Cílem projektu bylo realizovat vývoj nové generace gravírovacích strojů na bázi laserového záření. Úspěsně byl zkonstruován první prorotyp gravírovacího stroje, který na rozdíl od dostupných zařízení nevyužívá CO2 laserový zářič velkým rozměrů, ale miniaturní polovodičový zářič. Díky tomu je možno do pracovní hlavy stroje využít více paprsků a jejich synchronizací tak dosáhnout větší efektivity. V rámci projektu byli podpořeni celkem dva studenti. Dále pokračujeme mimo projekt. Jeden student pracoval na úlohách s konstrukčním zaměřením. Měl na starosti návrhy a realizace jednoltivých konstrukčních uzlů a to jak na samotném stroji tak v rámci přípravků a dalších komponent zmíněné technologie. Druhý student pracoval na úlohách z oboru elektrotechnika, řízení a IOT. Realizoval jednotlivé řídicí obvody, instaloval a zapojoval měřící sensory a navrhoval elektrotechnické řešení dílčích částí projektu. Studenti pracovali od prosince do května. Za toto období byli dohromady schopni vyčerpat plánované peníze. Jejich docházka se různě lišila v závislosti na jejich vytížění v rámci studia. Tudíž byly zapisovány hodiny reálné práce a ty pak měsíčně vykazovány s různými částkami každý měsíc. Studenti byli zvlášť méně aktivní ve zkouškových měsících. Původní záměr projektu byl naplněn. Studenti pomohli realizovat konkrétní vývojové problémy, které se objevili při realizaci nového výrobního stroje. Zařízení je nyní zkonstruováno, zapojeno a probíhají programovací a oživovací fáze celého systému, což vyžaduje odbornější zásah. Stáž probíhala velmi dobře. Studenti pracovali ve spolupráci s mentorem samostaně, inovativně řešili zadané úlohy a v termínech dodávali výsledky. Přinesli do projektu nové nápady, myšlenky a zcela jiný pohled na věc. Šlo vidět, že je řešení úloh baví a snaží se je udělat inovativně. Věřím, že se díky reálným zkušenostem a tomu, že viděli to co navrhli a postavili fungovat v praxi, poučili nad rámec teoretického studia.

Oblast laserového gravírování patří mezi velmi rozvinuté technologie. Její využití lze najít ve všech typech průmyslu, zakázkové výrobě i umělecké tvorbě. Zkratka LASER je odvozena z „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, což v překladu znamená „zesilování světla stimulovanou emisí záření“. Světlo laseru je generováno ve formě velmi úzkého svazku. Takto získané světlo je monochromatické a koherentní.

Průmyslové lasery jsou obvykle klasifikovány aktivním médiem. Existuje více typů aktivního média, mezi nejpoužívanější patří médium plynné, kapalné, polovodičové a pevnolátkové.

Průmyslové lasery jsou obvykle klasifikovány aktivním médiem. Existuje více typů aktivního média, mezi nejpoužívanější patří médium plynné, kapalné, polovodičové a pevnolátkové (4). Nedlouho poté, co Heinrich Rudolf Hertz experimentálně ověřil Maxwellovy a Faradayovy teoretické předpoklady o generování elektromagnetických vln pomocí vysokonapěťové indukční cívky, bylo zřejmé, že záření může být vyrobeno v různém rozsahu elektromagnetického spektra. Spektrum se dělí na několik částí v závislosti na vlnové délce. Rádiové vlny popisují nízkou frekvenci, malou energii, dlouhou vlnovou délku a jsou generovány anténami. Mikrovlny vznikají elektrickými oscilátory a infračervené záření vzniká v důsledku elektronických přechodů a molekulárních vibrací v materiálech. Specifickou částí spektra je viditelné světlo. Jedná se o elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek 390-780 nm. Dle charakteristiky lidského oka je dále děleno na rozsahy vlnové délky, které odpovídají jednotlivým barvám lidského zraku. První z barev viditelného světla je fialová (380-450 nm), následuje modrá (450-495 nm), zelená (495-570 nm), žlutá (570-590 nm), oranžová (590-620 nm) a červená (620-780 nm) (16). Další částí elektromagnetického spektra je oblast ultrafialového záření. Tato oblast má nižší vlnovou délku než viditelné světlo a díky tomu i větší energii. Proto je UV záření schopno ionizace, při které dochází k porušení chemických vazeb elektronů a jejich atomů. Další částí je rentgenové a gama záření. Tyto vlny mají vysoký kmitočet, krátké vlnové dálky a vysokou energii. Gama záření je vyráběno radioaktivním rozpadem. Pro aplikace průmyslové výroby jsou nejpoužívanější především infračervené, viditelné a ultrafialové části elektromagnetického spektra.

