一）透视激光全息膜概述

透视激光全息膜由网点作局部反射层，可同侧观察。其结构从里到外分别为网点层、信息层、PET聚酯层，如图10-74所示。

图10—74 透视激光全息膜结构

PET聚酯层透明度高，表面平整光滑，耐磨性好，是防伪膜基材和透视激光全息膜最外层的理想材料；信息层是激光全息图文信息的载体；网点层由真空镀铝层组成，真空镀铝结构致密，反射率高，是比较理想的反射层，网点则是反射的基本单元。由于没有反射层的全息图案在同侧观察到的衍射光非常少，效率很低。因此，可以认为，网点不仅是反射的单元，也是构成图文信息的基本单元，没有网点也就没有新型激光全息防伪膜。由于有网点作为反射层，层使得在同侧观察证件得以实现，大大简化了证件的鉴别工作。

（二）曝光法制作网点

曝光法制作网点的原理是利用重氮萘醌磺酸酯的感光性能和耐腐蚀性能，对被覆盖的 铝层加以保护而让空白部分的铝层被腐蚀液腐蚀而形成网点，过程如图10—75。

图10—75 曝光法制作网点

1.制作过程

涂布感光胶。使用常规设备即可完成，在此不再讨论。

（2）曝光。

用重氮萘醌磺酸酯最为敏感波段的光照射，如图10-76所示。由于采用的是阳图型感光胶，因此被MASK黑色部分（即网点）遮住的部分不感光，空白部分感光，显影时被溶解。一般常用的感光胶为2，1，5重氮萘醌磺酸酯、2，1， 4重氮萘醌磺酸酯和1，2，4重氮萘醌磺酸酯，它们的反应产物都能与水反应生成茚酸并与碱（通常是NaOH）反应生成溶于水的化合物—茚酸化合物的钠盐。

图10-76曝光示意图 图10-77显影示意图

（3）显影。

遇光分解的感光胶生成物水解生成茚酸，然后与OH—反应生成溶于水的茚酸钠。这样被MASK网点遮住的感光胶因未感光而被保留下来，形成如图10-77所示的结构。

（4）清洗。

为避免显影液流入下一工序，要用清水把膜上残留的显影液冲洗干净。

（5）非金属化。

经过显影后的膜，需要留下作为网点的铝层被感光胶覆盖，空白部分的感光胶则在显影过程中被清洗。所以与腐蚀液接触时，空白部分的铝层被腐蚀液腐蚀，网点部分因为有耐腐蚀的感光胶而保留下来形成如图10-78所示的结构。

图10-78非金属化后结构

这一过程可用离子方程表示如下： 2Al+6H`=2Al3+ + 3H2

（6）清洗、烘干后得到成品。

2.影响因素

(1)感光胶

实验证明，感光胶为2，1，5重氮萘醌磺酸酯、2，1，4重氮萘醌磺酸酯较1，2，4重氮萘醌磺酸酯快，为了利于控制，所以采用1，2，4重氮萘醌磺酸酯为佳。

①感光剂配比与耐碱性关系

通常使用的NaOH显影液浓度在0.7%～1.0%的范围内，从感光剂配比与耐碱性实验数据（表10-27）可见，光敏剂与成膜树脂之比采用0.5:1～0.62:1为佳。此外，实验还表明，当单独使用光敏剂时，耐碱性非常强，但成膜性差，易脆裂，显影相当困难，做出的网点周围有未被腐蚀干净的铝层；当加入一定量的成膜剂（酚醛树脂）后，耐碱性有所下降，但成膜性和对铝层的附着力大增强，显影也变得相对容易，做出的网点边缘清晰无杂物。所以光敏剂的配比一定要适中。

表10-27 感光剂配比与耐碱性关系实验结果

光敏剂与成膜树脂的比例	0.37:1	0.5:1	0.62:1	0.75:1
耐NaOH浓度（%）	0.4	0.7	1.0	1.2

②光敏剂含量与感光速度关系

通过以100ml感光剂中不同光敏剂的感光层进行曝光实验研究可知，光敏剂含量越低，曝光时间越短；光敏剂含量越高，曝光时间越长。当含量＜3%时，网点易损失；当含量＞6%，显影、非金属化相当困难。故其含量应在4%～5%之间。

