點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識(shí)的衍射效率測量研究

吳警政　許忠?！≈軇亠w

摘要：提出了一種測量點(diǎn)陣全息圖衍射效率的方法，搭建了光學(xué)系統(tǒng)。通過在系統(tǒng)光路中放置平面反射鏡，巧妙地將正負(fù)一級(jí)衍射光與其他級(jí)次的衍射光分離開，使光電探測器只接收正負(fù)一級(jí)衍射光，并且這種測量方法不受被測點(diǎn)干涉條紋方向變化的影響；在激光器后面放置一個(gè)半透半反波片，用兩個(gè)相同的光電探測器分別實(shí)時(shí)測量反射光和衍射光的功率，降低了由于激光器功率不穩(wěn)定造成的測量誤差，得到八種不同的點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識(shí)的衍射效率的測量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：全息防偽標(biāo)識(shí)； 衍射效率； 光電探測器

中圖分類號(hào)： TH 702 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.001

Abstract：A measurement method of diffraction efficiency of dotmatrix holography was proposed and an optical system was built. The first order （positive and negative） diffractive beams were separated from the zero and second ones skillfully by placing a plane reflect mirror within the system optical path to make a photodetector receive the first order （positive and negative） diffractive beams only. The direction variation of interference fringe cannot affect the experiment value. A halfwave plate was placed behind the laser and the power of the reflected beams and diffractive beams were received by two same photodetectors. At last the diffraction efficiency of eight different holographic security identifiers were calculated.

Keywords： holographic anticounterfeit identifiers； diffraction efficiency； photodetector

引 言

全息防偽是應(yīng)用激光全息技術(shù)發(fā)展起來的一種新型防偽技術(shù)[1]。我國在20世紀(jì)80年代引入模壓全息技術(shù)并將它與全息制版技術(shù)結(jié)合起來用于產(chǎn)品防偽標(biāo)識(shí)的制作，由于這樣的防偽標(biāo)識(shí)性能穩(wěn)定，與產(chǎn)品包裝結(jié)合較好，適應(yīng)性強(qiáng)，防偽和裝飾統(tǒng)一，因此在防偽行業(yè)中占據(jù)著越來越重要的位置[2]。由于制作激光全息防偽標(biāo)識(shí)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)量高、占地面積小、用人少、利潤高，人們爭相進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，很多質(zhì)量參差不齊的全息防偽標(biāo)識(shí)被制作出來，嚴(yán)重影響了全息防偽標(biāo)識(shí)的防偽功能。因此為了充分發(fā)揮全息防偽標(biāo)識(shí)的防偽能力，需要對(duì)防偽產(chǎn)品的制作質(zhì)量進(jìn)行檢測和把關(guān)。由于全息防偽標(biāo)識(shí)的本質(zhì)是一種具有光柵狀結(jié)構(gòu)的全息圖，當(dāng)再現(xiàn)光照射在全息圖上時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，衍射光構(gòu)成物體的再現(xiàn)像，再現(xiàn)像的質(zhì)量可以在一定程度上反映標(biāo)識(shí)的制作質(zhì)量好壞，因此可以將標(biāo)識(shí)的衍射效率作為衡量其制作質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。盡管依據(jù)防偽全息產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)[4]已研制出一種檢測儀[5]，但由于其對(duì)于激光器輸出功率穩(wěn)定度要求很高，并且只能應(yīng)用于彩虹全息圖衍射效率的測量，不僅提高了檢測成本，還使得測量精度的提高以及檢測方法的應(yīng)用與普及受到了很大的限制。針對(duì)這個(gè)問題，本文對(duì)防偽全息產(chǎn)品衍射效率的測量方法做了進(jìn)一步的研究，在原有方法[6]的基礎(chǔ)上提出一種能夠應(yīng)用于點(diǎn)陣全息圖衍射效率測量的方法。該方法通過將正負(fù)一級(jí)衍射光與其他級(jí)次的衍射光分離，通過對(duì)入射光強(qiáng)和衍射光強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量，得到標(biāo)識(shí)的衍射效率，減小了系統(tǒng)對(duì)光源功率穩(wěn)定度的依賴，實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識(shí)負(fù)一級(jí)衍射光功率的精確測量。

