激光并行加工二維碼實驗研究

翟中生，劉春利，李夢雨，陳 波，劉 頓

激光并行加工二維碼實驗研究

翟中生*，劉春利，李夢雨，陳 波，劉 頓

湖北工業(yè)大學機械工程學院現(xiàn)代制造質量工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068

針對激光器單光束加工二維碼輸出能量大部分被浪費且加工效率低的問題，本文采用了一種多光束并行加工的方法來提高加工效率。仿真研究了QR碼加工填充率和對比度對識別率和識別時間的影響，得到了一個二維碼可識別范圍。然后使用飛秒激光器基于空間光調制器的并行加工技術進行試驗，對實驗結果的對比度和加工填充率展開分析。分析結果表明，在二維碼的識讀評價標準范圍內(nèi)，加工填充率越大，識別率越低，識別時間越長；同樣，對比度越低，識別率越低，識別時間越長。同時，對單束激光加工二維碼進行了實驗，分析了并行加工與單光束加工的加工時間等參數(shù)的對比，得到并行加工要比單激光束加工提高約10倍的效率。

QR碼；激光標刻；并行加工；空間光調制器

1 引 言

直接標識技術[1-2]的應用非常廣泛，激光標刻則是其中應用非常充分的一個產(chǎn)業(yè)，激光標刻技術可用較低成本在各種材料比如金屬、玻璃、陶瓷、塑料或木材等[3-6]表面產(chǎn)生永久、高對比度的優(yōu)質標記，主要集中在待標刻材料、激光器、激光加工參量以及標刻的線寬及標刻深度上[7-11]的研究。目前，激光標刻技術在工業(yè)標識領域也得到了廣泛應用，通過與二維碼技術結合用于產(chǎn)品商標的認證和原始生產(chǎn)、性能與維修歷史的追溯[12-13]。國內(nèi)外對于激光直接標刻二維條碼技術的研究已經(jīng)取得了一定的成果。Costa等[14]通過激光標刻技術在鋁合金和不銹鋼表面得到了耐腐蝕、耐磨損的二維碼標記。Leone等[15]主要探討了Nd：YAG 激光器的平均功率、掃描速度和重復率等參數(shù)對木材去除率的影響。董楠等[16]設計了針對鑄鍛物料激光標刻的移動式激光打標機，提出了鑄鍛物料表面激光標刻QR code的加工參數(shù)選取方法以及最優(yōu)參數(shù)組合。伍珊紅等[17]在不繡鋼上進行了直接標記試驗，得出激光功率、掃描速度和脈沖頻率對標記圖像的對比度、寬度和深度有著重要影響。近年來眾多科研人員參與到激光標刻二維碼的研究當中。相比于國外，我國對激光標刻技術的研究起步較晚，但發(fā)展十分迅速，經(jīng)過多年的研究發(fā)展已經(jīng)成效明顯。

同樣，二維碼也有相應的標準，根據(jù)ISO(國際標準化組織)的標準，QR碼可分為功能圖形區(qū)和數(shù)據(jù)編碼區(qū)[18]，功能圖形區(qū)包含位置探測圖形、定位圖形、校正圖形以及分隔符，數(shù)據(jù)編碼區(qū)包含格式信息、版本信息、數(shù)據(jù)和糾錯碼字。目前，二維碼標刻研究主要集中在利用掃描振鏡進行的單光束激光標刻方法，這種標刻方法標刻的圖案清晰精度高，可在任意位置進行加工。但是，這種方法加工效率低，標記制作時間長，不利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。而超快激光加工雖然具有超短脈寬，能夠在極短的時間尺度內(nèi)與材料作用，而不產(chǎn)生燒蝕，有著熱影響區(qū)域小、精度高等優(yōu)點。但是，加工時激光器輸出單脈沖能量遠遠高于所需的能量，若是用單光束加工方式，激光器輸出能量大部分被浪費，能量利用率低。并行加工技術[19-22]可以將單光束分為多光束，工作原理如圖1所示，能夠提高加工效率和激光能量利用率，有效解決上述問題。

如今有關二維碼標刻的研究很少涉及二維碼識讀質量與其填充率或對比度的關系，大多以找到合適的加工工藝參數(shù)為主。本文則利用空間光調制器產(chǎn)生多光束的方法進行二維碼標刻，這種方法將二維碼以多光束點陣的形式生成，不僅能靈活地調控加工結構，而且還能顯著地提高加工效率。所以，本文實驗驗證了加工填充率和對比度對二維碼識讀質量和識讀率的影響以及并行加工和單束激光加工效率的對比。

