一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法与流程

1.本发明涉及防伪技术领域，具体涉及一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法。


背景技术：

2.随着世界范围内新防伪技术的不断涌现，以及大众对防伪产品防伪水平的需求不断提高，防伪技术正不断从传统的静态、单一与二维平面视觉效果向动态变化、三维立体、色彩丰富的效果延伸。
3.图像再现技术是一种有效的二线防伪手段，具体地，将适当的光源照射在防伪元件表面上时，能够在相应的接收屏上观察到特定的图文信息；而直接观察时，不能观察到上述图文信息。因此，这该图像再现技术需要借助一定的条件才能够观察到隐藏的特征。
4.传统的图像再现技术一般采用衍射光栅，即通过表面微浮雕结构对入射光的衍射，将光线衍射至
±
1级的位置。经过适当的排布衍射光栅的周期和方向，能够控制衍射光斑的位置，进而将若干光斑组合成具有特定意义的图文。但是由于衍射原理导致存在
±
1级衍射，一般会在镜面反射的左右出现两个对称的图案，故限制了图文信息的设计。同时，由于衍射方向与入射光的频率严格相关，故该再现技术需要的光线一般为激光。而当采用白光或日光照明时，再现图案的清晰度非常差。
5.由于白光光源易于获得，特别是随着智能手机的普及，闪光灯作为白光照明光源得到了广泛的使用，甚至阳光、手电、投影仪光源等多种光源均可以用于白光再现的照明。如何实现白光(如手机上的led灯、照明射灯等)照射下图像的清晰且独特的立体再现成了亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出了一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法，该全息图用非相干光源如led灯即可再现，而且再现光是两个不同的物像，分别位于全息图的前后两侧，具有明显的上浮、下沉景深感，成像清晰，视角效果新颖独特，易于辨识，适合大众防伪。
7.为实现上述技术方案，本发明提供了一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法，具体包括如下步骤：
8.s1、分别计算两个不同的物光与离轴的斜入射的平行参考光在设定范围内的菲涅尔衍射区内的干涉全息图；
9.s2、分别计算步骤s1中获得的两幅全息图的傅立叶变换频谱图；
10.s3、将第一幅频谱图进行带通滤波处理，只保留正一级衍射再现像的频谱，将第二幅频谱图进行带通滤波处理，只保留负一级衍射再现像的频谱；
11.s4、将两幅滤波处理后的频谱图相加，再进行逆傅里叶变换计算从而得到双异像菲涅尔全息图。
12.优选的，所述步骤s1中具体计算过程如下：
13.s11、绘制两个物图像u
o1
和u
o2
，其中u
o1
和u
o2
尺寸大小范围为2mm～12mm；
14.s12、根据菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像的菲涅尔衍射光场复振幅o1、o2，计算公式分别为：
[0015][0016][0017]
其中，zo表示衍射距离，计算菲涅尔衍射光场复振幅时，物图像与干涉全息图之间的衍射距离设定为较短的菲涅尔衍射区内，范围为10mm～30mm；
[0018]
s13、设定参考光r，表达式为：其中，α1、β1分别表示参考光与x轴、y轴的夹角，参考光为离轴的斜入射的平行光，平行参考光与物光的夹角范围为5
°
～20
°
；
[0019]
s14、将物图像的菲涅尔衍射光场复振幅与斜入射平行参考光的复振幅叠加求和，然后再计算其和的共轭乘积，分别得到两幅高质量的干涉全息图ii1、ii2，计算过程表达式为： ii1＝(o1+r)(o1+r)
*
、ii2＝(o2+r)(o2+r)
*
。
[0020]
优选的，所述步骤s11中两个物光的物图像u
o1
、u
o2
尺寸大小偏差小于30％。
[0021]
优选的，所述物图像为空间频率低的、笔画或线条少的简单图案、汉字、英文字母、字符、数字中的一种或者多种。
[0022]
优选的，所述物光和参考光的波长一样，为可见光波长范围400nm～760nm内标准的激光波长。
[0023]
优选的，所述步骤s2中两幅全息图的傅立叶变换频谱图iiff1、iiff2通过如下公式计算得到：
[0024][0025][0026]
优选的，所述步骤s3中带通滤波处理过程如下：
[0027]
s31、设置让频谱图的归一化强度大于90％的部分全透，其余部分阻隔；
[0028]
s32、计算得到两个带通滤波器h1、h2分别表示为：
[0029][0030][0031]
s33、
[0032]
得到经滤波处理后两幅全息图的频谱为：hff1＝iiff1·
h1、hff2＝iiff2·
h2。
[0033]
优选的，所述步骤s4中将两幅带通滤波处理后的频谱图相加，再进行逆傅里叶变换计算即可得双异像菲涅尔全息图ii3，计算过程表达式为：
[0034][0035]
优选的，所述步骤s14中将物衍射光场和参考光场进行叠加求和之前，先归一化处理，使得两者最大振幅比值为1：1。
[0036]
优选的，两个物图像的分辨率值大于10000dpi。
[0037]
本发明提供的一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法的有益效果在于：
[0038]
1)通过本方法制得的菲涅尔全息图使用非相干光源如led灯、照明射灯等即可再现，而且再现光是两个不同的物像，分别位于全息图的前后两侧，具有明显的上浮、下沉景深感，成像清晰，视角效果新颖独特，易于辨识，适合大众防伪；
[0039]
2)本发明通过将第一幅频谱图进行带通滤波处理，只保留正一级衍射再现像的频谱，将第二幅频谱图进行带通滤波处理，只保留负一级衍射再现像的频谱，可以保证衍射再现光时只保留有正一级像和负一级像，消除了零级像、低频杂光等对再现像的成像清晰度的不良影响，确保得到的再现成像清晰，且具有明显的上浮、下沉景深感，视角效果新颖独特，吸引眼球；
[0040]
3)通过本方法制得的菲涅尔全息图由于衍射距离设定为较短的菲涅尔衍射区内，记录的菲涅尔全息图对再现光的相干性要求可以降低，非相干光也可再现，如手机上的led灯、照明射灯，而且由于衍射距离较短，物图像的衍射图依然比较清晰、图像轮廓可辨识。
附图说明
[0041]
图1为本发明的流程图。
[0042]
图2为干涉记录光路图，
①
是入射物光，
②
是斜入射的平行参考光，
③
是第一物图像/第二物图像，
④
是干涉记录的全息图。
[0043]
图3为衍射再现光路图，
⑤
是非相干再现光，
⑥
是正一级衍射再现像，
⑦
是负一级衍射再现像。
[0044]
图4为实施例中的第一物图像。
[0045]
图5为实施例中的第二物图像。
[0046]
图6为实施例中的第一物图像的菲涅尔衍射光强分布图。
[0047]
图7为实施例中的第二物图像的菲涅尔衍射光强分布图。
[0048]
图8为实施例中的未经滤波处理后的第一物光的再现像。
[0049]
图9为实施例中的未经滤波处理后的第二物光的再现像。
[0050]
图10为实施例中的经滤波处理后的双异像菲涅尔全息图。
[0051]
图11为实施例中的双异像菲涅尔全息图的再现像。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
[0053]
实施例：一种双异像非相干光再现的菲涅尔全息图的制备方法。
[0054]
参考图2的干涉记录光路进行离轴的菲涅尔全息图的设计计算，其中，
①
是入射物光，
②
是斜入射的平行参考光，
③
是第一物图像/第二物图像，
④
是干涉记录的全息图。
[0055]
第一步是绘制两个物图像，u
o1
和u
o2
。两个物图像尺寸大小优选范围为2mm～12mm；尺寸大小偏差小于30％，优选是两个物图像尺寸相等；物图像优选为空间频率较低的、笔画或线条较少的简单图案、汉字、英文字母、字符、数字等。本实施例中，绘制的第一个物图像u
o1
如图4所示的汉字“极”，第二个物图像u
o2
如图5所示的汉字“光”；两个物图像尺寸相等，都设置为5mm。两个物图像的分辨率优选值大于10000dpi。本实施例中，两个物图像的像素都为4096，分辨率为20808dpi。
[0056]
第二步是根据菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像的菲涅尔衍射光场复振幅o1、o2，计算公式分别为：
[0057][0058][0059]
其中，zo表示衍射距离。计算菲涅尔衍射光场复振幅时，物图像与干涉全息图之间的衍射距离设定为较短的菲涅尔衍射区内，优选范围为10mm～30mm；本实施例中设定衍射距离为 20mm；由于衍射距离设定为较短的菲涅尔衍射区内，记录的菲涅尔全息图对再现光的相干性要求可以降低，非相干光也可再现，如手机上的led灯、照明射灯等。物光波长可以为可见光波长范围400nm～760nm内标准的激光波长；本实施例中设定物光波长为632.8nm。衍射光场复振幅的共轭乘积即是衍射光强分布；本实施例仿真计算的第一物图像的菲涅尔衍射光强分布图如图6所示、第二物图像的菲涅尔衍射光强分布图如图7所示。由于衍射距离较短，物图像的衍射图依然比较清晰、图像轮廓可辨识。
[0060]
第三步是设定参考光r，表达式为：其中，α1、β1分别表示参考光与x轴、y轴的夹角。参考光为离轴的斜入射的平行光，平行参考光与物光的夹角优选范围为5
°
～20
°
；本实施例中设定参考光与物光的夹角为7.8
°
，即α1＝90
°
、β1＝7.8
°
。参考光和物光的波长一样，均为632.8nm。
[0061]
第四步是分别计算两幅干涉全息图ii1、ii2。将物图像的菲涅尔衍射光场复振幅与斜入射平行参考光的复振幅叠加求和，然后再计算其和的共轭乘积，即分别得到两幅干涉全息图，计算过程表达式为：ii1＝(o1+r)(o1+r)
*
、ii2＝(o2+r)(o2+r)
*
。为了得到高质量的全息图，将物衍射光场和参考光场进行叠加求和之前，先归一化处理，使得两者最大振幅比值为1：1。
[0062]
第五步是两幅全息图的滤波处理。先将两幅干涉全息图进行傅立叶变换计算，得
到两幅全息图的频谱图iiff1、iiff2，计算过程表达式为：
[0063][0064][0065]
接着将第一幅频谱图进行带通滤波处理、只保留正一级衍射再现像的频谱；将第二幅频谱图进行带通滤波处理、只保留负一级衍射再现像的频谱。带通滤波优选设置为让频谱图的归一化强度大于90％的部分全透，其余部分阻隔；本发明的带通滤波设置为归一化强度大于 95％的频谱透过，其余部分透过率为0。两个带通滤波器h1、h2分别表示为：
[0066][0067][0068]
经滤波处理后两幅全息图的频谱为：hff1＝iiff1·
h1、hff2＝iiff2·
h2。
[0069]
第六步是计算双异像菲涅尔全息图ii3。将两幅带通滤波处理后的频谱图相加，再进行逆傅里叶变换计算即可得双异像菲涅尔全息图，计算过程表达式为：
[0070][0071]
在本实施例中，计算所得的双异像菲涅尔全息图如图10所示。
[0072]
参考图3的衍射再现光路仿真计算菲涅尔全息图的衍射再现像，其中，
④
是干涉记录的全息图，
⑤
是非相干再现光，
⑥
是正一级衍射再现像，
⑦
是负一级衍射再现像。
[0073]
计算菲涅尔全息图的衍射再现像时，再现光c为平行光，表达式为：
[0074][0075]
其中，α2、β2分别表示再现光与x轴、y轴的夹角。在本实施例中，再现光垂直于全息图入射，即α2＝90
°
、β2＝90
°
；再现光的波长与物光、参考光的波长相同，在本实施例中为 632.8nm。
[0076]
设定菲涅尔全息图与观察面的距离zi等于上文提到的衍射距离，在本实施例中为20mm。
[0077]
首先分别仿真计算不经过滤波处理的第一物图像和第二物图像的菲涅尔全息图的衍射再现像holo1、holo2，计算过程表达式为：
[0078][0079][0080]
在本实施例中，仿真计算所得的第一幅菲涅尔全息图的衍射再现像如图8所示。从
图8 可知，当全息图不经过滤波处理时，衍射再现光有正一级像、负一级像、零级像、低频杂光，杂光影响再现像的成像清晰度；图8中正一级像是发散光，成像焦点在图3所示
⑥
处，是虚像，因此看起来有点模糊，实质人眼看到的正一级像的清晰度和负一级像的清晰度的一样的。同理，仿真计算所得的第二幅菲涅尔全息图的衍射再现像如图9所示，再现光情况与图8一样，不再赘述。
[0081]
最后仿真计算双异像菲涅尔全息图的衍射再现像holo3，计算过程表达式为：
[0082][0083]
在本实施例中，得到的双异像菲涅尔全息图的衍射再现像如图11所示。从图1可知，双异像菲涅尔全息图的再现光是两个清晰的、不同的衍射再现像，一个是正一级的虚像“极”，位于全息图的前侧，视觉效果是具有上浮的立体景深感；另一个是负一级的实像“光”，位于全息图的后侧，视觉效果是具有下沉的立体景深感；理论上视觉景深等于衍射距离，在本实施例中为
±
20mm。视角效果新颖独特，吸引眼球。
[0084]
由于本实施例中衍射距离仅为20mm，为较短的菲涅尔衍射区内，对双异像菲涅尔全息图的再现光的相干性要求可以降低，非相干光也可再现，如手机上的led灯、照明射灯等；操作简便，易于辨识，适合大众防伪。
[0085]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。