eng
Выпуск #5/2017
С.Б.Одиноков, А.Ю.Жердев, Д.С.Лушников, В.В.Маркин, М.В.Шишова, А.В.Смирнов, Б.В.Акимов
Современные тенденции по созданию новых визуальных цветовых эффектов для защитных голограмм на основе плазмонных решеток и трехмерных голограмм
Современные тенденции по созданию новых визуальных цветовых эффектов для защитных голограмм на основе плазмонных решеток и трехмерных голограмм
Просмотры: 3836
Секреты дизайна защитных голограмм для маркировки продукции от подделки и фальсификаций таятся в визуальных цветовых эффектах. Использование плазмонных дифракционных решеток при изготовлении голограмм создает цветные объемные изображения, цветной микротекст, цветное скрытое изображение, горизонтальный и вертикальный флип–флоп эффекты по цвету и изображению. В обзоре кратко представлены возможности создания новых оптических защитных элементов и защитных голограмм с необычными цветовыми эффектами на основе плазмонных дифракционных решеток и трехмерных голограмм в толстослойной фоточувствительной регистрирующей среде.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.62.73
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.62.73
Теги: flip-flop effects plasmon gratings security hologram защитная голограмма плазмонная дифракционная решетка
ВВЕДЕНИЕ
В защитной голографии активно развиваются направления по разработке и созданию новых оптических защитных элементов, встраиваемых в дизайн защитной голограммы для маркировки продукции от подделки и фальсификаций [1]. Наиболее востребованным является разработка оптических защитных элементов (ОЗЭ), формирующих новые цветовые эффекты, а именно:
• элементы, формирующие плавно изменяемые цветовые оттенки, т. е. так называемые пастельные цвета, которые очень сложно подделать и которые приняты во всем мире как "канон" в защищенной полиграфии, например в бумажных банкнотах и денежных знаках;
• элементы, формирующие четко фиксированные (в определенном угловом поле зрения) цвета в виде визуально наблюдаемого объемного цветного изображения объекта.
Такие работы проводят как ведущие зарубежные компании, так и отечественные. В 2013 году компания SURYS (до 2016 года она носила название Hologram Industries, Франция-Германия) продемонстрировала результаты разработок по созданию оптических защитных элементов на основе одномерных (1D) и двумерных (2D) плазмонных дифракционных решеток (ПДР), встраиваемых в защитные голограммы, www.surys.com. Голографические подразделения компаний DNP (Япония, www.dnp.co.jp) и Bayer (Германия, www.baer.com, www.films.covestro.com) разрабатывают трехмерные цветные защитные голограммы (ТЦ-ЗГ) на основе трехмерных голограмм, формирующих одноцветное или многоцветное объемные изображения объектов.
В данной статье приводятся результаты некоторых работ по созданию новых оптических защитных элементов и защитных голограмм с необычными цветовыми эффектами на основе плазмонных дифракционных решеток и трехмерных голограмм в толстослойной фотосреде, выполненных совместно МГТУ им. Н.Э.Баумана и АО "НПО "Криптен".
ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМОННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
В последние годы интенсивно исследуется возможность интегрирования плазмонных спектральных эффектов в защитные голограммы. Поверхностные плазмоны можно определить как осцилляции свободных электронов на поверхности раздела металл-диэлектрик. Явление возбуждения поверхностных плазмонов на резонансной частоте лежит в основе создания нового класса оптических спектральных фильтров на базе волноводов [2,3], дифракционных решеток [4–7].
Плазмонные дифракционные решетки (ПДР) применяются в качестве широкополосных оптических фильтров, в которых ширина полосы спектра зависит от угла падения излучения (спектрально-угловая зависимость). На их основе создан новый класс оптических защитных элементов (ОЗЭ), причем их дизайн обеспечивается путем наноструктурирования различных областей изображения.
