Méthode de gravure au laser

Il n'est pas facile de graver une photo correctement avec un laser. J'ai fait beaucoup d'essais qui ne m'ont pas satisfait mais je parviens maintenant à un résultat assez correct. Voici comment j'ai procédé.

Je suis parti d'une photo prise à une fête d'anniversaire :

Il faut évidemment la transformer en photo noir & blanc, ce que j'ai fait avec Photoshop. J'ai choisi d'utiliser un format de 15 x 9 cm qui correspond à la matière dont je dispose et qui est assez grand pour que l'on puisse distinguer les visages :

Quantité de logiciels libres sont disponibles sous Windows et donc aussi sur Mac avec un émulateur PC compatible mais j'ai préféré utiliser Laserweb 4 qui fonctionne directement sur Mac.

J'ai d'abord tenté de graver l'image telle quelle en 300 dpi, définition par défaut prévue dans Laserweb pour les images jpeg.
J'ai utilisé un bout de planche de 5 mm d'épaisseur en balsa et j'ai apprécié le résultat de ce premier essai pourtant critiquable sur bien des points.
La définition n'était pas terrible, les niveaux de gris pas respectés, les noirs creusés en profondeur dans le balsa et les veines du bois mises en évidence par la gravure. Il fallait donc améliorer la procédure.
Quelques essais avec différentes puissances du laser n'ont pas permis d'amélioration notable et je me suis tourné vers internet à la recherche de conseils et, comme toujours, il faut perdre beaucoup de temps pour apprendre très peu.
Comme en imprimerie, il est question de trame. En résumé :
- La trame est un réseau de forme géométrique constitué de cellules, elles-mêmes constituées de points (pixels) noirs ;
- Chaque cellule comporte un nombre de pixels lié à l'espacement entre les cellules appelé linéature ;
- La linéature est définie par son nombre de lignes par unité de distance (lignes par pouce, lpi), de la même manière que la définition est donnée en pixels par pouce (dpi).

En conséquence :
- Une linéature de 100 lpi sur une image de 200 dpi donne des cellules de 2 x 2 = 4 pixels qui peuvent être noirs ou pas ;
- La cellule sera donc blanche avec 0 pixel noir, gris clair avec 1 pixel noir, gris moyen avec 2 pixels noirs, gris foncé avec 3 pixels noirs et noire avec 4 pixels noirs ;
- En résumé, le nombre de niveaux de gris est égal au carré du rapport dpi/lpi.

Une trame rend une photo assez grossière puisque augmenter les niveaux de gris impose une réduction de la définition de la photo.
Par exemple : Si je veux conserver 255 niveaux de gris (image 8 bits) à partir d'une photo de 300 dpi, il faut obtenir des cellules de 16 x 16 pixels (256). La linéature doit donc être de 300/16 = 18,75.
Un premier problème apparaît car 18,75 n'est pas un nombre entier, ce qui conduit à obtenir des pixels à cheval sur deux cellules. Il suffit de choisir 304 dpi et 19 lpi (304/16=19).
La gravure donnera alors un très bon rendu des niveaux de gris MAIS UNE TAILLE DE PIXEL DE 1/19 POUCE SOIT 25,4/19=1,34 mm.
L'image gravée sera constituée de pavés de cette taille alors que le faisceau laser a généralement un diamètre de 0,2 mm. Un résultat 6,7 fois (1,34/0,2) meilleur devrait être possible.

J'ai donc calculé les paramètres de l'image de départ à partir de la définition du laser :
Mon faisceau laser fait 0,2 mm de diamètre, soit 127 lpi (0,2x127=25,4mm soit 1 pouce).
J'ai estimé que 36 niveaux de gris serait bien (6x6 pixels par cellule), donc 127x6=762 dpi.
J'ai transformé mon image noir & blanc pour lui donner une taille de 150 mm de large en 762 dpi. L'image fait alors près de 12 mégapixels et le fichier png fait de 4,7 Mb.
Il faut alors transformer l'image en mode bitmap :

Mon image fait maintenant un peu moins de 300 Kb.
Les formes géométriques possibles sont :
- Cercle
- Losange
- Ellipse
- Droite
- Carré
- Croix
Il est également possible de choisir l'angle d'inclinaison de la trame (ici 45°).

Après ce paramétrage, le résultat était encore très médiocre car les niveaux de gris n'étaient, comme prévu, pas corrects.
J'ai donc réalisé une mire de 10 x 100 mm en 762 dpi comportant un dégradé du blanc au noir :

J'ai, bien sûr, transformé cette image en mode bitmap avec une linéature de 127 lpi avant de la graver avec le laser.
Il faut évidemment faire ce test de gravure sur la même matière et même couleur que celle qui sera utilisée pour graver une photo. La matière et sa couleur influence beaucoup le résultat. Mes essais ont été effectués sur du CTP 10 mm d'épaisseur légèrement rougeâtre et m'ont conduit à adopter une puissance maximale de 8 % de mon laser de 20 Watts optiques, soit 0,16 watt avec une vitesse de déplacement de 1800 mm/minute.
Un point noir de 0,2 mm de diamètre sera donc créé avec 0,16 watt en 60/1800x0,2=6,66 milliseconde et correspond à une énergie de 0,16x6,66/1000=1,06 milliwatt.seconde ou 1,06x3600/1000=3,84 Watt.seconde.
La matière utilisée pourrait être définie sur ce seul critère pour la gravure. Pour le dire plus simplement, il suffit d'appliquer 0,16 watt (de lumière) pendant 6,66 milliseconde pour noircir ma matière.
Il faut aussi connaître à partir de quelle intensité du faisceau laser la matière laisse apparaître un assombrissement. Il ne sert à rien de laver plus blanc que blanc !

Lors de mon premier essai de gravure de cette mire, j'ai constaté que les 4 dernières cases étaient noircies presque à égalité.
J'ai alors modifié la courbe de l'image de la mire pour que les noirs se situent à 28% de luminosité. Dans Photoshop, cela se fait en indiquant 256x28/100=71 :

Après cette modification, mon deuxième essai m'a permis de constater que la matière ne s'assombrissait qu'en dessous de 92% de luminosité.
J'ai alors modifié la courbe de l'image de la mire pour que les blancs se situent en dessous de 92% de luminosité. Dans Photoshop, cela se fait en indiquant 256x92/100=235 :

Après cette modification, mon troisième essai m'a permis de constater que le contraste de la gravure est plus intense dans les gris clairs que dans les gris foncés.
J'ai alors modifié la courbe de l'image de la mire pour rétablir un contraste régulier. Dans Photoshop, j'ai indiqué 116 de luminosité en sortie pour 52 en entrée.
Le contraste est donc augmenté dans les gris foncés et diminué dans les gris clairs :

Voici à nouveau la mire d'origine (luminosité de 0 à 100%)

et voici ce que donne la mire avant transformation en mode bitmap pour la gravure :

La même transformation de ma photo donne ceci :

Voici maintenant la gravure réalisée avec cette image en mode bitmap à 762 dpi avec linéature de 127 lpi à la vitesse de 1800 mm/minute et à puissance maximale de 8% du laser 20 Watts optiques.

Bien sûr, nous sommes très loin de l'image couleur du début et même de l'image noir & blanc mais, gravée à la même linéature de 127 lpi et en 762 dpi sur 45 cm de large, la gravure serait 3 fois meilleure.
Il est aussi préférable de choisir une matière plus claire pour laquelle il faudrait refaire tous les essais.