УДК 681.2+537.7+518.5 В И Бобринев Д С Лушников А И...

УДК 681.2+537.7+518.5

В. И. Б о б р и н е в, Д. С. Л у ш н и к о в,А. И. Н и к о л а е в, С. Б. О д и н о к о в,И. К. Ц ы г а н о в

ПОЛУЧЕНИЕ И СЧИТЫВАНИЕ ГОЛОГРАММСО СКРЫТЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ

Рассмотрены схемы получения голограмм со скрытым изображе-нием, используемые как средство контроля подлинности объекта,промаркированного такой голограммой. Предложены модификациисхемы получения с использованием кодирующей маски в канале объ-ектного луча, позволяющие снизить требования к точности уста-новки голограммы при восстановлении изображения без снижениястепени защищенности скрытого изображения. В качестве допол-нительной меры защиты для систем автоматического распозна-вания подлинности голограммы предложено использовать заранеевыбранные элементы скрытого изображения для размещения в нихпроверочного кода.

Радужные голограммы широко используются как средство марки-ровки различных товаров и документов (в том числе, финансовых),обеспечивающее одновременно защиту их от подделки. Первоначаль-но предполагалось, что подделка радужной голограммы является мало-вероятной и не может производиться без высококвалифицированныхспециалистов и специального дорогостоящего оборудования. Однакоразвитие техники голографии привело к тому, что в настоящее времясотни небольших фирм вполне способны изготавливать практическилюбые голограммы. В связи с этим появилась необходимость защитыот подделки самих голограмм.

Оптические методы защиты голограмм от подделок основывают-ся на том, что изображения, зарегистрированные на защищаемой голо-грамме, наблюдаются невооруженным глазом при естественном осве-щении. Если на носителе с такой голограммой зарегистрировать допол-нительное изображение, которое можно считать только с применени-ем специальной аппаратуры и которое неразличимо при естественномосвещении защищаемой голограммы, то наличие такого дополнитель-ного изображения может являться свидетельством подлинности защи-щаемой голограммы и, соответственно, промаркированного предмета.Полученное таким образом изображение принято называть скрытымизображением, а голограмму, содержащую такое изображение, — го-лограммой со скрытым изображением.

В одном из первых вариантов голограмм со скрытым изображени-ем совместно с радужной голограммой, видимой невооруженным гла-

ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". 2004. № 1 37

зом при освещении естественным светом, изготавливалась еще одна го-лограмма, изображение которой могло быть восстановлено только ла-зером [1]. С этой целью на дополнительную голограмму регистриро-валось изображение на достаточно большом расстоянии от плоскостиголограммы, так что при освещении некогерентным светом оно сма-зывалось из-за дисперсии голограммы и становилось практически не-видимым.Однако такое скрытое изображение легко восстанавливаетсялазерным лучом и поэтому не может обеспечить достаточную защитуот подделки, так как оно может быть скопировано и затем зарегистри-ровано на новую голограмму.

В работе [2] описано устройство, с помощью которого дополнитель-ная защитная голограмма получается в виде тонкой (несколько десят-ков микрон) полоски, для ее формирования используется цилиндриче-ская оптика. Вследствие малых размеров такая голограмма практиче-ски невидима, создаваемое ею изображение имеет очень малую яркостьпри естественном освещении, так как при малых размерах голограммына нее падает очень мало света. Вместе с тем, для восстановления изо-бражения в этом случае не обязательно иметь точно такие же цилин-дрические линзы, как при изготовлении голограммы, — можно расши-фровать голограмму, имея другой набор линз.

Были также предложены схемы получения защитных голограммс искажением волнового фронта либо в канале опорного луча, либов канале объектного луча с помощью матового стекла [3–7]. Считы-вание скрытого изображения с такой голограммы возможно только сприменением оптической декодирующей маски, компенсирующей вне-сенные при регистрации искажения волнового фронта. Такие схемыобеспечивают высокую степень скрытости записанного изображения,однако при их применении требуется очень точное позиционированиеголограммы при считывании (единицы микрон) для декодированияизображения. Кроме того, для восстановления неискаженного скрыто-го изображения требуется декодирующая маска, которая должна бытьточной копией матового стекла, использовавшегося при полученииголограммы.

Оптимальным было бы решение, сочетающее высокую степень за-щищенности скрытого изображения и наиболее простые требования кточности установки голограммы при считывании.

В работе [8] в качестве кодовой маски используется растр микро-линз, установленный в канале объектного луча между регистрируемымизображением и голограммой.При считывании изображения голограм-ма освещается лазерным лучом с плоским волновым фронтом, восста-новленная объектная волна проходит через декодирующую фазовую

38 ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". 2004. № 1

маску (такой же, как и при записи, линзовый растр), за которой уста-новлен диффузный экран, на нем в случае подлинности голограммыотображается скрытое изображение. Такое устройство допускает сме-щение голограммы относительно маски на расстояние

δ = 0,808r

n− 1 tgde2f0

;

здесь r— радиус кривизны микролинз в растре, n— коэффициент пре-ломления материала линзового растра, de — размер скрытого изобра-жения, f0—фокусное расстояние фурье-объектива.Для случая практи-чески реализуемых параметров элементов устройства величина допу-стимого сдвига близка к 0,7мм. Таким образом, использование микро-линзового растра позволяет снизить требования к точности установкиголограммы при восстановлении изображения.