Laserové světlo je generováno přechody elektronů mezi základními a vyššími energetickými hladinami v různých médiích. K první části tohoto přechodu dochází například přísunem světla (energie) v laserech s pevným aktivním médiem, nebo kolizí elektronů v plynných laserech. Takto postupně dojde k excitaci velké části elektronů. Tyto částice se pak spontánně vrací zpátky na nižší energetickou hladinu rovnovážné polohy, kdy dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů. Takto vyzářené fotony pak dále v aktivním médiu interagují s ostatními elektrony na vyšší energetické hladině. Díky tomu dochází k uměle stimulované emisi fotonů, které mají stejnou frekvenci a fázi jako ty, které ji spouštějí. Díky speciální konstrukci tzv. rezonátoru dochází k odrazu fotonů mezi dvěma zrcadly. Tímto způsobem pak může vyvolaný foton nesčetněkrát projít aktivním médiem a stimulovat emisi dalších fotonů. Paprsek fotonů pak dále opouští rezonátor skrze výstupní polopropustné zrcadlo. 

Laserové zářiče využívají systému tří základních částí. První část je aktivní prostředí, druhá výše zmíněný rezonátor a třetí je zdroj energie. V praxi se běžně využívá celá řada fyzikálních způsobů, jak vytvořit laserový paprsek. Většina zářičů se liší především typem aktivního média.

Plyny disponují vlastnostmi, které je předurčují k využití pro generování laserového paprsku. Plynné médium může být excitováno přímým elektrickým proudem, je homogenní, může být jednoduše škálováno a nebrání šíření laserového paprsku. Mají však nižší hustotu aktivních částic. Toto je příčinou větších konstrukčních rozměrů plynových zářičů. Výstupní emise plynného laseru jsou rozloženy do tří samostatných částí elektromagnetického spektra. Jedná se o složky ultrafialového, viditelného a infračerveného záření. Plynové lasery se dále dělí na základě způsobu vzniku fotonů v aktivním médiu. Jedná se o lasery atomární, iontové a molekulové.

Neutrální (atomární) plynové lasery využívají jako své aktivní médium vzácné plyny jako jsou xenon, krypton, argon, neon a jejich směsi. Tyto média produkují světlo v rozsahu mezi středně ultrafialovým až krátkým infračerveným zářením. Jejich využití leží v oblasti jemného zpracování materiálu při nízkém výkonu.

Dalším typem jsou iontové plynové lasery. Ty vyžadují větší budící energii, než je tomu u laserů neutrálních. Produkují záření s kratší vlnovou délkou, a to v rozsahu mezi ultrafialovým až viditelným spektrem. Vyšší hustota elektrického proudu je zapotřebí, jelikož první část energie je spotřebována na tvorbu samotného iontu. Zbylá část energie pak způsobuje samotné buzení. Vyšší budící energie zároveň generuje větší teplo. Zařízení pracující na tomto principu vyžaduje výkonné chlazení. Nabízí však vyšší výstupní výkon a kratší vlnovou délku. V praxi se nejvíce osvědčily opět média vzácných plynů, a to především argon a krypton.

Molekulární plynové lasery produkují relativně dlouhé vlnové délky. Jejich rozsah se pohybuje mezi viditelným až infračerveným zářením. Nejčastěji jsou využívány molekuly oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Dvouatomové molekuly jsou méně vhodné pro využití v CW (continous wave), neboli kontinuálním módu, oproti impulsnímu módu. Vyšší hustoty elektrického proudu jsou zapotřebí, avšak při větších objemech jsou dosaženy značné výstupní výkony. CO₂ lasery prošly značným vývojem pro dosažený vysokých výkonů. Dnešní zářiče s tímto médiem dosahují výkonu až několik kilowatt.

