Проектирование цифрового универсального триггера

 

Содержание

Проблема человечества

Так что же такое голограмма?

Защитные свойства

Область применения

Голографические оптические элементы

Голограмма-линза

Голографические дифракционные решетки

Голографические мультипликаторы

Голографические компенсаторы

Голографический микроскоп

Литература

Проблема человечества

История борьбы с подделками насчитывает уже много веков. В коллекциях музеев мира можно увидеть фальшивые монеты, изготовленные еще в Древней Греции. Защита от подделок - одна из сторон извечной борьбы добра и зла.

Актуальность проблемы на сегодняшний день обусловлена тем, что современные полиграфические и компьютерные технологии позволяют легко копировать внешний вид практически любого документа. Даже самая сложная полиграфия не в состоянии обеспечить должный уровень защиты от подделок.

Защитные голограммы являются специальными голографическими защитными элементами (ГЗЭ), предназначенными для маркирования товаров, сопроводительной документации к товарам и подтверждения подлинности документов, ценных бумаг, торговых марок и авторских прав с возможностью визуального и инструментального контроля их подлинности.

Защитные голограммы выпускаются в виде самоклеящихся этикеток, разрушающихся при попытке снятия или фольги горячего тиснения. Способами нанесения защитных голограмм на продукцию может быть наклеивание самоклеящихся этикеток на поверхность защищаемой продукции или нанесение на полиграфическую продукцию методами горячего тиснения.

Так что же такое голограмма?

Голограмма - это сверхсложная микроструктура, которая создает визуальное ощущение объемности изображения. Запись голографической информации происходит в процессе лазерной интерференционной съемки. Эта технология позволяет получать голографические элементы с чрезвычайно ярким и четким изображением. Объемность, радужная игра цветов, разнообразие оптических эффектов определяют притягательность и узнаваемость голографической продукции.

Сам принцип создания голограмм, и в том числе защитных, базируется на возможностях массива оптических элементов (комбинации высокоразрешающих дифракционных решеток) отражать и преломлять падающий пучок света.

Иными словами, голограмма - это оптический объект который:

изменяет цвет по всему радужному спектру видимого диапазона света при изменении угла падения (угла зрения наблюдателя);

может изменять форму и видимые размеры изображений (анимация объектов голограммы);

может быть объемным (3D-изображение).

Защитные свойства

Защитные свойства голограмм достигаются за счет двух основных свойств:

·физико-механических свойств используемых материалов - используемые материалы обладают защитными свойствами от оптического копирования и от снятия реплик и обеспечивают саморазрушение информационных слоев при попытке отделения защитной голограммы от поверхности защищаемой продукции;

·внесением в голографическое изображение различных элементов защиты - изготовление защитных голограмм осуществляется комбинированными методами с внесением в изображение высокотехнологичных элементов защиты.

На простом уровне защитные голограммы, выполненные с высоким качеством, уже сами по себе могут служить защитой, однако в одной голограмме могут сочетаться различные элементы защиты, каждый из которых предназначен для своего уровня идентификации и для различных по важности применений.

Как голографические защитные элементы (ГЗЭ), так и голографические элементы (ГЭ) объединяет, прежде всего, принцип их действия. Вне зависимости от способа получения, это рельефные микроструктуры размером около 1 микрона (что соответствует разрешению более 25000 точек на дюйм) и глубиной рельефа в доли микрона. Свет, падающий на такие структуры, в результате явлений дифракции и интерференции разлагается в спектр - мы наблюдаем так называемый радужный эффект. При этом цвет или форма изображения изменяется при наклоне или повороте голограммы.

Главное достоинство технологии создания ГЗЭ, ГЭ состоит в том, что она не только позволяет создавать легко узнаваемые образы, но и производить их в любом необходимом количестве.

Область применения

·защита подлинности ценных бумаг - акций, сертификатов;

·защита подлинности документов, удостоверяющих личность - паспортов, пропусков, удостоверений и пр.;

·защита подлинности финансовых и конфиденциальных документов;

·защита от несанкционированного вскрытия оборудования, пакетов с документацией;

·подтверждение подлинности происхождения продукции и документации;

·защита технической, эксплуатационной документации от несанкционированного тиражирования и распространения;

·защищенные носители информации для специальных систем по учету и контролю за оборотом продукции и т.п.

