一種點陣全息圖衍射效率的測量設備

李 舸 程海燕

（中國計量科學研究院，北京 100029）

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一種點陣全息圖衍射效率的測量設備

李 舸 程海燕

（中國計量科學研究院，北京 100029）

摘 要：本文提出了一種點陣全息圖衍射效率的測試方法，其優點在于巧妙地讓零級與正負二級不能進入聚光系統，只有正負一級可以被記錄，避開被測點干涉條紋方向變化影響的可能，并介紹依照這個方法研制出的一種點陣全息衍射效率的測量設備，該設備可以用于檢測多種點陣全息防偽標識產品質量優劣，給企業用戶提供可依據的識別工具。

關鍵詞：點陣全息圖；衍射效率；測試方法；測量設備

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識，而防偽標識現在最廣泛使用的是把激光全息技術用到了防偽標識領域，被稱為全息防偽標識。“全息”的意思為“全部信息”，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。當光照到全息圖上時，由于光的衍射，而觀察到再現的物體像。由于激光是很好的相干光源，可用激光記錄、激光再現，故稱為激光全息。它被廣泛用于醫藥、食品、以及機要證卡、電子產品商標以及奢侈品等上的防偽標識。激光全息技術是繼激光器于20世紀60年代問世之后迅速發展起來的一種立體照相技術。全息技術做出的防偽標識，性能穩定，造型精美，不易復制。因此在防偽產品行業中占據著非常重要的位置。但由于全息產品生產行業過于迅猛無序地發展，很多質量參差不齊的全息防偽標識被制作出來，使消費者很難識別產品的真假，威脅了正品生產廠企業的生產利益。因此為了充分發揮全息防偽標識的防偽能力，需要對全息防偽產品的制作質量進行檢測和把關。在已有的國家檢測標準中，被用于表征全息防偽標識制作質量好壞的特性參數主要是衍射效率和信噪比。起初被廣泛應用的全息防偽標識是用兩步法制成的彩虹全息圖，GB/T17000-1997（（防偽全息產品通用技術條件》給出了其特性參數的測量方法，并且已有比較成熟的測量儀器。隨著計算機的廣泛應用和直寫技術的發展，很多新型的全息圖如點陣全息圖被應用于防偽產品行業。激光點陣全息防偽產品是激光彩虹全息技術與計算機控制技術結合制作的全息防偽產品，激光點陣全息圖特點是具有360°可觀測和動態視覺效果，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組成，每一個光柵點又包含非常微細的小于1μm的光柵，在制作時，電腦對光柵點逐點進行編碼，使每一個點上的光柵的方向或密度發生變化，從而達到預定的視覺效果。例如：計算機以300dpi制作的點陣全息圖案，在1cm2面積內有1.4萬個光柵點。由于點陣全息圖的三維圖像和色彩都具有異常靈活多變的動態效果，有著極大的視覺沖擊力，這一技術的應用越來越廣泛，比如：防偽包裝、防偽標識、防偽全息膜、防偽全息紙等等。隨著點陣全息技術的廣泛應用，政府監管部門也加大了對其生產企業的產品質量，制定了標準的要求，也提出了更新的檢驗方法和檢測手段。為了對此類新型標識的特性參數進行準確、簡單、快速地測量，我們提出了一種點陣全息圖衍射效率的測試方法，其優點在于巧妙地讓零級與正負二級不能進入聚光系統，只有正負一級可以被記錄，避開被測點干涉條紋方向變化影響的可能，方法的目的是提高檢測結果的準確性、可靠性，并簡述根據這樣一個方法研制出的一種測量點陣全息圖衍射效率的檢測設備。

二、設計一種對點陣全息圖衍射效率有效的測量方法

早期的防偽標識采用的是彩虹全息圖，當它被測量時，它的現成像的每一個像點成像均為狹縫像，當激光束傾斜入射在被測點時，衍射方向必然產生一個狹縫像。傳統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，即可計算出防偽標識其彩虹全息圖的衍射效率，以此來判斷產品的優劣。

