一種點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測量設(shè)備

李 舸 程海燕

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

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一種點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測量設(shè)備

李 舸 程海燕

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

摘 要：本文提出了一種點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地讓零級與正負(fù)二級不能進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只有正負(fù)一級可以被記錄，避開被測點(diǎn)干涉條紋方向變化影響的可能，并介紹依照這個(gè)方法研制出的一種點(diǎn)陣全息衍射效率的測量設(shè)備，該設(shè)備可以用于檢測多種點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣，給企業(yè)用戶提供可依據(jù)的識別工具。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)陣全息圖；衍射效率；測試方法；測量設(shè)備

一、市場需求

目前國際上為方便識別商品正品性，早期的方法是貼上防偽標(biāo)識，而防偽標(biāo)識現(xiàn)在最廣泛使用的是把激光全息技術(shù)用到了防偽標(biāo)識領(lǐng)域，被稱為全息防偽標(biāo)識?！叭ⅰ钡囊馑紴椤叭啃畔ⅰ?，即相對于普通照相的只記錄物體的明暗變化，激光全息照相還能記錄物體的空間變化，是利用光的干涉原理，將物體發(fā)射的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來而成的圖像，此圖像記錄了物體的全部信息。當(dāng)光照到全息圖上時(shí)，由于光的衍射，而觀察到再現(xiàn)的物體像。由于激光是很好的相干光源，可用激光記錄、激光再現(xiàn)，故稱為激光全息。它被廣泛用于醫(yī)藥、食品、以及機(jī)要證卡、電子產(chǎn)品商標(biāo)以及奢侈品等上的防偽標(biāo)識。激光全息技術(shù)是繼激光器于20世紀(jì)60年代問世之后迅速發(fā)展起來的一種立體照相技術(shù)。全息技術(shù)做出的防偽標(biāo)識，性能穩(wěn)定，造型精美，不易復(fù)制。因此在防偽產(chǎn)品行業(yè)中占據(jù)著非常重要的位置。但由于全息產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)過于迅猛無序地發(fā)展，很多質(zhì)量參差不齊的全息防偽標(biāo)識被制作出來，使消費(fèi)者很難識別產(chǎn)品的真假，威脅了正品生產(chǎn)廠企業(yè)的生產(chǎn)利益。因此為了充分發(fā)揮全息防偽標(biāo)識的防偽能力，需要對全息防偽產(chǎn)品的制作質(zhì)量進(jìn)行檢測和把關(guān)。在已有的國家檢測標(biāo)準(zhǔn)中，被用于表征全息防偽標(biāo)識制作質(zhì)量好壞的特性參數(shù)主要是衍射效率和信噪比。起初被廣泛應(yīng)用的全息防偽標(biāo)識是用兩步法制成的彩虹全息圖，GB/T17000-1997（（防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件》給出了其特性參數(shù)的測量方法，并且已有比較成熟的測量儀器。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和直寫技術(shù)的發(fā)展，很多新型的全息圖如點(diǎn)陣全息圖被應(yīng)用于防偽產(chǎn)品行業(yè)。激光點(diǎn)陣全息防偽產(chǎn)品是激光彩虹全息技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合制作的全息防偽產(chǎn)品，激光點(diǎn)陣全息圖特點(diǎn)是具有360°可觀測和動(dòng)態(tài)視覺效果，且有極好的防偽性能和視覺效果。它是由一些極小的光柵點(diǎn)組成，每一個(gè)光柵點(diǎn)又包含非常微細(xì)的小于1μm的光柵，在制作時(shí)，電腦對光柵點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行編碼，使每一個(gè)點(diǎn)上的光柵的方向或密度發(fā)生變化，從而達(dá)到預(yù)定的視覺效果。例如：計(jì)算機(jī)以300dpi制作的點(diǎn)陣全息圖案，在1cm2面積內(nèi)有1.4萬個(gè)光柵點(diǎn)。由于點(diǎn)陣全息圖的三維圖像和色彩都具有異常靈活多變的動(dòng)態(tài)效果，有著極大的視覺沖擊力，這一技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，比如：防偽包裝、防偽標(biāo)識、防偽全息膜、防偽全息紙等等。隨著點(diǎn)陣全息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，政府監(jiān)管部門也加大了對其生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，制定了標(biāo)準(zhǔn)的要求，也提出了更新的檢驗(yàn)方法和檢測手段。為了對此類新型標(biāo)識的特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、簡單、快速地測量，我們提出了一種點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地讓零級與正負(fù)二級不能進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只有正負(fù)一級可以被記錄，避開被測點(diǎn)干涉條紋方向變化影響的可能，方法的目的是提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，并簡述根據(jù)這樣一個(gè)方法研制出的一種測量點(diǎn)陣全息圖衍射效率的檢測設(shè)備。

