第四节 全息原版制作原理与工艺

一、彩虹全息概述

　　从商品包装的角度考虑，包装防伪标识不仅应该具有较强的防伪功能，而且更重要的是当在包装上使用了防伪标识后，标识不仅不破坏原来我装图案的整体协调感和装潢效果，而且应该增强原包装的装潢促销功能。目前常用的全息防伪标识主要采用彩虹全息图。所以本书重点介绍彩虹全息图的制作工艺。

　　彩虹全息是用激光记录全息图，用白光再现单色或彩色像的一种全息技术，从再现像与原物色彩之间的异同，彩虹全息又可分为假彩色彩虹全息和真彩色彩虹全息两类。

　　彩色彩虹全息的基本特点是在记录系统中适当位置加入一个狭缝，其作用为限制再现光波，以降低图像的色模糊，从而实现白光再现单色或彩色像。彩虹全息首先由本顿受到全息图的碎片能再现物体完整像的启发，在1969年以二步记录全息（二步彩虹全息）的方式提出的。二步彩虹全息先记录一张离轴菲涅耳全息图（称主全息或掩膜），如图5－27（a）所示。用记录主全息时的逆参考方向的共轭光明主全息图，使其再现孪生实像，靠近主全息放一个宽为a的水平狭缝S，以限制衍射光束即以狭光束构成孪生实像，如图5－27（b）所示。这样记录的全息图即为二步彩虹全息。用再现白光照明这彩虹全息时，物体和狭缝的再现像将激光记录时，再现像束中红、绿、蓝（R、G、B）三种颜色波长光的再现像和狭缝像处在不同的位置，这样，在不同波长狭缝像的位置即看到不同颜色的像，这就是能用白光照明全息图再现单色像的原因。如果人眼沿Z轴移动，使几种颜色的光进入眼睛，就会观察到像的颜色像雨后天空中的彩虹一样，这就是彩虹全息命名的由来。



图5－27 二步彩虹全息图的记录与再现

(a)主全息记录光路 (b)二步彩虹全息记录光路 (c)白光再现像

　　因为本顿提出的二步彩虹全息要记录二次全息图，手续较繁，易产生噪声，且不能对再现像的颜色的观察方位作设定。所以后来发展了一步彩虹全息、加场镜的一步彩虹、像散二步和一步彩虹、无狭缝彩虹、无透镜彩虹、条形散射屏综合狭缝彩虹、编码二步彩虹和零光程差彩虹全息等多种彩虹全息技术。考虑到商品包装对防伪标识应具备能用专色表示品牌特色的功能，能通过景特色彩的设计，景特纵深感强、装潢效果好和色彩鲜艳多变引人注目等要求，本书仅介绍具有色彩编码功能的彩虹全息的制作工艺。

二、彩虹全息原版的记录方法

　　（一）二维假彩色编码全息原版记录方法

　　从上面的分析我们知道，当用白光照明彩虹全息图时，在与不同波长再现狭缝像对应的角度可观察到不同的颜色，这表明如果在彩虹全息的记录时，对狭缝的位置作适当设计，就能在特定角度观察到特定的单色或彩色像。为了使白光再的彩虹全息图能在某一观察角度能再现出彩色像，人们对狭缝的位置作了特殊设计。本书介绍用三狭缝面积分割法进行假彩色编码设计的方法。所谓假彩色是指再现像的颜色与物体的颜色不一致，而真彩色是指再现像的颜色与物体相同。

　　1．狭缝间距的确定

　　要得到预定的颜色组合，必须按光路参数来设置缝间距。本小节主要讨论如何设计原版全息像各个层或一个层次上不同部位的颜色，具体地说，就是如何根据记录光路的参、物光波间夹角和记录波长设计缝间的距离。

　　为简单计，这里采用双平行光束干涉的单模型来讨论。设记录时的波长为，狭缝S到干版的距离为Z，物光、参考光和全息干版法线的角分别为和，如图5－28所示。当i取不同数字时，代表全息像所设计的不同颜色。由光的干涉理论可知，在干版上获得一组平行等距直线干涉条纹，条纹间距为e_i

e_i=λ₀/sinθ_0i-sinθ_R　　　　　　(5-5)



图5－28 颜色设计原理

　　其中sinθ_0i、sinθ_R的符号规则是光轴转到该光线时，顺时针为负，逆时针为正。

　　当用白光再现时，干涉图即为全息图可视光栅，光栅衍射的一级像即为再现像。设照明光某颜色再现狭缝S₁₀与法线的夹角分别为sinθ_p和sinθ_1i，如图5－29所示。同样i取不同数字代表再同像的颜色不同，角度符合规则同上。由光栅衍射可得

e_i=λ_i/sinθ_1i-sinθ_p　　　　　　(5-6)

　　其中λ_i为所设计的颜色对应的波长，由（5－5）和（5－6）式可得

　　sinθ_0i＝λ₀／λ_i（sinθ_1i-sinθ_p）＋sinθ

　　由于狭缝△X_i间距z₀与比很小，并假设全息干版H的法线上有一狭缝，则sinθ_0i可简化为

　　sinθ_0i=X_i/z₀　　　　　　　　　　(5-7)

　　可得所设计颜色对应的狭缝位置X_0i为

　　X_0i=[λ₀/λ_i(sinθ_1i-sinθ_p)+sinθ_R]　　　　　　　　　　(5-8)

　　按习惯，希望各个颜色的再现像正对全息图，即＝0，则

　　X_0i=(sinθ_R-λ₀/λ_isinθ_p)z₀　　　　　　　　(5-9)

　　如前所述颜色由三原色构成，而制作浮雕型彩虹全息图时要用偏紫的激光，故一般来说λ₀＜λ_i，而光路安排上往往希望狭缝设计在干版中心法线的两侧，故狭缝位置设计时往往取θ_p＜θ_R。对色彩要求不高的多色全息图，根据z₀和θ_R的参数，各个狭缝之间的距离只要使再现像的颜色分开即可。当z₀一定，θ_R大或狭缝宽度小时，再现像比较纯。θ_R受到记录全息材料的分辨率限制，一般在35°左右。当狭缝宽度小时，制作全息图的物光比较弱。注意，实际上用白光再现全息图时，其中各个波长狭缝并不在一个深度上，故公式（5－8）只是在一个近似公式。

　　下面以二维彩虹全息为例，说明用三原色再现彩色像时三原色对应狭缝间距的计算。

　　如图5－28所示，设与中央缝对应的是再现波长λ₂的色像，与两旁缝相对应的是再现波长为λ₁和λ₃的色像。取图5－28所示的坐标系并假定特光束、参考光束以及再现光束的光轴均位于xoz平面上，因而不用考虑再现像的y方向分量。

　　如图5－28所示，设1、2、3的位置坐标分别为（x₀₁,y₀₁,z₀）（x₀₂,y₀₂,z₀）（x₀₃,y₀₃,z₀）。在近轴近似条件下，由公式（5－8）各缝再现像的位置方程为：

　　1/z=1/z_p±(λ/λ₀)(1/z₀-1/z_R)　　　　　　(5-10)

x/z=x_p/z_p±(λ/λ₀)(x₀/z₀/x_R-z_R)　　　　(5-11)

　　式中为参考光源的位置；为再现光源的位置坐标。正负由像的性质来确定，当像为原始像时，取正号；像为共轭像时，取负号。

　　要在某一固定的方位上看到彩色的再现像，要求各个缝像的位置在该方向上重合或部分重合。由图5－29得出

λ₁(x₀₁/z₀₁-x_R/z_R)=λ₂(-x_R-z_R)=λ₃(x₀₃/z₀₃-x_R/z_R)　　　　(5-12)

　　令tgθ=x_R/z_R

　　则x₀₁=(λ₂-λ₁/λ₁/λ₁)z₀tgθ　　　　(5-13)

　　x₀₃=(λ₂-λ₃/λ₃/λ₁)z₀tgθ　　　　(5-14)

　　若令λ₁＝0.65μm,λ₂=0.54μm,λ₃=0.48μm,z₀=-300mm,θ=40℃,

　　则有x₀₁=-42.6mm,x₀₃=-31.5mm

　　在x₀₁和x₀₃确定后，观察到缝像的角度由下式：

　　tgα_i=tgα_p±(λ/λ₀)(x₀₂/z₀-tgθ)　　　　(5-15)

　　式中的tgα_i=x_i/z_i,tgα_p=x_p/z_p,tgα_p=tgθ的条件下，可观察到彩虹全息的原始像，故（5－15）式中的正、负号应取正号。

　　将tgα_p=tgθ代入（5－15）式，得

　　tgα_i=1-(λ/λ₀)tgθ+(λ/λ₀)(x₀₂/z_0i)　　　　(5-16)



图5－29 狭缝间距设计示意图

　　由（5－16）式可见，当再现光源为扩展光源时，观察到再现像的角度α_i随着θ角的变化而变化。利用该原理，用不同角度的参考光束同时进行记录，可以在不同的方位角上观察到各个缝的再现像。这些再现缝像的交叉顺序排列，扩展了彩虹全息图的视场角。此外为了减少物像点随θ角的变化而变化，拍时应尽量调整特体的实像靠近全息平面。

