基于機器視覺與運動控制的藍光激光頭全自動傾斜調整系統的設計

王勝學

【摘 要】藍光激光頭精細位置調節存有問題，論文為解決上述問題，首先使用機器視覺技術，捕捉到藍光光斑區域，針對光斑及水平間差距做出分析，在精確且具體的2軸運動控制協助下，達到激光頭平面水平放置的效果；緊接著明確光斑焦距，并分析所在區域，考慮到3軸精細運動聯動實際情況，找到激光頭空間區域，同時還包括焦距所處區域，繼而全自動傾斜調整藍光激光頭，改良了藍光激光頭模塊產品，達標率超過98%。

【Abstract】There is a problem in blue ray laser head fine position adjustment，to solve the above problem，the paper firstly uses machine vision technology to capture the blue light spot area，analyzes the spot and horizontal gap， it achieved laser head level laying in horizontal placement with the control assistance of accurate and specific 2-axis motion， clear spot focal length，and analyze the area，taking into account the actual situation of 3-axis fine motion linkage，find the laser head space area，also include the area of focal length，then automatically tilt adjust blu-ray laser head，to improve blu-ray laser head module products，the compliance rate is more than 98%.

【關鍵詞】機器視覺；運動控制；藍光激光頭

【Keywords】machine vision；sport control；blu-ray laser head

【中圖分類號】TP381 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0166-02

1 引言

光碟生產商Singulus2013年9月13日宣稱：“用于存儲4K內容、容量為100GB的藍光光碟已經問世”。數字式光盤的優點突出，存儲容量大，速度快，且生命周期長，改變了以往包括硬盤及磁帶等為存儲記錄的媒體形式，得到大范圍應用。對于信息其是借助光學激光頭來開展寫入及讀出工作的，其中，藍光光學頭構成了高清信息讀取不可缺少的部件，其性能所起作用較大，較大程度上影響了光盤存儲器性能優劣。在藍光光學頭性能許多調整及檢測工作中，尤以傾斜調整檢測最為突出，確保了光盤信號的讀取無誤，國內生產著世界范圍內最大量的光盤產品，光盤產業構成了我國信息產業十分必要的環節[1]。上述傾斜調整檢查設備的研發商均是外國廠家，成本價格較貴，對國內光盤產業整體發展無益，使得光學頭生產企業受制于國外技術設備，所以，考慮到上述情況，進行本次研究，旨在分析基于機器視覺與運動控制的藍光激光頭全自動傾斜調整系統的設計。

2 總體設計基于機器視覺與運動控制的藍光激光頭全自動傾斜調整系統

藍光激光頭全自動傾斜調整系統研發涵蓋了多個層面內容，包括CCD機器視覺光斑定位與焦距調節設計及多軸運動控制伺服系統等，這種檢測設備具有全自動化且精細的特點[2]。這種系統硬件以機械機構及計算機為主要構成部分，機械機構組成部分包括電機、傳感器及氣動裝置等；計算機處置機器視覺圖像，精細化調控多軸運動，且對焊接裝置及氣動裝置實施調控。

3 設計基于機器視覺與運動控制的機電平臺

機電平臺為光路系統、氣動裝置及電機等提供安裝場所；機械自動焊接動作及伺服系統應用、搭建硬件場所，以應用計算機視覺。為容易區分特征，設計的機器視覺照明負責讓被測物的特征與背景圖像特征間獲得最大對比度，指導CCD機器視覺對傳統光電傳感器檢測光路方案進行有效替代[3]。該設計涵蓋光路系統兩路，一路為光斑定位光路系統，另一路為光斑變焦光。

4 設計基于機器視覺與運動控制的CCD機器視覺光斑定位與焦距調節

CCD，電荷耦合元件（Charge-coupled Device），稱之為CCD圖像傳感器，或圖像控制器，屬于半導體器件，轉化光學影像，變成電信號。檢測DVD的激光頭角度是否合格，方法是使光頭發光，使其投射在1m外的靶上，如果光點落在靶心一定區域外，次光頭為不良，需要調整。此時需要檢測光點的位置，并判斷是否在良品區。借助光路系統，圖像采集卡能轉換CCD拍攝激光光斑圖像，變成數字圖像，以圖像預處理方式，將CCD光斑信號中噪音及保持光斑特點去除。使用光斑圖像中一階炬方法來計算光斑質心[4]。使用圓度檢測方法計算光斑位置及其半徑。

