一种无像差的激光扫描方法及系统与流程

1.本发明属于光学领域，更具体地，涉及一种无像差的激光扫描方法及系统。


背景技术：

2.在光学系统中，不可避免地会存在像差，像差的存在会使系统的光学性能参数变差，例如聚焦光斑束腰半径变大，能量密度下降等。在某些领域中，例如激光眼科手术和激光加工等领域中，这种情况往往会造成加工的精度下降，需要注入的激光功率变大等等。特别是在扫描系统中，不同的扫描位置，像差的大小和方向并不相同，使得加工面的不同位置加工精度不同，加工质量下降。
3.目前解决光学系统像差问题的方法主要分为两种，一种是向系统中加入固定的像差补偿，另一种是向系统中加入动态的像差补偿。固定的像差补偿方法是，根据搭建好的光学系统测量出系统像差，设计一个固定的像差补偿器件，例如相位板等，通过向系统中加入设计的像差补偿器件来补偿系统像差。这种方法的局限性是只能补偿系统轴上点的像差。动态的像差补偿方法是，在光学系统中加入可变的像差补偿器件，例如液晶空间光调制器(slm)、数字微镜器件(dmd)、可变形反射镜(dm)等等，通过特定的算法或公式计算出补偿器件需要显示的图案或排列的顺序来校准系统像差。相比于前一种方法，此方法理论上是可以对系统的全扫描视场进行像差校正，做法是对每个扫描点都进行独立的像差校正，在进行当前扫描点扫描时，向动态像差补偿器件中加载相应的像差补偿图案或排列的顺序。但是这样做非常复杂麻烦，需要耗费大量的时间，且在高速大范围扫描的情况下，对像差补偿器件的更新速度要求非常高，现有的器件无法满足要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种无像差的激光扫描方法及系统，其目的在于不增加像差补偿器件性能的前提下，缩短像差校正时间。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无像差的激光扫描方法，包括：
6.预处理阶段，包括：
7.将扫描轨迹切片为n个同心的圆轨迹，其中，n为正整数；每个圆轨迹上都任取一点作为扫描起始点，得到n个扫描起始点；
8.获得所述n个扫描起始点中每个扫描起始点对应的像差校正数据，得到n组一一对应的扫描起始点数据与像差校正数据；
9.扫描阶段，包括如下步骤：
10.步骤s1，产生激光束；
11.步骤s2，选定一个未扫描的圆轨迹作为待扫描圆轨迹，控制所述激光束的偏转角，使其聚焦在待扫描圆轨迹的扫描起始点上，并设置与该扫描起始点对应的像差校正数据，使该激光束从该扫描起始点开始沿着该圆轨迹旋转一周，在扫描过程中，光束自转角速度
与环形扫描角速度一致，以矫正所述待扫描圆轨迹上的每个点；
12.步骤s3，重复步骤s3，直到n个圆轨迹都扫描完成。
13.进一步地，所述扫描阶段中，所述激光束为脉冲激光光束，且所有圆轨迹上的扫描点间距均相同。
14.进一步地，所述脉冲激光光束在当前圆轨迹的激光分频n
l
为：
15.n
l
＝floor(f
l
/f
l
′
0.5)，
16.其中，f
l
′
为脉冲激光光束的重频，f
l
为脉冲激光光束的基础频率，且d
p
为不同半径对应的圆轨迹上的扫描点间距，r为当前圆轨迹的半径，ω为脉冲激光光束的旋转角速度，floor()为向下求整函数。
17.进一步地，所述脉冲激光光束的旋转角速度ω为：
[0018][0019]
进一步地，所述预处理阶段中，通过泽尼克多项式对所述扫描起始点处的像差进行校正。
[0020]
按照本发明的另一个方面，提供了一种无像差的激光扫描系统，包括：
[0021]
激光光源，用于产生激光光束；
[0022]
像差校正单元，用于对激光光束进行波前像差预补偿，使激光光束聚焦后的光斑无像差；
[0023]
光束偏转单元，用于使激光光束具有一定的偏转角；
[0024]