　　2．记录光路

　　假定采用图5－30所示的图案作为透射物体进行全息图的拍摄。要求全息图的再现像在视场内各部分的颜色如图所示。根据三原色叠加原理将原图案按再现色的要求分解为三张图（图5－31）。



图5－30 透射物体



图5－31 物体的三原色分解

　　记录过程分为两步进行。第一步按图5－32所示的光路分三次曝光，记录一张三狭缝面积分割的主全息图H_M。B_i为固定在毛玻璃屏上的与图5－31中红、绿、蓝三原色图案对应的透明片，i＝1、2、3，分别与红、绿、蓝对应。记录时透明片到全息干版H的垂直距离相同；S₁为狭缝。

　　拍照时，每曝光一次，变一下狭缝的位置，同时换一张B_i。在拍中间一张时，缝宽取固定值，一般为4－8mm。为了在拍摄彩虹全息图H时，可通过改变缝的间距来控制全息图的再现色彩，便于找出与最佳的色彩相对应的缝间距和获得高质量彩虹全息图，在拍两旁两张时，缝宽可以取宽一些，约为平板宽度的1／3。



图5－32 主全息与彩虹全息的记录



图5－33 彩虹全息的记录

　　第二步，按图5－33所示的光路，一次曝光记录一张二步彩虹全息图。图中L为柱面透镜；S₂为缝路可变的三狭缝，可用包装干版的黑纸划刻成，直接贴在HM的背面上。为了扩大视场HM成像，以及采用双参考光束记录，在实际操作中还可以把上面同时记录物体和狭缝的记录过程分为二步：先拍摄以任何方式形成的狭缝S的全息图，称之为色编码版，编码版制作与狭缝再现光路如图5－34所示。其次将色编码版再现光同时被物体所调制，当用干版紧贴物体记录时，便可得到彩虹全息图。这种方法可制作任何透射物体的二维全息图。图中s的位置即为观察时眼睛的位置。这方法的优点是用一束光照明，光能利用率高，比较容易制成大面积彩虹全息图；缺点是参、物光束难于控制。



图5－34 编码版制作与再现光路



图5－35 编码彩虹全息记录光路

1－狭缝像 2－感光材料 3－透射物体 4－编码版

　　（二）三维假彩色编码全息原版记录方法

　　上节介绍了二维物体的彩虹全息假彩色编码技术，仅对二物体的不同部分赋以不同的颜色。本节介绍对多个物体之间有遮蔽的三维物体进行假彩色编码的方法。对单个物体赋以同种颜色，而不同物体的颜色是不同的。移动眼睛时，前后物体有遮蔽效果以不同颜色来体现。这样，不仅起到了假彩色编码的作用，而且，全息再现像的立体效果得以充分体现，具有强烈的艺术效果。

　　本节仍采用二步彩虹制作全息的方法论述各物体间有前后遮蔽场景的记录方法。为了简便起见，下面先讨论两个三维物体的全息记录方法，然后推广到多个物体。设有两个三维物体O₁、O₂，O₁在前，O₂在后。记录步骤如下。

　　①如图5－36（a）所示，以平行光R₁作为参考光，记录O₁的菲涅耳主全息图H₁。

　　②以共轭参考光R₁^*照明H₁，再现O₂的实像O₂。以O₂为物记录菲涅耳全息图H₂，平行光R₂₁作为全息干版H₂参考光，如图5－36（b）所示。

　　③以共轭参考光R₂^*照明H₂，再现O₂的实像O₂。放上O₁，全息干版H₃置于H₂的再现实像处，H₂前放一狭缝S，记录一张被O₁遮蔽的物O₂的条形菲涅耳全息图H₃。参考光为平行光R₃，如图5－36（c）所示。

　　④取走H₂，并挡住R₂^*光。以激光照明O₁。移动狭缝S一定距离，记录O₁的条形码菲涅耳全息图。如图5－36（d）所示。

　　⑤如图5－36（e）所示。以R₃^*照明H₃，再现O₁和O₂的实像O₁和O₂。全息干版H₄值于O₁和O₂附近适当位置，以平行光R₄作参考光，记录彩虹全息图H₄。

　　再现H₄时，用白光以R₄^*方向照明。两狭缝再现像在空间将按彩虹色序排列。只要两狭缝间距选取适当，在不同颜色狭缝像的重叠处将同时看到O₁和O₂不同颜色的再现像。人眼左右移动时，O₁和O₂再现像的遮蔽效果以不同颜色来体现，立体感特别强烈，上下移动人眼，再现像颜色将发生变化。



图5－36 两个物体的记录步骤

　　如果有三个物体O₁、O₂和O₃。设O₃在最前面，对O₁和O₂都有遮挡。O₁次之，其对O₂有遮挡。先按前述步骤1、2、3、4记录O₁和O₂的条形菲涅耳全息图H₃。然后按下列步骤进行：



图5－37 两个以上物体的记录步骤

　　①如图5－37（a）所示，R₃照明H₃，再现O₁和O₂的实像O₁和O₂，以平行光R₅作为参考光，记录菲涅耳主全息图H₃；

　　②图5－37（b）所示，以R照明H₅，再现O₁和O₂的实像O₁和O₂，同时也再现H3的实像H₃（图中未画出）。放上O₃，将全息干版H₆置于H₃处，在H6前放一双狭缝挡板S,它的缝间距与O₁和O₂的条形菲涅耳全息图对应。以平行光R₆作为参考光，记录O₁和O₂在遮挡情况下的条形菲涅耳全息图H₆。

　　③图5－37（c）所示。取走H₅，用激光照明O₄，将狭缝S放在H₆前适当的位置，记录O₃的条形菲涅耳全息图.

　　④图5－37（d）所示。以R₆照明H₆，再现O₁、O₂和O₃的实像O₁、O₂和O₃。将全息干版H7置于三个实像处适当位置，以平行光R₇作参考光，记录彩虹全息图H₇。

　　如果有三个以上物体，则拍摄方法仪次类推，但是考虑到拍摄过程中菲涅耳全息图的多次再现遭到复制，会降低信噪比，所以应尽可能增大参、物光强度比。此外，考虑到彩虹全息图的再现像景深不大，物体的数目这且太多。全息图再现像的颜色组合取决于拍摄时狭缝的间距。狭缝间距的确定同上节。

　　（三）双层二维／三维假彩色编码彩虹全息原版记录方法

　　1．主全息图HM的记录

　　主全息图HM为菲涅耳全息图，它的再现须有激光照明得到。HM的记录光路如图5－32所示。这里是将图5－31（a）、（b）和（c）透明片设计在不同的深度上，所以B₁、B₂和B₃分别以置于距离全息干版不同的位置，参考光为平行光。对全息干版H的不同部分分别曝光，得到三个狭窄的子全息图H1、H2和H3，它们即为二维／三维模压全息图的主全息图H_M。

　　2．彩虹全息图的记录

　　记录光路如图5－38所示。用共轭参考光照明主全息图HM，再现一个实像，它是彩虹全息图的物。由于记录材料是光致聚合物，故选用He-Cd激光器的波长441．6nm或Ar⁺激光器的457．9nm，参物间夹角为35°左右。



图5－38 彩虹全息记录光路

　　（四）加密彩虹全息原版记录方法

　　本节讲述的加密方法是通过对主全息图的横向面积分割和色散观察窗的设计，产生物殊的色序，以达到加密防伪的目的。

　　1．彩色全息图色序和加密依据

　　图5－39（a）所示，设狭缝S的位置坐标为(x₀,z₀)，参考光的倾斜角为θ_R，在H上记录S的菲涅耳全息图。图5－39（b）是相应的再现光路，用一束白光沿参考光的共轭方向照明，倾斜角为。此时在全息图的像空间将形成彩虹色序的色散观察窗。设记录波长为，再现光波长为，根据全息图的物像关系可导出波长对应的观察窗S的位置坐标(x_i,z_i)：

x_i=x₀-z₀[(λ₀/λ)sinθ_p+sinθ_R]　　　　　　(5-17)

z_i=(λ₀/λ)z₀　　　　　　(5-18)



图5－39 彩虹全息色散窗形成原理

　　图5－40给出了λ₀=633nm，狭缝位置坐标在－60≤x≤60(nm),z₀=-300(nm),θ_R=60°时，色散观察窗的空间分布。图中每一条斜线代表一个位于x₀的狭缝的再现像的色散曲线，曲线上每一条短坚线则表示该处透过的中心波长。当眼睛通过这一窗口观看时，就能看到再现像的相应颜色。

　　上述分析表明，当λ₀,θ_R,θ_p等参数一定时，彩虹全息图色散观察窗的颜色分布将完全由记录时的狭缝位置(x₀,z₀)来确定。色散观察窗设计的任务，就是从预定的色序分布出发计算出光路中狭缝的初始位置。

　　2．消色点的设计

　　制造具有特殊色序分布彩虹全息图的实质是形成具有特殊色序分布的色散窗。设计方法是：利用空间位置不同的多个狭缝，对主全息图作横向面积分割，达到改变普通彩虹全息图的虹式色序，形成按红、橙、黄、白（消色）、绿、蓝排列的特殊色序的目点。



