羅天嬌,梁 明

(長春電子科技學院 光電科學學院，吉林 長春 130000)

雕刻是門古老的藝術，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。然而進入二十一世紀后，隨著光電技術的發(fā)展，計算機設計的廣泛應用，人們漸漸把這兩個絲毫不相關的領域結合到了一起，讓它們在一個區(qū)域內(nèi)并肩齊驅(qū)，于是就產(chǎn)生了激光內(nèi)雕技術。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”計算機給它發(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行分析，并就水晶雕刻中出現(xiàn)的問題進行探討，對雕刻中出現(xiàn)的工藝問題進行研究，以及基于實驗室現(xiàn)有的水晶內(nèi)雕機對水晶進行實際操作，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)提供堅實基礎，具有可觀的經(jīng)濟效益。

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

激光內(nèi)雕機首先通過專用點云轉(zhuǎn)換軟件，將二維或三維圖像轉(zhuǎn)換成點云圖像，然后根據(jù)點的排列，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)擴束鏡擴束后，再射到振鏡掃描器的反射鏡上，振鏡掃描器在計算機控制下高速擺動，使激光束在平面X、Y兩維方向上進行掃描形成平面圖像。三維圖像靠振鏡及工作臺的聯(lián)合動作實現(xiàn)。

激光內(nèi)雕機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。導致水晶炸裂的因素主要有激光脈沖單點的能量(脈沖能量以及振鏡頻率)和單位面積內(nèi)點的密度過多，致使水晶內(nèi)部的應力結構發(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的密度進行研究，從而給出合理的實驗數(shù)據(jù)。

圖1 激光內(nèi)雕機的工作原理示意圖

2 實驗裝置

實驗室所用裝置如圖2所示，主要實驗設備為激光內(nèi)雕機，該內(nèi)雕機的控制系統(tǒng)為五軸聯(lián)動，即三維伺服電機傳動與二維光控振鏡結合。控制精度可以達到1 μm，但是受到雕刻材料和雕刻點數(shù)的限制，為防止水晶炸裂，要根據(jù)實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)時進行研究。給出了相對優(yōu)質(zhì)的參數(shù)。

圖2 激光內(nèi)雕機實物圖

3 實驗內(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，所以在實驗中要分開考慮。

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)在人人都有的手機都有照相功能，并且像素質(zhì)量都很高，像素點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，通過建模可以將龐大的建筑按比例縮小，完美的雕刻在水晶中。

圖4 三維建模數(shù)據(jù)

激光內(nèi)雕機的打點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)雕機識別的文件格式。

(2)三維相機采集

三維數(shù)據(jù)另外一種獲取方式就是三維相機掃描[3]，可以實現(xiàn)對現(xiàn)實生活中小體積物體進行掃描。圖5為三維掃描儀原理示意圖及實物圖，三維掃描儀上的兩個鏡頭分別為光柵投影儀和CCD攝像機。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，由于三維物體各點的深度信息不同，會對光柵圖樣的振幅與相位進行調(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攝像機對調(diào)制后的光柵圖樣進行獲取，圖像采集卡將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行處理，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)。本實驗中采用的三維相機距待測物的距離為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

在設置k9水晶雕刻尺寸時包括點與點之間的間距、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，實驗室采用的水晶尺寸為50 mm*80 mm*50 mm，為雕刻時圖像可以完好的雕刻，圖像邊緣距水晶邊緣應留出相應距離，通過實驗驗證，邊界余量在4 mm即可滿足雕刻要求。由于二維數(shù)據(jù)點云密集，單位面積上的點數(shù)最多可達上千個，完全超出了水晶的雕刻閾值，而根據(jù)對k9水晶的應力研究[5-7]，單位面積上最多可容納100個點，故在雕刻的點間距設置時通常為0.1 mm。又因此數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)，為雕刻圖像清晰，通常在雕刻時雕刻3～4層，層與層之間的距離為0.35 mm。雕刻實物圖如下圖6所示。

圖4的數(shù)據(jù)為三維建模所獲得。計算機生成的數(shù)據(jù)具有靈活、可操作性強等優(yōu)點，因此可以根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)復雜程度給出相應雕刻參數(shù)。由于此數(shù)據(jù)為建筑模型，細節(jié)信息相對較少，所以點與點之間的間距在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。雕刻實物圖如圖7所示。

圖6 圖三雕刻圖

圖7 圖4雕刻實物圖

圖5為三維相機獲取的數(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，但是為了顯示細節(jié)信息，經(jīng)過實驗，點與點之間的距離在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。雕刻實物圖如下圖8所示。

圖8 圖5雕刻實物圖

4結 論

本文對激光內(nèi)雕中的工藝問題進行分析，并針對其中影響工藝的水晶炸裂問題進行研究，并對不同的數(shù)據(jù)類型進行實驗，結合工藝給出不同數(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。