1、 11 绪论1.1 引言随着科技的进步，越来越多的新技术走进了我们的视野，它们替代了传统的工艺，提高了我们的生产效率，在我们大呼过瘾的同时，顺理成章地走入了我们的生活，渗透到我们所能接触到的方方面面，不知不觉中颠覆了我们传统的观念以及生活方式。让我们把从前不曾想像的事情转变成为一种习惯，而慢慢融入我们日常的生活中。我们通常会说，是需求引导技术的进步，因为有需求的存在，人们就会有动力去提高技术以满足需求，然而，在另一方面，又恰恰是技术的进步在引导需求，当人们发现飞翔成为可能以后，他们会希望可以飞得更高、更快、更稳。激光就是这样的一种新技术，它的出现也不过几十年时间，却已在人们的生产生活中起到了巨
2、大的作用，并在不知不觉中走入了千千万万的家庭。 激光是二十世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“ 最快的刀”、 “最准的尺”、 “最亮的光” 和“ 奇异的激光”。它的亮度为太阳光的 100 亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等 1。激光可使人们有效
3、地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光技术推动了诸多领域的迅猛发展, 应用范围越来越广,在加工领域中的应用成果尤为显著。由于激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性能, 加上激光的空间控制性和时间控制性很好, 易获得超短脉冲、尺度极小的光2斑, 能够产生极高的能量密度和功率密度, 足以融化世界上任何金属和非金属物质, 特别适用于材料自动化加工, 而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。通过外光路系统可以使光束改变方向,因而可以和数控机床、机器人连接起来, 构成各种加工系统 2。水墨书法是一门传统的中国艺术，中国水墨书法仿真雕
4、刻有着非常广泛的市场前景，但是，对传统艺术的仿真模拟是当今计算机艺术领域里最具有挑战性的课题之一。本文通过计算机模拟了水墨在宣纸中的扩散与流动，利用编程实现了虚拟毛笔实时书写的效果。此外，用计算机艺术模拟毛笔书法对吸取传统文化的营养，弘扬民族文化，促进中国 传统书画的普及具有积极意义。综上，本文将对激光雕刻和毛笔书法仿真两个方面进行深入探讨。1.2 激光雕刻技术的发展历史和研究现状1.2.1 激光雕刻技术的背景激光雕刻是利用高能量密度的激光束作用于目标,利用高能量，极短脉冲的激光，使物质瞬间被汽化，不伤及周围物质，并可精确的控制作用深度，使目标表面发生物理或化学的变化,它代替传统的凿子和刻刀,
5、对工件多余的部分去除雕刻,从而获得可见图案的雕刻方式。激光雕刻与传统的雕刻工艺相比有明显的优点: 雕刻窄,节省材料;只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序;工件无机械应力、变形小;非接触式加工、污染小、无磨损;能雕刻易碎的脆性材料, 和极软、极硬的材料;速度快,可向任何方向行进,可从任何一点开始 ,雕刻清晰永久,防伪功能强、经济效益好;易于数控或计算机自动化控制 ,并可多工位操作。近年来,随着激光器的可靠性和实用性的提高,加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进促进了激光雕刻技术的发展,使得激光雕刻技术得到广泛应用 。20 世纪 70 年代,激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥作用,在 90
6、年代,国外的公司开始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻铜版,在技术上一直认为是不可行的,但它可以直接雕刻锌。瑞士 MDC 公司通过制版工艺的改进,实现激光直接雕刻先在钢辊上电镀一3薄层镍,然后再在其表面镀铜,随后又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被蒸发,随之蒸发的还有其下面的铜,便生成了载墨的网穴。雕刻后,像其他雕刻滚筒一样,最终在滚筒上镀一层坚硬的铬。还开发了大约 500W 功率的 YAG 激光器,每秒能雕刻 7 万个网穴。直接激光雕刻系统主要由 3 部分组成:高能量的激光; 激光传输系统;光学系统,通过调节焦距,来调节单位面积上的能量。激光脉冲的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。简单