图5－40 彩虹全息观察窗色散曲线

　　设对主作息作横向面积分割的三个狭缝S₁、S₂、S₃所对应的色散曲线分别为图示5－41所示的l₁、l₂、l₃。合成色散观察窗上P点是消色点，也就是说，当人眼在P点观察时，要求接收到的波长为λ₁、λ₂、λ₃的三原色相加形成等能白色。下面依据这一条件来确定三原色波长λ₁、λ₂、λ₃和相应的亮度Y₁、Y₂、Y₃。

　　要确定在P点合成等能白色的三原色，必须遵守两个条件：一是三原色是光谱色，便于设计；二是三原色的相对亮度应符合彩虹全息图的衍射光谱功率密度曲线。



图5－41 三缝彩虹全息观察窗色散曲线

　　设三原色为光谱色，波长分别为λ₁、λ₂、λ₃，
对应的色品坐标是（ζ₁，η₁）（ζ₂，η₂）（ζ₃，η₃），相对亮度为Y₁、Y₂、Y₃，
对于指定的合成颜色和二种λ₁、λ₂的色品坐标以及三原色的相对亮度为已知时，则由色度理论可以给出第三种原色的色品坐标和相对亮度Y₃：

　　ζ₃=1-0.99Y₃

　　η₃=[1-(ζ₁+2η₁)]η₂Y₁+[1-(ζ₂-2η₂)η₁Y₂]/[1.99-3ζ₁+0.99η₁]η₂Y₁+[1.99-3(ζ₂+0.99η₂)]η₁Y₂　　　(5-19)

　　Y₃=[Y₃(1+η/η₁)Y₁+(1-η/η₂)Y₂]/[η-η₃]

　　这样由上面三个式子可求出满足是光谱色和P点合成等能白色要求的（ζ₃，η₃）和Y₃。为了保证(λ₃-Y₃)符合全息图衍射光谱功衍射光谱功率密度曲线。例如：当选定λ₁＝536nm时，上CIE1931标准色度观察系者光谱三刺激值得（ζ₁，η₁）＝(0．27296，0．71806），同时在衍射光谱功率密度曲线上查得Y₁＝4．3。λ₂在400～500nm内取值，取值间隔Δλ=5nm，查出各个λ₂的对应的（ζ₂，η₂）和Y₂。将这些值代入（5－19）各式算出相应的（ζ₃，η₃）和Y₃，同时查出的数值。最后用逐点描迹法描出衍射光谱功率密度曲线λ₃－Y₃如图5－42中曲线B。图中A曲线是实验测定曲线。曲线A和曲线B的交点Q就是指出符合上述各个条件的第三原色的波长λ₃和亮度Y₃。本例的计算结果为

　　λ₁＝546nm，（ζ₁，η₁）＝(0．27296，0．71806），Y₁＝4．3

　　λ₂＝440nm,（ζ₂，η₂）=(0.16441,0.01086),Y₂0.08

　　λ₃=607nm,（ζ₃，η₃）=(0.65577,0.34470),Y₃=1.73



图5－42 彩虹全息衍射光谱曲线

　　3．狭缝位置坐标的计算

　　由式（5－13）和（5－14），和消色点P应满足的条件，可得出狭缝位置坐标计算公式：

　　x₀₂=z₀λ₀sinθ_p(1/λ₂-1/λ₁)

　　x₀₃=z₀λ₀sinθ_p(1/λ₃-1/λ₁)

　　如取λ₀=633nm,z₀=-300mm,θ_R=60°,θ_p=240°，由上面确定的三原色波长，可算出x₀₁,x₀₂,x₀₃。记录具有特殊色序分布的彩虹全息图的光路如图5－31和图5－32。

　　（五）激光全息加密码法

　　在本世纪80年代到90年代初，激光模压全息图用作产品安全防伪是遥遥领先的。但是，随着全息技术的普及，全息公司的不断产生，相互仿制全息标识的现象不断产生。这样，一般拍摄二维、二维／三维、三维等激光彩虹假彩色编码的全息照相技术已失去了它的特殊性。

　　因全息密码的制作手段极其特殊，所以其有效地加强了全息标识的抗伪造性能。本节将简要地介绍“显现型加密码法”和“隐蔽型加密读码法”两种中密类型。“显现型密码”是指密码是可见显现的光学图像很容易地察、辨认。显现型密码的的全息标识适合于应用在市场上出售的商品上，因为顾客可以一目了然地看到密码的存在，从而不会上假冒商品的当。本节介绍采用“莫术”和“光学傅立叶变换技术”制作显现型密码全息商标技术。“隐蔽型加密读码法”指在全息标识版面的某个部分或整个版面记录下某种图像的信息。这些信息表面上是看不到的，但如果在观察时用该信息的“解码版”，就能显现出清晰的图像。“解码版”上的信息和全息标识上的信息紧密相关，图像显现时这两个信息缺一不可。这种密码很适合制作在身份证、护照、银行卡等必须经过某一部门审查的重要证件上。只要具有解码器，审查部门就可以在审查证件的过程中迅速知道其真伪。虽然在本节介绍的“显现型”和“隐蔽型”密码中都采用了莫尔技术，但它们的使用形式和制作方法都不一样。

　　1．显现型加密码法

　　目前已研究出的显现型密码有二种类型：一类是将特殊数学函数转换成物理模型，然后以光学的形式显现出珲；另一类是将某种光学现象产生的图像置入全息图的某些部位，然后以奇妙的光学图像显现出来。本节介绍的傅立叶变换技术就属于前一类，莫尔技术属后一类。由于密码的全息记录手段与普通全息图的拍摄手段不同，而且即使同行也很难从显现出来的光学图像推理到其数学、物理模型以及制作手段，所以想仿制就相当困难。

　　（1）傅立叶变换技术

　　①理论分析 由傅立叶变换理论函数g(x,y)可以转变为一系列连续频率变化的余弦波的积分。

　　傅立叶变换的二维数学公式为：

　　G(ζ,η)=J{g(x,y)}=∫∫g(x,y)e^{-j2π(ζx+ηy)}dxdy　　　　(5-21)

　　从物理学上来讲，g(x,y)就是以某种形式在XY方向上分布的波，而经过傅立叶变换后的G(ζ,η)可以描述为光强度随空间频率的的分布，就是傅立叶频谱，而令人感兴趣的是：（a）物波和频谱的空间分布形式完全不同；（b）从频谱的图像很难推测出物波的形式，从而无法知道产生该物波的形状。所以，采用光学手段将傅立吉频谱作为密码制作在全息图上，将极有效地加强全息图的防伪能力。

　　②全自原版记录方法 在光学上，若用一束单色平行光照明一个二维透光物体再射向一个透镜，只要物体透光部分的线度为波长的几十到几百倍，就会在透镜的后焦面上形成傅立叶频谱。图5－43是频谱全息记录时的光路设置。激光束经分束器SP分为两束：一束为物光，它经SF₁扩束滤波后再经准直透镜L1形成平行光后照射到物上，再通过透镜L₂的距离不改变频谱的形状和位置；另一束光经SF₂扩束滤波并经L₃准直后作为参考光到达全息干版与物光干涉，这样就将频谱记录下来。若将H准确地放置在L₂的后焦面上，重现出的频谱的像就在全息图的表面。若想要制作第二张转换图，可将H放置在离L₂的后焦面有一定距离的地方。



图5－43 频谱全息记录光路

　　（2）莫尔技术 光学莫尔图像是由两个频率相似的周期性图形叠加而成的。已知两个周期性图形的数字表达式，就能计算莫尔图的形状和条纹间隔。拿最简单的由两个光栅构成的莫尔图为例，它的条纹间隔D为：

　　D=d₁d₂/(d₁²+d₂²-2d₁d₂cosθ)^1/2　　　　(5-22)

　　式中d₁,d₂－分别为两个光栅的光栅常数；

　　θ－为两个光栅重叠时错开的角度。

　　莫尔图像的特点是：

　　①它的形状和条纹间隔取决于构成它的两个周期图形的形状和重叠时的放置情况。

　　②它的形状与构成它的两个周期图形的形状可以完全不同。

　　因此不同的周期图形及不同的放置可以形成各种不同的莫尔图像，而从看到的莫尔图像却很难推断出构成它的图形的形状，使全息标识伪造者无法仿制，这就是采用莫尔技术制作全息密码的道理。莫尔密码的制作就是将莫尔图像用全息的手段记录在全息标识的某个部位或整个版面。制作过程通常采用两步法，也可以在制作第一张菲涅尔全息图时就记录进全息标识的版面中。

　　2．隐蔽型加密读码法

　　由光栅莫尔条纹形成规律可知，图形周期性的选择确定了莫尔图的形状和条纹间距，因此只要适当选择两个周期性图形，将其中一个制作在全息标识上，另一个制作在一块单独的全息版上（即解码版）由解码人收藏，当解码人将解码版放在记录了该密码信息的全息标识上并旋转某一角度，就可以在阳光下看到莫尔图像。如果将解码版放在没有注入全息密码信息不同的全息标识上，就看不到预计的莫尔图像，这样就可以马上判断出这张全息标识是伪造的。由于全息标识是记录在光刻胶版上，而光刻胶版是位相型，因此用单束激光记录在全息标识中的密码信息显影以后肉眼看不到；如果解码版也用光刻胶版，显影以后也只是一块白板，连持有解码版的人也不知道版内信息是什么；这样，就更增强了伪造性能。这种判断全息标识真伪的方法迅速可靠，与已有的方法比较，本方法有如下优点：

　　①密码信息的全息记录过程简单；

　　②解码时不用复杂的光路，也不用激光，因而便于在任何地点和场合检验密码；

　　③同一种解码版可以制作无数块，因此可以有任意多个密码检验点，便于密码的应用。

　　莫尔技术虽然被应用在显型和隐型两种密码上，但两种密码的全息记录过程不同，使用方法及应用范围也不同。本方法制作的莫尔密码更适合于应用在需检验的非卖物品上，比如重要证件和银行信用卡等。使用者不必看好密码的存在，但检验人员能够迅速知道证件的真伪。

　　（六）二维真采色编码全息原版记录方法

　　真彩色的3D和2D／3D模压全息图从艺术、信息量、技术含量和防伪功能均优于目前假彩色编码的2D／3D和一般彩虹3D全息图。应该指出，无论是真彩色的3D或2D／3D模压全息图，它们都属于彩虹全息图。所以，只有在某个观察范围内才看到与原物体相同的颜色。真彩色2D模压全息图的物是彩色透明正片，它可以采用不同的方式对红、绿、蓝三原色进行分色，将原物分解为三张相应的灰阶分布不同的黑白透明片。这三张透明片即为拍摄真彩色二维彩虹全息图的物。根据记录时激光的波长和参、物光夹角，用三原色波长计算出三个狭缝的位置，即可用类似假彩色编码2D全息图的方法拍摄真彩色2D全息图。由此可见，拍摄一张接近真彩色的2D模压全息图并不困难，方法也可有多种。当然，要得到高色彩保真度的真彩色2D全息图，必须对彩色透明片的分色、拍摄过程中的色度学问题和对记录材料的处理工艺等进行仔细地研究。

　　由前几节的讨论可知，彩虹全息图可以用白光再现假彩色单色像。如果用三原色激光记录一个彩色物体的彩虹全息图时，在适当的位置可以观察到真彩色的再现像。彩虹全息方法能消除色串扰的原因是当记录了三组近于水平方向光栅的全息图被白光照明时，三原色光中的每一色光都要在垂直方向形成三个狭缝，其中三原色光对各自光栅中产生的三个狭缝实像在纵向的投影重合在一起时，观察者通过这三个狭缝实像可观察到原物色彩的像，如图5－44所示。实际上，这些再现的狭缝实像起到了空间滤波器的作用，阻挡了能产生颜色干扰的衍射光进入人眼。

　　二维真彩色彩虹全息原版有多种制作方法。本书仅介绍单波长多狭缝真彩色彩虹全息记录方法。如读者希望进一步了解可能阅光学全息方面的参考书。



图5－44 真彩色显示原理



图5－45 单波长多狭缝编码彩虹全息

　　利用多狭缝彩虹全息可以用单色激光记录得到一个二维图片的真彩色像。首先用电子分色机或扫描仪获得同一物体的红、绿、蓝三矣不同灰度分布的黑白正片，然后采用图5－45所示的一步彩虹记录光路。其中黑白正片O_i(i=1,2,3)由经过毛玻璃G的激光照明，并由照相物镜L和根据全息图物像关系与实验参数事先算好位置的狭缝S_i成像在L的另一侧。全息干版H置于O_i像的位置，会聚参考光源位于垂直平面。在同一张干版上依次对三矣黑白正片记录彩虹全息图时，再现的红、绿、蓝三个狭缝实像具有相同的垂直坐标，眼睛在这个位置就可以观察到物体的真彩色像。

　　下面介绍一组实验数据。照相物镜焦距f=240mm，f/D=4,5,z₀580mm,x₀=0,λ₁=632.8nm,x_R=0,y_R=60.7mm,z_R=250mm,狭缝II位于光轴上，即y₁^(II)=0。设白光再现时，红、绿、蓝三个光波的波长分别为：λ_R=632.8nm,λ_B=540nm,λ_G=480nm。为了得到真彩色像，要求狭缝II所产生的红光再现像y_iR^(II)，狭缝II所产生的绿光再现像y_iG^(II)和狭缝II所产生的蓝光再现像y_iB^(II)三者具有相同的坐标，即y_iR^(II)=y_iG^(II)=y_iB^(II)

　　将实验参数代入此条件和全息图物像关系

　　1/z_I=1/z_p±μ(1/z₀-1/z_R)

　　x_I/z_I=x_p/z_p±μ(x₀/z₀-x_R/z_R)

　　y_I/z_I=y_p/z_p±μ(y₀/z₀-y_R/z_R)　　　　(5-23)

　　即算出各狭缝的位置及其红、绿、蓝的再现像的位置（如表5－15所示）。

　　表5－15 狭缝及其再现像的位置

	x0	xi	y0/mm	yiR/mm	yiG/mm	yiB/mm
狭缝I	0	0	-14.8	-14.8	6.7	17.3
狭缝II	0	0	0	0	17.3	25.8
狭缝III	0	0	17.3	17.3	29.7	35.8

　　上表表示，如果用与参考光共轭的白光照明全息图时，则人眼位于记录狭缝平面内y=17.3mm处，可以观察到物体真彩色像。

　　（七）三维真彩色编码全息原版记录方法

　　真彩色3D全息图的再现像更接近于客观物体，但拍摄它的难度要比真彩色2D大得多，因而技术含量更高，更不易被仿制。这是因为：第一，对三维彩色物体的分色是通过红、绿、蓝三色激光对原物拍摄三个分全息图完成的，而且适用于模压全息图时，对应于红、绿、蓝三个子全息图的再现像位置重合、大小相等；第二，观察者看到的必须是正视像；第三，难于同时得到大的视场角和观察范围。本节将对此做较为详细的分析。

　　体视全息图即通常所说的合成彩虹全息图，它的制作方法在有关著作中均可找到。它的主要优点有：第一，利用普通摄影拍下三维物体、特别是三维运动物体的一系列二维透明正片，作为拍摄全息图的物，这就扩展了模压全息的物的范围；第二，观察全息图时的三维视觉效果是利用体视效应由二维透明片合成的。如上所述，它比较容易制成真彩色的。这两个显著的特点和技术含量使真彩色体视全息图比脉冲全息图在模压全息中得到更广泛的应用。目前美国和西欧均有制作精美的真彩色体视模压全息图，并用于信用卡上。但是，制作实用的合成彩虹全息需要专门的设备。

　　1．基本原理

　　由于二步法不仅省去了透镜，而且扩大了全息图的视场和观察范围，是一项比较实用的技术。下面以二步法为例，分析真彩色彩虹全息图再现像的位置和大小。

　　第一步是用红（R）、绿（G）、蓝（B）三色激光在同一位置分别记录三张窄条菲涅耳全息图H_OR、H_OG、H_OB。一般采用He-Ne激光器的红光和Ar⁺激光器的绿、蓝光，其波长分别为。参考光R₁为平行光，参、物夹角，如图5－46所示。

　　全息图即为物光波和参考光波形成的干涉图，它的条纹间距为e：

　　e=λ/2sinθ/2　　　　(5-24)



图5－46 菲涅尔全息记录光路

　　由此可见，由红、绿、蓝三色激光记录的三张菲涅耳全息，它们的条纹间距不同。有e_r＞e_g＞e_b。换言之，在同样θ角，波长短的激光所记录的全息图的空间频率比波长长的空间频率高。

　　第二步是用共轭参考光R₁^*再现H_Oi＝R、G、B）的实像，以此实像为新的物、以参考光R₂拍摄彩虹全息图。参考光R₂方向的选择有两个原则：一是保证在观察彩虹全息图时看到的是一个直立的正视像；二是保证在白光照明下，能形成真彩色的观察位置。

　　因目前还没有实用的全色的浮雕型记录介质，第二步必须采用单色光λ₀。H_Oi的实质是一复杂透射光栅，当用光波λ照明H_Oi时，其实像的位置和大小均符合光栅一级衍射光的规律。其一级衍射角θ为

　　θ=sin^-1(λ/e)　　　　　　　　(5-25)

其中即为第一步所拍全息图的条纹间距。由此可见，当用其共轭参考光R照明同样位置的HOR、HOG、HOB时，它们形成实像的三个一级衍射波的衍射角不同。换言之，用单一波长再现同样位置的HOR、HOG、HOB时，所得三个实像的位置和大小不同。

　　在上述条件下，由全息学基本成像公式，三张菲涅耳全息图HOR、HOG、HOB的再现像位置分别为

　　z_R=λ_R/λz₀,x_R=x₀+(λ_R/λ-1)z₀tgθ

　　z_G=λ_G/λz₀,x_G=x₀+(λ_G/λ-1)z₀tgθ

　　z_B=λ_B/λz₀,x_B=x₀+(λ_B/λ-1)z₀　　　　　　tgθ(5-26)

　　式中(x₀,z₀)、(x_R,z_R)、(x_G,z_G)、(x_B,z_B)分别为物点坐标及H_OR、H_OG、H_OB对应再现像的坐标。此时tgθ为负。当选用Ar⁺的波长时，有λ＜λ_B＜λ_G＜λ_R，其三个再现像的位置和衍射角θ_R、θ_G、θ_B如图5－47所示。可见，由第一步波长最长的红光拍摄的菲涅耳全息图H_OR的系统间距最大。当用共轭参考光R₁^*照明它形成实像时，其衍射角最小，符合公式（5－25），而其实像位置离全息图最远。

　　要拍摄彩色彩虹全息图，必须保证上述再现的三个实像的位置、大小相同。此时，可由公式（5－26）调整H_OR、H_OG、H_OB离全息干版的横向和纵向相对位置，使由R₁^*(λ)再现的三个实像原则上大小相同、完全重合。



图5－47 再现像的位置和衍射角

　　2．实用三维真彩色模压全息图的特点

　　实际上第二步拍摄时，除了要调整三个长条全息图的前后、左右位置外，还有垂直俯仰和水平倾斜，很难达到红、绿、蓝三色像的放大率一致、位置重合。采用一步法可以避免二步法时对三个菲涅耳全息图的位置调整，但需要消色差透镜。为了扩大观察范围，需使狭缝的长度尽量长。国内全息干版的长度一般为240mm；Agfa干版一般用（8×10）inch的，其长度为254mm。若采用光刻胶版或全息软片制作H1，则狭缝可达300mm左右。对真彩色彩虹全息图，透镜的口径要能容纳由单色光波长记录时三个狭缝分开的宽度和长度，因此透镜的口径对240mm长的狭缝一般需要300mm左右。假设消色差透镜的相对孔径为1：1，透镜成像的放大率为1时，记录光路如图5－48所示。若狭缝紧贴透镜后表面，即透镜成的像距为二倍焦距，离狭缝600mm。由此可见，即使消色差透镜的口径为300mm，相对孔径为1：1，物体的视场角也远不如二步法的。更何况制作这样的消色差透镜是极其昂贵的。采用大口径的非球面反射镜比消色差透镜实际些，但由于其相对孔径的限制同样限制了物的视场。因此，从实用的角度，一步法很难达到和国内外全息产品同样的观察范围和视场角。



图5－48 真彩色立体物记录光路

　　（八）计算全息图原版制作方法

　　计算全息图与光学全息图不同，它不需要物体的实际存在，而是把物体光波的数学模型输入计算机处理后由计算机控制绘图仪画出阴极射线管显示的编码图样，再翻拍到感光片上制成的。编码图是由透明和不透明两种格点组成的，因而也称为二元计算全息图。若计算机与电视联接，指令电子束在荧光屏上扫描，则编码图样就由强度不同或者说灰度等级不同的格点组成，翻拍后称为灰阶全息图。计算全息图也有像全息、菲涅耳全息和傅立叶变换全息之分。

　　计算全息图（缩写符号CGH）的制作过程一般可分为四色：

　　①选择物体或光波面的数学表达式，并进行抽样；

　　②计算物光波在全息平面上的光场分步；

　　③把上述光波场编码成全息图的透射率变化；

　　④把上述折射率变化显示在阴极射线管上或曝光在照相软片上，或由绘图仪输出在绘图纸上，用适当光学再现装置再现成像。本节只介绍用罗曼（Lohmann）编码法制作二元全息图（傅立叶变换型的）主要过程，即抽样、计算、编码。

　　（1）抽样 由于计算机只能计算离散值，所以要先对物平面抽样，即把物平面划分成M×N小格（抽样单元）。一般彩用24×24、32×32、64×64的规格。抽样数的多少取决于对计算精度的要求。如图5－49所示，物就是一个上字，它写在8×8单位面积的平面上，该平面就是物面，抽样数为8×8。

　　对物面抽样后，物面光场复振幅用它的离散值函数O（Q，L）描述。其中J=jδx,K=δky,j、k是抽样序数，δx、δy是抽样单元的边长。(J,K)就是(j,k)单元的中心点坐标。一般规定，凡是被物占据的单元，其单位面积上复振幅即为一个单位，物面上空白单元则为零。每一抽样单元上的复振幅即为O(J,K)δx、δy。



图5－49 抽样示意图

　　物面上每一个被物占据的抽样单元，都将在记录平面上产生衍射光场，要计算出衍射光场在该平面上的连续变化是不可能的，只能求出有限个位置上的复振幅值。这表明，也必须对记录平面抽样。根据抽样定理，可以证明其抽样数至少与物面上的相等。在以后的讨论中我们取两者相等。

　　记录平面上坐标用空间频率ζ,η表示，ζ=x/λf,η=y/λf,其中x,y为记录平面上空间域的直角坐标分量，λ为记录光波波长，f为透镜的焦距。抽样单元的边长为δζ、δη，其中心点为抽样点，复振幅用0（Q，L）表示。其中Q＝qδζ，L＝lδη,(q,l)，是抽样单元的序数。根据抽样定理有

　　δxδyΔζΔη=1　　　　　　(5-27)

　　其中Δζ、Δη叫做带宽，它们的乘积就是用空间频率作单位时计算出的全息图面积，若以长度作单位时，其面积为ΔxΔy=(λf)²ΔζΔη。其中Δx、Δy代表全息图的边长。

　　举例说明，若物面ΔxΔy=8×8mm²；其中Δx、Δy为物面边长；抽样单元边长δx=δy=1mm；波长λ=6.328×10^-7mm；透镜焦距f=100mm，则在频域内全息图的带宽积ΔζΔη=1。在空间域内全息图的边长Δx=Δy=0.04mm，抽样单元的边长δx=δy=Δx/M=Δy/N=0.05mm，而在频域内抽样单元的带宽δζ=δη=Δζ/M=Δη/N=0.125。这里采用的抽样数M×N=8×8。

　　由所举的例子中可以看出，计算全息图的尺寸是很小的，为了在绘制码孔时不引入误差，可先将全息图尺寸放大若干倍，在一个大面积上抽样。仍用上例，如放大1000倍时，Δx=Δy=40mm将该平面分成8×8个抽样单元，则每个单元的边长δx=δy==5MM。在这样大的单元上画码孔，误差较小。翻拍到感光片上时缩小同一样倍数就恢复到原来的大小。

　　（2）计算离散傅立叶谱 如果物面位于透镜的前焦面上，则在后焦面上（谱平面）上的傅立叶谱函数为

　　0(ζ,η)=∫∫_-∝^∝O(x,y)exp[-i2π(δx+ηy)]dxdy

　　在计算全息中只能计算其离散值。在谱平面上第(q,l)个抽样单元的中心点上谱值0（Q，L）是物面上所有抽样单元的平面衍射光波复振幅叠加的结果，即

　　O(Q,L)=1/ΔζΔη∑∑O(jδx,kδy)×exp[-i2π(qj/M+lk/N)]　　　　　　(5-28)

　　其中利用了x=jδx,y=kδy。它们是物面上第(j,k)个抽样单元中心点的坐标；ζ=Q=qδζ,η=L=lδη,它们是谱平面上第个抽样单元中心点的坐标；M＝Δζ/δζ，N＝Δη/δη是抽样数。

　　若取物面上抽样单元面积为一个单位，则ΔζΔη＝1，并且O(x,y)只在被物上据的单元上有值，而在空白单元上为零。令式(5-28)中的j,k一般取为被物占据单元的抽样序数，则它可简化为

　　O(Q,L)=∑∑exp[-i2π(qj/M+lk/N)]=R=iP　　　　　　(5-29)

　　式中R=∑∑cos2π(qj/M+lk/N)

　　P=-∑∑sin2π(qj/M+lk/N)　　　　　　　　(5-30)

　　而0（Q。L）的实振幅和位相为

　　H=[R²+P²]^1/2 　　　　φ=arctg(P/H)　　　　　(5-31)

　　显然完成谱平面上抽样单元的全部谱值计算工作，要进行（MN）2次运算，工作量相当大。一般按快速傅立叶变换编制程序，由计算机处理。

　　在计算出0（Q，L）的全部实振幅和位相后，还需使其归一化。令A（Q，L），φ（Q，L）为归一化后的实振幅和位相，即

　　A(Q,L)=H(Q,L)/H(0,0) 　　　　φ（Q，L）=φ（Q，L）/2π　　　　(5-32)

　　则有0≤A(Q,L)≤1,－1图中广泛采用的方法。现以谱平面上第(q,l)个抽样单元为例，说明它的编码过程。

　　如图5－50所示，在抽样单元内画一矩形开孔，所谓开孔，是指再现时它是透明的。孔高为h_q,l，孔中国心与抽样单元中心有一个位移，位移量为d_q,l。这两个参量与归一化的振幅和位相成比例。



图5－50 记录平面上一个抽样单元内的码孔

　　h_q,l=A_q,lδy　　　d_q,l=φ_q,lδx　　　(5-33)

　　而开孔的宽度W＝cδx，一般取系数c=1/2～2/3。依次在谱平面上的每一个抽样单元内画出相应的开孔，人工涂黑，经翻拍制成负片后，就是透明的孔。这样制成码孔图，就代表了对物光的编码，也就是计算全息图。

　　再现时，将全息图放在透镜前焦面上，用轴向平面光波照明全息图。若开孔中心均无位移，那么相邻两孔的一级和衍射光波光程差和位相为

　　Δ0＝δxsinθ₁=λ　　φ0=2π/λΔ0=2π　　　　(5-34)

　　式中，δx代表相邻开孔的中心距，相当于光栅常数。θ₁是一级衍射光波的衍射角。若其中一个孔有了位移d_q,l，则它与相邻的无位移开孔相比，其一级衍射光皮的光程差和位相差为

　　Δ=(δx+d_q,l)sinθ₁=λ+d_q,lsinθ₁=λ+λd_q,l/δx

　　φ=2π/λΔ=2π+2πd_q,l/δx=2π+φd_q,l　　　　　　(5-35)

　　式中d_q,l≤δx。又由于衍射光的振幅与码孔的大小成比例，所以所有码孔的一级光波将重构出物的傅立叶谱，在透镜后焦面就得到了原始像和共轭像，一般像质较差。这主要是码孔分布不均匀，大小也不相同，它们的衍射光叠加所重构出的波面不是圆滑曲面，而且码孔中心一般与抽样单元中心也不重合，它的一级衍射光方向并不完全与光通过抽样单元中心也不重合，它的一级一级衍射光方向并不完全与光通过抽样点时产生的衍射方向一致。因此，再现光波波面，产生较大的像差。改善像质的一种方法是，通过多次计算修正码孔中心位移量，使码孔分布均匀化。

三、全息原版记录系统

　　用于原版全息记录的实验系统一般包括减震全息台、光路转向器、分束器、扩束器、准直器、成像透镜、傅立叶变换透镜、针孔滤波器、干版架、复位架、快门、自动曝光和显定影定时器、多自由度微调器、可变光栏等部件。

　　（一）全息工作台

　　全息图是参考波和物光波干涉和纹的记录，如果在曝光过程中两光波的光程差有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光程差的变化小于十分之一。所以，在全息原版制作过程中，特别要注意的是全息工作台的稳定性问题。如图5－51（a）所示，设P为激光器，MN为透明物体。假设物光和参考光的交角为θ，则在干版中央部位的干涉条纹间距为d＝λ/sinθ，式中为激光波长。现在，如果干版在曝我过程中，以d/2的振幅上下振动，如图5－51（b）所示，由于明暗部分重叠记录，结果就不能记录干涉条纹。因此在清晰地记录干涉条纹，干版和物光纵向与横向的相对振动幅度应小于d/4。



图5－51 干版振动对记录干涉条纹的影响

(a)干涉条纹记录 (b)震动对条纹记录的影响

　　影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对全息工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微孔塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重100～200kg的铸铁或花岗岩应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员人要大声讲话和距工作台远一些。

　　这里介绍一种简单有效的消措施，把铸铁平台放在一个坚实的木架上，木架的四条脚分别放在四个减震的铸铁槽中，槽的大小为50cm×50cm×90cm。在槽内铺设一层15cm的砂，砂的上面依次放上棕麻毡和报纸等，每层的厚度为5cm。然后，再放置海绵橡胶碎块，厚度约为15cm。最后盖上木板。

　　检查工作台稳定性的方法是利用记录系统部件，布置一个长臂迈克尔逊干涉仪系统，调节到只有3～5条干涉条纹，然后观看条纹，如果外有震动，干涉条纹没有变化则可大至认为实现了消震。再把一面或两面反射镜用垫子垫起，如经过一段时间后条纹无变化则认为消震良好。为了进一步确定判明全息台是否消震，可以将反射镜的安放位置和方向作几次变动。如果干涉条纹无变化，就可确定实现了消震。当用脉冲激光作为记录光源时，因为曝光时间极短，就无需设减震及防震的措施。

　　（二）光学元件

　　全息原版制作的透镜和反射镜等光学元件与普通用途的光学元件的工作原理相同。

　　1．透镜

　　为了提高光的透射率，防止无用反射所引起的全息图再现噪声，透镜面要镀增透膜。另外，在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜，因为它们会使全息图在记录和再现时产生噪声。

　　2．反射镜

　　当光一次入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以全息制版需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。

　　3．分束器

　　分束器是记录系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束或多束，以便作为参考波和物体的照明光波。分束器一般是在长条玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。

　　用偏振元件制成的分束器可以连续地调节分束比，图5－52（a）是用偏振分光棱镜P和半波片（B₁B₂）组成的分束器，分束角为90°，图5－52(b)是用半波片（B₁B₂）和渥拉斯特棱镜W组成的分束器，其分束角较小。半波片是用来改变光振动方向。

　　有些情况需要将光束分为三束或多束。一种方法是用几个分束器，另一个方法是用全息光栅的多级衍射。位相全息光栅也可以作为连续变化分光比的分束器，只要改变激光器的入射角，分光比即可连续变化。



图5－52 偏光元件分束器

(a)偏振镜分束器 (b)渥拉斯特棱镜分束器

　　4．扩束器

　　因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜，或焦距很短的单片正透镜或负透镜。有时为了减少光学元件，用凸球面或凹球面反射镜同时进行扩束和改变光束的方向。

　　设用焦距为f的正透镜进行扩束，激光束的光斑直径为2ω，则扩束以后的光束发散角为2tg^-1(ω/f)。由于激光束的光强分布为高斯型的，扩束以后光强分布仍为高斯型。为了使光强分布均匀，一般在光路中加一个光栏。这样因只利用其中很少的一部分光束，就要损失很多能量。为了减少光能的损失可制作如图5－53（a）所示的同心透镜，透镜的顶端是中性滤色片（透镜的曲率及中心滤光片的吸收系数都要经过计算）。如需要将光束准直，可以在制作准直物镜时在顶端部分加入一片中性滤色片，如图5－53（b）所示。中性滤光片对光束的中心部分吸收大，对边缘部分吸收小。



图5－53 减少光能损失的光学元件



图5－54 针孔滤波器的作用

　　5．针孔滤波器

　　针孔滤波器

　　针孔滤波器的作用是限制光束的大小，消除扩束镜及其在扩束以前光束经过的光学元件所产生的高噪声。针孔滤波器一般是厚度为25的钼片，它要用激光打孔的方法，制成5～30μm的针孔。针孔大小的选择与扩束镜后焦面上的散斑的大小和记录的大小为D＝2λf/πω。在不考虑像的分辨率的情况下，可参考上式选择针孔。因为扩束镜有定的像差，实际的光斑较用上式计算的值为大，针孔大小可近似用2λf/πω计算。

　　针孔在使用时要放在扩束镜后焦面上的亮斑处。通常针孔和扩束镜安装在一个支架上，针孔的位置可在三个互相垂直的方向调节。首先将针孔置于扩束镜焦点附近，在针孔后面放置一个光屏。先稍许移动垂直（或水平）方向的调节手轮，用水平（或垂直）方向的手轮进行扫描；如未见屏上有光斑，则继续重复下去，持有光斑出现后，沿光轴方向或垂直方向移动针孔的位置使光斑的亮度逐渐增加，同时微调 水平或垂直方向的手轮，使光屏上观察到同心的亮暗衍射环；最后再沿光轴方向微调，使中央亮斑半径不断扩大，亮度逐渐增加，直至最亮为止。

　　6．散射器

　　毛玻璃、石膏、白纸等都可以做为散射器。散射器是用来获得均匀的散射光场。首先，散射器的照度要求均匀，以使散射光均匀。好的散射器在θ方向的光通量与法线方向的光通量相差很小，满足I_θ=I₀cosθ的关系，这样在θ=±20°的范围内的与差别小于6％。

四、全息原版记录系统准备事项

　　1．被照物体的准备

　　全息照相常用的影物多半是尺寸不大、有光泽和反射率较高的物体。对于由玻璃制成的装饰品等物体，在拍摄前要在表面上涂上薄层润滑脂，使其具有漫散射特性。如果使用的是输出功率为10mW的氦氖激光器时，被照物体的尺寸最大可为20cm×30cm。如果使用经过选模的氩离子激光器，物体最大可为30×50cm。如果使用巨脉冲红宝石激光器，则可拍摄人物像。

　　2．选择干版

　　市场上出售的干版上标有其所适合的激光器。应根据客户对全息商标类型的要求和版面色彩设计要求，选择与记录光源波长和感光度相适应的干版。在价格合适的情况下尽可能地选择分辨率高的干版。

　　3．激光器准备

　　首先，接通电源激光器发出的激光，凤射到一张白纸上，观察是否是单横模。如果不是单横模，则按前述方法调整获得单横模输出。如果光斑中出现复杂图案，则多是激光器输出端反射镜的外侧上附有灰尘的缘故。可用擦镜纸沾上乙醇或丙酮轻轻擦试镜头。检查谐振腔是否有所需输出激光以外的漏光，则用厚黑布遮光。如果漏光是青白色的，这是放电管放电产生的光，可在激光器出口处设一个小孔光栏来把它消除。

