Специальные краски и лаки

Вернемся к свойствам расходных материалов, к которым можно отнести специальные чернила, краски, лаки и др. Специальные краски и лаки используются для защиты печатной продукции от подделки потому, что они обладают повышенной стойкостью к истиранию, воздействию химиче­ских веществ и светостойкостью, что необходимо при боль­шом сроке службы изделия.

Специальные краски и лаки можно подразделить на сле­дующие группы:

• оптические свойства в видимом излучении;

• оптические свойства в УФ- и ИК-излучении;

• магнитные и токопроводящие свойства;

• чувствительные к изменению температуры (термо- хромные);

• изменение объема;

• ароматические.

Особенности первых двух групп будут подробно рассмо­трены далее. Здесь отметим только, что такие краски могут менять цвет при изменении угла наблюдения и мощности па­дающего излучения. Иногда бывает наоборот: краски имеют

одинаковый цвет, но разный коэффициент отражения в ИК- области спектра — инфракрасные метамерные красители.

Магнитные и токопроводящие краски включают в свой состав особый металлический компонент, который не влияет на цветность отражения в видимой области спектра.

Изображение, нанесенное термохромными красками, может при нагреве становиться видимым или изменять свой цвет. Изменение цвета может быть обратимым и необрати­мым. Например, в углу бумаги устанавливают такой невиди­мый элемент, который можно увидеть, прикладывая к нему палец.

Краски и лаки, изменяющие объем, позволяют получать рельефное изображение за счет увеличения толщины слоя по­сле высыхания, что легко ощущается при тактильном при­косновении к изображению пальцами.

Ароматические краски и лаки содержат специальные ве­щества, которые обнаруживают устойчивый запах при трении нанесенного изображения.

Способы защиты запечатываемых элементов, основанные на физико-химических свойствах красителей

Эти способы защиты являются наиболее распространен­ными, и технология изготовления скрытого изображения очень проста: печать должна производиться специальными красками с наведенным излучением.

Особенность такого класса защиты заключается в воз­можности наносить на поверхность ценной бумаги какие-либо изображения, специальные свойства которых обуславлива­ются определенными способностями расходных материалов. Например, по полю изображения или в составе текста можно поместить поляризующие элементы в виде букв, знаков или хаотически расположенных вкраплений. Свойство таких эле­ментов состоит в том, что при облучении бумаги естествен-

одинаковый цвет, но разный коэффициент отражения в ИК- области спектра — инфракрасные метамерные красители.

Магнитные и токопроводящие краски включают в свой состав особый металлический компонент, который не влияет на цветность отражения в видимой области спектра.

Изображение, нанесенное термохромными красками, может при нагреве становиться видимым или изменять свой цвет. Изменение цвета может быть обратимым и необрати­мым. Например, в углу бумаги устанавливают такой невиди­мый элемент, который можно увидеть, прикладывая к нему палец.

Краски и лаки, изменяющие объем, позволяют получать рельефное изображение за счет увеличения толщины слоя по­сле высыхания, что легко ощущается при тактильном при­косновении к изображению пальцами.

Ароматические краски и лаки содержат специальные ве­щества, которые обнаруживают устойчивый запах при трении нанесенного изображения.

Способы защиты запечатываемых элементов, основанные на физико-химических свойствах красителей

Эти способы защиты являются наиболее распространен­ными, и технология изготовления скрытого изображения очень проста: печать должна производиться специальными красками с наведенным излучением.

Особенность такого класса защиты заключается в воз­можности наносить на поверхность ценной бумаги какие-либо изображения, специальные свойства которых обуславлива­ются определенными способностями расходных материалов. Например, по полю изображения или в составе текста можно поместить поляризующие элементы в виде букв, знаков или хаотически расположенных вкраплений. Свойство таких эле­ментов состоит в том, что при облучении бумаги естествен-

Реакция на инфракрасное излучение

лампой с отрезающим светофильтром, и изображение, кото­рое было бесцветным, становится видимым.

Этот технологический прием не является абсолютно надежным для защиты от подделки, так как практически каждый желающий может приобрести красители, обладаю­щие этими свойствами. Способ защиты люминесцентными метками никогда не применяется единично, а обязательно дополняет большое количество других способов полиграфи­ческой защиты.

Реакция на инфракрасное излучение

Такой способ технологической защиты полностью ана­логичен предыдущему, но скрытое изображение проявляется (визуализируется) не при облучении УФ-излучением, а под действием теплового (инфракрасного) излучения. Проявление изображения происходит при тестировании объекта путем его нагрева или облучения сравнительно мощным источником теплового излучения через инфракрасный фильтр, например, оптические стекло марки ИКС. В момент тестирования ра­бочее место должно быть затемнено (внешняя освещенность не должна превышать 20 лк).

Довольно часто процесс проявления изображения в теп­ловых лучах носит необратимый характер, т. е. проявленное изображение сохраняется на ценной бумаге после прекра­щения действия инфракрасного излучения. Поэтому такой способ контроля не очень удобен по сравнению с контролем излучения люминесценции и используется в редких случаях. Но как скрытая необъявленная защита ценной бумаги этот способ может быть весьма эффективен.

Технология контроля на подлинность предусматривает наличие специальной лаборатории, а сам способ наиболее часто используется при изготовлении лотерейных билетов.

Специальные краски и лаки

Краски, создающие магнитное поле

При таком способе защиты в состав красителя вводят железистые соединения, аналогичные соединениям при про­изводстве магнитных лент. На определенной части поверх­ности ценной бумаги создается изображение, которое под воз­действием электрического сигнала (например, статического электричества при трении) изменяет создающееся вокруг не­го магнитное поле. Возникновение магнитного поля иденти­фицируется специальной схемой малогабаритного прибора.

На ценную полиграфическую продукцию магнитные эле­менты наносятся как обыкновенные печатные элементы по­лиграфического оттиска. Такой способ особенно популярен при изготовлении американских денежных бумажных знаков (долларов). Защита магнитными сплавами считается очень надежной среди других полиграфических защит при чрезвы­чайно простом приборном контроле подлинника. Изготовить же подделку непросто, даже при наличии специального маг­нитного красителя. Какая именно часть изображения выпол­нена подобным образом — «на глаз» трудно определить при­сутствие такого элемента защиты на бумаге. Это напоминает помещение на ценную бумагу микротекста или проявляюще­гося под тепловыми лучами изображения. В то же время по­сле проведения тестирования на подлинность ценная бумага с элементами магнитной защиты сохраняет свое рабочее со­стояние.

Фосфоресцирующие краски

Такие краски используют явление длительной люминес­ценции, излучение которой продолжается долгое время по­сле окончания возбуждающего облучения. Красители бывают двух видов: яркие — яркость за счет добавления большего

Проявляемые красители

люминесцентного излучения от фосфоресцирующих красок существенно превышает отраженную яркость от обычных ря­дом расположенных красок, и бесцветные красители, способ­ные светиться в темноте.

Особенно яркие красители, которые создают отраженное изображение, необычное по цвету и насыщенности, использу­ют в качестве элемента оформления и украшения и как эле­мент защиты ценной бумаги. Фосфоресцирующее изображе­ние невозможно воспроизвести при помощи триады красок цветной типографской печати, а также при помощи цветного ксерокопирования. Сам способ относится к объявленным ти­пам защит и легко обнаруживается в рассматриваемом изо­бражении. Способ защиты бумаг яркой фосфоресценцией мало распространен из-за простоты технологии и небольшой надежности (краски со временем выцветают).

Ценную бумагу с бесцветным фосфоресцирующим краси­телем при испытании на подлинность сначала облучают мощ­ным источником (энергетическая экспозиция на поверхности бумаги должна быть больше 1000 Дж/м²), а затем помещают в темноту. При этом на ценной бумаге проступает слабосветя­щееся изображение. Способ долговременной фосфоресценции тоже не очень популярен. Его главный недостаток заключа­ется в небольшой стабильности и временной разрушаемости состава красителя. По прошествии определенного времени ценная бумага может быть принята за подделку.

