一种点阵全息图衍射效率的测量设备

李 舸 程海燕

（中国计量科学研究院，北京 100029）



一种点阵全息图衍射效率的测量设备

李 舸 程海燕

（中国计量科学研究院，北京 100029）

摘 要：本文提出了一种点阵全息图衍射效率的测试方法，其优点在于巧妙地让零级与正负二级不能进入聚光系统，只有正负一级可以被记录，避开被测点干涉条纹方向变化影响的可能，并介绍依照这个方法研制出的一种点阵全息衍射效率的测量设备，该设备可以用于检测多种点阵全息防伪标识产品质量优劣，给企业用户提供可依据的识别工具。

关键词：点阵全息图；衍射效率；测试方法；测量设备

一、市场需求

目前国际上为方便识别商品正品性，早期的方法是贴上防伪标识，而防伪标识现在最广泛使用的是把激光全息技术用到了防伪标识领域，被称为全息防伪标识。“全息”的意思为“全部信息”，即相对于普通照相的只记录物体的明暗变化，激光全息照相还能记录物体的空间变化，是利用光的干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来而成的图像，此图像记录了物体的全部信息。当光照到全息图上时，由于光的衍射，而观察到再现的物体像。由于激光是很好的相干光源，可用激光记录、激光再现，故称为激光全息。它被广泛用于医药、食品、以及机要证卡、电子产品商标以及奢侈品等上的防伪标识。激光全息技术是继激光器于20世纪60年代问世之后迅速发展起来的一种立体照相技术。全息技术做出的防伪标识，性能稳定，造型精美，不易复制。因此在防伪产品行业中占据着非常重要的位置。但由于全息产品生产行业过于迅猛无序地发展，很多质量参差不齐的全息防伪标识被制作出来，使消费者很难识别产品的真假，威胁了正品生产厂企业的生产利益。因此为了充分发挥全息防伪标识的防伪能力，需要对全息防伪产品的制作质量进行检测和把关。在已有的国家检测标准中，被用于表征全息防伪标识制作质量好坏的特性参数主要是衍射效率和信噪比。起初被广泛应用的全息防伪标识是用两步法制成的彩虹全息图，GB/T17000-1997（（防伪全息产品通用技术条件》给出了其特性参数的测量方法，并且已有比较成熟的测量仪器。随着计算机的广泛应用和直写技术的发展，很多新型的全息图如点阵全息图被应用于防伪产品行业。激光点阵全息防伪产品是激光彩虹全息技术与计算机控制技术结合制作的全息防伪产品，激光点阵全息图特点是具有360°可观测和动态视觉效果，且有极好的防伪性能和视觉效果。它是由一些极小的光栅点组成，每一个光栅点又包含非常微细的小于1μm的光栅，在制作时，电脑对光栅点逐点进行编码，使每一个点上的光栅的方向或密度发生变化，从而达到预定的视觉效果。例如：计算机以300dpi制作的点阵全息图案，在1cm2面积内有1.4万个光栅点。由于点阵全息图的三维图像和色彩都具有异常灵活多变的动态效果，有着极大的视觉冲击力，这一技术的应用越来越广泛，比如：防伪包装、防伪标识、防伪全息膜、防伪全息纸等等。随着点阵全息技术的广泛应用，政府监管部门也加大了对其生产企业的产品质量，制定了标准的要求，也提出了更新的检验方法和检测手段。为了对此类新型标识的特性参数进行准确、简单、快速地测量，我们提出了一种点阵全息图衍射效率的测试方法，其优点在于巧妙地让零级与正负二级不能进入聚光系统，只有正负一级可以被记录，避开被测点干涉条纹方向变化影响的可能，方法的目的是提高检测结果的准确性、可靠性，并简述根据这样一个方法研制出的一种测量点阵全息图衍射效率的检测设备。

二、设计一种对点阵全息图衍射效率有效的测量方法

早期的防伪标识采用的是彩虹全息图，当它被测量时，它的现成像的每一个像点成像均为狭缝像，当激光束倾斜入射在被测点时，衍射方向必然产生一个狭缝像。传统的测量方法是把这一束狭缝型的光束用相对孔径足够大的球面反射镜或会聚透镜组会聚成足够小的面积，用光能接收装置读出它的衍射光光强，即可计算出防伪标识其彩虹全息图的衍射效率，以此来判断产品的优劣。

而点阵全息图的每一个像点是两束平行光干涉而形成的，两束光所在的平面方位决定了干涉条纹的方向，两束光的夹角决定了干涉条纹的空间频率（或条纹的空间周期）。干涉条纹的方向与空间频率均是可变的参量，点的大小目前从300DPI/英寸到2540DPI/英寸。显然点阵全息图比彩虹全息图要复杂得多，产生的衍射条件非常不同，如果还沿用GB/T17000-1997《防伪全息产品通用技术条件》国家标准中测量方法，是会出现测量结果上的不准确性、不可靠性。如：当激光束倾斜入射在被测像点处时，由于干涉条纹的方向与空间频率均是可变的，特别是干涉条纹的方向未知，使得衍射方向难以预料，可以看到在像面的法线方向形成了强弱不等且分散的若干个衍射光斑，从而，干扰了被测的像面，使得准确测量微元面积的衍射光很困难，也是难以实现的。如果仍然采用原来的方法测量，我们测得的衍射效率都在30%左右，远远高于国标≥5%的规定，显然用这种方法衡量产品是不合适的、也是不严谨的。另外，由于不同的点阵全息图形衍射光斑分布也是不一样的，其产生的角度的差异，衍射光散射光斑能落在透镜（反射镜）有效面积内的差异也会很大。因此，无法再用衍射效率≥5%指标要求衡量点阵全息的产品的优劣。