光斑定位位置及其光斑自動變焦精確移動，準確調控多項工作，如自動焊接等，應控制電機運動，以總體設計為參照發現，伺服電機8個需要被控制，各電機及運動控制卡銜接起來。光斑移動動作，要借助各電機間協調來實現，通過圖像識別及坐標體系轉換來實現對位移的控制，尤其變焦時，應同時協調三軸，且同步分析圖像處理，最終在指定區域內，讓最佳機器視覺協調運動控制來運作，使藍光激光模塊的傾斜檢測及調整成為可能，完全能夠自動化操作。如，通過控制模組進行鏡頭的前后移動，從而達到調整鏡頭焦距的目的，有效調焦距行程。相比原本每人每天良品率為86%，其中406件產品中良品數量348件；使用這種系統后，每人每天良品率為98%，其中，1000件產品中良品數量980件；一人能夠操作兩臺設備，降低了人力消耗，高效生產，提升產品良好率；對比人工作業產量，良好率超過98%，提升30%生產效率[5]。

激光頭構成影碟機與激光唱機不可缺少環節，其中，激光二極管為激光頭重要組件。以激光二極管開始，分析激光頭的原理與調整。把握激光頭工作原理，引導影碟機及激光唱機的工作，協助激光頭維修及更換、調整等。激光頭主要由激光產生（發射）系統、激光傳播系統（光路或激光槍）與光接收系統等部分構成，激光頭中的半導體激光二極管發射出單一波長、相位一致的激光，衍射光柵為激光產生系統的一種，分裂激光二極管發射的單束光，成為三束光。激光槍（或稱為光路），激光傳播路徑中固定有起不同作用的光學鏡片。由分光、14/波長片、準直透鏡和物鏡構成入射（相對于光盤）光傳播路徑，將激光二極管發射出的激光入射到光盤面上；反射光路徑包括物鏡、準直透鏡、1/4波長片、分光棱鏡和圓柱透鏡，引入光盤反射回來的激光，至光敏接收器光靶上。準直透鏡（或稱平行透鏡），矯正散射入射光，變成平行光。物鏡構成光學系統不可或缺零件，聚焦入射平行光，變成極小光點早期構成為3片玻璃球面。1/4波長片為一個旋光器件，可旋轉偏光軸4 5度。分光棱鏡（半透鏡），能分開偏光軸不同的激光束，反射物鏡送出反射回來光，透射激光二極管發射出的光。

5 結語

機器視覺從人工智能發展出來，從簡單層面上看，機器視覺通過機器代替人眼來進行測量及判斷。轉換攝取目標，變成圖像信號，傳至專門圖像處理系統，獲得被攝目標形態信息，變成數字化信號；運算上述信號，實現對現場設備控制的目的。運動控制（MC）屬于自動化，一般被稱之為伺服機構設備，線性執行機或者是電機來控制機器的位置和/或速度。運動控制在機器人和數控機床的領域內的應用要比在專用機器中的應用更復雜。運動控制普遍應用于包裝及紡織中。藍光（Blu-ray），也被稱之為藍光盤（Blu-ray Disc，BD），通過較短波長（405nm）的藍色激光實現數據的讀和寫。針對基于機器視覺與運動控制的藍光激光頭全自動傾斜調整系統，先開展整體設計，緊接著具體設計機電平臺、CCD機器視覺光斑定位與焦距調節。從上文分析中不難發現，此項設計研究的進行，有利于指導藍光激光頭全自動傾斜調整系統設計工作較好地開展。因為研究篇幅限制，其中相關研究不能面面俱到，有關研究仍需深入。

【參考文獻】

【1】韓海生，柏原圭，張進京.藍光存儲——信息化的核心技術[J].中國信息界，2010（12）：59-62.

【2】韋爭亮，黃志斌，古耀達，等.基于機器視覺與運動控制的軌距尺檢定器自動化檢測技術研究[J].中國測試，2014，40（3）：23-27.

【3】朱寶偉.機器視覺中的光源照明設計[J].電子科技，2013，26（3）：80-82.

【4】夏愛利，馬彩文.基于圖像處理技術的光斑質心高精度測量[J].光電子·激光，2011（10）：1542-1545.

【5】林盛鑫，鐘惠球，黃丁香.基于機器視覺與運動控制的藍光激光頭全自動傾斜調整系統的設計[J].東莞理工學院學報，2015，22（5）：23-26.