二、設(shè)計(jì)一種對點(diǎn)陣全息圖衍射效率有效的測量方法

早期的防偽標(biāo)識采用的是彩虹全息圖，當(dāng)它被測量時(shí)，它的現(xiàn)成像的每一個(gè)像點(diǎn)成像均為狹縫像，當(dāng)激光束傾斜入射在被測點(diǎn)時(shí)，衍射方向必然產(chǎn)生一個(gè)狹縫像。傳統(tǒng)的測量方法是把這一束狹縫型的光束用相對孔徑足夠大的球面反射鏡或會聚透鏡組會聚成足夠小的面積，用光能接收裝置讀出它的衍射光光強(qiáng)，即可計(jì)算出防偽標(biāo)識其彩虹全息圖的衍射效率，以此來判斷產(chǎn)品的優(yōu)劣。

而點(diǎn)陣全息圖的每一個(gè)像點(diǎn)是兩束平行光干涉而形成的，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（或條紋的空間周期）。干涉條紋的方向與空間頻率均是可變的參量，點(diǎn)的大小目前從300DPI/英寸到2540DPI/英寸。顯然點(diǎn)陣全息圖比彩虹全息圖要復(fù)雜得多，產(chǎn)生的衍射條件非常不同，如果還沿用GB/T17000-1997《防偽全息產(chǎn)品通用技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)中測量方法，是會出現(xiàn)測量結(jié)果上的不準(zhǔn)確性、不可靠性。如：當(dāng)激光束傾斜入射在被測像點(diǎn)處時(shí)，由于干涉條紋的方向與空間頻率均是可變的，特別是干涉條紋的方向未知，使得衍射方向難以預(yù)料，可以看到在像面的法線方向形成了強(qiáng)弱不等且分散的若干個(gè)衍射光斑，從而，干擾了被測的像面，使得準(zhǔn)確測量微元面積的衍射光很困難，也是難以實(shí)現(xiàn)的。如果仍然采用原來的方法測量，我們測得的衍射效率都在30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國標(biāo)≥5%的規(guī)定，顯然用這種方法衡量產(chǎn)品是不合適的、也是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。另外，由于不同的點(diǎn)陣全息圖形衍射光斑分布也是不一樣的，其產(chǎn)生的角度的差異，衍射光散射光斑能落在透鏡（反射鏡）有效面積內(nèi)的差異也會很大。因此，無法再用衍射效率≥5%指標(biāo)要求衡量點(diǎn)陣全息的產(chǎn)品的優(yōu)劣。

為現(xiàn)實(shí)準(zhǔn)確測量點(diǎn)陣全息標(biāo)識產(chǎn)品的目的，我們設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣全息衍射效率檢測方法是在彩虹全息衍射效率檢測系統(tǒng)光路框架上，讓再現(xiàn)光束垂直入射到樣品測點(diǎn)上，在其反射光方向采取阻擋措施，讓零級與正、負(fù)二級衍射光不進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只讓正、負(fù)一級衍射光進(jìn)入會聚系統(tǒng)并被采集和記錄，經(jīng)過實(shí)踐證明，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)了接收到被測點(diǎn)陣全息圖的衍射光不受被測點(diǎn)干涉條紋方向變化的影響。從而達(dá)到有效準(zhǔn)確地測量衍射效率的目的，使測量結(jié)果更具有可信度。

具體搭建的光路系統(tǒng)有兩個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)：

設(shè)計(jì)點(diǎn)1：關(guān)于衍射光光強(qiáng)Is的測量。激光器發(fā)出的光束經(jīng)過全反射三棱鏡的反射，垂直照在點(diǎn)陣全息圖的被測點(diǎn)，無論激光束內(nèi)包含多少個(gè)點(diǎn)及這些點(diǎn)的干涉條紋的方向和空間頻率如何變化，其正、負(fù)級的衍射光一定是在0級光的兩側(cè)，圍繞0級光分布。對于鍍鋁的模壓點(diǎn)陣全息圖，0級光沿正反射方向行進(jìn)，經(jīng)過位于正中央不透明的阻光物質(zhì)的阻擋，不能進(jìn)入會聚系統(tǒng)，不能到達(dá)光電接受器。在聚光鏡組口徑設(shè)計(jì)成只考慮讓正、負(fù)1級的衍射光通過，正、負(fù)2級及以上的衍射光不能被接收，從而我們得到了2倍的衍射光Is。

