Способ записи голограмм

 

Использование: оптика и голография. Сущность изобретения: способ записи голограмм заключается в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования с последующим отражением этого пучка от объекта голографирования с формированием объектного волнового поля, воздействии на светочувствительный материал объектным и опорным волновыми полями и в последующей обработке светочувствительного материала с получением голограммы, представляющей собой объемную дифракционную решетку, при освещении которой восстанавливается объектное волновое поле, являющееся голографическим изображением. В процессе записи голограмм и обработки светочувствительного материала осуществляют кодирование объектного волнового поля путем создания участков деформации поверхности объекта голографирования и светочувствительного материала с величиной деформации, выбранной из диапазона 0,1 - 1,0 мкм, визуализируемых на воспроизведенном голографическом изображении при освещении голограммы когерентным световым пучком с целью копирования. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптике и голографии, а более точно касается способа записи голограмм, который может быть использован для изготовления защитных голографических наклеек на кредитные карточки, денежные знаки, знаки соответствия, проездные документы, при защите товарных знаков и производстве упаковки.

Широко известно использование голограмм, например, голографических изображений или оптических меток с элементами голографии, наносимых на документы, ценные бумаги, изделия с целью исключения или затруднения подделок.

Одним из наиболее эффективных способов защиты от подделки ценных бумаг и товаров является прикрепление к ним голограммы. Это полностью исключает подделку документов и товарных знаков соответствия с помощью полиграфической или фотокопировальной техники [1].

Известен способ записи многоцветных радужных голограмм, заключающийся в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования, направлении на светочувствительный материал объектного и опорного волновых полей и последующей обработке светочувствительного материала с получением голографического изображения [2].

Здесь в качестве источника когерентного светового пучка использован одноцветный лазер, излучением которого освещают одну из цветоделенных составляющих многоцветного объекта голографирования, ограничивают по одному направлению спектр пространственных частот объектного волнового поля, направляют на светочувствительный материал объектное и опорное волновые поля и производят запись указанной цветоделенной составляющей многоцветного объекта голографирования. Далее многократными экспозициями записывают другие цветоделенные составляющие объекта, изменяя перед каждой экспозицией несущую пространственную частоту за счет изменения угла между направлениями распространения опорного и объектного волновых полей. В качестве светочувствительного материала применены галоидосеребряные фотоэмульсии, которые после окончания записи голографического изображения проявляют.

Затем голографическое изображение переносят на фоторезист, обладающий рельефной структурой, и изготавливают никелевые матрицы для тиражирования многоцветных радужных голограмм, при этом с одной никелевой матрицы может быть получен тираж от 10000 до 20000 экз.

В связи с тем, что стоимость одной голограммы при изготовлении тиража значительно меньше стоимости защищаемых документов или товаров, могут быть осуществлены несанкционированное копирование защитной голограммы и изготовление тиража поддельных голограмм.

Копирование может быть произведено путем освещения ее излучением одноцветного лазера, восстанавливающим голографическое изображение, которое может быть многократно записано на светочувствительный материал.

Может быть осуществлено контактное копирование голограммы, заключающееся в том, что голограмму прижимают к новой регистрирующей среде и освещают когерентным светом, добиваясь дифракции света на голограмме.

В результате взаимодействия первого порядка дифрагировавшего света, несущего объектную информацию, и нулевого порядка дифрагировавшего света, являющегося опорным пучком, образуется интерференционная картина, которая записывается на регистрирующей среде. Таким образом создается голограмма-копия.

Кроме описанных выше оптических методов копирования на основе оригинала голографического изображения может быть изготовлен макет объекта голографирования и выполнено его голографирование с целью получения копий.

В связи с появлением гибких, прочных и устойчивых к внешним воздействиям светочувствительных материалов широкое распространение для защиты ценных бумаг и товаров от подделки получили объемные голограммы, регистрируемые на этих новых светочувствительных материалах.

Известен способ записи объемных голограмм, заключающийся в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования таким образом, что этот пучок проходит через светочувствительный материал [3].

В известном способе отраженное от объекта голографирования объектное волновое поле и первичный световой пучок, являющийся опорным волновым полем, взаимодействуют в области светочувствительного материала, при этом угол между направлениями опорного и объектного полей составляет около 180^o, что является условием записи на светочувствительном материале объемной голограммы. Затем осуществляют фотохимическую обработку материала для получения голографического изображения.