圖1 單光束與多光束工作原理圖

2 QR碼特征分析

2.1 QR碼特征

QR碼是二維碼的一種，具有存儲容量大、糾錯能力強、占用空間小的特點，在防偽溯源、手機支付、信息傳遞等方面已經(jīng)廣泛應用[23]。QR碼呈正方形矩陣，只存在黑色和白色兩種模塊。在正方形的4個角存在3個印有較小的類似“回”字的圖案，分別位于左上、右上、和左下角。這3個圖像的主要功能是為了幫助解碼軟件快速的定位QR碼的圖像區(qū)域，使得圖像采集器不需要精確地對準QR碼，無論以任何角度掃描，QR碼仍可正確被讀取識別。如圖2所示，為一幅標準的QR碼。

激光標刻的二維碼的識讀質量是評判激光標刻技術在此領域應用的好壞的重要標志，根據(jù)ISO/IEC 15415制定的技術標準，評價二維碼識讀質量最重要的標準是對比度?最低(“黑色”)和最高(“白色”)的直方圖值之間的跨度。同樣激光標刻的圓形區(qū)域大小對二維碼的識讀產(chǎn)生影響。由于激光標刻區(qū)域為圓形區(qū)域，不能充滿每一個方格區(qū)域，美國國家航天航空局給出了相關技術標準，圓形區(qū)域點間距應等于二維碼數(shù)據(jù)單元格大小，圓形區(qū)域容許±10%的尺寸偏差。如圖3所示，相鄰圓形區(qū)域的間隙應小于圓形區(qū)域直徑的二分之一，不允許圓形區(qū)域相互重疊。

根據(jù)ISO/IEC 15415技術標準定義對比度如下：

式中：max為最高灰度值，min為最低灰度值。

手機像素和二維碼的清晰度不同，掃描時間也不同，但一般不會超過5 s。由于沒有統(tǒng)一標準，本文以網(wǎng)絡統(tǒng)計數(shù)據(jù)掃描時間5 s為標準，掃描總次數(shù)為10次，超出規(guī)定時間或未識別出表示失敗。本文以對二維碼識讀的成功率表示識別率，識別率的定義如下：

式中：為掃描成功的次數(shù)，為掃描的總次數(shù)。通過此公式就可以求出對比度用來評判二維碼的識讀質量。

圖3 圓形區(qū)域直徑尺寸偏差

圖4 理想加工區(qū)域與實際加工區(qū)域關系

二維碼是由一個個黑白小方格按照特殊的排列方式組成，但是利用激光加工的二維碼是由圓形區(qū)域組成，如圖4所示，小方格為理想加工區(qū)域，圓形區(qū)為實際加工區(qū)域。因為實際與理想存在偏差，故以加工填充率來表示實際加工中不同大小的圓形區(qū)域，定義如下：

2.2 二維碼多光束分區(qū)策略

現(xiàn)有的利用掃描振鏡進行的單光束激光標刻方法，雖圖案清晰精度高，可在任意位置進行加工，但加工效率低，標記制作時間長，不利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。利用并行加工二維碼能有效提高效率，但當組成QR碼的點數(shù)過多時，一次性并行加工過多光束容易產(chǎn)生圓點重疊、相交等質量問題，因此需要對二維碼分區(qū)分塊加工。

由于QR碼圖形為正方形，因此可按其幾何對稱中心線進行分區(qū)。分區(qū)數(shù)量從2個到4個、8個以及16個乃至更多，保證每塊區(qū)域的光束數(shù)量盡可能相同?？臻g光調制器是衍射光學元器件，在對激光進行調制的過程中會有零階光的產(chǎn)生，這對光束均勻性的計算也有一定影響。因此在計算全息圖時需要將零階光排除在外成為獨立部分，并將其置于中心位置處成為多光束中的一束光。又由于二維碼數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)單元并不是嚴格按照圖形幾何對稱中心線進行排布的，所以在分區(qū)時不必嚴格按照幾何對稱中心線分區(qū)。分區(qū)示意圖如圖5所示。

針對不同矩陣大小的QR碼，總的分區(qū)原則是每一個區(qū)域內(nèi)的光束數(shù)量保持在60束左右，且分區(qū)數(shù)量最小，在保證全息圖計算速度的同時又避免因分區(qū)數(shù)量過多切換全息圖而影響加工效率。對于矩陣式二維條碼，此分區(qū)策略同樣適用。