7、的直接激光雕版系统只能调整能量的大小,而激光聚焦点的直径根据所需的网点预先设置,在雕版过程中不能改变。网点直径由激光聚焦点的直径决定。 先进的 SHC (New Super Halfautotyp ical Cell)调整方法使每个激光脉冲的 2 个参数:能量和聚焦点的直径都可以调整。 “先进” 意味着每个网点的几何形状网点的直径和网点的深度可以相互独立,在确保直接激光雕版的精度下任意调整。Hell 解决了激光直接雕刻铜版的技术困难,在 Drupa2004 上展示了所研制的可直接在铜版或铬版上进行雕刻的激光雕刻机样机,给业界带来了巨大反响 3。随着激光技术的发展,激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻
8、的优点,而且具有许多自身的优点,比如无接触雕刻等,目前该方法制作版辊成本稍高,但其众多优点使其成为雕刻发展的一个方向。1.2.2 激光刻蚀技术的研究现状目前，随着激光雕刻设备在应用技术、工艺上的开发推广，激光平面打标、雕刻设备的制造销售已呈现良好的上升态势。国内从事激光设备开发、制造、销售的公司，以及代理国外激光设备的公司迅速增加。竞争也日趋激烈。 但是，国内市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚没有一家公司或科研单位能拿出一台激光三维雕刻系统。一些精细的三维模具雕刻仍然依靠电脑机雕，或者是手雕。但是机雕和手雕都有极大的弱点和局限，制约了一些精细工艺的发展。国内已有几家激光科研机构在对
9、激光三维精雕机进行研究。 在精雕领域，国内传统机械精雕设备做得最好的是北京精雕，其在解决精细雕刻模具方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，则有桂林星辰激光，其主要是利用功率4较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术只能雕刻平面文字与图案，离激光三维雕刻还有一段距离，所以目前其在该领域还不能大展身手。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）是激光设备家族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造
10、业的利器。激光三维精雕模具是指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您需要的二维或三维形状。同时它与目前水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的 CAD 软件技术实现的三维立体实体空间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制造领域。国外，已经有设备商开发出相应的激光三维雕刻系统与应用，并已将销售触角伸入国内。有几个商家代理该类设备，但尚无样机，其售价在 100 万元以上。如加拿大 VIRTEK 公司研制的 FOBA.G-SERIES，目前也主要应用在模具雕刻行业。
11、 5相信三维雕刻会是激光雕刻的一个很重要的发展方向。激光加工技术从最初的 Nd:YAG 激光器、 激光器，发展到大功率二极2CO管模块、半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、飞秒激光器等各种新兴技术。其中，尤其以光纤激光器最为关注。传统激光行业中的大部分主要厂商都在2007 年宣布进军光纤激光器市场，有的甚至推出了具体产品，这堪称是 2007年度行业内发生的一个重大事件 6。2. 激光雕刻的原理52.1 激光雕刻的理论基础2.1.1 扫描原理与点阵式打印机相似，激光雕刻所输出的图文信息也是由点阵组成的。激光束的每一点都称为像素，利用点阵理论，就可以形成一幅幅的图文信息。像素和电信号一一对应，当完
12、成一行扫描时，开始扫描第二行、第三行。这和电视机的扫描方式是一样的，直到扫描完成最后一页。因为一幅图像是由一系统的单个点形成的，因此，单位面积上点的数目越多，则组成一个字符的点阵越多，即像素越小，图像的分辨率就越高，而且雕刻出来的图像、文字越清晰、雕刻质量越好。 2.1.2 图像分析和处理对于一般的几何图形，只要进行坐标转换，数据转换即可，通过插补即可产生相应的图像。对于复杂的图像，如彩色等图形要进行中值滤波、二值化处理、直方图均衡化等处理，并将处理后的图像通过转换成数据格式后进行雕刻。(1)256 色位图转换成灰度图。运用点处理法中的度处理为实现数字图像的阈值变换提供前提条件。将256 色位
