CN117870549B - 一种图像引导激光定位系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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。

Description

一种图像引导激光定位系统及工作方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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：

所述激光发射单元发射激光光束；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

本申请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。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的图像引导激光定位系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的激光振镜扫描单元的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，本申请提供了一种图像引导激光定位系统，该图像引导激光定位系统包括激光发射单元1、波前校正调制单元2、干涉光成像单元3、激光振镜扫描单元4、指示光成像单元5、数据处理单元6和控制单元7；

激光发射单元1，连接于波前校正调制单元2和控制单元7，用于发射激光光束；

波前校正调制单元2，连接于干涉光成像单元3，用于校正干涉光成像单元3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；

干涉光成像单元3，连接于波前校正调制单元2和控制单元7，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，并传输至数据处理单元6；

激光振镜扫描单元4，连接于激光发射单元1和数据处理单元6，用于对激光发射单元1发射的激光光束和干涉光成像单元3发射的成像光束进行位置调整，并实时扫描样品同时记录样品的扫描点的位置、定向信息并传输至数据处理单元6；

指示光成像单元5，连接于干涉光成像单元3和数据处理单元6，用于收集激光振镜扫描单元4记录的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数据处理单元6；

数据处理单元6，用于对干涉光成像单元3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，分析指示光成像单元5收集的激光振镜扫描单元4记录的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，并将数据传输至控制单元7；

控制单元7，用于根据数据处理单元6分析的干涉图像信息、样品照片和扫描点的位置、定向信息之间的偏差，调整激光光束的扫描聚焦位置、成像光束的成像聚焦位置、指示光成像单元5的拍摄位置，引导激光光束定位在样品聚焦和扫描，引导干涉光成像单元3发射的成像光束定位在样品聚焦生成干涉图像。

可以理解的是，通过波前校正调制单元2和干涉光成像单元3的协调工作，利用有调制成像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校正调制，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和照片信息；

通过激光发射单元1和激光振镜扫描单元4的协调工作，利用无调制光传输技术完成对激光发射单元1出射的激光光束经过激光振镜扫描单元4调整位置聚焦样品扫描，实现了在无调制光传输时提高信噪比和传输速度，提高图像引导激光定位系统的准确性；

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实现有调制高分辨率成像，实现了在无调制光传输时提高信噪比和传输速度，引导成像光束和扫描光束定位聚焦至样品，提高定位聚焦的速度，提高图像引导激光定位系统的准确性。

可选地，激光发射单元1为全光纤振荡激光器，激光发射单元1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。

如图1所示，干涉光成像单元3包括依次设置在光路上的成像光源31、偏振光产生模块32、图像束偏振光产生模块33和相干光发生模块34；

偏振光产生模块32设置在成像光源31的出光口，包括依次设置在光路上的偏振光发生器321、偏振光分束器322和第一反射镜323，偏振光发生器321可以为二分之一波片，偏振光发生器321用于将成像光源31发出的成像光束形成成像偏振光，偏振光分束器322用于将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；第一反射镜323用于将入射的第一成像偏振光反射回偏振光分束器322并传输至相干光发生模块34，形成参考束成像偏振光，并使第二成像偏振光入射至波前校正调制单元2校正相差调制相位；

图像束偏振光产生模块33包括分光镜331及设置在分光镜331反射光路上的波片332、第一透镜333、半透半反射镜334和第二透镜335；分光镜331用于将一部分相位调制成像偏振光反射回波前校正调制单元2，并将一部分相位调制成像偏振光传输至波片332；波片332用于对一部分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；第一透镜333可以为柱透镜，第一透镜333用于将另一部分相位调制成像偏振光和经过波片332的两束偏振态相互正交的光传输至半透半反射镜334；半透半反射镜334用于将两束偏振态相互正交的光和经过第二透镜335的含有样品波前信息的图像束偏振光的一部分光反射到指示光成像单元5，将另一部分相位调制成像偏振光反射至第二透镜335并将含有样品波前信息的图像束偏振光沿原光路返回波前校正调制单元2；第二透镜335可以为聚焦透镜，第二透镜335用于聚焦另一部分相位调制成像偏振光至样品；

相干光发生模块34用于将参考束成像偏振光和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。

可以理解的是，第二透镜335固定在样品的上方，第二透镜335用于将激光发射单元1发出的激光光束和干涉光成像单元3发射的成像光束聚焦至样品，同时用于作为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。

