CN112130439B

CN112130439B - 一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图

Info

Publication number: CN112130439B
Application number: CN202011019615.0A
Authority: CN
Inventors: 姜澜; 王志鹏; 李晓炜
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112130439A

Abstract

本发明涉及一种基于飞秒激光制备可变防伪计算机全息图，属于激光应用技术领域。本发明通过飞秒激光在热收缩膜上加工由三种尺寸微坑结构构成的全息图，全息图记录的信息由两种光学图案对应的计算机生成全息图组合而成，在激光的照射下呈现两种光学图案。通过控制加热温度，使热收缩膜发生收缩，使最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率几乎不产生影响，改变全息图记录的信息，最终只呈现一种光学图案，从而实现全息图成像内容的变化。以解决目前单一全息成像抗仿造能力差，而可变全息成像制造过程和成像装置复杂，难以推广的问题。该方法成像变化原理简单，实现了包装和防伪的一体化，可操作性强，可应用于产品防伪和信息加密领域。

Description

一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图，属于激光应用技术领域。

技术背景

随着社会经济的发展，防伪成为了一个备受关注的领域，它不仅可以保护商标和品牌的声誉，避免企业落入不正当竞争中，还可以保护消费者权益和公众安全。防伪标识作为一种防伪技术产品已广泛应用于生产生活中，包括各种浮雕图案、条形码、二维码等。目前，人们已经发展了油墨印刷、机械压印、电化学刻蚀等多种技术用于防伪标识制造。但是这些加工技术大多以防伪标签作为防伪标识载体，存在易脱落、易损坏或者被重复使用于伪造商品上等问题。而激光打标技术通过对材料进行微量去除，将防伪标识直接加工在材料表面，则可以避免上述问题。除了利用激光在材料表面加工序列号、二维码、条形码等防伪信息外，在材料表面加工计算机生成全息图(Computer Generated Holograms，CGH)成为了一种极具应用前景的防伪措施。计算机生成全息图的尺寸一般在毫米量级，包含上万个排布无规律的像素点，其图案本身就难以仿制。此外，计算机生成全息图在激光的照射下还能形成肉眼可见的光学图案，光学图案可以包含产品商标、序列号等信息，为消费者提供真伪辨别信息，并进一步增加仿制难度。然而，对于一些小型、形状复杂的零部件或者是贵金属饰品、电子产品等贵重商品，利用激光直接在材料上进行计算机生成全息图等标识的加工往往存在技术困难较大、影响产品美观等问题。

此外，目前加工的计算生成全息图在激光照射下一般只能呈现一种光学图案成像，通过光学图案成像可以反解出计算机生成全息图。虽然反解的计算机生成全息图和原先的全息图在很大概率上不同，但是它们所成光学图像却大致相同，而消费者又是通过光学图案的信息进行防伪鉴别，存在防伪标识被仿制的风险。因此为了提高安全性和仿制难度，制备可变全息图成为了研究的热点。可变全息图可以在改变入射激光偏振状态、波长、入射角度等情况下实现全息成像图案的转变，具有很高的设计自由性及仿制难度。但是目前可变全息图主要依赖于超表面，其加工方法往往采用电子束光刻及离子束刻蚀，存在工艺方法复杂，制备周期长等问题。而且实现全息成像的转变往往需要使用偏振片、不同波长的激光光源等复杂设备，不利于可变全息在防伪领域的实用化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图。该防伪计算机全息图通过飞秒激光在包装材料——热收缩膜上加工由两个光学图案对应的计算机生成全息图组合而成的全息图，所加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成，由于飞秒激光加工会造成微坑结构表面的氧化和脱氢，使微坑结构的透光性下降，从而形成振幅调制。通过对加工样品进行加热，使热收缩膜发生横向尺寸收缩，控制加热温度使全息图上最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率几乎不产生影响，而大尺寸的微坑结构收缩后还能降低入射光的透过率，最终使得全息图的信息发生改变，在入射连续激光的照射下只剩下一个光学图案，从而改变成像内容，实现可变全息防伪的功能，并显著提高仿制难度。