Проявляемые красители

Окраска невидимого изображения производится таким красителем, что визуализация окрашенных элементов связана с химическим проявлением испытуемой бумаги. Наложенная краска изменяет свои физико-химические свойства. В резуль­тате химического воздействия ранее не видимое изображение становится видимым или существенно изменяет цветность изображенного сюжета. После контроля на подлинность цен­ная бумага к дальнейшему употреблению оказывается непри­годной. Наиболее часто защита с химически проявляемым красителем применяется при печати лотерейных билетов. При предъявлении лотерейного билета для определения под­линности записываются паспортные данные владельца. Состав проявляющего химиката, используемого при контроле, дер­жится в секрете. Такой способ защиты обладает большой на­дежностью потому, что обнаружить защитный слой (элемент) не представляется возможным ни при каких обстоятельствах без разрушения самой бумаги. Даже если удастся определить место и тип красителя, то химический состав контрольного химиката останется неизвестным.

Многоцветная печать

Ценные полиграфические изделия никогда не печа­тают классической триадой красок. Печать ценной полигра­фической продукции осуществляется красками, тон и насы­щенность которых резко отличаются от красок ГПЖ — голу­бой, пурпурный, желтый (в английской транскрипции: cyan, magenta, yellow — CMY). Доминирующая длина волны отра­женного от запечатанной уникальной краски излучения X_d и его чистота р, определяющие координаты цветности (рис. 8, цв. вкл.) этого излучения, охватывают значительно большее цветовое пространство (рис. 9, цв. вкл.) по сравнению с излу­чением, отраженным от запечатанного изображения стандарт­ным набором красок. Правильный подбор красителей может стать средством защиты от подделки, если она выполняется с использованием стандартного полиграфического оборудова­ния офсетной или высокой печати, и от несанкционированно­го ксерокопирования. Суть защиты проста: изделия печатают такими красками, цвет которых невозможно получить обще­принятой четырехцветной печатью.

Понятие света в фотометрии включает в себя два значения: свет воспринимаемый и видимое излучение. Воспринимаемый свет — это основной и необходимый внешний фактор для всех

Многоцветная печать

ощущений и восприятий, получаемых с помощью органа зре­ния. Видимое излучение — это оптическое излучение, которое может непосредственно вызвать зрительное ощущение. Свет, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, т. е. излучение Солнца, неба, электрических ламп накаливания, свечей, ламп дневного света и светодиодных светильников, часто обозначают собирательным названием белый свет.

Такая же ситуация складывается в цветоведении, ког­да необходимо выбрать базовый белый цвет для сравнения с ним окрашенного излучения. Сам термин цвет также имеет двойственный характер. Воспринимаемый цвет описывает­ся названиями хроматических или ахроматических цветов (красный, зеленый, голубой, белый, серый, тусклый и пр.). Физический цвет определяется экспериментально найденны­ми значениями физических величин (яркость, чистота цвета и цветовой тон) или тремя координатами цвета (стандартные колориметрические системы). В идеале за излучение белого цвета принимается такое излучение, спектральное распреде­ление которого в видимой области спектра не зависит от дли­ны волны, так называемый равноэнергетический источник излучения Е (ф_£(^) = 1,0). Такое излучение используется во всех колориметрических расчетах, но физически его моде­лировать невозможно. Излучение белого света и белый цвет излучения можно описать спектральным распределением его мощности ф(^.) в фотометрии, координатами цвета в колори­метрии (но никогда наоборот), степенью белизны W или ин­дексом цветопередачи отраженного излучения R.

Координаты цветности излучения идеально белого цве­та в стандартной колориметрической системе равны между собой

х = у = г = 1/3

и в сумме составляют единицу. В случае работы в цветовых пространствах МКО 1976 г. L*a*b* и L*u*v*, а также в поляр­ной системе координат X, р, за начало координат выбирается

Многоцветная печать

определенный белый цвет. В обозначении цвета наблюдается определенный хаос и неоднозначность. Такие цветовые про­странства и системы хорошо использовать только для цветов, близких к спектральным цветам, где найденный цветовой тон действительно дает представление о цветности. В то время как для цветов сильно разбавленных, цветовой тон в очень боль­шой степени зависит от выбора белого. Согласованного вы­бора центрального белого для всех нестандартных цветовых систем до сих пор не сделано, и за белый цвет принимают раз­личные оттенки белого цвета.

Известно, что один и тот же цвет может создаваться из­лучениями с очень разными спектральными распределения­ми спектральной плотности мощности их излучения (мета- меризм). В частности, некоторый белый цвет может быть получен смешением как излучений со сплошным спектром, перекрывающими всю видимую область, так и излучений, состоящих из двух монохроматических. Однако цвета объек­тов, облучаемых такими излучениями, будут различны, если объект не имеет белую или ахроматическую поверхность. Под цветопередачей понимают влияние спектрального состава излучения источника на восприятие цвета, отраженного от объекта, по сравнению с восприятием цвета при облуче­нии объекта выбранным источником излучения.

Если изготовленный оттиск отклоняется от заданного цвета, записанного в сертификате на ценную продукцию, это отклонение легко может быть установлено прямыми измере­ниями. Утверждение, что цвет есть объективная величина, отнюдь не противоречит тому, что один и тот же цвет может вызывать в разных условиях различные ощущения. Это толь­ко подчеркивает, что цвет и ощущение цвета — понятия со­вершенно разные и их нельзя путать друг с другом.

Особенно важны зависимости между воздействующей на глаз яркостью и сигналом, посылаемым в мозг, и между яркостью и ощущением яркости. Светлота есть мера ощуще-

ния яркости. Между любым раздражением и вызываемым им ощущением можно установить определенную количествен­ную зависимость в соответствии с законом Вебера-Фехнера: разность ощущений пропорциональна разности логарифмов воздействующих раздражений. На орган зрения воздействует яркость пучка излучения (L), которая вызывает зрительное ощущение — светлоту (и>). Разность светлот не равна разно­сти яркостей AL Ф Aw, так как изменение яркости в сто раз приводит к изменению светлоты на две единицы:

Aw = w-w_n = kA\gL = k(\gL-\gL_n)=k\g-^-,

Ai

где

k — коэффициент пропорциональности между единицей светлоты и логарифмом яркости.

За белый цвет принимают различные цвета, которые с недавнего времени пытались нормализовать введением стандартных иллюминантов (illuminant), т. е. излучений с определенным относительным спектральным распределением мощности в диапазоне длин волн, влияющим на восприни­маемый цвет объекта. Надо уточнить представление о том белом цвете, который выбирается за исходный цвет (напри­мер, начало полярных координат и координат цветностей цветовых пространств) и имеет столь существенное значение в системах классификации цвета и интегральных световых измерениях.

Восприятие белого цвета является менее определенным, чем восприятие всех остальных цветов. Мы говорим, «улицы украшены российскими флагами» или «букет состоял из го­лубых васильков и красных маков». Из этих утверждений со­всем не следует, что если положить василек на голубую часть флага, лепесток мака на красную часть флага и лист типо­графской бумаги на белую часть флага, то они будут неотли­чимы друг от друга. Подобная неопределенность словесного

описания цвета имеет отношение ко всем цветам вообще, а по отношению к белому цвету в особенности.

Под белым цветом часто понимают цвет дневного излу­чения. Однако совершенно понятно, сколь разными бывают оттенки белого цвета в облачный день и безоблачный (при го­лубом небе), в тени и на солнце, в разное время дня и т. д. За белый свет принимают излучение таких искусственных источников, как лампы дневного света, ксеноновых огней ав­томобильных фар и ламп накаливания. Излучение последних гораздо беднее синими и фиолетовыми лучами, а при сравне­нии с излучением солнца и ксеноновых ламп кажутся нам яв­но желтыми. Нет никаких теоретических оснований считать один из этих цветов «белее» другого, и нет возможности одно­временно принимать их за «белые».

