杜笑瀅 ，姜濤 ，2，張桂林 ，2

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 重慶研究院，重慶 401135）

激光標(biāo)印機(jī)是一種利用激光光束在各種不同材料表面，通過熱加工表面物質(zhì)蒸發(fā)露出深層物質(zhì)或利用光能直接切斷物質(zhì)分子間結(jié)合的化學(xué)物理變化，標(biāo)印出永久文字或圖案的機(jī)械設(shè)備[1]。激光標(biāo)印機(jī)多應(yīng)用于精度要求高的加工行業(yè)，如電子元器件、集成電路、精密機(jī)械、線纜等[2-3]。本文中激光標(biāo)印機(jī)用于線纜在線飛行標(biāo)印，線纜傳輸速度最快達(dá)到7 000 mm/s，相較于普通靜態(tài)標(biāo)印，本系統(tǒng)中標(biāo)印誤差更大，其中激光標(biāo)印裝置工作時(shí)保證實(shí)時(shí)對焦?fàn)顟B(tài)，是調(diào)節(jié)標(biāo)印誤差的前提。

因此實(shí)現(xiàn)激光標(biāo)印機(jī)自動(dòng)對焦功能，是提高標(biāo)印效果，減少激光能量損失的關(guān)鍵一步。自動(dòng)對焦方法主要分兩大類：一類是基于成像圖像對焦評價(jià)的被動(dòng)式對焦方法；另一種是借助輔助元器件如檢測用激光器、光電傳感器等測量離焦量并對焦的主動(dòng)對焦方法[4-5]。被動(dòng)式對焦具有對焦精度高且無需輔助設(shè)備，具有成本低、功耗小、算法靈活多變等特點(diǎn)，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但是數(shù)字圖像采集與處理耗時(shí)較長，且對焦精度依賴圖像質(zhì)量，難以保證自動(dòng)對焦速度與精度要求。近年來，研究者將目光集中于主動(dòng)式對焦，2005年廈門大學(xué)的郭隱彪等人[6]設(shè)計(jì)了偏心光束對焦系統(tǒng)，對焦精度可達(dá)1 μm。2006年，清華大學(xué)的李慶祥等人[7]在顯微鏡中應(yīng)用偏心光束法，在±500 μm的范圍內(nèi)對焦精度達(dá)到0.1 μm。2012年Chien-Sheng Liu等人[8]設(shè)計(jì)的自動(dòng)對焦顯微鏡，采用了偏心光束法，具有很大的線性范圍，對焦精度小于4 μm。

本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于線纜激光標(biāo)印機(jī)的自動(dòng)對焦系統(tǒng)，基于偏心光束法原理，選用線陣CCD傳感器獲得反應(yīng)離焦量的光斑圖像，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換對光斑進(jìn)行圖像處理獲得圖像數(shù)據(jù)，與離焦量間建立擬合數(shù)學(xué)關(guān)系模型，本系統(tǒng)以離焦量信息作為輸入信息，由DSP控制芯片驅(qū)動(dòng)對焦升降臺步進(jìn)電機(jī)，控制激光振鏡掃描系統(tǒng)向?qū)狗较蛞苿?dòng)，在±240 μm動(dòng)態(tài)對焦范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對焦精度±4 μm的實(shí)時(shí)對焦任務(wù)。

1 自動(dòng)對焦系統(tǒng)原理

1.1 偏心光束原理

本系統(tǒng)中自動(dòng)對焦模塊設(shè)計(jì)依托偏心光束法，圖1所示為偏心光束法原理圖。已知物鏡與聚焦透鏡焦距分別為f1和f2，二者安裝距離為d，當(dāng)系統(tǒng)為對焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，激光器發(fā)出的檢測激光光束在待加工工件表面聚焦，并在工件表面處反射，在聚焦透鏡的作用下，反射激光在CCD傳感器聚焦成光點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)處于離焦?fàn)顟B(tài)，物鏡焦點(diǎn)與工件表面離焦量為δ時(shí)，反射光路經(jīng)聚焦透鏡在CCD傳感器上形成半圓形光斑。

圖1 偏心光束法原理圖

1.2 基于CCD傳感器圖像處理算法

本系統(tǒng)中自動(dòng)對焦模塊與激光標(biāo)印模塊分立于對焦升降臺兩側(cè)密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，標(biāo)印用強(qiáng)激光源對自動(dòng)對焦系統(tǒng)影響非常小，可忽略不計(jì)。CCD傳感器獲取的光斑圖像為形狀規(guī)則、亮度不均勻圖像。適用灰度重心法求取質(zhì)心，即條狀光斑中心位置[9-10]。對于一幅P×M大小的矩形圖像，像素的灰度值超過閾值T的均參與重心處理，故可知重心坐標(biāo)(x0,y0)的計(jì)算式為：