该防伪计算机全息图的制备方法为：通过飞秒激光在包装材料——热收缩膜上加工由两个光学图案对应的计算机生成全息图组合而成的全息图，所加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成，由于飞秒激光加工会造成微坑结构表面的氧化和脱氢，使微坑结构的透光性下降。因此利用微坑结构降低入射光的透过率可以实现振幅调制，从而使制备的全息图在激光的照射下在材料后方形成两个光学图案。通过对加工样品进行加热，使热收缩膜发生横向尺寸收缩，控制加热温度使全息图上最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率几乎不产生影响，而大尺寸的微坑结构收缩后还能降低入射光的透过率，最终使得全息图的信息发生改变，在入射激光的照射下只剩下一个光学图案，从而改变成像内容，实现可变全息防伪的功能，并显著提高仿制难度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图，该防伪计算机全息图是通过飞秒激光在包装材料——热收缩膜上加工由两个光学图案对应的计算机生成全息图组合而成的全息图，所加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成；由于飞秒激光加工会造成微坑结构表面的氧化和脱氢，使微坑结构的透光性下降，从而形成振幅调制。通过对加工样品进行加热，使热收缩膜发生横向尺寸收缩，控制加热温度使全息图上最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率几乎不产生影响，而大尺寸的微坑结构收缩后还能降低入射光的透过率，最终使得全息图的信息发生改变，在入射激光的照射下只剩下一个光学图案，从而改变成像内容，实现可变全息防伪的功能，并显著提高仿制难度。

制备上述可变防伪计算机全息图的方法，具体步骤如下：

步骤一、选定两个图案，计算两个图案对应的二值振幅全息图矩阵CGH_多和CGH_少。两个全息图矩阵均由M×M个元素(像素)构成，元素取值为0或1。选定控制因子c(0<c<1)，定义CGH_多对应的全息成像(图案)包含的光点数目较多，CGH_少对应的全息成像(图案)包含的光点数目较少。两个全息图矩阵进行加权叠加，获得组合全息图矩阵CGH₀：CGH₀＝CGH_多+c×CGH_少，其元素取值范围为{0，c，1，c+1}。定义矩阵CGH₀归一化的元素为a，其取值范围为{0，c/(c+1)，1/(c+1)，1}，为全息图上像素点透过率的相对降低值。

步骤二、根据步骤一得到的CGH₀的归一化元素a的取值范围，定义0对应空白区域(无微坑结构的像素点)，c/(c+1)对应最小尺寸微坑结构d_min对透过率的相对降低值，1/(c+1)对应中等尺寸微坑结构d_med对透过率的相对降低值，1对应大尺寸微坑结构d_max对透过率的相对降低值。首先需确定加工三种尺寸微坑结构对应的激光能量。全息图上微坑结构对像素点透过率的降低量为：

其中Tr₀为热收缩膜自身的透过率，Tr_m为微坑区域透过率，l为像素点尺寸，d为微坑的直径。为简化计算，定义Tr_m≈0，同时将ΔTr相对于Tr₀进行归一化处理，可得透过率的相对降低值为：

根据飞秒激光加工材料的加工阈值测算公式：

d²＝2ω² lnE-2ω² lnE_th (3)

其中ω为激光强度降低至峰值强度1/e²处的半径，E_th为加工阈值，这两个参数在实际加工中可通过外延法测得，而E为飞秒激光能量。对于透过率相对降低值c/(c+1)和1/(c+1)，将透过率的相对降低值带入公式(2)中，联立公式(3)可求出对应微坑结构的尺寸d_min和d_med，以及对应的激光能量E_min和E_med。对于透过率相对降低值1，由于激光加工的微坑结构入口为圆形，无法填满方形的像素点，定义当微坑直径等于像素点尺寸时，像素点的透过率为0，透过率相对降低值1。所以最大微坑直径d_max＝l，由公式(3)可确定对应激光能量E_max。