1 全息防偽標(biāo)識(shí)制作原理

最初被廣泛使用的全息防偽標(biāo)識(shí)是一種利用二步彩虹全息技術(shù)[7]制成的模壓全息圖。依據(jù)GB/T17000-1997《防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件》，再現(xiàn)光以一定的入射角照射在彩虹全息標(biāo)識(shí)上面，在標(biāo)識(shí)的法線附近用聚光系統(tǒng)匯聚后用光電探測器接收衍射的負(fù)一級(jí)光，將負(fù)一級(jí)光的功率與照射至全息標(biāo)識(shí)表面的光功率之比作為標(biāo)識(shí)的衍射效率。隨著激光直寫技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品防偽標(biāo)識(shí)越來越多的采用計(jì)算機(jī)控制的雙束光干涉點(diǎn)陣直寫技術(shù)[8]來制作點(diǎn)陣全息圖。雙束光干涉形成點(diǎn)陣全息圖的每一個(gè)像點(diǎn)。兩束光所在的平面方位決定了干涉條紋的方向，兩束光的夾角決定了干涉條紋的空間頻率。

由于彩虹全息防偽標(biāo)識(shí)的負(fù)一級(jí)衍射狹縫很長，GB/T17000-1997《防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件》里選用了通光孔徑大通光口徑（≥300 mm），大相對(duì)孔徑（≥1∶1）的球面反射系統(tǒng)來匯聚，然后由光電探測器接收，但由于制作方法和原理的不同，彩虹全息圖衍射效率的測量方法不能用來測量點(diǎn)陣全息圖的衍射效率，下面將給予理論分析。

2 理論分析

目前國內(nèi)外計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)陣全息圖的干涉條紋的空間頻率在600～1 000 lp/mm，故全息圖的微光柵的周期在1～2 μm，而激光束入射到全息圖上的橢圓光斑的長軸在0.8～1.2 mm左右，遠(yuǎn)大于光柵微元的直徑。因此在激光光斑照射在全息圖的區(qū)域可能有很多不同空間周期、不同空間轉(zhuǎn)角的微光柵。

當(dāng)光通過光柵衍射后，各正負(fù)級(jí)次衍射光將在零級(jí)光（反射光）兩側(cè)對(duì)稱分布，但由于在激光照射區(qū)域內(nèi)有很多不同周期、轉(zhuǎn)角的微光柵，那么當(dāng)激光斜入射至全息圖時(shí)，微光柵衍射產(chǎn)生的各級(jí)衍射光的分布將會(huì)很復(fù)雜，產(chǎn)生的負(fù)一級(jí)光有可能與別的級(jí)次的衍射光混合在一起，如圖1所示。在測量彩虹全息圖的衍射效率時(shí)，為了接收在全息圖平面法線附近衍射的負(fù)一級(jí)狹縫像，匯聚系統(tǒng)采用大口徑的球面反射系統(tǒng)，但當(dāng)激光傾斜照射點(diǎn)陣全息圖時(shí)，多級(jí)衍射光就有可能都進(jìn)入?yún)R聚系統(tǒng)，而采用彩虹全息圖衍射效率測量方法來測量點(diǎn)陣全息圖衍射效率的結(jié)果也證明了進(jìn)入聚光系統(tǒng)的不只是負(fù)一級(jí)的衍射光[9]。由此可知GB/T 17000-1997防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件中測量彩虹全息圖衍射效率的方法不能準(zhǔn)確測出點(diǎn)陣全息圖的衍射效率。

圖中的各級(jí)衍射光中由粗到細(xì)的光線依次為激光照射到周期1.5 μm，1.7 μm，1.9 μm上的微光柵得到的衍射光。由圖2發(fā)現(xiàn)，雖然在激光照射區(qū)域有三種不同周期、不同空間轉(zhuǎn)角的微光柵，但當(dāng)入射光以0°角入射即正入射時(shí)正負(fù)各級(jí)衍射光分別在光柵平面法線的兩側(cè)，且正負(fù)一級(jí)光與正負(fù)二級(jí)光之間有一定的夾角，如果在衍射光進(jìn)入?yún)R聚系統(tǒng)之前設(shè)法擋住零級(jí)光并選擇合適口徑的聚光系統(tǒng)，則可以只記錄正負(fù)一級(jí)衍射光的功率，然后將所得功率除以2便可得到負(fù)一級(jí)衍射光的功率。

