Синтез объемных изображений в стекле методом локальной лазерной деструкции

Введение 4
Гпава 1. Использование лазерных технологий и компьютерной графики для отображений визуальной информации. 13
1.1 .Методы получения объемных изображений и копий предметов. 13
1.2. Компьютерные методы получения трехмерных изображений. 20
1.3. Методы изготовления объемного изображения в стекле. 25
Глава 2. Исследование свойств визуального эффекта лазерного пробоя в стекле. 30
2.1. Взаимодействие импульсного лазерного излучения со стеклом. 30
2.2. Оценка оптимального для наблюдения невооруженным глазом размера неоднородностей, образующихся в стекле под действием лазерных импульсов при создании трехмерных изображений. 45
2.3. Методы контроля качества изделий из стекла для обеспечения возможности формирования в нем объемных изображений большого размера. 54
2.3.1. Основные характеристики стекла, влияющие на качество лазерного пробоя. 54
3.3.2. Коррекция аберраций в интерференционных системах с помощью компьютерной реконструкции фазы волнового фронта светового пучка. 56
2.3.3. Интерферометрические методы контроля качества. 62
Глава 3. Алгоритмы синтеза трехмерных изображений. 74
3.1. Методы ЗЭ Дизайна. 74
3.2. Этапы создания изображений для лазерного дизайна. 82
3.3. Синтез простых двумерных объектов различного вида. 89
3.3.1. Формирование изображения текстов. 90
3.3.2. Формирование изображения двумерных картин: фирменных знаков и эмблем. 92
3.3.3. Формирование изображения портретов и художественных картин. 94
2
3.4. Синтез сложных трехмерных объектов: архитектурные изображения и объекты произвольной формы. 98
3.4.1. Способы создания трехмерных изображений. 98
3.4.2. Синтез трехмерного архитектурного изображения. 108
3.4.3. Синтез трехмерного изображения произвольной формы. 114 Глава 4. Установка для получения объемных изображений в стекле. 120
4.1. Состав установки для получения объемных изображений в стекле. 120
4.2. Технологический импульсный YAG-Nd лазер ЛТИ-245 и оптическая подсистема. 127
4.3. Система трехкоординатного перемещения (СТМ146). 131
4.3.1. Устройство двухкоординатного стола. 133
4.3.2. Модуль интерфейсный. 133
4.3.3. Организация связи с ЭВМ. 134
4.4. Описание программы управления установкой для получения объемных изображений в стекле. 135
4.4.1. Состав и назначение программного обеспечения. 135
4.4.2. Подготовка и формирование исполнительных файлов в формате псевдокода *.PSD. 137
4.4.3. Управление перемещением трехкоординатного стола и импульсами лазера на основе данных *.PSD файла и установленных параметров перемещения. 143
Закзючение 152
Литература 158
*
3
Введение
Развитие лазерных технологий и их внедрение в различные области * науки и техники позволило лазерам войти в повседневный быт человека. В то
же время визуальные эффекты, которые сопровождают лазерное излучение, а также различные виды специфического воздействия его на некоторые материалы привлекло внимание дизайнеров и представителей прикладного искусства. В этой области применения лазеров также были получены интересные результаты. Это привело к тому, что использование лазерных технологий в изобразительном искусстве, шоу индустрии и т.п. нашло широчайшее применение.
Одним из наиболее известных применений лазерных технологий в изобразительном искусстве является голография. На заре развития голографии, как метода получения трехмерных изображений, изобразительная голография рассматривалась, как наиболее перспективная 1 область применения. Изобразительная голография достигла высокого
технического совершенства. Образцы голограмм производят, как правило, неизгладимое впечатление на зрителей. Но, тем не менее, она еще не стала массовой и, тем более, не является частью художественной культуры общества. В настоящее время изобразительные голограммы демонстрируются во многих музеях, продаются как сувенирная продукция и т.п.