本文加工以圖2所示二維碼為標準，共有235個黑色數(shù)據(jù)小方格。但由于同時進行235束多光束反饋運算比較困難，因此將其分為四個區(qū)域分別進行計算加工，這四個區(qū)域的光束數(shù)量依次分別為59束、61束、58束以及56束，其中零階光不包含在其中，處于中心位置，計算得到的光束均勻性分別為81.8%、86.7%、83.3%、82.7%，如圖6所示。SLM加載的是一個8位二進制的數(shù)據(jù)，有256個色階，不同灰度的像素點對應的加載電壓不同，液晶的偏轉也就不同，相位變化與全息圖灰度是一個函數(shù)關系。因此，加載不同的全息圖，即可實現(xiàn)對激光的相位調制。本文產(chǎn)生多光束的原理是通過SLM加載不同的全息圖，模擬具有不同光柵周期的光柵，來改變衍射角，即可在單一方向調制產(chǎn)生多光束的位置。同時，通過旋轉模擬的光柵角度，就可實現(xiàn)在單個平面任意位置產(chǎn)生多光束。

圖5 二維碼分區(qū)示意圖。(a) 分區(qū)數(shù)2；(b) 分區(qū)數(shù)4；(c) 分區(qū)數(shù)8

圖6 二維碼加工分區(qū)圖

3 QR碼參數(shù)對識別率的影響分析

3.1 加工填充率對識別率的影響

為了研究激光打標的加工填充率對二維碼識讀產(chǎn)生的影響，設置了不同加工填充率的仿真實驗。仿真的圖片是根據(jù)像素大小來繪制，仿真的方法是在固定的圓心上逐漸增大半徑直至相切，圓點直徑的大小每次增加兩個像素，根據(jù)式(3)可計算出對應二維碼的加工填充率。仿真圖像如圖7所示，利用手機微信掃碼功能進行掃描驗證得仿真QR碼的加工填充率()與識別率的關系如表1所示。

表1 不同加工填充率下的識別率

由掃描結果可知，當加工填充率為10.7%時，QR碼無法被識別，符合二維碼的識讀評價標準；當加工填充率為30.6%時，雖然QR碼能夠被識別，但其識別時間較長，加工的圓形區(qū)域的間隙約等于其半徑；當加工填充率在50.4%以上時，能夠以較短的時間準確識別。綜上可知，在技術標準范圍內(nèi)二維碼是能夠識別的，但是隨著填充率的降低，識別時間會加長，識別率也會下降。

3.2 對比度對識別率的影響

為了較全面的研究激光工藝參數(shù)對QR碼的影響，設置了二維碼的灰度這一單因素仿真實驗。我們選取了沒有偏差的加工填充率為50.4%的二維碼為標準，灰度設置為128、220、230、235，二維碼對比度沒有相關標準，這些數(shù)值為多次嘗試后選取，經(jīng)過式(1)計算可以得到對比度。仿真圖像如圖8所示，利用手機微信掃碼功能掃描得仿真QR碼圖的對比度()與識別率的關系如表2所示。

分析以上實驗結果可以得到，隨著對比度的減小，QR碼的識別率會逐漸降低，掃描時間也會因此變長，對比度越小識別時間越長。當QR碼對比度在25以下時，QR碼無法被識別；當對比度為25時，雖然QR碼能夠被識別，但此灰度下的識別時間很長；當對比度在25以上時，其對比度越大，掃描識別的時間也會越來越短，識別率也越來越高。

圖7 二維碼不同加工填充率圖。(a) P=80.2%；(b) P=50.4%；(c) P=30.6%；(d) P=10.7%

由于識讀時間與掃描設備、光照情況、掃描距離及角度都有關，所以本文的掃描結果是在白天無強光照射的較明亮的室內(nèi)，用蘋果手機微信軟件的掃碼功能正對QR碼且兩者之間距離為23 cm(允許±2 cm的誤差)的情況下對QR碼掃描得到的。

4 實驗及結果分析

4.1 實驗條件與方法

實驗系統(tǒng)由飛秒激光器、空間光調制器、CCD相機、計算機、高倍聚焦物鏡(20×，=0.42)及三軸高精度工作平臺等構成。實驗使用的是美國相干公司生產(chǎn)的Libra-HE飛秒激光器(波長800 nm，脈沖寬度100 fs，最大輸出功率4 W)，具體參數(shù)如表3所示。標刻的材料主要分為金屬和非金屬兩大類，其中常見的金屬材料有鉛合金、碳鋼等工業(yè)材料。非金屬有皮革、透明材料[24-25]、陶瓷等材料，本文選取淺色基底的不銹鋼作為材料，可與深色二維碼標記產(chǎn)生較大對比度，保證二維碼的可識讀性，所以實驗材料選取經(jīng)過拋光處理的316不銹鋼板。激光加工完成后再用超聲波清洗機清洗5 min，干燥后用光學顯微鏡觀察材料表面微孔入口及出口形貌。