В настоящей работе рассматриваются некоторые схемы полученияголограмм со скрытым изображением и считывания восстановленногоизображения, которые могут быть применены как средство проверкиподлинности изделия, промаркированного такой голограммой.

Варианты построения схемыполучения голограмм со скрытымизображением.При получении голограмм со скрытым изображением воптическую схему получения включают элементы, искажающие струк-туру получаемой голограммы так, чтобы изображение, регистрируемоена голограмме, не восстанавливалось без применения специальных де-кодирующих устройств. Это достигается путем введения в канал опор-ного или объектного луча специальной маски, искажающей волновойфронт [4–6]. При этом вносимые искажения не должны приводить кпотере информации о регистрируемом изображении.

Если искажающая маска устанавливается в канале опорного луча,то она не должна вызывать появление “нулей” в распределении энергииопорного луча на голограмме, поскольку в этом случае могут быть уте-ряны некоторые составляющие пространственного спектра регистри-руемого изображения.

При установке маски в канал объектного луча по той же причинедопускается использование только фазовой маски. Кроме того, гради-ент функции фазовой модуляции на поверхности маски должен бытьне слишком велик, так как на участках изменения фазы происходит от-клонение проходящих световых лучей на угол, пропорциональный гра-диенту функции фазовой модуляции, в результате чего некоторые лучиот объекта могут не попасть в апертуру голограммы, что приведет кискажениям в зарегистрированном изображении. Одним из примеровискажений такого рода является появление спекл-структуры на изобра-жении.


Следует отметить также, что требования к точности установки голо-граммы при считывании тем выше, чем быстрее изменяется вносимыйфазовый сдвиг по поверхности маски.

Таким образом, схема получения голограммы и кодирующей маскисущественно влияет на свойства голограмм со скрытым изображением.

Схема получения голограммы Френеля с кодовой маской в кана-ле объектного луча. Схема получения защитной голограммы He–Ne-лазером представлена на рис. 1. Луч лазера 1 проходит сквозь затвор2 и с помощью поворотного зеркала 3 направляется на светоделитель6, в котором луч расщепляется на два канала: канал опорного луча иканал объектного луча.

Зеркало 5 в канале объектного луча направляет луч на коллиматор,состоящий из линз 10, 11 с совмещенными фокусами и микродиафраг-мы 9 0.С помощью коллиматора производится увеличение диаметра ла-зерного луча до размеров, необходимых для освещения входного транс-паранта 13, а с помощью микродиафрагмы— устранение рассеянногосвета, приводящего к паразитной пространственной модуляции распре-деления интенсивности света по апертуре транспаранта.

Далее объектный луч попадает на матовое стекло 12 и транспарант свходным изображением 13. Рассеяние света матовым стеклом исключа-

Рис. 1. Схема получения голограммы Френеля с кодирующей маской в каналеопорного луча:1— лазер; 2— затвор; 3–5— зеркала; 6— светоделитель; 7, 8— телескоп для расши-рения опорного луча; 9 , 9 0 — микродиафрагмы; 10, 11— телескоп для расширенияобъектного луча; 12— матовое стекло; 13— транспарант; 14— кодирующая фазоваямаска; 15— голограмма; 16— зеркало


ет возможность создания теневого изображения транспаранта на кодо-вой маске, что уменьшило бы степень закодированности зарегистри-рованного скрытого изображения. Входное изображение представляетсобой логотип для случая получения голограммы с последующим ви-зуальным контролем подлинности или матрицу прозрачных и непро-зрачных отверстий для случая автоматического контроля подлинности.Далее в канале объектного луча установлена кодовая маска 14, внося-щая искажения в волновой фронт объектного луча, и фотопластинка 15,на которой получается защитная голограмма.

В канале опорного луча установлено поворотное зеркало 4, затемколлиматор 7–9, выполняющий функции, аналогичные тем, которыевыполняет коллиматор в канале объектного луча. Во время юстировкисхемы регистрации луч на выходе коллиматора отражается зеркалом16, установленным за фотопластинкой, и на микродиафрагме контро-лируется диаметр отраженного луча— если он минимальный, это сви-детельствует о том, что опорный луч, падающий на голограмму, име-ет плоский волновой фронт. Во время получения голограммы зеркалоудаляется. После экспонирования и фотохимической обработки (про-явления, фиксирования и отбеливания) голограмма устанавливается насвое место, канал объектного луча перекрывается непрозрачным экра-ном и снова устанавливается зеркало за голограммой. Если полученакачественная голограмма, то в плоскости транспаранта появляется не-искаженное изображение.

