一种图像引导激光定位系统及工作方法与流程

本发明涉及光学检测，特别是涉及一种图像引导激光定位系统及工作方法。

背景技术：

1、利用激光光束、光学相干层析技术高精度检测和计算机精密计算进行轨迹规划，将传统检测中由人工完成的关键步骤自动化、智能化实现的一种检测方法。光学相干层析成像系统需要在激光切削前精确测量物体表面的位置及轮廓，切削后观测切削的位置。切削过程中存在各种误差：激光控制器可能因各种原因误算了激光脉冲的位置，包括光学像差、光路误差、激光的制造公差问题、诊断误差和组件的热力蠕变等等。

2、现有技术方案无法在如此复杂的实时变化中、如此短的成像时间内以高分辨率、高速度提供图像信息。因此，迫切需要研制出一种能够快速精准的将成像光束和扫描光束定位聚焦至样品的定位系统，快速定位的前提下提高定位系统的准确性。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种图像引导激光定位系统及工作方法，通过利用有调制成像和无调制光传输组合式的自适应光学技术完成对样品相对位置变化及样品像差引起激光波前变化的实时调整，实现了在无调制光传输时提高信噪比，在有调制成像时提高了成像分辨率，为样品情况提供实时的高分辨率的干涉图像信息，通过样品的干涉图像信息、激光振镜扫描单元实时扫描样品内部不同深度、宽度和轴向位置并记录的扫描点的位置、定向信息和指示光成像单元拍摄的扫描点的样品实时照片引导成像光束和激光光束定位聚焦至样品，有效提高了定位聚焦的速度和精确度。

2、一种图像引导激光定位系统，包括：激光发射单元、波前校正调制单元、干涉光成像单元、激光振镜扫描单元、指示光成像单元、数据处理单元和控制单元；

3、所述激光发射单元，连接于所述波前校正调制单元和所述控制单元，用于发射激光光束；

4、所述波前校正调制单元，连接于所述干涉光成像单元，用于校正所述干涉光成像单元的成像光束低阶的倾斜相差和高阶的离焦相差、像散相差，调制相位并传输；

5、所述干涉光成像单元，连接于所述波前校正调制单元和所述控制单元，用于生成两束偏振态互相正交的参考偏振光和含有样品波前信息的图像偏振光，使得两者干涉形成含有样品波前信息的相干干涉光，并传输至所述数据处理单元；

6、所述激光振镜扫描单元，连接于所述激光发射单元和所述数据处理单元，用于对所述激光发射单元发射的激光光束和所述干涉光成像单元发射的成像光束进行位置调整，并实时扫描样品同时记录所述样品的扫描点的位置、定向信息并传输至所述数据处理单元；

7、所述指示光成像单元，连接于所述干涉光成像单元和所述数据处理单元，用于收集所述激光振镜扫描单元记录的所述扫描点的含有样品波前信息的成像光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息并传输至所述数据处理单元；

8、所述数据处理单元，用于对所述干涉光成像单元采集的相干干涉光进行数据处理、信息提取生成干涉图像信息，分析所述指示光成像单元收集的所述激光振镜扫描单元记录的所述扫描点的含有样品波前信息的成像光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息以实时生成样品照片，并将数据传输至所述控制单元；

9、所述控制单元，用于根据所述数据处理单元分析的所述干涉图像信息、所述样品照片和所述扫描点的位置、定向信息之间的偏差，调整所述激光光束的扫描聚焦位置、所述成像光束的成像聚焦位置、所述指示光成像单元的拍摄位置，引导所述激光光束定位在样品聚焦和扫描，引导所述干涉光成像单元发射的成像光束定位在样品聚焦生成干涉图像。