Практика цветоведения и фотометрии выходит из этого затруднения следующим образом. За основной белый цвет стандартной колориметрической системы, который можно считать четвертой фиксированной цветностью, принимается, как уже было отмечено, цвет Е равноинтенсивного излучения. Желание сохранить наглядность других цветовых систем при разных условиях облучения привело к установлению еще че­тырех источников белого света.

Цветность теплового излучения определяется формой кривой спектральной плотности излучения ср(Я.) на видимом участке спектра. В зависимости от выбора этих характеристик различают такие эквивалентные температуры излучения, как радиационная, яркостная и цветовая, которая является опре­деляющим фактором цветоразличения.

Цветовые температуры для ряда обычных излучений: лампы накаливания — 2500-3200 К; солнечный свет

до атмосферы — 6500 К,

на поверхности Земли летом — 5300-5600 К; свет луны через атмосферу — 4100 К;

облачное небо — 6400-6900 К;

голубое небо — 19000-24 000 К.

Функция обычно задается типом источника излуче­ния, используемого для облучения объекта, когда требуется определить цвет излучения отраженного или пропущенного объектом. Обычно для освещения объекта при определении цвета отраженного излучения используются стандартные ис­точники излучения типа А, В, С, D или Е (рис. 10, цв. вкл.).

Источник А воспроизводит условия искусственного осве­щения электрическими лампами накаливания; источник В — условия прямого солнечного освещения; источник С — усло­вия освещения рассеянным светом (солнце + небосвод без облаков); источник D — условия освещения усредненным дневным светом (без прямого солнечного излучения) в ви­димой и ультрафиолетовой области спектра для измерения цвета люминесцентных ламп. Причем в обычных колоримет­рических измерениях используется источник излучения с цветовой температурой 6500 К, его индекс обозначается D_m (спектральный состав приведен на рис. 10, цв. вкл.). В прак­тике фотографических процессов, в кино и телевидении, в полиграфической промышленности часто используются источ­ники усредненного дневного света с цветовыми температурами 5000 К (-О₅₀), 5500 К CD₅₅). В мукомольной промышленности и в технологии изготовления бумаг иногда используются ис­точники с цветовой температурой 7200 К CD₇₂), которые опти­мальны для определения белизны.

Выбор белого цвета важен не только для определения белизны и цветопередачи запечатанного элемента изображе­ния, но и при использовании сигнальных огней на транспорте (автомобильном и железнодорожном), в авиации, в морском флоте и в морских спасательных средствах, также в физико- химических исследованиях. В результате длительных экспе­риментов и долгих дебатов МКО приняла область белого цвета (см. рис. 5, цв. вкл). Из этих рисунков совершенно ясно, что

однозначное определение белизны и вообще выбор белого цве­та в качестве образцового представляют пока неразрешенную проблему.

Во всех без исключения исследованиях важную роль игра­ют условия наблюдения, значение цветности, яркость окруже­ния и размер образцов. При данном окружении имеет значение, рассматриваем ли мы один образец в течение некоторого вре­мени или серию разных образцов одновременно. При проверке материалов, содержащих флуоресцирующие отбеливающие вещества, также возникает проблема, связанная с источником освещения. Тогда тип источника и форма кривой спектральной плотности излучения задаются (ГОСТ Р 30113 «Бумага, карты. Методы определения белизны»). Для материалов, содержащих флуоресцирующие отбеливающие вещества, применяется фор­мула (9), которая определяет интегральный коэффициент от­ражения материала в спектральном интервале вблизи длины волны 457 нм.

Многие из искусственных источников дневного света предназначены для освещения в офисах, в театрах, в про­смотровых печатных стендах, в жилых помещениях и т. п., а также при воспроизведении изображения на экране теле­визора и промышленных дисплеях. Цвет излучения таких источников очень похож на цвет естественного дневного света. Однако, к сожалению, относительное спектральное распреде­ление спектральной плотности мощности излучения многих искусственных источников заметно отличается от относитель­ного спектрального распределения стандартного излучения дневного света, что искажает цветопередачу.

Различие в спектральном составе является основным источником затруднений, так как цвет одних и тех же пред­метов, освещенных искусственным и естественным дневным светом, будет различаться (рис. 11-15, цв. вкл.). Во-первых, предмет цвета не имеет, а обладает определенными спектраль­ными свойствами, и, во-вторых, цвет излучения, отраженного

от предмета, зависит от условия облучения. Иногда искаже­ния цвета, или, говоря техническим языком, колориметри­ческие сдвиги, могут иметь существенное значение, которое и определяет защитные свойства подбора красок.

Выбор стандартного источника, с цветом излучения ко­торого сравнивается исследуемое излучение, также представ­ляет проблему. При таком выборе следует руководствоваться всем тем, что понимается под первоначальным восприятием цвета предмета. Цвет предмета первоначально воспринимае- мается при том освещении, при котором обычно видят этот предмет. В большинстве случаев это свет от лампы накалива­ния или некоторая фаза дневного света.

Возникают большие трудности, когда надо передать словами характер того или иного цвета или воспроизвести его без наличия образца, с которым было бы возможно не­посредственное сравнение. По мере развития естествознания (химии, минералогии, зоологии, ботаники и т. д.) и особенно промышленности (лакокрасочной, стекольной, текстильной, полиграфической и т. п.) делались попытки создать класси­фикацию цветов и их символическое обозначение. Такие си­стемы классификации (а их было предложено много) основа­ны на каком-либо частном принципе. Этим объясняется то, что каждая из них получила распространение практически только в той стране, где она была предложена, и ни одна не получила международного признания.

Поляризация

Естественное электромагнитное излучение (электри­ческий вектор в пространстве не ориентирован) при взаимо­действии с границей раздела двух диэлектриков становится частично или полностью поляризованным. Под поляризаци­ей излучения понимается однонаправленность вектора коле­баний электрической составляющей электромагнитной волны излучения. Явление поляризации играет определенную роль в защитных технологиях. Теория поляризации описана во всех классических книгах по оптике. Здесь мы остановимся на отдельных, интересных для нас аспектах этой теории.

Луч излучения (например, от солнца или от пламени) об­ладает симметрией вращения по отношению к его собственно­му направлению. Все плоскости, проходящие через этот луч, имеют одни и те же свойства. Луч излучения после взаимо­действия со средой или поверхностью претерпевает некоторое количество отражений, преломлений, проходит через кри­сталлические или некристаллические среды (например, слои краски), т. е. испытывает какие-то изменения. Если падаю­щий луч оставить в исходном положении, а среду развернуть вокруг выходящего излучения, то мощность падающего луча останется постоянной. В этом случае говорят, что луч имеет

симметрию вращения по отношению к самому себе и называ­ется лучом естественного излучения. В некоторых случаях этой симметрии не существует: вращение изменяет мощность конечного пучка излучения. Тогда говорят, что такой луч по­ляризованный.

Все электромагнитные волны распространяются поперек направления прохождения пучка излучения, и возмущение ориентировано перпендикулярно к направлению распрост­ранения.

В каждой точке плоской волны (пучок параллельных лучей) электрическое и магнитное поле периодически изме­няются: взаимно перпендикулярные векторы, которые в дан­ный момент характеризуют возмущение, находятся в плоско­сти волны, т. е. перпендикулярны направлению излучения. Векторы для всех точек волновой поверхности одинаковы, но меняются периодически: мощность излучения равна

Р = А • sin (со • t + ф).

