УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИФРАКЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОЛОГРАММ

Полезная модель относится к оптико-электронным устройствам контроля дифракционной эффективности отражательных голограмм и может быть использована для экспресс-контроля голографической продукции различного типа и назначения в условиях ее производства и эксплуатации.
В настоящее время голограммы широко используются в различных областях науки и техники. Однако наибольшее применение голограммы нашли в потребительской сфере в качестве составных элементов упаковки различных типов, а также для защиты документов и других объектов от подделки и вскрытия. Это связано, в первую очередь, с высокой степенью защищенности голографической продукции от возможности копирования или подделки, а также с визуальной привлекательностью голограмм.
Все возрастающие объемы производства голографической продукции ставят задачу оперативного контроля ее качества, одним из основных показателей которого является дифракционная эффективность, напрямую определяющая яркость голограммы.
Известно устройство для контроля дифракционной эффективности голограмм, включающее источник лазерного излучения, отражатель и фотоприемник (см. патент республики Корея KR 101448975). В патенте предложено использовать лазер для освещения находящихся под прямым углом голограмм, а фотоприемник - для измерения интенсивности дифрагированного сигнала. При этом включение фотоприемника синхронизировано с положением голограммы на лентопротяжном устройстве. Недостатком такой схемы является то, что для голограмм разного типа нужно настраивать угол считывания и местоположение фотоприемника. Кроме того, для многоцветных голограмм, записанных под различными углами, сигнал фотоприемника будет меняться в зависимости от того места, куда направлено излучение лазера.
Эти недостатки частично устранены в другом известном устройстве для контроля дифракционной эффективности голограмм, включающем источник лазерного излучения, направленного на голограмму, отражатель и фотоприемник, описанном патенте Китая CN 207336359, выбранном заявителем в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Согласно описанию устройства - прототипа голограмма в нем, как и в вышеназванном аналоге, освещается лазером по нормали (под прямым углом), но для измерения дифракционной эффективности используются два фотоприемника один - для измерения интенсивности падающего на голограмму излучения, а второй - для измерения интенсивности излучения, дифрагированного на голограмме. При этом между вторым фотоприемником и голограммой расположены поворотное зеркало, направляющее излучение лазера на голограмму, и две линзы, одна из которых коллимирующая, а вторая - фокусирующая излучение в плоскости фотоприемника.
Недостатком прототипа является то, что диапазон частот дифракционных решеток голограмм, которые могут быть исследованы таким устройством, ограничивается апертурой коллимирующей и фокусирующей линз - со стороны высоких частот и габаритами поворотного зеркала - со стороны низких частот. Известно, что частоты дифракционных решеток изобразительных и защитных голограмм (далее - частоты голограмм) обычно лежат в диапазоне от 800 до 1400 линий/мм. При освещении по нормали голограммы с частотой решетки 800 линий/мм излучением лазера на рекомендованной в патенте длине волны 633 нм угол между дифрагированными пучками первого и минус первого порядков составляет 60 градусов, а при частоте решетки 1400 линий/мм достигает 104 градусов. Это приводит к необходимости использовать линзы большого диаметра с малым фокусным расстоянием. В целом указанные недостатки сужают частотный диапазон контролируемых голограмм, значительно усложняют конструкцию устройства и приводят к ее удорожанию.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи создания устройства для контроля дифракционной эффективности голограмм, позволяющего проводить измерения в широком диапазоне частот и углов расположения устройства на плоскости носителя голограмм относительно углов дифракции, и не требующей при этом использования дорогостоящей и габаритной оптики с большой апертурой, что позволяет существенно уменьшить массу и габариты устройства.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для контроля дифракционной эффективности голограмм, включающем источник лазерного излучения, направленного на голограмму, отражатель и фотоприемник, отражатель имеет форму цилиндра, в корпусе цилиндрического отражателя выполнены два отверстия, расположенные диаметрально противоположно друг другу, при этом источник лазерного излучения и фотоприемник жестко связаны с цилиндрическом отражателем.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, что и заявляемое. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаема полезная модель удовлетворяет условию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого объекта появляется новое свойство, а именно - цилиндрическая форма отражателя обеспечивает возможность измерения дифракционной эффективности голограмм в широком диапазоне частот дифракционных решеток от 800 до 1400 линий/мм без необходимости использования дорогостоящей и габаритной оптики. Кроме того, вследствие жесткой связи источника лазерного излучения и фотоприемника с цилиндрическим отражателем заявляемый объект представляет собой единый конструктивный узел, не требующей юстировки. Это обусловливает простоту конструкции, а также удобство эксплуатации предлагаемого устройства.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства и его положение относительно голограммы. На фиг. 2 показана зависимость значений сигнала фотоприемника от угла поворота устройства в горизонтальной плоскости для голограмм с различными частотами, от 800 до 1400 линий/мм.
