本发明涉及激光光谱分析技术领域，具体涉及一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒。
背景技术
微区激光诱导击穿光谱（microlaser-inducedbreakdownspectroscopy，简称微区libs）技术基于原子发射光谱分析原理，将脉冲激光束聚焦至样品表面，烧蚀微区物质产生发光等离子体，通过分析等离子体辐射的原子、离子及分子光谱获知物质微区元素成分及含量。微区libs技术具有可分析包括氢的全部元素、可分析不导电及难熔材料、无需真空、分析速度快等优点，空间分辨率可至1~5微米，深度分辨率可至亚微米级别，是一种具有独特优点的新型表面成分分析方法。
光学系统是微区libs系统的主体与核心，它一般由微区光学成像、激光微区聚焦、微区光谱分析三大功能模块组成。微区光学成像模块实际为一种无限筒长的光学显微镜，功能是观察样品表面，寻找并对准待分析微区。激光微区聚焦模块功能是烧蚀待分析微区物质并激发出等离子体。微区光谱分析模块功能是收集等离子体辐射的光谱信号，通过光纤送入光谱仪分析。上述三大模块的集成设计，是微区libs光学系统设计的关键。
在三大模块的集成设计中，微区光学成像与激光微区聚焦模块的集成一般采用同轴设计，两者共用物镜光轴，在物镜后方采用45度分光镜分离两者光路。微区光谱分析模块的集成则存在同轴设计与旁轴设计两种。在旁轴设计中，微区光谱分析模块与微区光学成像、激光微区聚焦模块相分离，具有独立的斜入射式光路。旁轴设计优点是光谱收集光路不受微区光学成像、激光微区聚焦模块内分光镜的通光范围限制，易于设计，并可工作于uv-vis-nir全光谱范围；其缺点是与激光微区聚焦模块存在空间竞争，使两者数值孔径均难以做大，从而影响微区libs的空间分辨率与光谱收集效率，并且旁轴光路对振动敏感，系统稳定性一般。在同轴设计中，微区光谱分析模块与微区光学成像、激光微区聚焦模块相集成，三者共用物镜光轴，在物镜后方采用两块45度分光镜一一分离三者光路。与旁轴设计相比，同轴设计可用更大数值孔径物镜，空间分辨率高，集光力强，系统稳定性好，但微区光谱分析模块的通光范围受两块45度分光镜及其它光学镜片的限制，难以做到uv-vis-nir全光谱分析。因此，寻找方案改进上述缺点，有利于促进同轴式微区libs的实用化。
中国专利文献《一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪》（公布号为cn101782517a，公布日为2010年7月21日）公布了一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪，其结构为：固定波长激光器、衰减器、扩束镜、小孔光阑、第一半透半反镜依次位于同一水平光路上，波长可调谐激光器通过第二全反镜反射到第一半透半反镜上后与固定波长激光器的激光束同光路。固定波长激光器和波长可调谐激光器可上下或平行放置，且通过数字延时发生器控制其开启顺序及延时。由光纤探头接收并通过光纤传输到光栅光谱仪后至增强型ccd的等离子体光谱采集时间也由数字延时发生器控制。这种双激光光源激发的激光探针仪探测极限低，元素分析精度高，元素选择性好，更加稳定可靠。可用于各种物质微区的微量、痕量元素的准确定性和精确定量分析。但仍然存在不足。该设计采用活动安装的单块全反镜分离光学成像光路与光谱收集光路，虽然可反射uv-vis-nir全部光谱，但因无法同时使用成像、光谱收集光路并利用前者矫正后者焦点位置，导致系统光路对焦困难；采用固定安装的半透半反镜分离激光光路与光谱光路，透射激光，反射光谱信号，因受光学镀膜原理限制，单一半透半反镜只能反射部分波段光谱，难以实现uv-vis-nir全光谱分析，并且光谱信号损失高达50%，影响微区libs的分析灵敏度。
中国专利文献《一种宏观与微区集成式激光探针成分分析仪》（公布号cn103267746a，公布日为2013年8月28日）公布了一种宏观与微区集成式激光探针成分分析仪，包括激光器、倍频模块、二个笼式立方、二个激光波长反射镜、工业相机、光谱采集器、物镜转换器、聚焦物镜、光谱仪与计算机。激光器出光口前端安装有倍频模块，激光器与计算机电信号相连。该发明能对物质的宏观与微区成分进行准确定性分析与较高精度的定量分析，且能在宏观与微区成分分析之间实现快速无缝切换；其次，该设备为模块化设计，结构紧凑，增强了设备的集成度。此外，各模块之间功能独立，易于操作和维护；最后，光路的模块化设计使用户可以方便快捷的对光路进行使用前校准，节约了时间，同时分析精度更高。但该种光路设计仍然存在不足。该文献公布的一种方案采用中心开有通光孔的宽带反射镜分离激光光路与光谱光路，激光经宽带反射镜中心通光孔透射，光谱信号经宽带反射镜反射至光谱采集器。此方案虽可实现uv-vis-nir全光谱分析，但由于物镜通光孔径一般较小，再由照明光路、光谱光路共用一个通光孔，导致光谱信号强度损失大，使微区libs空间分辨率差，光谱收集效率低。该文献公布的另一种方案采用固定安装的二向色镜分离激光光路与光谱光路，只对某一波长激光束具有高的反射率，而对其它波长激光或光谱信号均具有透过特性，但由于光学镀膜原理限制，二向色镜反射带的带宽一般大于50nm，除此外也难以透过uv-vis-nir全部光谱，故无法实现uv-vis-nir全光谱分析。
