一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法和系统，属于激光加工领域，空间光调制器中叠加有相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜，方法包括：提取三维码彩色图像中各色块的轮廓信息以生成相应的轮廓图像；分别将各轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算，以得到各轮廓图像对应的目标相位；将各目标相位依次输入至空间光调制器以将入射激光光束进行相位调制后输出贝塞尔光束，从而在目标材料上依次标刻出各轮廓图像。利用空间光调制器进行三维码激光标刻，在光路不变的情况下实现多焦点标刻，提高标刻速率，贝塞尔光束提高标刻均匀性和分辨率。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法及系统。

背景技术

二维码是一种由黑白两色方格组成的正方形编码。随着计算机和网络行业的发展和普及，由于二维码的开源特性，其存储容量不足，存储的数据结构单一，保密性不足，防伪和防复制能力较弱的缺陷限制了二维码在物联网时代的下一步发展。随机三维码在二维码的基础上添加随机的颜色信息，并在一种特殊的多层防伪材料上进行加工，具有立体的、唯一的和不可复制的特点，将二维码与防伪组合，克服了普通二维码容易被复制的缺点，能够广泛应用在需要严格防伪标识的产品上。

目前，在二维码和三维码激光打标领域，通常采用结合激光振镜的高速定位和打标系统，该系统通过矢量的扫描和移动振镜进行目标区域的快速打标，实际打标效果取决于激光振镜输出激光的光束质量，其调节输出的主要方式是调节振镜激光输出的占空比以改变激光功率，在大规模对一系列二维码进行打标时扫描较慢。同时振镜的控制多半只限于对振镜进行各个方向的小幅度摆动，在需要进行多焦点打标时需要多振镜或单振镜多次打标来实现。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法及系统，其目的在于利用空间光调制器进行三维码激光标刻，在光路不变的情况下实现多焦点标刻，提高标刻速率，空间光调制器调制输出贝塞尔光束提高标刻均匀性和分辨率，并且具有速度快、效率高、损耗小和成本低的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法，所述空间光调制器中叠加有相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜，方法包括：S1，将目标二维码或目标二维点阵随机转换为三维码彩色图像，并提取所述三维码彩色图像中各色块的轮廓信息，以生成所述各色块对应的轮廓图像；S2，分别将各所述轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算，以得到各所述轮廓图像对应的目标相位；S3，将各所述目标相位依次输入至所述空间光调制器，使得所述空间光调制器根据接收到的目标相位对入射激光光束进行相位调制后输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各所述轮廓图像。

更进一步地，所述S1包括：根据初始信息生成所述目标二维码或目标二维点阵；将所述目标二维码或目标二维点阵分割为多个最小标刻单元，并添加随机色块以生成所述三维码彩色图像；利用腐蚀算法对所述三维码彩色图像进行扩散以提取所述各色块的轮廓信息。

更进一步地，所述全息算法光场模型基于模拟退火算法和强度传输方程生成，生成的全息算法光场模型为：

其中，

更进一步地，所述全息算法光场模型中相位的迭代方程为：

其中，

更进一步地，所述S2中分别将各所述轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算包括：将各所述轮廓图像的幅值设置为目标幅值，并根据各所述目标幅值在预置配置文件中读取相应的预设相位；分别将各所述轮廓图像对应的预设相位作为所述全息算法光场模型的初始值，并以各所述轮廓图像对应的目标幅值作为所述全息算法光场模型的目标值进行迭代计算，以得到各所述目标相位。

更进一步地，所述S3中输出所述贝塞尔光束之前还包括：屏蔽所述贝塞尔光束中的零极光后输出所述贝塞尔光束。

更进一步地，所述S3中输出所述贝塞尔光束之前还包括：保留所述贝塞尔光束中的零极光并输出所述贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各所述轮廓图像。

更进一步地，所述S3中通过调节所述相移菲涅尔透镜和/或空间光栅，来调节所述贝塞尔光束的水平位置和轴向焦点。

更进一步地，在所述S1之前，所述方法还包括：通过物理冷却方式将所述空间光调制器的光损伤阈值增加至40W/cm

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于空间光调制器的三维码激光标刻系统，所述空间光调制器中叠加有相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜，系统包括：转换及提取模块，用于将目标二维码或目标二维点阵随机转换为三维码彩色图像，并提取所述三维码彩色图像中各色块的轮廓信息，以生成所述各色块对应的轮廓图像；计算模块，用于分别将各所述轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算，以得到各所述轮廓图像对应的目标相位；叠加模块，用于在所述空间光调制器中叠加相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜；调制及标刻模块，用于将各所述目标相位依次输入至所述空间光调制器，使得所述空间光调制器根据接收到的目标相位对入射激光光束进行相位调制后输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各所述轮廓图像。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