Полученное объемное голографическое изображение обладает низкой защищенностью от подделки, так как может быть скопировано путем размещения голограммы-оригинала на месте объекта голографирования, при этом волновое поле от голограммы-оригинала полностью идентично объектному волновому полю, создаваемому подлинным объектом голографирования.

Несанкционированное копирование объемной голограммы также может быть осуществлено путем изготовления макета объекта голографирования, как это было описано выше.

В основу изобретения положена задача создания способа записи голограмм, в котором в процессе записи и при обработке светочувствительного материала было бы обеспечено кодирование, выявляемое при копировании голографического изображения, что препятствовало бы получению полностью идентичной голограммы-копии.

Это достигается тем, что в способе записи голограмм, заключающемся в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования с последующим отражением этого пучка от объекта голографирования с формированием объектного волнового поля, воздействии на светочувствительный материал объектным и опорным волновыми полями и в последующей обработке светочувствительного материала с получением голограммы, представляющей собой объемную дифракционную решетку, при освещении которой восстанавливается объектное волновое поле, являющееся голографическим изображением, согласно изобретению осуществляют кодирование объектного волнового поля путем создания участков деформации поверхности объекта голографирования и светочувствительного материала с величиной деформации, выбранной из диапазона 0,1-1,0 мкм, визуализируемых на воспроизведенном голографическом изображении при освещении голограммы когерентным световым пучком с целью копирования.

Участки деформации могут быть созданы различными путями.

Например, возможно участки деформации создавать в процессе обработки светочувствительного материала за счет формирования в нем участков разной толщины.

Целесообразно участки разной толщины формировать посредством локального теплового воздействия на поверхность светочувствительного материала.

Также целесообразно участки разной толщины формировать посредством локального химического воздействия на поверхность светочувствительного материала.

Кроме того, участки разной толщины формируют посредством локального ультрафиолетового воздействия на поверхность светочувствительного материала.

Такое кодирование волнового фронта с помощью создания участков деформации светочувствительного материала поверхности объекта голографирования не позволяет произвести копирование голограммы оптическим способом, а также воспроизвести ее, механически копируя объект съемки.

Изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых на фиг. 1 изображена условно традиционная оптическая схема записи голограммы согласно изобретению; на фиг. 2 - условно оптическая схема записи голограмм Денисюка согласно изобретению; на фиг. 3 - условно система слоев светочувствительного материала с разными показателями преломления и отражения лучей от них.

Основной принцип голографии, изобретенной Д.Габором, можно сформулировать следующим образом. Если на светочувствительный материал записать интерференционную структуру, образованную волной, отраженной от объекта голографирования (предметной или объектной), и когерентной с ней опорной волной, а затем осветить полученную структуру (голограмму) опорной волной, то в результате дифракции света восстановится объектная волна, т.е. изображение предмета.

Рассмотрим наиболее широко используемые оптическую схему для записи голограмм, изображенную на фиг. 1. Такая схема состоит из лазера 1, расширителя 2 луча, делителя 3 светового пучка, зеркал 4 и 5 для отражения опорного и объектного пучков соответственно, объекта 6 голографирования, фотопластинки 7 со светочувствительным материалом.

В общем случае кодирование объектной волны в процессе записи голограммы заключается во внесении на пути ее распространения различных неоднородностей, изменяющих ее амплитуду и фазу. Такие неоднородности могут быть внесены на пути объектной волны (фиг. 1) от делителя 3 до объекта 6, при этом неоднородности могут быть созданы на самом объекте 6, на пути объектной волны от объекта 6 до регистрирующей среды фотопластинки 7, на самой регистрирующей среде.

Неоднородности могут представлять собой локальные изменения показателя преломления или коэффициента пропускания среды, в которой распространяется объектная волна. Неоднородности также могут представлять собой области деформации поверхности объекта 6 голографирования или регистрирующей среды.

Способы внесения неоднородностей могут быть такими, что при освещении голограммы области неоднородностей визуализируются все время или только при освещении когерентным опорным пучком, или при падении опорного пучка на голограмму под определенным углом.

