本发明涉及光学分析仪器技术领域，具体涉及的是一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置。
背景技术：
多点光谱探测可以对不均匀样品表面进行逐点扫描，从而确定样品表面相关信息的空间分布。将样品表面不同位置的信息与其位置坐标一一对应，绘制出样品某特性的平面分布图，也称为mapping。
目前各类光谱分析仪器采用三维移动平台对样品表面不同位置进行光谱探测，光学系统本身固定，三维移动平台带动样品通过步进电机在x，y，z三个维度移动，实现探测光斑与样品之间的相对移动。但是当探测对象不可移动或无法加载于样品台时，光谱探测便无法实现mapping功能。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，能实现光谱探测光的自扫描，从而克服了现有光谱mapping功能依赖于样品台移动而无法分析固定或大型样品的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，包括光学反射系统、光学聚焦单元、电控三维平移系统、光学成像系统、计算机控制单元；
所述光学反射系统用于将探测光反射，并经光学聚焦单元聚焦后照射到样品表面；
所述电控三维平移系统用于带动光学反射系统和光学聚焦单元移动，以调整光学反射系统和光学聚焦单元与固定样品之间的相对位置，使探测光以移动的方式照射到样品表面各个位置上；
所述光学成像系统用于接收由样品表面反射过来的光线并进行成像，获得样品表面形貌图像；
所述计算机用于控制电控三维平移系统和光学成像系统工作。
具体地，所述光学反射系统包括用于将探测光转至z轴方向的第一反射镜，用于将z轴方向的探测光转至x轴方向的第二反射镜，用于将x轴方向的探测光转至y轴方向的第三反射镜，以及用于将y轴方向的探测光转至-z轴方向的第四反射镜；所述第四反射镜反射的探测光进入光学聚焦单元中进行聚焦。
具体地，所述电控三维系统包括与计算机控制单元连接并用于带动第二反射镜在z轴方向上移动的z轴升降平台，用于带动第三反射镜在x轴方向上移动的x轴平移台，以及用于带动第四反射镜和光学聚焦单元在y轴方向上移动的y轴平移台。
进一步地，所述z轴升降平台上设有第一过渡板，所述第二反射镜和x轴平移台均设置在第一过渡板上。
再进一步地，所述x轴平移台包括第一电机和第一滑轨，以及与第一电机连接、可在第一电机控制下顺着第一滑轨移动的第一滑块；所述第一电机与计算机控制单元连接，并设置在第一过渡板上；所述第一滑块上设有第二过渡板，所述y轴平移台和第三反射镜均设置在第二过渡板上。
更进一步地，所述y轴平移台包括第二电机和第二滑轨，以及与第二电机连接、可在第二电机控制下顺着第二滑轨移动的第二滑块；所述第二电机与计算机控制单元连接，并设置在第二过渡板上；所述第二滑块上设有第三过渡板，所述第四反射镜和光学聚焦单元均设置在第三过渡板上。
具体地，所述光学成像系统包括用于拍摄样品表面形貌的相机，用于发射宽普照明光束的光源，用于汇聚照明光的聚光镜，用于将汇聚的赵明光反射至样品并透射样品表面反射光至相机的分束镜，以及用于反射样品表面反射光至相机的滑镜。
优选地，所述光学聚焦单元为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过设置z轴电动升降台、x轴平移台、y轴平移台，并对应设置了第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，依靠z轴电动升降台、x轴平移台、y轴平移台的移动，实现各个反射镜位置的调整，从而可以实现探测光的移动，如此一来，无论样品是否可以移动，本发明均能通过聚焦光斑在x、y、z三个方向上的灵活移动实现对样品的三维扫描，从而有效克服现有光谱mapping功能依赖于样品台移动而无法分析固定或大型样品的问题。
(2)本发明中的z轴电动升降台、x轴平移台、y轴平移台并不是相互独立的移动平台，而是相互关联的，如此既能确保探测光的发射方向的灵活改变，又能确保探测光在经过多次反射后由光学聚焦单元进行聚焦，从而便于后续的样品表面形貌拍摄。
(3)本发明设计合理、构思巧妙，通过灵活改变探测光的方向，满足了各类样品表面形貌的拍摄需要，更好地实现了mapping功能。
(4)基于本发明的结构设计，本发明中的光学聚焦单元还可以替换成显微物镜、望远镜等，从而将应用范围扩展到微分析、远程分析等领域。
附图说明
图1为本发明去掉第四反射镜和光学聚焦单元后的主视图。