В МГТУ им. Н. Э. Баумана совместно с АО "НПО Криптен" (г. Дубна, Россия) были проведены работы по созданию визуально наблюдаемого оптического защитного элемента, отличающегося от эффектов, воспроизводимых стандартными радужными голограммами. Исследования 2D ПДР ведутся в рамках поиска аномальных пиков в спектре пропускания или отражении (плазмонный резонанс). Было проведено моделирование для трех вариантов рельефа, представляющего собой набор периодически расположенных элементов субволнового масштаба, с квадратной и треугольной упаковкой:
1) перфорированная металлическая пленка, выполненная на подложке;
2) набор полимерных наноцилиндров или прямоугольных ступеней, покрытых серебром;
3) посеребренный полимерный слой с отверстиями на полимерной подложке.
В таблице представлены диапазоны значений исследуемых параметров ПДР.
В результате выполненных исследований прослеживаются следующие закономерности. Во-первых, при рассмотрении структур, выполненных в виде матрицы отверстий или ступеней, покрытых слоем серебра, значение оптимальной толщины слоя напыленного металла находится в диапазоне от 20 до 40 нм. Во-вторых, при рассмотрении структур, выполненных в виде матрицы перфорированных в слое серебра отверстий, оптимальная толщина металлического слоя находится в диапазоне значений от 60 до 120 нм. Причем увеличение толщины покрытия приводит к сужению полосы пропускания. В-третьих, на структуре с гексагональной упаковкой элементов с меньшей периодичностью (200–300 нм) можно добиться эффекта сохранения цвета в широком диапазоне изменения угла наклона образца. Четвертая особенность: при изменении поляризации падающего излучения с TM на TE полоса пропускания сужается, оставаясь в коротковолновой области, вместе с этим смещаясь в сторону меньших углов падения излучения.
Разработанное программное обеспечение позволяет визуализировать цветовое поведение образца плазмонной структуры в зависимости от угла наклона образца, что позволяет наглядно представить цвета структур и облегчает разработку дизайна ОЗЭ на основе ПДР, как показано на рис.1.
Были смоделированы ПДР, в которых наблюдается плазмонный эффект, заключающийся в изменении цвета структуры при изменении угла падения. Изменяя размер и форму элементарных наноучастков, можно регулировать частоту плазмонного резонанса, а значит и спектр пропускания или отражения. С увеличением периода горизонтальная полоса во всем диапазоне углов смещается в красную область, а диагональная – в область меньших углов падения. Их совместное влияние на цвет образца показано на соответствующих цветовых диаграммах на рис.1. Например, на ПДР с периодом 300 нм наблюдается изменение цвета с бирюзового на фиолетовый при угле падения, превышающем 35°. Градацию цвета в зависимости от периода можно проследить, выбрав к рассмотрению один угол.
Градацию цвета в зависимости от периода можно проследить, выбрав к рассмотрению один угол. Например, для ПДР на рис.1d при изменении угла освещения от 60° до 0° цвет преобразуется от пурпурного к зеленому, затем к темно-оранжевому и далее к темно-фиолетовому. Также исследовалось влияние толщины серебряного слоя, при увеличении которого получаем укорачивание полосы пропускания по углу. По результатам моделирования на рис.2 показана схема изменения цветовых оттенков в зависимости от угла наклона (или освещения) для ПДР различного периода.
По сравнению с обычными защитными голограммами (ЗГ), защитный признак на основе данных плазмонных эффектов будет восприниматься иначе, поскольку виден не в дифрагировавшем излучении, а в отраженном и проходящем свете. Помимо этого, если на ЗГ радужный эффект проявляется в полном спектральном диапазоне (от синего до красного цвета) при малом повороте ЗГ, то эффект в проходящем излучении приводит к изменению окраски образца от синего до красного цвета при полном повороте на 60–90°, как показано для одного из образцов на рис.3.
В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований 2D ПДР был сформирован проект нового защитного признака на основе 2D ПДР для получения нового ОЗЭ, формирующего новые цветовые эффекты при визуальном наблюдении изображений.
Для получения фиксированных или плавноизменяемых цветовых оттенков в итоговом голографическом изображении были использованы 1D–2D ПДР с наноструктурой "металл-диэлектрик" различающихся периодом: в области логотипа – 400 нм, в области фона – 500 нм, в области надписи "Криптен" – 600 нм. Высота рельефа должна быть в диапазоне 60±20 нм.
Важным отличием данного станет то, что он работает в обоих плоскостях: и в горизонтальной, и в вертикальной, поскольку основан на двумерных ПС. При наклоне ОЗЭ в любой плоскости будет проявляться изменение цвета, как показано на рис.4.