Описанные выше неоднородности создаются таким образом, чтобы в случае визуализации нельзя было судить о характере неоднородности, способе ее создания и, следовательно, нельзя было бы создать другую голограмму с идентичной неоднородностью.

Чтобы добиться этого, необходимо кодировать объектное волновое поле в процессе получения голограммы путем создания нескольких неоднородностей различных типов.

Рассмотрим несколько примеров кодирования объектного волнового поля с помощью изменения фазы объектной волны.

На оптическом стенде размещают источник когерентного излучения (лазер). В зависимости от типа используемого светочувствительного материала используются лазеры различной мощности и длины волны генерируемого излучения. Для галоидосеребряных эмульсий используется гелий-неоновый лазер, дающий излучение с длиной волны 632 нм красного цвета. Для бихромированной желатины используется аргоновый лазер с длиной волны 488 нм, дающий излучение зеленого цвета. Для экспонирования фоторезиста используется гелий-кадмиевый лазер, имеющий длину волны излучения 444 нм фиолетового цвета. Затем собирают оптическую схему, представленную на фиг. 1.

Элементы оптической схемы должны быть жестко закреплены на оптическом стенде, а сам оптический стенд должен обеспечивать защиту от вибрации так, чтобы амплитуда вибраций оптических элементов не превышала 0,1 от длины волны, т.е. была не больше 50 нм.

После этого освещают светочувствительный материал опорным и предметным пучками, т. е. производят экспозицию. Время экспозиции определяется чувствительностью материала, его размерами и интенсивностью лазерного излучения. При размерах фотопластинки 9х12 см и при использовании наиболее широко применяемых типов лазеров и фотоматериалов типичное время экспозиции составляет от 30 до 150 с.

Затем осуществляют химическую обработку фотоматериала. Для галоидосеребряных эмульсий - это проявка и фиксирование, аналогичные химическим процессам в фотографии. Для бихромированной желатины - это разбухание в воде и сушка в спирту. Для фоторезиста - это травление в щелочи. Для фотополимера Омни Декс - это освещение ультрафиолетовым светом и нагрев. В любом случае после обработки фотоматериала в тех местах, где была разная освещенность, получается различный коэффициент пропускания или показатель преломления фотоматериала.

В процессе записи голограммы на светочувствительном материале регистрируется интерференционная картина, образующаяся в результате взаимодействия объектной и опорной волн, которая представляет собой систему синусоидальных темных и светлых полос или синусоидальных полос с большим либо меньшим показателем преломления, период которых близок к длине объектной или опорной волн.

Если осуществить последовательно две экспозиции светочувствительного материала, изменив между ними фазу объектной волны, то взаимодействие двух систем синусоидальных полос на светочувствительном материале даст биения, которые имеют период значительно больший, чем период первичных систем полос. Поэтому система полос, представляющая собой эти биения, может наблюдаться при восстановлении голограммы. Период биений обратно пропорционален разности фаз между объектными волнами при последовательных экспозициях.

Разность фаз может создаваться путем изменения оптического пути объектной волны. Например, с помощью внесения неоднородности с другим показателем преломления. Такой неоднородностью может быть струя теплого воздуха или газа с другим показателем преломления, например. Толщина струи должна быть существенно меньше ширины светового пучка.

Такой неоднородностью может быть тонкая полоска прозрачного материала.

Размеры такой неоднородности могут быть определены из следующей формулы: (N_C-N_H)d = M·λ, где N_c - показатель преломления среды; N_H - показатель преломления неоднородности; M - число темных полос в области неоднородности; λ - длина волны излучения.

Чтобы получить две темных полосы достаточно при длине волны в среднем около 500 нм внести струю гелия толщиной около 10 мм.

Можно изменить длину оптического пути непосредственно, например, передвинув на небольшую величину (от одной до нескольких длин волн) поверхность объекта голографирования. При длине волны в среднем около 500 нм (0,5 мкм) для получения пяти темных полос необходимо сдвинуть поверхность объекта вперед по ходу луча на 0,7 мкм.

Для этого объект может быть закреплен на пьезодвижитель, с помощью которого он может быть перемещен на небольшое расстояние между экспозициями. К объекту может быть приложено механическое напряжение, которое вызовет деформацию его поверхности. Для этого объект закрепляют по краям, а в центре прикладывают механическое напряжение с помощью пьезодвижителя или микрометрического винта так, чтобы вызвать деформацию его поверхности.