综上，现有微区libs同轴光学系统的不足之处主要表现在，难以兼顾uv-vis-nir全光谱分析与高空间分辨率及光谱分析灵敏度、系统光路对焦困难。此外，现有微区libs光学系统设计大多采用开放式光路，环境光易进入成像探测器及光谱仪，影响系统的弱光成像及弱光检测能力。
技术实现要素：
为解决现有微区libs同轴光学系统存在难以兼顾uv-vis-nir全光谱分析与高空间分辨率及光谱分析灵敏度、系统光路对焦困难、易受环境光干扰的技术问题，本发明提供了一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒。
所述一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒，其特征在于：包括第一多分光镜立方、反射式物镜、第二多分光镜立方、离轴反射镜模块、带照明功能成像模块；所述反射式物镜、第一多分光镜立方、第二多分光镜立方沿竖直向上光轴依次连接，并形成贯穿三者的光路通道；所述第一多分光镜立方包含至少两块可切换的分光镜，用于将射入的激光反射至反射式物镜，并将来自反射式物镜的光线透射至第二多分光镜立方；所述第一多分光镜立方内的至少两块分光镜的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围；所述第二多分光镜立方用于分离光谱信号光路与图像信号光路；所述离轴反射镜模块与第二多分光镜立方连接，位于第二多分光镜光谱信号光路上，用于聚焦谱信号并耦合入外部光纤；所述带照明功能成像模块与第二多分光镜连接，位于第二多分光镜图像信号光路上，用于通过照明并观察样品表面。
本发明所述光谱信号是指激光烧蚀待分析物质微区并激发出的等离子体所发出的光谱信号，本发明所指的光谱信号光路是指该光谱信号传播的光路，该光路起于反射式物镜，先后经第一多分光镜立方、第二多分光镜立方，进入离轴反射镜模块后连通至外部光纤。所述图像信号光路，是指照明光线及其经物体表面发射后形成的反图像信号传播的光路，该光路起于反射式物镜，先后经第一多分光镜立方、第二多分光镜立方，进入带照明功能成像模块。所述至少两块分光镜的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围，意味着分次使用所述至少两块分光镜，可以使uv-vis-nir范围内的全部光谱信号通过第一多分光镜立方，透射至第二多分光镜立方，进而实现uv-vis-nir全光谱范围的采集和分析。所述可切换的至少两块分光镜，是指可以对至少两块分光镜进行快速的切换，使其中一块处于光路上，作为分离光路的光学元件。
进一步，所述第一多分光镜立方中，第一块分光镜为激光二向色镜，第二块分光镜为激光分束镜；所述激光二向色镜和激光分束镜具有等光学厚度，有效反射激光的镀膜均位于镜片面向激光入射方向的一面。
本发明所指的激光二向色镜，在激光波长及附近范围具有高反射率，在其余波长范围内具有高透射率的特性，作为主分光镜使用。本发明所指的激光分束镜，在激光波长及附近范围内具有部分反射且部分透射的特性，作为副分光镜，一般在需要分析主分光镜不能透射区域光谱时使用。所述的激光分束镜和激光二向色的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围。如上所述，激光射入第一块多分光镜立方后，经激光分束镜或激光二向色镜反射后，进入反射式物镜；而照明光线和图像信号则经激光分束镜或激光二向色镜透射后进行传播。而激光分束镜或激光二向色镜通过快速切换使二者之一处于光路上，则可以分时分次实现uv-vis-nir全光谱信号透射至第二多分光镜立方，进而进行光谱信号的采集和分析。同时与现有同轴光学技术相比，这种结构避免了部分波段光谱，特别是紫外光谱信号透过率差，分析灵敏度低的问题。
进一步，所述第二多分光镜立方包括至少两块可切换的光学镜片，其中第一块光学镜片为可见光分束镜，其面向第一多分光镜立方的一面镀有可见光分光膜，另一面镀有可见光增透膜；第二块光学镜片为全反镜。
本发明所指的可见光分束镜在可见光区域具有部分反射部分透射特性；本发明所指的-全反镜在uv-vis-nir光谱区域具有高反射率的特性。两块光学镜片可以进行快速的切换，在进行显微光学成像，观察样品表面形貌或光路调节时，使用可见光分束镜，图像信号沿竖直向上方向，透过可见光分束镜后，自第二多分光镜立方射出；在进行光谱分析时，使用全反镜，光谱信号经全反镜反射后射出。此时，第二多分光镜立方的透射光路为图像信号光路，反射光路为光谱信号光路，即离轴反射镜模块和带照明功能成像模块分别位于第二多分光镜立方的反射光路和透射光路上。
进一步，所述第二多分光镜立方中的全反镜可以用全透窗口镜替换，所述可见光分束镜与全透窗口镜的光学厚度相等。
本发明所指的全透窗口镜具有在190-1000nm光谱区域具有高光谱通过率的特性。两块光学镜片可以进行快速的切换，在进行显微光学成像，观察样品表面形貌或光路调节时，使用可见光分束镜，图像信号经可见光分束镜反射后自第二多分光镜立方的进入带照明功能成像模块；在进行光谱分析时，使用全透窗口镜，光谱信号透过全透窗口镜透射后，进入离轴反射镜模块。此时，第二多分光镜立方的反射光路为图像信号光路，透射光路为光谱信号光路，即离轴反射镜模块和带照明功能成像模块分别位于第二多分光镜立方的透射光路和反射光路上。
