光学防伪

光学防伪检测技术

1.1

光源在科学研究和从工程技术中的用途广泛，防伪技术更是离不开光源，尤其是激光光源，例如氦氖激光器、半导体激光器等。在防伪技术中，光是信息的携带者，光的辐射能量、频率和振幅和携带与传输各种信息，因此光源在防伪技术中往往起着关键性的作用。

1.1.1

1）对于发光源的要求：除去那些直接检测以及规定了光源或辐射特性的光电检测系统外，总是要求光源热性满足防伪检测的需求。其中最重要的要求之一，就是光源发光的光谱特性必须满足防伪检测系统的需求。防伪检测系统对光谱范围的要求应在选择光源是给予满足。

为了增大光电防伪系统的信号和信噪比（信噪比，英文名称叫做SNR 或S/N （SIGNAL-NOISE RATIO)，又称为讯噪比。是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。），之后引入光源和光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性间的重合性和一致性。

光谱匹配系数α=A 1/A 2=λ?∝?0Sd W / λ?

∝

0Wd

W 为波长λ时，光源光辐射通量的相对值。

S 为波长λ时，光电探测器灵敏度的相对值。

实际选择时，应综合兼顾二者的特性，使匹配系数尽可能大些。

2)对于光源发光强度的要求

为确保防伪检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。光源强度过低，系统获得的信号过小，以致无法正常检测；光源强度过大，又导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也会导致不必要的能源消耗而引起的浪费。

3）用于光电检测的系统中的光源除了上述基本要求外的，还有一些具体要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源发光效率和空间分布等。

1.1.2灯光选择

1）LED用途广泛，光学防伪检测技术对LED组合照明有严格的要求，主要着眼于对照明区域亮度、均匀性和照明波长的、温升等影响。

2）氦-氖激光器

3）半导体激光器

2.1

2.1.1

激光全息防伪技术

激光全息防伪标识能起到防伪作用，其主要原因如下

1）激光全息图的制作和复印技术含量高，需专门人才，而且工艺复杂，设备昂贵。激光全息印刷时以全息照相为基础发展起来的，而且全息照相本身就是一项高新技术，它除了需要高质量的照相设施之外，更重要的是需要掌握全息照相技术、有丰富经验的专业人士进行操作才能保证制作出合格的全息模板。另外从设备的精度、质量上看，仅有大笔的资金投入也是无法实现防伪标识的制作的。因此从技术、人员、工艺、设备以及投资的角度来看，制作全息商标的难度是比较大的。

2）激光全息图本身的特性决定其具有难以仿制的特性。由于全息图本身是密度极高的复杂光栅，而且彩虹全息具有再现图像颜色可变的性质，因此采用假彩色编码技术，使不同图案或同一图案中不同的部分再现出不同的颜色。这些特点使得即便是同一个人在异地用同样的方法也无法制作出光栅完全相同的两张全息图。

3）加密全息、三维全息和真彩全息等技术的引入加大了激光全息防伪技术的防伪力度。利用特殊的光学编码技术在全息图中加密，用特别的三维物体模型作为目标拍色的全息图，真彩色全息再现和客观的物体颜色一致的图像等技术的科技含量都非常高，因此可以保证采用这些技术制作的防伪标示不易被仿制。

4)采用防揭型和熨印型两种电化铝箔膜制作模压全息图加大了仿制的难度。防揭型全息图是一次性使用的，全息图印制在复杂的结构上，当揭去表面材料后，全息图光栅结构被破坏，从而留印在承印物上的全息图因残缺不全而无法仿制。熨印型全息图也是印刷在复合材料上，不同的是它与承印物结合非常紧密，以至于根本无法从承印物上揭下。

2.1.2全息术原理及发展

全息图的形成分成为两个步骤:第一步为把实物被相干光照明后，事物的散射光与参考光在感光干板上形成干涉条纹；第二步为在显影后的干板上用相同波长的光波照射，便可以再现出原物体的三维图像。