13、图转变为灰度图，首先必须计算每种颜色对应的灰度值。灰度与 RGB颜色的对应关系如下：Y=0.299R+0.587G+0.114B （1）这样,按照上式可以方便地将 256 色调色板转换成灰度调色板。(2)灰度图像二值化处理。现实世界中黑白二值图像很少用,大多数图像都是灰度图像或是彩色图像。要使这些图像适用于激光雕刻中,就需要对其进行二值化处理。利用点运算中的阈值变换理论将灰度图像变为二值图像,为图像分析提供有利条件。它的操作是先由用户指定一个阈值 T, 如果图像中某像素的灰度值小于该阈值,则将该像素的灰度值设置为 0,否则灰度值设置为 255。按下式对图像进行处理可得到二值图像 g(x,y):
14、6g(x,y)= （2）25,()0fxyT灰度图像的二值化处理有很多种方法,有全局阈值、局部阈值、动态阈值等方法。这些方法基本可分为三大类:第一类是将实际图像的灰度 (或特性) 直方图假定为由一组高斯分布构成,如最小误差法。第二类是基于一些准则,如类间方差法。第三类通过对直方图中峰值和谷值的分析直接确定阈值,如 Sezan 峰值搜索法,Tsai 的聚类法 ,应用小波变换零交叉点的方法等。这些方法是基于度量空间的空间域聚类的,实际上它利用了直方图作为图像中不同区域的统计特征。图像的灰度范围为(0 ,255) ,设灰度级 I 的象素数为 ,一幅图的总象素数为 N ,灰度级 I in出现的概率为
15、= /N,灰度直方图就是灰度的象素数与灰度的二维关系。通过ipin做直方图就可得到图像灰度的变化曲线。 51.全局阈值法效果比较好求全局阀值的方法是迭代法，迭代法是基于逼近的思想,其步骤如下:a.求出图像的最大灰度值和最小灰度值,分别记为 和 ,令初始阈值MAXZIN= ( + )/2 （3） 0TMAXZINb. 根据阈值 将图像分割为前景和背景,分别求出两者的平均灰度值 和k 0Z;BZc.求出新阈值= ( + )/2 （4）1kT0ZBd. 若 = ,则所得即为阈值;否则转 2 ,迭代计算。迭代所得的阈值分割kT1的图像效果良好。基于迭代的阈值能区分出图像的前景和背景的主要区域所在,但在
16、图像的细微处还没有很好的区分度.e.应用小波变换零交叉点的方法来选取阈值,该方法能有效地克服噪声的干扰,自动确定阈值。小波变换 f(x) 实际相应于信号 f(x) 在尺度 s 下平滑后的一sW次或二次微分。信号的某些特征点在一次或二次微分后都能有特殊的反映。对7于一个典型的具有两个波峰一个波谷的直方图模型来说,可看出其波谷点相应于一阶微分的斜率为正的零交叉点,同时相应于二阶微分的局部极大值点。直方图的波峰点相应于一阶微分的斜率为负的零交叉点,同时相应于二阶微分的局部极小值点。根据这个原理,假定一图像的直方图为 h(x) ,从 到 (J 为正整数) 尺02j度上对 h(x)进行离散二进小波变换,
17、得到小波系数 h(x) ,1 j J 和平滑分jW量 h(x) ,1 j J ,考察每一组离散小波系数 h(x) ,1 j J ,通过零交2jS2j叉和局部极值的特性找到直方图的每一个波峰点和波谷点。该方法可有效克服噪声的干扰,自动确定灰度图像二值化所需要的阈值。在原始图像二值化过程中引入了小波变换的方法,提高了系统抗干扰的能力。全局阈值法是对于整个图像选取一个合适的阈值，用这种方法对图像处理后使得经过处理的图像出现黑白分明的块状,无法分清细节,因此这种方法只适用于简单的激光雕刻中,要想使图像更接近于实际图像,应采用局部阈值和动态阈值法。我们下面主要介绍这两种方法。2.局部阈值法:当图像中有不
18、同的阴影或各处的对比度不同时,如果只用 1 个固定的全局阈值对整体图像进行分割,则不会兼顾各部分而使分割效果差,因而用可变阈值对一幅图像分块进行处理,其基本思想是首先将图像分解成一系列子图像,这些子图像可以互相重叠也可以相邻,如果子图像比较小,则有阴影或对比度的空间变化带来的问题就会减小,然后可对每一幅子图像进行一个固定阈值，通过对这些子图像所得阈值的插值就可得到对图像中每一个像素进行分割所需的阈值,分别就是将每个象素都和与之对应的阈值相比较实现。这种方法较全局阈值法有所改进,可以辨别图像的一些细节。但是它处理的图像还是无法实现真实感强的雕刻绘制6。3.动态阈值法要是用确定阈值的方法进行图像的
