雙光子加工數據準備軟件的研究
2007-12-31 00:00:00方應星朱煜
計算機應用研究 2007年10期
摘要:雙光子加工技術需要通過數據準備軟件將CAD模型轉換為加工數據#65377;為此提出了三種進行雙光子加工的數據準備方法，即STL處理#65380;圖片處理和線條處理;基于MFC的單文檔/視圖結構框架開發了軟件#65377;應用實例表明，該軟件界面友好#65380;運行可靠#65377;
關鍵詞:雙光子微細加工; 雙光子微細光固化成型; 數據準備; 立體光刻文件; 二值圖像
中圖分類號:TP391.73文獻標志碼:A
文章編號:1001-3695(2007)10-0243-03
0引言
雙光子加工技術(又稱twophoton microstereolithography)是近年來發展起來的基于雙光子吸收光聚合機理的一種新的遠場顯微三維微細加工技術#65377;在加工過程中，計算機輔助設計的三維模型沿Z向被分為一系列的XY橫截面，然后通過光束或工作臺的掃描運動加工出三維模型;還可以通過使用一系列靜止的或動態的光刻掩模來將模型投射入樹脂中進行加工[1]#65377;
常規的使用紫外光的單光子微立體光刻技術可獲得1~2 μm的橫向分辨率和1~10 μm的單層厚度#65377;采用雙光子加工技術則可以在數分鐘內以亞微米的分辨率加工出形狀復雜的三維微結構#65377;這是因為該技術依賴于兩個光子的同時吸收，此現象可以把光聚合反應局限在焦點的中心區域#65377;目前，使用飛秒脈沖激光通過一個高數值孔徑的物鏡聚焦的雙光子加工技術，可以獲得橫向最小尺寸僅為120 nm的結構元件[2]#65377;包括彈簧#65380;齒輪等微機械零件的多種器件已經由這項技術加工出來[3，4]，如圖1所示;還有的實驗將這類器件裝配成更復雜的裝置并通過光陷捕獲實現了運動[2，5]#65377;該技術的另一個重要應用是制造光學微結構[6~8]#65377;例如作為多種光學微裝置基礎的三維光子晶體，需要亞微米量級的結構元件來抑制光在近紅外或可見波長區域的傳播#65377;近來，雙光子加工技術還被應用于實現無機—有機混合材料的聚合[9]#65377;某些研究使用以SiOSi鏈作為骨架并附以有機官能團的材料實現了雙光子激發的交聯反應[10]#65377;
通過軟件技術將CAD模型轉換為加工數據以完成數據準備，是雙光子加工技術的必要環節#65377;然而作為一項新的加工技術，關于此類軟件的開發，目前在文獻中還難以見到#65377;本文研究了雙光子加工的特點和現有的軟件技術手段，提出了進行雙光子加工的數據準備方法，并開發了雙光子加工數據準備軟件TPMPreparer 1.0#65377;
1雙光子加工及其數據準備
雙光子加工技術基于雙光子吸收光聚合機理，其基本思想是以緊聚焦的飛秒激光照射光聚合樹脂;在激光焦點處引發雙光子吸收光聚合反應，按照一定的路徑在三維空間掃描激光焦點，逐步得到固化的點#65380;線和三維結構;最后溶解掉未固化的樹脂，就可以得到固化成型的三維器件#65377;
雙光子加工相比常規的單光子微立體光刻技術，主要具有以下優點:
a)分辨率高，其分辨率可以超過光學衍射極限#65377;
b)在深度上加工范圍大#65377;
c)加工時間短#65377;
d)柔性高，加工模型由計算機輔助設計，不會受到太嚴格的限制#65377;
本研究組的雙光子加工實驗系統如圖2所示#65377;使用鎖模鈦藍寶石激光器為激發光源，飛秒脈沖激光由光路系統進行濾光#65380;衰減#65380;擴束后，再經由一個大數值孔徑的物鏡進行聚焦#65377;放在光路中的光閘控制光路的通斷#65377;反應材料為一種由聚氨酯丙烯酸酯單體/低聚物和光引發劑的混合物構成的光刻膠，放在可XYZ三維運動的壓電微動工作臺上#65377;CCD攝像機對焦點附近區域進行實時監測#65377;