光束旋转单元，用于将具有一定偏转角的激光光束进行环形扫描，并使激光光束在扫描过程自转，自转角速度环形扫描角速度一致；
[0025]
控制单元，用于将扫描轨迹切片为n个同心的圆轨迹，其中，n为正整数；在每个圆轨迹上都任取一点作为扫描起始点，得到n个扫描起始点；控制像差校正单元获得所述n个扫描起始点中每个扫描起始点对应的像差校正数据；控制所述光束偏转单元的偏转角和光束旋转单元的旋转角速度，使激光光束聚焦在一个未扫描的圆轨迹的扫描起始点上，并设置与该扫描起始点对应的像差校正数据，使该激光光束从该扫描起始点开始沿着该圆轨迹旋转一周；以及控制像差校正单元更换不同未扫描的圆轨迹的像差校正数据，直到n个圆轨迹都扫描完成。
[0026]
进一步地，所述光束偏转单元是振镜、声光偏转器、光楔、转镜或可动微镜。
[0027]
进一步地，所述像差校正单元是空间光调制器、数字微镜器件或可变形反射镜。
[0028]
进一步地，所述光束旋转单元是由电机带动的道威棱镜或阿贝-柯尼棱镜或k字形排布的三反射镜。
[0029]
进一步地，还包括：位于光束偏转单元和光束旋转单元之间的中继单元，用于使所述光束偏转单元和所述光束旋转单元的光瞳匹配。
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0031]
(1)本发明的无像差快速激光扫描系统及方法，利用激光扫描光路中像差是关于光轴回转对称的特性，对每个扫描圆轨迹只校正一个扫描起始点得到对应的像差校正数据，通过环形扫描，将该圆轨迹上的像差都设置成该扫描起始点对应的像差校正数据，使光
束旋转角速度与环形扫描角速度一致，实现对所有圆轨迹上的像差都校正的效果，大大减少需要校正的扫描点数，缩短了像差校正时间。同时，一个圆轨迹才需要切换一次像差校正数据，对像差校正单元的更新速度和存储空间要求都大大降低，实现了高速大范围(全视场)无像差扫描。
[0032]
(2)作为优选，针对脉冲激光，通过计算激光基频分频反推算出不同半径下与扫描点间距对应的光束扫描角速度，得到不同半径对应的圆轨迹上的扫描点间距、光束扫描角速度、每个圆轨迹半径、激光分频系数一一对应的数据集，应用在激光眼科手术中，可以实现不同半径的圆轨迹上的扫描点间距均相同。
[0033]
(3)作为优选，本发明的无像差快速激光扫描系统还包括中继单元，可以使得光束偏转单元和光束旋转单元的光瞳匹配，提升扫描成像质量。
[0034]
总而言之，本发明的无像差快速激光扫描系统及方法，在缩短像差校正时间的基础上，实现了高速大范围(全视场)无像差扫描。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的无像差激光扫描系统的结构示意图。
[0036]
图2为常规激光扫描系统中像差分布示意图。
[0037]
图3为道威棱镜在0
°
时成像示意图。
[0038]
图4为道威棱镜在45
°
时成像示意图。
[0039]
图5为道威棱镜旋转180
°
过程中所成像变化示意图。
[0040]
图6为本发明实施例中实现无像差激光扫描的结构示意图。
[0041]
图7为本发明实施例中实现无像差环形扫描流程图。
[0042]
图8为本发明实施例中像差校正流程图。
[0043]
图9为扫描角速度和激光重频不变时，脉冲激光光斑点间距分布示意图。
[0044]
图10为实现扫描面中点间距各处相同的轨迹控制数据计算流程图。
[0045]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
[0046]
1-激光光源；2-像差校正单元；3-光束偏转单元；4-光束旋转单元；5-光束聚焦单元；6-加工平台；8-控制单元；71-系统光轴；72，74为扫描轨迹；9-物；9
’‑