（2）光源选择
我们知道，重氮萘醌磺酸脂的感光范围在350～460nm,因此采用高效快速晒版灯比较理想。

曝光法制作网点有不少优点，其网点再现性好，效果可以与拷贝网点相媲美，且整个版面网点均匀，可以制作出符合质量的网点。其不足是工艺复杂、生产效率低，但是防伪性好。

（三）凹版法制作网点

凹版法制作网点的原理是通过凹印的方法在铝层上用耐腐蚀油墨印上网点，起到保护铝层的作用，空白部分因为没有油墨的保护而被腐蚀，其工艺过程如下：

真空镀铝膜（带全息图文）→凹印 →非金属化 →清洗 →烘干 →成品

1.制作过程

（1）凹印

将耐腐蚀性油墨转移到全息膜的铝层上，这些油墨以网点的形式分布于铝层面，以达到保护铝层的目的。

（2）非金属化

参照曝光法制作网点过程。

(3)清洗、烘干

参照曝光法制作网点过程。

凹版法制作网点速度快、周期短、工艺简单、比较容易控制、成本低、质量稳定，是一种比较理想的方法。但是在生产过程中应当注意空气相对湿度和油墨粘度对印刷网点大小和印刷适性的影响，并根据不同季节和相对湿度调整油墨稀释的配比和粘度。

资料　分形图形与激光全息防伪技术

作为常规全息图和计算机产生全息图的进一步发展,数字点阵激光刻蚀全息图是国内外全息界和防伪商界密切关注防伪技术.由于数字点阵激光刻蚀全息图是由电脑控制的数字像素以激光光束精确的空间扫描,逐点几何空间编码,在光致抗蚀板上刻蚀成独特等衍射光栅,因而有很强的保密性和很强的防伪功能.我们的工作是尝试把分形图形用于制作数字点阵激光刻蚀全息图,使其在保密和防伪功能上具有更高的技术含量.
利用分形图形具有无限可分和比例尺度上的自相似的特征以及可以产生无限变量重复码的特点,通过计算机控制激光双光束干涉光刻成点阵全息光栅,从而形成数字像素全息图.根据分形图形具有无限变量重复码的数学对应关系,我们可构造出其迭代函数系统框架,形成丰富多彩,变化多端的分形图形,以此对点阵全息光栅编码,光刻成分形数字像素全息图.

一、激光全息防伪技术中引入混沌分形的概念

混沌是一种非周期性的动力学过程,混沌学是研究无序中的有序.一些杂乱无章,表面看似无序的现象,其实质却隐藏着丰富多彩的内涵和一定的规律性.一个很明显的例子即是Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形.用以下步骤产生Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形:

在(ｘ,ｙ)平面上选定三个点p1,p2,p3作为一个三角形的顶点;

任意选择一个原点p∈{ p1,p2,p3}作为起始点pｉｎｔ;

任意选择另一个原点p0∈{ p1,p2,p3},并按下式无限重复迭代运算

pｉｎｔ=pｉｎｔ+(p0-pｉｎｔ)/2.

这样一来,由点pｉｎｔ所描绘的轨迹就是一个Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形.在Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形中,随机地选取初始值,随机地选取迭代候选点,通过一个简单的迭代关系便可产生一个非常规则的三角形,见图1.

这种迭代函数便把事物的随机性与有序性巧妙地联系起来了.Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形的产生的过程即是一个混沌现象的例子,它具有以下两个主要特性:

一个非常复杂且具有无限细微的精细结构的图形可以用非常简单的规则产生;

具有结构的自相似性.就Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形而言,该三角形的任何一可分等级上,局部与整体都有严格的几何相似性.
具有上述两个特性的图形亦称为分形图形.“分形”(ｆｒａｃｔａｌ)这个名词是1975年美国ＩＢＭ公司的Ｂ.Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ创造出来的.Ｂ.Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ揭示了分形的本质和特征,他把数学中的分数维的概念以及客观世界一种固有的自相似与无限可分的特征和计算机强大的迭代运算功能结合起来,从而形成了分形几何的概念.分形概念的提出,为准确地描述客观世界和自然景观提供了一个有效的数学模型和工具.