如图1所示，波前校正调制单元2包括依次设置在光路上的空间光调制器21、低阶相差校正器22、高阶相差校正器23和第二反射镜24，空间光调制器21可以为液晶空间光调制器，空间光调制器21用于调制校正过波前低阶相差和高阶相差的第二成像偏振光的相位，得到相位调制成像偏振光，并使相位调制成像偏振光经由图像束偏振光产生模块33聚焦样品，并经由原光路依次反射回图像束偏振光产生模块33和相干光发生模块34中；低阶相差校正器22用于校正第二成像偏振光波前低阶相差；高阶相差校正器23用于校正第二成像偏振光的高阶相差；第二反射镜24用于将校正过波前低阶相差和高阶相差的第二成像偏振光沿光路反射回空间光调制器21。

可以理解的是，低阶相差校正器22和高阶相差校正器23共同组成波前复合调整，将低阶的倾斜相差和高阶的离焦相差、像散相差全部调整之后再传输至空间光调制器21，空间光调制器21进行光束纯相位校正。

如图2所示，激光振镜扫描单元4包括依次设置的X轴振镜41、X轴反射镜42、Y轴振镜43、Y轴反射镜44、Z轴振镜45以及Z轴反射镜46，激光振镜扫描单元4用于将激光发射单元1发出的激光光束和干涉光成像单元3发射的成像光束进行位置调整，并传输至第二透镜335聚焦样品；

激光振镜扫描单元4用于将激光发射单元1发射激光光束经X轴振镜41对水平横截面位置调节，通过X轴反射镜42反射至Y轴振镜43对Y轴水平纵面位置调节，通过Y轴反射镜44反射至Z轴振镜45对Z轴垂直深度位置进行调节，通过Z轴反射镜46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激光光束，经过第二透镜335聚焦于样品扫描并记录扫描点的位置、定向信息；

激光振镜扫描单元4用于将干涉光成像单元3发射的经过波前校正调制单元2形成的相位调制成像偏振光经X轴振镜41对水平横截面位置调节，通过X轴反射镜42反射至Y轴振镜43对Y轴水平纵面位置调节，通过Y轴反射镜44反射至Z轴振镜45对Z轴垂直深度位置进行调节，通过Z轴反射镜46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相位调制成像偏振光，经过第二透镜335聚焦于样品成像。

如图1所示，指示光成像单元5包括依次设置在半透半反射镜334反射光路上的四分之一波片51、第三透镜52、高速相机53、指示光光源54，四分之一波片51可以为消色差四分之一波片，四分之一波片51用于使得半透半反射镜334反射的两束偏振态相互正交的光和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；第三透镜52为高速相机53的聚焦透镜，第三透镜52用于将由四分之一波片51形成的圆偏振光聚焦形成指示光聚焦光斑；高速相机53用于采集经过第三透镜52的指示光聚焦光斑；指示光光源54用于发射可见光使得指示光成像单元5成像。

可以理解的是，指示光光源54为可见光光源，指示光光源54包括LED灯珠、白炽灯以及荧光灯中的任意一种。

在一可选的实施例中，指示光成像单元5发射的指示光光束（具体为指示光光源54发射的可见光）的波长、激光发射单元1发射的激光光束的波长、干涉光成像单元3发射的成像光束的波长不重叠，以使三者在同一个光路中相互工作不串扰。

在一可选的实施例中，激光发射单元1的扫描光路、波前校正调制单元2的调制光路、干涉光成像单元3的成像光路和指示光成像单元5的成像光路同轴，共用一个光路。该图像引导激光定位系统以共光路为基准，通过共光路设计实现了快速光学对准，节约了成像准备时间、提高成像速度，以实时图像引导激光光束和成像光束定位，提高定位聚焦的速度和精确度。

可以理解的是，样品同时在激光发射单元1的激光出射光路内、波前校正调制单元2的校正调制光路内、干涉光成像单元3的成像光路内、激光振镜扫描单元4的扫描范围内和指示光成像单元5的拍摄范围内。

如图1所示，图像引导激光定位系统还包括光纤传输线路8，激光发射单元1、波前校正调制单元2、干涉光成像单元3、激光振镜扫描单元4、指示光成像单元5之间通过光纤传输线路8实现连接。

图像引导激光定位系统还包括电信号传输线路9，激光发射单元1、波前校正调制单元2、干涉光成像单元3、激光振镜扫描单元4、指示光成像单元5与数据处理单元6、控制单元7之间通过电信号传输线路9实现电连接。

具体地，激光发射单元1通过光纤传输线路8连接于波前校正调制单元2，并通过电信号传输线路9连接于控制单元7；

波前校正调制单元2通过光纤传输线路8设置在干涉光成像单元3出光口；干涉光成像单元3通过光纤传输线路8连接于波前校正调制单元2，并通过电信号传输线路9连接于控制单元7；