图2为本发明的左视图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-支撑底板，2-第一反射镜，3-z轴电动升降台，4-第一过渡板，5-第二反射镜，6-x轴电动平移台，7-第二过渡板，8-y轴电动平移台，9-第三反射镜，10-第三过渡板，11-滑镜，12-分束镜，13-相机，14-第四反射镜，15-光学聚焦单元。
图1、2中的粗黑线为探测光的走向。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明提供了一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，能够带动光斑在x、y、z三个维度移动，使光谱探测光斑本身在固定的样品表面自扫描，从而实现探测对象固定不动状态下的mapping功能。如图1、2所示，本发明结构上包括支撑底板1、光学反射系统、光学聚焦单元15、电控三维平移系统、光学成像系统、计算机控制单元。
下面对各个部分的结构组成及其功能进行介绍。
所述的光学反射系统用于将探测光反射，其包括用于将探测光转至z轴方向的第一反射镜2，用于将z轴方向的探测光转至x轴方向的第二反射镜5，用于将x轴方向的探测光转至y轴方向的第三反射镜9，以及用于将y轴方向的探测光转至-z轴方向的第四反射镜14；所述第四反射镜14反射的探测光进入光学聚焦单元中聚焦后照射到样品表面。
所述的电控三维平移系统用于带动光学反射系统和光学聚焦单元移动，以调整光学反射系统和光学聚焦单元与固定样品之间的相对位置，使探测光以移动的方式照射到样品表面各个位置上。具体地，该电控三维平移系统包括与计算机控制单元连接并用于带动第二反射镜5在z轴方向上移动的z轴升降平台3，用于带动第三反射镜9在x轴方向上移动的x轴平移台6，以及用于带动第四反射镜14和光学聚焦单元15在y轴方向上移动的y轴平移台8。
本发明中，z轴电动升降台3、x轴平移台6、y轴平移台8并不是相互独立的移动平台，而是相互关联的，通过z轴电动升降台3、x轴平移台6、y轴平移台8实现探测光在x、y、z轴方向上的综合移动。具体来说，所述z轴升降平台3上设有第一过渡板4，所述第二反射镜5设置在第一过渡板4上。
所述的x轴平移台6包括第一电机和第一滑轨，以及与第一电机连接、可在第一电机控制下顺着第一滑轨移动的第一滑块。所述的第一电机设置在第一过渡板4上。所述的第一滑块上设有第二过渡板7，所述第三反射镜9设置在第二过渡板7上。
所述的y轴平移台8包括第二电机和第二滑轨，以及与第二电机连接、可在第二电机控制下顺着第二滑轨移动的第二滑块。所述的第二电机设置在第二过渡板7上。所述的第二滑块上设有第三过渡板10，所述第四反射镜14和光学聚焦单元15均设置在第三过渡板10上。
所述的光学成像系统用于接收由样品表面反射过来的光线并进行成像，获得样品表面形貌图像，其包括用于拍摄样品表面形貌的相机13，用于发射宽普照明光束的光源，用于汇聚照明光的聚光镜，用于将汇聚的赵明光反射至样品并透射样品表面反射光至相机的分束镜12，以及用于反射样品表面反射光至相机的滑镜11。
所述的计算机控制单元用于控制电控三维平移系统和光学成像系统工作，而支撑底板1则用于支撑整个装置。
本发明工作过程如下：
根据自扫描需求，打开光源和相机(可采用cmos相机)，利用z轴电动升降台3、x轴平移台6、y轴平移台8调整好各个反射镜的位置，其中，第二反射镜5与x轴电动平移台6在z轴电动升降台3带动下，在z轴方向上移动，第三反射镜9和y轴电动平移台8在x轴电动平移台6带动下，在x轴方向上移动，第四反射镜14、光学聚焦单元15在y轴电动平移台8带动下，在y轴上移动。
调整好各个反射镜的位置后，发出探测光。探测光经由第一反射镜2进入，并转至z轴方向发射至第二反射镜5。然后在第二反射镜5作用下转至x轴方向发射。
转至x轴方向发射的探测光射入第三反射镜9，将探测光的方向转至y轴方向发射至第四反射镜14，并经第四反射镜14作用转至-z轴方向，并最终进入光学聚焦单元15。本实施例中，光学聚焦单元15可根据实际情况采用反射式聚焦镜或透射式聚焦镜，具体为：当探测光功率密度较低时选择反射式聚焦镜，可消除收集信号光的色差；当探测光功率密度较高时选择消色差聚焦透镜，可以在较高功率密度下工作。
经光学聚焦单元15聚焦后的探测光聚集于样品表面某一点，并在光源照射下和计算机控制单元的控制下最终由相机对样品表面进行拍摄。而后调整各个反射镜的位置，使探测光的方向发生变化，使其聚焦到样品表面另一点，并继续由相机进行拍摄，如此反复循环扫描，即可最终获得样品整个表面形貌的图像。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，包括光学反射系统、光学聚焦单元(15)、电控三维平移系统、光学成像系统、计算机控制单元；
