CN117968531A - 一种激光光学系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的激光光学系统及工作方法，利用有调制闭环成像和无调制光传输组合式的自适应光学成像技术完成对样品相对位置变化及样品相差引起激光波前变化的实时校准，实现了无需对接接口固定样品完成激光聚焦样品，该系统不仅在光传输时提高信噪比，获得稳定的传输矩阵，而且在闭环工作时提高了系统灵敏度，引导激光束和成像光束精确聚焦样品扫描及成像，无需复杂机械臂或者操纵杆设备来辅助。
Description
技术领域
本申请涉及光学成像技术领域，特别涉及一种激光光学系统及工作方法。
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。在现代激光光学工程实践中，激光光学系统中通常需要激光聚焦样品表面扫描或者穿透样品在内部聚焦扫描。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。该光学系统体积庞大，不利于产品系统的集成，在维修保养时耗时较长。而且目前的光学系统通过聚焦透镜来聚焦成像光束和激光光束，需要应用复杂的机械臂或者操纵杆来实现成像。
发明内容
鉴于此，有必要针对当前需要应用复杂的机械臂或者操纵杆来实现成像的技术问题的提供一种无需复杂机械臂或者操纵杆设备来辅助的激光光学系统及工作方法。
为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
本申请提供了一种激光光学系统，包括：
激光光源(1)、波前校准单元(2)、分光单元(3)、光学相干断层成像单元(4)、高速相机(5)、探测驱动单元(6)、数据分析处理单元(7)及控制单元(8)；所述分光单元(3)包括偏振分光镜(31)、二向分光镜(32)和聚焦透镜(33)；所述数据分析处理单元(7)电性连接所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)及所述控制单元(8)，所述控制单元(8)还电性连接所述激光光源(1)：其中：
所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束；
所述波前校准单元(2)校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述偏振分光镜(31)，所述偏振分光镜(31)对入射的所述第二激光束进行分离；
分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束形成合束光束并经所述二向分光镜(32)、所述聚焦透镜(33)聚焦至样品，所述样品的反射光再依次经所述聚焦透镜(33)、所述二向分光镜(32)、所述偏振分光镜(31)返回至所述光学相干断层成像单元(4)，所述光学相干断层成像单元(4)采集返回的样品的反射光并获取成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述高速相机(5)采集返回的样品的反射光并获取拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述数据分析处理单元(7)分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)；
分离后的另一部分第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)，所述探测驱动单元(6)用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，以获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)；
所述控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束聚焦定位样品。
在其中一些实施例中，所述波前校准单元(2)包括依次连接的第一倾斜镜(21)、变形镜(22)和空间光调制器(23)，所述第一倾斜镜(21)为反射式倾斜校正镜，用于波前倾斜相差校正；所述变形镜(22)为连续表面变形镜用于进行离焦、像散等高阶相差校正；所述空间光调制器(23)为液晶空间光调制器，用于调制误差校正后的激光束的相位并传输至所述偏振分光镜(31)。
在其中一些实施例中，所述聚焦透镜(33)入射的分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束精准地聚焦在样品，并作为所述光学相干断层成像系统(4)的成像镜头和所述高速相机(5)的拍摄镜头。
在其中一些实施例中，所述激光光源(1)、所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)和所述探测驱动单元(6)的光路同轴，所述样品同时在所述光学相干断层成像单元(4)的成像范围、所述高速相机(5)的拍摄范围和所述探测驱动单元(6)的探测范围内。
在其中一些实施例中，所述探测驱动单元(6)包括依次设置的第二倾斜镜(61)、变形镜(62)、聚焦器(63)和探测驱动器(64)，所述第二倾斜镜(61)为反射式倾斜校正镜，用于入射的部分所述第二激光束的波前倾斜相差校正并反射校正后的所述第二激光束；所述变形镜(62)为连续表面变形镜，用于校正经过所述第二倾斜镜(61)校正并反射的部分所述第二激光束的离焦、像散等高阶相差；所述聚焦器(63)为聚焦透镜，将经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束聚焦在所述探测驱动器(64)上；所述探测驱动器(64)采集聚焦在所述聚焦器(63)上并经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束，以获取成像光斑及光斑偏离并形成驱动信号。