При этом при наклоне образца в диагональной плоскости плазмонный эффект будет проявляться иначе – с иными оттенками переходящих цветов. Это отличает новый ОЗЭ как от радужных голограмм, так и от ОЗЭ на основе 1D ПДР. Последние основаны на одномерных структурах, и оба эффекта: дифракционный (радужный) и плазмонный – проявляются только при наклоне ЗГ и ОЗЭ в плоскости, перпендикулярной штрихам одномерной структуры.
ПОЛУЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ГОЛОГРАММНЫХ СТЕРЕОГРАММ КАК ОПТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Цветные голограммные стереограммы первоначально создавались для широкоформатных (размером до 1,5 Ч 2м) изобразительных голограмм, формирующих цветные объемные изображения художественных объектов [8]. В данной статье приведены результаты работы по разработке технологии получения голограммных стереограмм в виде:
• малоформатных (размером до 40 Ч 40мм) полностью трехмерных цветных защитных голограмм (ТЦ-ЗГ);
• или встраиваемых в ТЦ-ЗГ точечных трехмерных голограмм в виде отдельных оптических защитных элементов.
В первом случае ТЦ-ЗГ формируют одно многоцветное объемное изображение объектов или два (или более) цветных объемных изображений с горизонтальным и вертикальным переключением (флип-флоп эффект) как по цвету, так и по самому изображению. Во втором случае ТЦ-ЗГ формируют визуальные эффекты в виде цветного микротекста и цветных скрытых объемных изображений.
Такие ТЦ-ЗГ получаются методами цифровой голографии и компьютерного синтеза цветных объемных изображений [9]. Была разработана одноэтапная схема получения цветных голограммных стереограмм по модифицированной схеме голограмм Ю. Н. Денисюка, в которой возможно получение однопараллаксных и полнопараллаксных цветных голограммных стереограмм. Голограммные стереограммы в данном случае представляют собой совмещенные цифровые голограммы, при получении которых происходит последовательная запись ракурсов объекта, выводимых на пространственный модулятор света (ПМС). Такой ПМС расположен в предметной ветви оптической схемы и в зависимости от того, что за изображения на него выводятся, могут быть получены следующие ТЦ-ЗГ и оптические защитные элементы:
• отражательные цветные голограммные стереограммы (в этом случае на ПМС отображается набор ракурсов, представляющих собой стереопары);
• отражательные голограммы с флип-флоп эффектами по цвету (на ПМС выводится в качестве ракурсов одно и то же изображение, но разные ракурсы записываются разными цветами);
• отражательные голограммы с флип-флоп эффектами по изображению (на ПМС выводятся в качестве ракурсов разные изображение);
• отражательные голограммы со скрытым цветным изображением, восстанавливаемым на отражение;
• отражательные голограммы с цветным микротекстом, локализованным как в плоскости голограммы, так и вне плоскости голограммы.
В качестве ПМС могут быть использованы любые устройства отображения, например ЖК–дисплеи, на которые выводятся соответствующие изображения (ракурсы). Далее эти ракурсы регистрируются на фоточувствительную среду.
По вышеописанной схеме были получены полнопараллаксные цветные голограммные стереограммы. Фотографии матриц данных голограмм (дизайна "Земля" и "Кубик"), а также изображения, восстановленные с них с использованием точечного и протяженного восстанавливающих источников, представлены на рис.5. Также были получены однопараллаксные цветные голограммные стереограммы с флип-флоп эффектом (дизайна "Кубок‑2018"). На рис.6 представлены изображения набора ракурсов, использовавшихся при получении цветных голограммных стереограмм с флип- флоп эффектом дизайна "Кубок‑2018", а на рис.7 представлены матрица голограмм дизайна "Кубок‑2018" и фотографии вертикального и горизонтального флип-флоп эффектов в восстановленных изображениях при восстановлении изображений точечным и квазипротяженным источниками.