19、二值化分割,分割的效果在图像的细节处效果不好,因此应用动态阈值法进行分割。这种阈值法不仅与图像的像素灰度值有关,而且也与图像的像素坐标位置有关。因此,可以看出,这种方法能极好的反映细节,能在雕刻时真实反映原图像。抖动法就是一种适合这样雕刻的方法。构造一个 n * n 方阵的抖动矩阵( n 3) ,例如 4 * 4 的抖动矩阵由 1 ,2 816 这 16 个数组成,为了尽可能使抖动矩阵大小均匀,要求均匀抖动矩阵任一行的全部元素的和都等于均匀抖动矩阵的任一列全部元素之和。以 记均匀抖动a矩阵第 1 行第 j 列的元素,考虑图像中第 k 行第 1 列的一个元素 p ,令 i = k mod m ,
20、 j = 1 mod n ,若 p 的灰度值大于( * 255/ ) ,则将 p 点转化为白象素点,否则ija2n转化为黑象素点。我们在进行激光雕刻时选取这种阈值处理方法,这样在开发的雕刻机中既能适用于图形的雕刻,又能适用于复杂图像的雕刻 7 。 另外还有很多方法,包括最小距离法(Minimum of the dis2tance) ,该法引用于法国学者 Pinoli (1987 年 ) 。这里的距离是指灰度的函数 f(x) 与其阈值梯级函数 (x) 之间的距离。最大熵值法 (Maximum of entropy) ,根据熵值的定义及信息tE论的定义, Kapur 于 1981 年首先提出柱状图
21、的阈值左右灰度平均值的熵值之和的最大值提取图像中信息的理论 8。此外随着神经网络、模糊理论的深入研究,也有基于上述理论的阈值处理方法。(3) 彩色图像的二值化处理对于 RGB 彩色图像的雕刻,由于其颜色多,不易雕刻,因而需要将彩色图像转化才能进行雕刻。一种是将真彩色图像利用减色技术转化为 256 色的图像(如中位切分法,八叉树法等) ,然后再将 256 色图像转化为 256 灰度图像,针对灰度图像利用上边讨论的任何一种方法进行灰度图像到二值图像的阈值处理,从而达到雕刻的要求。这种方法太复杂,并且在每次转化中颜色都有所损失,必然使最终的雕刻图像不忠实于原来图像,影响雕刻质量。二是可以利用 RGB
22、 彩色图像转化为HLS 图像,其中 H(hue)指色度又称为基色,S(saturation )指饱和度,饱和度是基色的浓度,即颜色中基色和灰色各占的比例,L(luminance)指亮度,是颜色的明亮级别数。而灰度就是提供了一个度量亮度的标量。因此利用 HLS 直接进行二值化处理是更合理的。（5）0.29*.5870.14*LRGB（6）min(,)13S负标尺饱和度 255,采用 L 和负标尺饱和度的表示,此i,*()BR时二者均有方便的阈值法。对 L 的阈值可以根据直方图求取谷点,当谷点与顶点9相近时去掉此谷点,剩下的谷点就是阈值点。S 的阈值方法是:首先,找到最高非饱和点 和最低饱和点 。
23、然后,计算 + 2 3s 到 - 2 3s 的距离maxminSminSmaxSd ,最后使 d 最大的值为最佳阈值。从而基于 L 和 S 的阈值处理是:首先,找到 L 的阈值;其次,找到 S 的阈值;最后,判断 L 和 S 的值,如果二者均大于其对应阈值,则相应值对应的图像的点为白点,否则为黑点。这种方法只经过一次颜色系统的转化,它损失的颜色少,能忠实于原图像,因此使用阈值法进行雕刻,使雕刻质量好。(4)中值滤波。运用变换域法中的空域滤波法对图像进行降噪处理。中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口, 将窗口中各点灰度值的中值来替代指定点的灰度值。首先确定一个奇数象元的窗口 W,窗口内各象
24、元按灰度大小排队后,用其中间位置的灰度值代替原 f(x,y),灰度值成为增强图像 9。 （7）(,),(,1)(,gxymedianfxkyW其中 W 为选定窗口大小。 2.1.3 激光雕刻材料的物理过程 激光雕刻是把激光作为热源,对材料进行烧蚀、去除激光束照射到材料表面时,一小部分光从材料表面反射,大部分光透入材料被材料吸收,透入材料内部的光能量转化为热能,对材料起加热作用,在足够功率密度的激光束照射下,使被加工材料表面达到熔化和汽化温度,从而使材料汽化蒸发或熔融溅出,雕刻出所需要的图形。 10 10图 1 不同材料的波长吸收率函数关系曲线不同材料对于不同波长光波的吸收与反射有着很大的差别，