像；41-道威棱镜；411-旋转轴；21-液晶空间光调制器；211-图案；31-振镜；32，33为透镜组；10-光轴。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0048]
如图1所示，本实施例提供了一种无像差的激光扫描系统，系统包括：激光光源1、像差校正单元2、光束偏转单元3、光束旋转单元4、光束聚焦单元5和控制单元8。
[0049]
激光光源1，产生与加工物质产生相互作用的激光光束，比如光致破裂、光蚀除、光交联、光热、光化学反应等效应，所述激光光源可以是连续激光或脉冲激光。当激光光源产生的是脉冲激光时，激光光源的曝光时间或重复频率和激光能量可以进行调控。激光光束
的波长优选为800nm到1500nm，基础频率优选为10khz到10mhz，激光功率优选为0.1w到1000w。
[0050]
像差校正单元2，用于对不同的偏转角下的激光光束的某一位置进行像差校正，实现对激光光束的动态像差校正，对该激光束进行波前像差预补偿，使最终的激光光束聚焦后的光斑无像差。像差校正单元可以是动态像差补偿器件。该动态像差补偿器件可以是动态衍射器件，如空间光调制器、数字微镜器件等，也可以是可变形反射镜。
[0051]
光束偏转单元3，使激光光束产生可控可变的偏转角。光束偏转单元3可以是振镜、声光偏转器、光楔、转镜、可动微镜等。在其它实施例中，像差校正单元与光束偏转单元可以由同一器件实现，比如动态衍射器件同时可以实现像差校正与光束偏转。
[0052]
光束旋转单元4，用于将具有一定偏转角的激光光束进行环形扫描，且在环形扫描过程中，靠近扫描中心的都是光束的同一侧，即光束旋转单元使光束自转角速度与环形扫描角速度一致。光束旋转单元4可以是由电机带动的道威棱镜或阿贝-柯尼棱镜或k字形排布的三反射镜。
[0053]
光束聚焦单元5，对光束旋转单元4中的扫描光束进行聚焦，在目标位置(加工平台6)上形成不同的圆轨迹。光束聚焦单元5可以是场镜或物镜等。聚焦光斑的直径大小优选1um到1cm。
[0054]
控制单元8，协调控制像差校正及光束偏转单元和光束旋转单元，使系统实现无像差环形扫描。具体的，包括用于将扫描轨迹切片为n个同心的圆轨迹，其中，n为正整数；在每个圆轨迹上都任取一点作为扫描起始点，得到n个扫描起始点；控制像差校正单元获得所述n个扫描起始点中每个扫描起始点对应的像差校正数据；控制所述光束偏转单元的偏转角和光束旋转单元的旋转角速度，使激光光束聚焦在一个未扫描的圆轨迹的扫描起始点上，并设置与该扫描起始点对应的像差校正数据，使该激光光束从该扫描起始点开始沿着该圆轨迹旋转一周；以及控制像差校正单元更换不同未扫描的圆轨迹的像差校正数据，直到n个圆轨迹都扫描完成。
[0055]
具体还包括控制激光光源的曝光时间或重复频率和激光能量，配合环形扫描控制，使得扫描轨迹的行间距、点间距及激光脉冲能量密度得到控制。
[0056]
由于像差的来源主要是系统中的透镜，常规的激光扫描光路中所使用的透镜都是回转对称结构的，这意味着当激光光束的入射角度一定时，不同的入射位置，像差的大小基本是一致的，像差的方向会发生旋转，即像差也是关于光轴回转对称的。如图2所示，为常规激光扫描系统中像差分布示意图。系统的像差分布是关于系统光轴71回转对称的。在相同的扫描半径上的扫描光斑的像差大小是基本相同的，方向关于系统光轴71对称，如扫描轨迹72上的扫描光斑的像差图案73a、73b、73c。不同的扫描半径，像差大小不同，如扫描轨迹72上的像差图案73a与扫描轨迹74上的像差图案75a所示。
[0057]
因此，如果采用环形扫描方法，且能让像差图案也跟着旋转起来，就可以在每个扫描圆轨迹中只校正一个扫描点，而达到对圆轨迹上所有扫描点都校正的效果。
[0058]
本实例中光束旋转器选用了道威棱镜41。如图3所示，物9经过道威棱镜41后成像9’，像9’相对于物9是经过了180