Plyn CO₂ je v samotné laserové trubici přítomen z 1-9 %. Zbytek objemu vyplňuje hélium (60-85 %), vodík (13-35 %) a malé množství dalších plynů. Přesný poměr závisí na individuálním návrhu laserové trubice. Pro dostatečnou kvalitu buzení a stimulaci záření je zapotřebí plynů s vysokou čistotou a to až 99.995 %. Přítomnost vodíku v aktivním médiu zvyšuje účinnost buzení, jelikož je energeticky úspornější vybudit molekulu oxidu uhličitého pomocí vybuzeného vodíku. Hélium je přidáno pro zrychlení procesu chlazení CO₂ molekul. Vybuzené CO₂ molekuly ztrácejí energii ve formě tepla kolizí s héliovými atomy. Ztracená energie je dostatečně velká na to, aby se vybuzená CO₂ molekula vrátila do své základní energetické úrovně. Molekula je pak velmi rychle připravena k dalšímu vybuzení. Vyšší teplotní vodivost hélia (6x větší než CO₂ a N₂) umožňuje odvod energie z místa výboje. Díky tomu lze v laserové trubici vytvářet stabilnější a rovnoměrnější výboje, což umožňuje využití většího pracovního tlaku a zároveň vyššího výkonu paprsku. Oxidy dusíku, vytvořeny reakcemi mezi rozděleným vodíkem a kyslíkem jsou značně nebezpečné při probíhajících reakcích v zářiči. Kyslík v trubici vzniká rozpadem CO_2, na CO a O₂ Malé množství vodní páry je přidáno do trubice, které snižuje rozpad CO_2. Takto je možno významně zvýšit životnost plynu v trubici. Do směsi plynu se přidává i malé množství xenonu, které zvyšuje výkon a účinnost, díky jeho příznivému efektu na excitaci CO₂ a N₂ molekul.

Z důvodů větších rozměrů laserového zářiče jsou CO₂ laserové zařízení konstruovány se statickým umístěním laserové trubice. Výstupní paprsek je pak veden do pracovní hlavy sérií přesných zrcátek, které je třeba citlivě zkalibrovat. Pro odraz silného laserového paprsku je zapotřebí speciálních materiálů. Jedním z nejpoužívanějších řešení pro povrch s takovými požadavky je křemíkový povlak. Materiál čočky pro zaostření laserového paprsku na povrch gravírovaného materiálu je sulfid zinečnatý. Kouř vytvořený během gravírovacího procesu může narušit kvalitu paprsku. Pracovní hlavy gravírovacích strojů k tomu využívají mířený proud vzduchu, který zajistí odvod sublimátu z dráhy zaostřeného paprsku. Mimo jiné je třeba ochránit i dráhu laserového paprsku vedeného do pracovní hlavy. Proto je nezbytné vybavit i nízko výkonové CO₂ laserové zařízení silným odsáváním, a to ve spodní části stroje.

Polovodičové laserové diody zaznamenaly dramatické zlepšení v posledním desetiletí. Byla to dlouhá cesta od prvních testů, kterých bylo dosaženo na více místech najednou již v roce 1962 (1). Mezi první aplikace historicky patřily komunikace optických vláken a ukládání dat na celou řadu datových nosičů a zařízení. Tyto aplikace a jejich neustále vzrůstající požadavky umožnily rozvoj diodových zářičů, jak je známe dnes. Tento jev je úzce spojen se škálováním výpočetní síly procesorů, kterou velmi přesně předpověděl Gordon E. Moore (2). Ten stanovil již v roce 1965 trend, který každým rokem zdvojnásobil počet tranzistorů na čipu. Díky tomu rostl výkon výpočetní techniky a s ním samozřejmě i potřeba žádaná data ukládat a sbírat. S rostoucím počtem dat roste i čas jejich přenosu, takže vzrůstaly požadavky na přenosovou rychlost mezi nosiči, jejich zápis a čtení. V těchto aplikacích nacházely uplatnění již zmíněné polovodičové diody. Jejich aktuální rozvoj však způsobil postupné nasazování i do celé řady nových aplikací. Vývoj totiž umožnil zvýšit spolehlivost, výstupní výkon a rozšířil možnosti výstupní vlnové délky. Navíc potenciál polovodičových laserů ještě zdaleka není využit naplno, což se o řadě dosavadních zářičů již nedá říci (1), (3). Tyto vlastnosti pak předurčily polovodičové lasery i do dalších aplikací, ve kterých je vidíme dnes a uvidíme i v budoucnu. Díky vyššímu výkonu je možné polovodičové lasery používat v aplikacích zpracování materiálu, v zobrazovací technice, metrologii, medicíně a komunikaci (1).