Объект может быть нагрет, что вызовет его тепловое расширение. Величина нагрева зависит от коэффициента теплового расширения материала, из которого изготовлен объект, и его размеров. Например, для объекта толщиной 10 мм, изготовленного из алюминия, чтобы увеличить его толщину на 1 мкм необходимо нагреть его на 5^o.

Если внесение неоднородности, деформация или нагрев объекта осуществляются за время, существенно меньшее (в 5-10 раз), чем время экспозиции, то нет необходимости прерывать экспозицию, разбивая ее на два этапа. Достаточно осуществить требуемое воздействие в середине экспозиции.

Рассмотрим кодирование волнового поля, создаваемое с помощью деформации светочувствительного материала.

Обычные лейтовские голограммы записывают на тонких эмульсиях. Слой фоторезиста, например, имеет толщину 0,2-0,5 мкм. Деформацию светочувствительного материала можно осуществлять лишь при условии, что он имеет значительную толщину. Светочувствительные материалы, имеющие толщины от 15 до 25 мкм, например, бихромированная желатина, обычно применяются для записи объемных голограмм.

Запись осуществляют по схеме, предложенной Ю.Н.Денисюком (фиг. 2). В наиболее простом варианте этой схемы луч аргонового лазера 1 с длиной волны 488 нм преобразуется расширителем 2 в световой пучок 8, освещающий объект 6, перед которым размещают прозрачный светочувствительный регистрирующий материал 9. При этом в области расположения регистрирующего материала 9 интерферируют пучки излучения, освещающего объект 6 и отраженного им.

Если два интерферирующих пучка направлены навстречу друг другу (под углом α = 180^o), то в пространстве возникают стоячие волны - системы плоскостей узлов и плоскостей пучностей, расстояние между которыми равно λ/2. Если α ≠ 180°, то расстояние между соседними пучностями (или узлами) стоячих волн возрастает в 1/(sinα/2) раз и становится равным λ/(2 sinα/2). Плоскости узлов и пучностей световых волн будут направлены по биссектрисе угла α (фиг. 3).

Если ввести в зону пересечения световых пучков светочувствительный регистрирующий материал 9, проэкспонировать его и обработать, то система узлов и пучностей будет зафиксирована в нем в виде слоев 10 с разным показателем преломления.

На фиг. 3 условно показаны опорный 11 и предметный 12 пучки, а также падающий и дифрагирующий пучки 13 и 14, восстанавливающие изображение.

Основным свойством такой трехмерной фазовой дифракционной решетки является то, что при освещении такой решетки пучки 14, отраженные от разных слоев, будут усиливать друг друга только в том случае, когда они синфазны, т.е. разность хода между ними должна равняться целому числу длин волн: 2dsinΘ = λ/n, где d - расстояние между слоями 10; λ -длина волны в воздухе; n - показатель преломления среды;
Θ - угол, который падающий и дифрагирующий пучки составляют со слоями 10.

Это условие Липпмана-Брэгга будет автоматически выполняться лишь для той длины волны, на которой регистрировалась голограмма. Это приведет к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Поэтому для восстановления голографического изображения можно использовать некогерентный источник света, такой как лампа накаливания или Солнце.

Если в процессе обработки полученной голограммы произошло изменение толщины регистрирующего материала, повлекшее за собой изменение расстояния между зарегистрированными интерференционными поверхностями, то соответственно изменится и цвет восстановленного изображения: при уменьшении толщины он сместится в коротковолновую, а при увеличении - в длинноволновую часть спектра.

Если в каком-то месте поверхности голограммы толщина светочувствительного материала 9 будет отличаться от толщины остального материала, то при освещении голограммы белым светом это место будет иметь другой цвет. Если же голограмму осветить монохроматическим лазерным излучением, то при восстановлении голограмма будет видна только под определенным углом, получаемым из условия Липпмана-Брэгга. Место, имеющее иную толщину, будет темным, так как условие Липпмана-Брэгга для него будет выполнено для другого угла.

Оценим минимальную величину изменения толщины одного слоя, при которой не будет визуализироваться деформированный участок. Из условия Липпмана-Брэгга нетрудно получить, что

где Δd - изменение расстояния между слоями;
ΔΘ - изменение угла падения и отражения.