Одновременно с голографией развивались методы получения двумерных изображений, получаемых методом лазерной гравировки на поверхности. Сущность процесса получения двумерных изображений на поверхности при помощи лазерной маркировки состоит в модификации
♦
поверхности материала под воздействием лазерного излучения. Изменение его оптических, химических или геометрических свойств из-за локального разогрева, плавления и частичного испарения обуславливает высокую степень разрешения лазерной маркировки при минимальном
4
термомеханическом воздействии на маркируемое изделие. Эти методы также нашли широкое применение в технологических процессах, для маркировки деталей, для кроя и вырезки различных изделий. Основой развития
* указанных методов являлось появление компьютерных технологий получения двумерных изображений и созданием методов и систем сканирования лазерного луча, управляемых компьютером. Лазерная гравировка - наиболее современный и технологичный метод, обладающий исключительно высокой гибкостью, поскольку лазерным лучом можно управлять во времени и в пространстве, а также точно дозировать и регулировать энергию излучения. Использование лазеров с различной длиной волны - 10,6 мкм, 1,06 мкм, 0,51 мкм и др. - определяет широкий круг маркируемых материалов. Таким образом, этот способ позволяет непосредственно получать изображения на металле, пластике, окрашенных материалах и т.д., с высокой точностью, скоростью и качеством.
• Следующим направлением в получении изображений при помощи
лазерных технологий является формирование объемных структур внутри материала, основанное на локальном разрушении его структуры -деструкции.
Разрушение твердых материалов, вызванное лучом лазера, исследовалось многими авторами. Несмотря на это, механизм, с помощью которого энергия электромагнитных колебаний превращается в механическое напряжение, не полностью понятен. Внутреннее разрушение описывалось много раз, впервые наблюдали разрушение такого характера в лазерных стержнях, когда последние работали в качестве генераторов и усилителей.
Сфокусированное лазерное излучение производит в объеме стекла локальное разрушение (пробой), наблюдаемое как маленькая точка-звездочка. Таким образом, в объеме оптического стекла можно сфокусированным лазерным лучом сформировать микроточку за счет разрушения материала. Управляемый компьютером сканирующее устройство
5
перемещает фокус лазерного излучения в трехмерном пространстве внутри стекла так, что точки, возникающие в стекле, образуют рисунок. Этот метод получения объемных трехмерных (3D) изображений известен с начала 90-х годов и составляет суть трехмерной лазерной графики. Создание установок для широкого производства изделий с помощью лазерного пробоя в стекле, потребовало использования достижений не только лазерной техники и оптоэлектроники, но современных методов компьютерной графики, CAD/CAM технологии управления областью воздействия лазерного излучения и т.д. Сейчас сувенирной продукции с элементами объемной лазерной графики достаточно много на рынке, но эти изделия небольшого размера. Как правило, они вписываются в куб 80x50x50 мм.
Технология создания объемного изображения методом локальной лазерной деструкции обладает наряду с уникальными изобразительными свойствами высокой защищенностью от подделки, т.к. требует для этого наличия такого же производственного оборудования. Поэтому возникла потребность использовать данную технологию для создания наградных элементов, в частности, «Приза премии Правительства Российской Федерации в области качества» и маркировки уникальных изделий из стекла.