根据上述计算的三种激光能量，利用飞秒激光在热收缩膜上加工由三种尺寸微坑结构构成的全息图。由于与未加工区域相比，微坑结构被改性，发生脱氢和氧化，降低了对入射光的透过率，从而形成振幅调制，在连续激光的照射下，此时在全息图的后方将形成步骤一中选定的两个图案的组合全息成像。

步骤二的具体实现方式为：

1)、将矩阵CGH₀按顺序拆分成N²个子单元矩阵，每个子单元矩阵由

个元素构成。将子单元矩阵构成的图案作为空间整形飞秒激光加工中的目标整形光场，该目标整形光场为4阶多焦点光场。根据计算的激光能量的取值，每个整形光场内焦点的强度比为0:(E_min/E_max):(E_med/E_max):1。计算N²个目标整形光场的相位图。

2)、利用空间整形飞秒激光多焦点光场在热收缩膜上制备全息图。将步骤1)中得到相位图载入相位型液晶空间光调制器，利用空间光调制器将飞秒激光整形成多光焦点光场，聚焦到热收缩膜材料表面，加工出由微坑结构组成的阵列。待一个阵列加工结束后，切换加载的相位图，加工下一个多焦点光场对应的微坑阵列。按顺序加工N²个微坑阵列，所述微坑阵列最终组成所需制备的全息图。由于多焦点光场内的焦点强度比为0:(E_min/E_max):(E_med/E_max):1，最终加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成。由于与未加工区域相比，微坑结构降低了入射光的透过率，从而形成振幅调制，在入射激光的照射下，此时在全息图的后方将形成步骤一中选定的两个图案的组合全息成像。

步骤三、将加工有全息图的热收缩膜样品加热至热收缩膜的玻璃化温度以上，使热收缩膜及其表面加工的微坑结构发生收缩。升高加热温度，并保温一段时间，使最小尺寸的微坑结构收缩至无法对入射光透过率形成调制，而剩下的两种尺寸较大的微坑结构依然能够降低入射光的透过率。由于最小尺寸的微坑结构对应的是CGH₀中的c元素，所记录的信息是全息图矩阵CGH_少的信息。因此全息图矩阵CGH_少由于信息的丢失，加热后的全息图只呈现全息图矩阵CGH_多所对应的图案，从而实现全息图成像信息的转变，达到可变防伪的目的。

步骤一中控制因子c的选取与两个图案对应的全息成像光点的平均能量的比值有关。由于在相同能量的激光辐照下，光点个数少的全息成像对应单个光点的光强较高，为了使组合全息成像的光点能量一致，c加权于光点较少图案所对应的CGH。两个图案的光点个数比值为k(0<k<1)，控制因子c取值在

附近选取，保证组合全息图成像光点能量的均匀性。同时，步骤四中热收缩膜的加热温度和保温时间与具体所使用的热收缩膜的玻璃化温度和材料本身特性有关，要根据全息图的实际收缩效果进行选取。根据公式(2)可知，随着d的减小，像素点透过率的相对降低值ΔTr/Tr₀会减小。在加热过程中，微坑直径d是关于加热温度T和保温时间t的函数，即d(T,t)。因此在全息图的加热收缩过程中，需要根据热收缩膜特性选取加热温度T和保温时间t，使最小尺寸的微坑收缩后直径d_min(T,t)≈0，对入射激光的透过率的降低量降至最低，即ΔTr/Tr₀≈0，此时所在像素点的透过率Tr≈Tr₀。