进一步，所述第一多分光镜立方和第二多分光镜立方均为立方体结构，其上、下、左、右侧面的中心均开有通光孔，沿其前、后侧面对角线还设有光学导轨板；所述光学导轨板设有光学安装面；所述光学安装面与立方体结构的水平、竖直轴线均具有45度夹角；所述光学安装面包括至少两个光学安装位，用于一对一安装至少两个镜片；所述光学导轨板还用于使光学安装面中任一个光学安装位切换至立方体结构的水平、竖直轴向交点上。
本发明可通过通光孔构建光路通道，更为具体的，第一多分光镜立方的下侧面通光孔连通反射式物镜，上侧面连通第二多分光镜立方的上侧面通光孔，第一多分光镜的左侧面或右侧面通光孔可有作为激光入射孔，用于激光射入。当第二多分光镜立方中的两块光学镜片为金属膜全反镜与可见光分束镜，第二多分光镜立方的上侧面通光孔作为图像信号出口，用于与带照明功能成像模块连通，其左或右侧面的通光孔则作为光谱信号出口，用于与离轴反射镜模块连通；当第二多分光镜立方中的两块光学镜片为全透窗口镜与可见光分束镜，第二多分光镜立方的左侧或右侧面通光孔作为图像信号出口，用于与带照明功能成像模块连通，其上侧面的通光孔则作为光谱信号出口，用于与离轴反射镜模块连通。最终形成，包括第一多分光镜立方、反射式物镜在内的激光入射光路；包括反射式物镜、第一多分光镜立方、第二多分光镜立方、离轴反射镜模块的光谱信号光路；包括反射式物镜、第一多分光镜立方、第二多分光镜立方、带照明功能成像模块的图像信号光路，且三条光路共用物镜光轴。本发明中，所述光学安装面内处于立方体结构的水平、竖直轴向交点上的光学安装位可定义为工作位，其余光学安装位为闲置位，通过操作光学导轨板的运动可快速互换工作位与闲置位。所述的光学安装位中的镜片，在第一多分光镜立方中具体指其中的分光镜，在第二多分光镜立方中具体指其中的光学镜片。第一多分光镜立方中，操作光学导轨板运动，可使第一块分光镜或第二块分光镜处于工作位，工作位上的分光镜处于激光入射光路和图像信号光路的交点，用于分离光路；第二多分光镜立方中，操作光学导轨板运动，可使第一块光学镜片或第二块光学镜片处于工作位，工作位上的光学镜片处于光谱信号光路和图像信号光路的交点，用于分离光路。
上述方案中，第一分光镜立方的水平侧面通光孔，如左侧面通光孔，内可装有激光增透窗口镜，此时，外部激光可自第一多分光镜立方的左侧面通光孔入射，过激光增透窗口镜后，经第一多分光镜立方中的分光镜反射后竖直向下进入反射式物镜；产生的光谱信号竖直向上，经反射式物镜后变为平行光，进入第一多分光镜立方，透过其中分光镜后，进入第二多分光镜立方；光谱信号沿竖直向上方向进入第二多分光镜立方后，一部分经分束镜反射后沿水平方向出射，另一部分经分束镜透射后沿竖直向上方向出射。所述第一多分光镜立方、第二多分光镜立方的基本结构可以相同。
进一步，所述离轴反射镜模块，用于将入射的光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处，其入射光方向、出射光方向的两侧面板设有通光孔；所述出射光方向通光孔用于连接并使外部光纤位于焦点处，入射光方向通光孔用于连通第二多分光镜立方；
所述带照明功能成像模块包括固定式分光镜立方，照明装置和成像装置；所述固定式分光镜立方为立方体结构，其上、下、左、右侧面中心均开有通光孔，其前、后侧面之间固定安装有可见光分束镜；所述可见光分束镜与固定式分光镜立方的上、下、左、右侧均具有45度夹角，在可见光区域具有部分反射部分透射特性；所述可见光分束镜在朝向第二多分光镜立方的一面镀可见光分束膜，另一面镀可见光增透膜；固定式分光镜立方的透射光路、反射光路两者之一上装有照明装置，另一光路上装有成像装置；所述固定式分光镜立方的其中一个通光孔用于与第二多分光镜立方的连通；所述照明装置用于提供照明光源；所述成像装置用于观察样品表面。
进一步，所述离轴反射镜模块内部安装有一块镀全反膜的离轴反射镜，用于将光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处，其通光孔设于面板中心；所属离轴反射镜背部有2至3个微调旋钮，用于调焦；所述离轴反射镜模块的出射光方向通光孔处螺接有封闭式金属套管，金属套管末端中心开有标准的光纤安装孔；光纤安装孔的中心位于离轴反射镜焦点处，用于连接外部光纤；
所述照明装置由沿同一轴线安装的聚光镜管、光源安装架、照明光源组成，照明光源安装于光源安装架中心；所述成像装置由沿同一轴线安装的滤光片、套筒透镜、相机安装架、相机组成；所述滤光片对激光具有高光学密度，对于可见光高透；所述相机安装架位于套筒透镜焦点处，且可沿套筒透镜光轴位移，其尾部带有可旋转相机接口，相机安装于该接口上。
进一步，所述离轴反射镜与反射式物镜具有最佳焦距比，其数值等于反射式物镜的数值孔径与外接光谱仪的数值孔径之比。
进一步，所述反射式物镜至照明光源、相机、光纤安装孔的全部光路均处于不透光的封闭环境内。具体而言，本发明所述反射式物镜、第一多分光镜立方、第二多分光镜立方、固定式分光镜立方、离轴反射镜模块的端面紧密相接，且第一多分光镜立方、第二多分光镜立方、固定式分光镜立方的未使用通光孔均以标准螺纹遮光盖完全遮挡；所述套筒透镜与相机安装架之间，套有第一可伸缩遮光套管；所述聚光镜管与光源安装架之间，套有第二可伸缩遮光套管。