本申请还提供了一种所述的激光光学系统的工作方法，包括下述步骤：
所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束；
所述波前校准单元(2)校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述偏振分光镜(31)，所述偏振分光镜(31)对入射的所述第二激光束进行分离；
分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束形成合束光束并经所述二向分光镜(32)、所述聚焦透镜(33)聚焦至样品，经所述样品的反射光再依次经所述聚焦透镜(33)、所述二向分光镜(32)、所述偏振分光镜(31)返回至所述光学相干断层成像单元(4)，所述光学相干断层成像单元(4)采集返回的样品的反射光并获取成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述高速相机(5)采集返回的样品的反射光并获取拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述数据分析处理单元(7)分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)；
分离后的另一部分第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)，所述探测驱动单元(6)用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，以获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)；
所述控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束聚焦定位样品。
本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
本申请提供的激光光学系统及工作方法，利用有调制闭环成像和无调制光传输组合式的自适应光学成像技术完成对样品相对位置变化及样品相差引起激光波前变化的实时校准，实现了无需对接接口固定样品完成激光光束聚焦扫描样品，该系统不仅在光传输时提高信噪比，获得稳定的传输矩阵，而且在闭环工作时提高了系统灵敏度，引导激光束和成像光束精确聚焦样品扫描及成像，无需复杂机械臂或者操纵杆设备来辅助。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的激光光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
请参阅图1，本申请实施例提供的激光光学系统的结构示意图，包括：激光光源(1)、波前校准单元(2)、分光单元(3)、光学相干断层成像单元(4)、高速相机(5)、探测驱动单元(6)、数据分析处理单元(7)及控制单元(8)。以下详细说明各个部件的连接关系及其实现方式。
具体地，激光光源(1)通过电信号传输线路连接于所述控制单元(8)，所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束。
具体地，波前校准单元(2)通过光纤传输线路连接在所述激光光源(1)的出光口，校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述分光单元3。
在本实施例中，所述波前校准单元(2)包括依次连接的第一倾斜镜(21)、变形镜(22)和空间光调制器(23)，所述第一倾斜镜(21)为反射式倾斜校正镜，用于波前倾斜相差校正；所述变形镜(22)为连续表面变形镜用于进行离焦、像散等高阶相差校正；所述空间光调制器(23)为液晶空间光调制器，用于调制误差校正后的激光束的相位并传输至所述偏振分光镜(31)。
具体地，分光单元(3)通过光纤传输线路连接于所述波前校准单元(2)、所述成像单元(4)、所述高速相机(5)和所述传感器单元6，用于将入射至所述分光单元(3)的所述第二激光束分离，用于将入射的部分所述第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束合束传输并聚焦至样品，反射样品的反射光返回至所述光学相干断层成像单元(4)和所述高速相机(5)，将另一部分入射的所述第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)。
进一步地，所述分光单元(3)包括偏振分光镜(31)、二向分光镜(32)和聚焦透镜(33)。所述偏振分光镜(31)将入射的所述第二飞秒激光束分离，将部分入射的所述第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)；所述二向分光镜(32)将入射的另一部分所述第二激光束和光学相干断层成像单元(4)的成像光束传输至所述聚焦透镜(33)，并反射样品的反射光返回至所述光学相干断层成像单元(4)和所述高速相机(5)；所述聚焦透镜(33)入射的部分所述另一部分第二激光束和光学相干断层成像单元(4)的成像光束精准地聚焦在样品，并作为所述光学相干断层成像单元(4)的成像镜头和所述高速相机(5)的拍摄镜头。
具体地，光学相干断层成像单元(4)通过光纤传输线路连接于所述分光单元(3)并通过所述电信号传输线路电连接于所述数据分析处理单元(7)，光学相干断层成像单元(4)用于采集返回所述光学相干断层成像单元(4)的样品的反射光，获取所述成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)。
具体地，高速相机(5)通过光纤传输线路连接于所述分光单元(3)并通过所述电信号传输线路电连接于所述数据分析处理单元(7)，用于采集返回所述高速相机(5)的样品的反射光，获取所述拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)。
