激光內(nèi)雕技術(shù)中的相關(guān)工藝研究

羅天嬌,梁 明

(長春電子科技學(xué)院 光電科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130000)

雕刻是門古老的藝術(shù)，然而激光內(nèi)雕卻給雕刻增添新的光彩。最開始激光和雕刻就跟兩條平行線一樣，根本沒有任何交集。然而進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，人們漸漸把這兩個(gè)絲毫不相關(guān)的領(lǐng)域結(jié)合到了一起，讓它們在一個(gè)區(qū)域內(nèi)并肩齊驅(qū)，于是就產(chǎn)生了激光內(nèi)雕技術(shù)。雕刻和激光內(nèi)雕相似卻又不是完全的相同：普通的雕刻工藝是從材料外面刻起，在材料外部雕出自己想要得到的形狀；而激光內(nèi)雕卻可以從材料“肚子里”去“指手畫腳”，它是在水晶、玻璃等材料內(nèi)“畫出”計(jì)算機(jī)給它發(fā)的平面或三維的圖案，讓這些圖案不再是屏幕里的圖[1]。

激光內(nèi)雕是現(xiàn)在雕刻行業(yè)中最流行的雕刻方法，但是在雕刻的過程中，往往很多因素會影響雕刻作品的質(zhì)量[2]。本文將對水晶內(nèi)雕中存在的工藝問題進(jìn)行分析，并就水晶雕刻中出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，對雕刻中出現(xiàn)的工藝問題進(jìn)行研究，以及基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的水晶內(nèi)雕機(jī)對水晶進(jìn)行實(shí)際操作，找到最佳解決方案，可以有效降低生產(chǎn)成本，為水晶工藝品生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 激光內(nèi)雕的原理

激光內(nèi)雕就是利用激光在水晶(k9玻璃)內(nèi)部進(jìn)行圖案雕刻。激光要實(shí)現(xiàn)對水晶的雕刻，其焦點(diǎn)能量密度須大于使水晶破壞的某一臨界值(或稱閾值)[2]。當(dāng)激光器產(chǎn)生激光時(shí)，焦點(diǎn)處的能量能夠使得水晶瞬間破裂，從而產(chǎn)生極小的白點(diǎn)。在加工過程中，通過控制激光束在水晶中的焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)在不損傷水晶表面的情況下，在水晶內(nèi)部特定位置進(jìn)行打點(diǎn)，在水晶內(nèi)部雕刻出預(yù)定的形狀，實(shí)現(xiàn)水晶的白色內(nèi)雕。

激光內(nèi)雕機(jī)首先通過專用點(diǎn)云轉(zhuǎn)換軟件，將二維或三維圖像轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云圖像，然后根據(jù)點(diǎn)的排列，通過激光控制軟件控制圖像在水晶中的位置和激光的輸出[3]。本文所用的激光為由半導(dǎo)體泵浦固體產(chǎn)生的激光經(jīng)倍頻處理輸出波長為532 nm的激光，激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，再射到振鏡掃描器的反射鏡上，振鏡掃描器在計(jì)算機(jī)控制下高速擺動，使激光束在平面X、Y兩維方向上進(jìn)行掃描形成平面圖像。三維圖像靠振鏡及工作臺的聯(lián)合動作實(shí)現(xiàn)。

激光內(nèi)雕機(jī)的工作原理示意圖如圖1所示。

在雕刻中出現(xiàn)的最棘手的問題就是水晶炸裂。導(dǎo)致水晶炸裂的因素主要有激光脈沖單點(diǎn)的能量(脈沖能量以及振鏡頻率)和單位面積內(nèi)點(diǎn)的密度過多，致使水晶內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，超過水晶承受極限而炸裂。而本文將針對雕刻過程中的單位面積中點(diǎn)的密度進(jìn)行研究，從而給出合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 激光內(nèi)雕機(jī)的工作原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室所用裝置如圖2所示，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為激光內(nèi)雕機(jī)，該內(nèi)雕機(jī)的控制系統(tǒng)為五軸聯(lián)動，即三維伺服電機(jī)傳動與二維光控振鏡結(jié)合。控制精度可以達(dá)到1 μm，但是受到雕刻材料和雕刻點(diǎn)數(shù)的限制，為防止水晶炸裂，要根據(jù)實(shí)際情況給出具體參數(shù)。本文即基于k9水晶在雕刻不同數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行研究。給出了相對優(yōu)質(zhì)的參數(shù)。

圖2 激光內(nèi)雕機(jī)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

水晶內(nèi)雕既可以雕刻二維數(shù)據(jù)，又可以雕刻三維數(shù)據(jù)，然而二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的來源不同，數(shù)據(jù)格式不同，所以在實(shí)驗(yàn)中要分開考慮。