Схема получения голограммы с освещением транспаранта объ-ектной волной, сходящейся к поверхности маски. Второй вариант схе-мы получения голограммы показан на рис. 2 (представлена лишь тачасть схемы, которая отличается от рассмотренной ранее). В этой схе-

Рис. 2. Схема получения голограммы с освещением транспаранта объектнойволной, сходящейся к поверхности маски:1, 4 — линзы; 2 — транспарант; 3 — кодирующая фазовая маска; 5 — голограмма;6— опорный луч


ме транспарант 2 освещается сходящейся объектной волной, создавае-мой линзой 1, которая фокусируется на плоскость маски 3. Рассеяннаямаской волна попадает на объектив 4, передняя фокальная плоскостькоторого совмещена с маской. Далее объектный луч попадает на по-лучаемую защитную голограмму 5. Световая волна, идущая от одногопикселя маски, преобразуется в плоскую волну, угол наклона которой коптической оси системы пропорционален расстоянию пикселя от оси.Поскольку практически это расстояние очень мало, то угол наклонатакже мал. В соответствии с этим объектный луч на голограмме созда-ет картину с плавным изменением амплитуды и фазы, причем размерыобразуемых на голограмме пятен тем больше, чем больше фокусноерасстояние объектива и чем меньше размеры сфокусированного пятнана маске. Требуемая точность позиционирования голограммы при счи-тывании должна быть сопоставима с размерами пятен объектного лучана голограмме.

Требования к точности позиционирования голограммы при счи-тывании можно оценить также из следующих соображений. Каждыйпиксель маски отображается на голограмме в виде плоской волны, уголнаклона которой определяется положением пикселя на маске. При счи-тывании с голограммы сопряженным опорным лучом любой участокголограммы будет восстанавливать эту волну, и после прохождениясквозь объектив она будет фокусироваться в той же точке маски, неза-висимо от положения освещенного участка на голограмме. При сме-щении голограммы параллельно самой себе не должно происходитькакого-либо искажения световой волны, возвращенной на голограмму.Из изложенного следует, что такая голограмма мало чувствительна ксмещению ее перпендикулярно оптической оси системы. Это предпо-ложение справедливо, если опорная волна при получении голограммыи считывающая волна при воспроизведении изображения имеют плос-кий волновой фронт.

Схемы получения голограммы с использованием специальных эле-ментов для освещения транспаранта. Способ формирования объект-ного луча, освещающего транспарант, существенно влияет на харак-теристики голограммы. При освещении транспаранта параллельнымпучком света на кодирующей маске получается довольно четкое тене-вое изображение транспаранта, что существенно снижает степень зако-дированности голограммы. С другой стороны, если транспарант осве-щается сквозь матовое стекло, то теневое изображение отсутствует, ночасть света рассеивается за пределы маски, что приводит к частичнойпотере информации (в первую очередь, к появлению спекл-структурына зарегистрированном изображении). Слишком сильное рассеяние


Рис. 3. Схема получения голограммы с маскирующим действительным изобра-жением:1 — осветительная голограмма с действительным маскирующим изображением;2 — транспарант; 3 — маскирующее изображение; 4 — получаемая голограмма; 5— опорный луч

света влечет за собой значительную потерю энергии объектного лучаи увеличение длительности экспозиции при получении голограммы.

Рассмотрим далее некоторые возможные решения этой проблемы.1. Схема получения голограммы с маскирующим действительным

изображением.В схеме, представленной на рис. 3, вообще не использу-ется кодирующая маска. В этой схеме объектный луч, прежде чем по-пасть на транспарант 2, попадает на фазовую голограмму 1, на которойзарегистрировано действительное изображение 3, восстанавливающее-ся в промежутке между транспарантом и защитной голограммой 4. Этоизображение должно быть достаточно броским, чтобы при наблюдениисквозь голограмму оно маскировало изображение транспаранта. Такаяголограмма может быть получена без специальной кодирующей мас-ки. Однако можно установить кодирующую маску в плоскости “пара-зитного” изображения, что позволит повысить степень защищенностиголограммы. Такая модификация схемы будет описана ниже.2. Схема получения голограммы с освещением транспаранта через

матрицу микролинз.На рис. 4 приведена схема, применимая для случаярегистрации транспаранта, представляющего собой двумерную матри-цу ярких точек, которая может быть использована для автоматическогосчитывания скрытого изображения.