Источник 1 лазерного излучения жестко закреплен (в данном конкретном примере - приклеен) под углом 6 относительно корпуса цилиндрического отражателя 2 высотой Н и внутренним диаметром D. Внутренняя поверхность отражателя 2 имеет коэффициент отражения R, равный 1 (зеркальное отражение) для длины волны используемого источника лазерного излучения. В качестве указанного источника в предлагаемом примере выбран лазерный диод. В верхней части цилиндрического отражателя 2 жестко укреплен (в данном примере - приклеен) фотоприемник 3, чувствительная поверхность которого перекрывает площадь сечения отражателя. В качестве приемника излучения можно использовать, например, кремниевые фотодиоды типа ФД-17К, ФД-24К; в рассматриваемом примере использован кремниевый диод ФД-17К. В корпусе отражателя 2 выполнены два отверстия, расположенные диаметрально противоположно друг другу: 4 - для входа лазерного луча и 5 - для выхода зеркально отраженного от голограммы 6 излучения. Устройство устанавливается на голограмму 6. Дифрагированное на голограмме излучение первого, второго и нулевого порядков обозначено позициями 7, 8 и 9 соответственно. Блок 10 обработки и отображения сигнала фотоприемника 3 может располагаться как внутри заявляемого устройства, так и вне его.
Кривые А, В, С и D на фиг. 2 иллюстрируют зависимость значений сигнала Р фотоприемника от угла а поворота устройства в горизонтальной плоскости для голограмм с частотами: 800 линий/мм, 1000 линий/мм, 1200 линий/мм и 1400 линий/мм, соответственно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Лазерное излучение источника 1 попадает внутрь цилиндрического отражателя 2 через входное отверстие 4 в отражателе 2 и направляется в центр нижней плоскости, где расположена голограмма 6. Дифрагированное на голограмме излучение первого и второго порядков (позиции 7 и 8 на фиг. 1) попадает на фотоприемник 3 или прямо, или после отражения от внутренней поверхности цилиндрического отражателя 2. Нулевой порядок дифракции (позиция 9 на фиг. 1) выводится наружу через отверстие 5. Электрический сигнал с фотоприемника 3 обрабатывается и отображается на цифровом индикаторе (на чертеже отдельной позицией не обозначен) блока 10, значения которого пропорциональны интенсивности дифрагированного на голограмме излучения.
Известно, что глубина рельефа используемых на практике рельефно-фазовых голограмм составляет от 180 нм до 200 нм, так как при этих значениях дифракционная эффективность первого порядка дифракции достигает максимума. Суммарная дифракционная эффективность первого и второго порядков дифракции при этом практически не зависит от изменения частоты решетки в пределах от 800 до 1400 линий/мм для излучения на длинах волн от 550 нм до 650 нм. Использование в предлагаемом устройстве цилиндрического отражателя позволяет проводить измерения в широком диапазоне углов расположения устройства на плоскости носителя голограмм относительно углов дифракции. Как видно из фиг. 2, для всех рассмотренных частот изменение выходного сигнала фотоприемника не превышает 20% при изменении угла поворота голограммы в диапазоне от минус 70 до плюс 70 градусов, а в диапазоне изменения углов от минус 20 до плюс 20 градусов сигнал фотоприемника для всех частот практически остается постоянным. Поэтому показания прибора в пределах этого частотного диапазона будут определяться только дифракционной эффективностью голограмм и не зависеть от их частоты и ориентации в широком диапазоне углов.
В качестве источника излучения предпочтительно использовать лазерные диоды с генерацией на длинах волн от 550 нм до 650 нм, а угол Э наклона относительно нормали к поверхности голограмм - выбирать в пределах от 35 до 60 градусов. Оптимальное отношение высоты цилиндрического отражателя к его диаметру (H/D) находится в пределах от 1 до 2.
Исходя из вышеизложенного, предлагаемое устройство может быть реализовано в двух основных режимах работы:
1. Режим измерения дифракционной эффективности одинаковых голограмм.
В этом случае достаточно выбрать для одной из голограмм такой угол поворота измерительного устройства в горизонтальной плоскости, при котором показание фотоприемника достигает максимального значения, а затем все остальные голограммы измерять под тем же углом.
Такой режим работы может быть использован, например, для поточного экспресс-контроля голограмм на производственной линии. Показания фотоприемника при этом считываются в реальном времени.
2. Режим измерения дифракционной эффективности разных голограмм.
В этом случае для каждой из голограмм нужно найти такой угол поворота измерительного устройства, при котором показание фотоприемника достигает максимума, и сравнивать между собой эти значения. Для этого удобно использовать алгоритм считывания, фиксирующий максимальное значение сигнала фотоприемника.
Этот режим можно использовать для экспертной оценки голограмм на предмет их подлинности, а также для оптимизации технологического процесса при производстве голограмм.
Таким образом, предлагаемое устройство контроля дифракционной эффективности голограмм по сравнению с прототипом обеспечивает возможность проведения измерений в широком диапазоне частот и углов расположения устройства на плоскости носителя голограмм относительно углов дифракции. При этом исключается необходимость использования дорогостоящей оптики с большой апертурой, т.к. жестко связанные между собой элементы устройства образуют единый конструктивный узел, не требующий юстировки. Это позволяет существенно уменьшить массу и габариты устройства, а также - материальные затраты на его реализацию.
В целом заявляемый объект представляет собой недорогой компактный прибор, простой по конструкции и удобный в эксплуатации.
Возможность реализации заявляемой полезной модели с помощью известных технических средств и технологий свидетельствует, по мнению заявителя, о соответствии заявляемого устройства условию «промышленная применимость».