夹角为30-60度)，且工业相机12的物方平面与显微聚焦物镜3的聚焦平面的交点应与显微物镜3和工业相机12的光轴交点重合，从而实现工业相机12对光谱采集器与等离子体采集点对准的精确监测。
[0026]本发明提供的带照明和指示光的光谱采集器的具体的操作步骤如下:
[0027]1.照明:首先，利用计算机15控制LED光源9发射可见光，可见光经过第一分束端5进入光纤束4，并入射到光纤准直镜I中，依次经过光纤准直镜I的准直和显微物镜3的汇聚作用后，可见光被成像到显微物镜3的像方焦平面上，并形成均匀的辐照区域；其次，被辐照区域(等离子体火焰及其周围)反射的可见光信号又返回到显微物镜3中，并经过反射镜2的反射，可见光光谱信号入射到工业相机12中，最终成像在工业相机12的感光元件表面；最后，工业相机12将光信号转化为电信号，并经过千兆网网线13传输至计算机15，最终监测画面在显示器14的屏幕上显示出来。[0028]2.指示:由计算机15控制半导体激光器8发射632.8nm激光，发射的激光束经过第三分束端7进入光纤束4，并入射到光纤准直镜I中，依次经过光纤准直镜I的准直和显微物镜3的汇聚作用后，半导体激光器8发射的632.Snm激光束被聚焦到显微物镜3的像方焦平面上，并形成四个极细的聚焦光点，通过机器视觉(或称为监测系统)，可以在显示器14的屏幕上观察到四个极细光点与等离子体采集点的位置关系(重合或偏离)，通过调节光谱采集器的前后、左右位置及俯仰角，可以在监测系统(机器视觉)的辅助作用下，使光谱采集器与等离子体采集点精确对准。
[0029]3.采集等离子体光谱:在照明和指示后，即可对等离子体发射光谱进行采集，由等离子体发射的光谱信号依次经过显微物镜3和光纤准直镜1，并在光纤准直镜I的汇聚作用下，光谱信号被耦合到光纤束4中，经过第二分束端6，光谱信号被传输至光谱仪16，光谱仪16首先将光谱信号中的不同波长的光分离，分离的光谱信号成像到光谱仪16中的成像元件上；之后，光谱仪16将光谱信号转化为电信号，并经过同轴电缆17传输至计算机15;最后，通过显示器14将分析结果显示出来。
[0030]如图2所示的带照明和指示光的光谱采集器具体的操作步骤如下:
[0031]1.照明:首先，利用计算机15控制LED光源9发射可见光，可见光经过第一分束端5进入光纤束4，并入射到光纤准直镜I中，依次经过光纤准直镜I的准直和显微物镜3的汇聚作用后，可见光被成像到显微物镜3的像方焦平面上，并形成均匀的辐照区域；其次，被辐照区域(等离子体火焰及其周围)反射的可见光直接入射到工业相机12中，最终成像在工业相机12的感光兀件表面；最后,工业相机12将光信号转化为电信号,并经过千兆网网线13传输至计算机15，最终监测画面在显示器14的屏幕上显示出来。
[0032]步骤2和3与图1所示的带照明和指示光的光谱采集器才做步骤相同。
[0033]总之，本发明将照明和指示功能与光谱采集器有机的结合在一起，能实现为监测系统(机器视觉)提供照明光源，并在机器视觉的辅助下，通过监测指示光与等离子体采集点的位置关系，完成光谱采集器与等离子采集点的精确定位。
[0034]以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种光谱采集器，其特征在于，它包括显微物镜、光纤准直镜、光纤束、半导体激光器、LED光源、工业相机、计算机和光谱仪，共同实现照明、指示和采集三种功能； 显微物镜和光纤准直镜的光轴重合，光纤束的合束端与光纤准直镜连接在一起，光纤束的一端包括三个分束端，第一分束端与LED光源连接在一起，第二分束端与光谱仪连接在一起，第三分束端与半导体激光器连接在一起； 工业相机与显微物镜同轴或旁轴布置，用于采集等离子体火焰发射的可见光光谱信号; LED光源、光谱仪、半导体激光器和工业相机均与计算机相连接。
2.根据权利要求1所述的光谱米集器，其特征在于，工业相机的光轴与显微物镜的光轴的夹角为30-60度，且工业相机的物方平面与显微物镜的聚焦平面的交点应与显微物镜和工业相机的光轴交点重合。
3.根据权利要求1所述的光谱采集器，其特征在于，该光谱采集器还包括反射镜，所述显微物镜、反射镜和光纤准直镜依次位于同一竖直光路上，反射镜为分光镜，反射镜的反射面与显微物镜和光纤准直镜的光轴成45度角，工业相机位于反射镜的反射光路上。
4.根据权利要求3所述的光谱采集器，其特征在于，所述反射镜的分光比为10:90-50:50o
5.根据权利要求1至4中任一所述的带照明和指示光的光谱采集器，其特征在于，显微物镜的数值孔径为0.13,0.25,0.4,0.5或0.77。
6.根据权利要求1至4中任一所述的光谱采集器，其特征在于，所述光纤束包含九根不同芯径的光纤，九根光纤以圆形排列或层叠式均勻分布。
7.根据权利要求1至4中任一所述的光谱采集器，其特征在于，第一分束端包含四根多模石英光纤，光纤束的第二分束端包含一根多模石英光纤，第三分束端包含四根的单模石英光纤。
8.根据权利要求7任一所述的光谱采集器，其特征在于，第一至第三分束端内光纤芯径均为 50 μ m-900 μ m。
9.根据权利要求7所述的光谱采集器，其特征在于，第一分束端内的光纤芯径为550 μ m,第二分束端内的光纤芯径为200 μ m,第三分束端内的光纤芯径为50 μ m。
10.根据权利要求9中任一所述的光谱采集器，其特征在于，显微物镜的数值孔径值为0.4，焦距为10mm，工作距离为6mm，反射镜的分光比为30:70。
【文档编号】G01J3/28GK103557938SQ201310410718
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】李祥友, 郑重, 王旭朝, 郭连波, 曾晓雁, 雷浩, 李阔湖, 郝中骐, 曾庆栋 申请人:华中科技大学