（1）在黑白二维码和点阵的基础上添加三维码信息，提高了二维码的防伪性、随机性和存储能力；获取相应的三维轮廓信息，将三维轮廓信息对应的三张全息相位图依次加载到空间光调制器进行三维码激光标刻，在光路不变的情况下实现多焦点标刻，提高标刻速率；

（2）在空间光调制器中叠加相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜，以将入射激光光束整形为贝塞尔光束，同等激光功率下提高了标刻均匀性和分辨率，并且可以在不改变激光光束的情况下实现不同位置和焦点处的标刻；

（3）迭代计算调制相位时增大迭代步长，并设计三维码光场能量均匀度作为迭代条件，对标刻分辨率和标刻速度同时进行优化；

（4）通过分离屏蔽贝塞尔光束中的零极光，进一步提高了标刻分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例提出的基于空间光调制器的三维码激光标刻方法的流程图；

图2为基于空间光调制器形成的三维码标刻装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提出的基于空间光调制器的三维码激光标刻方法的标刻流程示意图；

图4为本发明实施例提出的基于空间光调制器的三维码激光标刻系统的框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为激光器，2为半波片分束器组合，3为反射镜，4为扩束镜，5为空间光调制器，6为上位机，7为光阑，8为聚焦系统，9为聚焦面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提出的基于空间光调制器的三维码激光标刻方法的流程图。参阅图1，结合图2-图3，对本实施例中基于空间光调制器的三维码激光标刻方法进行详细说明，方法包括操作S1-操作S3。

操作S1，将目标二维码或目标二维点阵随机转换为三维码彩色图像，并提取三维码彩色图像中各色块的轮廓信息，以生成各色块对应的轮廓图像。

根据本发明实施例，操作S1包括子操作S11-子操作S13。

在子操作S11中，根据初始信息生成所述目标二维码或目标二维点阵。初始信息是指待编码的数据信息。

在子操作S12中，将目标二维码或目标二维点阵分割为多个最小标刻单元，并添加随机色块以生成三维码彩色图像。最小标刻单元是指组成二维码或二维点阵的最小黑白方格。本实施例中，以最小图形单元为单位随机生成颜色信息，并保证颜色复杂度适中，直接使用颜色种子生长得到随机性更高的三维码，得到的三维码彩色图像由三种不同颜色的色块组成。由于添加色块的随机性，保证了三维码彩色图像的随机性，使得三维码难以复制，提高了防伪的能力。操作S12中生成的三维码彩色图像如图3中最左侧图所示。

在子操作S13中，利用腐蚀算法对三维码彩色图像进行扩散以提取各色块的轮廓信息。进一步地，将同一颜色色块提取出来形成该色块对应的轮廓图像，由此，可以生成三张轮廓图像，分别对应三种不同颜色的色块。生成的轮廓图像如图3左侧第二栏图所示。

操作S2，分别将各轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算，以得到各轮廓图像对应的目标相位。

根据本发明实施例，全息算法光场模型基于模拟退火算法和强度传输方程（Transport of Intensity Equation，TIE）生成，生成的全息算法光场模型为：

其中，

其中，

根据本发明实施例，操作S2包括子操作S21和子操作S22。

在子操作S21中，将各轮廓图像的幅值设置为目标幅值，并根据各目标幅值在预置配置文件中读取相应的预设相位。

对于操作S1中生成三张轮廓图像，分别计算这三张轮廓图像的幅值，该幅值即为激光标刻的目标幅值。预置配置文件中存储有常规三维码标刻调制相关信息，例如包括预设相位，将该预设相位作为计算全息的初始相位。

在子操作S22中，分别将各轮廓图像对应的预设相位作为所述光场模型的初始值，并以各轮廓图像对应的目标幅值作为光场模型的目标值进行迭代计算，以得到各目标相位。

对于任一轮廓图像而言，将该轮廓图像对应的初始相位代入全息算法光场模型中进行迭代计算，得到相应的迭代相位以及与该迭代相位对应的光场幅值，直至某次迭代得到的光场幅值等于该轮廓图像对应的目标幅值，则停止迭代计算，并将此次迭代计算得到的迭代相位设置为目标相位，从而得到各轮廓图像对应的全息相位图，如图3左侧第三栏图所示。

本发明实施例中，空间光调制器中叠加有相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜。

空间光调制器是指在主动控制下，可以通过液晶分子调制光场的某个参量，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制目的的器件，例如调制光波的振幅、相位、偏振态等。空间光调制器的调制效果是可以自定义的。本实施例中，对空间光调制器进行控制以实现相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜的相位调制效果。