Голографические оптические элементы

Голографические (или голограммные) оптические элементы (ГОЭ) представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы. Голографические оптические элементы можно сконструировать для преобразования любого входного волнового фронта в любой другой выходной фронт независимо от параметров материала подложки, например от кривизны или показателя преломления. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как составные элементы сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов и др.

Далее рассмотрим некоторые случаи применения ГОЭ в оптике и оптическом приборостроении.

Голограмма-линза

Голограмму можно рассматривать не только как результат записи волнового поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки (решетки). Под этим термином обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую из чередующихся светлых и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами ?п = ?n?zf, где п - целое число, ? - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластину, фокусируется на расстояние zf от нее.

Если n?=zf то совокупность окружностей, которым соответствуют четные п, можно рассматривать как зонную пластину, имеющую двойное фокусное расстояние 2zf, совокупность окружностей с п, кратным 3, - как пластинку с утроенным фокусным расстоянием и т.д. Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнять функцию изображающего оптического элемента. Ее недостаток - возникновение большого числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка нулевого дифракционного порядка.

Зонную пластинку с косинусоидальным распределением почернения можно получить в виде голограммы, на которой записан результат интерференции плоской и сферической волн по схеме Габора при условии линейности процесса регистрации. В этом случае образуются только ±1-с дифракционные порядки, т.е. только два фокуса. В случае схемы Лейта оба изображения пространственно разделены между собой и с пучком нулевого порядка.

При освещении голограммы-линзы плоской волной возникают две сферические волны: сходящаяся и расходящаяся. Голографическая линза одновременно выполняет функции двух линз - выпуклой (положительной) и вогнутой (отрицательной). Направления распространения образованных сферических волн зависят от направления восстанавливающей плоской волны.

Схема получения голографической линзы приведена на рис. С помощью линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны. На заданном расстоянии zs от точечного источника устанавливают фотопластинку Ф, освещаемую также опорной плоской волной Р. Интерференционная картина регистрируется на фотопластине с последующей фотохимической обработкой, предусматривающей, как правило, отбеливание. В результате ДЭ полученной фазовой голограммы достаточно высока (до нескольких десятков процентов).

голограмма голографическая информация оптический

Рис. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения (б).

При построении изображения предмета Т, помещенного в восстанавливающий пучок С, возникают основное изображение Iр - действительное и вторичное Ik - мнимое. Если повернуть голограмму на 180°, то характер изображений изменится.

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными расстояниями: для основного (fp) и сопряженного (fk) изображений. Положения двух изображений связаны формулой l/zp + l/zk = 2/zT.

Как видим, это выражение не зависит от положения источника сферической волны при получении и определяется только положением предмета Т относительно голографической линзы.

Голографические дифракционные решетки

Наиболее распространенный вид ГОЭ - именно голографические дифракционные решетки (ДР.), представляющие собой зарегистрированную на светочувствительном материале картину интерференции двух световых пучков. Параметры голографических решеток можно изменять в широком диапазоне с помощью схемы записи и формы поверхности, на которой регистрируется решетка.

Так, при изготовлении голографической решетки ей можно придавать любые фокусирующие свойства, например, получать плоские голограммы, аналогичные по своему действию вогнутой решетке, но лишенные астигматизма последней. Голографический метод позволяет формировать ДР с любым распределением эффективности по дифракционным порядкам. Для этой цели может быть использована оптическая схема пространственной фильтрации.

В случае падения на светочувствительный слой двух параллельных пучков под углами ? друг к другу расстояние между интерференционными полосами определяется как d = ?/2sin (?/2). При увеличении угла ? и уменьшении длины волны ? расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при ??? d??/2. Есть сообщения о промышленном изготовлении ДР с пространственной частотой до 6000 линий/мм.

Преимущество голографического метода еще и в том, что решетки могут быть изготовлены весьма больших размеров (до 600 × 400 мм). Дифракционные решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др.

На практике наиболее пригодны голографические ДР на БХЖ, что обусловлено свойствами последней (высокая ДЭ, низкие зернистость, потери и т.д.). Голографические ДР используют в лазерной технике. Будучи введены в лазерный резонатор, они служат хорошими селекторами длин волн излучения. Две скрещенные голографические ДР делят световой пучок на несколько равных по интенсивности пучков. Таким образом, могут быть созданы мультиплицирующие элементы (размножители) с эффективностью до 85%. Такие мультипликаторы обеспечивают любой шаг мультипликации от единиц до десятков миллиметров.

