СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ВНУТРИ ПРОЗРАЧНОГО ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА ПОСРЕДСТВОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК B44C5/00 

Изобретение относится к лазерной технологии создания изображений внутри объема прозрачного твердого материала при изготовлении декоративных изделий.

Известны способы формирования изображений, заключающиеся в обработке оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его и формирования следа оптического пробоя в виде микротрещин в дискретных точках объема заготовки, образующих изображение, при их относительном перемещении по заданной программе (RU, патент 1838163, кл. В 44 С 5/00, 1992; RU, патент 2087322, кл. В 44 С 5/00, 1997; RU, патент 2111128, кл. В 44 С 5/00, 1998).

Наиболее близким к заявляемому является способ создания изображений внутри прозрачного материала с помощью лазерного луча (US, патент 5637244, НКИ 219/121.69, 1997), заключающийся в определении точек внутри прозрачного материала, в которых необходимо создать микроразрушения для формирования изображения, фокусировке лазерного луча в каждой из точек и выполнении микроразрушений. Микроразрушения выполняют в материале в заданных точках двух размеров: микроразрушения первого размера образуют одну часть изображения, а микроразрушения второго размера образуют вторую часть изображения, для получения изображения в полутонах, т. е. в двух градациях серого цвета. Обход точек, в которых следует произвести микроразрушения, осуществляют послойно, начиная с первого нижнего плоского сечения изображения.

Для реализации способа используется одномодовый, ТЕМоо, твердотельный лазер с модуляцией добротности и дифракционно-ограниченной расходимостью излучения. Эффект полутонового изображения достигается применением в составе рисунка микроразрушений двух размеров в поперечном сечении. Область микроразрушения приблизительно ограничивается эллипсоидом, вытянутым в направлении лазерного луча так, что длина превышает поперечное сечение в 1,5-2 раза. Это происходит потому, что область оптического пробоя прозрачного материала излучением одномодового твердотельного лазера ТЕМоо имеет вытянутость вдоль оси распространения лазерного луча. Это приводит к тону, что структура полученного изображения с разных точек зрения на изделие различна.

Применение алгоритма послойного воспроизведения контура изображения влечет за собой необходимость многократной перенастройки аппаратуры в ходе выполнения изображения для изменения размеров микроразрушений. Послойная структура созданного в прозрачном материале изображения и вытянутая форма составляющих его микроразрушений, присущие данному способу, не позволяют получать гладкого, однородного под любым углом зрения изображения хорошего качества.

Изменение размеров микроразрушений состоит в изменении действующей апертуры фокусирующего объектива с помощью варьирования фокального отрезка рассеивающего объектива. При таком изменении всегда будет происходить изменение длины фокального отрезка фокусирующего объектива, что повлечет необходимость дополнительной подстройки положения на оси распространения лазерного луча фокусирующего объектива, либо рассеивающего объектива. Кроме того, смещение фокусирующего объектива вдоль оси расширяющегося луча лазера приведет к изменению действующей апертуры, с помощью которой происходит регулировка размеров микроразрушений. Зависимость размера микроразрушений от действующей апертуры на практике не имеет явной строгой функциональной зависимости, потому что зависит от многих факторов, например, свойств прозрачного материала, глубины проникновения в него лазерного луча, зависимости сферической аберрации фокусирующего объектива от действующей апертуры и формы волнового фронта лазерного луча и т. п. Способ не позволяет получить объемное изображение гладкой формы и одинаковой структуры. Кроме того, при послойной структуре изображения неизбежны искажения некоторых его элементов или их пропуски, а время обхода точек при послойном переносе изображения неоптимально.

Одномодовый лазер ТЕМоо обладает меньшим, чем многомодовый, коэффициентом полезного действия.

Все вышеперечисленное не позволяет получить таким способом декоративных изделий из прозрачного материала с высоким качеством изображения и делает неэффективным применение данного способа в промышленном производстве.

Известно устройство для формирования изображения внутри оптически прозрачных твердых материалов, наиболее близкое к заявляемому (Свидетельство на полезную модель 12617, МКИ-7 G 02 B 27/00, 2000 г. ), предназначенное для одновременной обработки нескольких заготовок. Устройство содержит лазер, включающий активный элемент, активный и пассивный затворы и сменную диафрагму, установленные между зеркалами резонатора; установленную на пути лазерного луча телескопическую систему; светоделительные зеркала, которые установлены по параллельно-последовательной схеме для формирования нескольких оптических каналов по числу заготовок; пары поляризатор-анализатор, установленные в каждом канале для выравнивания плотности световых потоков в каналах; сменные диафрагмы в каждом канале, конфигурацией которых улучшалась форма микроразрушений; объективы, установленные в каждом оптическом канале; а также привод для перемещения заготовок в плоскости, перпендикулярной оси лазерного луча в канале, привод для перемещения объективов вдоль лазерного луча и компьютер, управляющий работой лазера и приводов.

Одним из недостатков устройства является необходимость подбора конфигурации сменных диафрагм для получения удовлетворительной формы микроразрушения, осуществляемого экспериментально для каждой марки материалов заготовок.

Задачей заявляемого изобретения, объединившего единым изобретательским замыслом способ формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала посредством импульсного лазерного луча и устройство для его реализации, является формирование объемного изображения в более чем двух градациях серого цвета, гладкой формы поверхности и одинаковой структуры с любой точки зрения на изделие и возможность одновременной обработки нескольких образцов лазерным лучом, обеспечивающим сферическую форму и малый размер микроразрушений в материале и высокое качество изображения.

Указанная задача решена благодаря тому, что в способе формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала посредством импульсного лазерного луча, включающем определение координат точек внутри материала заготовки, в которых должны быть выполнены микроразрушения для формирования заданного изображения, фокусировку лазерного луча на каждой из точек и выполнение микроразрушений в выбранных точках путем обработки заготовки импульсным лазерным лучом в режиме оптического пробоя, причем обход координат точек осуществляют переносом их координат из памяти компьютера, - при определении координат точек строят трехмерную каркасную модель поверхности изображения, затем определяют участки поверхности изображения с различной градацией серого цвета, заполняют каркасную модель точками с различной плотностью их расположения в соответствии с выбранными участками для формирования изображения более чем в двух градациях серого цвета, а микроразрушения выполняют одного размера и выраженной сферической формы с помощью луча многомодового лазера с наложением нескольких максимумов энергии в фокальном пятне, при этом перенос координат точек из памяти компьютера выполняют в последовательности, определяемой из условия кратчайшего пути обхода всех точек поверхности изображения с учетом возможной экранировки лазерного луча уже созданными микроразрушениями, для оптимального по времени обхода всех точек.

В устройстве для формирования заданного изображения внутри прозрачного материала посредством импульсного лазерного луча, содержащем твердотельный импульсный лазер, включающий активный элемент и модулятор добротности, установленные внутри резонатора, установленные на пути лазерного луча телескопическую систему и светоделительные зеркала, которые установлены по параллельно-последовательной схеме для формирования нескольких оптических каналов по числу заготовок, объективы, установленные в каждом оптическом канале, привод для перемещения заготовок в плоскости, перпендикулярной оси лазерного луча в канале, привод для перемещения объективов вдоль лазерного луча и компьютер, управляющий работой лазера и приводов, - лазер выполнен многомодовым с резонатором в виде скрещенных призматических отражателей, а телескопическая система выполнена в виде телескопа Галилея переменной кратности.

Выполнение микроразрушений одного размера в предварительно заданных точках поверхности изображения, отстоящих одна от другой на различных расстояниях в соответствии с выбранной различной плотностью точек на участках поверхности изображения, позволяет получить изображение не в двух градациях (в полутонах), как в прототипе, а в более чем двух градациях серого цвета. Обход выбранных точек на поверхности изображения осуществляют не по двум координатам последовательно в каждом слое (не послойно), как в прототипе, а по трем координатам. Отказ от послойного выполнения изображения, переход к структуре изображения без выделенного направления позволяют получить изображение с более плавной и гладкой поверхностью.

Способ предлагает производить копирование изображения путем обхода точек, в которых выполняются микроразрушения в пространстве, составляющие точечное трехмерное изображение, по трем координатам. Перенос их из памяти компьютера осуществляют в последовательности, определяемой заранее с помощью алгоритма из условия наикратчайшего пути обхода всех точек с учетом исключения возможного экранирования лазерного луча уже созданными микроразрушениями. Это позволяет сократить время обхода всех точек.

Выполнение резонатора лазера в виде призматических отражателей (призм Порро) со скрещенными ребрами позволяет получить многомодовый лазер с лучом специальной конфигурации, с несколькими максимумами концентрации энергии в луче. Наложение нескольких максимумов в фокальном пятне в сочетании с низким уровнем расходимости лазерного луча приводит к понижению порога оптического пробоя прозрачного материала и к возникновению в дополнение к оптическому пробою растрескивания прозрачного материала, что придает микроразрушению выраженную сферическую форму. Сферическая форма микроразрушения обеспечивает получение одинаковой структуры изображения при просмотре с любой точки зрения на изделие. Использование лазерного луча с несколькими максимумами концентрации энергии в луче в сочетании с использованием телескопа Галилея позволяет получить микроразрушения с выраженной сферической формой и столь малого размера, что с расстояния наилучшего зрения невооруженный глаз не различает структуру составленного из них изображения, а само изображение имеет гладкую форму.

Использование многомодового лазера на основе схемы со скрещенными призматическими отражателями для получения микроразрушений малого размера сферической формы и формирование с помощью микроразрушений такой формы гладкого объемного изображения в более чем двух градациях серого цвета не является очевидным в области технологии лазерной обработки.

Такая технология получения изображения внутри прозрачной заготовки позволяет существенно повысить качество изготавливаемых сувенирных изделий.

Заявляемые способ и устройство для формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала посредством импульсного лазерного луча поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема установки для обработки одновременно четырех образцов из прозрачного материала;
на фиг. 2 - форма микроразрушений по предлагаемому способу;
на фиг. 3, 4, 5, 6 - вид скопления точек фрагмента изображения с разных точек зрения на него;
на фиг. 7 - схема обхода точек;
на фиг. 8 - фокусировка лазерного луча внутри прозрачного материала.

Установка (фиг. 1) состоит из многомодового твердотельного лазера, образованного скрещенными призматическими отражателями резонатора 1, 2 (призмами Порро), модулятором добротности 3 и активным элементом с лампой накачки 4; телескопической системы в виде телескопа Галилея 5 переменной кратности (от четырех до десяти); поворотных зеркал 6, волновых пластин 7, светоделительных пластин 8, сменных объективов 9. Поворотные зеркала 6 и светоделительные пластины 8 установлены по параллельно-последовательной схеме для формирования нескольких оптических каналов по числу обрабатываемых заготовок 10. С помощью привода 11 координатного стола 12 заготовки 10 из прозрачного материала двигаются в плоскости, перпендикулярной оси лазерного луча 13. Сменные объективы 9 перемещаются вдоль оси лазерного луча 13 с помощью привода 14. Компьютер 15 предназначен для внесения в его память воспроизводимого изображения, последовательного переноса каждой точки фрагментов изображения в соответствующую точку образца с помощью лазерного луча и для управления приводами 11 и 14 перемещения заготовок 10 и фокусирующих сменных объективов 9.

Известно, что человеческий глаз различает два точечных объекта как отдельные, если угловое расстояние между ними составляет не менее одной угловой минуты. Следовательно, если расстояние между микроразрушениями составляет не более 0,075 мм, то с расстояния наилучшего зрения (250 мм) человеческий глаз не будет различать отдельных микроразрушений. Это свойство используется в полиграфии для создания эффекта полутонового изображения. Многомодовый лазер, выполненный с резонатором в виде призматических отражателей со скрещенными ребрами, вырабатывающий излучение, состоящее из нескольких максимумов энергии в луче, лучше всего подходит для создания сферических микроразрушений малого размера. Это связано с тем, что расходимость лазерного луча остается на низком уровне, около 1 миллирадиана, но наложение нескольких максимумов энергии в фокальном пятне приводит к понижению порога оптического пробоя прозрачного материала на 30-50% из-за возникающих флуктуаций интенсивности. Дополнительно к оптическому пробою возникает растрескивание прозрачного материала, что придает микроразрушению преимущественно выраженную сферическую форму (фиг. 2).

Способ для формирования заданного изображения внутри прозрачного материала в более чем двух градациях серого цвета осуществляется следующим образом.

Изображение вносится в память компьютера 15 в виде элементов поверхности изображения с областями разной плотности расположения точек. Расстояния между регулярно располагаемыми точками в области определяются двумя координатами на плоскости в случае плоского изображения и тремя координатами в трехмерном пространстве в случае объемного изображения.

Выбор плотности точек на участках поверхности изображения включает создание входной трехмерной каркасной модели поверхности объекта, например, в виде массива треугольников, последующее упорядочение их размеров путем разбивки на треугольники с площадью, не более заданной для участка с выбранной плотностью, и преобразование полученного массива треугольников в массив точек с необходимой плотностью их на единицу площади поверхности каркаса, например, путем построения сфер с радиусом, равным расстоянию между точками на участке с заданной плотностью, исключению из рассмотрения всех треугольников, попадающих внутрь сферы, с последовательным включением следующей точки в множество отобранных. В результате получается точечная модель поверхности изображаемого объекта в нескольких градациях серого цвета с регулярным заполнением участков различной плотности.