Призы качества вручаются практически во всех развитых странах мира и в Евросоюзе. Исторически сложилось так, что они выполняются в виде стеклянной стелы с различной гравировкой. Когда в 1995 году перед нами была поставлена задача, разработать подобное изделие, то было предложено использовать технологию объемного лазерного дизайна. Попытки использовать готовые наработки в данной области окончились неудачей, т.к. существующие установки и технологии не позволяли создавать изделия большого размера с высоким качеством. Это было связано с тем, что, несмотря на широкое распространение этой технологии многие вопросы, связанные с формированием объемных изображений высокого качества в прозрачном материале большого размера оставались нерешенными. В первую очередь это вопросы, связанные с анализом визуального восприятия
объемных изображений, состоящих из локальных разрушений внутренней структуры стекла. Практически эта задача никем не рассматривалась ни в теоретическом, ни в экспериментальном аспекте. Другой круг вопросов связан с повышением качества объемных изображений за счет управления процессом деструкции и повышения за счет этого визуального эффекта, что особенно важно при создании уникальных изделий. Особую важность представляли вопросы, связанные с контролем качества заготовок, т.к. при изготовлении больших образцов неконтролируемая деструкция стекла при лазерном воздействии приводит к существенным материальным затратам. Все это сделало разработку технологии создания уникальных изделий, методом локальной лазерной деструкции внутри стекла, актуальной задачей, требующей проведения исследований процесса распространения лазерного излучения, разработки методов компьютерного синтеза объемных изображений и систем управления сканированием лазерным излучением.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование процесса воздействия импульсного лазерного излучения на прозрачный диэлектрик и разработка методов создания объемных изображений, которые сочетали бы в себе высокотехнологичный дизайн с защищенностью от несанкционированного копирования с использованием локальной лазерной деструкции в заготовках стекла большого размера.
Достижение поставленной цели требует решения ряда основных задач:
1. Анализ структуры микровзрыва внутри оптического стекла и определение его оптимальных размеров при создании ЗБ изображений сложного дизайна для обеспечения наилучшего визуального наблюдения.
2. Разработка методов контроля качества изделий из стекла большого размера для обеспечения возможности формирования внутри него объемных изображений высокого качества.
3. Разработка алгоритмов синтеза компьютерных ЗБ изображений сложной структуры с использованием современных графических
7
редакторов, которые позволили бы последующую визуализацию объемных форм при помощи локальной лазерной деструкции.
4. Разработка компьютерной автоматизированной лазерной установки для получения объемных ЗЭ изображений методом локальной лазерной деструкции в заготовках стекла большого размера.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Оптимальный для зрительного восприятия размер области лазерной
деструкции в оптическом стекле составляет 50мкм. При данном размере каждая область деструкции на расстоянии -35 см визуально различается в отдельности, а их линейная совокупность на расстоянии - 1 м
воспринимается наблюдателем в виде сплошной линии.
2. Размер области управляемой лазерной деструкции в оптическом стекле линейно зависит от энергии импульса лазерного излучения в диапазоне энергий от 2 мДж до 25 мДж.
3. Неконтролируемая деструкция оптического стекла под действием импульсного лазерного излучения в диапазоне энергий 10-15мДж начинается при величине неоднородности показателя преломления стекла Д п=20х10'6.
4. При векторном синтезе трехмерных изображений объектов
произвольной формы введение локальной опорной сетки с шагом,
определяемым параметрами установки, при которых не возникает
неконтролируемая деструкция стекла, и сравнение его с расстоянием между координатами вершин растрового представления объекта позволяет
определить области редактирования. Это дает возможность сократить время компьютерной подготовки данных для создания изображений методом лазерной деструкции и избежать необходимости изготовления пробных реализаций в стекле, по которым оценивается качество редактирования.
Цель работы и основные задачи, которые были решены при создании методов изготовления уникальных изделий методом локальной деструкции
стекла лазерным излучением, определили структуру диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из четырех глав, Введения и Заключения.
Первая глава является обзорной, в ней проводится анализ методов получения изображений при помощи лазерных технологий и их применение для изготовлений изделий прикладного искусства. Рассмотрены принципы графического компьютерного синтеза изображений, векторное и растровое представление трехмерных образов и методы их редактирования. В отдельном разделе рассмотрены общие принципы построения станков с числовым программным управлением, которые являются основой для производства изделий методом лазерной деструкции.