其中，P、Q表示圖像的長和寬；x、y表示圖像中坐標(biāo)點(diǎn)；f(x,y)表示點(diǎn)(x,y)的像素灰度值。

獲得灰度重心坐標(biāo)可建立坐標(biāo)偏移量Δx、Δy以及ΔR與加工表面離焦量之間線性關(guān)系，但經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)中光斑中心坐標(biāo)偏移量與離焦量之間不存在顯著函數(shù)關(guān)系，故根據(jù)光斑寬度與離焦量對應(yīng)關(guān)系建立對焦系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

標(biāo)準(zhǔn)光斑處理算法，為得到半圓形光斑半徑精確值，對半圓形光斑進(jìn)行圖像處理，處理算法工作流程如圖2所示，將處理所得光斑半徑與對應(yīng)離焦量建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型。其中為得到平滑完整光斑邊緣圖，基于Ostu的Canny算子做邊緣檢測時(shí)使用高斯平滑函數(shù)：

圖2 光斑圖像處理流程圖

得到光斑平滑圖像：

對使用Ostu算法計(jì)算得到的雙閾值進(jìn)行邊緣追蹤，求取灰度值方差計(jì)算Canny算子的低閾值，判斷邊緣點(diǎn)以得到完整圖像邊界，這種算法精度高，但響應(yīng)時(shí)間長，不適用于快速實(shí)時(shí)對焦系統(tǒng)[11]。

故參考尼康PFS（Perfect Focus System）完美對焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)多應(yīng)用于顯微鏡自動(dòng)對焦，通過加裝狹縫板和半月形瞳孔限制模塊，將半圓形光斑整形成條狀光斑。根據(jù)線陣CCD傳感器工作原理，相較于圓形光斑半徑測量，條狀光斑寬度更易被檢測。因此將傳統(tǒng)光斑半徑與離焦量之間關(guān)系式，轉(zhuǎn)化為CCD傳感器檢測到的光斑圖像寬度與離焦量之間的關(guān)系。

依據(jù)線陣CCD傳感器工作原理，當(dāng)條狀光斑照射在傳感器表面，直接讀取反映測量尺寸的像元序號，可知光斑圖像寬度：

光斑中心位移距離為：

其中，l為CCD傳感器像敏單元的尺寸；N1、N2為邊界位置的像元序號；N0為對焦?fàn)顟B(tài)下圖像中心位置像元序號。

結(jié)合式（11）、式（12）與式（9）可知：

其中，A為比例系數(shù)，為常數(shù)。

2 自動(dòng)對焦系統(tǒng)工作原理

2.1 光學(xué)系統(tǒng)組成

如圖3所示，為自動(dòng)對焦模塊示意圖，主要部件包括LED激光器、狹縫板、準(zhǔn)直透鏡、半月形瞳孔限制模塊、半透半反鏡、偏移調(diào)整透鏡組、可見光截止濾光片、全反鏡、物鏡、聚光透鏡、中繼透鏡、柱面透鏡以及線陣CCD傳感器。

圖3 自動(dòng)對焦模塊結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置使用激光器發(fā)射波長為810 nm的近紅外激光通過狹縫板與準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生水平激光帶，透過半透半反鏡通過偏移調(diào)整透鏡進(jìn)行調(diào)整，然后經(jīng)可見光截止濾光片過濾，入射與水平方向夾角45°安裝的全反鏡經(jīng)物鏡聚焦于待加工工件表面，由工件表面反射透過物鏡照射在全反鏡，反射后依次穿過可見光截止濾光片、偏移調(diào)整透鏡，在半透半反鏡表面反射，從垂直方向入射聚焦透鏡再依次穿過中繼透鏡以及半月形瞳孔限制模塊整形，經(jīng)柱面透鏡在線陣CCD傳感器表面形成激光光斑。

通過調(diào)節(jié)偏移調(diào)整透鏡與CCD傳感器位置，使得當(dāng)激光振鏡掃描系統(tǒng)聚焦光點(diǎn)恰好在工件表面時(shí)，LED激光器發(fā)射的紅外光在線陣CCD傳感器上形成條狀光斑的位置在正中心位置，如圖4（a）所示。

圖4 傳感器表面光斑

基于式（9）可知，當(dāng)振鏡掃描系統(tǒng)距工件表面距離大于系統(tǒng)焦距f時(shí)（即δ取正號時(shí)），條狀光斑將在CCD傳感器中心位置右側(cè)，且隨離焦量增大光斑偏移距離、光斑寬度均增大，如圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）所示，相對應(yīng)的，當(dāng)振鏡掃描系統(tǒng)距工件表面距離小于系統(tǒng)焦距f時(shí)（δ取負(fù)號時(shí)），條狀光斑將在CCD傳感器中心位置左側(cè)。基于本系統(tǒng)可利用CCD傳感器圖像信息表達(dá)離焦情況，是自動(dòng)對焦系統(tǒng)的核心。

