激光并行加工DM碼實驗研究

翟中生，李夢雨，劉春利，陳 波，劉 頓

（湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院 現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068）

引言

直接標(biāo)識技術(shù)[1-2]和條碼技術(shù)的結(jié)合發(fā)展，以其準(zhǔn)確率高、可靠性強、耐久性、防偽等技術(shù)特點，已成為產(chǎn)品信息提取和信息跟蹤的重要途徑，手機掃碼以其方便快捷的特點在我們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡毡椤?0世紀(jì)末，美國國家航空航天局、美國國防部與工業(yè)領(lǐng)域的波音、空客等共同研制直接標(biāo)識技術(shù)，經(jīng)過多年的努力，最終確定以撞擊、電化學(xué)腐蝕標(biāo)識[3]、激光標(biāo)刻[4]、噴墨標(biāo)識等作為零部件的主要標(biāo)識方式。在這幾種標(biāo)識方法中，激光標(biāo)刻在標(biāo)刻速度與標(biāo)刻質(zhì)量上具有很大優(yōu)勢，能較大程度上保證標(biāo)刻圖像的質(zhì)量[5-6]。

DM（data matrix）二維條碼原名Data code，由美國國際資料公司（ international data matrix，ID matrix）于1989年發(fā)明[7]。DM碼是一種矩陣式二維條碼，其設(shè)計初衷是為了能夠在更小的條碼標(biāo)簽上儲存更多數(shù)據(jù)信息。DM碼有ECC000-140與ECC200 兩種類型，其中ECC200 由于演算法比較容易且尺寸大小彈性可調(diào)，較為普遍[8]。

激光標(biāo)刻二維碼有著精度高、速度快、標(biāo)注持久性強、非接觸、無污染等優(yōu)勢，近年來眾多科研人員參與到激光標(biāo)刻二維碼的研究當(dāng)中。西北工業(yè)大學(xué)的王蘇安博士[9]采用激光標(biāo)刻技術(shù)和二維條碼技術(shù)相結(jié)合的方式，在刀具表面激光標(biāo)刻出了DM 二維條碼，對影響刀具表面激光標(biāo)刻二維碼識別的因素做了全面的分析，為刀具標(biāo)識以及信息跟蹤提供了新的方法和技術(shù)。李夏霜[10]等人用YLP-H10 光纖激光打標(biāo)機在鋁合金表面激光標(biāo)刻出了DM碼，研究了DM碼的識讀質(zhì)量、制作效率與激光標(biāo)刻工藝參數(shù)之間的關(guān)系，并獲取了識讀質(zhì)量、標(biāo)記制作時間綜合最優(yōu)的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)組合，為鋁合金及其他金屬激光標(biāo)刻DM碼的識讀質(zhì)量與標(biāo)刻時間的控制提供了理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法。Th.Dumont[11]等人研究了在玻璃上激光標(biāo)刻DM碼，通過確定激光通量、脈沖數(shù)和激光波長等參數(shù)，證明了該技術(shù)在工業(yè)環(huán)境的可行性，為玻璃標(biāo)簽在制藥行業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)外對于激光直接標(biāo)刻二維條碼技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但大都是利用掃描振鏡進行的單束激光標(biāo)刻方法，這種方法加工效率低，標(biāo)記制作時間長，不利于產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。本文在利用電腦畫圖軟件繪制DM碼圖像確定其識讀成功的臨界值基礎(chǔ)上，提出了一種基于空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM）的激光并行加工方法，將DM碼以多光束點陣的形式生成，在石英玻璃內(nèi)部完成了并行加工DM碼的實驗，提高了加工效率。表面加工主要用于非透明材料，內(nèi)部加工用于透明材料。在透明材料內(nèi)部加工DM碼，可增強防偽性，不影響材料的表面質(zhì)量，同時可避免DM碼的磨損。