設(shè)計(jì)點(diǎn)2：關(guān)于入射光光強(qiáng)Io的測量。在被測樣品處，放置一反射率R已知的鍍鋁反射鏡，激光束經(jīng)過反射三棱鏡的反射，照在有一定傾斜角的鍍鋁反射鏡上，反射光避開正中央不透明的阻光物質(zhì)，進(jìn)入會聚系統(tǒng)到達(dá)光電接受器，即為I反。記錄值I反除以反射鏡已知的反射率可以作為入射光光強(qiáng)Io。

然后，根據(jù)衍射效率的計(jì)算公式算出衍射效率的測量值。

測量值：衍射效率的計(jì)算公式：h=Is/Io

三、研制一種激光全息衍射效率測量設(shè)備

根據(jù)我們設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣全息圖衍射效率測試原理，我們研制出一種激光全息衍射效率測試設(shè)備。在研制中，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們確定使用功率穩(wěn)定度好的半導(dǎo)體激光器作為入射光發(fā)生器、重復(fù)定位精度高的精密樣品移動(dòng)臺、含有多組透鏡的衍射光會聚系統(tǒng)及先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組件進(jìn)行搭建，然后將樣品的定位，通過自編軟件來自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集和處理，繼而完成整個(gè)測量過程。在實(shí)際檢測中，針對不同種類的點(diǎn)陣全息產(chǎn)品進(jìn)行了取樣，樣品有：全息紙、全息燙印箔、全息鍍鋁膜、全息透明膜、全息介質(zhì)膜、全息標(biāo)識等。從測量相對偏差看，設(shè)備的穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過大量檢測，我們發(fā)現(xiàn)目前動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣全息圖案常見的主要有：移動(dòng)光柱、擴(kuò)-縮（光茫）動(dòng)感、動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、彩虹全息圖與動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣全息技術(shù)結(jié)合應(yīng)用、介質(zhì)復(fù)合后衍射效率。通過對各種點(diǎn)陣全息防偽產(chǎn)品衍射效率的檢測工作中，我們也得到了大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可以看出，無論是全息標(biāo)識還是全息膜、全息紙，其衍射效率都在15%左右。從測試結(jié)果可以看出：在全息產(chǎn)品中衍射效率比較高的一類產(chǎn)品中，衍射效率在10%～25%；衍射效率較低的一類產(chǎn)品，衍射效率在2%～5%。這種點(diǎn)陣全息圖衍射效率檢測設(shè)備的檢測范圍覆蓋了目前市場上出現(xiàn)的點(diǎn)陣全息產(chǎn)品衍射效率技術(shù)指標(biāo)。該設(shè)備在同等條件的測量中重復(fù)性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。

結(jié)語

這樣一種點(diǎn)陣全息產(chǎn)品衍射效率測量設(shè)備是商品經(jīng)濟(jì)、科技升級的必然產(chǎn)物。激光全息技術(shù)作為一種防偽手段，具有美好的前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多高新技術(shù)通過各種工藝與激光全息圖像技術(shù)相結(jié)合，使仿造難度增大，從而更好地達(dá)到了防偽的效果。事實(shí)和數(shù)據(jù)都表明，隨著防偽產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，全息防偽產(chǎn)品測量辨識技術(shù)也會飛躍發(fā)展，多學(xué)科的介入也是必然的方向，當(dāng)前市場要求我們開發(fā)出具有更能對新技術(shù)新產(chǎn)品具有檢測能力的設(shè)備，以滿足企業(yè)及消費(fèi)者需求。只有提升了檢測力能，才能推動(dòng)我們?nèi)鐣唐方?jīng)濟(jì)的文明進(jìn)步，保障市場有序合法地運(yùn)轉(zhuǎn)。我們相信它的良性發(fā)展是政府和企業(yè)樂見的。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：O436

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A