雙光子加工需通過數據準備將待加工模型沿Z向離散為一個個截面;再在每個XY截面上將圖形按照一定的路徑規劃離散為一個個的點，生成數據文件#65377;微動工作臺根據數據文件定義的運動軌跡逐層運動完成加工#65377;根據加工模型的特點，本文將雙光子加工的數據準備分為三種類型:
a)STL處理#65377;對于一般的三維模型，本文采用由主流CAD軟件(如SolidWorks#65380;Pro/E#65380;AutoCAD#65380;UG等)建模#65380;輸出模型的STL文件再進行處理的方法#65377;選取STL格式作為CAD軟件與數據準備軟件之間的中介格式;通過對STL文件進行分層#65380;路徑規劃等處理，得到加工數據文件#65377;這是在本課題的研究中應用較多的一種方法，其處理過程也較為復雜#65377;
b)圖片處理#65377;對于各層面圖形相同而單層圖形可由一幅二值圖像進行表達的模型，本文采用對BMP單色位圖進行處理得到單層圖形，再在Z向上進行疊加的方法#65377;這種方法的處理環節較少，減少了精度損失#65377;
c)線條處理#65377;
在雙光子加工的研究過程中，常需要加工出單條或多條X向或Y向線段，用于分辨率或加工工藝的分析#65377;本文采用直接輸入相關參數生成圖形的方法#65377;此外，木料堆式光子晶體由于在Z向上只有兩種交錯排列的單層圖形，而且單層圖形均由一系列X向或Y向的線段組成，所以也可以此方法完成數據準備#65377;
此外在研究中，有時需要采用實體掃描和輪廓掃描兩種方式來加工某些模型#65377;實體掃描方式中，模型的實體所包含的所有固化點都將被固化;而在輪廓掃描方式中，激光焦點僅掃描模型的輪廓，加工出的模型是一個空殼，為了防止變形，還需要在汞燈下進一步固化其內部的樹脂[11]#65377;因此，在STL處理方法中對這兩種方式均進行了實現#65377;
軟件的總體結構如圖3所示#65377;
2軟件的開發
本文以Visual C++.NET為開發工具，基于MFC(Microsoft foundation class library，微軟基礎類庫)的單文檔/視圖結構框架進行軟件的開發#65377;用戶通過菜單和彈出對話框進行操作#65377;圖形是通過VC++與MATLAB的混合編程調用MATLAB的有關函數進行顯示的#65377;
2.1STL處理模塊
該模塊以STL格式文件為主要輸入數據#65377;STL格式由美國3D Systems公司于1987年建立，目前已成為快速成形制造業界的事實標準#65377;目前的典型CAD軟件都能夠將自己的三維模型輸出為STL文件，因此STL格式具有通用性強的特點#65377;
STL格式是三維模型表面的三角面片化，它包含一個由眾多三角形面片組成的序列#65377;每個三角形面片由三個頂點和一個指向模型外部的法向量組成#65377;正確的STL文件中，每個三角形面片有且僅有三個相鄰的三角形面片，整個文件中的邊數應等于面片數的1.5倍#65377;在某些情況下，CAD軟件輸出的STL格式會出現錯誤，即不符合此原則的情況，導致后續處理的失敗#65377;因此需要在數據準備前進行STL文件的正確性檢驗#65377;
該模塊的處理流程如下:
a)讀取STL文件數據;
b)建立拓撲關系;
c)檢驗STL文件的正確性;
d)分層，得到輪廓數據;
e)整理輪廓數據;
f)路徑規劃，分實體掃描和輪廓掃描兩種方式;
g)輸出數據文件#65377;
2.2圖片處理模塊
