基于線陣CCD傳感器的激光標印機自動對焦系統研究

杜笑瀅 ，姜濤 ，2，張桂林 ，2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 重慶研究院，重慶 401135）

激光標印機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蒸發露出深層物質或利用光能直接切斷物質分子間結合的化學物理變化，標印出永久文字或圖案的機械設備[1]。激光標印機多應用于精度要求高的加工行業，如電子元器件、集成電路、精密機械、線纜等[2-3]。本文中激光標印機用于線纜在線飛行標印，線纜傳輸速度最快達到7 000 mm/s，相較于普通靜態標印，本系統中標印誤差更大，其中激光標印裝置工作時保證實時對焦狀態，是調節標印誤差的前提。

因此實現激光標印機自動對焦功能，是提高標印效果，減少激光能量損失的關鍵一步。自動對焦方法主要分兩大類：一類是基于成像圖像對焦評價的被動式對焦方法；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對焦方法[4-5]。被動式對焦具有對焦精度高且無需輔助設備，具有成本低、功耗小、算法靈活多變等特點，在生產中應用廣泛，但是數字圖像采集與處理耗時較長，且對焦精度依賴圖像質量，難以保證自動對焦速度與精度要求。近年來，研究者將目光集中于主動式對焦，2005年廈門大學的郭隱彪等人[6]設計了偏心光束對焦系統，對焦精度可達1 μm。2006年，清華大學的李慶祥等人[7]在顯微鏡中應用偏心光束法，在±500 μm的范圍內對焦精度達到0.1 μm。2012年Chien-Sheng Liu等人[8]設計的自動對焦顯微鏡，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。

本文設計一種應用于線纜激光標印機的自動對焦系統，基于偏心光束法原理，選用線陣CCD傳感器獲得反應離焦量的光斑圖像，經數模轉換對光斑進行圖像處理獲得圖像數據，與離焦量間建立擬合數學關系模型，本系統以離焦量信息作為輸入信息，由DSP控制芯片驅動對焦升降臺步進電機，控制激光振鏡掃描系統向對焦方向移動，在±240 μm動態對焦范圍內，可實現對焦精度±4 μm的實時對焦任務。

1 自動對焦系統原理

1.1 偏心光束原理

本系統中自動對焦模塊設計依托偏心光束法，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，當系統為對焦狀態時，激光器發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。當系統處于離焦狀態，物鏡焦點與工件表面離焦量為δ時，反射光路經聚焦透鏡在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

本系統中自動對焦模塊與激光標印模塊分立于對焦升降臺兩側密閉結構內，標印用強激光源對自動對焦系統影響非常小，可忽略不計。CCD傳感器獲取的光斑圖像為形狀規則、亮度不均勻圖像。適用灰度重心法求取質心，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(x0,y0)的計算式為：

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

獲得灰度重心坐標可建立坐標偏移量Δx、Δy以及ΔR與加工表面離焦量之間線性關系，但經試驗數據分析發現本系統中光斑中心坐標偏移量與離焦量之間不存在顯著函數關系，故根據光斑寬度與離焦量對應關系建立對焦系統數學模型。

標準光斑處理算法，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離焦量建立數學關系模型。其中為得到平滑完整光斑邊緣圖，基于Ostu的Canny算子做邊緣檢測時使用高斯平滑函數：

圖2 光斑圖像處理流程圖

得到光斑平滑圖像：

對使用Ostu算法計算得到的雙閾值進行邊緣追蹤，求取灰度值方差計算Canny算子的低閾值，判斷邊緣點以得到完整圖像邊界，這種算法精度高，但響應時間長，不適用于快速實時對焦系統[11]。

故參考尼康PFS（Perfect Focus System）完美對焦系統，該系統多應用于顯微鏡自動對焦，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。因此將傳統光斑半徑與離焦量之間關系式，轉化為CCD傳感器檢測到的光斑圖像寬度與離焦量之間的關系。

依據線陣CCD傳感器工作原理，當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為對焦狀態下圖像中心位置像元序號。

結合式（11）、式（12）與式（9）可知：

其中，A為比例系數，為常數。

2 自動對焦系統工作原理

2.1 光學系統組成

如圖3所示，為自動對焦模塊示意圖，主要部件包括LED激光器、狹縫板、準直透鏡、半月形瞳孔限制模塊、半透半反鏡、偏移調整透鏡組、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 自動對焦模塊結構示意圖

本裝置使用激光器發射波長為810 nm的近紅外激光通過狹縫板與準直透鏡產生水平激光帶，透過半透半反鏡通過偏移調整透鏡進行調整，然后經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，經柱面透鏡在線陣CCD傳感器表面形成激光光斑。

通過調節偏移調整透鏡與CCD傳感器位置，使得當激光振鏡掃描系統聚焦光點恰好在工件表面時，LED激光器發射的紅外光在線陣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，當振鏡掃描系統距工件表面距離大于系統焦距f時（即δ取正號時），條狀光斑將在CCD傳感器中心位置右側，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，相對應的，當振鏡掃描系統距工件表面距離小于系統焦距f時（δ取負號時），條狀光斑將在CCD傳感器中心位置左側。基于本系統可利用CCD傳感器圖像信息表達離焦情況，是自動對焦系統的核心。

2.2 線陣CCD傳感器測量信號的處理

本文依據精度要求選用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、轉移柵、CCD模擬移位寄存器、輸出單元組成，每個光敏單元尺寸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結構圖如圖5所示，其工作原理為：CCD傳感器光敏探測表面經被測圖像光斑照射形成電荷，而后對光生電荷進行采集，由模擬信號處理模塊對采集信號進行自適應中值濾波、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學關系模型。