有益效果

1、本发明通过飞秒激光在热收缩膜上加工全息图，利用热收缩膜在加热后发生的横向尺寸收缩来改变全息图对入射光的调制信息，从而实现全息成像图案的转变。配合特定热收缩膜材料，可实现仅用热水或者热吹风机来使材料发生收缩及后续全息成像转变。其成像变化原理简单，可操作性强，不需要依赖复杂的成像系统便可以实现全息成像的转变。其转变的过程可用于防伪，全息图最终所呈现的图像信息，如序列号，二维码等可以用于溯源，具有很强的实用性及抗仿造能力。

2、本发明用于制备可变全息图的材料为热收缩膜，作为包装膜广泛应用于产品的外包装。用其作为加工防伪信息的材料一方面可以避免直接在商品上加工防伪标识带来的问题，另一方面实现了包装和防伪的一体化，可以不需要制作额外的防伪标签，不仅降低了材料成本，还没有标签脱落的风险。而且其成像变化为不可逆过程，可避免被盗用于仿制产品上。

3、本发明利用飞秒激光在热收缩膜上加工全息图，由于热收缩膜对温度敏感，只要加工温度超过其玻璃化温度，就会使加工区域提前发生热收缩，之后就无法通过加热实现全息成像图案的转变。而飞秒激光具有热影响区小的特点，在控制激光能量和激光脉冲个数的情况下，利用飞秒激光加工热收缩膜可只使加工区域发生烧蚀去除，而不会使烧蚀坑周围材料由于过多的热量累积而发生收缩变形。此外，本发明使用空间整形多焦点飞秒激光结合串行拼接来加工全息图，在保证加工质量的前提下，可显著提高加工效率。

附图说明

图1计算机生产全息图矩阵叠加组合示意图(控制因子c＝0.7)；

图2飞秒激光加工PO膜的微坑直径平方d²与激光能量对数lnE的关系图；

图3空间整形多焦点飞秒激光串行拼接加工全息图示意图；

图4全息图记录信息变化和对应全息成像图案转变示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实例使用聚烯烃(Polyolefin，PO)薄膜作为加工材料。PO膜由于透光性高、机械性能优良和使用寿命长等特点而广泛用于高档产品的包装中。实例所用的PO膜厚度为38μm，玻璃化温度为110℃。该实例的具体步骤如下：

(1)如附图1所示，选定图案1为“123”(光点个数为156)和图案2为“123”相对于“888”的互补图案(光点个数为84)，利用GS算法计算两个图案对应的计算机生成全息图。计算的全息图包含300×300个像素点，像素点的取值范围为0～2π。以π为界限，将两个全息图二值化，大于或等于π的像素点取值为1，小于π的像素点取值为0，获得图案1的全息图矩阵CGH₁(CGH_多)和图案2的全息图矩阵CGH₂(CGH_少)。由于图案2与图案1光点个数比值k＝0.53,

控制因子取值c＝0.7。对两个矩阵进行加权叠加，获得组合全息图矩阵CGH₀：CGH₀＝CGH₁+0.7×CGH₂，矩阵CGH₀的元素取值范围为{0，0.7，1，1.7}(附图1中为展示方便，只显示全息图矩阵左上角10×10个像素点)，则全息图上像素点透过率的相对降低值a取值范围为{0，0.41，0.59，1}。

(2)在实例中，使用拆分拼接法来加工全息图。将全息图矩阵CGH₀按顺序拆分成30²个子单元矩阵，每个子单元矩阵由10×10个元素构成，对应30²个多焦点光场，每个多焦点光场包含10×10个焦点。设置焦点间距为3μm，即全息图像素点周期l＝3μm。根据公式(2)和公式(3)，由透过率的相对降低值a＝1、a＝0.59和a＝0.41确定三种尺寸的微坑直径分别为3μm、2.6μm和2.2μm。利用外延法绘制微坑直径平方d²与激光能量对数lnE的函数关系图(附图2)，所用飞秒激光的中心波长为800nm，重频为1kHz，所用加工物镜倍数为20，数值孔径值为0.45。从拟合直线中可得到加工三种尺寸微坑结构对应的激光能量分别为0.77nJ、0.43nJ和0.28nJ。因此，对应4阶多焦点光场的焦点能量比为0:0.36:0.56:1。使用基于菲尼尔衍射改进的GS迭代算法，计算每个多焦点光场的相位图。