Голографические мультипликаторы

Мультипликация (размножение) изображений занимает важное место в технологии производства интегральных схем для микроэлектроники. Мультиплицирование требуется при использовании группового метода изготовления изделий, в многоканальных системах обработки информации, а также в системах хранения и размножения информации и др.

Голографические мультипликаторы с пространственным разделением волнового фронта содержат растр голографических элементов, каждый из которых строит изображение предмета с полем, равным единичному изображению - одному модулю. В них разделение волнового фронта, распространяющегося от объекта, осуществляется входными зрачками этих элементов, причем в каждый зрачок попадает только часть волнового фронта. Каждый элемент растра - осевая голографическая линза, концентрические кольца которой образуются в результате интерференции сферического и плоского волновых фронтов. Растр голографических линз может быть получен последовательной записью голограмм одного и того же точечного источника, образованного высококачественным (образцовым) микрообъективом. Преимущества такого мультипликатора - идентичность элементов растра, высокая разрешающая способность (особенно в центре), простота получения больших полей изображений - определяются числом мультиплицирующих элементов.

Голографические мультипликаторы с угловым делением волнового фронта содержат голограмму, представляющую собой единый мультиплицирующий элемент и обеспечивающую формирование множества микроизображений за счет дифракции на структуре голограммы световой волны, распространяющейся от объекта. При этом каждое отдельное микроизображение строится волновым фронтом, образованным всей площадью голограммы. Эти мультипликаторы бывают дух типов: на голограммах Френеля и голограммах Фурье (рис).

Рис. Изготовление и работа мультипликатора на голограмме Френеля.

При регистрации голограмм Френеля используют набор когерентных точечных источников и опорный источник. В результате их интерференции на фотопластинке получают голограмму точечных источников - мультиплицирующий элемент, представляющий собой набор внеосевых голографических линз, "вложенных" в одну апертуру.

Рис. Работа голографического мультипликатора на голограмме Фурье.

Голографические мультипликаторы Фурье могут быть выполнены по схеме со сходящейся волной и по схеме с мультиплицирующим элементом в плоской волне. Вторая схема предпочтительнее, ее и рассмотрим (рис).

Образование изображения в системе может быть представлено как процесс двойной дифракции.

Первая дифракция происходит на объекте 2, освещаемом плоской монохроматической волной, образуемой когерентным источником света 1. Объект 2 расположен в передней фокальной плоскости объектива 3, который образует в своей задней фокальной плоскости 4 пространственный спектр объекта. В плоскости голограммы 4, которая одновременно является передней фокальной плоскостью второго объектива 5, находится мультиплицирующий элемент, представляющий собой голограмму набора точечных источников, число и расположение которых соответствуют желаемому числу и расположению размноженных изображений. В плоскости 4 имеем произведение двух спектров Фурье: объекта и набора точечных источников. Второй объектив 5 осуществляет также преобразование Фурье (обратное) объекта в своей фокальной плоскости. Поэтому в плоскости изображения 6 имеем, совокупность изображений исходного объекта, причем линейное увеличение системы ? и размер изображений определяются соотношением фокусов объективов системы ? = f2/f1.

В качестве мультиплицирующего элемента 4 могут быть использованы две скрещенные дифракционные решетки, обеспечивающие равенство интенсивности света, дифрагированного в нулевой и несколько боковых порядков.

Голографические компенсаторы

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента - аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта! При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта.

Метод компенсирующей голограммы может быть использован для коррекции искажений, создаваемых не только аберрациями линзы, но и оптически неоднородной средой, разделяющей объект и приемную оптику (в том числе волоконно-оптическими жгутами).

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента - аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта! При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта.

Метод компенсирующей голограммы может быть использован для коррекции искажений, создаваемых не только аберрациями линзы, но и оптически неоднородной средой, разделяющей объект и приемную оптику (в том числе волоконно-оптическими жгутами).

Голографический микроскоп

Двухступенчатый метод голографии впервые позволил создать микроскоп, регистрирующий не только амплитуду, но и фазу световой волны, рассеянной объектом. Появление такого микроскопа открыло новые возможности исследования микрообъектов, недостижимые известными методами классической микроскопии.