本发明全部光路均处于不透光的封闭环境内，一方面可以阻止环境光、杂散光进入相机、光纤安装孔，为显微光学成像、显微光谱分析提供黑暗的背景环境，提高微区libs系统的弱光成像与弱光检测能力，另一方面可以遮挡灰尘，防止灰尘进入内部光路，污染、损坏光学器件。
进一步，所述第二多分光镜立方的光学导轨板与第一多分光镜立方的光学导轨板具有90度夹角；所述第二多分光镜立方内安装的可见光分束镜与第一多分光镜立方内安装的激光二向色镜、激光分束镜具有相等的光学厚度。
进一步，所述固定式分光镜立方的可见光分束镜与第一多分光镜立方内安装的激光二向色镜、激光分束镜具有相等的光学厚度；所述固定式分光镜立方的可见光分束镜与第一多分光镜立方的光学导轨板具有90度夹角。
进一步，所述光学导轨板为滑轨结构，通过光学导轨板的一维滑动，可将任一分光镜调整至工作位。
进一步，所述光学导轨板为转轮结构，通过光学导轨板的转动，可将任一分光镜调整至工作位。
进一步，为解决现有技术问题，本发明提供另一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒，其特征在于：包括第一多分光镜立方、反射式物镜、第二多分光镜立方、离轴反射镜模块、带照明功能成像模块；所述反射式物镜、第一多分光镜立方、第二多分光镜立方沿竖直向上光轴依次连接，并形成贯穿三者的光路通道；所述第一多分光镜立方包含有激光分束镜，用于将射入的激光反射至反射式物镜，并将来自反射式物镜的光线透射至第二多分光镜立方；所述第二多分光镜立方用于分离光谱信号光路与图像信号光路；所述离轴反射镜模块与第二多分光镜立方连接，位于第二多分光镜光谱信号光路上，用于聚焦谱信号并耦合入外部光纤；所述带照明功能成像模块与第二多分光镜连接，位于第二多分光镜图像信号光路上，用于通过照明并观察样品表面；所述第二多分光镜立方包括至少两块可切换的光学镜片，其中第一块光学镜片为可见光分束镜，其面向第一多分光镜立方的一面镀有可见光分光膜，另一面镀有可见光增透膜；第二块光学镜片为全反镜；所述离轴反射镜模块内部安装有一块镀全反膜的离轴反射镜，用于将光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处。
本发明提供的该种多分光镜式全光谱高灵敏度同轴光学镜筒，具有无需调光的分光镜快速更换装置，运用两块分光镜的组合实现了uv-vis-nir全光谱范围覆盖，并且在各波段均具有高光谱透过率；利用反射式物镜、离轴反射镜组成反射式光谱收集光路，光学界面少，在uv-vis-nir全光谱范围内均具有高光谱反射率，能够以较大通光率进行光谱传输，且不受色差影响；通过优化离轴反射镜与反射式物镜的焦距比，匹配外接光谱仪的数值孔径，使光谱信号传输率达到最优；该种多分光镜式全光谱高灵敏度同轴光学镜筒的光路处于全封闭环境下，几乎完全屏蔽了环境光及杂散光对光学成像及光谱分析的干扰，从而进一步改善了光谱分析灵敏度。上述措施的组合，使得该种多分光镜式全光谱高灵敏度同轴光学镜筒同时具备了uv-vis-nir全光谱分析能力与高光谱分析灵敏度。同时，该种多分光镜式全光谱高灵敏度同轴光学镜筒在配备大数值孔径物镜时，也具有高空间分辨率。
综上，本发明相比于现有微区libs用同轴光学系统，至少具有能够兼顾uv-vis-nir全光谱分析与高空间分辨率及光谱分析灵敏度、系统光路对焦方便、可避免受环境光干扰的有益效果。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1是本发明一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒的结构示意图；
图2是本发明一种光学导轨板的滑轨结构示意图；
图3是本发明一种光学导轨板的转轮结构示意图；
图4是本发明另一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒的结构示意图；
图中：1.第一多分光镜立方、2.反射式物镜、3.第二多分光镜立方、4.离轴反射镜模块、5.固定式分光镜立方、6.聚光镜管、7.光源安装架、8.照明光源、9.滤光片、10.套筒透镜、11.相机安装架、12.相机、13.第一可伸缩遮光套管、14.第二可伸缩遮光套管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明，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，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例所述的一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒，包括第一多分光镜立方1、反射式物镜2、第二多分光镜立方3、离轴反射镜模块4、带照明功能成像模块；所述反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3沿竖直向上光轴依次连接，并形成贯穿三者的光路通道；所述第一多分光镜立方1包含可切换的至少两块分光镜，用于将射入的激光反射至反射式物镜2，并将来自反射式物镜2的光线透射至第二多分光镜立方3；所述第一多分光镜立方1内的至少两块分光镜的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围；所述第二多分光镜立方3用于分离光谱信号光路与图像信号光路；所述离轴反射镜模块4与第二多分光镜立方3连接，位于其光谱信号光路上，用于聚焦谱信号并耦合入外部光纤；所述带照明功能成像模块与第二多分光镜立方3连接，位于其图像信号光路上，用于照明并观察样品表面。