Величина ΔΘ, требуемая, чтобы отраженные лучи не были видны, т.е. не попадали в точку наблюдения, например, глаз, составляет несколько градусов или около 0,1 рад. Тогда Δd составит около 0,05 мкм. Фактически при значительной коллимированности восстанавливающего лазерного пучка эта величина может быть еще меньше. При восстановлении в белом свете такое Δd будет приводить к незначительному изменению цвета деформированного участка, которое незаметно глазом.

Общая величина деформации всего светочувствительного материала 9 при его толщине 20 мкм может меняться в диапазоне от 0,3 до 2,0 мкм. При изменении толщины свыше 2 мкм становится заметным изменение цвета деформированного участка.

Рассмотрим несколько примеров создания участков деформаций светочувствительного материала 9.

Записывают голограмму по схеме Денисюка (фиг. 2) на галоидосеребряной эмульсии, бихромированной желатине или фотополимере. Затем осуществляют химическую обработку проэкспонированного материала. После обработки для получения требуемого цвета голографического изображения производят общее уменьшение толщины фотослоя, называемое усадкой. Это достигается путем длительного (около 1 ч) прогревания в термостате при температуре около 100^oC. Если в процессе усадки некоторые участки голограммы подвергнуть воздействию более высокой температуры (120-150^oC) или более длительному тепловому воздействию (1,5 ч), то в этих местах произойдет более сильная усадка, т.е. уменьшение толщины эмульсии. Такое локальное нагревание можно осуществить, вводя участки поверхности голограммы в контакт с телом определенной формы, нагретым до 150^oC, или освещая эти участки инфракрасным излучением через отверстия определенной формы. Особенно эффективно осуществлять такое воздействие а начале процесса усадки.

Другой способ воздействия применим для фотополимерных голографических материалов Омни Декс. Способ заключается в освещении участков фотополимера ультрафиолетовым излучением перед термоусадкой. Величина ультрафиолетового облучения составляет 100 мДж/см².

У данного типа фотополимеров в процессе нагревания происходит увеличение толщины фотослоя. Ультрафиолетовое излучение приводит к избыточной полимеризации фотослоя, что препятствует увеличению его толщины.

Третий способ создания деформаций заключается в приложении механического давления к фотослою в процессе усадки. Для этого голограмму размещают в специальной оправке, накладывают пуансон определенной формы и прижимают его винтом, создавая давление 100-200 H/см² . Давление прикладывают на время от 10 до 30 мин до начала термоусадки или во время нее.

Четвертый способ может использоваться для бихромированной желатины. Он заключается в том, что осуществляют пониженную экспозицию определенных участков голограммы. Это достигается путем затенения этих участков в процессе экспозиции и снижения на 30% количества света, падающего на эти участки. В процессе обработки происходит повышенное разбухание желатины в этих метах, которое сохраняется после дальнейшей обработки материала.

Кодирование волнового фронта с помощью создания участков деформации светочувствительного материала, поверхности объекта голографирования, а также среды распространения объектной волны не позволяет скопировать голограмму оптическим способом, а также воспроизвести ее, механически копируя объект съемки. Таким образом достигается цель полной защиты от копирования.

Формула изобретения

1. Способ записи голограммы, заключающийся в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования с последующим отражением этого пучка от объекта голографирования с формированием объектного волнового поля, воздействии на светочувствительный материал объектным и опорным волновыми полями и в последующей обработке светочувствительного материала с получением голограммы, представляющей собой объемную дифракционную решетку, при освещении которой восстанавливается объектное волновое поле, являющееся голографическим изображением, отличающийся тем, что осуществляют кодирование объектного волнового поля путем создания участков деформации поверхности объекта голографирования и светочувствительного материала с величиной деформации, выбранной из диапазона 0,1 - 1,0 мкм, визуализируемых на воспроизведенном голографическом изображении при освещении голограммы когерентным световым пучком с целью копирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участки деформации создают в процессе обработки светочувствительного материала путем формирования в нем участков разной толщины.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что участки разной толщины формируют посредством локального теплового воздействия на поверхность светочувствительного материала.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что участки разной толщины формируют посредством локального химического воздействия на поверхность светочувствительного материала.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что участки разной толщины формируют посредством локального ультрафиолетового воздействия на поверхность светочувствительного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2