所述光学反射系统用于将探测光反射，并经光学聚焦单元聚焦后照射到样品表面；
所述电控三维平移系统用于带动光学反射系统和光学聚焦单元移动，以调整光学反射系统和光学聚焦单元与固定样品之间的相对位置，使探测光以移动的方式照射到样品表面各个位置上；
所述光学成像系统用于接收由样品表面反射过来的光线并进行成像，获得样品表面形貌图像；
所述计算机用于控制电控三维平移系统和光学成像系统工作。
2.根据权利要求1所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述光学反射系统包括用于将探测光转至z轴方向的第一反射镜(2)，用于将z轴方向的探测光转至x轴方向的第二反射镜(5)，用于将x轴方向的探测光转至y轴方向的第三反射镜(9)，以及用于将y轴方向的探测光转至-z轴方向的第四反射镜(14)；所述第四反射镜(14)反射的探测光进入光学聚焦单元中进行聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述电控三维系统包括与计算机控制单元连接并用于带动第二反射镜(5)在z轴方向上移动的z轴升降平台(3)，用于带动第三反射镜(9)在x轴方向上移动的x轴平移台(6)，以及用于带动第四反射镜(14)和光学聚焦单元(15)在y轴方向上移动的y轴平移台(8)。
4.根据权利要求3所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述z轴升降平台(3)上设有第一过渡板(4)，所述第二反射镜(5)和x轴平移台(6)均设置在第一过渡板(4)上。
5.根据权利要求4所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述x轴平移台(6)包括第一电机和第一滑轨，以及与第一电机连接、可在第一电机控制下顺着第一滑轨移动的第一滑块；所述第一电机与计算机控制单元连接，并设置在第一过渡板(4)上；所述第一滑块上设有第二过渡板(7)，所述y轴平移台(8)和第三反射镜(9)均设置在第二过渡板(7)上。
6.根据权利要求5所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述y轴平移台(8)包括第二电机和第二滑轨，以及与第二电机连接、可在第二电机控制下顺着第二滑轨移动的第二滑块；所述第二电机与计算机控制单元连接，并设置在第二过渡板(7)上；所述第二滑块上设有第三过渡板(10)，所述第四反射镜(14)和光学聚焦单元(15)均设置在第三过渡板(10)上。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述光学成像系统包括用于拍摄样品表面形貌的相机(13)，用于发射宽普照明光束的光源，用于汇聚照明光的聚光镜，用于将汇聚的赵明光反射至样品并透射样品表面反射光至相机的分束镜(12)，以及用于反射样品表面反射光至相机的滑镜(11)。
8.根据权利要求1所述的一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，其特征在于，所述光学聚焦单元(15)为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。
技术总结
本发明公开了一种用于多点光谱探测的三维自扫描装置，包括光学反射系统、光学聚焦单元、电控三维平移系统、光学成像系统、计算机控制单元；光学反射系统用于将探测光反射，并经光学聚焦单元聚焦后照射到样品表面；电控三维平移系统用于带动光学反射系统和光学聚焦单元移动，以调整光学反射系统和光学聚焦单元与固定样品之间的相对位置，使探测光以移动的方式照射到样品表面各个位置上；光学成像系统用于接收由样品表面反射过来的光线并进行成像，获得样品表面形貌图像；计算机控制单元用于控制电控三维平移系统和光学成像系统工作。本发明能实现光谱探测光的自扫描，克服了现有光谱mapping功能依赖于样品台移动而无法分析固定或大型样品的问题。
技术研发人员：杨蕊竹;李强;吴吉良;叶小球;陈长安;冯春蓉;王雪峰;严俊
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所
技术研发日：.12.04
技术公布日：.02.21
