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基于条码质量的直接标刻激光参量与物理机制的研究

作　者: 邱化冬
导　师: 路长厚
学　校: 山东大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 直接标刻 激光 二维条码 激光参量 分形维度 物理机制 高动态范围 相机标定 色调映射
分类号: TN247
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


直接标刻(Direct Part Marking,DPM)指直接在物体表面标刻机器可识读的代码,激光直接标刻二维条码在应用中最大的挑战是能否连续地产生机器可识读的高质量的二维条码。激光与材料之间复杂的相互作用机制不明,不同的激光参量、材料材质类型等对直接标刻条码等级产生重大影响。目前,国内外对直接标刻激光参量的研究大多将其转化为激光能量或激光功率,虽然具有研究方法直接、简便的特点,却无法指导实际加工和具体参量大小的设定,无法辨识激光参量对条码质量的影响。此外直接标刻条码的识读图像与一般打印条码图像相比,具有图像不规则、光学反差低以及标刻表面高反光等特征,这也限制了直接标识的应用。国外针对直接标刻二维条码的研究已开展,制定了一些标准,如ISO/IEC 16022、ISO/IEC 15415等,而国内的研究却比较少。基于此,本课题从激光直接标刻二维条码的加工和图像处理两个方面入手,以提高条码的标刻质量和条码图像质量为目的,对激光参量、标刻过程的物理机制以及低质量条码的图像处理技术进行相应的研究。本课题在山东省自然科学基金(Q2008G02)和山东大学自主创新基金(2010TS036)资助项目资助下,开展了如下研究工作：首先,从激光标刻二维条码加工方面对激光参量进行了研究。根据Data Matrix条码矩阵码结构,实验研究激光路径与激光线间距两参量,设计了单向光栅式、交叉光栅式和方形螺旋式三种标刻路径,通过对激光加工表面的粗糙度、符号对比度、对比均衡度进行分析,确定了单向光栅式模块填充激光路径和0.05mm的线间距为较优的选择。为了探明激光电流参量对标刻条码的符号对比度影响的规律,提出了一种基于多元非线性模型显著性检验的方法。通过建立激光电流和线间距两因素与符号对比度的多元非线性逐步回归数学模型,利用模型的显著性检验评估因素对符号对比度的影响,最后得出,随着激光电流的增大激光电流对条码质量衡量指标符号对比度的影响逐渐减小的规律。采用Nd:YAG激光器作为加工源,通过调节搭配激光有效矢量步长、有效矢量步间延时、Q频率和Q释放时间四参量实现3136种不同能量密度激光在铝合金表面标刻二维条码,并使用INTEGRA条码检测仪对标刻条码进行了分级。统计分析条码质量等级分布推得激光铝合金表面标刻条码的最优加工参量组。发现激光参量对条码质量影响的规律以及目前国际标准无法对黑色外观条码评级的原因。其次,研究了激光直接标刻条码微观形貌和生成物对条码质量等级的影响,探讨影响条码质量的深层次原因。将固溶体的概念引入激光标刻过程的物理机制研究中,提出基于材料元素熔点、沸点和比重的标刻物理机制的新理解,并进行了实验验证。采用物理机制新理解分析了铝合金表面直接标刻形成的六种外观及其对条码质量等级的影响。从激光标刻微观形貌方面研究黑白外观截然不同的两种条码,研究激光标刻微观形貌的度量,以及微观形貌与激光参量之间的关系。使用非线性内核在多尺度下对图像进行分层,从而改进了图像差分计盒算法,改进的算法具有较高的稳定性和准确性。将新算法应用于条码微观形貌扫描电镜图像,得出Nd: YAG激光加工的材料微观形貌维度数值,初步得到随着激光能量的增大,分形维度同时增大的规律。最后,以提高低质量条码图像质量为目的,针对激光标刻二维条码图像光学反差低、高反光等特征引入高动态范围图像合成技术。设计出覆盖全部灰度边缘的18阶灰度卡,提出一种基于此灰度卡的单幅图像相机响应曲线标定方法,解决目前相机响应曲线标定算法使用多幅图像和单幅图像灰度区域覆盖不全的问题。采用基于估算图像曝光分区的算法合成高动态范围图像,并将算法应用于激光标刻低质量二维条码图像,从实验结果上看高动态合成图像的灰度边缘比普通图像更加的陡峭,且获得更大的数据变化范围,这对二维条码识别图像的阈值确定和边缘准确定位有较大的意义。低质量二维条码高动态范围图像的色调映射研究中,采用了基于图像分层的各向异性边缘保护的色调映射算法,算法对光照不均和强反射体现出一定的鲁棒性。编写Data Matrix二维条码识别程序,使用高动态范围色调映射图像进行识别实验,实验结果表明借助此项技术提高了激光直接标刻二维条码图像的质量,从而可提高识别率推进激光直接标刻的工业化应用。