图1　Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形

从数学形态学的理论出发,基于分形几何结构的无限精细可分和自相似性,可以把分形图形看成是由其自身的几个较小的图形映像拼成,同时每个映像又是由更小的映像拼成,这符合数学形态学中的膨胀运算规则.

分形图形可看成是一种与整体有相似性的若干局部所构成的图形,它的任一局部都与整体有严格的几何相似性,即比例的自相似性,并且在任意尺度上有无穷细节的精细结构和无限可分.

把分形图形编码到数字点阵激光刻蚀全息图上,可制作出丰富变化的动-静态点阵全息图.

激光全息防伪技术中的迭代函数系统(ＩＦＳ)变换

在自然界,存在许多表面看起来很复杂的形状,分形几何为其提供了描述和数学模型.产生分形的几何规则可以用一套包括平移、伸缩和旋转在内的矩阵运算来进行数学描述,亦即仿射变换(表1)

表1　Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形的ＩＦＳ变换矩阵

dn	1	2	3	4	5	6	概率值
1	0.5	0	0	0.5	25	1	0.33
2	0.5	0	0	0.5	1	50	0.33
3	0.5	0	0	0.5	25	50	0.33

第ｉ行的变换运算是

ｘ＇=ｄｉ1ｘ+ｄｉ2ｙ+ｄｉ5
ｙ＇=ｄｉ3ｘ+ｄｉ4ｙ+ｄｉ6

如果等几率地进行上述的仿射变换,即反复地将这些规则作用于刚刚得到的新点[如图2(ａ)所示],最后将会得到一个唯一的、有规则的、称之为Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形的点集图形(删除前8个点),并且这个点集的图形与当初点p(ｘ,ｙ)的选择无关,如图2(ｂ)所示.

图2　Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形的仿射变换过程
(ａ)等几率地进行仿射变换;(ｂ)ｎ次仿射变换后得到的Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ三角形

如果我们稍微改变一下表1中的数据,即可产生完全不同的分形图像..

典型的分形图形———Ｊｕｌｉａ集与Ｍａｎ ｄｅｌｂｒｏｔ集

Ｊｕｌｉａ集与Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ集是两种典型的分形图形.Ｊｕｌｉａ集是由复平面上的一个二次映射的迭代行为所产生的图形.

Pｃ(ｚ)=ｚ2+ｃ

,式中ｚ,ｃ是复平面Ｃ上的点,ｃ=ａ+ｉｂ,ｚ=ｘ+ｉｙ引入到平面直角坐标系中,则有:

Pｃ(ｘ+ｉｙ)=(ｘ+ｉｙ)2+ａ+ｉｂ =ｘ2-ｙ2+ａ+ｉ(2ｘｙ+ｂ)
ｘｎ+1=ｘｎ2-ｙｎ2+ａ,
ｙｎ+1=2ｘｎｙｎ+ｂ,

式中ａ,ｂ皆为实参数.通过上面的关系式,对平面上任意起始点(ｘ0,ｙ0)进行迭代,经过数次迭代以后,某些起始点的轨迹将逐渐走向无穷远处,即以原点Ｏ为中心向四周无限扩展.而其他一些点的轨迹将没有这种特性.我们可以把平面上的点分成两大类,而这两类的分界线就是Jilia集,它是一种分形图形.每一个特定的参数值ｃ=ａ+ｉｂ都对应一个Jiliaａ集图形,通常用Ｊ(ａ,ｂ)表示Jilia集的特定图形.这种生成Jilia集分形图形的算法被称为“逃逸法”. Jilia集分形图形也可以借助吸引子的随机迭代的过程来生成.图3给出了Jilia集的典型分形图