为现实准确测量点阵全息标识产品的目的，我们设计的点阵全息衍射效率检测方法是在彩虹全息衍射效率检测系统光路框架上，让再现光束垂直入射到样品测点上，在其反射光方向采取阻挡措施，让零级与正、负二级衍射光不进入聚光系统，只让正、负一级衍射光进入会聚系统并被采集和记录，经过实践证明，这种方法的优点是现实了接收到被测点阵全息图的衍射光不受被测点干涉条纹方向变化的影响。从而达到有效准确地测量衍射效率的目的，使测量结果更具有可信度。

具体搭建的光路系统有两个设计点：

设计点1：关于衍射光光强Is的测量。激光器发出的光束经过全反射三棱镜的反射，垂直照在点阵全息图的被测点，无论激光束内包含多少个点及这些点的干涉条纹的方向和空间频率如何变化，其正、负级的衍射光一定是在0级光的两侧，围绕0级光分布。对于镀铝的模压点阵全息图，0级光沿正反射方向行进，经过位于正中央不透明的阻光物质的阻挡，不能进入会聚系统，不能到达光电接受器。在聚光镜组口径设计成只考虑让正、负1级的衍射光通过，正、负2级及以上的衍射光不能被接收，从而我们得到了2倍的衍射光Is。

设计点2：关于入射光光强Io的测量。在被测样品处，放置一反射率R已知的镀铝反射镜，激光束经过反射三棱镜的反射，照在有一定倾斜角的镀铝反射镜上，反射光避开正中央不透明的阻光物质，进入会聚系统到达光电接受器，即为I反。记录值I反除以反射镜已知的反射率可以作为入射光光强Io。

然后，根据衍射效率的计算公式算出衍射效率的测量值。

测量值：衍射效率的计算公式：h=Is/Io

三、研制一种激光全息衍射效率测量设备

根据我们设计的点阵全息图衍射效率测试原理，我们研制出一种激光全息衍射效率测试设备。在研制中，经过反复实验，我们确定使用功率稳定度好的半导体激光器作为入射光发生器、重复定位精度高的精密样品移动台、含有多组透镜的衍射光会聚系统及先进的数据采集系统等组件进行搭建，然后将样品的定位，通过自编软件来自动控制数据采集和处理，继而完成整个测量过程。在实际检测中，针对不同种类的点阵全息产品进行了取样，样品有：全息纸、全息烫印箔、全息镀铝膜、全息透明膜、全息介质膜、全息标识等。从测量相对偏差看，设备的稳定性达到设计要求。

经过大量检测，我们发现目前动态点阵全息图案常见的主要有：移动光柱、扩-缩（光茫）动感、动态旋转、彩虹全息图与动态点阵全息技术结合应用、介质复合后衍射效率。通过对各种点阵全息防伪产品衍射效率的检测工作中，我们也得到了大量的统计数据，从数据统计结果分析可以看出，无论是全息标识还是全息膜、全息纸，其衍射效率都在15%左右。从测试结果可以看出：在全息产品中衍射效率比较高的一类产品中，衍射效率在10%～25%；衍射效率较低的一类产品，衍射效率在2%～5%。这种点阵全息图衍射效率检测设备的检测范围覆盖了目前市场上出现的点阵全息产品衍射效率技术指标。该设备在同等条件的测量中重复性强、可靠性强、稳定性好。

结语

这样一种点阵全息产品衍射效率测量设备是商品经济、科技升级的必然产物。激光全息技术作为一种防伪手段，具有美好的前景。随着科学技术的不断发展，很多高新技术通过各种工艺与激光全息图像技术相结合，使仿造难度增大，从而更好地达到了防伪的效果。事实和数据都表明，随着防伪产品技术的不断发展，全息防伪产品测量辨识技术也会飞跃发展，多学科的介入也是必然的方向，当前市场要求我们开发出具有更能对新技术新产品具有检测能力的设备，以满足企业及消费者需求。只有提升了检测力能，才能推动我们全社会商品经济的文明进步，保障市场有序合法地运转。我们相信它的良性发展是政府和企业乐见的。

参考文献

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［2］哈流柱，霍桂林，王民草.模压彩虹全息版的衍射效率及其测量［J］.光学技术，1997（1）：56-59.

［3］司国斌，张艳.精密超精密加工及现代精密测量技术［J］.机械研究与应用，2006 （1）：23-25.

中图分类号：O436

文献标识码：A