Вторая глава посвящена особенностям взаимодействия импульсного лазерного излучения с оптическим стеклом. В первом разделе приведены экспериментальные исследования области единичного пробоя и их совокупности. Определена зависимость величины размера области пробоя от энергии лазерного излучения, а также экспериментально установлены параметры, при которых наступает неконтролируемая деструкция стекла. Во втором разделе главы проводится теоретический анализ рассеяния внешнего излучения на единичном лазерном пробое при визуальном наблюдении. При этом возникает ряд вопросов, ответ на которые позволяет сформировать оптимальные с точки зрения наблюдателя изображения. Оптическим инструментом, которым анализируется создаваемая картина, является человеческий глаз. Соответственно и критерии подбора оптимальных размеров неоднородностей должны базироваться на условиях формирования изображения оптической системой глаза и особенностях его восприятия. Для наблюдения объемных изображений, образованных определенным количеством точек, которые сформированы методом лазерной деструкции в стекле, необходимо выполнение следующих условий. Для практики важно подобрать такую мощность лазерного излучения, чтобы с одной стороны
каждое локальное разрушение на расстояниях ~ 30 4- 40 см было хорошо видно невооруженным глазом, а с другой стороны, чтобы целостная картина создаваемого изображения не «разваливалась» на отдельные составляющие. Эта задача решается в данном разделе.
Большую роль играет тип материала, в котором формируется пробой. В нашем случае это тип стекла, его однородность, отсутствие свилей и внутренних напряжений. Поэтому контроль качества заготовок, используемых как носитель объемного изображения должен быть определенного качества. При наличии внутренних напряжений, обусловленных сильными неоднородностями показателя преломления внутри стекла, при лазерном воздействии возникает неконтролируемое разрушение внутренней структуры стекла, что приводит к необходимости предварительной отбраковки блоков стекла. Как показала практика, при изготовлении крупных блоков стекла, которые используются для изготовления Приза премии в области качества, число бракованных заготовок достигает 20-25%. В третьем разделе данной главы описаны разработанные нами методы контроля качества заготовок и критерии их отбраковки.
Третья глава диссертационной работы посвящена методам компьютерного синтеза изображений различного типа. В процессе разработки алгоритмов были решены вопросы сжатия измерительной информации для ввода ее в графический редактор, формирование, трансформирование и редактирование изображения, переход к дискретному виду и выбор шага дискретизации, который определяется методом лазерной деструкции в стекле, редактирование дискретного изображения с учетом шага дискретизации и т.д. В качестве базового редактора для компьютерной обработки сложной трехмерной (3D) формы был выбран векторный графический пакет 3D STUDIO МАХ (продукт фирмы KINETIX). На его основе были разработаны алгоритмы формирования объемных изображений различных типов наиболее часто встречающихся объектов (архитектурные
объекты и объекты произвольной формы). Для формирования плоских образов, портретов и текстов были использованы графические макеты программ PHOTOSHOP и PHOTOPAINT.
Четвертая глава диссертации посвящена структуре комплекса по созданию объемных изображений методом локальной лазерной деструкции в стекле. Ключевыми элементами комплекса по созданию объемных изображений методом лазерной деструкции в стекле являются: -оптико-электронная система, формирующая локальную деструкцию оптического стекла;
-компьютерные системы трехмерной графики;
-станки с числовым программным управлением.
В главе приводится описание конкретных систем входящих в его состав и основные технические характеристики узлов. Приводится также описание управляющие программы.
В Заключении приводятся выводы и основные результаты работы. Практическое применение результатов работы.
Разработанная в диссертации технология изготовления уникальных изделий с применением метода локальной лазерной деструкции в заготовках стекла большого размера и созданная установка, реализующая данный метод используется для изготовления «Приза премии правительства Российской Федерации в области качества», который выпускается с 1997 года ежегодно по заказам Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Этот Приз изготавливается в количестве 12штук, согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 12 апреля 1996 г. №423 “Об учреждении премии Правительства Российской Федерации в
области качества’ и ежегодно вручается Председателем Правительства Российской Федерации. Разработанные методы локальной лазерной деструкции используются также для маркировки «Рабочих эталонов 1-го
# разряда единицы показателя преломления твердых веществ»
(рефрактометрических призм).