В этой схеме перед транспарантом установлена линза 1 и двумер-ная матрица микролинз 2, каждая из которых используется для освеще-ния одной точки транспаранта 3, установленного в задней фокальнойплоскости матрицы микролинз.Матрица освещается слегка сходящим-ся объектным лучом, так что после транспаранта все прошедшие лучиналагаются друг на друга (см. рис. 4).Фокусные расстояния микролинз


Рис. 4.Схема получения голограммы с освещением транспаранта через матрицумикролинз в канале объектного луча:1— линза; 2— растр микролинз; 3— транспарант; 4— маска; 5— голограмма; 6—опорный луч

выбираются таким образом, чтобы размеры освещенного пятна в местеналожения лучей были равны размерам маски.После рассеяния маской4 объектный луч регистрируется на голограмме 5.3. Схема получения голограммы с использованием голограммы в

канале объектного луча. Второй вариант схемы получения голограм-мы с концентрацией энергии объектного луча представлен на рис. 5.Здесь транспарант 2 освещается световой волной, дифрагировавшей нафазовой голограмме 1, на которой зарегистрировано изображение рав-номерно освещенного квадрата или круга. Осветительная голограммаустанавливается так, чтобы она формировала действительное изобра-жение записанного на нее диффузно рассеивающего круга или квадра-та в плоскости кодовой маски 3.При этом на маске отсутствует теневоеизображение транспаранта, а размер освещенного участка маски равенразмеру изображения круга или квадрата. Регистрация интерференци-онного поля производится в плоскости голограммы 4.

Рис. 5. Схема получения голограммы с осветительной голограммой в каналеобъектного луча:1— осветительная голограмма; 2— транспарант; 3— маска; 4— получаемая голо-грамма; 5— опорный луч


Оценка влияния фазовых искажений на изображение, считы-ваемое с голограммы. Требуемую глубину фазовой модуляции вол-нового фронта при получении голограммы со скрытым изображениемможно оценить следующим образом.

Если регистрируемый объект расположен в передней фокальнойплоскости фурье-объектива, то каждая точка его преобразуется в пло-скую волну. В качестве кодирующей маски для простоты можно ис-пользовать пластинку с синусоидальной модуляцией фазы проходящейволны ϕ = ϕ0 sinKx, т.е. фазовую дифракционную решетку. Послетакой решетки плоская волна разлагается в систему плоских дифрак-ционных волн, что приводит к искажению видимого сквозь голограммуизображения. Мощность дифракционной волны порядка n пропорци-ональна величине (Jn(ϕ0))2, где ϕ0 — амплитуда модуляции фазы, а(J0(ϕ0))

2 — остальная часть энергии объектного луча. В таблице при-ведена относительная мощность излучения для видимого сквозь маскуизображения в зависимости от величины ϕ0.

ϕ0, рад 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

(J0(ϕ0))2, отн. ед. 1 0,881 0,586 0,262 0,05 0,0023 0,07

При глубине модуляции фазы ϕ0 > 1,85 рад (это соответствует ве-личине ∼ λ/3) в изображении остается менее 10% энергии, а 90% со-держится в рассеянном свете.Можно считать, что такая степень рассе-яния достаточна для кодирования изображения.

Фазовая модуляция фронта проходящей световой волныможет бытьосуществлена двумя способами: созданием неровностей на поверхно-сти однородной оптической пластинки или локальным изменением по-казателя преломления материала пластинки, как это происходит при от-беливании фотопластинки засвеченной световой волной с пятнистойструктурой (например, спекл-структурой, образующейся при рассея-нии лазерного света матовым стеклом).

В обоих случаях модуляция связана с изменением оптической дли-ны пути, который проходит световая волна при ее распространениисквозь пластинку. Из изложенного следует, что для кодирования до-статочно иметь “глубину” неровностей не более одной длины волны.Далее будет показано, что этот вывод существен для формированиявсей системы регистрации и восстановления скрытого изображения.

Рассмотрим обратную задачу: предположим, что в результате не-точного декодирования световая волна, которая должна создать скры-тое изображение, содержит остаточную фазовую модуляцию. Оценимяркость паразитных световых волн, искажающих восстановленное изо-бражение, на примере восстановления плоской световой волны. Будем


предполагать, что после прохождения через фазовую декодирующуюмаску в восстановленной световой волне имеется остаточная фазоваямодуляция с амплитудой ϕ1. Полагая, что ϕ1— достаточно малая вели-чина, будем принимать во внимание рассеянные волны только первогопорядка дифракции. При этом амплитуда волны нулевого порядка (со-здающей полезное изображение) пропорциональна J0(ϕ1), а амплитудаволн первого порядка дифракции пропорциональна J1(ϕ1).

Поскольку скрытое изображение восстанавливается когерентнымсветом, глубина модуляции изображения паразитным рассеянным све-том равна 2J1(ϕ1)/J0(ϕ1). Полагая допустимой глубину модуляции10%, приходим к выводу, что должно выполняться неравенствоJ1(ϕ1) < 0,05, или ϕ1 < 0,1 (что соответствует величине 0,03λ).

Приближенно можно считать, что найденные значения ϕ0 и ϕ1 со-ответствуют среднеквадратичным значениям глубины фазовой модуля-ции для других типов кодирующих и декодирующих масок (например,масок со случайным распределением величины фазовой задержки), атакже для случая, когда для записи голограммы используется схема ре-гистрации голограмм Френеля.