具体地，探测驱动单元(6)通过光纤传输线路连接于所述分光单元(3)，通过电信号传输线路连接于所述控制单元(8)，用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)。
在一些较佳的实施例中，所述激光光源(1)、所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)和探测驱动单元(6)的光路同轴，样品同时在所述光学相干断层成像单元(4)成像范围、所述高速相机(5)拍摄范围和所述探测驱动单元(6)探测范围内。
进一步地，所述探测驱动单元(6)包括依次设置的第二倾斜镜(61)、变形镜(62)、聚焦器(63)和探测驱动器(64)，所述第二倾斜镜(61)为反射式倾斜校正镜，用于入射的部分所述第二激光束的波前倾斜相差校正并反射校正后的所述第二激光束；所述变形镜(62)为连续表面变形镜，用于校正经过所述第二倾斜镜(61)校正并反射的部分所述第二激光束的离焦、像散等高阶相差；所述聚焦器(63)为聚焦透镜，将经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束聚焦在所述探测驱动器(64)上；所述探测驱动器(64)采集聚焦在所述聚焦器(63)上并经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束，以获取成像光斑及光斑偏离并形成驱动信号。
具体地，数据分析处理单元(7)通过电信号传输线路连接于所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)和所述控制单元(8)，分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)。
具体地，控制单元(8)通过电信号传输线路连接于所述激光光源(1)、所述成像单元(4)、所述高速相机(5)、所述探测驱动单元(6)和所述数据分析处理单元(7)，控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束经所述分光单元(3)聚焦样品，样品反射光返回所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)进行扫描、成像。
本申请上述实施例提供的激光光学系统，其工作流程如下：
所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束；
所述波前校准单元(2)校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述偏振分光镜(31)，所述偏振分光镜(31)对入射的所述第二激光束进行分离；
分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束形成合束光束并经所述二向分光镜(32)、所述聚焦透镜(33)聚焦至样品，所述样品的反射光再依次经所述聚焦透镜(33)、所述二向分光镜(32)、所述偏振分光镜(31)返回至所述光学相干断层成像单元(4)，所述光学相干断层成像单元(4)采集返回的样品的反射光并获取成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述高速相机(5)采集返回的样品的反射光并获取拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述数据分析处理单元(7)分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)；
分离后的另一部分第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)，所述探测驱动单元(6)用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，以获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)；
所述控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束聚焦定位样品。
可以理解，所述第三激光束的光路传输方式与本申请上述实施例提供的第二激光束一致。
可以理解，生成第三激光束并聚焦定位样品，在实际中还根据定位情况生成第四激光束以满足实际需要。
需要说明的是：本申请上述实施例中提供的激光光学系统及工作方法可以用于工业样品的检测，还可以应用于人体或者动物组织处的成像，应用广泛。
本申请提供的激光光学系统及工作方法，利用有调制闭环成像和无调制光传输组合式的自适应光学成像技术完成对样品相对位置变化及样品相差引起激光波前变化的实时校准，实现了无需对接接口固定样品完成激光光束聚焦扫描样品，该系统不仅在光传输时提高信噪比，获得稳定的传输矩阵，而且在闭环工作时提高了系统灵敏度，引导激光束和成像光束精确聚焦样品扫描及成像，无需复杂机械臂或者操纵杆设备来辅助。
可以理解，以上所述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。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种激光光学系统，其特征在于，包括：
激光光源(1)、波前校准单元(2)、分光单元(3)、光学相干断层成像单元(4)、高速相机(5)、探测驱动单元(6)、数据分析处理单元(7)及控制单元(8)；所述分光单元(3)包括偏振分光镜(31)、二向分光镜(32)和聚焦透镜(33)；所述数据分析处理单元(7)电性连接所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)及所述控制单元(8)，所述控制单元(8)还电性连接所述激光光源(1)：其中：
