СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ "ОПТЭКС" Российский патент 1998 года по МПК B44C5/00 

Изобретение относится к технологии и изготовлению декоративных изделий, сувениров и предметов украшения с изображениями внутри объема, а также к средствам записи информации в оптически прозрачных твердых материалах.

Известны способы формирования изображений, заключающиеся в обработке заготовки из оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его в дискретных точках объема заготовки, образующих изображения, при последовательном перемещении заготовки относительно луча лазера по заданной программе (SU, 321422 и SU, авторское свидетельство, 1838163, кл. B 44 C 5/00, 1993 - аналог и прототип).

Недостатком известных способов является большое энергопотребление при формировании изображений внутри объема, обусловленное тем, что обработку заготовки при указанных способах осуществляют выходящим из лазера импульсным излучением. Упомянутое энергопотребление, а следовательно, и мощность лазера существенно увеличиваются при обработке нескольких заготовок.

Известны устройства для формирования изображений, содержащие заднее зеркало, модулятор, активный элемент, переднее зеркало, светофильтры, диафрагмы, телескопическую систему, объектив, механизм для перемещения заготовки и управляющий компьютер, электрически связанный с модулятором и механизмом перемещения заготовки. В этих устройствах резонатор включает заднее зеркало, модулятор, активный элемент и переднее зеркало. Все остальные элементы оптической системы устройств, в том числе и заготовка, расположены вне резонатора. В связи с этим аналогам присущи те же недостатки, что и аналогам способа.

Задачей изобретения является снижение энергопотребления и повышение производительности.

Задача решается тем, что в способе формирования изображений, заключающемся в обработке заготовки из оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его в дискретных точках объема заготовки, образующих изображения, при последовательном перемещении заготовки относительно луча лазера по заданной программе, по меньшей мере одну заготовку при обработке устанавливают внутри резонатора. Кроме того, тем, что обработку заготовки для получения объемного изображения осуществляют послойно по его дискретным точкам, лежащим в горизонтальных плоскостях, путем перемещения заготовки по трем декартовым координатам, сначала по двум из них в i-м слое, а затем при переходе к последующему слою - по вертикали. Помимо этого, тем, что оптические пробои в дискретных точках заготовки контролируют с помощью фотоприемника, по сигналам которого формируют команды для перемещения заготовки к очередной дискретной точке. И тем, что обработку нескольких заготовок осуществляют одновременно.

Задача решается тем, что в устройстве для формирования изображений, содержащем заднее зеркало, модулятор, активный элемент, переднее зеркало, светофильтры, диафрагмы, телескопическую систему, объектив, механизм для перемещения заготовки и управляющий компьютер, электрически связанный с модулятором и механизмом перемещения заготовки, светофильтры, диафрагмы, телескопическая система и по меньшей мере один объектив размещены внутри резонатора, а его по меньшей мере одно переднее зеркало расположено за объективом и выполнено в виде "глухого" вогнутого сферического зеркала с радиусом кривизны, совмещенным с фокусом объектива, причем резонатор дополнительно снабжен как составным элементом по меньшей мере одной заготовкой из оптически прозрачного твердого материала, внутри объема которого расположен фокус объектива, по меньшей мере одним зеркалом для поворота луча лазера, расположенным перед объективом, и по меньшей мере одним фотоприемником, расположенным около заготовки на механизме ее перемещения, электрически связанным с управляющим компьютером. Кроме того, тем, что механизм для перемещения заготовки выполнен с возможностью одновременного перемещения всех заготовок по трем декартовым координатам, а телескопическая система выполнена с переменной кратностью. Помимо этого, тем, что зеркала для поворота луча лазера выполнены с различными коэффициентами отражения и в виде одной сборки для разведения лазерного луча по каналам, а передние зеркала выполнены также в виде одной сборки. Кроме того, и тем, что заднее зеркало, модулятор, активный элемент, светофильтры, диафрагмы и телескопическая система выполнены с возможностью перемещения вдоль луча лазера.