Фазовая маска. Кодовая маска, используемая при получении за-щитной голограммы со скрытым изображением, должна таким обра-зом преобразовать структуру защитной голограммы, чтобы невозмож-но было восстановить записанное на ней изображение без декодирую-щей маски.

Ранее было показано, что этого можно достичь, используя в каче-стве фазовой маски матовое стекло. Однако при восстановлении изо-бражения на такой голограмме возникают две проблемы: во-первых,необходимо обеспечить точность установки голограммы при считыва-нии порядка единиц микрон; во-вторых, для считывания необходимоиспользовать ту же маску, что и при регистрации, так как очень труд-но изготовить точную копию такой маски. В настоящей работе рассмо-трим способы решения этих проблем. Для снижения требований к точ-ности установки голограммы при считывании изображения, а такжедля обеспечения возможности изготовления одинаковых кодовых ма-сок в требуемом количестве предлагается в качестве кодовой маски ис-пользовать отбеленный фотоснимок спекл-структуры, образующейсяпри освещении матового стекла лучом лазера.

На рис. 6 приведена схема получения кодовой маски, представля-ющей собой фотоснимок спекл-структуры. Луч лазера 1 проходит че-рез положительную линзу 2 и попадает затем на матовое стекло 3.Свет, рассеянный матовым стеклом, образует в пространстве спекл-структуру, которая регистрируется на фотопластинке 4, находящейся


Рис. 6. Схема получения кодирующей фазовой маски:1— лазер; 2— линза; 3— матовое стекло; 4— фотопластинка

на расстоянии R от матового стекла. Распределение интенсивностисвета на фотопластинке представляет собой случайную двумернуюфункцию с радиусом корреляции, равным размерам спеклов. Послеэкспонирования фотопластинка проявляется и отбеливается. В резуль-тате оптическая толщина фотопластинки является промодулированнойв соответствии с распределением ее освещенности при экспонирова-нии, и она может быть использована как фазовая маска со случайнымраспределением вносимого сдвига фазы, причем радиус корреляциифункции фазовой модуляции равен приблизительно среднему размеруспеклов. Амплитуда модуляции фазы с помощью отбеленной фотопла-стинки достигает величины порядка 2π и более, что вполне достаточнодля кодирования изображения.

При этом размеры спеклов, регистрируемых на фотопластинке,определяются формулой

d ≈ 2,5 λDR;

здесь λ— длина волны лазерного излучения, D — диаметр лазерногопятна на матовом стекле, R— расстояние от матового стекла до фото-пластинки.

Изменяя расстояние от линзы до матового стекла в пределах от 0до F (фокусного расстояния линзы), можно изменить диаметр D све-тового пятна на матовом стекле от диаметра луча лазера (2–4мм) до ве-личины порядка 10мкм. При R = 20 см размеры спеклов, таким обра-зом,могут быть изменены от∼10мкм до∼3 см. Размеры спеклов опре-деляются случайным распределением освещенности изображения, за-писываемого на фотопластинку, и соответствуют требуемой точностиустановки кодовой маски при восстановлении изображения.Посколькуглубина модуляции фазы такой маской не превышает нескольких длинволн, требуемая точность установки голограммы при считывании близ-ка к размерам спеклов.


Для схемы, приведенной на рис. 6, можно изготовить необходимоеколичество копий кодовой маски. Для изготовления другой серии ма-сок в случае необходимости достаточно сдвинуть матовое стекло нанесколько миллиметров.

Достоинство данного типа оптической маски заключается в том,что, изменяя размеры спеклов на маске, можно регулировать требова-ния к точности ее установки; кроме того, несложно изготовить сериюидентичных масок для установки их в устройствах контроля, находя-щихся в разных местах.

Второй вариант маски — стеклянная пластинка с выдавленной наней методом горячего прессования матрицей пирамидок с размерамипорядка 1–2мм. При достаточно малой высоте пирамидок вносимаяими глубина модуляции фазы проходящей световой волны может такжесоответствовать величине порядка нескольких длин волн, а требуемаяточность установки голограммы, как и в предыдущем случае, близкак размерам пирамидки. В отличие от линзового растра, пирамидки несоздают изображения транспаранта, и поэтому такая маска обеспечи-вает более высокую степень скрытости изображения.

Позиционирование голограммы при считывании. Для считы-вания скрытого изображения необходимо обеспечить установку голо-граммы в устройство считывания с достаточно высокой точностью.При экспериментальных исследованиях для считывания обычно ис-пользуется та же установка, в которой голограмма была получена.

При создании специального считывающего устройства необходимообеспечить контроль правильности позиционирования голограммы.

