论文激光雕刻技术的发展历史和研究方案现状Word文档下载推荐.docx

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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（NewSuperHalfautotypicalCell）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：

3Dlaserengravingsystem）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。

[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

2.1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）:

g（x,y）=

（2）

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出现的概率为

=

/N,灰度直方图就是灰度的象素数与灰度的二维关系。

通过做直方图就可得到图像灰度的变化曲线。

[5]

1.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

=（

+

）/2（3）

b.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

;

c.求出新阈值

+

）/2（4）

d.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）尺度上对h（x）进行离散二进小波变换,得到小波系数{

h（x）},1

j

J和平滑分量{

J,考察每一组离散小波系数{

J,通过零交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……16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=kmodm,j=1modn,若p的灰度值大于（

*255/

）,则将p点转化为白象素点,否则转化为黑象素点。

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（Minimumofthedis2tance）,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（Maximumofentropy）,根据熵值的定义及信息论的定义,Kapur于1981年首先提出柱状图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）

（6）

负标尺饱和度

>

255,采用L和负标尺饱和度的表示,此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

。

然后,计算

+23σs到

-23σs的距离d,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）

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]

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，材料表面的光波吸收率A也可用下式估算[11]:

（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、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，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）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、双色板、皮革、树脂等。

2.3.1部分材料的激光雕刻特性

（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0.01-0.1μm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；

（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；

（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