При прохождении волны через среду круговая частота со не изменяется, а фаза (coi + ф) и амплитуда могут изменяться в зависимости от свойств среды и направления распростране­ния (периодичность явления требует того, чтобы по истечении периода прежнее состояние возобновилось).

Если векторы в волне изменяются только по амплитуде, но не по направлению, то колебание будет прямолинейным. Такое колебательное состояние соответствует прямолинейно поляризованному пучку. Такой луч обладает двумя плоскостя­ми симметрии: одна — с электрическим вектором, другая — с магнитным. Плоскость, перпендикулярная к электрическому вектору, называется плоскостью поляризации луча.

У векторов может меняться не только амплитуда, но и на­правление. В этом случае геометрическое место точек положе­ния конца электрического вектора опишет эллипс, тогда коле­бание будет эллиптическим, а пучок будет поляризован эллип­

тически. Частным случаем эллиптических колебаний является линия (линейная поляризация) и круг (круговая поляризация). Между двумя прямолинейными составляющими существует разность фаз, которая меняется при изменении ориентировки осей и равна четверти периода, если это оси эллипса. Различные виды эллиптических колебаний приведены на рис. 11.

Естественное (неполяризованное) излучение не меня­ется. Какие бы разности фаз не существовали между двумя составляющими, лишь бы неизменной оставалась амплиту­да этих составляющих. Из пучка естественного света можно выделить два раздельных пучка с взаимно перпендикулярны­ми прямолинейными колебаниями, которые при наложении друг на друга снова дадут естественное излучение. Всякое эл­липтическое колебание может быть приведено к прямолиней­ному колебанию без изменения амплитуды, но их повторное наложение не сможет превратить поляризованное излучение в естественное. Луч естественного излучения совершенно сим­метричен по отношению к самому себе. В плоскости волны колебание происходит совершенно нерегулярно (хаотически). Нельзя воздействовать на естественное излучение иначе, чем воздействуя на амплитуду его составляющих, но не на их фазы.

Пучок излучения может состоять из наложенных друг на друга пучков естественного и поляризованного излучения, и тогда говорят о частично поляризованном излучении с раз­ной степенью поляризации. Разность фаз, введенная между двумя составляющими, абсолютно ничего не изменит для не- поляризованной части и окажет свое действие на поляризо­ванную часть. Если обозначить мощность естественного из­лучения Ф, а мощность поляризованного излучения — Ф_п, то относительное содержание поляризованного излучения в этом пучке (степень поляризации) будет:

Ф

⁼ ' ⁽³⁴⁾ Ф + Ф„

А

Б

Рис. 11. Поляризация излучения при взаимодействии с диэлектриком

( Пленка ).

А — отраженный луч полностью поляризован; Б — вид сзади пучков излучения: а — неполяризованного, б — частично линейно-поляризованного, в — полностью линейно-поляризованного

Расчет коэффициента отражения для границы двух диэ­лектриков в зависимости от их показателей преломления был выполнен О. Френелем и подтвержден решением уравнений Максвелла для границы раздела сред с разными диэлектри­ческими постоянными. Коэффициент отражения р гладкой поверхности зависит от состояния поляризации падающего луча. Имеются два основных коэффициента отражения, со­ответствующих двум основным положениям плоскости по­ляризации: плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения и плоскость поляризации перпендикулярна к плоскости падения р₂ (на рис. 11 показано вертикальными стрелками).

В каждом из этих случаев отраженный луч сохраняет со­стояние поляризации по отношению к плоскости отражения. Соответствующие коэффициенты отражения имеют следую­щие значения:

_2 |— —12 sin (ф,-ф₂) _ _ tg (ф,-Ф₂)

sm((p, + Ф2) J L^(^CP'⁺⁽P2)

При падении излучения из воздуха на границу раздела втф₁ = /г-втф₂. Падающий луч, поляризованный в какой- либо плоскости, может быть разложен на два луча, поляри­зованных в двух главных направлениях. Так как отражен­ный луч сохраняет состояние поляризации, то эти два луча соединятся в один поляризованный луч. Если, как это часто бывает, на гладкую поверхность диэлектрика падает пучок естественного излучения, в котором мощности обеих состав­ляющих одинаковы, то для такого пучка коэффициент отра­жения составит:

Pi+P_{2 =} 1 [~sin²((p, -ф₂) , -ф₂)

2

(35)

Р =

На рис. 12 представлена зависимость коэффициентов от­ражения полированной поверхности раздела между воздухом (п₁ = 1,00) и стеклом (крон п₂ = 1,52) от угла падения для раз­ных состояний поляризации.

При отклонении пучка от нормального падения коэффици­ент Pj регулярно увеличивается, вначале медленно,одновременно р₂ начинает медленно уменьшаться. Коэффициент р, соответ­ствующий падающему естественному излучению, при откло­нении от нормали увеличивается, но крайне медленно до 50°. В случае нормального падения пучка излучения (ф₁ = 0°) коэф­фициент отражения р_о не зависит от состояния поляризации и равен:

Р.=М-1 (37)

\п₇ +nj

Рис. 12. Графическое изображение формул Френеля: зависимость отражения поляризованного и естественного излучения

от угла падения

Показатель преломления среды, в которую преломляется падающее излучение, легко рассчитывается по формуле:

(38)

Коэффициент отражения р_о имеет одно и то же значение для случаев перехода излучения из менее плотной среды в бо­лее плотную и обратно, так как (n - I)² = (1 - п)². Изменение коэффициента отражения при изменении длины волны опре­деляется спектральной зависимостью показателя преломле­ния. Для обычной пленки (л = 1,52) разность показателей преломления (dn) на длинах волн 434 нм и 656 нм составляет dn = 0,0125. Коэффициент отражения при этом меняется на dp_o = 0,038-р_о. Таким изменением во многих случаях можно пренебречь.

Относительное содержание поляризованного излучения в отраженном пучке равно

(39)

Особый случай отражения от границы раздела двух ди­электриков имеет место при условии, что сумма углов ф₁ + + ф₂ = 90°, т. е. отраженный луч перпендикулярен к лучу пре­ломленному. Отметим значения углов ф_: и ф₂ для этого случая буквами ф_1б и ф₂₆. Из формул Френеля видно, что р₂ = 0, так как втф₂₆ = созф_1б (как дополнительные углы, ф₂₆ = 90°- ф₁₆). Поэтому, какое бы ни было состояние поляризации падаю­щего луча, луч отраженный р_х будет полностью поляризован (рис. 18). Тогда уравнение преломления примет вид

n_t • sin ф₁₆ = п₂ • cos ф

тогда

tgф₁₆ = Vⁿ^

(40)

Угол падения ф_1б называется углом Брюстера, который зависит от показателя преломления, а конечная часть выра­жения (40) называется законом Брюстера. Угол Брюстера легко рассчитывается для падения луча из воздуха как:

ф_1б = arctgn. (41)

Если пучок естественного света падает на гладкую по­верхность диэлектрика под углом Брюстера, то отражается от нее малая, но полностью поляризованная часть (рис. 11). За­коном Брюстера пользуются для того, чтобы создать поляри­зованный пучок широкого сечения, что трудно осуществить другими средствами.

Вещества или диэлектрические пластинки, разделяющие всякий пропущенный через них поток на два поляризован­ных пучка с взаимно перпендикулярными плоскостями по­ляризации, называются поляризаторами. Диэлектрические пластинки, которые служат для обнаружения состояния по­ляризации падающего пучка, называются анализаторами. Анализатор по принципу действия не отличается от поляри­затора, но, поворачивая его вокруг оси падающего пучка из­лучения, можно определить степень и направление поляри­зации.