表2 不同對比度下的識別率

表3 飛秒激光器的主要參數(shù)

圖8 二維碼不同對比度圖。(a) C=127；(b) C=35；(c) C=25；(d) C=20

根據(jù)實驗要求繪制了實驗光路原理圖如圖9所示，為了使激光偏振方向與空間光調制器的液晶分子方向相同，在激光入射到空間光調制器之前需經(jīng)過偏振分光棱鏡，只允許水平偏振的光入射到空間光調制器。反射鏡M2是翻轉鏡，這樣能夠形成兩路光路。一路光進入到CCD相機中，便于監(jiān)測光束質量以保證實驗正常進行。另一路則在光束質量正常的情況下經(jīng)4光學成像系統(tǒng)(1=1000 mm，2=400 mm)在三軸高精度工作平臺上進行激光標刻實驗。

4.2 單束激光加工和并行加工的對比實驗及分析

為了體現(xiàn)并行加工的優(yōu)勢，我們進行了單束激光加工和并行加工的對比實驗，通過功率來控制它們的加工填充率。在并行加工中，選用高倍聚焦物鏡加工，聚焦光斑直徑為3.68mm，每個分區(qū)選用的功率分別為50 mW、100 mW、150 mW，加工時間為0.1 s。加工完4個分區(qū)共需要0.4 s。在單束激光加工中，因為單個點移動加工效率太低，所以利用振鏡進行加工，振鏡的聚焦光斑大小為高倍物鏡聚焦光斑的四倍，為了保證加工填充率與并行加工的相同，考慮到能量密度、單脈沖能量、衍射效率及激光傳播過程中能量的損失，換算得到單光束加工與之對應的功率分別為0.9 mW、1.9 mW、2.8 mW，加工所需要的時間為4.1 s，實驗結果如表4所示。

并行加工能夠將能量均勻的分給每一束光，所以加工的熱影響區(qū)很小，單光束加工則是高斯能量分布的光束進行加工，隨著功率的增加，熱影響區(qū)越明顯。從加工結果來看，隨著功率的增加，加工填充率不斷增大，二維碼識讀率會越高，識讀時間也會越短。二維碼識別率是符合美國國家航天航空局給出的技術標準的，當加工填充率為25.6%時，二維碼是不能夠識別，加工圓形區(qū)域大于其半徑，但單光束加工因為熱影響區(qū)的存在對二維碼的識別率存在一定的影響，使得能夠被識別；加工填充率為32.5%時，雖然能夠識別，但需要較長的掃描時間，加工圓形區(qū)域約等于其半徑；加工填充率為48.5%時，能夠快速識別。從加工時間來看，單光束加工時間約為并行加工的10倍，因此一次分光60束光的多光束并行加工要比振鏡下的加工效率提高10倍左右。

圖9 實驗光路示意圖

圖10 不同加工時間下的二維碼加工圖。(a) 加工時間0.1 s；(b) 加工時間0.4 s；(c) 加工時間0.8 s

表4 單束激光加工和并行加工對比實驗

4.3 不同對比度實驗結果及分析

二維碼的對比度也是影響識別率的因素之一，所以我們通過控制激光加工時間來觀察二維碼的對比度。為此設置了不同激光加工時間的單因素實驗，每個區(qū)域激光功率設置為100 mW，實驗結果如圖10所示。

利用掃碼工具掃描發(fā)現(xiàn)，不同加工時間下的二維碼都能識別。從以上實驗結果圖來看，加工時間的增加并沒有導致二維碼對比度產(chǎn)生太大變化。將圖片轉變成數(shù)字矩陣可得到各處灰度值大小，經(jīng)計算知對比度分別為142、145、150，對比度都在仿真結果允許的范圍，所以都能識別。

5 結 論

本文首先結合二維碼的識讀評價標準，仿真研究了QR碼的不同加工填充率和對比度對識別率和識別時間的影響，得到了一個二維碼可被掃描識別的范圍條件。然后利用飛秒激光器基于空間光調制器的并行加工技術進行試驗，展開了不同加工填充率以及對比度的測試。實驗發(fā)現(xiàn)，在二維碼的識讀評價標準范圍內(nèi)，加工填充率越大，加工的圓形區(qū)域之間間隙越小，越容易被識別。對比度是通過觀察不同加工時間來驗證的，所得到的結果對比度變化不大，因其對比度都滿足仿真要求，所以能掃描出結果。同時，我們對單束激光加工二維碼進行實驗，對比了單束激光加工和并行加工中加工時間等重要參數(shù)，得到一次分光60束的多光束并行加工要比振鏡下的加工效率提高10倍左右。