Перенос изображения внутрь прозрачного материала заготовки 10 и воспроизведение элементов изображения в нем состоит в последовательном представлении каждом точки поверхности каркасной модели изображения соответствующей точкой объемного пространства заготовки. Процесс переноса изображения выполняется путем последовательного обхода точек в пространстве для заполнения точечной модели по поверхности изображения переносом их координат из памяти компьютера 15. Причем в отличие от прототипа с послойным обходом точек, в заявляемом способе обход точек осуществляют независимо по трем координатам поверхности каркасной точечной модели.

При переносе изображения внутрь заготовки 10 лазерный луч 13 с каждым последующим импульсом фокусируется на предварительно заданных точках прозрачного материала. Фокусировка в каждой последующей точке происходит при взаимном перемещении прозрачной заготовки 10 и лазерного луча 13. Перемещение фокусирующего сменного объектива в последующую точку фокусировки происходит вдоль оси параллельного лазерного луча, что позволяет сохранить неизменными условия формирования микроразрушений в любой точке обрабатываемого материала. Расположение точек фокусировки выбирается так, чтобы они равномерно заполняли поверхность участка изображения. Координаты точки следующей фокусировки определяются заранее так, чтобы расстояние между микроразрушениями было не более 0,075 мм для областей изображения с большой оптической плотностью и больше указанной величины - для разреженных, "светлых" участков. В наиболее плотно заполненных областях создаваемой поверхности разница между отдельными координатами центров соседних микроразрушений может быть равна величине разрешающей способности манипулятора. В случае применения координатных столов, оснащенных шаговыми двигателями, это может быть 10 или 20 мкм, что вполне достаточно для гладкого заполнения сложной объемной поверхности изображения. Пример вида скопления точек фрагмента изображения с разных точек зрения на него показывает однородную его структуру (фиг. 3, 4, 5, 6) без выделенного направления слоев, как в прототипе.

Порядок следования создаваемых микроразрушений вычисляется заранее с применением алгоритмов нахождения наикратчайшего пути обхода всех точек каркасной модели поверхности изображения для обеспечения наименьшего времени обхода всех точек, образующих изображение. При этом выполняется условие отсутствия экранировки лазерного луча, схематически представленное на фиг. 7, где цифрами I, II, III, IV, V, VI, VII обозначены номера последовательности выполняемых микроразрушений, а угол α в вершине точки фокусировки лазерного луча определяется из фиг. 8, где D - диаметр лазерного луча, падающего на фокусирующий объектив 9 с фокальным отрезком F. Глубина проникновения Н лазерного луча внутрь прозрачного материала образца 10 зависит от показателя преломления материала n и фокального отрезка F сменного фокусирующего объектива 9. Для фокусирующего объектива 9 с фокальным отрезком F= 50 мм и образца 10 из стекла с показателем преломления n= 1,5 максимальная глубина проникновения Н_мах= n•F= 1,5•50= 75 мм. Для фокусирующего объектива 9 с фокальным отрезком F= 100 мм глубина проникновения Н_мах= 11,5•100= 150 мм. Этими величинами ограничивается размер "по вертикали" создаваемого в образце изображения; размер "по горизонтали" ограничен возможностями привода 11, перемещающего образец 10.

Интенсивность лазерного излучения в точке фокусировки определяется из формулы
I= P/S,
где Р - мощность лазерного луча;
S - площадь фокального пятна.

Величина диаметра фокального пятна обратно пропорциональна длине волны λ и расходимости 2γ лазерного излучения. Для укорочения длины волны λ можно применять нелинейные оптические элементы ("удвоители" и т. п. ). Для уменьшения расходимости лазерного луча эффективно использовать телескоп Галилея 5 (фиг. 1), расходимость лазерного луча после которого обратно пропорциональна кратности телескопа. Изменяя кратность последнего, можно менять коэффициент заполнения объектива лучом лазера, в том числе делая коэффициент больше единицы, что снижает эффективность лазера, но позволяет выполнять микроразрушения особо малого размера.

Привод исполнительного механизма 11 и привод 14, управляемые компьютером 15, переносят точку фокусировки луча 13 лазера в точку с требуемыми координатами внутри заготовки 10, и компьютер 15 посылает команду лазеру генерировать импульс. Далее процесс повторяется.