При этом видно, что горизонтальный флип-флоп эффект является более ярко выраженным, чем вертикальный. Это связано с тем, что горизонтальный флип-флоп эффект в основном связан с аппаратной реализацией схемы получения голограммы. На вертикальный флип-флоп эффект накладываются дифракционные эффекты, определяемые угловой и спектральной селективностями голограммы. Эти селективности, в свою очередь, сильно зависят от размера восстанавливающего источника и спектрального состава его излучения. Согласно [10] приблизительные математические оценки данного эффекта возможно производить только при незначительных угловых размерах восстанавливающего источника и при малом отличии длин волн, используемых при восстановлении изображений от длин волн, использовавшихся при регистрации голограммы.
На рис.8 представлен процесс восстановления цветного микротекста. Видно, что возможно применение цветного микротекста в виде визуального защитного элемента. Для этого отдельные цветовые компоненты должны быть смещены относительно друг друга (за счет аберраций оптических элементов, используемых в схеме или намеренного смещения цветовых компонентов при выводе их на индикатор). При восстановлении данного микротекста возможно использование цветного фильтра (например СЗС – фильтра, как показано на рис.8).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье приведены результаты работ по созданию новых оптических защитных элементов и защитных голограмм с необычными цветовыми эффектами на основе плазмонных дифракционных решеток и трехмерных голограмм в толстослойной фоточувствительной регистрирующей среде.
Приведены результаты компьютерного моделирования ОЗЭ, формирующих визуально наблюдаемые плавно изменяемые цвета или цветовые оттенки, на основе двумерных ПДР, и результаты экспериментальных исследований таких ОЗЭ. Даны варианты расчета и изготовления наноструктур в виде 2D ПДР для их встраивания в качестве оптического защитного элемента в защитные голограммы, изготавливаемые как по стандартной рольной технологии эмбоссирования, так и по технологии плоского УФ-эмбоссирования. Были изготовлены экспериментальные образцы ОЗЭ на основе 2D ПДР в проходящем и отраженном свете.
Приведены экспериментальные результаты по созданию трехмерных цветных защитных голограмм на основе цветных голограммных стереограмм, полученных по модифицированной схеме голограмм Ю.Н.Денисюка, в которой возможно получение однопараллаксных и полнопараллаксных цветных голограммных стереограмм. Такие ТЦ-ЗГ получаются методами цифровой голографии и компьютерного синтеза цветных объемных изображений. При этом ТЦ-ЗГ формируют одно многоцветное объемное изображение объектов или два (или более) цветных объемных изображений с горизонтальным и вертикальным переключением (флип-флоп эффект) как по цвету, так и по самому изображению. Также ТЦ-ЗГ формируют визуальные эффекты в виде цветного микротекста и цветных скрытых объемных изображений. Показано, что цветной микротекст может быть использован в качестве защитного элемента, а горизонтальный флип-флоп эффект более ярко выражен, чем вертикальный.
Работа выполнялась и финансировалась как по заданию АО "Научно-Производственное Объединение "Криптен" (г. Дубна, Московской обл.), так и в рамках соглашения о предоставлении субсидии Министерством образования и науки Российской Федерации № 14.577.21.0197.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.Б.Одиноков. Методы и оптико-электронные приборы для автоматического контроля подлинности защитных голограмм. – М.: Техносфера, 2013.
2. R.Magnusson, D.Shin, and Z.S.Liu. Guided-mode resonance Brewster filter. – Opt. Lett., 1998, v.23, p. 612–614.
3. S.Liu, S.Tibuleac, D.Shin, P.P.Young, and R.Magnusson. High-efficiency guided-mode resonance filter. – Opt. Lett., 1998, v.23, p. 1556–1558.
4. L.Fu, H.Schweizer, T.Weiss, H.Giessen. Optical properties of metallic meanders. – J. Opt. Soc. Am. B, 2009, v.26, p. B111–B119.
5. Fei Cheng, Jie Gao, Ting S. Luk & Xiaodong Yang. Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption. – Science Reports, 2015, v.5.
6. Ch.Yang, W.Shen, Yue.Zhang, Zh.Ye, X.Zhang, Kan Li, Xu Fang, Xu Liu. Color-tuning method by filling porous alumina membrane using atomic layer depo-sition based on metal–dielectric–metal structure. – Applied optics, 2014, v. 53(4).
