CN114226957A - 一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置，包括光源、两个光滤波器、两个分光镜、两套耦合系统、望远镜系统、倍频晶体或者装置、扩束和准直系统、光电探测器、冷却装置、三维位移台、数据处理系统和电子控制系统，本发明涉及骨加工方法及装置技术领域。该基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置，通过基于包含1μm波段激光的光源与1μm激光和骨相互作用产生二次谐波信号在骨上的反射信号进行多色测距定位，降低和抑制加工过程中空气扰动和水冷等因素引起的折射率变化对测距精度的影响，实现高精度测距定位、焦距调节和位置监测，进而反馈控制激光加工过程，是一种集定位、监测和加工一体化的激光精密骨加工方法。

Description

一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置
技术领域
本发明涉及骨加工方法及装置技术领域，具体为一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置。
背景技术
骨外科手术、人工骨和动物骨等样品加工及骨质文物清理等领域广泛存在着高效和精密骨加工需求，包括切割、钻孔和清洗等加工操作。传统的骨加工方法多采用电钻，电锯和刷子等机械加工的方式，加工过程中存在机械损伤和热损伤风险，且易产生碎骨组织碎片等，进而影响加工效率和质量。
激光骨加工是一种新型骨加工技术，由于其具有加工精度高、无机械损伤、重复性好等优势而备受关注。为充分发挥激光骨加工优势，通常还需建立骨经验模型，附加图像监测装置、计算机断层扫描仪和红外测距仪等装置辅助激光骨加工，进而造成系统庞大，提高了操作复杂度等。近期，已有报道通过对激光骨加工过程中光谱和温度进行在线监测，可以实现对激光骨的高质量加工，但上述方法仍是间接方法，无法直接进行实时位置、焦距和尺寸测量。
本发明基于激光光源和其1μm波段激光与骨相互作用产生二次谐波信号等产生的多色反射光信号进行多色测距定位，降低加工过程中空气扰动和水冷等因素引起的折射率变化对测距精度的影响，实现高精度测距定位、焦距调节和尺寸监测，进而反馈控制激光加工过程，提出一种集定位、监测和加工一体化的激光精密骨加工方法及装置。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置，目的在于提供一种集定位、监测和加工一体的激光精密骨加工方法及其装置，基于光源本身及其1μm波段激光的二次谐波信号进行非合作目标骨样品加工测距，实现精确定位、实时调焦和尺寸测量等，提升骨加工效率和质量。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于多色激光测距的激光骨精密加工装置，包括光源、两个光滤波器、两个分光镜、两个耦合系统、望远镜系统、倍频晶体、扩束和准直系统、光电探测器、冷却装置、三维位移台、数据处理系统和电子控制系统。
本发明还提供了一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，具体包括以下步骤：
S1、在加工前进行骨组织预处理；
S2、用分光镜将激光器出射光分成两束，其中参考光经过倍频后与目标光进行比相，进行高精度相位测距，必要时结合多波长合成法提高测距非模糊范围；
S3、激光作用在骨表面上产生的漫反射光大部分被耦合系统接收再进行处理；
S4、在目标光路上使用光学滤波器使得骨表面漫反射光中滤出目标光信号，目标光信号包括光源本身的反射光信号和光源包含的1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号，实现单台光源双色测距或者进一步拓展为多色测距；
S5、实时测量和分析光信号变化，并根据测距信息快速调整激光加工参数，直至加工结束；
S6、加入电子控制系统，反馈控制三维位移台、激光器、扩束和准直系统及冷却装置。
优选的，所述步骤S1中的预处理包括清洗处理。
优选的，所述步骤S2选用倍频晶体或者装置将参考光进行倍频，获得倍频光。
优选的，所述步骤S3耦合系统由望远镜系统和耦合镜组成，大口径望远镜系统接收大部分漫反射光后出射，在出射口加设透镜或光纤组成的耦合器件将光汇聚后传输进入滤波器，且在聚焦耦合过程中不引入色差。
优选的，所述步骤S4中的光学滤波器包括窄带宽可调滤波器和固定带宽窄带滤波器，还包括光纤或镜片型的光滤波器对不同波长下的光实现滤波。
优选的，所述步骤S5中的根据光信号变化快速调整激光加工参数为包括通过观测和分析光信号变化手动、自动反馈控制、或者手动和自动反馈控制相结合进行快速调整，且在加工时会引起空气扰动以及冷却水或者风冷都会造成折射率变化，多色测距能精确地测定大气折射率，根据测距信息快速调整激光加工参数方法。