1 實驗原理

DM碼的形狀為正方形或長方形，由眾多黑色和白色小方格以二位元碼（binary-code）的編碼方式組成，黑色和白色小方格為數(shù)據(jù)單位。DM碼的符號結(jié)構(gòu)分為“L”型尋邊區(qū)（“L” pattern）、數(shù)據(jù)區(qū)（data region）、靜區(qū)（quiet zone）?！癓”型尋邊區(qū)是DM碼圖形與數(shù)據(jù)區(qū)域的邊界，包括實心邊界和虛線邊界，寬度為一個數(shù)據(jù)單位，起到定位和定義條二維碼大小的作用。靜區(qū)包圍著“L”型尋邊區(qū)，一般為一個數(shù)據(jù)單位寬度，主要作用是將二維條碼與其他背景信息隔離。數(shù)據(jù)區(qū)包含了二維條碼的編碼信息，由規(guī)則排列的多個數(shù)據(jù)單元組成，圖1是DM碼的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 DM碼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of DM code structure

不同于每個數(shù)據(jù)單元區(qū)域被標(biāo)記充滿的情況，對于以打點的方法來標(biāo)刻每一個數(shù)據(jù)單元區(qū)域的激光標(biāo)刻DM碼的方式，標(biāo)刻區(qū)域為圓形區(qū)域，不能充滿每一個數(shù)據(jù)單元區(qū)域，如圖2所示。

圖2 二維碼數(shù)據(jù)單元格標(biāo)記方法Fig.2 Two-dimensional code data cell marking method

單元格內(nèi)圓點相切時，放大10 倍后的像素圖形如圖3所示，其中圓點直徑d=15 pixel，灰度值為0。

圖3 圓點放大10 倍后的像素圖像Fig.3 Pixel image of dot magnified 10 times

圓點直徑大小以及間距對二維碼的識讀效果產(chǎn)生影響，美國國家航天航空局給出了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，圓點間距（相鄰2 個圓點圓心之間的距離）應(yīng)等于二維碼數(shù)據(jù)單元格大小，容許±10%的尺寸偏差，為了保證好的識讀效果，圓點間隙應(yīng)小于圓點直徑的1/2，不允許圓形區(qū)域相互重疊，如圖4、圖5所示。

圖4 圓點直徑尺寸偏差Fig.4 Dot diameter size deviation

圖5 圓點間距合適范圍Fig.5 Suitable range of dot spacing

2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)美國國家航天航空局制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，評價二維碼識讀質(zhì)量最重要的參數(shù)是對比度。對比度就是激光標(biāo)刻出的二維碼與基底材料的灰度差，灰度通常以數(shù)值的形式來表示，即灰度值，灰度值共有256 個等級，黑色為0，白色為255。實驗?zāi)M了不同圓點直徑以及不同灰度值的DM 圖像，并記錄了相應(yīng)的識讀時間。

2.1 圓點直徑對識讀時間的影響

實驗?zāi)M了圓點直徑d為不同像素情況下的DM碼圖像（見圖6），利用手機掃碼工具，記錄了對應(yīng)的識讀時間（見表1）。

圖6 圓點直徑 d不同像素情況下的DM碼圖像，灰度值均為0Fig.6 DM code images of dot diameter din different pixels(gray value is 0)

對圓點不同直徑d的DM碼圖像分別進行多次掃描，記錄識讀時間T1，并計算平均值TS1，如表1所示。

表1 不同直徑 d所對應(yīng)的識讀時間T1Table 1 Corresponding reading time T1 for different diameters d

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著圓點直徑d的減小，圓點間隙增大，因此識讀時間增加，即平均識讀時間TS1隨圓點直徑d的減小而增加。當(dāng)圓點直徑d=11 pixel 時，識讀時間急劇上升；d=9 pixel 時，DM碼識讀時間為無窮大，即讀取信息失敗，這表明d=11 pixel 為該DM碼能否讀取成功的臨界圓點直徑 值。

2.2 灰度值對識讀時間的影響

實驗?zāi)M了圓點直徑d=13 pixel 時，不同灰度值下的DM 圖像，如圖7所示。

圖7 d=13 pixel 時，不同灰度值下的DM 圖像Fig.7 When d=13 pixel，DM images with different gray values