本实施例所述光谱信号是指激光烧蚀待分析物质微区并激发出的等离子体所发出的光谱信号，本发明所指的光谱信号光路是指该光谱信号传播的光路，该光路起于反射式物镜2，先后经第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3，进入离轴反射镜模块4后连通至外部光纤。所述图像信号光路，是指照明光线及其经物体表面发射后形成的图像信号传播的光路，该光路起于反射式物镜2，先后经第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3，进入带照明功能成像模块。所述至少两块分光镜的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围，意味着分次使用所述至少两块分光镜，可以使uv-vis-nir范围内的全部光谱信号通过第一多分光镜立方1，透射至第二多分光镜立方3，进而实现uv-vis-nir全光谱范围的采集和分析。所述可切换的至少两块分光镜，是指可以对至少两块分光镜进行快速的切换，使其中一块处于光路上，作为分离光路的光学元件。
本实施例中，激光可从第一多分光镜立方1的水平方向入射，经其中分光镜反射后，竖直向下的进入反射式物镜2，烧蚀物质微区产生等离子体，该等离子体辐射的光谱信号经反射式物镜2收集，沿竖直向上方向以平行光形式传播，进入第一多分光镜立方1，透过分光镜，经过第一多分光镜立方1竖直光路，进入第二多分光镜立方3；在第二多分光镜立方3中进行光路分离后，光谱信号被传导至离轴反射镜模块4所在光路，进而将光谱信号进行收集，送入外接光谱仪进行分析。由于第一多分光镜立方1中至少两块分光镜的透射带之和完整覆盖uv-vis-nir全光谱，即通过调整第一多分光镜立方1的分光镜即可以完成uv-vis-nir全光谱分析，同时采用分时切换分光镜实现全光谱分析，配合同轴设计，空间分辨率、光谱信号强度不会被大幅损失，光通量大，光谱耦合效率高，可以有效保证空间分辨率及光谱分析灵敏度。本实施例，可以实现微区libs光学系统的所需的三大模块功能，且兼顾了uv-vis-nir全光谱分析与空间分辨率及光谱分析灵敏度。
实施列2：
在上述实施例的基础上，提出实施例2，如图1、图2所示，
所述第一多分光镜立方1中，第一块分光镜为激光二向色镜，第二块分光镜为激光分束镜；所述激光二向色镜和激光分束镜具有等光学厚度，有效反射激光的镀膜均位于镜片面向激光入射方向的一面。
本实施例所指的激光二向色镜，具有在激光波长及附近范围具有高反射率，在其余波长范围内具有高透射率的特性，作为主分光镜使用。本发明所指的激光分束镜，具有在激光波长及附近范围内具有部分反射且部分透射的特性，作为副分光镜，在需要分析主分光镜不能透射区域光谱时使用。所述的激光分束镜和激光二向色的透射带之和，可完整覆盖uv-vis-nir全光谱范围。如上所述，激光射入第一块多分光镜立方后，经激光分束镜或激光二向色镜反射后，进入反射式物镜2，被反射式物镜2聚焦至样品表面，烧蚀物质产生等离子体。样品表面的反射光谱（图像信号）、等离子体发出的光谱信号经反射式物镜2收集，以平行光形式进入第一多分光镜立方1，透过激光二向色镜或激光分束镜，进入第二多分光镜立方3。激光分束镜或激光二向色镜可通过快速切换使两者之一处于光路上，则可以分时分次实现uv-vis-nir全光谱信号透射至第二多分光镜立方3，进而进行光谱信号的采集和分析。同时与现有同轴光学技术相比，这种结构避免了部分波段光谱，特别是紫外光谱信号透过率差，分析灵敏度低的问题。
本实施例中，第一块分光镜和第二块分光镜的光学厚度相等，两者有效反射激光的镀膜均位于镜片面向激光入射方向的一面，两者间的互换对第一多分光镜立方1的反射光路、透射光路均不产生影响。在一般情况下，使用第一块分光镜；当需要分析激光二向色镜的低透区域光谱时，使用第二块分光镜。
本实施例中的第一多分光镜立方1可针对波长短于400nm的紫外波长激光进行设计。
实施例3：
在上述实施例的基础上，提出实施例3，如图1所示，
所述第二多分光镜立方3包括可切换的至少两块光学镜片，其中第一块光学镜片为可见光分束镜，其面向第一多分光镜立方1的一面镀有可见光分光膜，另一面镀有可见光增透膜；第二块光学镜片为紫外增强铝膜全反镜。
本实施例所指的可见光分束镜在可见光区域具有部分反射部分透射特性；本发明所指的紫外增强铝膜全反镜具有在uv-vis-nir光谱区域有高反射率的特性。两块光学镜片可以进行快速的切换，在进行显微光学成像，观察样品表面形貌时，使用可见光分束镜，图像信号沿竖直向上方向，透过可见光分束镜后，自第二多分光镜立方3射出；在进行光谱分析时，使用金属膜全反镜，光谱信号经全反镜反射后射出。此时，第二多分光镜立方3的透射光路为图像信号光路，反射光路为光谱信号光路，即离轴反射镜模块4和带照明功能成像模块分别位于第二多分光镜立方3的反射光路和透射光路上。