激光振镜扫描单元4通过光纤传输线路8连接于激光发射单元1的出光口，并通过电信号传输线路9连接于数据处理单元6；

指示光成像单元5通过光纤传输线路8连接于干涉光成像单元3的光路中，并通过电信号传输线路9连接于数据处理单元6；

数据处理单元6通过电信号传输线路9电连接于激光发射单元1、波前校正调制单元2、干涉光成像单元3、激光振镜扫描单元4和指示光成像单元5；

控制单元7通过电信号传输线路9电连接于激光发射单元1、干涉光成像单元3和数据处理单元6。

参考图1，本申请还提供了一种上述图像引导激光定位系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

S1.激光发射单元1发射激光光束；

S2.波前校正调制单元2校正干涉光成像单元3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；

S3.干涉光成像单元3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，并传输至数据处理单元6；

S4.激光振镜扫描单元4对激光发射单元1发射的激光光束和干涉光成像单元3发射的成像光束进行位置调整，并实时扫描样品同时记录样品的扫描点的位置、定向信息并传输至数据处理单元6；

S5.指示光成像单元5收集激光振镜扫描单元4记录的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数据处理单元6；

S6.数据处理单元6对干涉光成像单元3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，分析指示光成像单元5收集的激光振镜扫描单元4记录的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，并将数据传输至控制单元7；

S7.控制单元7根据数据处理单元6分析的干涉图像信息、样品照片和扫描点的位置、定向信息之间的偏差，调整激光光束的扫描聚焦位置、成像光束的成像聚焦位置、指示光成像单元5的拍摄位置，引导激光光束定位在样品聚焦和扫描，引导干涉光成像单元3发射的成像光束定位在样品聚焦生成干涉图像。

在一实施例中，步骤S3具体包括：

S31.成像光源31发出的成像光束通过偏振光发生器321形成偏振光，偏振光入射到偏振光分束器322上，然后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；第一反射镜323将入射的第一成像偏振光反射回偏振光分束器322进入相干光发生模块34，形成参考束成像偏振光，第二成像偏振光入射至波前校正调制单元2校正相差调制相位；

S32.图像束偏振光产生模块33的分光镜331将一部分相位调制成像偏振光反射回波前校正调制单元2，并将一部分相位调制成像偏振光传输至波片332；波片332对一部分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；第一透镜333将另一部分相位调制成像偏振光和经过波片332的两束偏振态相互正交的光传输至半透半反射镜334；半透半反射镜334将两束偏振态相互正交的光和经过第二透镜335的含有样品波前信息的图像束偏振光的一部分光反射到指示光成像单元5，将另一部分相位调制成像偏振光反射至第二透镜335并将含有样品波前信息的图像束偏振光沿原光路返回波前校正调制单元2；

步骤S2具体包括：

S21.波前校正调制单元2的空间光调制器21调制经过低阶相差校正器22和高阶相差校正器23校正过波前低阶相差和高阶相差的并经过第二反射镜24反射回空间光调制器21内的第二成像偏振光的相位，得到相位调制成像偏振光，并使相位调制成像偏振光经由图像束偏振光产生模块33聚焦样品，并经由原光路依次反射回图像束偏振光产生模块33和相干光发生模块34中。

参考图2，在一实施例中，步骤S4具体包括：

S41.激光振镜扫描单元4将激光发射单元1发射的激光光束经X轴振镜41对水平横截面位置调节，通过X轴反射镜42反射至Y轴振镜43；

S42.Y轴振镜43对Y轴水平纵面位置调节，通过Y轴反射镜44反射至Z轴振镜45；

S43.Z轴振镜45对Z轴垂直深度位置进行调节，通过Z轴反射镜46反射射出，并使调整了横截面位置、水平纵面位置和垂直深度位置的激光光束，经过第二透镜335聚焦于样品扫描并记录扫描点的位置、定向信息；

S44.激光振镜扫描单元4将干涉光成像单元3发射的经过波前校正调制单元2形成的相位调制成像偏振光经X轴振镜41对水平横截面位置调节，通过X轴反射镜42反射至Y轴振镜43；

S45.Y轴振镜43对Y轴水平纵面位置调节，通过Y轴反射镜44反射至Z轴振镜45；

S46.Z轴振镜45对Z轴垂直深度位置进行调节，通过Z轴反射镜46反射射出，并使调整了横截面位置、水平纵面位置和垂直深度位置的相位调制成像偏振光，经过第二透镜335聚焦于样品成像。

需要说明的是：本申请上述实施例中提供的图像引导激光定位系统及工作方法可以用于工业样品的成像以实现样品的检测，还可以应用于人体或者动物组织处的定位，应用广泛。本申请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。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种图像引导激光定位系统，其特征在于，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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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；

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；

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；

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。

4.根据权利要求3所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

5.根据权利要求3所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

6.根据权利要求3所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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；

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；

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。

7.根据权利要求3所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

9.根据权利要求1所述的图像引导激光定位系统，其特征在于，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。

10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的图像引导激光定位系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述激光发射单元发射激光光束；

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；

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；

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；

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；

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；

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。