优选的，所述步骤S6中电子控制系统通过控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光相对位置，控制激光器改变出射激光光束参数，通过控制扩束和准直系统对出射的目标光进行扩束和准直，在加工过程中启动冷却装置利于对样品台中的骨组织进行散热，且电子控制系统控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光焦点相对位移，根据接收二次谐波的强度与推出激光聚焦点与样品的相对位置，用该方法实现骨组织加工初步定位与测距。
优选的，所述步骤S6中三维位移台放置在样品下方，且三维位移台精度高，能够沿光路及其垂直的三维方向移动，所述电子系统控制的冷却系统包括水冷及风冷装置，在加工过程中及时将激光与骨作用产生的热量带走，避免过高温度带来的不良影响。
优选的，所述步骤S2比相测距，将接收的二次谐波信号与激光器发射端经倍频晶体倍频后的参考光的正弦信号比相得到相差，实现高精度测距，同时用该装置进行多色测距，利用包含1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号及其光谱激光的光源及1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号及其光谱激光的二次谐波的至少两种波长不同的光，进行多色测距，并通过改变光学滤波器参数以获得不同波长的光信号优化测距结果，精确地测定空气折射率，实现波长数大于二的高精度多色测距。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置。与现有技术相比具备以下有益效果：该基于多色激光测距的激光骨精密加工方法及装置，通过基于包含1μm波段激光的光源与1μm激光和骨相互作用产生二次谐波信号在骨上的反射信号进行多色测距定位，降低和抑制加工过程中空气扰动和水冷等因素引起的折射率变化对测距精度的影响，实现高精度测距定位、焦距调节和位置监测，进而反馈控制激光加工过程，是一种集定位、监测和加工一体化的激光精密骨加工方法。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构框图；
图2为本发明实施例1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号及其光谱图；
图3为本发明实施例的装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于多色激光测距的激光骨精密加工装置，包括光源、两个光滤波器、两个分光镜、两套耦合系统、望远镜系统、倍频晶体、扩束和准直系统、光电探测器、冷却装置、三维位移台、数据处理系统和电子控制系统。
本发明实施例还提供了一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，具体包括以下步骤：
S1、在加工前进行骨组织预处理，预处理包括清洗处理；
S2、用分光镜将激光器出射光分成两束，其中参考光信号中的光源信号及其1um激光的倍频信号与目标光进行比相，选用倍频晶体或者装置将参考光进行倍频，获得倍频光，比相测距，将接收的二次谐波信号与激光器发射端经倍频晶体倍频后的参考光的正弦信号比相得到相差，实现高精度测距，当加工速率快导致距离变化超出相位测距的非模糊范围时，利用多个波长的光进行干涉测量时,产生一系列等效合成波长进而扩大非模糊度量程,从而实现更大量程绝对测距。同时，采用该装置进行多色测距，利用包含光源及其1μm波段激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号的至少两种波长不同的光，进行多色测距，并通过改变光学滤波器参数以获得不同波长的光信号优化测距结果，精确地测定空气折射率，降低和抑制加工过程空气剧烈扰动等因素造成的折射率扰动对于测距精度的干扰，实现波长数大于二的高精度多色测距；
S3、激光作用在骨表面上产生的漫反射光大部分被耦合系统接收再进行处理，耦合系统由望远镜系统和耦合镜组成，大口径望远镜系统接收大部分漫反射光后出射，在出射口加设透镜或光纤组成的耦合器件将光汇聚后传输进入滤波器，且在聚焦耦合过程中不引入色差；
S4、在目标光路上使用光学滤波器使得骨表面漫反射光中滤出目标光信号，目标光信号包括光源本身的反射光信号和1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号，实现单台光源双色测距或者进一步拓展为多色测距，光学滤波器包括窄带宽可调滤波器和固定带宽窄带滤波器，还包括光纤或镜片型的光滤波器对不同波长下的光实现滤波；
S5、在加工时会引起空气扰动以及冷却水或者风冷都会造成折射率变化，通过结合多色测距精确地测定大气折射率，实时测量和分析光信号变化，获得距离变化信息，并根据测距信息快速调整激光加工参数，直至加工结束，根据光信号变化快速调整激光加工参数为包括通过观测和分析光信号变化手动、自动反馈控制、或者手动和自动反馈控制相结合进行快速调整；