25、材料表面的光波吸收率 A 也可用下式估算 11:2(1)nkA（8）式中:n 和 k 是复折射率的实数和虚数部分 ( 非金属材料: k= 0) 。对于大多数金属,吸收率 A = 0.05 至 0.3。为提高材料对激光的吸收率,可采用表面粗糙或人为弄黑表面。 2.2 激光雕刻方法使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。您可以在利用多种图形处理软件，如 CorelDraw、Photoshop 等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种 CAD 文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、亚克粒、塑料板、金属板、
26、石材等几乎所有的材料之上。2.2.1 激光雕刻方式激光雕刻按雕刻方式不同可分为点阵雕刻和矢量切割:（1）点阵雕刻 点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动，11每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。（2）矢量切割 与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可在多种材料表面进行打标操作。（3）激光内雕 激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临界值，或称阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小
27、有关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样，通过适当聚焦，可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分则保持原样完好无损。文献 12 介绍了一种在人造水晶中内雕人像的图像获取方式，一般的 3D成像技术，是利用图形学方法获取 3D 图像的，需要投射高亮激光来测量对象，通过激光束的远近，进行物体的图像和模型处理，整个过程非常繁杂。要拍摄多次，才能获得对象的 3D 图像，代价昂贵，并且速度很慢，特别是不
28、适于捕捉活动对象的图像。整个过程有时长达几十分钟，拍摄期间物体是不能动的。这意味着这种摄影技术只能运用在风景和不动的物体上。后来人们发明了 3DFlash 摄影技术，该技术在拍摄人体方面有绝对的优势在 0.01 秒内就可以获取高分辨率，获得人脸精确的三维数据。3DFlash 三维闪光灯可以和普通二维数字照相机连接，把特制光栅编码投影到物体表面，并且由数字相机摄取此编码图像。通过特殊的解码软件，对编码图像进行分析，找出图像的 X、Y、Z 轴的 3D 信息，在这个步骤下，处理出的人像是网格组成的3D 网人像，下一步就是给人脸贴皮肤和上色。完成之后，一个 360 度的 3D 完整头像就这样在电脑里制
29、作出来了。电脑再将信息输入内雕机，就可以制作出完美的人像内雕工艺品了。2.2.2 激光雕刻的参数(1) 雕刻速度：雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用 IPS（英寸/秒）12表示，高速度带来高的生产效率。速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在 1%到 100%的范围内，调整幅度是1%(2)雕刻强度：雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在 1%到 100%的范围内，调整幅度
30、是 1%。强度越大，相当于速度也越大。切割的深度也越深(3)光斑大小：激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。(4)功率设置: 功率越高，雕刻越深。功率太高会有些细节无法表现出来，具体体现为图像暗部细节丢失，不影响运行时间。功率越低，雕刻越浅。功率太低，有些细节无法雕刻出来，具体指两部的细节确实，不影响运行时间。(5)PPI 设置: 设置越高，燃烧和融合效果越好，当速度不是太快的时候，不影响运行时间和雕刻深度。设置越低，燃烧和融合效果越差，设置太低会影响细节效果。但不影响运行时间和雕刻深度。特