2.2 線陣CCD傳感器測量信號的處理

本文依據(jù)精度要求選用TCD1209D型號CCD圖像傳感器，一種典型的二相單溝道型線陣CCD傳感器，由Photo Diode、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位寄存器、輸出單元組成，每個(gè)光敏單元尺寸14 μm×14 μm，相鄰兩光敏單元中心距 14 μm，光敏單元總長度28.672 mm（2 048 μm×14 μm）。TCD1209D結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其工作原理為：CCD傳感器光敏探測表面經(jīng)被測圖像光斑照射形成電荷，而后對光生電荷進(jìn)行采集，由模擬信號處理模塊對采集信號進(jìn)行自適應(yīng)中值濾波、二值化邊緣檢測等圖像處理工作，可以得到光斑圖像尺寸信息，利用MATLAB擬合得到圖像尺寸信息與離焦量間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

圖5 TCD1209D結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)對焦系統(tǒng)工作流程如圖6所示，首先根據(jù)自動(dòng)對焦模塊測量CCD傳感器光斑偏移情況，判斷振鏡掃描系統(tǒng)是否離焦，并將光斑偏移量輸入DSP運(yùn)動(dòng)控制卡中，將光斑偏移量通過數(shù)學(xué)關(guān)系模型轉(zhuǎn)化為振鏡掃描系統(tǒng)離焦量，并將離焦量作為輸入信號，控制對焦升降臺升降，從而保證對焦升降臺上振鏡掃描系統(tǒng)對焦面位于待加工線纜表面。圖7為自動(dòng)對焦激光標(biāo)印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙側(cè)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)平臺，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對焦模塊與激光振鏡掃描系統(tǒng)在Z軸方向上的同步運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)對焦系統(tǒng)所得離焦量即振鏡掃描系統(tǒng)距待加工工件離焦量。

圖6 自動(dòng)對焦系統(tǒng)工作流程圖

圖7 激光標(biāo)印機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CCD傳感器與DSP控制芯片之間信息傳遞框架圖如圖8所示，由DSP控制器、CCD傳感器、AD轉(zhuǎn)換器組成，工作流程如下：由DSP控制器輸出驅(qū)動(dòng)脈沖分別作用于CCD傳感器與ADC，驅(qū)動(dòng)二者工作。當(dāng)自動(dòng)對焦系統(tǒng)產(chǎn)生光斑于CCD光敏面時(shí)，由光敏陣列單元儲蓄電荷，在連續(xù)脈沖信號作用下輸出電壓信號，而后利用AD轉(zhuǎn)換器處理模擬電壓信號以圖像信息數(shù)字信號存儲于DSP控制器SRAM，由DSP控制器完成圖像信息處理以及根據(jù)公式（14）將圖像信息轉(zhuǎn)換為離焦量信號以驅(qū)動(dòng)對焦升降平臺。

圖8 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)選用TCD1209D線陣CCD傳感器，圖9所示為驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖。選用TMS320LF2407A為DSP控制器，是TI公司生產(chǎn)的一款浮點(diǎn)型DSP控制器，相較于定點(diǎn)DSP，處理精度更高、動(dòng)態(tài)范圍更大，圖10為基于DSP控制的線陣CCD脈沖驅(qū)動(dòng)電路。

圖9 CCD傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖

圖10 基于DSP的CCD驅(qū)動(dòng)電路

TCD1209D傳感器輸出信號為具有圖像信息的高頻載波，本系統(tǒng)使用AD9826線陣CCD專用模擬信號處理器，單通道16位采樣速率為12.5 MS/s，對CCD圖像信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因其單通道相關(guān)雙采樣模式輸出采樣差值，處理圖像信息時(shí)可顯著降低噪聲。

3 測試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的自動(dòng)對焦系統(tǒng)的可靠性，并與傳統(tǒng)激光標(biāo)印機(jī)手動(dòng)對焦精準(zhǔn)度的對比，借助如圖所示激光標(biāo)印系統(tǒng)，對焦升降臺選用北京茂豐光電公司MMVS20-NH型高精度升降臺，該升降臺采用楔塊式結(jié)構(gòu)，研磨絲杠驅(qū)動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向，使用二相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，符合定位精度高、負(fù)載能力強(qiáng)、空間尺寸小的要求，由于本系統(tǒng)用于線纜標(biāo)印，故參考線纜型號參數(shù)如表1所示，升降臺行程20 mm，螺桿導(dǎo)程1 mm，重復(fù)定位精度1 μm，直線度3 μm，定位精度3 μm，分辨率0.5 μm，閉環(huán)控制方式可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，由于升降臺定位誤差導(dǎo)致對焦誤差的影響較小。自動(dòng)對焦模塊選用20倍物鏡（NA.0.40），對焦激光選用半導(dǎo)體激光輸出功≤2 mW，波長為810 nm，響應(yīng)頻率10 Hz（±10 μm）。