.　　Mandelbrot集是Jilia集的延伸和扩展.对二次映射Pｃ(ｚ)=ｚ2+ｃ,Julia集把动态平面分为两种情况,一是轨迹趋于无穷远处的起始点集(逃逸集),另一是轨迹不发散的起始点集(填充集).在填充集中,由于不同的参数值ｃ又有不同的性态.对有些ｃ值,填充Julia集是连通的,而有些ｃ值则不连通. Mandelbrot集Ｍ是使Pｃ的Julia集为连通的参数ｃ的集合.借助于Julia集的逃逸算法也可以很容易地绘出Ｍ集的分形图形来.Ｍ集图形有非常复杂的结构,其特征是由一个主要的心脏形结构和一系列圆盘形的“芽苞”突起连接在一起,每一个“芽苞”又被更细小的“芽苞”所环绕.此外,还有更为精细的“发状”似的分枝从“芽苞”向外长出,这些细发在它的每一段上都带有与整个Ｍ集相似的微形样本.Ｍ集的每个“芽苞”上的每一点,都分别对应着一个参数ｃ的值,如果取一点并显微该点尽可能小的邻域,它存在无限细节,放大后便得到一个分形图(见图4).Ｍ集的这个分形图与以该点ｃ为参数值的Pｃ的Jilia集极其相似.用计算机产生Jilia集和Mandelbrot集图形的程序可在文献 中找到.

图3　Jilia集的典型分形图 图4　Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ集的典型分形图

二、建立分形图库的意义和作用

根据制作数字像元全息图分形编码的需要,在ＷＩＮＤＯＷＳ95的平台上,由Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ和ＣｏｒｅｌＤｒａｗ的支持建立一个分形图库,并由ＦｒａｃＧｅｎ1 .0程序随时生成千变万化的分形图,以供设计数字像元全息图所需.包括Jilia集和Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ集图形在内共有52个大类,每一类又包括十几种分形图.在制作激光全息防伪标志时,我们可以在图库中随机选取一种分形图形,编码到欲制作的激光全息防伪标志上,刻蚀数字点阵全息图以达到保密和防伪的目的.例如,在分形图库中任选一分形图Ｆ(ａ),欲作点阵全息图轮廓为Ｃ(ｑ),则分形数字点阵全息图的设计结果图为Ｑ(ｆ)=F(ａ)·C(ｑ).根据轮廓图中的分形图的分布,以不同的灰度值定义点阵光栅的取向或光栅常数,在重现时就会衍射出闪动的色彩缤纷分形图(如图5).

图5　分形数字点阵全息图的设计结果图

三、分形图形在激光全息防伪技术中的应用

数字点阵激光全息图的制作,是在一种特制的光机电系统上控制两束激光相互干涉而形成细小的光栅点(大约几十至一百微米),并将其记录在光致抗蚀剂上.记录时,系统对这些点上的光栅方向和空间频率按一定的规律进行编码控制.重现时,像元全息图上某一点的光栅方向决定了该点在特定的视角内是否被观察到,而光栅空间频率则决定着该点在特定的视角内所观察到的颜色.根据这个基本原理,建立一个合理的衍射光栅图样与逐点的映射关系,就可以制作出具有动态效果和色彩丰富的像元全息图 .

图6　刻写数字点阵分形全息图的系统示意图

数字点阵激光全息图制作的关键是,在刻写点阵全息光栅时如何来控制光栅的方向和空间频率,以使得数字点阵全息图能显现出设计师所要求图样之变化.因此,可以按着衍射光栅图样与逐点的映射关系,随时改变各点刻写光栅的方向和空间频率,若把分形图形的逐点的映射关系与调制光栅的方向和空间频率结合起来,便可形成一种数字像元分形全息图,图6为刻写数字点阵分形全息图系统的示意图.

数字点阵分形全息图的制作是基于混沌分形图形理论以及全息光栅衍射理论和微结构工艺而构造成的一个综合光学、精密机械、电子驱动控制和电脑编程控制的复杂系统.由于分形技术与数字像元全息图制作技术的结合,增强了激光全息图的技术含量,从而使激光全息防伪技术提高到了一个新的水平.