本实施例中，第二块光学镜片为紫外增强铝膜全反镜，使运用本装置的同轴libs光学系统，能够工作于紫外光谱范围。当采用其他全反镜时，亦能实现uv-vis-nir光谱区域的光路分离。
实施例4：
在上述实施例的基础上，提出实施例4，如图2所示，
所述第二多分光镜立方3中的紫外增强铝膜全反镜可以用全透窗口镜替换，所述可见光分束镜与全透窗口镜的光学厚度相等。
本实施例所指的全透窗口镜具有在190-1000nm光谱区域具有高光谱通过率的特性。两块光学镜片可以进行快速的切换，在进行显微光学成像，观察样品表面形貌时，使用可见光分束镜，图像信号经可见光分束镜反射后自第二多分光镜立方3的进入带照明功能成像模块；在进行光谱分析时，使用全透窗口镜，光谱信号透过全透窗口镜透射后，进入离轴反射镜模块4。此时，第二多分光镜立方3的反射光路为图像信号光路，透射光路为光谱信号光路，即离轴反射镜模块4和带照明功能成像模块分别位于第二多分光镜立方3的透射光路和反射光路上。
实施例5：
在上述实施例的基础上，提出实施例5，如图1、图2所示，所述第一多分光镜立方1和第二多分光镜立方3均为立方体结构，其上、下、左、右侧面的中心均开有通光孔，沿其前、后侧面对角线还设有光学导轨板；所述光学导轨板设有光学安装面；所述光学安装面与立方体结构的水平、竖直轴线均具有45度夹角；所述光学安装面包括至少两个光学安装位，用于一对一安装至少两个镜片；所述光学导轨板还用于使光学安装面中任一个光学安装位切换至立方体结构的水平、竖直轴向交点上。
所述光学导轨板的实现方式包括但不限于如图3所示的滑轨结构，通过光学导轨板的一维滑动，可将任一分光镜调整工作位无需光路调节；该滑动结构可为手动式，也可为电动式。滑轨结构具有简单，紧凑的优势。
本实施例通过通光孔构建光路通道，更为具体的，第一多分光镜立方1的下侧面通光孔连通反射式物镜2，上侧面连通第二多分光镜立方3的上侧面通光孔，第一多分光镜的左侧面或右侧面通光孔可有作为激光入射孔，用于激光射入。当第二多分光镜立方3中的两块光学镜片为金属膜全反镜与可见光分束镜，第二多分光镜立方3的上侧面通光孔作为图像信号出口，用于与带照明功能成像模块连通，其左或右侧面的通光孔则作为光谱信号出口，用于与离轴反射镜模块4连通；当第二多分光镜立方3中的两块光学镜片为全透窗口镜与可见光分束镜，第二多分光镜立方3的左侧或右侧面通光孔作为图像信号出口，用于与带照明功能成像模块连通，其上侧面的通光孔则作为光谱信号出口，用于与离轴反射镜模块4连通。最终形成，包括第一多分光镜立方1、反射式物镜2在内的激光入射光路；包括反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、离轴反射镜模块4的光谱信号光路；包括反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、带照明功能成像模块的图像信号光路，且三条光路共用物镜光轴。本实施例中，所述光学安装面内处于立方体结构的水平、竖直轴向交点上的光学安装位可定义为工作位，其余光学安装位为闲置位，通过操作光学导轨板的运动可快速互换工作位与闲置位。所述的光学安装位中的镜片，在第一多分光镜立方1中具体指其中的分光镜，在第二多分光镜立方3中具体指其中的光学镜片。第一多分光镜立方1中，操作光学导轨板运动，可使第一块分光镜或第二块分光镜处于工作位，工作位上的分光镜处于激光入射光路和图像信号光路的交点，用于分离光路；第二多分光镜立方3中，操作光学导轨板运动，可使第一块光学镜片或第二块光学镜片处于工作位，工作位上的光学镜片处于光谱信号光路和图像信号光路的交点，用于分离光路。
本实施例中，第一多分光镜立方1的水平侧面通光孔，如左侧面通光孔可装有激光增透窗口镜，用于阻挡环境灰尘进入镜筒；此时，外部激光可自第一多分光镜立方1的左侧面通光孔入射，过激光增透窗口镜后，经第一多分光镜立方1中的分光镜反射后竖直向下进入反射式物镜2；产生的光谱信号竖直向上，经反射式物镜2后变为平行光，进入第一多分光镜立方1，透过其中分光镜后，进入第二多分光镜立方3；光谱信号沿竖直向上方向进入第二多分光镜立方3后，进行光路分离。所述第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3的基本结构可以相同。
实施例6
在上述实施例的基础上，提出实施例6，如图1、图2所示，
所述离轴反射镜模块4，用于将入射的光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处，其入射光方向、出射光方向的两侧面板设有通光孔；所述出射光方向通光孔用于连接并使外部光纤位于焦点处，入射光方向通光孔用于连通第二多分光镜立方3；