(3)通过将(2)中计算的相位全息图加载到相位型液晶空间光调制器，将飞秒激光脉冲整形成多焦点光场。将计算的多焦点光场相位图按照拆分顺序依次载入空间光调制器，设置每个多焦点光场的整形脉冲个数为1，控制载物台的同步移动，通过整形多焦点飞秒激光脉冲结合串行拼接在PO膜上加工出完整的全息图(附图3)。使用连续激光对全息图进行照射，在全息图的后方形成附图4所示的“888”全息成像图案。

(4)将加工有全息图的PO膜样品置于马弗炉中加热至140℃并保温10min，使PO膜及其表面加工的微坑结构发生收缩。如附图4所示，在该温度下完成收缩后，原先直径为2.2μm的微坑结构尺寸收缩接近为0，其所在像素点的透过率相对降低值ΔTr/Tr₀≈0，对入射光透过率的影响可忽略不计。而另外两种尺寸较大的微坑结构依然能够降低入射光的透过率。由于最小尺寸的微坑结构记录的是全息图矩阵CGH₂的信息，此时加热后的全息图在连续激光的照射下，只呈现全息图矩阵CGH₁所对应的图案，即附图4中的“123”的全息成像图案，从而实现全息成像转变及信息的解密。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图，其特征在于：该防伪计算机全息图是通过飞秒激光在包装材料，即热收缩膜上加工由两个光学图案对应的计算机生成全息图组合而成的全息图，所加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成；由于飞秒激光加工会造成微坑结构表面的氧化和脱氢，使微坑结构的透光性下降，从而形成振幅调制；通过对加工样品进行加热，使热收缩膜发生横向尺寸收缩，控制加热温度使全息图上最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率不产生影响，而大尺寸的微坑结构收缩后还能降低入射光的透过率，最终使得全息图的信息发生改变，在入射激光的照射下只剩下一个光学图案，从而改变成像内容，实现可变全息防伪的功能，并提高仿制难度；

制备所述基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图的方法，具体步骤如下：

步骤一、选定两个图案，计算两个图案对应的二值振幅全息图矩阵CGH_多和CGH_少；两个全息图矩阵均由M×M个元素构成，每个元素即是一个像素，元素取值为0或1；选定控制因子c，其取值范围为0<c<1，定义CGH_多对应的全息成像包含的光点数目较多，CGH_少对应的全息成像包含的光点数目较少；两个全息图矩阵进行加权叠加，获得组合全息图矩阵CGH₀：CGH₀＝CGH_多+c×CGH_少，其元素取值范围为{0，c，1，c+1}；定义矩阵CGH₀归一化的元素为a，其取值范围为{0，c/(c+1)，1/(c+1)，1}，为全息图上像素点透过率的相对降低值；

步骤二、根据步骤一得到的CGH₀的归一化元素a的取值范围，定义0对应空白区域，即无微坑结构的像素点，c/(c+1)对应最小尺寸微坑结构d_min对透过率的相对降低值，1/(c+1)对应中等尺寸微坑结构d_med对透过率的相对降低值，1对应大尺寸微坑结构d_max对透过率的相对降低值；首先需确定加工三种尺寸微坑结构对应的激光能量；全息图上微坑结构对像素点透过率的降低量为：

其中，Tr₀为热收缩膜自身的透过率，Tr_m为微坑区域透过率，l为像素点尺寸，d为微坑的直径；为简化计算，定义Tr_m≈0，同时将ΔTr相对于Tr₀进行归一化处理，得到透过率的相对降低值为：