全文目录


摘要  13-15
ABSTRACT  15-19
第1章 绪论  19-33
  1.1 研究背景与目的意义  19-21
  1.2 激光直接标刻国内外研究现状  21-27
    1.2.1 直接标刻激光参量研究现状  21-22
    1.2.2 激光标刻路径的研究现状  22-23
    1.2.3 直接标刻二维条码质量评级  23-25
    1.2.4 激光与物质相互作用物理机制  25-26
    1.2.5 材料微观形貌的衡量  26-27
  1.3 低质量条码的识别研究  27-29
  1.4 本文的研究方法与主要内容  29-33
第2章 基于标刻条码质量等级的激光参量研究  33-65
  2.1 激光直接标刻的参量研究  33-34
  2.2 灯泵浦激光原理  34-37
    2.2.1 激光产生原理  34-35
    2.2.2 激光调Q技术  35-37
  2.3 实验用Nd:YAG激光器机构与参量  37-41
    2.3.1 激光标刻机机构  37-39
    2.3.2 激光器技术参量  39
    2.3.3 激光器可调参量  39-41
  2.4 激光直接标刻实验前期研究  41-42
    2.4.1 激光直接标刻条码码制的选择  41
    2.4.2 激光参量筛选原则  41-42
  2.5 模块激光路径与激光刻线间距参量实验研究  42-51
    2.5.1 模块激光路径与刻线间距设计  43-44
    2.5.2 模块对比度测量与计算  44
    2.5.3 模块对比度实验结果与分析  44-47
    2.5.4 模块粗糙度实验结果与分析  47-48
    2.5.5 模块照度标准差实验结果与分析  48-50
    2.5.6 模块微观测量与实验结果验证  50-51
  2.6 激光电流对标刻二维条码对比度影响的研究  51-58
    2.6.1 激光电流对符号对比度的影响  51-52
    2.6.2 电流与刻线间距非线性逐步回归数学模型  52-56
    2.6.3 非线性模型显著性检验结果  56-57
    2.6.4 非线性模型显著性检验结果分析  57
    2.6.5 非线性模型显著性检验结论验证  57-58
    2.6.6 激光电流对符号对比度影响的成因分析  58
  2.7 激光参量对铝合金直接标刻条码影响的研究  58-63
    2.7.1 激光参量选择与设定  59
    2.7.2 条码清理与条码检测  59-60
    2.7.3 条码质量等级设定与实验结果  60-61
    2.7.4 激光参量对条码等级影响分析  61-63
    2.7.5 最优激光加工参量范围确定  63
  2.8 本章小结  63-65
第3章 激光直接标刻二维条码的物理机制研究  65-83
  3.1 激光与材料相互作用的物理机制  65-69
    3.1.1 Nd:YAG激光器特点  65-66
    3.1.2 激光与材料相互作用物理机制经典理论  66-68
    3.1.3 激光与物质相互作用物理机制的新理解  68-69
  3.2 Nd:YAG脉冲激光与物质相互作用新理解  69-72
    3.2.1 激光加热过程  70-71
    3.2.2 材料熔化与气化过程  71-72
    3.2.3 激光移动过程  72
  3.3 Nd:YAG激光器标刻物理机制实验  72-78
    3.3.1 激光标刻表面能谱分析实验结果  73-77
    3.3.2 基于Nd:YAG激光器物理机制新理解的实验分析  77-78
  3.4 基于Nd:YAG物理机制新理解的铝合金条码质量分析  78-82
    3.4.1 铝合金激光标刻条码外观  79
    3.4.2 激光标刻条码电镜与能谱分析实验  79-80
    3.4.3 Nd:YAG物理机制新理解实验分析  80-81
    3.4.4 ISO/IEC 15415检测直接标刻条码的问题  81-82
  3.5 本章小结  82-83
第4章 激光直接标刻二维条码微观形貌分形研究  83-100
  4.1 基于图像的分形几何研究  83-84
  4.2 基于差分计盒的图像分形维度计算算法  84-91
    4.2.1 差分计盒算法存在的问题  84-85
    4.2.2 基于差分计盒的图像分层改进算法  85-88
    4.2.3 差分计盒算法中计盒规则改进  88
    4.2.4 图像孔隙度  88-89
    4.2.5 基于差分计盒的图像分层改进算法的验证  89-91
  4.3 激光标刻表面微观图像分形实验  91-98
    4.3.1 激光标刻表面微观电镜图像  91-94
    4.3.2 基于改进算法的微观形貌分形维度  94-96
    4.3.3 多尺度分形维度计算自相似检验  96-97
    4.3.4 Nd:YAG激光标刻微观形貌分形维度  97-98
  4.4 分形维度与条码质量  98
  4.5 本章小结  98-100
第5章 激光直接标刻低质量条码高动态图像融合与色调映射  100-125
  5.1 低质量条码的影响因素统计  100-101
  5.2 高动态范围图像融合方法与色调映射  101-113
    5.2.1 灰度边缘相机响应曲线标定算法原理  102-103
    5.2.2 基于灰度卡相机响应曲线标定算法  103-104
    5.2.3 灰度卡相机响应曲线标定算法实验  104-107
    5.2.4 基于图像分区的高动态范围图像融合算法  107-109
    5.2.5 基于图像分区的低质量条码高动态范围图像融合实验  109-111
    5.2.6 基于图像分层的各向异性色调映射算法  111-113
  5.3 低质量二维条码高动态范围图像算法实验  113-120
    5.3.1 低质量条码高动态范围图像合成实验  113-116
    5.3.2 低质量条码高动态范围图像色调映射实验  116-120
  5.4 基于高动态范围图像的低质量条码识别实验  120-123
    5.4.1 识别程序所采用的算法  120-121
    5.4.2 识别程序运行结果  121-123
  5.5 高动态范围图像算法中存在的问题  123-124
  5.6 本章小结  124-125
结论与展望  125-130
参考文献  130-145
致谢  145-146
攻读博士学位期间发表的学术论文  146-147
英文论文  147-170
学位论文评阅及答辩情况表  170

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 光检测技术
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