Поляризованное излучение имеет важные аналитические применения. Некоторые пигменты могут различаться по их уникальному виду в поляризованных лучах. Если в состав красителя или лака поместить элементы, поляризующие из­лучение, и расположить их в определенном порядке (рисунок, надпись), то при наблюдении их под определенным углом через анализатор мы обнаружим этот рисунок или надпись. Подделать такую технологию чрезвычайно сложно, а обна­ружить подделку очень легко. Такой вид защиты печатной продукции относится к закрытым типам защиты ценной про­дукции.

Муар

Муар

В результате интерференционного взаимодействия от­раженного излучения от регулярных растровых решеток изображений возникает дополнительный рисунок, который называется муар. Хорошим примером наблюдения муара в быту могут служить прозрачные мелкоструктурные занаве­ски на окнах при их наложении друг на друга при параллель­ном смещении или развороте. Чаще всего муар возникает при многоцветной печати при наложении цветоделенных изобра­жений, но встречается и в однокрасочной, и в черно-белой ре­продукции.

Любое красочное изображение, получаемое в печати, как правило, растрировано, т. е. состоит из регулярных струк­тур — «точек» разного цвета. Интерференционное взаимодей­ствие отраженного излучения от цветоделенных изображений построенных регулярными растровыми решетками вызывает муар при многокрасочной печати. Вызываемые интерферен­цией паразитные излучения имеют определенные частоты и присутствуют на всем поле изображения. В соответствии с за­конами физики интерферирующие лучи уменьшают качество цветного изображения. Их влияние определяется не только частотой излучения, но и амплитудой отраженных излуче­ний. Совместное действие пространственной частоты и разма­ха колебаний могут значительно уменьшить контраст деталей изображения и резкость границы смены цветов. Естественно, что значение контраста зависит от длины волны отраженно­го излучения (цветовой тон), чистоты цвета (насыщенности) и характера рисунка в том или ином участке изображения. Все это в той или иной степени определяет муарогенность изо­бражения. Предметный муар возникает при взаимодействии периодической структуры рисунка с частотой дискретизации Репродукционного процесса. Собственный или внутренний ^мУар возникает при взаимодействии ортогональной решетки

синтеза цвета с формируемым в ней растром. В цветной тоно­вой печати оба вида муара дополняют друг друга и заметность муара может быть как усилена, так и ослаблена.

Муар как интерференционное явление зависит от перио­да колебаний отраженного излучения от регулярной струк­туры изображения. Контраст муара определяется тоном или относительной площадью печатных элементов совмещаемых участков изображений. В технологии получения качествен­ного изображения на оттиске муар нежелателен. Исключают возможность возникновения муара такие способы, как совме­щение и поворот растровых решеток, а также нерегулярное размещение печатных и пробельных элементов.

В защитных технологиях явление образования муара используют в качестве положительного свойства как одного из защитных элементов. Многоцветный муар создается искус­ственно за счет усиления муарообразования на изображении достижением критического угла попарного совмещения раст­ровых решеток, что соответствует минимальным значениям периода муара и его большой частоте. Контраст муара уве­личивается созданием полутонов с определенными значения­ми относительной площади растровых точек при тройном и четверном наложении красок. Подобные изображения цвет­ных интерференционных полос можно наблюдать на лицевой стороне бумажных банкнот России любого достоинства.

Другой разновидностью защитного муарового изобра­жения является искусственный одноцветный и черно-белый муар, который образуется при наложении на запечатанное мелкоструктурное изображение контрольной прозрачной пла­стины, несущей дополнительное мелкоструктурное изобра­жение. Совместное наложение этих изделий и плавное пере­мещение контрольной пластины относительно защищенного документа приводят к тому, что хаотическое расположение полос превращается в видимое изображения текста или ри­сунка. В качестве текста используют название фирмы, сро-

ки действия документа, условные шифры и др. Рисунком может служить любая плоская геометрическая фигура Этот вид защиты предполагает отдельное изготовление защитного изображения на документе и совмещенного изображения на контрольной пластине. Такая защита применяется при про­фессиональном окружении и по своим защитным свойствам приближается к поляризационным элементам.

Изготовление почтовых марок, перфорация и высечка

Марки несут на себе информацию об образе жизни народа, о наиболее важных событиях, о природе и индустрии страны. Почтовые марки можно назвать самой своеобразной печатной продукцией, имеющей, по крайней мере, не меньше трех функций.

Назначение и специализация марок:

• являются знаками почтовой оплаты;

• представляют собой миниатюрные визитные карточ­ки страны-изготовителя;

• служат предметом коллекционирования филателистов.

Поскольку на почтовых марках обозначена их цена, они

являются изделиями строгого учета и относятся к ценной пе­чатной продукции. Издание и печатание всех без исключения марок осуществляют специализированные полиграфические предприятия, относящееся к Министерству финансов РФ. Ти­ражи марок неодинаковы и зависят от назначения выпуска данного комплекта марок (до 10 млн штук).

Оригиналы марок создаются в увеличенном масштабе с учетом последующего уменьшения при фотографировании и применительно к последующему способу печати. Поскольку

Изготовление почтовых марок, перфорация и высечка

формат почтовых марок самый миниатюрный среди листо­вых изданий, то их печатают на специальных малогабарит­ных машинах листами, содержащими по 26-30 марок, ком­бинированно: с использованием высокой печати и офсета или офсета и металлографии. Бумага для почтовых марок, иногда с водяными знаками, вырабатывается специально, так как к ней предъявляются повышенные требования на разрыв, рас­тяжение и перегиб. Качество отпечатанных марок обеспечи­вается применением очень гладких и мелованных бумаг и красок с исключительными цветовыми характеристиками, отличающимися по цветности от обычного цветного изобра­жения, которое создается четырехцветной печатью. Широко применяют такие отделочные процессы, как бронзирование (печать металлизированными красками) и лакирование, реже встречается конгревное тиснение.

Когда все работы по печати и отделке лицевой стороны марочных листов полностью закончены, производят гумми­рование оборотной стороны марки синтетическим клеем. По­сле высыхания клея осуществляют последнюю технологиче­скую операцию — перфорирование, которое необходимо для легкого и правильного отделения одного экземпляра марки от другого. В то же время вид и структура перфорации или вы­сечки являются одним из элементов технологической защиты марок от подделки.

В зависимости от устройства перфоровальных машин и станков различают следующие виды перфорации печатной продукции:

• линейную просечку, когда перфораторы за один про­гон пробивают отверстия только в одном направлении;

• гребенчатую перфорацию, характерную тем, что пер­фораторы делают систему параллельных линий, соединяемых одной поперечной перемычкой;

• рамочную просечку, пробиваемую на всем листе одно­временно за один прогон.

• Изготовление почтовых марок, перфорация и высечка

• В филателии принято обозначать перфорированные мар­ки определенной зубцовкой. Под этим понимается количество пробитых отверстий пустотелыми иглами на отрезке длиной 2 см (например, 12,0— т. е. 6 отверстий на 1 см; 13,5 — т. е. 27 отверстий на 4 см и т. п.). Кроме того, форма пробитых от­верстий может быть в виде круга, эллипса, ромба, квадрата, косого прямоугольника и т. п.

• Выпускаются почтовые марки как одиночные, так и те­матическими сериями, содержащими, в среднем, 5-7 штук. Чаще всего на серийных марках различны не только номина­лы, но и изображения. При одинаковом рисунке обязательно изменяется цвет марки, чтобы не было ошибок при ее приме­нении. Особое место занимает надпечатка краткого текста на марках предыдущего выпуска. Обычно ее делают либо в связи с изменением номинала марки, либо в ознаменование собы­тия, предусмотреть которое не представлялось возможным. Иногда при экстренном выпуске срочно печатается серия ма­рок без перфорации (их называют беззубцовки) и отделяют одну марку от другой с помощью ножниц.

