Введение к работе
І.І.Актуальность темы, цель и основные задачи диссертации
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. Изобразительная голография достигла высокого технического совершенства, образцы голограмм производят, как правило, неизгладимое впечатление на зрителей.
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 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 создание методов и систем сканирования лазерного луча, управляемых компьютером.
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.
PUC. НАЦИОНАЛЬНА»» БИБЛИОТЕКА С Петербург ПІ
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 создать микроточку за счет разрушения структуры материала -деструкции. Управляемое компьютером сканирующее устройство перемещает фокус лазерного излучения в трехмерном пространстве внутри стекла так, что точки, возникающие в стекле, образуют рисунок. Этот метод получения трехмерных (3D) изображений известен с середины 80-х годов и составляет суть трехмерной лазерной графики. В 1991-94 годах, когда сложились предпосылки для создания таких установок, было оформлено сразу несколько патентов, как у нас в стране, так и за рубежом, для того чтобы наладить серийный выпуск сувенирных изделий, изготовленных по этой технологии. 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/САМ 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 объемом 80x50x50 мм3.
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». «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. В 1995 году была поставлена задача разработать подобное изделие. Нами было предложено использовать для его изготовления технологию объемного лазерного дизайна. Другим важным направлением применения этой технологии является маркировка уникальных изделий из стекла, например, эталонов рефрактометрии, которые представляют собой стеклянные призмы большого размера.
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 распространение этой технологии в то время 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 улучшения 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.
1.2.Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является исследование процесса воздействия импульсного лазерного излучения на прозрачный диэлектрик и разработка методов создания объемных изображении, 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 следующих научно-технических задач:
-
Анализ структуры микровзрыва внутри оптического стекла и определение его оптимальных размеров при создании объемных изображений сложного дизайна для обеспечения наилучшего визуального наблюдения.
-
Разработка методов контроля качества изделий из стекла большого размера для обеспечения возможности формирования внутри него объемных изображений высокого качества.
-
Разработка алгоритмов синтеза объемных компьютерных изображений сложной структуры с использованием современных графических редакторов, которые позволили бы последующую визуализацию объемных форм при помощи локальной лазерной деструкции.
-
Разработка компьютерной автоматизированной лазерной установки для получения объемных изображений в блоках стекла большого размера методом локальной лазерной деструкции.
1.3. Научная новизна работы
1. Разработана модель взаимодействия внешнего излучения с единичным
лазерным пробоем, как оптической неоднородности, рассеивающей это
излучение. Модель основана на представлении неоднородности в виде
вытянутого эллипсоида вращения, поверхность которого рассеивает
падающее излучение по закону Ламберта. В рамках выбранной модели
определены размеры неоднородностей, при которых они были бы визуально
различимы наблюдателем.
-
Проведены экспериментальные исследования для определения зависимости между размером области пробоя и энергией лазерного импульса, генерируемого технологическим YAG-Nd лазером. Экспериментально установлено, что размер области пробоя практически линейно зависит от энергии импульса. По наибольшему диаметру области распыления произведена оценка пороговой плотности мощности, которая для стекла К-8 составила около 10 Гвт/см2.
-
Разработаны интерферометрические методы контроля качества поверхности и определения пространственной неоднородности показателя преломления заготовок стекла большого размера.
4. Разработан и исследован метод цифровой компенсации аберраций,
которые вызваны такими факторами, как не плоскостность опорного зеркала,
неоднородности внутри стекла и т. д.
5. Разработан интерактивный алгоритм редактирования растрового
изображения, полученного автоматически *в векторном графическом
редакторе. Алгоритм основан на сравнении локальных опорных сеток с
растровым изображением, что позволяет его редактировать и подготавливать
в виде, необходимым для создания объемных изображений методом лазерной
деструкции.
1.4. Практическая значимость результатов работы.
1. Разработана установка, которая позволяет создавать объемное
изображение высокого качества в заготовках стекла большого размера и веса
(до 15 кг) методом локальной лазерной деструкции.
-
Разработана и реализована схема автоматизированного интерферометра с полем зрения 25 мм и автоматической компенсацией собственных аберраций для контроля качества поверхности и определения пространственной неоднородности показателя преломления заготовок стекла большого размера.
-
Разработаны методы синтеза объемных изображений различного типа на базе стандартных графических редакторах 3D Studio, 3D Studio Мах, которые позволяют сформировать эти изображения при помощи технологии лазерного пробоя в стекле.
4. Разработанная в диссертации технология изготовления уникальных изделий методом локальной лазерной деструкции в заготовках стекла большого размера и созданная установка, реализующая данный метод, используются для изготовления с 1997 года «Приза премии правительства Российской Федерации в области качества». Этот Приз изготавливается в количестве 12 штук в год 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).
1.5. 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).
1.6. Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, 3 статьях, опубликованных в научных журналах и тематических сборниках, 1 патенте России.
1.7. Структура и объем диссертации