7. M.Ozaki, J.Kato, S.Kawata. Surface-plasmon holography with white light illumination," SPIE Proceedings, 2012, v.8455, p. 84550K‑6.
8. G.Saxby, S.Zacharovas. Practical Holography, 4th Edition. – CRC Press, 2016.
9. D.S.Lushnikov, V.V.Markin, A.Y.Zherdev, S.B.Odinokov, A.V.Smirnov. Multicolor reflection holograms with multi-angle images, XI International Conference HOLOEXPO. – Proc. of conference, 2014, 2014, p.16.
10. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram grating. – The bell system technical journal, November 1969, v.48, № 9, p. 2909–2947.
В защитной голографии активно развиваются направления по разработке и созданию новых оптических защитных элементов, встраиваемых в дизайн защитной голограммы для маркировки продукции от подделки и фальсификаций [1]. Наиболее востребованным является разработка оптических защитных элементов (ОЗЭ), формирующих новые цветовые эффекты, а именно:
• элементы, формирующие плавно изменяемые цветовые оттенки, т. е. так называемые пастельные цвета, которые очень сложно подделать и которые приняты во всем мире как "канон" в защищенной полиграфии, например в бумажных банкнотах и денежных знаках;
• элементы, формирующие четко фиксированные (в определенном угловом поле зрения) цвета в виде визуально наблюдаемого объемного цветного изображения объекта.
Такие работы проводят как ведущие зарубежные компании, так и отечественные. В 2013 году компания SURYS (до 2016 года она носила название Hologram Industries, Франция-Германия) продемонстрировала результаты разработок по созданию оптических защитных элементов на основе одномерных (1D) и двумерных (2D) плазмонных дифракционных решеток (ПДР), встраиваемых в защитные голограммы, www.surys.com. Голографические подразделения компаний DNP (Япония, www.dnp.co.jp) и Bayer (Германия, www.baer.com, www.films.covestro.com) разрабатывают трехмерные цветные защитные голограммы (ТЦ-ЗГ) на основе трехмерных голограмм, формирующих одноцветное или многоцветное объемные изображения объектов.
В данной статье приводятся результаты некоторых работ по созданию новых оптических защитных элементов и защитных голограмм с необычными цветовыми эффектами на основе плазмонных дифракционных решеток и трехмерных голограмм в толстослойной фотосреде, выполненных совместно МГТУ им. Н.Э.Баумана и АО "НПО "Криптен".
ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМОННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
В последние годы интенсивно исследуется возможность интегрирования плазмонных спектральных эффектов в защитные голограммы. Поверхностные плазмоны можно определить как осцилляции свободных электронов на поверхности раздела металл-диэлектрик. Явление возбуждения поверхностных плазмонов на резонансной частоте лежит в основе создания нового класса оптических спектральных фильтров на базе волноводов [2,3], дифракционных решеток [4–7].
Плазмонные дифракционные решетки (ПДР) применяются в качестве широкополосных оптических фильтров, в которых ширина полосы спектра зависит от угла падения излучения (спектрально-угловая зависимость). На их основе создан новый класс оптических защитных элементов (ОЗЭ), причем их дизайн обеспечивается путем наноструктурирования различных областей изображения.
В МГТУ им. Н. Э. Баумана совместно с АО "НПО Криптен" (г. Дубна, Россия) были проведены работы по созданию визуально наблюдаемого оптического защитного элемента, отличающегося от эффектов, воспроизводимых стандартными радужными голограммами. Исследования 2D ПДР ведутся в рамках поиска аномальных пиков в спектре пропускания или отражении (плазмонный резонанс). Было проведено моделирование для трех вариантов рельефа, представляющего собой набор периодически расположенных элементов субволнового масштаба, с квадратной и треугольной упаковкой:
1) перфорированная металлическая пленка, выполненная на подложке;
2) набор полимерных наноцилиндров или прямоугольных ступеней, покрытых серебром;
3) посеребренный полимерный слой с отверстиями на полимерной подложке.
В таблице представлены диапазоны значений исследуемых параметров ПДР.