Способ реализован в устройстве, принципиальная схема которого показана на фиг. 1. При этом на фиг. 1 в качестве примера показано трехканальное устройство для формирования изображений.

Примеры объемных изображений в оптически прозрачных твердых материалах, полученные согласно предлагаемому способу и устройству, в виде компьютерных распечаток представлены на фиг. 2.

Устройство для формирования изображений состоит из резонатора, механизма 1 для перемещения заготовок и управляющего компьютера 2. Устройство содержит оптически связанные между собой передние зеркала 3, заднее зеркало 4, между которыми расположены модулятор 5, активный элемент 6, светофильтры 7, диафрагмы 8, телескопическую систему 9, зеркала 10 для поворота и разведения луча по каналам, объективы 11, заготовки 12 и фотоприемники 13. Передние зеркала 3 расположены за объективами 11. Каждое из них выполнено в виде "глухого", с полным отражением, вогнутого сферического зеркала и расположено с обеспечением возможности размещения центра радиуса кривизны в фокусе объектива 11. Эти зеркала выполнены в виде одной сборки. Телескопическая система 9 выполнена с переменной кратностью. Зеркала 10 расположены между телескопической системой 9 и объективами 11 и установлены с обеспечением возможности сквозного пропускания и изменения направления импульсного излучения и выполнены с различными коэффициентами отражения, величину которых выбирают из условия обеспечения одинаковой концентрации излучения в фокусах объективов. Зеркала 10 выполнены в виде одной сборки. Заготовки 12, выполненные из оптически прозрачного твердого материала являются составным элементом резонатора. В их объеме расположены фокусы объективов 11. Заготовки 12 установлены на механизме 1 перемещения заготовок, который выполнен с возможностью их одновременного перемещения по трем декартовым координатам (показаны стрелками) и с обеспечением возможности размещения фокуса объектива 11 внутри заготовки 12. Около заготовок 12 на механизме 1 установлены фотоприемники 13, которые контролируют оптические пробои в заготовках 12.

Управляющий компьютер 2 электрически связан с модулятором 5, механизмом 1 перемещения заготовок и фотоприемниками 13.

Заднее зеркало 4, модулятор 5, активный элемент 6, светофильтр 7, диафрагмы 8 и телескопическая система 9 выполнены с возможностью относительного перемещения вдоль оптической оси резонатора, что позволяет осуществлять юстировку устройства.

Все элементы устройства, кроме фотоприемников 13, смонтированы на основании 14. Устройство имеет несколько объективов 11 и передних зеркал 3 для обеспечения возможности одновременной обработки нескольких заготовок 12.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируемое изображение дискретизируют и вводят в компьютер 2. Заготовки 12 размещают в фокусе расположенного в резонаторе объектива 11, оптически сопряженного с центром радиуса кривизны одного из зеркал 3 на механизме 1. Импульсное лазерное излучение последовательно фокусируют в каждой дикретной точке объема заготовок 12. Изменение положения дискретной точки фокусировки осуществляют путем перемещения заготовок 12 с помощью механизма 1 по трем декартовым координатам. Одновременную обработку заготовок 12 осуществляют, например, послойно по дискретным точкам, лежащим в горизонтальных плоскостях. Для этого, сначала заготовки в i-м слое перемещают по двум указанным координатам, а затем при переходе к последующему слою перемещают по вертикали. Взаимодействие сфокусированного с помощью объективов 11 лазерного излучения с материалом заготовки в режиме оптического пробоя оставляет след в каждой дискретной точке в виде точечного разрушения материала, воспринимаемого визуально. Оптические пробои контролируются фотоприемниками 13. Точечные разрушения в материале после оптического пробоя приводят к срыву генерации лазерного излучения, в связи с чем по сигналам фотоприемников 13 в компьютере 2 формируют команды для перемещения заготовок и для создания условий генерации лазерного излучения.