В безлинзовом микроскопе достичь увеличения можно, применяя разные длины волн или разные радиусы кривизны на стадиях получения голограмм и восстановления волнового фронта.

Схема голографического микроскопа с прямой голографической записью волновых фронтов приведена на рис. Объект 2 помещается в расходящийся лазерный пучок. Полученная дифракционная картина фиксируется вместе с когерентным фоном на фотопластинке на расстоянии z1 от объекта.

Рис. Запись и восстановление увеличенного изображения в голографическом микроскопе с прямой записью.

Увеличение восстановленного изображения определяется выражением

M = [1 ± (z1?1/z3?2) - (z1/z2)] - 1,

где ?1, ?2 - длины волн источников излучения при записи и восстановлении; z1 - расстояние от исследуемого объекта до плоскости голограммы; z2, z3 - расстояния от точечных диафрагм до плоскости голограммы соответственно в схемах записи и восстановления. Знак "-" относится к действительному изображению, знак "+" - к мнимому.

Если применяются коллимированные опорный и восстанавливающий пучки (z2 = z3 = ?), то микроскоп работает с единичным увеличением. При использовании коллимированного пучка только на стадии восстановления (z3 = ?) увеличение микроскопа не зависит от соотношения длин волн при записи и восстановлении и обусловлено только первой стадией процесса. При z2 = ? увеличение M = [1 ± (z1?1/z3?2)] - 1 и достигает больших значений для действительного изображения при z1?1 = z3?2. При z1 = z3 увеличение M = [1 ± (?1/?2)] - 1 и зависит только от соотношения длин волн при записи и восстановлении. Следовательно, увеличение безлинзового голографического микроскопа определяется соотношением длин волн и кривизной волновых фронтов, используемых при записи и восстановлении, и может легко регулироваться. Однако при этом получаемые изображения сопровождаются значительными аберрациями, что необходимо учитывать в безлинзовой голографической микроскопии. И именно здесь целесообразно применять методы согласованной фильтрации.

Несомненными преимуществами обладает голографический микроскоп с предварительным увеличением (рис.). Полупрозрачный объект 5 помещают на предметном стекле и освещают расположенным вплотную к нему конденсором 4 светом лазера 1. Объектив микроскопа 6 создает увеличенное действительное изображение объекта, регистрируемое вместе с опорным пучком на голограмме 8, помещаемой между объективом и окуляром 9.

Рис. Схема голографического микроскопа с предварительным увеличением.

Объектив и фокусирующую линзу 10 подбирают так, чтобы обеспечить максимальное совпадение кривизны создаваемых ими волновых фронтов при заданном угле падения на голограмму для уменьшения пространственной частоты регистрируемой интерференционной структуры. Угол между опорными и предметными пучками выбирают достаточно малым из тех же соображений. Восстановленное изображение изучается через окуляр микроскопа, который можно перестраивать по глубине и перемещать по полю зарегистрированного изображения. Подобная схема микроскопа обеспечивает достижение разрешения около 1 мкм.

Можно сравнить две схемы голографического микроскопа. Недостатками схемы прямой регистрации можно назвать высокие требования к разрешающей способности регистрирующей среды и сильное влияние пятнистой структуры на качество изображения. В голографической схеме с использованием микрообъектива для создания увеличенного изображения предмета требования к разрешающей способности минимальны, но поле зрения и глубина регистрируемого пространства определяются свойствами применяемого микрообъектива и весьма малы.

Литература

1.Ландсберг Г. С "Общий курс физики: оптика." - М: "Наука.", 1976 г.

2.Островский Ю.И. "Голография и ее применение." - М: "Наука", 1998 г.

.Пирожников Л.Б. "Что такое голография." - М: "Московский рабочий", 1986 г.

.Смородинский Я.А., Сороко Л.М. "Успехи голографии. (Интерференция, голография, когерентность.)" - М: "Знание", 1989 г.

.Ландсберг Г.С., "Элементарный учебник физики", том III, Москва 1986 г.

.Трофимова Т.И., "Курс физики", Москва 1985 г.

Содержание Проблема человечества Так что же такое голограмма? Защитные свойства Область применения Голографические оптические элементы Гол

Больше работ по теме: