Устройство записи микроголограмм со скрытым кодированным изображением для персонализации тиражируемых фотополимерных защитных голограмм

Область техники
Полезная модель относится к голографическим системам записи цифровой информации и может быть использована для персонализации защитных голограмм в процессе их тиражирования на фотополимерных материалах.
Уровень техники
Современное развитие технологий в защищенной полиграфии предусматривает использование в идентификационных документах, банкнотах, акцизных марках и других изделиях защитных элементов, основанных в том числе и на объемно-фазовых голограммах, тиражирование которых еще не столь давно представлялось сложной технологической и материаловедческой задачей.
Для системы учета и контроля носителей голограмм обычно используют сквозную нумерацию или кодирование. Индивидуальный номер наносится печатью на защитные голограммы после их тиражирования, и, таким образом, данные голограммы становятся персонализированными. В настоящее время широко используются такие методы персонализации как точечная перфорация или полиграфическая печать рибоном, при этом в обоих случаях нанесенные индивидуальные номера отбирают значительную часть полезной площади защитной голограммы. Кроме того, индивидуальные номера, полученные путем печати, располагаются на поверхности голограммы и могут быть преднамерено или случайно стерты, что приведет к проблемам в учете и контроле защищаемой продукции.
2
i+1
Для решения данных проблем предложено осуществлять индивидуализацию фотополимерных защитных голограмм путем записи скрытых кодированных изображений в виде микроголограмм Фурье (МГФ) размером до 2×2 мм. Кодирование служит для сжатия записываемой полезной информации, позволяя разместить в одной МГФ персональную цифровую информацию практически любой сложности, и добиться стабильного машиночитаемого восстановления достаточно большого объема данных (до 1 Мб). Записываемой в МГФ персональной информацией может быть изменяемый по икременту  серийный номер для каждой отдельной защитной голограммы, информация о производителе, логотипы, правила пользования продуктами или лекарственными препаратами, рекламные видеоролики и др. Преимуществами такого способа персонализации по сравнению с перфорацией, полиграфической печатью рибоном и др. является значительно большая информационная емкость при меньшей площади, отводимой под персонализацию, отсутствие нарушения целостности материала-носителя и стойкость к стиранию информации. Для реализации этого способа требуется разработать соответствующее оптико-электронное устройство, которое записывает дополнительную субголограмму с индивидуальной информацией скрытых кодированных изображений в виде МГФ в требуемом локальном месте основной защитной голограммы. С такой МГФ может быть восстановлено и затем зарегистрировано фотоприемным устройством скрытое кодированное изображение, с последующим декодированием входной цифровой информации и ее идентификацией в виде индивидуальной цифровой информации практически любой сложности.
Известны устройства записи компьютерно-синтезированных голограмм Фурье (КС ГФ) на регистрирующую среду путем вывода рассчитанной структуры синтезированной голограммы на матричное устройство и последующей проекцией изображения с требуемым уменьшением на регистрирующую среду при перпендикулярном положении регистрирующей среды относительно оси светового пучка. Одно из таких устройств описано в патенте РФ №162199 (МПК G11B 7/0065, G03H 1/08, опубл. 27.05.2016) «Устройство записи компьютерно-синтезированных мультиплексных голограмм Фурье в системе оптико-голографической памяти». В данном устройстве источником излучения является некогерентный светодиод, который позволяет избежать влияния спекл-шумов, которые неизбежно присутствуют на поверхности регистрирующей среды при когерентном освещении. Применение некогерентного излучения уменьшает вероятность возникновения ошибок при считывании информации. В данном устройстве применен отражательный матричный пространственный модулятор света (ПМС) и поляризационный кубик для уменьшения длины схемы, но при этом увеличиваются габариты устройства по ширине.
о
В случае применения данного устройства к задаче персонализации тонкопленочных фотополимерных защитных голограмм в процессе их тиражирования, его ограничением является отсутствие функционала в виде ролевых механизмов для перематывания и сматывания пленочной фотополимерной регистрирующей среды. Кроме того, применение отражательного ПМС в сочетании с поляризационным светоделительным кубиком приводит к бльшим потерям мощности излучения, чем при использовании одного ПМС, работающего на пропускание.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) можно принять устройство записи голограмм по патенту РФ № 123184 (МПК G03H 1/08, опубл. 20.12.2012) «Устройство записи мультиплексных голограмм в системе оптикоголографической памяти». Устройство записи состоит из осветительной оптической системы, включающей лазерный источник излучения, объектив, диафрагму для оптической фильтрации излучения источника, и коллимирующий объектив, а также из работающего на пропускание матричного ПМС для ввода КС ГФ и проекционной оптической системы, включающей первый объектив, диафрагму для фильтрации высших порядков дифракции спектра голограммы, вызванных дискретной структурой матричного устройства, и второй объектив перед регистрирующей средой, расположенной перпендикулярно оптической оси устройства записи.
К техническим ограничениям этого устройства в применении к персонализации защитных голограмм в процессе их непрерывного тиражирования следует отнести использование лазерного излучателя, что приводит к искажению спекл-шумом выводимой на ПМС КС ГФ, а также отсутствие ролевого механизма для перематывания и сматывания пленочного фотополимерного носителя защитных голограмм.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является усовершенствование прототипного устройства записи мультиплексных голограмм в системе оптикоголографической памяти для записи персонализированных скрытых кодированных изображений в виде компьютерно синтезированных микроголограмм Фурье (КС МГФ) в непрерывно тиражируемые защитные голограммы на тонкопленочном фотополимерном носителе.
Технический результат при сохранении требуемого качества изображений КС МГФ в защитных голограммах обеспечивается: - заменой в составе прототипного устройства лазерного источника излучения на светодиодный, - использованием ролевого механизма для сматывания пленочного фотополимерного носителя вместо системы линейных перемещений и поворотного механизма для вращения регистрирующей среды, - дополнительной установкой датчика положения персонализируемых защитных голограмм и электронного блока синхронизации работы светодиодного излучателя, работающего в импульсном режиме, датчика положения персонализируемых защитных голограмм и ПМС, формирующего МГФ для записи в защитные голограммы.
Таким образом, устройство записи микроголограмм со скрытым кодированным изображением для персонализации тиражируемых фотополимерных защитных голограмм содержит источник излучения, оптические элементы для расширения пучка излучения, электронный блок компьютерного синтеза микроголограмм Фурье, матричный пространственный модулятор света (ПМС) для ввода синтезированных в электронном блоке микроголограмм Фурье в оптический канал, проекционную оптическую систему с диафрагмой, обеспечивающей отсечение излучения в неинформативных дифракционных порядках, для переноса изображения с плоскости ПМС в плоскость фоточувствительной регистрирующей среды, представляющей собой тонкопленочный фотополимерный материал, и устройство перемещения регистрирующей среды. При этом в качестве источника излучения использован импульсный светодиодный излучатель, управляемый генератором синхроимпульсов. Устройство дополнительно содержит оптический датчик положения персонализируемых защитных голограмм на непрерывно перемещаемой полосе тонкопленочного фотополимерного материала в качестве регистрирующей среды и электронный блок синхронизации работы импульсного светодиодного излучателя, датчика положения персонализируемых защитных голограмм на непрерывно перемещаемой полосе материала и ПМС, формирующего МГФ для записи в защитные голограммы. В качестве устройства непрерывного перемещения полосы материала использован ролевый механизм для перематывания и сматывания материала. Все устройство может быть установлено в едином общем светозащищающем корпусе.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства.
Осуществление полезной модели
Устройство (фиг.1) состоит из генератора синхроимпульсов 1 для некогерентного излучателя, в качестве которого использован импульсный светодиодный источник излучения 2, оптических элементов 3 и 4 для расширения пучка излучения источника 2, электронного блока 5 компьютерного синтеза микроголограмм Фурье, матричного пространственного модулятора света 6 для ввода информации компьютерно синтезированных микроголограмм Фурье (КС МГФ) из блока 5 в оптическую систему, проекционной оптической системы, состоящей из оптических компонентов 7, 9 и 10 и диафрагмы 8, для проецирования изображения КС МГФ с плоскости модулятора в плоскость фоточувствительной регистрирующей среды, представляющей собой полосу тонкопленочного фотополимерного материала 11, непрерывно перемещаемую ролевым механизмом 13 для перематывания и сматывания полосы, оптического датчика положения 14 персонализируемых защитных голограмм на полосе материала, электронного драйвера 12, управляющего ролевым механизмом 13, и электронного блока синхронизации 15 работы генератора 1 для источника 2, электронного блока КС МГФ 5 для ПМС 6, электронного драйвера 12 механизма 13 и оптического датчика положения 14 голограмм на полосе 11. Все устройство может быть установлено в едином общем светозащищающем корпусе (на схеме не показан).
H
H
i
i
Устройство работает следующим образом. По команде, приходящей из электроного блока синхронизации 15, генератор синхроимпульсов 1 включает или выключает светодиодный источник излучения 2. Излучение светодиода, работающего в импульсном режиме, проходит через оптические элементы 3 и 4, с помощью которых происходит увеличение диаметра и коллимирования пучка излучения для освещения апертуры ПМС 6. Электронный блок 5 используется для компьютерного синтеза микроголограмм Фурье . Вывод на ПМС 6 каждой последующей КС МГФ с персональной информацией и индивидуальным номером, осуществляется электронным блоком 5 по команде с блока синхронизации 15. Сформированное на апертуре ПМС изображение КС МГФ с помощью системы оптических линз 7, 9 и 10 переносится на непрерывно перемещаемую полосу с тонкопленочной фотополимерной регистрирующей средой 11 с уже записанными до этого момента защитными голограммами. Диафрагма 8, установленная в задней фокальной плоскости линзы 6, устраняет результаты рассеяния света в оптическом тракте из линз 7,9 и 10. Синтезированная структура интерференционной картины представляет собой двумерную дифракционную структуру, и при восстановлении изображения с голограммы с такой дифракционной структурой изображение появляется дважды, а именно в +1 и -1 дифракционных порядках. Один из этих порядков является паразитным. Для его устранения служит также диафрагма 8. Подача регистрирующей среды 11 в область записи персонализированных МГФ и сматывание в рулон для хранения осуществляется в непрерывном режиме с помощью ролевого механизма 13, управление которым осуществляется электронным драйвером 12 в соответствии с командами блока синхронизации 15. Поскольку персонализация защитных голограмм производится в режиме непрерывной подачи тонкопленочной фотополимерной регистрирующей среды 11, и положение областей для записи индивидуальных МГФ на кадрах персонализируемых голограмм на полосе тонкопленочной фотополимерной регистрирующей среды 11 должно быть одинаковым, то для определения моментов экспонирования и выработки соотвествующих световых импульсов используется оптический датчик положения 14 персонализируемых защитных голограмм, сопряженный с электронным блоком синхронизации 15. В момент подхода к датчику положения 14 реперной метки каждой последующей персонализируемой голограммы, записанной на фотополимерной пленке 11, с датчика 14 посылается сигнал на блок синхронизации 15, который, в свою очередь, отправляет синхроимпульсы на генератор 1 светодиода 2 и электронный блок 5 для вывода на ПМС 6 соответствующей МГФ . При этом не происходит останова ролевого механизма 13 и подача тонкопленочной фотополимерной полосы 11 осуществляется непрерывно до завершения процесса персонализации тиража защитных голограмм.
Примерная оценка допустимой длительности импульса записи МГФ на кадр основной голограммы, уже записанной до этого на непрерывно перемещаемую тонкопленочную фотополимерную полосу со скоростью перемещения до 2 см/с. Допустимая погрешность изменения положения МГФ на кадре основной голограммы может составить примерно 0,01 мкм. Допустимую длительность импульса записи МГФ получим делением допустимой погрешности положения МГФ на скорость перемещения полосы, что в итоге составит 0,5 мкс или 500 нс. Под эту длительность надо выбирать быстродействие оптико-электронных компонентов устройства и быстродейстие синхронизации их взаимодействия.
Реализация предлагаемой полезной модели позволит проводить индивидуализацию каждой отдельной голограммы в процессе непрерывного тиражирования, при котором не нарушается целостность основной голограммы на фотополимерном носителе, как это происходит в случае дополнительной перфорации, и практически не отбирается полезная площадь основной голограммы, как в случае с нанесением на нее дополнительных полиграфических принтов.