В работе [9] описана защитная голограмма и устройство для считы-вания информации с нее. Особенностью описываемой системы явля-ется то, что защитную голограмму получают одновременно с дополни-тельной дифракционной решеткой (голограммой плоско-параллельнойсветовой волны, распространяющейся под углом, отличным от углараспространения объектной волны, используемой для записи штрих-кода), которая применяется для позиционирования голограммы в уст-ройстве считывания.С этой целью в устройстве считывания устанавли-вается дополнительный фотоприемник, на который попадает дифраги-ровавший на дополнительной решетке свет, так что сигнал на выходефотоприемника достигает максимума, когда голограмма установлена вправильную позицию.

Точность позиционирования голограммы можно повысить, есливместо плоской дополнительной волны зарегистрировать на голограм-му изображение светящейся точки. Схема получения голограммы сдополнительным объектным лучом для позиционирования приведена


на рис. 7.В этой схеме объектный луч, выходящий из лазера 1, проходя-щий затвор 2 и поворотное зеркало 3, расщепляется светоделителем 6на два луча, один из которых используется для записи скрытого изо-бражения (11–17 и см. рис. 1, 10–15), а второй — для получения наголограмме точечного объекта. Второй объектный луч через светоде-литель 10 и поворотное зеркало 18 направляется на линзу 19, в заднейфокальной плоскости которой установлена микродиафрагма 20, а за-тем расходящийся из фокуса линзы пучок попадает на голограмму 17.При установке проявленной голограммы в устройство считывания од-новременно с восстановлением скрытого изображения восстанавлива-ется изображение точки, которое смещается вместе с голограммой приее перемещении. Голограмма позиционируется таким образом, чтобывосстановленное изображение точки оказалось в заранее рассчитанномместе, где находится отверстие микродиафрагмы, в результате чего навыходе фотодиода, находящегося за микродиафрагмой, появляется идостигает своего максимума фототок, что является свидетельствомправильной установки защитной голограммы.

Если в устройстве считывания заменить микродиафрагму и фото-приемник матовым стеклом с нанесенным на него реперным знаком, топозиционирование голограммы может выполняться с визуальным кон-тролем.

Рис. 7.Схема получения голограммыс дополнительным точечнымобъектом дляпозиционирования в системе считывания:1— лазер; 2— затвор; 3–5, 18, 21— зеркала; 6, 10— светоделители; 7, 8— телескопдля расширения опорного луча; 9, 12, 20— микродиафрагмы; 11, 13— телескоп длярасширения объектного луча; 14— матовое стекло; 15— транспарант; 16— кодиру-ющая фазовая маска; 17— голограмма; 19— линза, 22— непрозрачный экран


Возможность считывания голограммы со скрытым изображе-нием с помощью лазера с длиной волны, отличающейся от длиныволны лазера записи. Дополнительная проблема возникает в случае,когда получение голограммы и считывание с нее изображения произво-дятся лазерами с различными длинами волн. Известно, что в обычныхголограммах наблюдаются искажения изображения при восстановле-нии изображения излучением с длиной волны, отличающейся от той,которая была использована при получении голограмм. В случае голо-грамм, полученных с кодовой маской, эти искажения проявляются веще бoльшей степени, при этом фазовые искажения, вносимые коди-рующей маской, могут значительно изменяться при изменении длиныволны света. В первом приближении можно полагать, что показательпреломления материала фазовой маски не зависит от длины волны све-та. Полагая, что допустима остаточная ошибка δϕ = λ/10 фазовогораспределения после декодирующей маски, при глубине фазовой мо-дуляции, создаваемой маской, порядка длины волны допустимое разли-чие длин волн при получении и при считывании голограммы не должнопревышать 10%.

В устройстве для проверки подлинности голограммы целесообраз-но использовать полупроводниковый лазер ввиду его малых габарит-ных размеров, низкой стоимости и высокой надежности.Наиболее рас-пространенным типом таких лазеров являются лазеры с длиной волны0,635 . . . 0,65мкм. Соответственно, защитную голограмму со скрытымизображением необходимо получать при помощи лазера с длиной вол-ны, близкой к указанным выше. Наиболее подходящим типом лазера вэтом случае является He–Ne-лазер с длиной волны 0,63мкм.

Наиболее распространенный тип голограмм, нуждающихся в про-верке, — это радужные голограммы, получаемые на фоторезисте, кото-рый нечувствителен к красному свету, и поэтому регистрация на негопроизводится не гелий-неоновым лазером, а с помощью He–Cd-лазерас длиной волны около 0,44мкм. Вследствие значительного различиядлин волн при получении и при воспроизведении голограммы искаже-ния волнового фронта оказываются настолько большими, что восста-новить скрытое изображение красным полупроводниковым лазером неудается.

Для решения этой проблемы предлагается получать защитную го-лограмму со скрытым изображением с помощью He–Ne-лазера, дли-на волны которого близка к длине волны полупроводниковых красныхлазеров, на голографическую фотопластинку (например, типа ПФГ-01или ПФГ-03), а затем контактным способом копировать ее на фоторе-зист с помощьюHe–Cd-лазера.Предпочтительнее получать первичнуюголограмму на фотопластинки ПФГ-03, которые имеют гораздо мень-ший уровень рассеяния света и, соответственно, создают меньше опти-ческих шумов при копировании голограммы.