3.1 二維數(shù)據(jù)獲取

目前，二維數(shù)據(jù)的獲取很容易，比如我們現(xiàn)在人人都有的手機(jī)都有照相功能，并且像素質(zhì)量都很高，像素點(diǎn)從幾百萬到幾千萬不等。二維圖片的格式一般為.jpg或者.bmp。二維數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 二維數(shù)據(jù)

3.2 三維數(shù)據(jù)獲取

(1)三維建模

三維數(shù)據(jù)的獲取相對二維數(shù)據(jù)來說提高了難度。其中的一種方法就是三維建模。目前市面上的三維建模軟件很多，技術(shù)也相對成熟，比如3Ds MAX、Zbrush、Maya等。通過三維建模，可以得到我們想要的任何圖像，不受現(xiàn)實(shí)空間的限制，圖4為3Ds MAX建模的三維圖像。此圖為我校的正門，通過建?？梢詫嫶蟮慕ㄖ幢壤s小，完美的雕刻在水晶中。

圖4 三維建模數(shù)據(jù)

激光內(nèi)雕機(jī)的打點(diǎn)軟件識別的文件類型為.obj，所以生成的.max文件要經(jīng)過渲染處理，生成激光內(nèi)雕機(jī)識別的文件格式。

(2)三維相機(jī)采集

三維數(shù)據(jù)另外一種獲取方式就是三維相機(jī)掃描[3]，可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)生活中小體積物體進(jìn)行掃描。圖5為三維掃描儀原理示意圖及實(shí)物圖，三維掃描儀上的兩個(gè)鏡頭分別為光柵投影儀和CCD攝像機(jī)。該系統(tǒng)主要有三大部分，分別為投影、成像、數(shù)據(jù)獲取與處理。待測三維物體的表面應(yīng)為漫反射體，首先光柵投影儀將光柵圖樣投影到漫反射體表面，由于三維物體各點(diǎn)的深度信息不同，會對光柵圖樣的振幅與相位進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生變形光柵，變形光柵中攜帶了三維物體的高度信息和深度信息等[4]。CCD攝像機(jī)對調(diào)制后的光柵圖樣進(jìn)行獲取，圖像采集卡將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過一定的算法將光柵攜帶的信息解調(diào)出來，得到三維物體的空間坐標(biāo)信息。由鏡頭尺寸限制，三維物體的尺寸與距離要滿足三維掃描儀的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中采用的三維相機(jī)距待測物的距離為100～130 mm。采集信息內(nèi)容為圖5(c)所示。

圖5 (a)三維掃描儀實(shí)物圖(b)原理示意圖(c)三維掃描數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)分析

在設(shè)置k9水晶雕刻尺寸時(shí)包括點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距、面與面之間的間距以及雕刻的層數(shù)。下面將分別對不同數(shù)據(jù)類型給出具體合理參數(shù)。

圖3中的照片像素為853*880，實(shí)驗(yàn)室采用的水晶尺寸為50 mm*80 mm*50 mm，為雕刻時(shí)圖像可以完好的雕刻，圖像邊緣距水晶邊緣應(yīng)留出相應(yīng)距離，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，邊界余量在4 mm即可滿足雕刻要求。由于二維數(shù)據(jù)點(diǎn)云密集，單位面積上的點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)上千個(gè)，完全超出了水晶的雕刻閾值，而根據(jù)對k9水晶的應(yīng)力研究[5-7]，單位面積上最多可容納100個(gè)點(diǎn)，故在雕刻的點(diǎn)間距設(shè)置時(shí)通常為0.1 mm。又因此數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)，為雕刻圖像清晰，通常在雕刻時(shí)雕刻3～4層，層與層之間的距離為0.35 mm。雕刻實(shí)物圖如下圖6所示。

圖4的數(shù)據(jù)為三維建模所獲得。計(jì)算機(jī)生成的數(shù)據(jù)具有靈活、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)復(fù)雜程度給出相應(yīng)雕刻參數(shù)。由于此數(shù)據(jù)為建筑模型，細(xì)節(jié)信息相對較少，所以點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距在0.085 mm，層數(shù)為5層左右比較合適，層與層之間的距離為0.35 mm，即使三維建筑看著比較立體，又不會影響雕刻質(zhì)量。雕刻實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 圖三雕刻圖

圖7 圖4雕刻實(shí)物圖

圖5為三維相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)為人的頭像，包括人的面部信息等。雖然此數(shù)據(jù)總數(shù)不多，但是為了顯示細(xì)節(jié)信息，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離在0.085 mm較為合適，層數(shù)為5～6層皆可，層與層之間的距離為0.35 mm。雕刻實(shí)物圖如下圖8所示。

圖8 圖5雕刻實(shí)物圖

4結(jié) 論

本文對激光內(nèi)雕中的工藝問題進(jìn)行分析，并針對其中影響工藝的水晶炸裂問題進(jìn)行研究，并對不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合工藝給出不同數(shù)據(jù)類型的最佳雕刻參數(shù)，得到較好的水晶內(nèi)雕工藝品，提高了生成效率。