S6、加入电子控制系统，反馈控制三维位移台、激光器、扩束和准直系统及冷却装置，电子控制系统通过控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光相对位置，控制激光器改变出射激光光束参数，通过控制扩束和准直系统对出射的目标光进行扩束和准直，在加工过程中启动冷却装置利于对样品台中的骨组织进行散热，且电子控制系统控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光焦点相对位移，根据接收二次谐波的强度推出激光聚焦点与样品的相对位置，用该方法实现骨组织加工初步定位与测距，三维位移台放置在样品下方，且三维位移台精度高，能够沿光路及其垂直的三维方向移动，电子系统控制的冷却系统包括水冷及风冷装置，在加工过程中及时将激光与骨作用产生的热量带走，避免过高温度带来的不良影响。
本发明实施例中装置整体结构框图如图1所示，激光光源输出光经分光镜后分成两束光出射，其中一路经扩束和准直系统辐射待加工骨样品表面进行加工，并通过望远镜系统主镜接收骨表面漫反射光，汇聚至副镜后再由副镜聚焦，耦合进入后续光路，滤出光源及其二次谐波激光的波长外的其他光信号，并采用光电探测器接收。另一路参考光经倍频晶体后，剩余激光光源及1μm激光二次谐波激光波长经光滤波器后，同样被光电探测器接收，进入数据处理系统，根据实时信号测量分析，加入电子控制系统，反馈控制三维位移台、冷却装置及激光光源参数及扩束和扩束和准直系统，通过实时测量和分析光信号变化，得出距离信息，根据距离信息变化快速调整加工参数，直至加工结束。
本发明实施例中，光源为包含1μm波段激光的单色或者多色激光器。
本发明实施例中，无合作目标回波信号接收的光学系统为反射式接收望远镜，其没有色差，其口径可以做到很大，同口径较折射式成本低很多，并且采用折叠光路，因此光筒的尺寸可以很小，广泛应用于激光通信和光谱仪器等领域，反射式望远镜中比较常用的有牛顿系统、卡塞格林系统、卡格雷戈里系统,回波信号接收系统采用卡塞格林系统，主镜为抛物面，副镜为抛物面或双曲面，主镜的焦点与副镜的焦点重合，从而消除了系统的球差。主副镜都为非球面镜的情况下系统的光线像差与光程差几乎为0，有较好的接收效率与成像质量。
其中，光学滤波器为窄带宽可调或者固定窄带宽光滤波器及其他等效窄带宽光滤波装置，滤出光源及1μm激光二次谐波的光信号供后续测量使用，1μm波段激光与骨相互作用产生的二次谐波信号如图2所示。
其中，由于二次谐波的信号强度与激光聚焦点和样品的相对位置密切相关。当激光聚焦点远离样品时，谐波信号较弱。当聚焦点靠近样品表面，谐波信号不断增强，且在样品表面处时，谐波信号会达到峰值。
首先调整位移台捕获聚焦激光与样品相互作用产生的二次谐波信号，对产生的二次谐波绿光信号进行强度检测，移动位移台实现高精度聚焦点定位，记录强度T与相对位移Δx、Δy、Δz的关系，同时根据关系可反推激光聚焦点与样品的相对位置，用该方法可实现骨组织加工初步定位与测距。
进一步，结合相位法测距可实现更高精度的定位与测距。目标光遇到距离R处待测目标，目标将其反射回接收器，激光强度为Ir(t)，经过接收、放大及滤波等，解调得到回波正弦信号Sr(t)；将Sr(t)与激光器发射端经倍频晶体倍频后的参考光的正弦信号St(t)比相得到相差，进而求得距离R。
设参考信号St(t)及测量信号Sr(t)分别为
Figure BDA0003380993000000081
Figure BDA0003380993000000082
式中：Ast、Asr为幅度；φs为初相；φR为信号St(t)和Sr(t)间的相位差。根据上述过程有
Figure BDA0003380993000000083
因频率fs和光速c已知，相差φR最大可测值为2π，故求得距离R及最大范围Rm为c/2f；即在相位测量中存一个非模糊度量程，限制了其测量范围。由此，当加工速率过快，距离变化超过了该方法的非模糊范围，更进一步通过采用合成波长来提高非模糊范围。
多波长干涉测量技术的基本原理是小数重合法以及在其上发展的合成波长的概念，两束不同频率的单色光波外差干涉，根据干涉测量原理可知:
Figure BDA0003380993000000084
式中，L为被测长度，m和e分别为被测长度内包含的整数级次和小数级次。干涉仪只能测量小数级次，整数级次可根据粗测值然后通过计算得到。只要上一级测量的不确定度小于下一级合成波长的四分之一，即可沿合成波长链向下逐级精化。
以双波长干涉λ1、λ2为例，其组成的合成波长λ12为一次合成波长，可表示为：
λ12＝λ1λ2/|λ1-λ2|＝c/|fλ1-fλ2|
对应的小数合成相位为e1－e2，双波长的测距非模糊度量程为λ12/2。此时L不大于λ12/2。如果两列波的波长为λ1和λ2相差很小时，则其合成波长大于其中任何一个波长，从而提高了其测量范围。
类似地,当利用多个波长进行干涉测量时,可产生一系列等效合成波长进而扩大非模糊度量程,从而实现大量程绝对测距。为解决超过非模糊范围的测距问题，我们可以利用光学滤波器获得的多波长光或者引入近1μm激光进行双波长干涉拓展，提高非模糊度量程。
更进一步该装置可通过采用多色激光测距避免加工过程中空气扰动和冷却等因素造成空气折射率变化，进而影响测距精度。具体原理简述如下：
在空气环境下，尤其是在加工过程中气流和温度等条件剧烈变化时，空气折射率系数会产生较大波动，影响测距精度。
因此，利用光源及其包含的1μm波段激光的二次谐波多种进行多色(≥2)激光测距。以双色激光测距为例，对真实距离D而言将有
Figure BDA0003380993000000091