В результате выполненных исследований прослеживаются следующие закономерности. Во-первых, при рассмотрении структур, выполненных в виде матрицы отверстий или ступеней, покрытых слоем серебра, значение оптимальной толщины слоя напыленного металла находится в диапазоне от 20 до 40 нм. Во-вторых, при рассмотрении структур, выполненных в виде матрицы перфорированных в слое серебра отверстий, оптимальная толщина металлического слоя находится в диапазоне значений от 60 до 120 нм. Причем увеличение толщины покрытия приводит к сужению полосы пропускания. В-третьих, на структуре с гексагональной упаковкой элементов с меньшей периодичностью (200–300 нм) можно добиться эффекта сохранения цвета в широком диапазоне изменения угла наклона образца. Четвертая особенность: при изменении поляризации падающего излучения с TM на TE полоса пропускания сужается, оставаясь в коротковолновой области, вместе с этим смещаясь в сторону меньших углов падения излучения.
Разработанное программное обеспечение позволяет визуализировать цветовое поведение образца плазмонной структуры в зависимости от угла наклона образца, что позволяет наглядно представить цвета структур и облегчает разработку дизайна ОЗЭ на основе ПДР, как показано на рис.1.
Были смоделированы ПДР, в которых наблюдается плазмонный эффект, заключающийся в изменении цвета структуры при изменении угла падения. Изменяя размер и форму элементарных наноучастков, можно регулировать частоту плазмонного резонанса, а значит и спектр пропускания или отражения. С увеличением периода горизонтальная полоса во всем диапазоне углов смещается в красную область, а диагональная – в область меньших углов падения. Их совместное влияние на цвет образца показано на соответствующих цветовых диаграммах на рис.1. Например, на ПДР с периодом 300 нм наблюдается изменение цвета с бирюзового на фиолетовый при угле падения, превышающем 35°. Градацию цвета в зависимости от периода можно проследить, выбрав к рассмотрению один угол.
Градацию цвета в зависимости от периода можно проследить, выбрав к рассмотрению один угол. Например, для ПДР на рис.1d при изменении угла освещения от 60° до 0° цвет преобразуется от пурпурного к зеленому, затем к темно-оранжевому и далее к темно-фиолетовому. Также исследовалось влияние толщины серебряного слоя, при увеличении которого получаем укорачивание полосы пропускания по углу. По результатам моделирования на рис.2 показана схема изменения цветовых оттенков в зависимости от угла наклона (или освещения) для ПДР различного периода.
По сравнению с обычными защитными голограммами (ЗГ), защитный признак на основе данных плазмонных эффектов будет восприниматься иначе, поскольку виден не в дифрагировавшем излучении, а в отраженном и проходящем свете. Помимо этого, если на ЗГ радужный эффект проявляется в полном спектральном диапазоне (от синего до красного цвета) при малом повороте ЗГ, то эффект в проходящем излучении приводит к изменению окраски образца от синего до красного цвета при полном повороте на 60–90°, как показано для одного из образцов на рис.3.
В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований 2D ПДР был сформирован проект нового защитного признака на основе 2D ПДР для получения нового ОЗЭ, формирующего новые цветовые эффекты при визуальном наблюдении изображений.
Для получения фиксированных или плавноизменяемых цветовых оттенков в итоговом голографическом изображении были использованы 1D–2D ПДР с наноструктурой "металл-диэлектрик" различающихся периодом: в области логотипа – 400 нм, в области фона – 500 нм, в области надписи "Криптен" – 600 нм. Высота рельефа должна быть в диапазоне 60±20 нм.
Важным отличием данного станет то, что он работает в обоих плоскостях: и в горизонтальной, и в вертикальной, поскольку основан на двумерных ПС. При наклоне ОЗЭ в любой плоскости будет проявляться изменение цвета, как показано на рис.4.
При этом при наклоне образца в диагональной плоскости плазмонный эффект будет проявляться иначе – с иными оттенками переходящих цветов. Это отличает новый ОЗЭ как от радужных голограмм, так и от ОЗЭ на основе 1D ПДР. Последние основаны на одномерных структурах, и оба эффекта: дифракционный (радужный) и плазмонный – проявляются только при наклоне ЗГ и ОЗЭ в плоскости, перпендикулярной штрихам одномерной структуры.
ПОЛУЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ГОЛОГРАММНЫХ СТЕРЕОГРАММ КАК ОПТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Цветные голограммные стереограммы первоначально создавались для широкоформатных (размером до 1,5 Ч 2м) изобразительных голограмм, формирующих цветные объемные изображения художественных объектов [8]. В данной статье приведены результаты работы по разработке технологии получения голограммных стереограмм в виде:
• малоформатных (размером до 40 Ч 40мм) полностью трехмерных цветных защитных голограмм (ТЦ-ЗГ);
• или встраиваемых в ТЦ-ЗГ точечных трехмерных голограмм в виде отдельных оптических защитных элементов.
В первом случае ТЦ-ЗГ формируют одно многоцветное объемное изображение объектов или два (или более) цветных объемных изображений с горизонтальным и вертикальным переключением (флип-флоп эффект) как по цвету, так и по самому изображению. Во втором случае ТЦ-ЗГ формируют визуальные эффекты в виде цветного микротекста и цветных скрытых объемных изображений.
Такие ТЦ-ЗГ получаются методами цифровой голографии и компьютерного синтеза цветных объемных изображений [9]. Была разработана одноэтапная схема получения цветных голограммных стереограмм по модифицированной схеме голограмм Ю. Н. Денисюка, в которой возможно получение однопараллаксных и полнопараллаксных цветных голограммных стереограмм. Голограммные стереограммы в данном случае представляют собой совмещенные цифровые голограммы, при получении которых происходит последовательная запись ракурсов объекта, выводимых на пространственный модулятор света (ПМС). Такой ПМС расположен в предметной ветви оптической схемы и в зависимости от того, что за изображения на него выводятся, могут быть получены следующие ТЦ-ЗГ и оптические защитные элементы:
• отражательные цветные голограммные стереограммы (в этом случае на ПМС отображается набор ракурсов, представляющих собой стереопары);
• отражательные голограммы с флип-флоп эффектами по цвету (на ПМС выводится в качестве ракурсов одно и то же изображение, но разные ракурсы записываются разными цветами);
• отражательные голограммы с флип-флоп эффектами по изображению (на ПМС выводятся в качестве ракурсов разные изображение);
• отражательные голограммы со скрытым цветным изображением, восстанавливаемым на отражение;
• отражательные голограммы с цветным микротекстом, локализованным как в плоскости голограммы, так и вне плоскости голограммы.
В качестве ПМС могут быть использованы любые устройства отображения, например ЖК–дисплеи, на которые выводятся соответствующие изображения (ракурсы). Далее эти ракурсы регистрируются на фоточувствительную среду.
По вышеописанной схеме были получены полнопараллаксные цветные голограммные стереограммы. Фотографии матриц данных голограмм (дизайна "Земля" и "Кубик"), а также изображения, восстановленные с них с использованием точечного и протяженного восстанавливающих источников, представлены на рис.5. Также были получены однопараллаксные цветные голограммные стереограммы с флип-флоп эффектом (дизайна "Кубок‑2018"). На рис.6 представлены изображения набора ракурсов, использовавшихся при получении цветных голограммных стереограмм с флип- флоп эффектом дизайна "Кубок‑2018", а на рис.7 представлены матрица голограмм дизайна "Кубок‑2018" и фотографии вертикального и горизонтального флип-флоп эффектов в восстановленных изображениях при восстановлении изображений точечным и квазипротяженным источниками.
При этом видно, что горизонтальный флип-флоп эффект является более ярко выраженным, чем вертикальный. Это связано с тем, что горизонтальный флип-флоп эффект в основном связан с аппаратной реализацией схемы получения голограммы. На вертикальный флип-флоп эффект накладываются дифракционные эффекты, определяемые угловой и спектральной селективностями голограммы. Эти селективности, в свою очередь, сильно зависят от размера восстанавливающего источника и спектрального состава его излучения. Согласно [10] приблизительные математические оценки данного эффекта возможно производить только при незначительных угловых размерах восстанавливающего источника и при малом отличии длин волн, используемых при восстановлении изображений от длин волн, использовавшихся при регистрации голограммы.