所述带照明功能成像模块包括固定式分光镜立方5，照明装置和成像装置；所述固定式分光镜立方5为立方体结构，其上、下、左、右侧面中心均开有通光孔，其前、后侧面之间固定安装有可见光分束镜；所述可见光分束镜与固定式分光镜立方5的上、下、左、右侧面均具有45度夹角，在可见光区域具有部分反射部分透射特性；所述可见光分束镜在朝向第二多分光镜立方3的一面镀可见光分束膜，另一面镀可见光增透膜；固定式分光镜立方5的透射光路、反射光路两者之一上装有照明装置，另一光路上装有成像装置；所述固定式分光镜立方5的其中一个通光孔用于与第二多分光镜立方3的连通；所述照明装置用于提供照明光源8；所述成像装置用于观察样品表面。
在本实施例中，离轴反射镜模块4内部可通过安装有一块可更换的离轴反射镜，将平行入射的光谱信号聚焦至与之垂直方向的焦点处，再通过其内部通光孔形成的水平和竖直光路，将光谱信号传递至外部光纤，进入外部光谱分析仪。在使用时，本同轴光学镜筒需要外接光纤及光谱仪。等离子体光谱信号经反射式物镜2收集后，以平行光形式分别经过第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3后，进入离轴反射镜模块4，经离轴反射镜反射并聚焦至其焦点处，耦合入外接光纤，送入光谱仪分析。带照明功能成像模块通过其内部的光路和可见光分束镜，实现了照明和观察的同轴设计。
实施例7：
在上述实施例的基础上，提出实施例7，如图1、图2所示，
所述离轴反射镜模块4内部安装有一块镀紫外增强铝膜的离轴反射镜，用于将光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处，其通光孔设于面板中心；所属离轴反射镜背部有2至3个微调旋钮，用于调焦；所述离轴反射镜模块4的出射光方向通光孔处螺接有封闭式金属套管，金属套管末端中心开有标准的光纤安装孔；光纤安装孔的中心位于离轴反射镜焦点处，用于连接外部光纤；
所述照明装置由沿同一轴线安装的聚光镜管6、光源安装架7、照明光源8组成，照明光源8安装于光源安装架7中心；所述成像装置由沿同一轴线安装的滤光片9、套筒透镜10、相机安装架11、相机12组成；所述滤光片9对激光具有高光学密度，对于可见光高透；所述相机安装架11位于套筒透镜10焦点处，且可沿套筒透镜10光轴位移，其尾部带有可旋转相机接口，相机12安装于该接口上。
本实施例中，照明光源8发出的光线，经聚光镜管6聚焦后，分别经过固定式分光镜立方5、第二多分光镜立方3、第一多分光镜立方1、反射式物镜2，最终聚焦至样品表面，形成可见光斑；该可见光斑在照明样品表面的同时，也可指示焦点位置。在成像装置中，所述相机安装架11位于套筒透镜10焦点处，且可沿套筒透镜10的光轴精密位移，可使样品表面图像准确地成像至相机12感光面。样品表面反射的光线，经反射式物镜2收集后，以平行光形式分别经过第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、固定式分光镜立方5、滤光片9后，经套筒透镜10聚焦至相机12处。此时照明装置、成像装置可分别安装于固定式分光镜立方5的反射光路、透射光路上。
本实施例中离轴反射镜后部的微调旋钮，用于精密调节离轴反射镜倾角，并实现聚焦位置的精密调节。
本实施例中优选带紫外增强铝膜镀膜的反射式物镜2。
本实施例中，所述的一种多分光镜式全光谱高灵敏同轴光学镜筒，按功能可划分为激光微区聚焦、光谱收集分析、显微光学成像三大功能模块。激光微区聚焦模块包含第一多分光镜立方1、反射式物镜2；光谱收集分析模块包含第二多分光镜立方3、离轴反射镜立方4；显微光学成像模块包含固定式分光镜立方5、聚光镜管6、光源安装架7、照明光源8、滤光片9、套筒透镜10、相机安装架11、相机12。反射式物镜2由三大模块共用。激光微区聚焦与其余两大模块的光轴在第一多分光镜立方1中心45度安装的分光镜处分离，激光位于反射光路，光谱信号及图像信号位于透射光路。光谱收集分析与显微光学成像模块的光轴在第二多分光镜立方（3）中心45度安装的光学镜片处分离。
本实施例中，利用反射式物镜2、离轴反射镜组成反射式光谱收集光路，光学界面少，在uv-vis-nir全光谱范围内均具有高光谱反射率，且不受色差影响；同时选用镀紫外增强铝膜的离轴反射镜，在大于190-1100nm的范围内具有高反射率，加上第二多分光镜立方3内的紫外增强铝膜全反镜或全透窗口镜以及第一多分光镜立方1内两块分块分光镜的组合，形成的光路能够传输大于190-1100nm范围的光谱，使本发明的同轴libs系统能工作于紫外区域，且具有较大通光效率。
实施例8：
在上述实施例的基础上，提出实施例8，如图1、图2所示，
所述离轴反射镜与反射式物镜2具有最佳焦距比，其数值等于反射式物镜2的数值孔径与外接光谱仪的数值孔径之比。
本发明公布的多分光镜式全光谱高灵敏度同轴光学镜筒，需外接光纤并连接光谱仪使用。一般而言，反射式物镜2的数值孔径nao大于光谱仪的可接收数值孔径nas。如不进行数值孔径匹配，则反射式物镜2收集的部分光谱信号可能因入射角过大而不为外接光谱仪所接收，产生传输损失。本发明所述离轴反射镜与反射式物镜2的最佳焦距比，等于反射式物镜2的数值孔径与外接光谱仪的数值孔径之比，此时离轴反射镜输出光谱信号的最大孔径角恰好等于外接光谱仪的最大可接收孔径角,离轴反射镜模块4输出的光谱信号，几乎完全为外接光谱仪有效接收，光谱传输率最佳。
实施例9：
在上述实施例的基础上，提出实施例9，如图1、图2所示，
所述反射式物镜2至照明光源8、相机12、光纤安装孔的全部光路均处于不透光的封闭环境内。