通过加载贝塞尔整形透镜的相位，可以将入射激光光束由高斯光束调制整形为贝塞尔光束，相比普通高斯光束，在进行点阵的印章式标刻时，边缘光强分布更均匀。通过加载空间光栅和相移菲涅尔透镜，可以调节三维码标刻的水平位置和轴向焦点位置而不需要移动平台。

操作S3，将各目标相位依次输入至空间光调制器，使得空间光调制器根据接收到的目标相位对入射激光光束进行相位调制后输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各轮廓图像。

本发明实施例中，三维码标刻所用到的标刻装置如图2所示。参阅图2，该标刻装置包括激光器1、半波片分束器组合2、反射镜3、扩束镜4、空间光调制器5、上位机6、光阑7、聚焦系统8和聚焦面9。该基于空间光调制器的三维码激光标刻方法例如在上位机6中执行，上位机6例如为计算机。

激光器1例如为光纤激光器，功率范围为10W-20W，波长例如为1064nm，脉冲宽度例如为20ns，可根据空间光调制器5的损伤阈值和工作波长对应更换激光器1。半波片分束器组合2用于控制激光器1输出的激光光束的能量，防止激光光束输出功率超过空间光调制器5的损伤阈值。扩束镜4用于保证激光光束直径略大于空间光调制器5的液晶面，使得空间光调制器5的有限像素得到充分利用以及提高整个调制面光强的均匀性。扩束镜4处激光光束的偏振方向应当和液晶面的液晶分子取向保持一致，以保证调制过程是纯相位调制。空间光调制器5连接上位机6，通过加载上位机6中输出的复合相位图来对激光光束进行相位调制并输出贝塞尔光束。当空间光调制器5输出的光束有多个衍射级次时，在进行高精度标刻时，将+1级的调制光通过光阑7，其他光被阻拦在光阑7之外。聚焦系统8用于将调制得到的贝塞尔光束聚焦到标刻平面上，标刻平面位于聚焦面9处。目标材料位于聚焦面9。

激光器1产生的激光光束依次经过半波片分束器组合2、反射镜3、扩束镜4后到达空间光调制器5，空间光调制器5在上位机6的控制下对激光光束进行相位调制以输出贝塞尔光束，贝塞尔光束依次经过光阑7和聚焦系统8后到达聚焦面9，对聚焦面9处的目标材料进行标刻。

进一步地，为了提高标刻精度和标刻图案均匀度，空间光调制器5在对激光光束进行相位调制之前，先加载贝塞尔整形透镜将激光光束调制为贝塞尔光束；然后加载任一轮廓图像对应的目标相位，并添加相移菲涅尔透镜和空间光栅，通过调节相移菲涅尔透镜和/或空间光栅来调节贝塞尔光束的水平位置和轴向焦点，达到对不同颜色区域不同焦距标刻的目的。激光光束经过空间光调制器5后，不同颜色信息对应的三维码部分在标刻面附近的不同焦距处标刻，最终形成表面凹凸有致的防伪三维码图样，如图3最右侧图所示。

本发明一实施例中，操作S3中控制空间光调制器5屏蔽贝塞尔光束中的零极光并输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各轮廓图像。从而有效提高标刻分辨率。

本发明另一实施例中，操作S3中控制空间光调制器5保留贝塞尔光束中的零极光并输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各轮廓图像。从而在保证标刻分辨率的情况下加强光利用率。

根据本发明实施例，在执行操作S1之前，需要通过物理冷却方式将空间光调制器的光损伤阈值增加至40W/cm

图4为本发明实施例提出的基于空间光调制器的三维码激光标刻系统的结构框图。参阅图4，该基于空间光调制器的三维码激光标刻系统400包括转换及提取模块410、计算模块420以及调制及标刻模块430。空间光调制器中叠加有相移菲涅尔透镜、空间光栅和贝塞尔整形透镜。

提取模块410例如执行操作S1，用于将目标二维码或目标二维点阵随机转换为三维码彩色图像，并提取三维码彩色图像中各色块的轮廓信息，以生成各色块对应的轮廓图像。

计算模块420例如执行操作S2，用于分别将各轮廓图像对应的预设相位作为全息算法光场模型的初始值进行迭代计算，以得到各轮廓图像对应的目标相位。

调制及标刻模块430例如执行操作S3，用于将各目标相位依次输入至空间光调制器，使得空间光调制器根据接收到的目标相位对入射激光光束进行相位调制后输出贝塞尔光束，以在目标材料上依次标刻出各轮廓图像。

基于空间光调制器的三维码激光标刻系统400用于执行上述图1-图3所示实施例中的基于空间光调制器的三维码激光标刻方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图3所示实施例中的基于空间光调制器的三维码激光标刻方法，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。