1）全息记录

(1) 干涉场分布与波面位相的一一对应关系。

当两束光相干时，其干涉场分布（包括干涉条纹的形状、疏密及明暗）与这两束光的波面特性（振幅及相位）密切相关，振幅分布影响强度，相位分布影响条纹的形状和疏密分布。无论简单还是复杂的分布，一种分布只对应着一种相干方式，两束光的波面有微小的改变，或者两者相对的位置有微小的改变，都会引起相干场分布的改变。因而，干涉场的分布与波面相位可以说是一一对应的。利用干涉场的条纹分布“冻”住相位信息。

(2)用物光波直接照射感光胶片，处理后在胶片上将一无所有。这是因为底片只能记录强度而不能记录相位信息的缘故。如在曝光的时候将另一光束能与之相干的光同时照射到底片上，这是胶片上记录的僵尸两者相干所形成的干涉场光强分布。处理后留在底片上的将是些干涉条纹。这样，物光波的相位信息便以干涉条纹的姿势被“冻结”在底片上。我们把物光用O(x,y)表示，另一束成为参考光，用R(x,y)表示。全息记录光路如图4-1（a）中。记录底片一般用全息干板。

2）全息再现

全息再现是使记录时被“冻结”的物波在一定条件下“复活”，因此吃过程又称为“波前再现”如图4-1（b）所示，物波前的再现要借助再现光。设C(x,y)表示再现光照射全息图，有可能再现出原物的波前来，并得到与原物完全相同的像。

综上所述全息记录和再现原理，我们便可以理解全息照片所独有的特点，如：再现影像是三维立体像、全息照片的碎片能再现出完整的像、同一张底片可以多次曝光记录多次不同的信息。

2.1.3彩虹全息原理

彩虹全息和像全息一样，也可以用白光照明再现。不同的是，像全息要求光束的像面和记录干板之间的距离非常小，而彩虹全息没有这种限制。彩虹全息是利用记录时光路的适当位置加狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制。当利用白光照明再现时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同的位置将看到不同颜色的像，颜色的排列顺序与波长顺序相同，犹如彩虹一样，因此这种全息技术成为彩虹全息。彩虹全息分为二步彩虹全息和一步彩虹全息。

(1)二步彩虹全息

二步全息记录过程：首先对要记录的物体摄制一张菲涅耳离轴全息图H1,称为主全息图，记录光路如图4-2（a）所示；第二步是用参考光的共轭光照明H1，产生物体的赝实像，在H1的后面放置一水平狭缝，实像和狭缝之间放置全息干板H，用会聚的参考光R记录第二张全息图H，这张全息图就叫做彩虹全息图。如果用共轭光R*照射彩虹全息图H，则产生第二次赝像，由于H记录的是原物的赝实像，所以再现的第二次赝相对于原物来说是一个正常的像，与原物的再现像一起出现的狭缝的再现像，它起一个光阑的作用。

再现虚像，眼睛位于其他位置时，则由于受到光阑的限制，不能观察到完整的像。

如果用白光来照明彩虹全息图，则每一种波长的光都形成一组狭缝像和物体像。一般来说，狭缝像和物体像的位置随波长连续变化。如果观察者的眼睛位于狭缝后方适当的位置，由于狭缝对视场的限制，通过某一波长所对应的狭缝限制只能看到再现像的某一条带，其色彩与该波长对应。同波长相对应的狭缝在空间中是连续的，因此，所看到的物体像就是具有连续变化的颜色，像雨后的天空的彩虹一样，彩虹全息也是像全息的一种。

在记录全息图H时，物光束受到狭缝S的限制只是一束细光束透射在H上，因而对应

物点C’的信息在全息图的Y 方向上只占了一小部分。对于这一部分全息图，也可以叫做线全息图，如图4-2(b)所示。设狭缝宽为a，狭缝与H的距离Z s，则线全息的宽度如下公式：