圖5 TCD1209D結構圖

自動對焦系統工作流程如圖6所示，首先根據自動對焦模塊測量CCD傳感器光斑偏移情況，判斷振鏡掃描系統是否離焦，并將光斑偏移量輸入DSP運動控制卡中，將光斑偏移量通過數學關系模型轉化為振鏡掃描系統離焦量，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對焦面位于待加工線纜表面。圖7為自動對焦激光標印系統結構圖，應用一個二相步進電機驅動雙側滾珠絲杠運動平臺，實現自動對焦模塊與激光振鏡掃描系統在Z軸方向上的同步運動，自動對焦系統所得離焦量即振鏡掃描系統距待加工工件離焦量。

圖6 自動對焦系統工作流程圖

圖7 激光標印機結構圖

2.3 控制系統設計

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轉換器組成，工作流程如下：由DSP控制器輸出驅動脈沖分別作用于CCD傳感器與ADC，驅動二者工作。當自動對焦系統產生光斑于CCD光敏面時，由光敏陣列單元儲蓄電荷，在連續脈沖信號作用下輸出電壓信號，而后利用AD轉換器處理模擬電壓信號以圖像信息數字信號存儲于DSP控制器SRAM，由DSP控制器完成圖像信息處理以及根據公式（14）將圖像信息轉換為離焦量信號以驅動對焦升降平臺。

圖8 系統硬件結構圖

本系統選用TCD1209D線陣CCD傳感器，圖9所示為驅動脈沖波形圖。選用TMS320LF2407A為DSP控制器，是TI公司生產的一款浮點型DSP控制器，相較于定點DSP，處理精度更高、動態范圍更大，圖10為基于DSP控制的線陣CCD脈沖驅動電路。

圖9 CCD傳感器驅動脈沖波形圖

圖10 基于DSP的CCD驅動電路

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圖像信息進行模數轉換，因其單通道相關雙采樣模式輸出采樣差值，處理圖像信息時可顯著降低噪聲。

3 測試結果與分析

為了驗證本文提出的自動對焦系統的可靠性，并與傳統激光標印機手動對焦精準度的對比，借助如圖所示激光標印系統，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構，研磨絲杠驅動及精密導軌導向，使用二相電機驅動，符合定位精度高、負載能力強、空間尺寸小的要求，由于本系統用于線纜標印，故參考線纜型號參數如表1所示，升降臺行程20 mm，螺桿導程1 mm，重復定位精度1 μm，直線度3 μm，定位精度3 μm，分辨率0.5 μm，閉環控制方式可以實現精準定位，由于升降臺定位誤差導致對焦誤差的影響較小。自動對焦模塊選用20倍物鏡（NA.0.40），對焦激光選用半導體激光輸出功≤2 mW，波長為810 nm，響應頻率10 Hz（±10 μm）。

表1 線纜型號與尺寸

針對線纜標印加工設計實驗，手動對焦實驗裝置如圖11所示，放置不同高度工件于激光振鏡掃描頭下方，在實驗者不知焦距的情況下，利用激光標印機準焦紅光手動對焦，記錄調節后的激光振鏡系統位置，比較誤差大小，如表2所示。

圖11 手動對焦實驗裝置

表2 手動對焦誤差數據

實驗結果如圖12所示，手動對焦誤差標準差為1.73 mm，手動對焦不僅誤差較大而且離焦誤差隨機分布，不存在可以補償的規律。因此在原系統上增加自動對焦模塊對于實現精準標印是十分必要的。

圖12 手動對焦誤差分析

再根據自動對焦系統，以反光金屬表面為被測表面，調節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條狀光斑圖像得到光斑重心坐標與激光光斑處理方法后得到的條狀光斑寬度。實驗結果顯示，有光學元件參數限制，當光斑寬度超過480像素，對應離焦量超過240 μm時，光斑大小超過傳感器測試范圍，對焦系統不具有精準對焦的能力。分析光斑圖像重心坐標與離焦量關系時可以發現，如圖13所示，無論是Δx、Δy、還是ΔR其中數據波動較大，均與離焦量不存在顯著的線性關系。

圖13 光斑重心與離焦量間關系

根據測試結果，將光斑半徑數據與離焦量建立數學模型，擬合得到圖像寬度與離焦量之間數學模型為：

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系圖，可以看出離焦量的大小與圖像寬度存在線性關系，離焦方向由圖像在對焦圖像左右決定，圖像位于對焦點左側為負離焦狀態，相對應的右側即為正離焦狀態。

圖14 光斑寬度與離焦量間關系

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

圖15 手動對焦與自動對焦標印效果對比圖

4 結論

本文對傳統激光標印系統進行優化，將手動對焦模式優化為自動對焦模式，設計一種應用于線纜標印的激光標印機自動對焦系統。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動電機，完成對焦任務。該系統基于偏心光束法，簡化尼康完美對焦系統在顯微成像系統中的應用，分別應用灰度重心法與圖像處理算法得到圖像的中心點坐標，以及圖像寬度。經實驗分析得到，本系統中圖像中心位置與離焦量不存在準確線性關系，故采用圖像寬度與離焦量擬合得到的線性方程，作為對焦系統的控制算法。本文中對焦精度可達到 4 μm，對焦動態范圍約為±240 μm，相較于傳統手動對焦，可實現高精度自動化對焦，同時可以通過減小對焦激光光束半徑、組合使用多個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大動態對焦范圍，實現大行程高精度自動對焦。