• Иногда марки изготавливают почтовыми блоками, ко­торые представляют собой одну или несколько марок, посвя­щенных определенной теме, и размещенных на одном листе бумаги в обрамлении запечатанных единым обрамлением по­лей. Блоки мало чем отличаются от марок, и технология их изготовления идентична. Марки, как и любая другая ценная печатная продукция, являются изделиями строгого учета, и поэтому производится контроль количества печатных листов на всех стадиях работы. В XXI в. знаки почтовой оплаты на­носятся иногда непосредственно на конверт. В этом случае ис­пользуется другая технология защиты, если она необходима, которая по своей сути ближе к технологии изготовления упа­ковки.

• Картографическое производство

• Сегодня практически нет ни одной отрасли хозяй­ствования, где бы так или иначе не использовались картогра­фические материалы — планы, карты, атласы, картограммы и пр. Далеко не полный перечень областей, требующих при­менения карт различных масштабов и содержания, выглядит так: оборона страны, полеты в космос, ведение сельского хо­зяйства, экономические исследования, строительство, развед­ка полезных ископаемых, геодезия, обучение школьников, туристические походы и соревнования. Многие карты пред­ставляют собой высокоточные полиграфические изделия, по которым выполняют различные измерения и расчеты. Такие изделия картографического производства содержат множе­ство мелких и тонких штриховых элементов, которые долж­ны быть переданы на тиражных оттисках без искажений их размеров и местоположения. Следствием этого технология печати карт должна обеспечить высокую точность воспроиз­ведения печатных элементов на всех операциях технологиче­ского процесса. Карты изготавливаются на специализирован­ных картографических фабриках.

• Картографическим изделиям присущи свои особенности, отличающие их от другой печатной продукции. Для подавляю-

• щего большинства карт создаются специальные издательские оригиналы, на которых изображение выглядит по иному, чем оно будет представлено на многокрасочных тиражных отти­сках. Цветные штриховые элементы содержания карт (кон­тур, гидрография, изотермы, рельеф и т. д.) на этих ориги­налах представлены в черно-белом изображении. Обычно их изготовляют черными штрихами на белом фоне бумаги или прозрачными штрихами на негативах. Только при изготовле­нии печатных форм на каждой из них будет получен рисунок, соответствующий выделяемому цвету. Кроме того, карты со­держат, помимо штриховых элементов, фоновые элементы: площади лесных, горных и водных пространств на физиче­ских картах; раскраска государств на политических картах и т. п. Фоновые элементы на издательских оригиналах отсут­ствуют и создаются только в процессе подготовки фотоформ и печатных форм.

• Картографические оригиналы могут быть нескольких ви­дов. Во-первых, штриховые изображения всех цветных эле­ментов, нанесенные на недеформируемую основу (алюминий), с которой получаются негативы по числу цветных элементов. На каждом цветоделенном негативе ретушью выделяются только те условные обозначения, которые будут отпечатаны одним определенным цветом. Во-вторых, негативы из специ­ального пластика с гравировкой изображения и нанесенным на него слоем, не пропускающим излучение определенного цвета при экспонировании. И, в-третьих, изготовленные на малодеформируемой прозрачной или полупрозрачной плен­ке диапозитивы, пригодные для копирования цветоделенных печатных форм. Оформление карт оказывает существенное влияние на технологию изготовления. Если карта цветная, но содержит только штриховые элементы, то подготовка пе­чатных форм ограничивается копированием этих элементов на формный материал. Если наряду с цветными штрихами на карте имеются фоновые элементы, то нужно готовить со­

• ответствующие фотоформы для копирования цветоделенных печатных форм. В современных условиях для получения та­ких фотоформ разработаны специальные пластины со съем­ными слоями, которые можно отделять по контурам, создавая прозрачные окна для нанесения на них одинакового слоя вы­бранной краски. Широко применяются растровые печатные формы, минимизирующие количество красок для передачи большого регистра цветовых тонов.

• Все перечисленное, а также часто возникающая необхо­димость корректировки содержания и большие форматы пе­чатных листов (до 1x2 м) предопределяют применение для издания карт только офсетный способ. Для печати карт ис­пользуются специальные, особо прочные бумаги и особенные картографические краски. Печать многолистовых карт требу­ет одинаковой насыщенности цвета изображении на всех ли­стах, чтобы при их склейке не была замечена разница в цвете на составных участках.

• Процесс производства атласов почти ни чем не отличается от рассмотренных процессов. Форматы карт при этом берутся равными странице или развороту атласа. Печать карт ведет­ся на достаточно плотных и толстых бумагах (120-200 г/м²), иногда с одной стороны листа.

• Производство упаковок

• Упаковки классифицируются по видам исполь­зуемых материалов (бумажные, картонные, пластмассовые и др.). по особенностям конструкции (коробки, флаконы, пакеты, тюбики и пр.), по объемам и другим признакам. В Санкт-Петербурге развитым предприятием, изготовляю­щим всю упаковку для Северо-Запада России, является КПК (Картонно-полиграфический комбинат), который находится в пос. Антропшино Ленинградской области.

• Чаще всего упаковки имеют приклеенные этикетки, от­печатанные на бумаге одним из известных способов с последу­ющей отделкой бронзированием, лакированием, тиснением и высечкой. Широко практикуется экономически более выгод­ная печать изображений и текста непосредственно на упаков­ках трафаретным, флексографским или офсетным способом высокой печати. Применяется также декалькомания.

• Декалькоманией называется процесс получения пере­водимых изображений. Перенос переводимых изображений возможен двумя способами: прямым и сдвижным, которые в современных условиях выполняются на листовых офсетных машинах.

• Производство упаковок

• Прямой способ: легким прижимом увлажненного отти­ска к поверхности упаковки бумажную подложку удаляют путем ее сдвига, полученное изображение высушивают, а за­тем сверху наносят водный раствор коллоида.

• Сдвижной способ: избыток воды растворяет клеевой слой, изображение получает возможность свободного перемещения относительно основы, его сдвигают на нужный участок упа­ковки и затем высушивают.

• Организация печатного процесса двух способов различ­на. Достоинство декалькомании — простота переноса изобра­жения на поверхность сложного профиля, недостаток — бы­строе истирание красочной пленки в процессе эксплуатации упаковки. Время сохранения изображения может быть увели­чено путем его защиты прозрачным лаком или глазурью.

• Билетопечатное производство

• В повседневной жизни наиболее часто встречаются два вида билетов. Одни из них предназначены для проезда в городском и пригородном транспорте, другие — для посеще­ния зрелищных мероприятий. Учитывая одноразовость ис­пользования большинства билетов, бумагу для их изготов­ления применяют самую низкосортную. Тем не менее учет изготовленных билетов ведется поштучно. Билетопечатное производство относится к малоценной печатной продукции. Печатаются билеты способом высокой печати с изображени­ем установленного образца и порядковым номером, запеча­танным с помощью нумератора. Лента транспортных билетов смотана в рулон, а зрелищные билеты изготовляются в виде книжек. При необходимости на билетах делается простей­шая перфорация или высечка. На билетах для проезда на транспорте предусмотрены элементарные полиграфические защиты: колорированная бумаги, тангирная сетка, сменный сюжет изображения, штриховые коды на право прохода, ино­гда — срок действия.

• В современных условиях железнодорожные, авиабилеты и проездные билеты городского транспорта на определенный срок относятся к ценной печатной продукции второго классса.

• Прочие способы защиты

• Данные рассматриваемые способы защиты являют­ся принятыми полиграфическими процессами. Однако при­менение их как средство защиты продукции от подделки су­щественно усложняет изготовление фальсификатов, потому что имитировать такие технологии крайне затруднительно. Изготовление подделки требует наличия у нарушителя особо­го технологического оборудования и расходных материалов.