對不同灰度值下的DM 圖像分布進行多次掃描，記錄掃描時間T2，并計算平均值TS2，如表2所示。

表2 不同灰度值所對應(yīng)的識讀時間T2Table 2 Corresponding reading time T2for different gray values

由以上數(shù)據(jù)可知，灰度值越大，圓點灰度與背景灰度越接近，圖像識別度越低，識讀時間越長，即平均識讀時間TS2隨灰度值的增大而增加。當(dāng)灰度值為220 時，識讀時間急劇上升。當(dāng)灰度值為230 時，DM碼讀取時間為無窮大，即讀取信息失敗，這表明灰度值220 為該DM碼能否讀取成功的臨界灰度值。

但識讀時間與掃描設(shè)備、光照影響、掃描角度以及掃描距離有關(guān)。以上掃描結(jié)果是在用普通安卓手機（oppo reno4 se）在白天無強光照射的較明亮的室內(nèi)，手機正對DM碼且兩者之間距離為20 cm 的（允許±2 cm 的誤差）情況下掃描得到的。

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗裝置

激光并行加工實驗光路圖如圖8所示。本文選用的激光器為美國coherent 公司生產(chǎn)的Libra 摻Ti 藍寶石飛秒激光器（激光波長為800 nm，脈沖寬度為100 fs，重復(fù)頻率為10 kHz，光斑直徑D=9 mm，最大單脈沖能量為0.4 mJ，平均輸出功率為0～4 W）。1/2 波片可以對線偏振光的偏振角進行調(diào)節(jié)，為了使激光偏振方向與空間光調(diào)制器的液晶分子方向相同的激光入射到空間光調(diào)制器，需經(jīng)過偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡將激光一分為二，分別是水平偏振的光和垂直偏振的光，只允許水平偏振的光入射到空間光調(diào)制器。用定時器快門控制加工時間，空間光調(diào)制器對于入射光與反射光之間的夾角要求小于20°。反射鏡3 是翻轉(zhuǎn)鏡，這樣能夠形成2 路光路，一路光進入到CCD 相機中，便于監(jiān)測光束質(zhì)量以保證實驗正常進行；另一路則在光束質(zhì)量正常的情況下經(jīng)4f光學(xué)成像系統(tǒng)（f1=1 000 mm，f2=400 mm）在三軸高精度工作平臺上進行激光標(biāo)刻實驗。由于高倍聚焦物鏡（放大倍數(shù)20×，數(shù)值孔徑NA=0.42，焦距f=10 mm）的入瞳為8.4 mm，比飛秒激光光斑直徑D=9 mm 小，所以利用 4f光學(xué)系統(tǒng)（f1＞f2）將光斑直徑縮小2.5 倍以保證光束全部進入高倍聚焦物鏡。

圖8 并行加工實驗光路圖Fig.8 Light path diagram of parallel processing experiment

實驗所選用的空間光調(diào)制器是日本Hamamatsu公司生產(chǎn)的型號為X10468-02 的反射式純相位液晶空間光調(diào)制器，相關(guān)參數(shù)如表3所示。該系列的空間光調(diào)制器可在不改變光束的振幅和偏振態(tài)的條件下，對相位進行精確調(diào)制。其提供的軟件能夠生成多種光柵全息圖，并且能夠隨時調(diào)控光柵周期、灰度值以及疊加菲涅爾透鏡和棱鏡的參數(shù)和功能。

表3 空間光調(diào)制器的主要參數(shù)Table 3 Main parameters of spatial light modulator

實驗中所采用的三軸高精度工作平臺為AEROTECH 公司生產(chǎn)的型號為ANT130-L 的三軸運動平臺，其X軸和Y軸運動行程一致，均為±55 mm，Z軸運動行程為±17.5 mm。Z軸0 為氣浮工作平臺，定位精度為±2 μm，重復(fù)定位精度為±100 nm，保證了實驗加工的一致性。