其中n1,n2分别代表大气对1μm及其二次谐波的折射系数，利用(2)式、(3)式可化为
Figure BDA0003380993000000092
其中
Figure BDA0003380993000000093
L1与L2分别为用两种光所测得的真空光程，(L2-L1)为其差值。
由于L1或L2以及(L2-L1)均可精确测得，而且(L2-L1)与A1或A2只微弱地依赖于气压P与温度T，从而总的D对P,T的依赖性就比单色测距仪小得多，这就是运用双色测距能大大提高测距精度的原理。
而采用更多种颜色的激光有望进一步降低折射率变化对于测距的影响，装置图如图3所示。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于多色激光测距的激光骨精密加工装置，其特征在于：包括光源、两个光滤波器、两个分光镜、两个耦合系统、望远镜系统、倍频晶体、扩束和准直系统、光电探测器、冷却装置、三维位移台、数据处理系统和电子控制系统。
2.实施权利要求1所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、在加工前进行骨组织预处理；
S2、用分光镜将激光器出射光分成两束，其中参考光经过倍频后与目标光进行比相,进行相位测距，必要时,结合多波长合成法拓展测距的非模糊范围；
S3、激光作用在骨表面上产生的漫反射光大部分被耦合系统接收再进行处理；
S4、在目标光路上使用光学滤波器使得骨表面漫反射光中滤出目标光信号，目标光信号包括光源本身的反射光信号和1μm激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号，实现单台光源双色测距或者进一步拓展为多色测距；
S5、实时测量和分析光信号变化，并根据测距信息快速调整激光加工参数，直至加工结束；
S6、加入电子控制系统，反馈控制三维位移台、激光器、扩束和准直系统及冷却装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S1中的预处理包括清洗处理。
4.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S2选用倍频晶体或者装置将参考光进行倍频，获得倍频光。
5.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S3耦合系统由望远镜系统和耦合镜组成，大口径望远镜系统接收大部分漫反射光后出射，在出射口加设透镜或光纤组成的耦合器件将光汇聚后传输进入滤波器，且在聚焦耦合过程中不引入色差。
6.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S4中的光学滤波器包括窄带宽可调滤波器和固定带宽窄带滤波器，还包括光纤或镜片型的光滤波器对不同波长下的光实现滤波。
7.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S5中的根据光信号变化快速调整激光加工参数为包括通过观测和分析光信号变化手动、自动反馈控制、或者手动和自动反馈控制相结合进行快速调整，且在加工时会引起空气扰动以及冷却水或者风冷都会造成折射率变化，多色测距能精确地测定大气折射率，根据测距信息快速调整激光加工参数方法。
8.根据权利要求2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S6中电子控制系统通过控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光相对位置，控制激光器改变出射激光光束参数，通过控制扩束和准直系统对出射的目标光进行扩束和准直，在加工过程中启动冷却装置利于对样品台中的骨组织进行散热，且电子控制系统控制三维位移台改变待加工骨头与出射激光焦点相对位移，根据接收二次谐波的强度推出激光聚焦点与样品的相对位置，用该方法实现骨组织加工初步定位与测距。
9.根据权利2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S6中三维位移台放置在样品下方，且三维位移台精度高，能够沿光路及其垂直的三维方向移动，所述电子系统控制的冷却系统包括水冷及风冷装置，在加工过程中及时将激光与骨作用产生的热量带走，避免过高温度带来的不良影响。
10.根据权利2所述的一种基于多色激光测距的激光骨精密加工方法，其特征在于：所述步骤S2比相测距，将接收的二次谐波信号与激光器发射端经倍频晶体倍频后的参考光的正弦信号比相得到相差，实现高精度测距，在加工效率过快，超过测距非模糊范围时，结合多个波长进行干涉测量时,可产生一系列等效合成波长进而扩大非模糊度量程,从而实现更大量程绝对测距。同时，采用该装置进行多色测距，利用包含1μm波段激光的光源及其1μm波段激光与骨相互作用产生的二次谐波绿光信号的至少两种波长不同的光，进行多色测距，并通过改变光学滤波器参数以获得不同波长的光信号优化测距结果，快速精确地测定大气折射率，实现波长数大于二的高精度多色测距。
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