　　4．光学元件与其他元件

　　根据所记录全息原版类型和记录光路的设计要求，先画一个配置图。然后选用分束器、针孔滤波器、凸透镜、全反射镜的个数，准备干版架、为数秒或1／250s的快门、能测数微瓦至十微的瓦的激光功率计各一台。此外准备毛玻璃板等漫射板。

　　5．配置记录光路

　　（1）光束方向与工作台面平行 布置记录光路时，首先应使光束方向与工作平台平行。激光束的高度要适中。如果激光输出的高度不合适，应用升（或降）光镜调节到合适的高度，利用反射镜或升光镜的微调机构和一个可移动的有固定高度标记的支架，把激光束调节到与工作台面平行。

　　（2）分光束分束比的选择 光束平行度调节好后，便要安装分束器。分束器分束比的选择要考虑到记录物体的大小和表面束。记录介质表面处参、物光束比保持在1－10的范围内。

　　（3）激光束的偏振方向 干涉条纹的调制度的一般公式为V=(2Bcosθ|γ_τ(t)|)/(B+1)，式中B是参、物光束比R₀²／O₀²,θ为参、物光束振动方向之间的夹角，γ_τ(t)是参、物光束的时间相干度。上式说明互相垂直的偏振光不能产生亮暗条纹。外腔式激光器因有布鲁斯特窗，激光输出是偏振光，应使偏振方向与光束的入射面垂直；内腔式激光器输出激光束虽然不是偏振光，但有一个振动方向的光强最大，应使这个方向垂直于入射面。

　　（4）激光束应通过扩束镜和准直镜中心的调节 安装扩束镜时，应上、下或左、右调节扩束镜（不加针孔）使射出的光斑中心与激光束重合；使用准直镜时，应在激光束未扩束以前把透镜中心的位置与激光束中心重合。方法是观察透镜两表面反射的一系列光点是否位于同一条线上。

　　（5）各种元件的机械构造在稳定 安装各种光学元件的支架大都有2～4个自由度的调节，在使用时要检查各部分机构是否有松动的地方，各固定螺钉要拧紧，各调节的部分以安装在中间位置为好，支架一般采用磁性表座，记录时要把它和台面固紧。

五、全息原版照相制作工艺

　　（一）记录系统调节

　　（1）调节光路中各光学元件，使从分束镜到干版的物光和参考光的光程长度尽可能相等（最大光程差要在所用激光器的相干长度以内）。物光和参考光的交角不宜过大，最大为60°～90°，被照物体要能被光有效地照射。

　　（2）调节光路使物光能有效地到达干版，并且使光路达到在以后易于调整光束平衡。用光功率计测量干版位置的物光和参考光的强度比，根据被照景物的大小和种类，调节分束器使两者的强度比达到规定值（例如对拍摄二维反射全息图时，强度比为1：1～3：1）以便确定曝光时间（对拍二维透射全息图，强度比为2：1～10：1）。

　　（3）由于快门在开关时产生的震动，经常传到记录全息台上去。因此，应把快门与记录全息台平面隔开，单独安装或者在记录平台上铺上胶垫，将快门固定其，以减小震动。



图5－55 确定曝光时间

　　（二）确定曝光时间

　　确定曝光时间的方法是先根据据用干版的感光度，确定曝光量，进行一个预备实验。如图5－55所示，在一块干版上，将曝光时间按1～2s的间隔，分成几段曝光，然后将干版显影。从其结果来选择合适的曝光时间。

　　曝光时，将干版装在干版架上后，因人微小震动，要等30min后，才能打开曝光快门进行曝光。操作人员操作时，不要大的移动身体和大喘气，以免使空气产生振动。

六、显影、定影和漂白工艺

　　1．存贮设备－冰箱

　　大多数记录材料需要在低温下保存以防止暗反应，所以暗室要准备一个冰箱。全息干版的存放温度在0℃～7℃的范围内即可，使用前从冰箱内取出。在室温下存放4h以上，待干版的温度升至室温时，才打开干版的包装纸，以避免湿气的冷凝作用。已经开封的全息干版不宜再放入冰箱内。

　　2．安全设备

　　有些药品有毒性，在配制和使用时会散发出一些有害的气体，因此应准备一个通风柜在操作时使用。

　　处理用的药品有的带有腐蚀性，所以操作时应带上橡皮手套。灵敏的色光灯照明下进行操作。安全灯一般用白炽灯加一片能吸收记录材料灵敏波长的滤色片。对于全色干版或红敏干版宜采用透射峰值波长约为507nm的蓝绿色滤色片，507nm波长是人眼适应视力最灵敏的波长；对于蓝绿敏全息干版用红色滤色片即可。

　　3．显、定影准备

　　①从市场采购的各种型号的全息干版都有一定尺寸，使用时需要按实际要求的大小进切割，要准备一把金刚石玻璃刀。另外，因为是在暗室中切割，为确保切割尺寸的准确度，应准备一块尺寸为400mm×300mm，一边带有边框的木板和几块不同尺寸的300mm长的木板，宽度按需要的尺寸减去1／2玻璃厚度。切割干版时将干版的乳胶面向下，干版的一边紧靠边框，以此来定位，压上所需要宽度的木板后，将玻璃刀靠在木板的另一边。切割时玻璃刀的斜面应平行于木板的表面，稍用一点力划过去，应听到一种清的声音，拿起干版在划痕附近用玻璃刀轻击几下，然后用手指捏住划痕的两边用力掰开。将乳胶面向下，放在黑纸中包好。为了避免手指玷污干版，最好戴一副薄的线手套。

　　②准备一台精度为0．01g的托盘天平，两个1L的搪瓷量杯，若干盛溶液的砂玻璃瓶塞的瓶子，100℃的温度计，加温用的电炉以及蒸馏水或去离子水等。各种药品以分析纯为宜。各种药品均按配方的顺序称量并放入盛蒸馏水的量杯中，水温约为50℃。量杯内的水先放放规定量的3／4，放入一种药品后需等其完全溶解后再放入下一种，最后加水到规定量。

　　③处理用品皿同一般照像的暗室设备相似。主要有一些盛放显、定影液的平底搪资或塑料盘（4个以上）、竹夹（4个以上）、夜光定表和恒温槽。

　　以上是对银盐干版的处理。如果自行制作记录材料，则需要另行考虑。

　　（二）全息干版的显影与定影工艺

　　在全息记录材料中，全息干版是最普遍使用的一种，下面对全息干版的冲洗工艺进行简单介绍。

　　1．振幅全息图的定影

　　全息干版的涂层是卤化银乳胶，在曝光时，分解出金属银离子Ag⁺和卤元素离子Br^-，由于光电效应击出电子e^-，电子e^-再从金属银离子中和生成金属银微粒散布在乳胶中。银粒子的多少随曝光量增加形成一种潜像。通过显影使含有上述析出银的地方成为还原中心，有大量的溴化银还原为金属银，由于密度不同的银粒子对光的吸收也不同，从而形成了影像。定影的作用是将乳胶中未曝光部分的卤化银和曝光部分残留的卤化银清除掉。这样，全息干版在曝光以后，通过显影和定影处理后即得到振幅型的全息图。

　　在全息处理过程中最常用的显影液是柯达D－19，定影液为F－5。其操作过程如下：

　　①显影 按照干版上标志的显影液的种类和显影时间，在安全灯下，将曝光后的干版全部迅速地放入D－19显影液中浸泡，乳胶面向上，搅动显影液，约2min，光密度约为0．5～0．7，取出水洗30s。

　　②停显 在SB－1停影液中浸泡30s，取出水洗30s。

　　③定影 定影时，不需要在安全灯下进行。可在常规照明灯下操作。在定影液F－5中浸泡3～5min，在定影过程中要搅动定影液，在此期间感光胶会逐渐变透明。干版全部透明以后，还要继续定影，大约为干版放入定影液到变成透明的时间的2倍。在使用坚膜定影液时，最好浸泡10～20min。

　　④水洗 在流水中冲洗5min，水洗时，要注意水流，保证干版不重叠，以免干版上产生斑痕。水流的水温不高于25℃，以免感光膜脱落。

　　⑤去除增感剂 在甲醇或无水乙醇中浸泡3min。

　　⑥ 干燥 取出后自然干燥。如不经过去除增感剂，最后应用蒸馏水清洗，以免自来水杂质的污染。

　　对于使用连续激光记录时，用600mL酚藏花红和1L甲醇配制的去敏化乳胶代替定影液处理3min可提高全息衅的质量。

　　2．们相全息图的显影与定影工艺

　　用全息干版制作的全息图经漂白后即得到位相全息图。位相全息图有浮雕（厚度调制）型和折射率调制两种。全息干版漂白后的位相全息较以折射率调制为主带有定的浮雕。

　　漂白的种类很多，大致可分为三类：寻常漂白、无定影漂白和先漂白后定影。

　　①寻常漂白 寻常漂白的主要程序是通过显影和定影形成的振幅型全息图后，再经过漂白成为位相型的。漂白以后金属银形成透明银盐，银盐的折射率大于明胶，于是产生折射率调制，可用图5－56加以说明。图中（a）表示曝光以后，通过显影、定影在明胶中曝光部分含有金属银微粒；（b）表示漂白以后，曝光部分的银微粒变为透明银盐（c）表示在干燥过程曝光部分的明胶因鞣化引起表面变形，形成表面浮雕。在全息图的空间频率小于200线／mm时，浮雕比较明显；空间频率较大时浮雕很小。另外浮雕调制和折射率的调制作用是相加的。

　　寻常漂白的程序同振幅型全息图，只是在定影水洗后加一道漂白程序和水洗，漂白时间一般是在漂净后延长相同的时间。改变一下后续的处理可以提高衍射效率。

　　提高衍射效率的处理程序为：

　　(a)显影 D19显影液1：10稀释后显影2min，水洗30s；

　　(b)停显 用SB－1停显30s后，水洗30s；

　　(c)定影 用F－24定影后，流水冲洗1min；

　　(d)漂白 用酸铁漂白液漂白后流水洗1min；

　　(e)坚膜 用碱性甲醛通过坚膜液坚膜2min，流水洗5min；

　　(f)溶胀 在35℃左右的温水中浸泡10min；

　　(g)脱水 先用50％的异丙醇浸泡32min，再用100％的异丙醇浸泡4min；

　　(h)干燥 取出干版后立即用热风吹，然后用冷风吹（防止起霜）。



图5－56 寻常漂白示意图



图5－57 反转漂白示意图

　　②无定影漂白 无定影漂白有两种，一种是反转漂白，另一种是再卤化漂白。

　　无定影反转漂白的过程如图5－57所示。图中（a）表示曝光显影后在乳胶中曝光部分为金属银，未曝光部分为卤化银。（b）表示漂白时金属银变为可溶解的银盐，从而可从乳胶中除去，未曝光部分仍为卤化银。这样与寻常漂白恰恰相反，所以称为反转漂白。（c）表示干燥的时候曝光部分因明胶鞣化引起表面变形产生的浮雕。在这种情况表面浮雕调制和折射率调制的作用是相消的。无定影漂白处理程序如下：

　　(a)显影 用SD－48显影5min，24，水洗30s；

　　(b)停显 用21－27℃的SB－1停显30s，流水洗5min；

　　(c)漂白 用21－27℃的R－9漂白3min，流水洗5min；

　　(d)除色 用21－27℃的S－13A液除色1min；

　　(e)清洁 用21－27℃的S－13B液清洁1min，流水洗5－10min；

　　(f)脱水 用50％的甲醇浸泡3min，再用100％的异丙醇浸泡4min；

　　(g)干燥 在室温下自然干燥。

　　无定影再卤化漂白的漂白液中含有碱金属化合物，例如溴化钾。它可以使已显影的金属银成为溴化银，位相调制的形成是因为未曝光部分的卤化银向曝光部分扩散而形成的。这种漂白方法的优点是乳胶层的变化为最小。

　　③先漂白后定影 先漂白后定影是利用卤化银乳胶的灵敏性，通过处理后获得具有与重铬酸盐明胶（DCG)相同性（高衍射效率、低噪声）的全息图，所以也称为卤化银敏化的明胶全息图（SHSG）。这种漂白的程序为：

　　

　　(a)显影 用D－1显影液，mins

　　(b)停显 用SB－1停显，30s，流水洗1min；

　　(c)漂白 用R－9反转漂白，3min，流水洗10min；

　　(d)清洁 用S－13，B液，1min，流水洗5min；

　　(e)定影 用F－24定影3min，流水洗5min；

　　(f)浸泡 用蒸馏水浸泡2min；

　　(g)脱水 用50％异丙醇浸泡3min，再用100％异丙醇浸泡4min；

　　(h)干燥 先在室温下干燥30min，再放在有氯化钙的干燥器干燥15h。

　　寻常漂白后再定影的程序为：

　　(a)显影 用DK－20显影4min，流水冲洗1min；

　　(b)漂白 用鞣化或非鞣化漂白。漂白后水洗1min；

　　(c)定影 用F－24定影，3min，流水洗5min；

　　(d)溶胀 在35℃的蒸馏水中浸泡10min；

　　(e)脱水 在无水乙醇中浸泡2min，再在异丙醇中浸泡4min；

　　(f)干燥 在20＜50％RH条件下干燥。

七、常用显影、定影和漂白液配方

　　表5－16 常用显影液配方

显影液名称	显影液成分	用量／（g/L)
柯达(Kodak)D－76显影液	米吐尔 无水亚硫酸钠 对苯二酚 无水碳酸钠 溴化钾	2．2 96 8．8 48 5
柯达D－19显影液	米吐尔 无水亚硫酸钠 对苯二酚 无水碳酸钠 溴化钾	2．2 96 8．8 48 5
柯达DK－20超微粒显影液 鞣化漂白液配方：重铬酸钾0．89g/L 加硫酸1ml/L	米吐尔 无水亚硫酸钠 偏硼酸钠 硫氰酸钾（或钠） 溴化钾	5 100 2 1 0．5
阿克发（Agfa）GP61 显影液（用于透射全息图）	米吐尔 对苯二酚 菲尼酮 无水亚硫酸钠 无水碳酸钠 溴化钾 乙二胺四醋酸四钠盐（EDTANa4）	6 7 0．8 30 60 2 1
阿克发GP62显影液 （用物反射全息图） 用时A：HO：B＝1：2：1 混合此液最多使用2	A液 米吐尔 无水亚硫酸钠 溴化钾 EDTAN4 B液 无水碳酸钠	15 7 20 4 2 60
依尔福（ILford)焦培芬显影液 （用于反射全息图） 用时等量混合，立即使用	A液 焦培酚 溴化钾 B液 无水碳酸钾 偏硼酸钠	10 10 20 20
依尔福SP678C（用于透射全息图） 用时等量混合	A液 无水亚硫酸钠 邻苯二酚[C6H4(OH)2] 对苯二酚 溴化钾 B液 无水碳酸钾 偏硼酸钠	20 20 10 10 120 20
CW－C2显影液（无定影液）	邻苯二酚 L－抗坏血酸（Vc） 无水硫酸钠	10 5 5
米吐尔、Vc显影液 再卤化时漂白用	米吐尔 L－抗坏血酸（Vc） 碳酸钠	2 20 50
柯达特殊显影液SD－48 使用前1：1混合	A液 无水亚硫酸钠 邻苯二酚无水硫酸钠 B液 氢氧化钠 无水碳酸钠	8 40 100 20 100

表5－17 常用定影液配方

定影液名称	定影液成分	用量／(g/L)
柯达酸性坚膜定影液F－5	结晶硫代硫酸钠 无水亚硫酸钠 冰醋酸 结晶硼酸 钾矾	240 1．5 13．5 7．5 1．5
柯达非坚膜定影液F－2	结晶硫代硫酸钠 无水亚硫酸钠 亚硫酸氢钠	240 10 25
碱性甲醛非坚膜定影液	结晶硫代硫酸钠 无水亚硫酸钠 甲醛液	240 40 100ml/L

表5－18 常用坚膜液配方

坚膜液名称	坚膜液成分	用量／(g/L)
碱性甲醛通用坚膜液 （适用于各种处理过程坚膜）	甲醛 无水碳酸钠	10 5
铝钾矾坚膜液（定影后用）	铝钾矾	100
酸性铬矾坚膜液（显影后用）	铬矾 冰醋酸	15 8ml/L

表5－19 常用漂白液配方

漂白液名称	漂白液成分	用量／(g/L)
铁氰化钾漂白液	铁氰化钾 溴化钾	30 30
硝酸铁漂白液	硝酸铁 溴化钾	100 30
EDTAFN漂白液	乙二胺四乙酸铁钠盐 溴化钾 浓硫酸	30 30 10ml/L
R10系列漂白液 用时以A：B：H2O＝1：1：10混合 （a）R10（NaCl) （b）R10（KBr） （c）R10（KI）	A液 重铬酸铵 浓硫酸 B液 氯化钠 溴化钾 碘化钾	20 14ml/L 45 92 128
R9漂白液（用于反转漂白）	重铬酸钾 硫酸	2 10ml/L
重铬酸钾、溴化钾漂白液	重铬酸钾 溴化钾 硫酸	0．8 4 1ml/L
PBQ－1漂白液	仲苯醌 硼酸 溴化钾	2 1．5 30
PBQ－2漂白液	仲苯醌 柠檬酸 溴化钾	2 15 50
重铬化钾再卤化漂白液	理铬酸钾 浓硫酸 溴化钾	0．8 1ml/L 8

表5－20 定显和除色配方

药液名称	药液成分	用量／(g/L)
哥达SB－1停显影	冰醋酸	13．5ml/L
柯达SB－2停显影	柠檬酸（或酒石酸）	15
柯达S－13除色液用时混合	A液 高锰酸钾 浓硫酸 B液 亚硫酸氢馀	2．5 8ml/L 10

[时间：2001-08-08  作者：张逸新 唐正宁 钱军  来源：《防伪印刷》·第五章 全息印刷技术]