根据飞秒激光加工材料的加工阈值测算公式：

d²＝2ω²ln E-2ω²ln E_th (3)

其中ω为激光强度降低至峰值强度1/e²处的半径，E_th为加工阈值，这两个参数在实际加工中通过外延法测得，而E为飞秒激光能量；对于透过率相对降低值c/(c+1)和1/(c+1)，将透过率的相对降低值带入公式(2)中，联立公式(3)求出对应微坑结构的尺寸d_min和d_med，以及对应的激光能量E_min和E_med；对于透过率相对降低值1，由于激光加工的微坑结构入口为圆形，无法填满方形的像素点，定义当微坑直径等于像素点尺寸时，像素点的透过率为0，透过率相对降低值1；所以最大微坑直径d_max＝l，由公式(3)确定对应激光能量E_max；

根据上述计算的三种激光能量，利用飞秒激光在热收缩膜上加工由三种尺寸微坑结构构成的全息图；由于与未加工区域相比，微坑结构被改性，发生脱氢和氧化，降低了对入射光的透过率，从而形成振幅调制，在连续激光的照射下，此时在全息图的后方将形成步骤一中选定的两个图案的组合全息成像；

步骤三、将加工有全息图的热收缩膜样品加热至热收缩膜的玻璃化温度以上，使热收缩膜及其表面加工的微坑结构发生收缩；升高加热温度，并保温一段时间，使最小尺寸的微坑结构收缩至无法对入射光透过率形成调制，而剩下的两种尺寸较大的微坑结构依然能够降低入射光的透过率；由于最小尺寸的微坑结构对应的是CGH₀中的c元素，所记录的信息是全息图矩阵CGH_少的信息；因此全息图矩阵CGH_少由于信息的丢失，加热后的全息图只呈现全息图矩阵CGH_多所对应的图案，从而实现全息图成像信息的转变，达到可变防伪的目的；

步骤二的具体实现方式为：

个元素构成；将子单元矩阵构成的图案作为空间整形飞秒激光加工中的目标整形光场，该目标整形光场为4阶多焦点光场；根据计算的激光能量的取值，每个整形光场内焦点的强度比为0:(E_min/E_max):(E_med/E_max):1；计算N²个目标整形光场的相位图；

2)、利用空间整形飞秒激光多焦点光场在热收缩膜上制备全息图；将步骤1)中得到相位图载入相位型液晶空间光调制器，利用空间光调制器将飞秒激光整形成多光焦点光场，聚焦到热收缩膜材料表面，加工出由微坑结构组成的阵列；待一个阵列加工结束后，切换加载的相位图，加工下一个多焦点光场对应的微坑阵列；按顺序加工N²个微坑阵列，所述微坑阵列最终组成所需制备的全息图；

步骤一中控制因子c的选取与两个图案对应的全息成像光点的平均能量的比值有关；由于在相同能量的激光辐照下，光点个数少的全息成像对应单个光点的光强较高，为了使组合全息成像的光点能量一致，c加权于光点较少图案所对应的CGH；两个图案的光点个数比值为k，其取值范围为0<k<1，控制因子c取值在

附近选取，保证组合全息图成像光点能量的均匀性；同时，步骤三中热收缩膜的加热温度和保温时间与具体所使用的热收缩膜的玻璃化温度和材料本身特性有关，要根据全息图的实际收缩效果进行选取；根据公式(2)可知，随着d的减小，像素点透过率的相对降低值ΔTr/Tr₀会减小；在加热过程中，微坑直径d是关于加热温度T和保温时间t的函数，即d(T,t)；因此在全息图的加热收缩过程中，需要根据热收缩膜特性选取加热温度T和保温时间t，使最小尺寸的微坑收缩后直径d_min(T,t)≈0，对入射激光的透过率的降低量降至最低，即ΔTr/Tr₀≈0，此时所在像素点的透过率Tr≈Tr₀。