31、别低的设定用来在材料上打孔。总结得出经验: 功率和雕刻深度成正比，速度和雕刻深度成反比。在同一激光功率下,随着雕刻速度的减小,雕刻效果变好,当速度达到一定值后,刻痕清晰度提高,但刻痕周围有发黑现象;在同样雕刻速度下 ,雕刻效果与功率成正比。在雕刻过程中, 并不是雕刻功率越大、雕刻速度越低 ,雕刻效果越好,雕刻功率大、雕刻速度低,刻痕很清晰,但雕刻效率跟不上。一般情况下,在保证雕刻效果的情况下,尽量提高雕刻速度、减小雕刻功率、采用一次雕刻成型。2.3 激光雕刻的材料适合于激光雕刻的材料很多,包括:各种印章材料、有机玻璃、橡塑、牛角、石材、塑料、亚克力、木材、竹材、金属板、玻璃、水晶、可丽耐、纸张
32、、双色板、皮革、树脂等。2.3.1 部分材料的激光雕刻特性13(1) 金属材料对 激光的能量吸收率很低 ,且由于金属的趋肤效应 ( 金属2CO吸收激光能量的过程仅发生在被照时金属材料表层厚度为 0.01-0.1m 的范围内) ,激光束在很薄的金属表层内被吸收, 引起材料表面温度升高,激光雕刻刻痕很浅,采用 激光器雕刻效果很差；2CO(2) 对非金属材料,其导热性很小,在激光光波较长时,材料对激光的吸收率较大,光能可以直接被材料吸收而使热振荡加剧,所以采用 激光器雕刻效果较好；2CO(3) 对于木材,激光雕刻有两种不同的过程:燃烧和瞬间汽化,两种过程需要不同的功率密度。瞬间汽化需要较高的功率密度
33、去完成,木材在聚焦激光束的照射下,蒸发去除形成切缝的速度很快,切面无碳化,是一种比较理想的机制;但在具体的激光照射过程中,受输出功率或光束模式的影响, 木材光照表面总有部分区域的光束功率密度低于汽化所需的功率密度值, 从而伴有局部燃烧过程发生,所以,实践中,雕刻木材可能会有发黑现象,要力争按汽化机制进行雕刻 13。（4）有机玻璃,这种材料的密度和熔点适中, 导热速度也不很快, 采用激光进行雕刻或切割, 效果特别好。雕刻时可以不加任何辅助措施, 当激光切割时, 如果外加一定量的压缩空气, 可以将汽化的有机玻璃吹走, 使激光束能更直接地照射到有机玻璃表面, 从而达到加快切割的目的。（5）塑料材料的
34、熔点较低、导热速度很慢、易燃、且燃烧时有烟雾, 对其进行激光雕刻时, 应加吹压缩空气,可带走一部分热量,加大对材料的冷却作用,还可以保护镜片,防止污染导光系统。2.3.2 实际雕刻时不同材料的雕刻设置我们选用的是功率为 50W 的 激光雕刻系统，对铝合金，黄铜，有机玻2CO璃，铝板，木材，玻璃，电木，纸板等材料做了雕刻研究，得到以下结论：（1）对于铝板的雕刻，功率 25%，速度 80%，PPI 设定为 500，可以得到比较清晰的雕刻效果, 不能对其进行深度雕刻，高功率和低速度设置可能使激光束被材料反射而损坏系统或造成安全隐患。（2）对玻璃一类材料的雕刻，功率 100%，速度 30%，PPI 设
35、定为 300，在 333DPI 下雕刻，得到理想的效果。雕刻玻璃不同于其它类型的雕刻， 激2CO14光不能雕刻深入玻璃，更不用说切割。取而代之的，激光与玻璃相互作用，使其表面呈现磨砂状。有些时候，在玻璃上方覆盖一层报纸并以水弄湿，将可改变刻面的效果。（3）对于塑料一类的材质，我们选择功率较低的 20%，速度 80%，PPI 500 的设置来雕刻，大量的除去材料可能会引起塑料的变形，因此你可能需要粘住它或者放在一个平的台上防止雕刻时引起扭曲。因为多数塑料材料具有低熔点的特性，故使用低 PPI 的设定，以减少切割时发生熔化的可能。覆膜并用水弄湿可减少熔化，并保持塑料材料清洁，避免受到残余的烟的影响
36、。（4）雕刻木材，选用功率 100%，速度 70%，PPI 500 的设置，一定要选择可以被激光雕刻系统加工木材来雕刻，有些木头成品不能处理激光所散发的热，而会起气泡而且可能会变成白色。对于雕刻较软的木材,减少功率的设定可以获得最好的深度。在软的木头上雕刻太深会降低品质，每一种木头会雕刻出不同的效果。2.3.3 在一些材料上激光雕刻的效果图 2 激光雕刻在铝板上的雕刻效果图 3 激光雕刻在铝合金阳极氧化上的雕刻效果15图 4 激光雕刻在镀层金属上的雕刻效果图 5 激光雕刻在木材上的雕刻效果图 6 激光雕刻在有机玻璃上的雕刻效果图 7 激光雕刻在纸板上的雕刻效果16图 8 激光雕刻在玻璃上的雕刻
37、效果图 9 激光雕刻在电木上的雕刻效果图 10 激光雕刻在铜板上的雕刻效果3. 激光雕刻系统3.1 激光雕刻系统在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。激光雕刻有三种方式: 激光雕2CO刻, Nd: YAG 激光雕刻,准分子激光雕刻。这三种激光雕刻技术都在某些方面体现了它们各自的特性和优点, 所以有不同的应用领域。173.1.1 激光雕刻机的发展情况2CO20 世纪 70 年代后期, Buekley 和 Jenkins 开始研制激光雕刻网纹辊。在此之前, 大部分采用气体二氧化碳作为激光介质, 用 CO2 激光器雕刻陶瓷网纹辊 16。二氧化碳激光雕刻的网纹辊在很大程度上满足了柔性版印刷业的发展需要,
