李 舸 程海燕

（中國(guó)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(cè)量設(shè)備

李 舸 程海燕

（中國(guó)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(cè)試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地讓零級(jí)與正負(fù)二級(jí)不能進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只有正負(fù)一級(jí)可以被記錄，避開被測(cè)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(cè)量設(shè)備，該設(shè)備可以用于檢測(cè)多種點(diǎn)陣全息防偽標(biāo)識(shí)產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣，給企業(yè)用戶提供可依據(jù)的識(shí)別工具。

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

一、市場(chǎng)需求

目前國(guó)際上為方便識(shí)別商品正品性，早期的方法是貼上防偽標(biāo)識(shí)，而防偽標(biāo)識(shí)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(shí)領(lǐng)域，被稱為全息防偽標(biāo)識(shí)?！叭ⅰ钡囊馑紴椤叭啃畔ⅰ保聪鄬?duì)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(shí)。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(shí)，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(wú)序地發(fā)展，很多質(zhì)量參差不齊的全息防偽標(biāo)識(shí)被制作出來，使消費(fèi)者很難識(shí)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(shí)的防偽能力，需要對(duì)全息防偽產(chǎn)品的制作質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和把關(guān)。在已有的國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，被用于表征全息防偽標(biāo)識(shí)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(shí)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(cè)量方法，并且已有比較成熟的測(cè)量?jī)x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(cè)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(duì)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(wàn)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(shí)、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(duì)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(cè)手段。為了對(duì)此類新型標(biāo)識(shí)的特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快速地測(cè)量，我們提出了一種點(diǎn)陣全息圖衍射效率的測(cè)試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地讓零級(jí)與正負(fù)二級(jí)不能進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只有正負(fù)一級(jí)可以被記錄，避開被測(cè)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，并簡(jiǎn)述根據(jù)這樣一個(gè)方法研制出的一種測(cè)量點(diǎn)陣全息圖衍射效率的檢測(cè)設(shè)備。

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

早期的防偽標(biāo)識(shí)采用的是彩虹全息圖，當(dāng)它被測(cè)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(cè)點(diǎn)時(shí)，衍射方向必然產(chǎn)生一個(gè)狹縫像。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是把這一束狹縫型的光束用相對(duì)孔徑足夠大的球面反射鏡或會(huì)聚透鏡組會(huì)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(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量方法，是會(huì)出現(xiàn)測(cè)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(cè)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(cè)的像面，使得準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量，我們測(cè)得的衍射效率都在30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)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(huì)很大。因此，無(wú)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(cè)量點(diǎn)陣全息標(biāo)識(shí)產(chǎn)品的目的，我們?cè)O(shè)計(jì)的點(diǎn)陣全息衍射效率檢測(cè)方法是在彩虹全息衍射效率檢測(cè)系統(tǒng)光路框架上，讓再現(xiàn)光束垂直入射到樣品測(cè)點(diǎn)上，在其反射光方向采取阻擋措施，讓零級(jí)與正、負(fù)二級(jí)衍射光不進(jìn)入聚光系統(tǒng)，只讓正、負(fù)一級(jí)衍射光進(jìn)入會(huì)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(cè)點(diǎn)陣全息圖的衍射光不受被測(cè)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(cè)量衍射效率的目的，使測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)，無(wú)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(jí)的衍射光一定是在0級(jí)光的兩側(cè)，圍繞0級(jí)光分布。對(duì)于鍍鋁的模壓點(diǎn)陣全息圖，0級(jí)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(huì)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(jí)的衍射光通過，正、負(fù)2級(jí)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(cè)量。在被測(cè)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(huì)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(cè)量值。

測(cè)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(cè)量設(shè)備

根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的點(diǎn)陣全息圖衍射效率測(cè)試原理，我們研制出一種激光全息衍射效率測(cè)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(tái)、含有多組透鏡的衍射光會(huì)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(cè)量過程。在實(shí)際檢測(cè)中，針對(duì)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(shí)等。從測(cè)量相對(duì)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(cè)，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(duì)各種點(diǎn)陣全息防偽產(chǎn)品衍射效率的檢測(cè)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(wú)論是全息標(biāo)識(shí)還是全息膜、全息紙，其衍射效率都在15%左右。從測(cè)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(cè)設(shè)備的檢測(cè)范圍覆蓋了目前市場(chǎng)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(cè)量中重復(fù)性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。

結(jié)語(yǔ)

這樣一種點(diǎn)陣全息產(chǎn)品衍射效率測(cè)量設(shè)備是商品經(jīng)濟(jì)、科技升級(jí)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(cè)量辨識(shí)技術(shù)也會(huì)飛躍發(fā)展，多學(xué)科的介入也是必然的方向，當(dāng)前市場(chǎng)要求我們開發(fā)出具有更能對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品具有檢測(cè)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(cè)力能，才能推動(dòng)我們?nèi)鐣?huì)商品經(jīng)濟(jì)的文明進(jìn)步，保障市場(chǎng)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。

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中圖分類號(hào)：O436

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A