На рис.8 представлен процесс восстановления цветного микротекста. Видно, что возможно применение цветного микротекста в виде визуального защитного элемента. Для этого отдельные цветовые компоненты должны быть смещены относительно друг друга (за счет аберраций оптических элементов, используемых в схеме или намеренного смещения цветовых компонентов при выводе их на индикатор). При восстановлении данного микротекста возможно использование цветного фильтра (например СЗС – фильтра, как показано на рис.8).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье приведены результаты работ по созданию новых оптических защитных элементов и защитных голограмм с необычными цветовыми эффектами на основе плазмонных дифракционных решеток и трехмерных голограмм в толстослойной фоточувствительной регистрирующей среде.
Приведены результаты компьютерного моделирования ОЗЭ, формирующих визуально наблюдаемые плавно изменяемые цвета или цветовые оттенки, на основе двумерных ПДР, и результаты экспериментальных исследований таких ОЗЭ. Даны варианты расчета и изготовления наноструктур в виде 2D ПДР для их встраивания в качестве оптического защитного элемента в защитные голограммы, изготавливаемые как по стандартной рольной технологии эмбоссирования, так и по технологии плоского УФ-эмбоссирования. Были изготовлены экспериментальные образцы ОЗЭ на основе 2D ПДР в проходящем и отраженном свете.
Приведены экспериментальные результаты по созданию трехмерных цветных защитных голограмм на основе цветных голограммных стереограмм, полученных по модифицированной схеме голограмм Ю.Н.Денисюка, в которой возможно получение однопараллаксных и полнопараллаксных цветных голограммных стереограмм. Такие ТЦ-ЗГ получаются методами цифровой голографии и компьютерного синтеза цветных объемных изображений. При этом ТЦ-ЗГ формируют одно многоцветное объемное изображение объектов или два (или более) цветных объемных изображений с горизонтальным и вертикальным переключением (флип-флоп эффект) как по цвету, так и по самому изображению. Также ТЦ-ЗГ формируют визуальные эффекты в виде цветного микротекста и цветных скрытых объемных изображений. Показано, что цветной микротекст может быть использован в качестве защитного элемента, а горизонтальный флип-флоп эффект более ярко выражен, чем вертикальный.
Работа выполнялась и финансировалась как по заданию АО "Научно-Производственное Объединение "Криптен" (г. Дубна, Московской обл.), так и в рамках соглашения о предоставлении субсидии Министерством образования и науки Российской Федерации № 14.577.21.0197.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.Б.Одиноков. Методы и оптико-электронные приборы для автоматического контроля подлинности защитных голограмм. – М.: Техносфера, 2013.
2. R.Magnusson, D.Shin, and Z.S.Liu. Guided-mode resonance Brewster filter. – Opt. Lett., 1998, v.23, p. 612–614.
3. S.Liu, S.Tibuleac, D.Shin, P.P.Young, and R.Magnusson. High-efficiency guided-mode resonance filter. – Opt. Lett., 1998, v.23, p. 1556–1558.
4. L.Fu, H.Schweizer, T.Weiss, H.Giessen. Optical properties of metallic meanders. – J. Opt. Soc. Am. B, 2009, v.26, p. B111–B119.
5. Fei Cheng, Jie Gao, Ting S. Luk & Xiaodong Yang. Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption. – Science Reports, 2015, v.5.
6. Ch.Yang, W.Shen, Yue.Zhang, Zh.Ye, X.Zhang, Kan Li, Xu Fang, Xu Liu. Color-tuning method by filling porous alumina membrane using atomic layer depo-sition based on metal–dielectric–metal structure. – Applied optics, 2014, v. 53(4).
7. M.Ozaki, J.Kato, S.Kawata. Surface-plasmon holography with white light illumination," SPIE Proceedings, 2012, v.8455, p. 84550K‑6.
8. G.Saxby, S.Zacharovas. Practical Holography, 4th Edition. – CRC Press, 2016.
9. D.S.Lushnikov, V.V.Markin, A.Y.Zherdev, S.B.Odinokov, A.V.Smirnov. Multicolor reflection holograms with multi-angle images, XI International Conference HOLOEXPO. – Proc. of conference, 2014, 2014, p.16.
10. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram grating. – The bell system technical journal, November 1969, v.48, № 9, p. 2909–2947.
Отзывы читателей