3.2 飛秒激光并行加工過程及實驗結(jié)果

并行加工技術(shù)提出的目的就是為了提高加工效率，用來應(yīng)對傳統(tǒng)單光束激光在刻蝕體光柵[13]、光波導(dǎo)[14]等領(lǐng)域加工效率不足，無法達到產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的問題。在眾多并行加工方法中，基于空間光調(diào)制器的并行加工方法以其對光束數(shù)量和位置的靈活調(diào)控脫穎而出。本文提出的基于空間光調(diào)制器的DM碼并行加工技術(shù)[15]以多光束點陣的形式組成DM碼，實現(xiàn)了對于光束數(shù)量和位置的靈活調(diào)控，同時提高了DM碼的激光加工效率。

SLM 加載不同的全息圖，可以模擬不同的衍射光學(xué)元件。本文產(chǎn)生多光束的原理是SLM 模擬衍射光柵，通過不同的光柵疊加，可以產(chǎn)生任意二維圖形的多光束。模擬具有不同光柵周期的光柵來改變衍射角,即可在單一方向調(diào)制產(chǎn)生多光束的位置。同時，通過旋轉(zhuǎn)模擬的光柵角度，就可實現(xiàn)在單個平面任意位置產(chǎn)生多光束。本文用來計算DM碼多光束全息圖的算法為GS 反饋算法，GS 反饋算法彌補了傳統(tǒng)GS 算法進行開環(huán)迭代計算的缺點，加入了CCD 相機采集每一次迭代計算后的多光束能量分布信息，重新計算用于迭代計算的光場振幅，GS 反饋算法流程如圖9所示。

圖9 GS 反饋算法流程圖Fig.9 Flow chart of GS feedback algorithm

進行第一次反饋迭代時，入射光振幅被替換成目標(biāo)振幅與相機反饋振幅的加權(quán)值，對應(yīng)第n次迭代，。在石英玻璃內(nèi)部進行激光并行加工DM碼實驗，激光功率分別設(shè)置為 1.6 W、2.4 W、2.8 W、3.2 W、3.6 W、4 W。用定時器快門控制加工時間為0.1 s。在顯微鏡下用10 倍物鏡觀察到的并行加工實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同激光功率下石英玻璃內(nèi)部 DM碼Fig.10 DM code inside quartz glass under different laser power

由于石英玻璃內(nèi)部加工所得DM碼的形狀、大小均勻性與理想狀態(tài)有一定差距，所以使用普通掃碼功能無法識別，需要利用Scandit Barcode Scanner 軟件中的2D CODES 部分進行掃描識別。在白天無強光照射的較明亮的室內(nèi)，用Scandit Barcode Scanner 軟件的2D CODES 部分正對DM碼，且兩者之間距離為20 cm（允許±2 cm 的誤差）的情況下，對以上不同功率下并行加工的石英玻璃內(nèi)部的DM碼進行掃描。掃描發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率在2.4 W 以下（不包括2.4 W）時，DM碼無法被識別。

本實驗所使用的DM碼光束數(shù)量為62 束，總的加工時間t1=0.1 s，若采用單光束激光進行加工，總時間t2=6.2 s，并行加工技術(shù)的加工效率是單光束激光加工效率的62 倍。通過以上加工效率對比，可以明顯地看到并行加工技術(shù)相比單光束激光加工效率有顯著提升。

4 結(jié)論

本文以圓點填充數(shù)據(jù)單元的方式，繪制了不同圓點直徑d以及不同灰度值的DM碼圖像。通過觀察不同圓點直徑d與平均識讀時間TS1以及不同灰度值與平均識讀時間TS2之間的關(guān)系，可以看出平均識讀時間TS1與圓點直徑d成反比，其中最大圓點直徑為15 pixel，臨界圓點直徑為11 pixel；平均識讀時間TS2與灰度值成正比，其中最小灰度值為0，臨界灰度值為220。在此基礎(chǔ)上，通過在石英玻璃內(nèi)部進行飛秒激光并行加工DM碼實驗，驗證了并行加工方法的可行性。