3 衍射效率測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測量結(jié)果

采用如圖3所示的光路對(duì)點(diǎn)陣全息圖衍射效率進(jìn)行測量。波長為632.8 nm的HeNe激光器發(fā)出的光經(jīng)過焦距為400 mm的傅里葉透鏡和一個(gè)透反比一定的半透半反波片之后反射光被光電探測器1接收記錄光強(qiáng)，透射光經(jīng)過一個(gè)體積很小的平面反射鏡反射后垂直照射在全息防偽標(biāo)識(shí)平面上，透射光在平面反射鏡上聚于一點(diǎn)，由圖3可知正負(fù)一級(jí)和正負(fù)二級(jí)的衍射光分別在全息圖平面法線的兩側(cè)，平面反射鏡將零級(jí)光擋住，再選擇合適口徑的聚光系統(tǒng)僅讓正負(fù)一級(jí)的衍射光進(jìn)入聚光系統(tǒng)，最后用相同的光電探測器2記錄光強(qiáng)，即得到±1級(jí)衍射光的光強(qiáng)。光電探測器1、2接收的光強(qiáng)分別為Ir 、I′s，激光經(jīng)過半透半反波片后的透射光強(qiáng)為Io，半透半反波片的透反比為G，若不考慮透射光經(jīng)過平面反射鏡以及衍射光經(jīng)過聚光系統(tǒng)的光能量損失則由衍射效率的定義得

實(shí)際測量光路如圖4所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)過400 mm傅里葉透鏡和半透半反波片后聚焦在平面反射鏡上，全息防偽標(biāo)識(shí)正負(fù)一級(jí)衍射光經(jīng)過450 mm傅里葉透鏡聚焦在右邊的LX1010B照度計(jì)上。半透半反波片反射的光被左邊的LX1010B照度計(jì)接收 。

在工作時(shí)，由于溫度的變化，激光器腔長發(fā)生微小變化，這將引起縱模漂移，導(dǎo)致輸出功率起伏變化很大，即使采用穩(wěn)壓電源或穩(wěn)流裝置，也不能輸出穩(wěn)定功率，因此傳統(tǒng)的先測定入射光的功率，然后測量衍射原始像的功率，兩次測量的時(shí)間不同，HeNe激光器功率的漂移將給測量結(jié)果造成很大的誤差。若選用溫控穩(wěn)頻激光器系統(tǒng)成本又太高，因此在光路中加入一個(gè)半透半反波片，由于激光通過半透半反波片后反射光和透射光的功率比值一定，因此通過光電探測器1和光電探測器2可以實(shí)時(shí)的記錄反射光和衍射原始像的功率。透射光功率可以通過反射光功率計(jì)算得到，這樣就可以消除激光器功率漂移帶來的測量誤差[10]。

在測量全息圖衍射效率之前，放在半透半反波片之后的照度計(jì)測量透射光的強(qiáng)度，將其與左邊照度計(jì)示數(shù)的比值作為半透半反波片的透反比，得到G=945/46 000。

利用上述測量系統(tǒng)測得的八個(gè)標(biāo)識(shí)的測量結(jié)果如表1所示。

4 結(jié) 論

文章提出了一種測量點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識(shí)全息圖衍射效率的方法，通過在實(shí)驗(yàn)中用平面反射鏡擋掉零級(jí)衍射光，測量了正負(fù)一級(jí)衍射光的衍射效率。通過在激光器后面添加半透半反波片，避免了激光功率不穩(wěn)定造成的測量誤差，實(shí)時(shí)測量了點(diǎn)陣全息圖的衍射效率。文章的研究內(nèi)容對(duì)于全息防偽產(chǎn)品的應(yīng)用有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳林森，胡祖元.模壓全息技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)狀[J].激光與紅外，1995（2）：4143.

[2]薛強(qiáng).防偽全息技術(shù)在包裝產(chǎn)品中的應(yīng)用發(fā)展.[J].中國防偽，2004（1）：4041.

[3]孟卓.激光全息防偽標(biāo)識(shí)參數(shù)測量方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4]國家技術(shù)監(jiān)督局GB/T 17000-1997.防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[5]天津大學(xué).防偽全息產(chǎn)品特性參數(shù)檢測方法及檢測儀：中國，2006 10013077.8[P]，20060809.

[6]曹玉琳.激光全息防偽標(biāo)識(shí)的機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)[J].激光與紅外，2000，30（4）：214215.

[7]蘇顯渝，李繼陶.信息光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1999：137138.

[8]周萬根.基于LCOS數(shù)字光變圖像光刻方法研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2012.

[9]哈流柱，李春香，周揚(yáng)斌，等.點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測量[J].光學(xué)技術(shù)，2008，34（3）：435436，440.

[10]何瑾，劉鐵根，孟卓，等.改進(jìn)的防偽全息標(biāo)識(shí)衍射效率測量系統(tǒng)[J].光電工程，2007，34（9）：8992，96.

（編輯：張 磊）