Более высокая, по сравнению с одномодовым, эффективность многомодового лазера позволяет создавать микроразрушения в четырех и более образцах прозрачного материала одновременно при тех же энергетических затратах. Для этого лазерный луч 13 делится на четыре и более частей с помощью светоделительных пластин 8 (фиг. 1). Точности пропорций светоделения добиваются применением волновых пластин 7.

Ниже приводится пример обработки некоторых прозрачных материалов с использованием предложенного метода.

В качестве заготовки использовался параллелепипед размером 50х50х80 мм из оптического стекла K8 с показателем преломления 1,52. В качестве источника излучения использовался импульсный твердотельный лазер с рабочим телом YAG: Nd³⁺, электрооптическим модулятором и резонатором, образованным призмами Порро со скрещенными ребрами. Лазер генерировал излучение длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 15 нс, энергией 100 мДж.

Оптическая схема состояла из телескопа Галилея кратностью 6; четырех зеркал с диэлектрическим (тонкопленочным) отражающим покрытием с коэффициента отражения 0,99; трех светоделительных пластин с диэлектрическим отражающим покрытием с коэффициентом отражения 0,49; трех пластин λ/4 (четвертьволновых пластин) из кристаллического кварца и четырех объективов с фокусным расстоянием 50 мм.

Лазерное излучение фокусировалось в пятно диаметром 50 мкм. Диаметр области микроразрушений составил 70, 72, 72 и 73 мкм соответственно в четырех одновременно обрабатываемых образцах.

Полученное изображение объекта в четырех заготовках имеет несколько градаций серого цвета, гладкую поверхность с однородной структурой заполнения участков с разной плотностью микроразрушений, не имеет искажений изображения или растрескиваний материала, структура изображения одинакова с различных точек зрения на изделие.

Предлагаемое изобретение позволяет получить в промышленном производстве сувенирные изделия с объемными изображениями внутри прозрачного материла, имеющими гладкую форму поверхности, неразличимую невооруженным глазом структуру, варьирование плотностью заполнения которой позволяет достичь визуального эффекта изображения в более чем двух градациях серого цвета.

Изобретение может найти промышленное применение в области художественной обработки стекла, а также для записи информации в прозрачных материалах.

Способ формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала посредством импульсного лазерного луча для повышения качества изображения заключается в том, что при определении координат точек строят трехмерную каркасную модель поверхности изображения, затем определяют участки поверхности изображения с различной градацией серого цвета, а устройство для формирования заданного изображения внутри прозрачного материала посредством импульсного лазерного луча для повышения качества изображения содержит лазер, выполненный многомодовым с резонатором в виде скрещенных призматических отражателей. 2 с. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала посредством импульсного лазерного луча, включающий определение координат точек внутри материала заготовки, в которых должны быть выполнены микроразрушения для формирования заданного изображения, фокусировку лазерного луча на каждой из точек и выполнение микроразрушений в выбранных точках путем обработки заготовки импульсным лазерным лучом в режиме оптического пробоя, причем обход точек осуществляют переносом их координат из памяти компьютера, отличающийся тем, что при определении координат точек строят трехмерную каркасную модель поверхности изображения, затем определяют участки поверхности изображения с различной градацией серого цвета, заполняют каркасную модель точками с различной плотностью их расположения в соответствии с выбранными участками для формирования изображения в более чем двух градациях серого цвета, а микроразрушения выполняют одного размера и выраженной сферической формы с помощью луча многомодового лазера с наложением нескольких максимумов энергии в фокальном пятне, при этом перенос координат точек из памяти компьютера выполняют в последовательности, определяемой из условия кратчайшего пути обхода всех точек поверхности изображения с учетом возможной экранировки лазерного луча уже созданными микроразрушениями, для оптимального по времени обхода всех точек. 2. Устройство для формирования заданного изображения внутри прозрачного материала посредством импульсного лазерного луча, содержащий твердотельный импульсный лазер, включающий активный элемент и модулятор добротности, установленные внутри резонатора, установленные на пути лазерного луча телескопическую систему и светоделительные зеркала, которое установлена по параллельно-последовательной схеме для формирования нескольких оптических каналов по числу заготовок, объективы, установленные в каждом оптическом канале, привод для перемещения заготовок в плоскости, перпендикулярной оси лазерного луча в канале, привод для перемещения объективов вдоль лазерного луча и компьютер, управляющий работой лазера и приводов, отличающееся тем, что лазер выполнен многомодовым с резонатором в виде скрещенных призматических отражателей, при этом телескопическая система выполнена в виде телескопа Галилея переменной кратностью.