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Experimental research on laser parallel processing of two-dimensional codes

Zhai Zhongsheng*, Liu Chunli, Li Mengyu, Chen Bo, Liu Dun

Hubei Key Laboratory of Modern Manufacturing Quantity Engineering, School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China

Schematic diagram of the experimental optical path

Overview:Laser processing is a non-contact processing method, which has the advantages of high energy density, good directionality, high coherence, and small heat-affected zone. It is favored in the field of industrial processing. Traditional laser processing is mainly focused on the single-beam laser marking method using a scanning galvanometer. This marking method has a clear and high-precision pattern and can be processed at any position. This method has low processing efficiency and long marking production time. In addition, the laser output single pulse energy is much higher than the required energy during processing. If single beam processing is used, most of the laser output energy is wasted and the energy utilization rate is low. Parallel processing technology can divide a single beam into multiple beams, and can improve processing efficiency, laser energy utilization. Also, the above problems can effectively solved. Aiming at the problem of low energy utilization and processing efficiency in femtosecond laser micro-machining, this paper adopts the femtosecond parallel processing method based on the spatial light modulator.

Nowadays, there are many researches on the laser marking two-dimensional codes, but there are few researches on the relationship between the reading quality of two-dimensional codes and its filling rate or contrast. Most of them focus on finding suitable processing parameters. Therefore, this article first simulates the processing filling rate and different contrasts of the two-dimensional code. The simulation method is as follows: first, to gradually increase the radius on a fixed circle center until it is tangent, and change the gray scale of the data circular area; second, use the WeChat scan code function to count the recognition time and calculate the recognition rate; finally, based on the basis of the parallel processing of the spatial light modulator, using femtosecond laser to process the two-dimensional code. It can be obtained that the larger the processing filling rate is, the smaller the gap is, the easier it is to be recognized within the range of the two-dimensional code reading evaluation standard. The observation of the contrast is verified by different processing times, and the result obtained has little change in contrast. Because the contrast meets the simulation upon request, the results can be scanned. At the same time, we conducted a single-beam laser processing experiment on the two-dimensional code, and compared the important parameters such as processing time of single-beam laser processing and parallel processing. The parallel processing efficiency of multiple light beams obtained by splitting 60 beams at the same time is about ten times higher than the processing efficiency under the galvanometer.

Zhai Z S, Liu C L, Li M Y,Experimental research on laser parallel processing of two-dimensional codes[J]., 2021, 48(10): 210293; DOI:10.12086/oee.2021.210293

Experimental research on laser parallel processing of two-dimensional codes

Zhai Zhongsheng*, Liu Chunli, Li Mengyu, Chen Bo, Liu Dun

Hubei Key Laboratory of Modern Manufacturing Quantity Engineering, School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China

Aiming at the problem that most of the output energy of laser single-beam processing of two-dimensional codes is wasted and the processing efficiency is low, this paper adopts a multi-beam parallel processing method to improve the processing efficiency. The simulation studies the effect of the QR code processing filling rate, and contrast on recognition rate, and recognition time, and obtains a QR code recognizable range. Then use the femtosecond laser based on the parallel processing technology of the spatial light modulator to conduct experiments, and analyze the contrast and processing fill rate of the experimental results. The analysis results show that within the range of the QR code reading evaluation standard, the greater the processing filling rate is, the lower the recognition rate and the longer the recognition time are; similarly, the lower the contrast is, the lower the recognition rate and the longer the recognition time are. At the same time, experiments were performed on the single-beam laser processing of two-dimensional codes. The comparison of processing time and other parameters of the parallel processing and single-beam processing was analyzed, and the efficiency of the parallel processing was about 10 times higher than that of the single-beam processing.

QR code; laser marking; parallel processing; spatial light modulator

National Natural Science Foundation of China (32071457)

10.12086/oee.2021.210293

TN249

A

* E-mail: zs.zhai@hbut.edu.cn

2021-09-09；

2021-10-27基金項目：國家自然科學基金資助項目(32071457)

翟中生(1978-)，男，教授，碩士生導師，主要從事精密測量、光學成像等方面研究。E-mail：zs.zhai@hbut.edu.cn

版權所有?2021中國科學院光電技術研究所

翟中生，劉春利，李夢雨，等. 激光并行加工二維碼實驗研究[J]. 光電工程，2021，48(10): 210293

Zhai Z S, Liu C L, Li M Y, et al. Experimental research on laser parallel processing of two-dimensional codes[J]. Opto-Electron Eng, 2021, 48(10): 210293