具体而言，本实施例所述反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、固定式分光镜立方5、离轴反射镜模块4的端面紧密相接，且第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、固定式分光镜立方5的未使用通光孔均以标准螺纹遮光盖完全遮挡；所述套筒透镜10与相机安装架11之间，套有第一可伸缩遮光套管13；所述聚光镜管6与光源安装架7之间，套有第二可伸缩遮光套管14。
本实施例中，所述反射式物镜2至照明光源8、相机12、离轴反射镜模块4的全部光路均处于不透光的封闭环境内。所述反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、固定式分光镜立方5、离轴反射镜模块4的端面紧密相接，且第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3、固定式分光镜立方5的未使用通光孔以标准螺纹遮光盖完全遮挡。全部光路均处于不透光的封闭环境内，一方面可以阻止环境光、杂散光进入相机12、光纤安装孔，为显微光学成像、显微光谱分析提供黑暗的背景环境，提高微区libs系统的弱光成像与弱光检测能力，另一方面可以遮挡灰尘，防止灰尘进入内部光路，污染、损坏光学镜片。
实施例10：
在上述实施例的基础上，提出实施例10，如图1、图2所示，
所述第二多分光镜立方3的光学导轨板与第一多分光镜立方1的光学导轨板具有90度夹角；所述第二多分光镜立方3内安装的可见光分束镜与第一多分光镜立方1内安装的激光二向色镜、激光分束镜具有相等的光学厚度。
本实施例的结构可以使第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3对透射光光轴的偏移相互抵消。
实施例11：
在上述实施例的基础上，提出实施例11，如图1、图2所示，
所述固定式分光镜立方5的可见光分束镜与第一多分光镜立方1内安装的激光二向色镜、激光分束镜具有相等的光学厚度；所述固定式分光镜立方5的可见光分束镜与第一多分光镜立方1的光学导轨板具有90度夹角。
本实施例的结构可以使第一多分光镜立方1、固定式分光镜立方5对透射光光轴的偏移相互抵消。
实施例12：
在上述实施例的基础上，提出实施例12，如图4所示，所述光学导轨板为转轮结构，通过光学导轨板的转动，可将任一分光镜调整至工作位。
本实施例中，所述光学导轨板为转轮结构，特点是至少两块镜片等距分布于一圆周上且可绕圆心转动，通过转动转轮，可实现工作位处镜片的快速替换，且无需光路调节；转轮结构具有更高更换速度；该转轮结构可为手动式，也可为电动式。
实施例13：
如图1所示，本实施例所述的一种多分光镜式高灵敏度同轴光学镜筒，包括第一多分光镜立方1、反射式物镜2、第二多分光镜立方3、离轴反射镜模块4、带照明功能成像模块；所述反射式物镜2、第一多分光镜立方1、第二多分光镜立方3沿竖直向上光轴依次连接，并形成贯穿三者的光路通道；所述第一多分光镜立方1包含至少一块分光镜，用于将射入的激光反射至反射式物镜2，并将来自反射式物镜2的光线透射至第二多分光镜立方3；所述第二多分光镜立方3用于分离光谱信号光路与图像信号光路；所述离轴反射镜模块4与第二多分光镜立方3连接，位于第二多分光镜光谱信号光路上，用于聚焦谱信号并耦合入外部光纤；所述带照明功能成像模块与第二多分光镜连接，位于第二多分光镜图像信号光路上，用于通过照明并观察样品表面；所述第二多分光镜立方3包括至少两块可切换的光学镜片，其中第一块光学镜片为可见光分束镜，其面向第一多分光镜立方1的一面镀有可见光分光膜，另一面镀有可见光增透膜；第二块光学镜片为全反镜；所述离轴反射镜模块4内部安装有一块镀全反膜的离轴反射镜，用于将光谱信号聚焦至垂直于入射方向的焦点处。
本实施中第一多分光镜立方1包含的至少一块分光镜，可以选择为至少一块激光分束镜。其工作原理为：当激光可从第一多分光镜立方1的水平方向入射，经其中激光分束镜反射后，竖直向下的进入反射式物镜2，烧蚀物质微区产生等离子体，该等离子体辐射的光谱信号经反射式物镜2收集，沿竖直向上方向以平行光形式传播，进入第一多分光镜立方1，透过激光分束镜，经过第一多分光镜立方1竖直光路，进入第二多分光镜立方3；在第二多分光镜立方3中进行光路分离后，光谱信号被传导至离轴反射镜模块4所在光路，进而将光谱信号进行收集，送入外接光谱仪进行分析。当使用波长短于400nm的紫外波长激光入射时，第一多分光镜立方1中的激光分束镜，能够透过接近全波段信号光谱。配合第二多分光镜立方3、反射式物镜及离轴反射镜的设计，整个光路可以传输接近uv-vis-nir范围的光谱信号，且空间分辨率不受限制、光谱信号强度不会被大幅损失，光通量大，光谱耦合效率高，可以有效保证空间分辨率及光谱分析灵敏度，同时利用第二多分光镜立方3的光路分离，能够分时利用光谱信号光路与图像信号光路，以便捷的实现光谱收集与光路对焦。本实施例，可以实现微区libs光学系统的所需的三大模块功能，且兼顾了uv-vis-nir全光谱分析与空间分辨率及光谱分析灵敏度。
本实施例中的所有未明确定义的部分均可参考实施例1、实施例2中的相关定义一致。