吳警政　許忠?！≈軇亠w

摘要：提出了一種測量點陣全息圖衍射效率的方法，搭建了光學系統(tǒng)。通過在系統(tǒng)光路中放置平面反射鏡，巧妙地將正負一級衍射光與其他級次的衍射光分離開，使光電探測器只接收正負一級衍射光，并且這種測量方法不受被測點干涉條紋方向變化的影響；在激光器后面放置一個半透半反波片，用兩個相同的光電探測器分別實時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，得到八種不同的點陣全息防偽標識的衍射效率的測量結(jié)果。

關鍵詞：全息防偽標識； 衍射效率； 光電探測器

中圖分類號： TH 702 文獻標志碼： 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

全息防偽是應用激光全息技術發(fā)展起來的一種新型防偽技術[1]。我國在20世紀80年代引入模壓全息技術并將它與全息制版技術結(jié)合起來用于產(chǎn)品防偽標識的制作，由于這樣的防偽標識性能穩(wěn)定，與產(chǎn)品包裝結(jié)合較好，適應性強，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識生產(chǎn)設備產(chǎn)量高、占地面積小、用人少、利潤高，人們爭相進入這個行業(yè)，很多質(zhì)量參差不齊的全息防偽標識被制作出來，嚴重影響了全息防偽標識的防偽功能。因此為了充分發(fā)揮全息防偽標識的防偽能力，需要對防偽產(chǎn)品的制作質(zhì)量進行檢測和把關。由于全息防偽標識的本質(zhì)是一種具有光柵狀結(jié)構(gòu)的全息圖，當再現(xiàn)光照射在全息圖上時會發(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識的制作質(zhì)量好壞，因此可以將標識的衍射效率作為衡量其制作質(zhì)量好壞的一個重要指標[3]。盡管依據(jù)防偽全息產(chǎn)品的國家標準[4]已研制出一種檢測儀[5]，但由于其對于激光器輸出功率穩(wěn)定度要求很高，并且只能應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用與普及受到了很大的限制。針對這個問題，本文對防偽全息產(chǎn)品衍射效率的測量方法做了進一步的研究，在原有方法[6]的基礎上提出一種能夠應用于點陣全息圖衍射效率測量的方法。該方法通過將正負一級衍射光與其他級次的衍射光分離，通過對入射光強和衍射光強的實時測量，得到標識的衍射效率，減小了系統(tǒng)對光源功率穩(wěn)定度的依賴，實現(xiàn)了對點陣全息防偽標識負一級衍射光功率的精確測量。

1 全息防偽標識制作原理

最初被廣泛使用的全息防偽標識是一種利用二步彩虹全息技術[7]制成的模壓全息圖。依據(jù)GB/T17000-1997《防偽全息產(chǎn)品通用技術條件》，再現(xiàn)光以一定的入射角照射在彩虹全息標識上面，在標識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一級光，將負一級光的功率與照射至全息標識表面的光功率之比作為標識的衍射效率。隨著激光直寫技術的發(fā)展，產(chǎn)品防偽標識越來越多的采用計算機控制的雙束光干涉點陣直寫技術[8]來制作點陣全息圖。雙束光干涉形成點陣全息圖的每一個像點。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識的負一級衍射狹縫很長，GB/T17000-1997《防偽全息產(chǎn)品通用技術條件》里選用了通光孔徑大通光口徑（≥300 mm），大相對孔徑（≥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)外計算機控制的點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。

當光通過光柵衍射后，各正負級次衍射光將在零級光（反射光）兩側(cè)對稱分布，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，那么當激光斜入射至全息圖時，微光柵衍射產(chǎn)生的各級衍射光的分布將會很復雜，產(chǎn)生的負一級光有可能與別的級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，為了接收在全息圖平面法線附近衍射的負一級狹縫像，匯聚系統(tǒng)采用大口徑的球面反射系統(tǒng)，但當激光傾斜照射點陣全息圖時，多級衍射光就有可能都進入?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陣全息圖衍射效率的結(jié)果也證明了進入聚光系統(tǒng)的不只是負一級的衍射光[9]。由此可知GB/T 17000-1997防偽全息產(chǎn)品通用技術條件中測量彩虹全息圖衍射效率的方法不能準確測出點陣全息圖的衍射效率。

圖中的各級衍射光中由粗到細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，但當入射光以0°角入射即正入射時正負各級衍射光分別在光柵平面法線的兩側(cè)，且正負一級光與正負二級光之間有一定的夾角，如果在衍射光進入?yún)R聚系統(tǒng)之前設法擋住零級光并選擇合適口徑的聚光系統(tǒng)，則可以只記錄正負一級衍射光的功率，然后將所得功率除以2便可得到負一級衍射光的功率。

3 衍射效率測量實驗系統(tǒng)和測量結(jié)果

采用如圖3所示的光路對點陣全息圖衍射效率進行測量。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，透射光經(jīng)過一個體積很小的平面反射鏡反射后垂直照射在全息防偽標識平面上，透射光在平面反射鏡上聚于一點，由圖3可知正負一級和正負二級的衍射光分別在全息圖平面法線的兩側(cè)，平面反射鏡將零級光擋住，再選擇合適口徑的聚光系統(tǒng)僅讓正負一級的衍射光進入聚光系統(tǒng)，最后用相同的光電探測器2記錄光強，即得到±1級衍射光的光強。光電探測器1、2接收的光強分別為Ir 、I′s，激光經(jīng)過半透半反波片后的透射光強為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，全息防偽標識正負一級衍射光經(jīng)過450 mm傅里葉透鏡聚焦在右邊的LX1010B照度計上。半透半反波片反射的光被左邊的LX1010B照度計接收 。

在工作時，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可以實時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測量透射光的強度，將其與左邊照度計示數(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)測得的八個標識的測量結(jié)果如表1所示。

4 結(jié) 論

文章提出了一種測量點陣全息防偽標識全息圖衍射效率的方法，通過在實驗中用平面反射鏡擋掉零級衍射光，測量了正負一級衍射光的衍射效率。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，實時測量了點陣全息圖的衍射效率。文章的研究內(nèi)容對于全息防偽產(chǎn)品的應用有重要意義。

參考文獻：

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

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

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

[4]國家技術監(jiān)督局GB/T 17000-1997.防偽全息產(chǎn)品通用技術條件[S].北京：中國標準出版社，1997.

[5]天津大學.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.激光全息防偽標識的機器識別系統(tǒng)[J].激光與紅外，2000，30（4）：214215.

[7]蘇顯渝，李繼陶.信息光學[M].北京：科學出版社，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，2012.

[9]哈流柱，李春香，周揚斌，等.點陣全息圖衍射效率的測量[J].光學技術，2008，34（3）：435436，440.

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

（編輯：張 磊）