Апробация работы
Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах в период 1991 - 2004 гг.: Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии (Звенигород, 1991);
Всероссийский научно-технический семинар "Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля" (Москва, 2000);
Всероссийский научно-технический семинар "Проблемы метрологического
* обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники"
(Москва, 2000);
Всероссийская научно-техническая конференция «Обеспечение единства
измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения» (Москва, 2001);
Всероссийская научно-техническая конференция "Фотометрия и её метрологическое обеспечение" (Москва, 2004).
12
Глава 1. Использование лазерных технологий и компьютерной графики для отображений визуальной информации.
1.1.Методы получения объемных изображений и копий предметов.
Развитие лазерных технологий и их внедрение в различные области науки и техники позволило лазерам войти в повседневный быт человека. В то же время визуальные эффекты, которые сопровождают лазерное излучение, а также различные виды специфического воздействия его на некоторые материалы привлекло внимание дизайнеров и представителей прикладного искусства. В этой области применения лазеров также были получены интересные результаты. Это привело к тому, что использование лазерных технологий в изобразительном искусстве, шоу индустрии и т.п. нашло широчайшее применение.
Одним из наиболее известных применений лазерных технологий в изобразительном искусстве является голография. На заре развития голографии, как метода получения трехмерных изображений, изобразительная голография рассматривалась, как наиболее перспективная область применения [1 -5]. Изобразительная голография достигла высокого технического совершенства, образцы голограмм производят, как правило, неизгладимое впечатление на зрителей. Но, тем не менее, она еще не стала массовой и, тем более, не является частью художественной культуры общества. В развитии изобразительной голографии наблюдается глубокая аналогия с историческим ходом совершенствования художественной фотографии. Известно, что первым массовым фотопроцессом была дагеротипия, позволявшая получать на поверхности металлической пластинки фотоизображения, наблюдаемые под ограниченным углом зрения и при специальных условиях освещения. Современные изобразительные голограммы, получаемые по схемам Ю.Н. Денисюка или С. Бентона, также требуют специальных источников освещения и фиксированного направления наблюдения.
13
В этом направлении были достигнуты наиболее впечатляющие достижения. В настоящее время изобразительные голограммы демонстрируются во многих музеях, продаются как сувенирная продукция и т.п. [5]. Технология получения изобразительных голограмм, восстанавливаемых в белом свете, разработана в середине 60-х годов, однако до настоящего времени голография по масштабам распространенности и объемам производства не приблизилась к традиционной фотографии (за исключением тисненных радужных голограмм) [6 - 8]. Это обусловлено целым рядом технических сложностей, присущих современной технологии съемки и тиражирования изобразительных голограмм. В частности, в настоящее время при записи мастер-голограмм в подавляющем большинстве случаев используются лазеры непрерывного излучения, что накладывает жесткие ограничения на условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильность температуры и других параметров окружающей среды). Указанные сложности многократно возрастают при увеличении формата голограмм. Поэтому отражательные голограммы, особенно большого формата, до сих пор остаются уникальными изделиями и изготавливаются лишь в условиях специализированных лабораторий при участии специалистов высшей квалификации. [9 - 11] Кроме того, при использовании лазеров непрерывного излучения оказывается принципиально невозможной голографическая съемка живых объектов, например, портретов человека. Для съемки мастер-голограмм живых объектов в настоящее время используются импульсные лазеры на рубине или неодимовом стекле с последующим интерференционным копированием. Однако монохроматичность таких голографических изображений при полной реалистичности деталей делает их "неживыми", "замороженными", что зачастую производит отталкивающее впечатление. При копировании таких голограмм с помощью лазеров непрерывного излучения возникают искажения масштаба, связанные с разницей длин волн лазеров, используемых при съемке оригиналов и их копировании. [12 - 18]