• Тиснение полиграфической фольгой

• Тиснение полиграфической фольгой применяется в раз­личной печатной продукции — от переплетных крышек до календарей и визитных карточек. Тиснение золотой и сере­бряной фольгой защищает ценную бумагу от возможной под­делки офсетной печатью, ксерокопированием и т. д. В тех­нологическом процессе изготовления тиснения применяет­ся специальная машина и специально созданное клише для тиснения, сделать которое можно только при определенных навыках. Качество защиты низкое, так как сама технология стандартизирована.

• Блинтовое и конгревное тиснение

• Блинт (нем. blind — слепой) — название бескрасочного плоскоуглубленного (блинтового) тиснения на переплетных крышках или на толстой бумаге.

• Конгревное тиснение названо по имени изобретателя, ан­глийского конструктора пороховых ракет У. Конгрева (1772- 1828). Оно означает, что изображение получается с помощью штампа с углубленным рисунком и контрштампом (матри­цей), расположенным с обратной стороны бумаги.

• Ситуация с блинтовым и конгревным тиснением в де­ле защиты от подделки аналогична по технологии теснению фольгой. В то же время изготовление матриц для обоих видов рельефного тиснения более трудоемкое, чем прессовка метал­лической фольги. Тем не менее, все виды тиснения в большей степени предназначены для работ по оформлению внешнего вида и красочности продукции.

• Сухая (рельефная) печать

• При сухой (рельефной) печати создается выпуклое изо­бражение на бумаге. Технология проставления рельефных печатей заключается в выдавливании рисунка штампа на специальной подложке (label), наклеенной на защищаемую продукцию. Это дополнительный элемент защиты, и его не­возможно воспроизвести копировальным способом.

• Обособлено стоит производство рельефных карт. Такие карты печатают сухим способом, а затем тиснят, используя исходную рельефную модель местности в качестве матрицы. Формовку рельефа выполняют на вакуумных формовочных установках, а материалом для образования рельефа служат пластики на основе поливинил хлорида или его сополимеров. Матрицы, изготовленные из гипса, замешанного на раство-

• Нумерация

• ре поливинилового спирта, с армированием модели рельефа проволочной сеткой пригодны для обеспечения тиража до 2000 экземпляров.

• К способам рельефной печати можно отнести экспони­рование оригиналов инфракрасными (тепловыми) лучами прямым или косвенным методом. В прямом методе экспо­нирование производится непосредственно на теплочувстви- тельную бумагу, а в косвенном методе - термослой является промежуточным звеном. В этом случае оригинал с заданным изображением помещается в рабочее устройство, затем укла­дывается термочувствительный материал и обычная бумага. При инфракрасном экспонировании участки термослоя, на­ходящиеся под штриховым или тоновым изображением, на­греваются (почти расплавляются) и прилипают к поверхности бумаги. В результате образуется позитивный рельефный от­тиск экспонированного изображения. Достоинством способа является простота изготовления, а недостатком - нестойкость полученного изображения во времени.

• Защитные свойства сухой печати значительно усилива­ются за счет дополнительной обработки полученного изобра­жения бронзированием, лакированием или покрытием ме­таллизированной краской. Особенно интересен в защитных технологиях так называемый Dripp-off - эффект, когда уль­трафиолетовое лакирование производится по выступающим участкам рельефного изображения.

Нумерация

• Фактически номера или помещенные на ценную бумагу числа не всегда играют роль порядкового обозначения этой бумаги. Суть защитных свойств нумерации заключается в постановке арифметических задач и помещении на ценной бумаге решения этих задач при разных условия исходных

• данных. При этом никто не знает условия задачи, хотя его можно прогнозировать по отгаданному ответу.

• Например, печатаются только четные или нечетные циф­ры в составе числа. Сумма первых трех цифр равна сумме по­следних трех цифр. Разность от вычитания суммы последних двух цифр из суммы первых цифр равна сумме двух цифр, находящихся между ними. Математический закон образо­вания нумерации известен только заказчику, и определить его практически невозможно. В условиях распространенной компьютеризации технологического производства макетов ценных бумаг такая операция особого обозначения номера возможна и для бумаг широкого хождения при массовых ти­ражах, особенно для бумаг большой номинальной стоимости. Приведем примеры использования непорядковой нумерации как суть защитных свойств путем решения арифметических задач.

• 1-й пример:

• а) 148361;

• б) 225672;

• в) 237463;

• г) 148351 — подделка.

• Заданное условие нумерации. Последняя цифра не учи­тывается. Сумма средних цифр числа равна сумме оставших­ся цифр после отбрасывания последней цифры и двух средних цифр:

  а) 14 83 6 1	8 + 3 =	11	и	1 +	4	+	6 =	11;
  б) 22 56 7 2	5 + 6 =	11	и	2 +	2	+	7 =	11;
  в) 23 74 6 3	7 + 4 =	11	и	2 +	3	+	6 =	11;
  г) 14 83 5 1	8 + 3 =	11	и	1 +	4	+	5 =	10. 10* 11

• 2-й пример:

• а) 394178;

• б) 102359;

• Местная лакировка и ламинирование

• в) 102360;

• г) 102361 — подделка.

• Заданное условие нумерации. Абсолютное значение раз­ности сумм первой и последней цифр от суммы последующей и предыдущей цифр равно сумме средних цифр:

• а) (3 + 8) — (9 + 7) = 5 4 + 1 = 5;

• б) (1 + 9) — (0 + 5) = 5 2 + 3 = 5;

• в) (1 + 0) — (0 + 6) = 5 2 + 3 = 5;

• г) (1 + 1) — (0 + 6) = 4 2 + 3 = 5 4*5.

• Иногда в некоторых документах для защиты от подделки используются нетрадиционные, авторские шрифты для печа­тания цифр. Сложные узорчатые цифры разных размеров или «плавающие» строки, нанесенные по волнистой линии, за­труднительно воспроизвести без специальной техники. Наи­более простой пример: семь цифр в числе имеют разный раз­мер, высоту и толщину.

• Местная лакировка и ламинирование

• Местная лакировка изготовляется печатью изображения или его фрагментов бесцветным прозрачным лаком. Рисунок, напечатанный на бумаге любой окраски, можно разглядеть только под определенным углом. Такое изображение невоз­можно скопировать ни фотографическим способом, ни ксеро­копированием, ни офсетной печатью.

• Ламинирование представляет собой процесс обработки Документа путем припрессовки прозрачной специальной плен­ки диэлектрика на всю поверхность для придания ему блеско- сти, жесткости, способности охраны от внешних воздействий ^и функции еще одного варианта защиты. Способ относится к явной объявленной защите в условиях контролируемого окру­жения. По сути, ламинирование является в большей степени

• предохранением документа от износа и механических повреж­дений, но при этом реализуется способ защиты от внесения каких-либо изменений. Ламинирование исключает проверку некоторых других элементов защиты. Степень безопасности от подделки невысока. Однако чтобы исправить реквизиты, напечатанные под слоем ламината, следует повторить весь технологический процесс изготовления данной продукции.

• Технология защиты с помощью голографических элементов

• Голографические метки

• Голографические метки — это прочно скреплен­ные с подложкой металлизированные «ярлычки» различной формы с объемными и/или радужными изображениями, на­блюдаемыми при определенных направлениях освещения. Изображениями на голограммах являются различные худо­жественнее элементы, стилизованные рисунки и тексты. В от­дельных изображениях присутствуют микротексты, которые читаются при увеличении. В 1970-х годах, после изобретения способа получения голограмм, видимых в «белом» свете, они получили название радужные. Голограммы скрепляются с поверхностью подложки особым клеящим веществом или, ре­же, путем ламинирования. Попытки отделить такие элемен­ты от подложки приводят к их разрушению.