Полученная таким образом на фоторезисте голограмма сохраняетструктуру голограммы, изготовленной с помощью He–Ne-лазера, по-этому при считывании ее полупроводниковым лазером удается восста-новить скрытое изображение. Далее производится копирование защит-ной голограммы светом He–Cd-лазера на пластинку, покрытую слоемфоторезиста, на которой предварительно была получена голограмма свидимым изображением. При копировании фотопластинка с получен-ной на ней защитной голограммой устанавливается эмульсионной сто-роной к фоторезисту. Таким образом, защитная голограмма регистри-руется на голограмму с видимым изображением методом наложения.После получения обеих голограмм производится проявление фоторе-зиста. Затем изготавливается металлическая матрица и производитсятиражирование голограмм.

Возможность считывания голограмм, скопированных описаннымспособом, была проверена экспериментально.

Устройство считывания скрытого изображения. Устройствоавтоматического контроля подлинности голограмм представлено нарис. 8. Коллимированный луч полупроводникового лазера 1 направля-ется на голограмму 2. Закодированное изображение, восстановленноес голограммы, проходит сквозь декодирующую маску 3 (это копиямаски, использовавшейся при записи) и попадает на матричный фото-приемник 4. В результате корректировки декодирующей маской вол-нового фронта, восстановленного с голограммы, на входе матричногофотоприемника создается неискаженное изображение матрицы, заре-гистрированное на защитной голограмме.

Рис. 8. Схема устройства считывания скрытого изображения:1— полупроводниковый лазер; 2— голограмма; 3— декодирующая фазовая маска;4— матричный фотоприемник; 5— электронный блок; 6— компьютер; 7— микро-диафрагма; 8— фотоприемник системы позиционирования голограммы


Изображение, полученное на защитной голограмме, представляетсобой матрицу круглых ячеек, расположенных в узлах равномернойквадратной сетки с количеством узлов N × N , с четырьмя реперами,расположенными по углам матрицы. С целью повышения надежностипроверки подлинности голограммы вводится дополнительная степеньзащиты — цифровое кодирование информации в скрытом изображе-нии. С этой целью из всего массива ячеек информационной матрицызаранее выбираются номера ячеек, в которые записывается цифровойидентификационный код. Информация, зарегистрированная в осталь-ных ячейках, не используется для идентификации голограммы.

Для точного позиционирования голограммы используется ветвь по-зиционирования, в которой восстановленное с голограммы некодиро-ванное изображение проходит через диафрагму 7 и попадает на прием-ник 8. По сигналу приемника судят о точности установки голограммы.

Считанное фотоприемной матрицей изображение через электрон-ный блок 5 вводится в компьютер 6 для последующей цифровой обра-ботки.

При обработке изображения учитывается возможность появленияпогрешностей, связанных с неточной ориентацией фотоприемной ма-трицы относительно изображения, а также с шумами в изображении,создаваемыми голограммой и приводящими к паразитной модуляциияркости считанного изображения.

Процесс обработки изображения в компьютере включает следую-щие этапы:— определяется средняя яркость считанного изображения, для это-

го суммируются видеосигналы от всех элементов фотоприемной ма-трицы и результат ослабляется соответственно общему числуэлементов;— эмпирически задается пороговый уровень суммы видеосигналов

от элементов в пределах области, равной по форме и по величине обла-сти, занимаемой одним репером;— производится поиск в видеокадре областей, суммарная яркость

которых превышает пороговую, и вычисляются координаты центровтаких областей;— из найденного множества “ярких” областей выбираются две па-

ры объектов, расстояние между которыми в видеокадре максимальное;эти объекты являются реперами, координаты которых были найдены напредыдущем этапе;— по координатам реперов вычисляются координаты узлов ин-

формационной матрицы, и в соответствии со считанным видеокадромопределяется яркость изображения в каждом из этих узлов как сум-


ма видеосигналов от элементов фотоприемной матрицы, находящихсявнутри круговой области, соответствующей данному информационно-му элементу; если найденная яркость выше пороговой, то узлу присва-ивается уровень «1», а если она ниже пороговой, — уровень «0».

Полученная в результате информативная матрица содержит код, всоответствии с которым извлекается эталонное изображение из базыданных изображений (каждому эталонному изображению базы данныхсоответствует своя кодовая комбинация в матрице).

Эталонное изображение извлекается из базы данных следующимобразом. Из информативной матрицы производится выборка элемен-тов с заранее заданными номерами, из которых формируется двоич-ное слово. Полученное двоичное слово сравнивается с хранящимся вкомпьютере эталонным словом с помощью алгебраической операции“исключающее или” (XOR). При совпадении слов выдается двоичныйадрес, по которому из базы данных, хранящейся на CD-диске, извлека-ется эталонное изображение (например, логотип), которое отображает-ся на экране монитора компьютера. На этом процедура обработки изо-бражения заканчивается.