有的待加工模型雖然有多層，但是各層的圖形都是相同的#65377;如果單層圖形比較復雜，導致采用CAD軟件進行三維建模的過程也比較復雜，則采用STL處理的方法就不是很理想了#65377;本文提出了圖片處理方法來解決此類問題，其基本思想是先由對二值圖像的處理得到單層的路徑規劃數據，再在Z向進行疊加，從而得到加工數據文件#65377;二值圖像(如BMP單色位圖)可由一般格式的圖片(如JPG#65380;BMP#65380;GIF等格式)經過常見的圖像處理軟件(如Windows系統附帶的畫圖軟件)得到#65377;該模塊的處理流程如下#65377;
a)讀取圖片文件數據;
b)讀取所有黑色像素點的像素坐標;
c)將黑色像素點的像素坐標轉換為空間坐標;
d)將單層數據在Z向進行疊加;
e)輸出數據文件#65377;
2.3線條處理模塊
此模塊用于產生由X#65380;Y向線條構成的圖形，既可以對一個單層圖形進行Z向疊加，也可以對兩個單層圖形進行Z向疊加，形成木料堆式的光子晶體結構#65377;該模塊處理流程如下:
a)選擇平面圖形的數量(1或2);
b)為一種或兩種平面圖形選擇參數(X或Y向線條數目#65380;線條間隔#65380;每條線條的長度#65380;點間距等);
c)生成數據文件#65377;
2.4MATLAB與VC的混合編程
為了能夠直觀地觀察軟件生成的數據結果，需要以圖形的方式將其顯示出來#65377;如果以Windows API做圖或者以OpenGL做圖的方式開發此功能，則開發難度和工作量都將比較大#65377;筆者注意到MATLAB具有強大的繪圖能力，利用MATLAB提供的繪圖函數可以繪制二維圖形#65380;三維線性圖和表面圖，以及進行三維體可視化[12]#65377;因此采取了VC與MATLAB混合編程的方式，將VC產生的數據送入MATLAB引擎空間，然后調用MATLAB的繪圖函數做圖#65377;應用結果表明，得到的圖形表達準確#65380;形象#65380;直觀，觀察和保存都很方便#65377;而要達到同樣的效果，以Windows API做圖或以OpenGL做圖的方式進行開發的難度都遠高于此#65377;
此處以顯示分層模型為例，簡要介紹所使用的VC與MATLAB混合編程的方法#65377;
a)啟動MATLAB引擎;
b)為VC產生的數據創建矩陣;
c)將矩陣和有關數據送入MATLAB引擎空間;
d)以MATLAB命令繪制圖形;
e)銷毀矩陣，關閉MATLAB引擎#65377;
3應用實例
圖4(a)所示的三維模型，尺寸為16.5 μm×16.5 μm×4 μm，共分九層，層間距為500 nm，點間距為200 nm#65377;應用本軟件的STL處理模塊，生成的實體掃描模型和輪廓掃描模型分別如圖4(b)和(c)所示#65377;
應用本軟件的圖片處理模塊生成的加工模型如圖5所示#65377;模型尺寸為35 μm×35 μm×2 μm，共分五層，層間距為500 nm，點間距為100 nm#65377;
應用本軟件的線條處理模塊生成了一個木料堆結構的光子晶體模型，如圖6所示#65377;模型尺寸為3 μm×3 μm×2.1 μm，共八層，層間距為300 nm，點間距為100 nm#65377;
4結束語
本文介紹了雙光子加工數據準備軟件TPMMaker 1.0的設計與開發#65377;結合雙光子加工的特點和現有的軟件技術手段，提出了STL處理#65380;圖片處理和線條處理三種進行雙光子加工的數據準備方法#65377;其中STL處理包括對三維模型進行實體掃描和輪廓掃描兩種方式的路徑規劃#65377;軟件以Visual C++.NET基于Windows開發，采用MFC的單文檔/視圖的結構框架，界面友好#65380;操作方便#65377;該軟件下一步待研究的問題是如何減少數據準備造成的精度損失#65377;
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