Využití polovodičových laserů stoupá každým rokem a jsou nejvíce využívaným typem laserového zářiče na světě. K tomu dochází právě díky výše zmíněné škále využití. Celkový světový obrat z prodeje laserových zářičů v roce 2016 byl 10,4 miliard dolarů (3). Z toho 45 % patřilo právě prodeji polovodičových laserů. (4)

Struktura laserové diody je tvořena polovodičovými materiály využívající p-n přechodu. Okolí přechodu vytváří aktivní prostředí, ve kterém dochází k injekci děr a elektronů. Aktivní prostředí je dopováno vedlejším elektrickým zdrojem pro vytváření a udržování nerovnovážného rozdělení nábojů (díry a elektrony). Tyto odlišné náboj se velmi rychle spojí za vzniku a vyzáření fotonu. Fotony můžou vznikat náhodně s různou fází a různým směrem vyzáření, nebo stimulovaně se specifickou fází a směrem vyzáření. Pokud je do prostředí vypuštěn foton, který má energii rovnou rozdílu příslušných energetických hladin elektronu, dokáže pak stimulovat tento elektron k přechodu do nižší energetické hladiny za vzniku fotonu se stejným směrem fáze i polarizace. Stimulovaná emise se v polovodičové diodě dosahuje překonáním prahového proudu. Při nižších hodnotách proudu dochází k emisi spontánní a laserový paprsek je tak nekoherentní. Výstup koherentního paprsku získáme při vyšších proudech. Prahový proud značně závisí na teplotě prostředí polovodiče. Každý stupeň zvýší prahový proud až o 15 %. I z tohoto důvodu jsou polovodičové lasery velmi závislé na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou dochází k jejich nadměrnému opotřebení, snižování životnosti, či rovnou poruše.

Obdobně jako u CO2 laserů i polovodičové lasery využívají optického rezonátoru. Jedná se o zařízení, skládající se z dvou krajních zrcadel. U diodových laserů jsou však tyto konstrukce velmi miniaturní. Často se jedná o kousky krystalů, nebo difrakční mřížky. Výstup vyzářených fotonů prochází optickým rezonátorem, kde se odráží od krajních zrcadel a opakovaně prochází aktivním prostředím. Takto dochází ke stimulované emisi Vlny fotonů se postupně skládají a vzniklé vlnění se ustaluje v kmitavých módech. Těch se vleze do rezonátoru konečné množství a přetrvají pouze takové, které se přesně vlezou do dutiny rezonátoru. Násobek poloviny vlnové délky je pak roven šířce rezonátoru. Takto lze geometrií rezonátoru ovlivňovat výstup polovodičového zářiče. Na základě šířky rezonátoru existují singlemode (jedno-módové) a multimode (více-módové) laserové paprsky. Paprsky s jedním módem mají lepší kvalitu výstupního záření, naopak lasery s více módy dosahují větších výkonů (6), (7), (8).

Obecně je výstupní paprsek polovodičové diody nesymetrický a rozbíhavý. Pro zaostření a vedení paprsku se pak využívá čočka, nebo soustava čoček. Výstupní paprsek má pak eliptický průřez. Pokud daná aplikace vyžaduje symetrický paprsek kruhového průřezu, využívá se cylindrických čoček.

(1) Majer, Dušan. Komunikace přes paprsky X. místo neznámé : Kosmonautix.cz, 2019.

(2) Caristan, C. L. Laser cutting guide for manufacturing. Dearborn : MI: Society of Manufacturing Engineers, 2014.

(3) Claire. A Guide to Buy Your First CO2 Laser Engraving and Cutting Machine. [online] : StyleCNC, 2018.

(4) Baranov, Alexei a Tournié, Eric. Semiconductor Lasers. Oxford : oodhead Publishing Limited, 2013

(5) Cramming more components. Moore, Gordon E. volume 38,, 19. Duben 1965, Electronics

(6) Siegman, A. E. Lasers. California USA : Univ. Science Books Mill Valley, 1986.