△H=Z0a /（Z0+Z S）

由于物点的全息图的大小在铅直方向Y上受到限制，再水平方向不受限制，因此，再现

像在Y方向上失去了立体感，在水平方向上仍有立体感。由于人眼是排在水平方向上的，所

以并不影响立体感。

二步彩虹全息的优点是视场大，但由于在制作彩虹全息图时，需要经过两次采用激光光源的记录过程，散斑噪声大，故直接应用难。

(2)一步彩虹全息

从二步彩虹的记录和再现过程可知，彩虹全息图的本质是要在观察者与物体再现现象之间形成一个狭缝像，是观察者通过狭缝看物体，以实现白光再现。根据这一原理，我们可以用一个透镜使物体和狭缝分别成像，是全息干板位于两个像之间的适当位置。如图4-4（a）所示，狭缝位于透镜的检点之内，在狭缝同侧得到其放大的正立的虚像。

如物体在焦点以外，则物体的像在透镜另一侧，这时的光路结构，本质上与二步彩虹全息的二次记录是相同的。再现时用参考光的共轭光照明，形成狭缝的实像和物体的虚像，眼睛位于狭缝像处可以观察到再现的物体虚像。再现光路如图4-4（b）。

在一步彩虹全息中，也可以把物体和狭缝放在焦点透镜之外，使他们在透镜的另一侧成像，记录时仍将全息干板放置于物体像和狭缝像之间，如图4-5.

在一步彩虹全息中，由于减少了一次记录过程，噪声较二步彩虹全息小，但是视场受到透镜大小的限制。

3.1

激光全息防伪标识

防伪全息差您常常被制成防伪标识，用于产品的安全防伪中。由于激光全息图的色彩神奇，图像逼真，信息量高，并且可以进行大批量的压膜复制，因而在防伪领域中得到了广泛的应用。

激光全息防伪标识的制作是利用彩虹全息照相的原理，首先制作全息母板，再将全息母版经过模压工艺，将母版上的干涉条纹转移到标识材料上，制成可以供印刷使用的金属板。其工艺如下：

1）光刻胶全息母版的设计和制作

这种光刻胶母版一般分两大类：

第1类：像素全息法加全息照相两步记录法：

“像素全息法”是利用计算机程序来控制经过微缩的两激光束进行旋转曝光，从而使最后形成的全息图像从不同的角度观察，会产生忽大忽小、闪烁跳动、变化无穷的各种彩虹图案。图案的选择由计算机所编的程序来控制。这是对彩虹材料的整体外观的设计。图案具有强烈的视觉冲击感，而防伪功能由“全息照相的两步法”来完成，即由点阵曝光后，再在特定的位置输入特殊的三维图像和密码。特殊的图像有“准三维显示法”“莫尔技术”“加密码法”。

第2类：光栅光谱编码法加全息照相两步记录法。

根据激光全息光栅衍射光谱的有关理论，衍射光的每一级光谱将由短波到长波展成一组蓝、绿、黄、红的颜色，从衍射级到光源的距离将由不同的光栅常数决定。如果我们让各组光栅的衍射光谱相互错开成一个波段，即严格计算好每组光栅常数所对应的角度，精确掌握形成光栅的两束激光到光刻胶版的交角，然后对每组光栅正交或不同部位方向旋转曝光，每组光栅由计算机所设计的图案的不同部位的反差片组成。这样，经旋转干版来实现多次多组交驻曝光，就得到多方位可观察的五颜六色的光刻胶彩虹母版。

2）电成型

电成型也称电铸，目前是将光刻胶版上的浮雕全息图“转移”到镍版上，然后可以从金属原版上翻镀几次。任何一块金属版都可以重复的翻镀工作版。工作版的厚度一般控制在

50μm左右。其工艺流程如图下：

3）模压

其工艺一般分为四步:

（1）透明塑料膜的表面处理。

表面处理分为化学涂布和预处理两种。化学涂布是在塑料膜表面覆盖一层1~2μm的涂层。模压过程所“转移”的图像就是形成在这个涂层上的。预处理是有些材料是必须保持原有的性能指标，不能用涂料。

（2）安装工作版达到图案的最佳衍射和接缝极小。

（3）模压是将工作镍版上的浮雕全息图经过一定张力、压力、温度、冷却等处理，从而“转移”到透明塑料膜上。

（4）覆膜

即在形成凹凸条纹的表面上覆盖一层0.5μm左右的透明膜，目的在于保护激光全息图像，这层透明米将直接影响产品的质量。