Описанные в настоящей работе способы изготовления защитныхголограмм и устройства для их контроля могут быть использованы дляповышения эффективности защиты голограмм от подделки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. P a t e n t USA № 5.499.116. Encoded hologram for producing a machine readableand a human readable image / J. E. Wreede et al. – Publ. 12.03.1996.

2. П а т е н т РФ № 2110411. Голографическое устройство для воспроизведениякодирующих элементов / А.Д. Гальперн. – Опубл. 10.05.1898.

3. Б о б р и н е в В. И., Г у л а н я н Э. Х. Голограммы с протяженным опорнымисточником // Квантовая электроника. – 1971. – Вып. 4.

4. S o n g c a n L a i. Security holograms using an encoded reference wave // Opt. Eng.– 1996. – V. 35. –№ 9. – P. 2470–2472.

5. R e f r e g i e r P., J a v i d i B. Optical image encryption based on input plane andFourier plane random encoding // Opt. Lett. – 1995. – V. 20. –№ 7. – P. 767–769.

6. J a v i d i B., S e r g e n t A., Z h a n g G., G u i b e r t L. Fault tolerance propertiesof a double phase encoding encryption technique // Opt. Eng. – 1997. – V. 36. –№ 4.– P. 992–998.

7. J a v i d i B., Z h a n g G., L i J. Experimental demonstration of the random phaseencoding technique for image encryption and security verification // Opt. Eng. – 1996.– V. 35. –№ 9. – P. 2506–2512.

8. П а т е н т РФ № 2103741. Устройство для контроля подлинности голограмм// Л.А. Бондарев, С.В. Куракин, А.В. Курилович, С.Б. Одиноков, А.Ф. Смык. –Опубл. 27.01.1998.

9. P a t e n t USA № 5.623.347. Holograms for security markings / D.J. Pizzanelly. –Publ. 22.04.1997.

Статья поступила в редакцию 22.04.2003


Владимир Иванович Бобринев родился в 1936 г., окончил в 1958 г. МГУим. М.В.Ломоносова. Канд. техн. наук, доцент кафедры “Теоретические осно-вы оптоэлектроники” МИРЭА. Автор около 140 научных работ, в основном, вобласти голографии.

V.I. Bobrinev (b. 1936) graduated from the Moscow State University n.a. M.V. Lomonosov.Ph.D. (Eng.), ass. professor of “Theoretical Background of Optoelectronics” departmentof the Moscow Institute for Radio Electronics and Automatics. Author of about 140publications, mainly, in the field of holography.

Дмитрий Сергеевич Лушников родился в 1978 г., окончил в2002 г.МГТУим.Н.Э. Баумана.Аспирант кафедры “Лазерныеи оптико-электронные системы”МГТУ им.Н.Э. Баумана. Ав-тор 5 научных работ в области оптоэлектроники.

D.S. Lushnikov (b. 1978) graduated from the Bauman MoscowState Technical University in 2002. Post-graduate of “Laser andOptical and Electronic Systems” department of the BaumanMoscow State Technical University. Author of 5 publications inthe field of optoelectronics.

Александр Игоревич Николаев родился в 1978 г., окончил в 1999 г. МГТУим. Н.Э. Баумана. Генеральный директор ООО “Голография-Сервис”.

A.I. Nikolaev (b. 1978) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in1999. General director of the joint-stock company “Golografiya-Servis”.

Сергей Борисович Одиноков родился в 1950 г., окончил в1973 г. МВТУ им. Н.Э. Баумана. Канд. техн. наук, доценткафедры “Лазерные и оптико-электронные системы” МГТУим. Н.Э. Баумана. Автор около 130 научных работ в областиоптоэлектронной обработки информации и голографии.

S.B. Odinokov (b. 1950) graduated from the Bauman MoscowHigher Technical School in 1973. Ph. D. (Eng.), ass. professorof “Laser and Optical and Electronic Systems” department of theBauman Moscow State Technical University. Author of about 130publications in the field of optoelectronical data processing andholography.

Иван Константинович Цыганов родился в 1978 г.,окончил в 2002 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Аспиранткафедры “Лазерные и оптико-электронные системы”МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор 5 научных работ в областиоптоэлектроники.

I.K. Tsyganov (b. 1978) graduated from the Bauman MoscowState Technical University in 2002. Post-graduate of “Laser andOptical and Electronic Systems” department of the BaumanMoscow State Technical University. Author of 5 publications inthe field of optoelectronics.


УДК 681.2+537.7+518.5 В И Бобринев Д С Лушников А И...

Documents

Transcript of УДК 681.2+537.7+518.5 В И Бобринев Д С Лушников А И...