(7 )Buus, J., Amann, M. C. a D. J. Blumenthal. Tunable laser diodes and related optical sources 2nd ed. Hoboken : N.J.: John Wiley, c2005

(8) Epperlein, P. W. Semiconductor laser engineering, reliability, and diagnostics: a practical approach to high power and single mode devices, 1st ed. Chichester, West Sussex, United Kingdom : Wiley, 2013.

Laserové technologie jsou ve společnosti známy už několik desetiletí (1). Jedním z prvních laserů, který byl sestrojen a zprovozněn, byl pevnolátkový laser z krystalu syntetického rubínu. Ten byl odzkoušen již v roce 1960 v Malibu, CA Theodorem H. Maimanem (2). Další objev, který později ovlivnil velkou část výrobního průmyslu bylo sestrojení CO2 laseru C. K. N. Patelem v roce 1963 (3). Vynálezy laserů byly až do začátku 80. let skryty v laboratořích.

Teprve až počátkem 90. let se svět dozvěděl o nové technologii laserového paprsku. Bylo to díky rozmachu systému kompaktních disků (CD). Poté následovalo mohutné nasazení nízko a vysoko výkonových laserů do výrobního průmyslu. Laserové systémy se začaly využívat pro řezání, svařování, vrtání, popisování, povrchové úpravy, měření a další technologie (4). Díky postupnému poklesu tržních cen méně výkonných gravírovacích laserů (do 200 W), existuje v současné době i velké množství malých subjektů, které vlastní laserovou technologii. Od těžké a sériové výroby se tak lasery začaly dostávat přes menší výroby i do prototypových, designových a dalších dílen.

Mezi lety 1991 a 1999 klesla cena polovodičových laserů z 2000$/W na 100$/W (4). Výhodami tohoto zářiče jsou jeho kompaktní rozměry, účinnost a možnosti řízení. Díky tomu jsou polovodičové lasery nejběžnějším typem používaného zářiče v dnešní době (5). Další výhodou je možnost optimalizovat výstupní charakteristiku laseru. Při výrobě lze upravovat výstupní výkon, frekvenci modulace a vlnovou délku výsledného zářiče. V posledním desetiletí došlo k významnému pokroku ve vývoji polovodičových laserů. Posun technologie byl dosažen ve vícero oblastech, mezi ty nejdůležitější patří například výstupní výkon, větší rozsah výstupních vlnových délek a spolehlivost (6).

Nízko výkonové laserové CNC stroje na trhu jsou často dodávány s poměrně jednoduchými softwary a řídicími algoritmy, které mnohdy neumí využít plný potenciál zářiče. Téměř všechny dnešní stroje nemají zpětnou vazbu na kvalitu gravírovaného výsledku. Zpětnou vazbou pak je samotný operátor, který zadává výrobní parametry do stroje manuálně na základě předchozí znalosti a aktuálního výsledku. Komplikovanost u laserového gravírování fotografií do dřeva vytváří různorodost gravírovaného materiálu, proměnná kvalita grafického podkladu a degradace zářiče. U sériové výroby jednoduchého grafického návrhu není systém řízení kvality tolik potřebný. Náklady na postupné odlaďování a testování jsou u velké série minimální. U zakázkové výroby fotografií, či prototypů je to obráceně. Při výrobě fotografií se jedná o značně komplikované vstupní podklady, které obsahují milióny pixelů a tisíce odstínů. Kvalita přenosu takových podkladů má bez zpětné vazby velmi proměnné výsledky. I zkušený operátor potřebuje několik testů k odladění histogramu dané fotografie či výkonové charakteristiky laseru pro konkrétní povrch, má-li dodat kvalitní výrobek. Navíc je každá vstupní fotografie jiná a často se zásadně liší v kompozici světlých a tmavých odstínů. Nejzásadnější rozdíly bývají ve velikosti detailů, ostrosti přechodů a v celkovém tvaru histogramu.

Proto je pro výrobu krásných vzpomínek na dřevo naprosto zásadní používat nejlépe říditelné laserové zářiče, velmi dobře filtrovat vstupní fotografie, přesně znát chemické složení použitého dřeva a mít proces výroby naprosto pod kontrolou včetně rychlostí, dosahovaných teplot a vlhkostí.

1. Kalisky, Y.Y. The physics and engineering of solid state lasers. Bellingham : Wash.: SPIE Press, c2006.

2. Siegman, A. E. Lasers. California USA : Univ. Science Books Mill Valley, 1986.

3. PATEL, C. K. N. Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO&. PHYSICAL REVIEW. no. 5. vol. 136 1964, str. p. 8.