°
旋转后再镜像所得。道威棱镜41自转ω角度后像会旋转2ω角度。如图4所示，道威棱镜41绕着道威棱镜旋转轴411旋转45
°
，像9’绕着旋转轴411旋转90
°
。图5示意了道威棱镜41旋转180
°
后像的变化过程，可见像差校正器件上的图案，即像
9a、9b、9c是关于道威棱镜旋转轴411旋转对称的，这与光学系统像差分布规律是一致的，因此每个扫描圆轨迹只需要校正一个扫描点就能实现校正圆轨迹上所有的扫描点。在其它实施例中，除了道威棱镜外，只要是满足此成像规律的光束旋转器件都能适用于本系统，比如阿贝-柯尼棱镜和k字形排布的三反射镜。
[0059]
图6为本发明实施例中实现无像差环形扫描的示意图，在该实施例中，图1中的像差校正单元2是液晶空间光调制器21，通过改变液晶空间光调制器加载的图案211，可以实现动态系统像差校正。光束偏转单元3为振镜31，可以实现激光光束的偏转角，透镜组32和透镜组33组成中继单元，把液晶空间光调制器21上的图案211中继到道威棱镜41靠近振镜31的一侧表面上，即使得液晶空间光调制器与道威棱镜光瞳匹配。图1中的光束旋转器4采用道威棱镜，道威棱镜配合液晶空间光调制器和振镜可实现无像差环形扫描。所有器件的中心都在一条光轴10上。
[0060]
如图7所示，本实例中实现无像差环形扫描的过程是：
[0061]
步骤一，设置扫描轨迹参数。扫描轨迹参数包括：扫描半径范围、扫描z向数据、点间距、行间距、单脉冲能量等。这些参数可通过参数输入、公式输入或模型导入到控制单元。
[0062]
步骤二，扫描轨迹切片。根据输入到控制单元的扫描轨迹参数，把扫描轨迹切片为n个圆轨迹，其中，n为正整数。每个圆轨迹具有属性：半径r、轴向高度z。根据扫描半径和行间距确定n的值。
[0063]
步骤三，进行像差校正及轨迹控制数据生成。每个圆轨迹上任取一点作为圆轨迹的扫描起始点，像差校正单元对每个扫描起始点进行像差校正，得到由n个一一对应的轨迹控制数据(即扫描起始点数据)和像差校正数据组成的数据集；本实例中数据集是n张可以加载到液晶空间光调制器的图案数据，该图案数据携带扫描起始点数据和像差校正数据(即对n个扫描起始点数据进行像差校正过的数据)。其中，轨迹控制数据(扫描起始点数据)主要包括光束偏转角、光束旋转器的旋转角速度。当激光光束为脉冲激光束时，还包括激光光源的分频系数。
[0064]
步骤四，开始扫描，像差校正单元与光束偏转单元加载当前圆轨迹的像差校正数据及光束偏转角数据。同时，光束旋转单元加载旋转角速度数据。光束旋转单元使光束旋转一圈后，像差校正单元、光束偏转单元和光束旋转单元切换到下一圆轨迹的控制数据进行继续扫描。该扫描过程是连续进行的。即液晶空间光调制器每加载一张图案数据，道威棱镜旋转180
°
，即完成一次圆轨迹扫描；完成一次圆轨迹扫描后，液晶空间光调制器加载下一张图案数据，重复以上过程直到n张图案全部加载，完成n个圆轨迹扫描。
[0065]
需要说明的是，上述过程中虽然只对每个圆轨迹上的一个点进行像差校正，但是道威棱镜的旋转会使图案211发生旋转，图案211与圆轨迹上的像差旋转角度与方向都是一致的。因此，这就能对圆轨迹上所有的扫描点都进行了像差校正。
[0066]
图8为像差校正流程图，即像差校正数据通过如下步骤获得：
[0067]
根据扫描轨迹参数计算得到每个圆轨迹对应的n个光束偏转角组成的数据集。使光束处于数据集中某一光束偏转角下，向像差校正单元中加载由泽尼克多项式计算得到该扫描起始点对应的像差校正数据，该扫描起始点与该扫描起始点对应的像差校正数据构成该圆轨迹的图案数据。利用常用的方式，如评价函数对像差校正单元中的像差探测单元捕捉到的聚焦光斑进行像差评价，如果满足迭代条件或达到最大迭代次数，则完成迭代得到
该圆轨迹的像差数据，否则循环执行以上操作。依次循环执行直到数据集中的n个光束偏转角下的像差都得到校正。