Управление энергией импульсного лазерного излучения осуществляют путем изменения электрических параметров накачки активного элемента 6, светофильтрами 7 и диафрагмами 8. Размеры следа оптического пробоя в дискретных точках изображения регулируют концентрацией энергии в указанных точках и изменением кратности телескопической системы 9.

Согласно предлагаемому способу и устройству можно обрабатывать несколько заготовок одновременно, что существенно повышает производительность.

Использование способа и устройства для формирования изображений в оптических прозрачных твердых материалах связано с существенно меньшим энергопотреблением по сравнению с аналогами, так как предлагаемое устройство по своей сущности является резонатором, внутри которого при обработке устанавливают заготовку. Практика показывает, что использование предлагаемого способа и устройства по сравнению с аналогами позволяет уменьшить энергопотребление в 3-4 раза.

Согласно предлагаемому способу и устройству можно получать внутри оптически прозрачных твердых материалов практически любые объемные или плоские художественные и технические изображения высокого качества. Примеры таких объемных изображений, полученные согласно предлагаемому способу и устройству, показаны на фиг. 2.

Вместе с тем, как отмечалось, предлагаемый способ и устройство могут быть использованы также как средство записи и хранения любой информации в оптически прозрачных твердых материалах. Так, например, в заготовке из стекла в виде куба размером 10х10х10 см может быть записана информация объемом до 100 μ бт, которая может храниться вечно.

Способ формирования изображений заключается в том, что заготовку размещают в фокусе расположенного в резонаторе объектива, оптически сопряженного с центром радиуса кривизны одного из зеркал резонатора. Устройство для формирования изображений имеет размещенное между телескопической системой и объективом зеркало, установленное с обеспечением возможности сквозного пропускания и изменения направления импульсного лазерного излучения для повышения производительности. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования изображений, заключающийся в обработке заготовки из оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его в дискретных точках объема заготовки и ее последовательном перемещении по заданной программе, отличающийся тем, что заготовку размещают в фокусе расположенного в резонаторе объектива, оптически сопряженного с центром радиуса кривизны одного из зеркал резонатора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение заготовки осуществляется по трем декартовым координатам для изменения положения дискретных точек. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после получения оптического пробоя в обработанной дискретной точке осуществляют перемещение заготовки к последующей дискретной точке для создания условий генерации лазерного излучения. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что используют несколько объективов и зеркал для обеспечения возможности одновременной обработки нескольких заготовок. 5. Устройство для формирования изображений, содержащее оптически связанные между собой заднее зеркало, модулятор, активный элемент, переднее зеркало, светофильтры, диафрагмы, телескопическую систему, объектив, механизм для перемещения заготовки из оптически прозрачного твердого материала и управляющий компьютер, электрически соединенный с модулятором и механизмом для перемещения заготовки, отличающееся тем, что оно имеет размещенное между телескопической системой и объективом зеркало, установленное с обеспечением возможности сквозного пропускания и изменения направления импульсного лазерного излучения, и расположенный на механизме для перемещения с обеспечением возможности контроля оптического пробоя в заготовке фотоприемник, электрически связанный с управляющим компьютером, причем переднее зеркало выполнено в виде вогнутого сферического зеркала с полным отражением и расположено с обеспечением возможности размещения центра радиуса кривизны в фокусе объектива, при этом механизм для перемещения заготовки выполнен с обеспечением возможности размещения фокуса объектива внутри заготовки. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что телескопическая система выполнена с переменной кратностью. 7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что заднее зеркало, модулятор, активный элемент, светофильтры, диафрагмы и телескопическая система выполнены с возможностью относительного перемещения вдоль оптической оси резонатора. 8. Устройство по пп.5 - 7, отличающееся тем, что оно имеет несколько объективов и передних зеркал для обеспечения возможности одновременной обработки нескольких заготовок.