10、在其中一个实施例中，所述激光发射单元为全光纤振荡激光器，所述激光发射单元发射的激光光束为连续发射的平行激光光束，或者脉冲发射的脉冲激光光束。

11、在其中一个实施例中，所述干涉光成像单元包括依次设置在光路上的成像光源、偏振光产生模块、图像束偏振光产生模块和相干光发生模块；

12、所述偏振光产生模块设置在所述成像光源的出光口，包括依次设置在光路上的偏振光发生器、偏振光分束器和第一反射镜，所述偏振光发生器用于将所述成像光源发出的成像光束形成成像偏振光，所述偏振光分束器用于将所述成像偏振光分成能量相等且偏振态互相正交的第一成像偏振光和第二成像偏振光；所述第一反射镜用于将入射的所述第一成像偏振光反射回所述偏振光分束器并传输至所述相干光发生模块，形成参考束成像偏振光，并使所述第二成像偏振光入射至波前校正调制单元校正相差调制相位；

13、所述图像束偏振光产生模块包括分光镜及设置在所述分光镜反射光路上的波片、第一透镜、半透半反射镜和第二透镜；所述分光镜用于将一部分所述相位调制成像偏振光反射回所述波前校正调制单元，并将一部分所述相位调制成像偏振光传输至所述波片；所述波片用于对一部分所述相位调制成像偏振光和带有样品波前信息的反射光的偏振态进行调整，使得两束光的偏振态相互正交；所述第一透镜用于将另一部分所述相位调制成像偏振光和经过所述波片的两束偏振态相互正交的光传输至所述半透半反射镜；所述半透半反射镜用于将所述两束偏振态相互正交的光和经过所述第二透镜的含有样品波前信息的图像束偏振光的一部分光反射到所述指示光成像单元，将另一部分所述相位调制成像偏振光反射至所述第二透镜并将含有样品波前信息的图像束偏振光沿原光路返回所述波前校正调制单元；所述第二透镜用于聚焦所述另一部分所述相位调制成像偏振光至样品；

14、所述相干光发生模块用于将所述参考束成像偏振光和所述含有样品波前信息的图像束偏振光进行干涉形成含有样品波前信息的相干干涉光。

15、在其中一个实施例中，所述第二透镜固定在样品的上方，所述第二透镜用于将所述激光发射单元发出的激光光束和所述干涉光成像单元发射的成像光束聚焦至样品，同时用于作为所述图像引导激光定位系统的成像聚焦镜头和激光束扫描聚焦镜头。

16、在其中一个实施例中，所述波前校正调制单元包括依次设置在光路上的空间光调制器、低阶相差校正器、高阶相差校正器和第二反射镜，所述空间光调制器用于调制所述校正过波前低阶相差和高阶相差的所述第二成像偏振光的相位，得到相位调制成像偏振光，并使所述相位调制成像偏振光经由所述图像束偏振光产生模块聚焦样品，并经由原光路依次反射回所述图像束偏振光产生模块和所述相干光发生模块中；所述低阶相差校正器用于校正所述第二成像偏振光波前低阶相差；所述高阶相差校正器用于校正所述第二成像偏振光的高阶相差；所述第二反射镜用于将校正过波前低阶相差和高阶相差的所述第二成像偏振光沿光路反射回所述空间光调制器。

17、在其中一个实施例中，所述激光振镜扫描单元包括依次设置的x轴振镜、x轴反射镜、y轴振镜、y轴反射镜、z轴振镜以及z轴反射镜，所述激光振镜扫描单元用于将所述激光发射单元发出的激光光束和所述干涉光成像单元发射的成像光束进行位置调整，并传输至所述第二透镜聚焦样品；

18、所述激光振镜扫描单元用于将所述激光发射单元发射激光光束经所述x轴振镜对水平横截面位置调节，通过所述x轴反射镜反射至所述y轴振镜对y轴水平纵面位置调节，通过所述y轴反射镜反射至所述z轴振镜对z轴垂直深度位置进行调节，通过所述z轴反射镜反射射出，并使得调整了横截面位置、水平纵面位置和垂直深度位置的所述激光光束，经过所述第二透镜聚焦于样品扫描并记录所述扫描点的位置、定向信息；