4. Ion, J. C. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. Amsterdam : Elsevier/Butterworth-Heinemann, 2005.

5. Buus, J., Amann, M. C. a D. J. Blumenthal. Tunable laser diodes and related optical sources 2nd ed. Hoboken : N.J.: John Wiley, c2005.

6. Epperlein, P. W. Semiconductor laser engineering, reliability, and diagnostics: a practical approach to high power and single mode devices, 1st ed. Chichester, West Sussex, United Kingdom : Wiley, 2013.

Přenos informací na povrch materiálu se stal nedílnou součástí naši společnosti. Tato schopnost se začala rozvíjet již v pravěku a vývojem společnosti obsadila nenahraditelnou roli. I v dnešní digitální době se jedná o jeden z nejpoužívanější způsobů přenosu informací mezi lidmi. Mimo oblast věcné komunikace nachází své uplatnění i v umění a abstrakci. Zachycení dané informace co nejvěrohodněji a nejpřesněji je snahou každého přenosu. Existuje řada technologií, druhu informací a materiálů, které lze využít. Já se věnuji problematice laserového gravírování fotografií, grafik a textu na dřevěný podklad.

Výše zmíněná kombinace má několik úskalí, které postupně studuji, popisuji a řeším. Jelikož na každý problém existuje více možných řešení porovnávám a popisuji dané metody. Srovnáním dosažených výsledků pak lze zvolit správnou cestu pro další vývoj a testování.

Technologie laserového gravírování spočívá v řízeném generování zaostřeného světelného paprsku, jehož energie zahřívá místo dopadu na netransparentní materiál. V závislosti na druhu materiálu a velikosti dodané energie dochází ke změnám povrchu. Tyto změny jsou z pravidla neměnné. Schopnost dopředu předpovědět intenzitu a výsledný efekt této změny je jednou z klíčových oblastí laserového gravírování. Pro oblast gravírovaných fotografií na dřevěný podklad je nejpodstatnější změna odstínu daného materiálu.

Odstín gravírovaného dřeva nezávisí pouze na intenzitě laseru. Závisí také na profilu paprsku, frekvenci, typu dřeva, složení a vlastnostech okolí gravírovacího procesu (teplota, vlhkost, chlazení). Jelikož existuje prakticky nekonečně mnoho takovýchto kombinací, věnuji se popisu gravírování bukového dřeva ze středové části stromu (fládru), pomocí diodových laserů o vlnové délce 445nm a výstupním výkonu 5 W. Paprsky laseru tedy dopadají kolmo na středovou část podélného řezu stromu. Výzkum je zde soustředěn na vliv podmínek okolí a profilu paprsku na výsledný odstín gravírovacího procesu. Mezi podmínky okolí byla zařazena vlhkost materiálu, vlhkost okolí a směr a intenzita ofuku gravírovaného bodu.

Další oblast problematiky, která vstupuje do laserového gravírování fotografií na dřevěný podklad je samotná fotografie. Dnešní fotografie jsou foceny na sofistikovaných aparátech, které poskytují tisíce různých odstínů. Ty jsou vhodné především na digitální zobrazení, či technologii tisku. Laserové gravírování však v současné době není schopno přenést takový počet různých odstínů. Používají se různé metody k nahrazení tohoto nedostatku. V této oblasti se zabývám vhodnou filtrací vstupní grafiky, která optimalizuje odstíny digitální fotografie pro aplikaci laserového gravírování. Práce s jednotlivými přechody a detaily dokáže posunout jakýkoliv laserový stroj o úroveň výše.

V této oblasti se řeší dvě roviny. Jedna je úprava odstínových úrovní (histogramů) fotografie a druhá je filtrace ve frekvenční oblasti. Filtrace ve frekvenční oblasti má tu výhodu, že nepracuje s histogramem obrázku, ale s frekvencemi přechodů mezi každým pixelem. Díky tomu lze selektivně upravit jednotlivé detaily a zvýraznit potřebné části bez velkého zásahu do zbývající části obrázku.