而點陣全息圖的每一個像點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，點的大小目前從300DPI/英寸到2540DPI/英寸。顯然點陣全息圖比彩虹全息圖要復雜得多，產生的衍射條件非常不同，如果還沿用GB/T17000-1997《防偽全息產品通用技術條件》國家標準中測量方法，是會出現測量結果上的不準確性、不可靠性。如：當激光束傾斜入射在被測像點處時，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料，可以看到在像面的法線方向形成了強弱不等且分散的若干個衍射光斑，從而，干擾了被測的像面，使得準確測量微元面積的衍射光很困難，也是難以實現的。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，遠遠高于國標≥5%的規定，顯然用這種方法衡量產品是不合適的、也是不嚴謹的。另外，由于不同的點陣全息圖形衍射光斑分布也是不一樣的，其產生的角度的差異，衍射光散射光斑能落在透鏡（反射鏡）有效面積內的差異也會很大。因此，無法再用衍射效率≥5%指標要求衡量點陣全息的產品的優劣。

為現實準確測量點陣全息標識產品的目的，我們設計的點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光路框架上，讓再現光束垂直入射到樣品測點上，在其反射光方向采取阻擋措施，讓零級與正、負二級衍射光不進入聚光系統，只讓正、負一級衍射光進入會聚系統并被采集和記錄，經過實踐證明，這種方法的優點是現實了接收到被測點陣全息圖的衍射光不受被測點干涉條紋方向變化的影響。從而達到有效準確地測量衍射效率的目的，使測量結果更具有可信度。

具體搭建的光路系統有兩個設計點：

設計點1：關于衍射光光強Is的測量。激光器發出的光束經過全反射三棱鏡的反射，垂直照在點陣全息圖的被測點，無論激光束內包含多少個點及這些點的干涉條紋的方向和空間頻率如何變化，其正、負級的衍射光一定是在0級光的兩側，圍繞0級光分布。對于鍍鋁的模壓點陣全息圖，0級光沿正反射方向行進，經過位于正中央不透明的阻光物質的阻擋，不能進入會聚系統，不能到達光電接受器。在聚光鏡組口徑設計成只考慮讓正、負1級的衍射光通過，正、負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。

設計點2：關于入射光光強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，進入會聚系統到達光電接受器，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Io。

然后，根據衍射效率的計算公式算出衍射效率的測量值。

測量值：衍射效率的計算公式：h=Is/Io

三、研制一種激光全息衍射效率測量設備

根據我們設計的點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備。在研制中，經過反復實驗，我們確定使用功率穩定度好的半導體激光器作為入射光發生器、重復定位精度高的精密樣品移動臺、含有多組透鏡的衍射光會聚系統及先進的數據采集系統等組件進行搭建，然后將樣品的定位，通過自編軟件來自動控制數據采集和處理，繼而完成整個測量過程。在實際檢測中，針對不同種類的點陣全息產品進行了取樣，樣品有：全息紙、全息燙印箔、全息鍍鋁膜、全息透明膜、全息介質膜、全息標識等。從測量相對偏差看，設備的穩定性達到設計要求。

經過大量檢測，我們發現目前動態點陣全息圖案常見的主要有：移動光柱、擴-縮（光茫）動感、動態旋轉、彩虹全息圖與動態點陣全息技術結合應用、介質復合后衍射效率。通過對各種點陣全息防偽產品衍射效率的檢測工作中，我們也得到了大量的統計數據，從數據統計結果分析可以看出，無論是全息標識還是全息膜、全息紙，其衍射效率都在15%左右。從測試結果可以看出：在全息產品中衍射效率比較高的一類產品中，衍射效率在10%～25%；衍射效率較低的一類產品，衍射效率在2%～5%。這種點陣全息圖衍射效率檢測設備的檢測范圍覆蓋了目前市場上出現的點陣全息產品衍射效率技術指標。該設備在同等條件的測量中重復性強、可靠性強、穩定性好。

結語

這樣一種點陣全息產品衍射效率測量設備是商品經濟、科技升級的必然產物。激光全息技術作為一種防偽手段，具有美好的前景。隨著科學技術的不斷發展，很多高新技術通過各種工藝與激光全息圖像技術相結合，使仿造難度增大，從而更好地達到了防偽的效果。事實和數據都表明，隨著防偽產品技術的不斷發展，全息防偽產品測量辨識技術也會飛躍發展，多學科的介入也是必然的方向，當前市場要求我們開發出具有更能對新技術新產品具有檢測能力的設備，以滿足企業及消費者需求。只有提升了檢測力能，才能推動我們全社會商品經濟的文明進步，保障市場有序合法地運轉。我們相信它的良性發展是政府和企業樂見的。

參考文獻

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［3］司國斌，張艷.精密超精密加工及現代精密測量技術［J］.機械研究與應用，2006 （1）：23-25.

中圖分類號：O436

文獻標識碼：A