19、所述激光振镜扫描单元用于将所述干涉光成像单元发射的经过所述波前校正调制单元形成的相位调制成像偏振光经所述x轴振镜对水平横截面位置调节，通过所述x轴反射镜反射至所述y轴振镜对y轴水平纵面位置调节，通过所述y轴反射镜反射至所述z轴振镜对z轴垂直深度位置进行调节，通过所述z轴反射镜反射射出，并使得调整了横截面位置、水平纵面位置和垂直深度位置的所述相位调制成像偏振光，经过所述第二透镜聚焦于样品成像。

20、在其中一个实施例中，所述指示光成像单元包括依次设置在所述半透半反射镜反射光路上的四分之一波片、第三透镜、高速相机、指示光光源，所述四分之一波片用于使得所述半透半反射镜反射的两束偏振态相互正交的光和所述含有样品波前信息图像束偏振光的一部分光从线偏振光变为圆偏振光；所述第三透镜用于将由所述四分之一波片形成的圆偏振光聚焦形成指示光聚焦光斑；所述高速相机用于采集经过所述第三透镜的指示光聚焦光斑；所述指示光光源用于发射可见光使得所述指示光成像单元成像。

21、在其中一个实施例中，所述激光发射单元的扫描光路、所述波前校正调制单元的调制光路、所述干涉光成像单元的成像光路和所述指示光成像单元的成像光路同轴，共用一个光路。

22、在其中一个实施例中，样品同时在所述激光发射单元的激光出射光路内、所述波前校正调制单元的校正调制光路内、所述干涉光成像单元的成像光路内、所述激光振镜扫描单元的扫描范围内和所述指示光成像单元的拍摄范围内。

23、一种上述图像引导激光定位系统的工作方法，包括以下步骤：

24、所述激光发射单元发射激光光束；

25、所述波前校正调制单元校正所述干涉光成像单元的成像光束低阶的倾斜相差和高阶的离焦相差、像散相差，调制相位并传输；

26、所述干涉光成像单元生成两束偏振态互相正交的参考偏振光和含有样品波前信息的图像偏振光，使得两者干涉形成含有样品波前信息的相干干涉光，并传输至所述数据处理单元；

27、所述激光振镜扫描单元对所述激光发射单元发射的激光光束和所述干涉光成像单元发射的成像光束进行位置调整，并实时扫描样品同时记录所述样品的扫描点的位置、定向信息并传输至所述数据处理单元；

28、所述指示光成像单元收集所述激光振镜扫描单元记录的所述扫描点的含有样品波前信息的成像光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息并传输至所述数据处理单元；

29、所述数据处理单元对所述干涉光成像单元采集的相干干涉光进行数据处理、信息提取生成干涉图像信息，分析所述指示光成像单元收集的所述激光振镜扫描单元记录的所述扫描点的含有样品波前信息的成像光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息以实时生成样品照片，并将数据传输至所述控制单元；

30、所述控制单元根据所述数据处理单元分析的所述干涉图像信息、所述样品照片和所述扫描点的位置、定向信息之间的偏差，调整所述激光光束的扫描聚焦位置、所述成像光束的成像聚焦位置、所述指示光成像单元的拍摄位置，引导所述激光光束定位在样品聚焦和扫描，引导所述干涉光成像单元发射的成像光束定位在样品聚焦生成干涉图像。

31、本技术提供的一种图像引导激光定位系统及工作方法，通过利用有调制成像和无调制光传输组合式的自适应光学技术完成对样品相对位置变化及样品像差引起激光波前变化的实时调整，实现了在无调制光传输时提高信噪比，在有调制成像时提高了成像分辨率，为样品情况提供实时的高分辨率的干涉图像信息，通过样品的干涉图像信息、激光振镜扫描单元实时扫描样品内部不同深度、宽度和轴向位置并记录的扫描点的位置、定向信息和指示光成像单元拍摄的扫描点的样品实时照片引导成像光束和激光光束定位聚焦至样品，有效提高了定位聚焦的速度和精确度。