Jakákoliv optimalizace výrobního procesu laserového gravírování do dřeva začíná úpravou vstupního podkladu. Úpravy histogramů a aplikace filtrů na vstupní grafiky jsou součástí každého výrobku. Pro zlepšení kvality a zefektivnění celého procesu je vhodné hledat automatizované řešení, které lze aplikovat na jakýkoliv podklad. Furierova transformace a frekvenční oblast obecně je vhodný nástroj pro aplikaci filtrů na grafické podklady. Její výhoda spočívá ve výpočetně snazší aplikaci filtrů i při větších rozměrech grafického podkladu.

Převod grafického podkladu do frekvenční oblasti je možno provést pomocí algoritmu rychlé Furierovy transformace. Tento výpočet byl definován v roce 1965, kdy matematikové J.W. Cooley a J.W. Tukey snížili počet potřebných komplexních součinů a součtů z N² a N² na Nlog₂N a Nlog₂N oproti dosavadnímu výpočtu diskrétní Furierovy transformace. Toto vylepšení výrazně snížil náročnost a tedy výpočetní čas. Touto metodou se vypočítává Furierova transformace v různých matematických programech jako jsou GNU Octave, Mathcad, Mathematica, Maple, Matlab a další.

Aplikace Furierovy transformace a její následné úpravy na 2D grafickou předlohu představuje obrázek 3. Na grafické předloze je vyobrazena hlavní budova rektorátu VŠB-TUO (obr. a). Fotografie je záměrně natočena, aby byly jednotlivé části Furierova spektra patrnější. Po aplikaci logaritmického měřítka na vypočtené Furierovo spektrum (obr. b) lze pozorovat rozmístění vyšších frekvencí transformace do jednotlivých rohů vyobrazené vizualizace (obr. c). Díky vycentrování dostaneme všechny vyšší frekvence do středu vizualizace a v rozích zůstanou nižší. Na tomto obrázku (obr. d) lze vidět jednotlivé přechody mezi odstíny fotografie, které reprezentují řady oken a jednotlivá patra budovy. Lze pozorovat jejich úhel natočení a perspektivní jev.

Na obrázku lze pozorovat hodnotu nulové frekvence (DC hodnota) uprostřed grafu. Je to první element Furierovy transformace a reprezentuje sumu všech ostatních bodů. Špička grafu je dobře viditelná právě díky logaritmického měřítka Furierova spektra. Kolem ní jsou rozloženy ostatní nižší frekvence a vyšší najdeme v rozích grafu. Středem jednotlivých os vedou zvýšené hrany, které reprezentují nulovou hodnotu dané osy a různou hodnotu druhé osy. Takže středová čára osy v reprezentuje nulovou frekvenci v a různou frekvenci u a středová čára osy u obsahuje nulové frekvence u a různé frekvence pro v.

Jeden z možných filtrů, které se dají dobře aplikovat ve frekvenční oblasti je filtr dolní propusti (Low-pass). Funkcí tohoto filtru je zachovat nízké frekvence vstupu až do stanovené úrovně a odstranit z výstupu všechny vyšší frekvence nad stanovenou hranicí. To se ve frekvenční oblasti provede aplikací před vytvořeného filtru na výsledek Furierovy transformace vstupního obrázku. Jak bylo zmíněno v předchozích kapitolách, nízké frekvence se ve frekvenční oblasti seskupují kolem rohů vstupního vektoru. Při seskupení jednotlivých kvadrantů matice obrázku ve frekvenční oblasti tak, aby byly nízké frekvence uprostřed, je pak velmi jednoduché aplikovat různý typ filtru na daný soubor dat. Maskou filtru se v podstatě rozumí matice o stejné velikosti, která obsahuje hodnoty 0 (místa, kde filtr nepropouští) a hodnoty 1 (kde filtr propouští). Pro aplikace laserového gravírování fotografií je tato filtrace příznivá, jelikož vyhlazuje jednotlivé přechody. Ty je možno tisknout na papír, nebo digitálně vyobrazit, jelikož každý jeden pixel je samostatná jednotka a není ovlivněn pixelem okolním. U laserového gravírování toto však fyzicky není možné dosáhnout, jelikož vypálený bod do dřeva vždy bude mít nějaké okolí, které bude tepelně ovlivněno. V praxi tedy není jednoduché vygravírovat na dřevo čáru tenkou 0.1mm, což je na papíře běžná praxe. Proto je lepší s tout skutečností počítat a upravit gravírovanou fotografii předem. Výsledné přechody díky tomu nejsou přepálené a jsou ostřejší proti podkladu bez úprav.