[0068]
如图9所示，在环形扫描过程中，针对脉冲激光，在激光重频、扫描角速度不变的情况下，不同半径的圆轨迹的扫描点间距d
p
均不相同，这在很多情况下是不被允许的，比如激光眼科手术中。因此，本实例中提出一种扫描点间距的控制方法，用于实现不同半径的圆轨迹的扫描点间距均相同，如图10所示，设定所需的不同半径的圆轨迹的扫描点间距为d
p
，当前圆轨迹是的半径为r，激光光源的基础频率为f
l
，光束旋转角速度为ω。具体包括如下步骤：
[0069]
步骤一，计算脉冲激光光束的重频；
[0070]
具体的，脉冲激光光束的重频f
l
′
可以计算为：
[0071][0072]
其中，d
p
为不同半径对应的圆轨迹上的扫描点间距，r为当前圆轨迹的半径，光束旋转角速度为ω；
[0073]
步骤二，计算对应重频的激光基频分频系数；
[0074]
具体的，由于所述激光光源无法实现快速调频，只能通过高速光开关对激光光源的基础频率进行快速分频，因此激光光源的重频并不能无级调频。上述计算得到的重频无法实现，只能得到与计算结果最为接近的重频，此时当前圆轨迹的激光分频n
l
为：
[0075]nl
＝floor(f
l
/f
l
′
0.5)
[0076]
其中floor()为向下求整操作，得到相应的激光分频系数。
[0077]
步骤三，基于激光基频分频系数，反推算出每个半径下点间距无误差的光束扫描角速度，得到每个圆轨迹半径、激光分频、光束扫描角速度
‑‑
对应的数据集。
[0078]
具体的，由于激光光源的重频实际值与理论值存在偏差，因此只能通过改变光束旋转角速度来确保点间距的准确性，最后可得到当前圆轨迹的光束旋转角速度ω为：
[0079]
脉冲激光光束具有一个或几个固定可选的基础频率，在步骤二中，可以通过内置或外置的高速光快门实现高速分频。高速光快门可以是声光调制器(aom)或电光调制器(eom)等。
[0080]
按照本发明的另一方面，本实施例提供了一种无像差的激光扫描方法，包括如下步骤：
[0081]
预处理阶段，包括：
[0082]
将扫描轨迹切片为n个同心的圆轨迹，其中，n为正整数；每个圆轨迹上都任取一点作为扫描起始点，得到n个扫描起始点；
[0083]
获得所述n个扫描起始点中每个扫描起始点对应的像差校正数据，得到n组一一对应的扫描起始点数据与像差校正数据；
[0084]
扫描阶段，包括如下步骤：
[0085]
步骤s1，产生激光束；
[0086]
步骤s2，选定一个未扫描的圆轨迹作为待扫描圆轨迹，控制所述激光束的偏转角，使其聚焦在待扫描圆轨迹的扫描起始点上，并设置与该扫描起始点对应的像差校正数据，使该激光束从该扫描起始点开始沿着该圆轨迹旋转一周，在扫描过程中，光束自转角速度与环形扫描角速度一致，以矫正所述待扫描圆轨迹上的每个点；
[0087]
步骤s3，重复步骤s3，直到n个圆轨迹都扫描完成。
[0088]
具体的，在预处理阶段，通过泽尼克多项式对所述扫描起始点位置处的像差进行校正。
[0089]
作为优选，所有圆轨迹上的扫描点间距均相同。
[0090]
本发明能够很好地应用于扫描轨迹为回转对称结构的情况，尤其应用在激光眼科手术领域和激光加工领域中，例如飞秒眼科手术中和激光加工中扫描面为球面、柱面、圆面、锥面等情况，能够提高加工面的质量，例如平整度等。应用在激光眼科手术中，可以提高手术切口的平整度，降低注入眼睛的激光能量，即像差校正后，光斑的能量更集中，提升了能量密度，故降低单脉冲能量也能切削，提高了手术安全性。降低能量的注入，也为提高手术扫描速度提供可能。同时，该系统能实现全视场的无像差的高速环形扫描且实现方法简单方便，对像差补偿器件的性能要求不高。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。