38、 特别是包装印刷业发展的要求。可以说激光雕刻的陶瓷网纹辊在柔性版印刷机中的成功应用, 是这些年来柔性印刷发展如此迅速并能与胶印和凹印方式形成竞争局面的重要因素之一。二氧化碳激光雕刻机经过 3 个发展阶段:第一代二氧化碳激光雕刻机实际上是用激光作为光笔的放大尺, 用一脚踩开关控制光笔工作, 可以用来复制书法、曲线图像和人像。激光在工件上刻制出与原稿相似图像。这是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机, 成本低廉。第二代二氧化碳激光雕刻机是用来雕刻木刻形图形的, 用单片机控制光斑在 xy 平台上逐线扫描。在原稿亮处激光器关闭, 原稿暗处激光器打开, 从而加工出黑白的图形。激光器的焦点直径为 014mm
39、, 图形的黑区实质上是由宽014mm、深为 212mm 的一系列线条组成。一幅画面可分成 550 条线, 阅读头也可进行同步扫描。阅读头具有 014mm 光孔, 由一个半导体发光管与接收管组成, 接收发射管照明的图像反射光线, 经单片机取阈值后控制二氧化碳激光器的开关。第三代二氧化碳激光雕刻机, 控制系统用个人计算机代替了单片机, 因而也称之为微机控制的二氧化碳激光雕刻机 17。采用 CCD 照相机一次读入 512 512 的像点及其灰度等级。经抖动法处理将具有 256 等级的灰度转变为该区的黑点子密度, 从而大大压缩信息的容量, 克服图像的明暗灰度层次, 解决图像的放大与缩小问题, 完成对立
40、体图像与大幅图像的阅读以及对多幅图像的信息存储和处理。3.1.2 Nd: YAG 激光雕刻网纹辊经历的逐步完善和发展阶段人们不断地想方设法提高激光雕刻陶瓷网纹辊的质量, 使柔版印刷产品的质量能赶上甚至超过胶印和凹印。于是从提高制版精度, 严格要求陶瓷网纹辊的18精细度(线数) 和存墨量入手, 经过几年的探索和努力, 终于在 1996 年左右推出了 Nd: YAG 激光雕刻的陶瓷网纹辊 18。Nd: YAG 激光器是在钇铝石榴石基体中掺入氧化钕(Nd2O3 ) 而制成的。激活离子也是钕离子 , 输出波长为1106m。由于 Nd: YAG 具有荧光谱线窄, 量子效率高, 导热性好等优点, 使之成为
41、三种固体激光器中唯一能够实现连续运转的固体激光器, 也是激光热加工中常用的一种固体激光器 19。Nd: YAG 激光雕刻辊经历了逐步完善和发展阶段。以下列出它的主要发展过程 20，21 :第一阶段: 推出 Nd: YAG 激光雕刻陶瓷网纹辊,具有定位精度高、储墨容积高、网线数高和低重熔物等特点。陶瓷网纹辊雕刻网线范围8001600LPI。第二阶段: 其技术特点是每只网孔都是利用 YAG 激光多次击打形成, 从而实现雕刻大孔深孔的目的。这种雕刻原理在 CO2 激光雕刻加工中己成功地采用过。这一方法用到 Nd: YAG 激光雕刻, 其雕刻网线数范围可降至 450LPI。生产效率低是这一方法的明显弱
42、点。第三阶段: 其技术特点是改变输出激光脉冲的宽度对网纹辊进行激光雕刻。第一、二阶段的 YAG 激光脉冲采用的是短脉冲。激光刻出的网孔特点体现了短脉冲激光雕刻加工的特点。第三发展阶段中就补充了可提供长脉冲激光雕刻的手段。厂家可根据实际需要选用长脉冲或者短脉冲的 YAG 激光器。由于采用了长脉冲雕刻, 其雕刻网孔的特点类似于 雕刻2CO网孔, 出现了较多的重熔物。第三阶段的 YAG 激光雕刻技术采用了输出功率较大的激光器。第四阶段: 技术特点就是把 YAG 激光长、短脉冲的功能结合起来进行激光雕刻加工。经这几年的初步使用, 确实证明 YAG 激光雕刻网纹辊具有它的优点。3.1.3 激光器与 Nd
43、: YAG 激光器的比较2CONd: YAG 激光器的输出波长为 1106m, 比 激光器波长 1016m 短一个2CO数量级。金属材料对 激光的反射率大部分在 90%以上, 而非金属材料, 如塑2料、木材、布匹、橡胶等, 对 激光波长吸收率较高。故 YAG 激光器在金属2C材料加工中具有优势, 而对于非金属材料的加工, 激光器具有优势 22。从2CO19两种类型激光器的输出光束质量来看, 激光器, 尤其是纵流 激光器输2CO2CO出的模式主要为基模或低阶模,发散角为 0151mrad; 而 YAG 激光器主要输出高阶模, 发散角为 510mrad。 激光器输出功率大, 快轴流 激光器输出2