表1 線纜型號與尺寸

針對線纜標(biāo)印加工設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)對焦實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，放置不同高度工件于激光振鏡掃描頭下方，在實(shí)驗(yàn)者不知焦距的情況下，利用激光標(biāo)印機(jī)準(zhǔn)焦紅光手動(dòng)對焦，記錄調(diào)節(jié)后的激光振鏡系統(tǒng)位置，比較誤差大小，如表2所示。

圖11 手動(dòng)對焦實(shí)驗(yàn)裝置

表2 手動(dòng)對焦誤差數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，手動(dòng)對焦誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.73 mm，手動(dòng)對焦不僅誤差較大而且離焦誤差隨機(jī)分布，不存在可以補(bǔ)償?shù)囊?guī)律。因此在原系統(tǒng)上增加自動(dòng)對焦模塊對于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)標(biāo)印是十分必要的。

圖12 手動(dòng)對焦誤差分析

再根據(jù)自動(dòng)對焦系統(tǒng)，以反光金屬表面為被測表面，調(diào)節(jié)被測表面與物鏡之間距離，每隔一定距離采集一次圖像信息。通過上述工作過程，分別利用灰度重心法處理?xiàng)l狀光斑圖像得到光斑重心坐標(biāo)與激光光斑處理方法后得到的條狀光斑寬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，有光學(xué)元件參數(shù)限制，當(dāng)光斑寬度超過480像素，對應(yīng)離焦量超過240 μm時(shí)，光斑大小超過傳感器測試范圍，對焦系統(tǒng)不具有精準(zhǔn)對焦的能力。分析光斑圖像重心坐標(biāo)與離焦量關(guān)系時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，如圖13所示，無論是Δx、Δy、還是ΔR其中數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，均與離焦量不存在顯著的線性關(guān)系。

圖13 光斑重心與離焦量間關(guān)系

根據(jù)測試結(jié)果，將光斑半徑數(shù)據(jù)與離焦量建立數(shù)學(xué)模型，擬合得到圖像寬度與離焦量之間數(shù)學(xué)模型為：

其中，s為條狀光斑寬度，單位為像素；x軸表示離焦量h，單位為μm。圖14所示為光斑半徑與離焦量關(guān)系圖，可以看出離焦量的大小與圖像寬度存在線性關(guān)系，離焦方向由圖像在對焦圖像左右決定，圖像位于對焦點(diǎn)左側(cè)為負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)，相對應(yīng)的右側(cè)即為正離焦?fàn)顟B(tài)。

圖14 光斑寬度與離焦量間關(guān)系

圖15所示為激光標(biāo)印機(jī)標(biāo)印效果對比圖，在標(biāo)印參數(shù)相同情況下，上圖為手動(dòng)對焦標(biāo)印效果，下圖為自動(dòng)對焦標(biāo)印效果，可以看出相較于手動(dòng)對焦，激光能量損失大、標(biāo)印深度淺、標(biāo)印線條粗；自動(dòng)對焦方式激光軌跡點(diǎn)更小、標(biāo)印線條更清晰更精確，適用于小直徑線纜快速標(biāo)印系統(tǒng)。

圖15 手動(dòng)對焦與自動(dòng)對焦標(biāo)印效果對比圖

4 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)激光標(biāo)印系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將手動(dòng)對焦模式優(yōu)化為自動(dòng)對焦模式，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于線纜標(biāo)印的激光標(biāo)印機(jī)自動(dòng)對焦系統(tǒng)。基于DSP控制芯片將圖像信息處理后得到位置控制信息傳遞給對焦升降臺驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成對焦任務(wù)。該系統(tǒng)基于偏心光束法，簡化尼康完美對焦系統(tǒng)在顯微成像系統(tǒng)中的應(yīng)用，分別應(yīng)用灰度重心法與圖像處理算法得到圖像的中心點(diǎn)坐標(biāo)，以及圖像寬度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得到，本系統(tǒng)中圖像中心位置與離焦量不存在準(zhǔn)確線性關(guān)系，故采用圖像寬度與離焦量擬合得到的線性方程，作為對焦系統(tǒng)的控制算法。本文中對焦精度可達(dá)到 4 μm，對焦動(dòng)態(tài)范圍約為±240 μm，相較于傳統(tǒng)手動(dòng)對焦，可實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化對焦，同時(shí)可以通過減小對焦激光光束半徑、組合使用多個(gè)CCD傳感器接收圖像，以及選用透光孔徑更大的透鏡等方式擴(kuò)大動(dòng)態(tài)對焦范圍，實(shí)現(xiàn)大行程高精度自動(dòng)對焦。