所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束；
所述波前校准单元(2)校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述偏振分光镜(31)，所述偏振分光镜(31)对入射的所述第二激光束进行分离；
分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束形成合束光束并经所述二向分光镜(32)、所述聚焦透镜(33)聚焦至样品，经所述样品的反射光再依次经所述聚焦透镜(33)、所述二向分光镜(32)、所述偏振分光镜(31)返回至所述光学相干断层成像单元(4)，所述光学相干断层成像单元(4)采集返回的样品的反射光并获取成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述高速相机(5)采集返回的样品的反射光并获取拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述数据分析处理单元(7)分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)；
分离后的另一部分第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)，所述探测驱动单元(6)用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，以获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)；
所述控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束聚焦定位样品。
2.如权利要求1所述的激光光学系统，其特征在于，所述波前校准单元(2)包括依次连接的第一倾斜镜(21)、变形镜(22)和空间光调制器(23)，所述第一倾斜镜(21)为反射式倾斜校正镜，用于波前倾斜相差校正；所述变形镜(22)为连续表面变形镜用于进行离焦、像散等高阶相差校正；所述空间光调制器(23)为液晶空间光调制器，用于调制误差校正后的激光束的相位并传输至所述偏振分光镜(31)。
3.如权利要求1所述的激光光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜(33)入射的分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束精准地聚焦在样品，并作为所述光学相干断层成像系统(4)的成像镜头和所述高速相机(5)的拍摄镜头。
4.如权利要求1所述的激光光学系统，其特征在于，所述激光光源(1)、所述光学相干断层成像单元(4)、所述高速相机(5)和所述探测驱动单元(6)的光路同轴，所述样品同时在所述光学相干断层成像单元(4)的成像范围、所述高速相机(5)的拍摄范围和所述探测驱动单元(6)的探测范围内。
5.如权利要求1所述的激光光学系统，其特征在于，所述探测驱动单元(6)包括依次设置的第二倾斜镜(61)、变形镜(62)、聚焦器(63)和探测驱动器(64)，所述第二倾斜镜(61)为反射式倾斜校正镜，用于入射的部分所述第二激光束的波前倾斜相差校正并反射校正后的所述第二激光束；所述变形镜(62)为连续表面变形镜，用于校正经过所述第二倾斜镜(61)校正并反射的部分所述第二激光束的离焦、像散等高阶相差；所述聚焦器(63)为聚焦透镜，将经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束聚焦在所述探测驱动器(64)上；所述探测驱动器(64)采集聚焦在所述聚焦器(63)上并经过所述第二倾斜镜(61)和所述变形镜(62)波前校正后的部分所述第二激光束，以获取成像光斑及光斑偏离并形成驱动信号。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的激光光学系统的工作方法，其特征在于，包括：
所述激光光源(1)用于在所述控制单元(8)控制下发射第一激光束；
所述波前校准单元(2)校正所述第一激光束的低阶相差和高阶相差，调制相位后形成第二激光束并传输至所述偏振分光镜(31)，所述偏振分光镜(31)对入射的所述第二激光束进行分离；
分离后的部分第二激光束和所述光学相干断层成像单元(4)的成像光束形成合束光束并经所述二向分光镜(32)、所述聚焦透镜(33)聚焦至样品，经所述样品的反射光再依次经所述聚焦透镜(33)、所述二向分光镜(32)、所述偏振分光镜(31)返回至所述光学相干断层成像单元(4)，所述光学相干断层成像单元(4)采集返回的样品的反射光并获取成像位置的样品定位和/或形状信息的图像信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述高速相机(5)采集返回的样品的反射光并获取拍摄位置的样品照片信息并传输至所述数据分析处理单元(7)，所述数据分析处理单元(7)分析所述光学相干断层成像单元(4)获取的所述成像位置的样品定位和/或形状信息和所述高速相机(5)获取的所述拍摄位置的样品照片信息，并将数据信息传输至所述控制单元(8)；
分离后的另一部分第二激光束传输至所述探测驱动单元(6)，所述探测驱动单元(6)用于校正入射的部分所述第二激光束的光程相差，以获取成像光斑及光斑偏离并生成驱动信号并传输至所述控制单元(8)；
所述控制单元(8)根据所述数据分析处理单元(7)提供的数据信息和所述探测驱动单元(6)的驱动信号，驱动所述波前校准单元(2)对入射的部分所述第二激光束波前相差进行校正形成第三激光束，所述第三激光束聚焦定位样品。
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