44、2功率达 20kW 以上 23。故在激光切割中主要采用纵流 激光器。但鉴于 YAG2C激光器输出波长短, 输出功率近几年在逐年增加( 5kW 的 YAG 激光器已实现商品化) , 加之 YAG 激光加工效率高和适于光纤传输, 这使得在激光热加工中, 尤其在厚大件的激光热加工(包括激光焊接、切割、表面热处理、激光表面合金化及激光熔覆等) 应用中, YAG 激光器的使用将逐年增加。3.1.4 准分子激光雕刻准分子激光器是一种高功率、高效率的紫外激光器。它之所以在陶瓷、高分子材料等微细加工领域具有重要的作用，其激光雕刻的机理为:直接对材料进行的光化学加工。准分子激光与被加工物质相互作用的机理称为消融
45、, 包括光致断键和生成物爆炸两个过程。当准分子激光光子能量大于聚合物的化学键能时, 化学键被打断, 材料表面微小局部的比容然增大, 当断键破坏率超过一定阈值时, 表层碎片剥落, 完成刻蚀 24。准分子激光器的出现和发展, 为广泛的工业应用和科学研究提供了强有力的工具。由于其波长为紫外和深紫外光谱波段, 脉冲能量和光子能量强, 重复频度高, 脉冲宽度窄等性能, 大多数金属和非金属材料对紫外光都具有强烈的吸收作用, 能够完成其它激光热加工所不能完成的一些工作, 拓宽了激光加工的应用范围, 所以近年来随着准分子激光器性能的稳定性、可靠性的提高, 在生物医学、材料科学、微细加工和光化学中得到广泛应用
46、25。3.1.5 三种主流激光器的比较 YAG 激光器在金属材料加工中具有优势, 而对于非金属材料的加工, 激2CO光器具有优势, 而准分子激光在微细加工、高精密方面具有优势。Nd: YAG 激光雕刻技术用于柔印机网纹辊的生产, 有力地推动雕刻产品性能的提高, 也带动了激光雕刻技术的进步 26。随着这方面技术的不断完善,预期今后将取得更多的成果。从目前世界激光雕刻技术的发展现状看, 激光雕刻、YAG 激光雕刻2CO和准分子激光雕刻都在某些方面体现了它们各自的优点, 也存在着某些不足。20三种加工方式协调工作, 扩大产品品种, 提高雕刻产品的性能, 不失为当前激光雕刻加工陶瓷网纹辊的最佳选择 2
47、7。因此激光雕刻设备供应商供应成套设备时既包括了 激光器,也包括了 YAG 激光器, 而高精度的雕刻应使用准分激光器。2CO准分子激光雕刻加工是高精密加工的主要研究方向 28。3.2 激光雕刻系统的工作原理2激光雕刻系统由 5 个基本部分组成，包含：控制面板、中央处理单元、2CO直流电源、激光器及运动系统。 （如图 11）图 11 系统构成直流电源是将将输入交流电转换成为 48 伏的直流电，直流电是被使用供给激光器和中央处理单无的电源。中央处理单元（CPU）充当整个激光系统的“ 大脑”，它控制所有每件事。位于在中央处理单元上的是标准的电脑 SIMMS 记忆体模组。这也是当电源正在开着时，从电脑
48、传来的文件储存的地方，中央处理单元从电脑及控制面板得到输入信号，它藉由输出正确时间的控制讯号来激发激光，并同时移动运动系统。控制面板是操作者控制激光系统的地方，它是由触压式的按钮和液晶显示板组成，透过这个面板，操作者可以控制运动系统的定位，并可在液晶显示板上随处切换菜单系统，也可以执行激光加工操作。.激光器由射频电路和充有 和其它气体的特别混合物的等离子管二者组2CO成。这个装置的功能是转换电子能量成为集中的光能。激光（Laser）是利用受激辐射来使光子倍增产生的光。激光加工系统的结构如下图示：21图 12 激光加工系统激光器从 48 伏的直流电源供应器获得电源，以及来自中央处理单元的激发讯号
49、。当激光系统的电源打开，并由中央处理单元收到激发讯号时，这射频电路将产生高频率的交流讯号越过位于电浆管内的电极，这将同时导致光子从混合气体中散发出来，产生不可见的、在 10.6 微米频率的红外线光束。出了激光器的激光，穿过它的输出镜，经过 1 号反射镜，穿过光束视窗，再经 2 号反射镜和 3 号反射镜，最后穿过聚焦镜。2 号反射镜、3 号反射镜和聚焦镜都是装设在运动系统上，激光光束由激光器射出来的宽度，我们称为“光束直径” ，大约是 4mm 宽，聚焦镜使光线聚焦成为非常小的焦点，那就是“焦点尺寸” （spot size）,“ 焦点尺寸是根据聚焦镜片的“聚焦长度”来决定， “聚焦长度” 是指由聚焦镜片中心点到光束聚合成最小点的距离。例如：使用标准的 2 英寸聚焦长度镜片，它的“焦点尺寸 ”大约为 0.005 英寸。所谓镜片的“聚焦范围”是指光束被确认在焦点上， （In Focus）的距离范围，它相当于聚焦点上下+/-5 的范围，较短的镜片会产生较小的“ 焦