• Голографический элемент, нанесенный на ценную бума­гу, является самым надежным, почти идеальным способом ее защиты. Контроль изделия на подлинность очень прост: да­же абсолютно не подготовленный человек в состоянии обна­ружить наличие голографического изображения. Это можно сделать визуальным сравнением с образцом оригинала или на

• Технология защиты с помощью голографических элементов

• основании предварительной информации. Однако чтобы уста­новить принадлежность продукции оригиналу, надо иметь (знать) вид голографического изображения оригинала.

• Изготовление правдоподобного фальсификата трудоемко и очень дорогостояще. Внедрение в полиграфическую про­мышленность голографических способов защиты ценных бу­маг обусловлено тем, что их трудно подделать и невозможно скопировать. Технология изготовления голографических ме­ток — чрезвычайно дорогая процедура, оправдываемая толь­ко в массовом производстве.

• Области применения голограмм как защитных элемен­тов очень обширны. Прежде всего, это уникальное средство защиты для любых видов продукции от конкретных изделий электроники до ценных бумаг. Голографическая метка, нане­сенная на паспорт, удостоверение, сертификат и т. п., доказы­вает их подлинность. Голографическая метка, нанесенная на издания, защищает право интеллектуальной собственности и авторские права. Аудио- и видеокассеты с голографической меткой легко отличить от пиратских копий. Специальные голографические наклейки позволяют маркировать изделия, прошедшие испытания на экологическую или электрическую безопасность и на соответствие метрологическим нормам при аттестации и калибровке средств измерений. Голографиче­ские метки способны разрешить многие недоразумения, воз­никающие между налоговой службой и производителем то­варов. Маркировать голографическими метками можно не только единичные изделия и сертификаты, но и упаковки, контейнеры и другую продукцию.

• Голография — оптико-физическое явление

• В целом голограмма (греч. holos — весь, целый) — это техническое средство, произведение искусства, реклама и за-

• Голография — оптико-физическое явление

• щита объекта от подделки, а голография — самостоятельное направление науки на стыке физической оптики, фотометрии и химии. Сам голографический способ регистрации изображе­ния и последующего восстановления в пространстве картины с помощью наложения когерентных электромагнитных волн был изобретен Денисом Габором в 1948 г. Электромагнитные волны при этом могут быть любые — световые, рентгенов­ские, корпускулярные, акустические и др.

• В голограмме регистрируется вся информация об элек­тромагнитной волне, отраженной от объекта записи: ампли­туда, длина волны (частота), разность фаз нескольких волн. В фотографическом процессе регистрируется только градация яркостей и цвета в плоскости расположения объекта (что-то близкое к длине волны и амплитуде), поэтому изображение получается плоским. При смещении точки наблюдения в плоскости регистрации волнового поля можно видеть объ­ект под разными углами, ощущая его объемность и даже как бы реальное наличие его перед собой. Основная трудность при экспонировании голографического изображения (записи фронта электромагнитной волны в плоскости голограммы) заключается в регистрации разных фаз волнового процесса излучения.

• Необычные возможности голографии определяются тем, что она представляет собой метод записи и последующего вос­произведения «волнового фронта», под которым понимается амплитудно-фазовое распределение монохроматического из­лучения, падающего на регистрирующую среду. Это дости­гается с помощь интерференционного процесса, при котором представляющая интерес волна интерферирует с когерентной опорной волной, в результате чего фазовое распределение в этой волне кодируется в виде пространственно-модулированного распределения интенсивности в чувствительном к излучению слое. Затем на основании явления дифракции отраженного излучения от голограммы и свойства глаза человека восста-

Технология защиты с помощью голографических элементов

навливается первоначальный волновой фронт, отраженный от объекта.

Физическую сущность таких терминов, как волновой фронт, амплитуда, фаза, интерференция, дифракция, ко­герентность и скрытых за ними явлений необходимо знать при подготовке и осуществлении технологических операций получения на фотографическом (светочувствительном) слое тонкопленочного материала сложного изображения методом оптической голографии.

Особенности получения фотографического и голографического изображения

В принципе, технологические процессы получения фото­графического и голографического изображения мало отлича­ются друг от друга. Главное отличие состоит в особых условиях экспонирования и получения скрытого изображения. При го- лографическом процессе после физико-химической обработки слоя изображение объекта отсутствует, записывается интерфе­ренционная картина сложения когерентных волн, получение позитивного изображения этой картины не требуется.

Фотография (дословно — светорисование) — это сложная совокупность процессов регистрации информации. Упрощен­но технологический процесс получения фотографического изображения состоит из восьми стадий (рис. 12):

• образование оптического изображения в плоскости не­гативного материала;

• экспонирование (выдержка t_x, освещенность Е_х);

• получение скрытого негативного изображения;

• химико-физическая обработка (проявление и фикси­рование), визуализация негативного изображения.

Этим заканчивается процесс получения негативного изо­бражения. Если теперь контактным или проекционным путем

Рис. 12. Схема записи и воспроизведения фотографического изображения

Технология защиты с помощью голографических элементов

отбросить негативное изображение на позитивный слой, то в результате следующих четырех стадий получим позитивное изображение предмета:

• образование оптического изображения в плоскости позитивного материала;

• экспонирование (выдержка t_y, освещенность Е_у);

• получение скрытого позитивного изображения;

• химико-физическая обработка (проявление и фикси­рование), визуализация позитивного изображения.

Изображение получается плоским, так как регистри­руется яркость L отраженного излучения от разных точек предмета (объекта), которая будет определяться амплитудой электромагнитного излучения в широкой области длин волн (иногда, что неверно, амплитуду называют интенсивностью, в то время как квадрат амплитуды определяет мощность излу­чения). Поэтому можно написать, что реакция фотоматериа­ла будет:

(42)

v

где

ф_о6л (А.) — спектральная плотность мощности источника облучения при экспонировании, зависимая от амплитудой электромагнитного излучения;

k_x — масштабный множитель, учитывающий актинич­ность фотоматериала;

р₀(А.) — спектральный коэффициент отражения объекта; S(A,) — спектральная чувствительность фотоматериала; и ~к₂ — пределы интегрирования, определяемые спект­ральными свойствами фотоматериала, оптической схемы и объекта.

При рассмотрении снимка наблюдаемый глазом световой поток излучения, отраженного от позитива, можно выразить формулой:

Особенности получения фотографического и голографического изображения

х₂

W-PU (43)

где

ф_ист (X) — спектральная плотность мощности источника излучения, применяемого при наблюдении оттиска (пози­тива);

k₂ — масштабный множитель, учитывающий световую эффективность глаза;

Рпоз — спектральный коэффициент отражения пози­тива;

V(k) — относительная спектральная эффективность мо­нохроматического излучения для дневного зрения стандарт­ного наблюдателя МКО (относительная чувствительность глаза);

\_lv\.X₂ — пределы интегрирования, обусловленные спект­ральными свойствами глаза, которые соответственно равны 380 нм, 760 нм.

В голографическом процессе происходит полная реги­страция электромагнитных волн, отраженных и рассеянных от объекта, которые несут амплитудную и фазовую информа­цию об объекте (рис. 13). Фаза электромагнитного излучения особенно выразительно проявляется при облучении объекта когерентным излучением. Фазовая информация связана с объемом объекта регистрации, так как от разных простран­ственных точек объекта отраженные излучения приходят в плоскость регистрации с определенными временными сдви­гами, зависящими от разных расстояний между плоскостью регистрации и пространственными точками объекта. Тех­нологический процесс получения голографического изобра­жения имеет лишь четыре стадии:

• облучение объекта и регистрирующей среды когерент­ным излучением для получения поля интерференции,

• экспонирование,

Рис. 13. Схема записи и восстановления голографического изображения

Когерентное излучение и интерференция волн

• получение скрытого изображения интерференционной картины в плоскости регистрации

• физико-химическая обработка фотоматериала для по­лучения голограммы.

Длительность времени экспозиции при записи голограм­мы намного больше, чем при фотографировании. Наблюдение объемного изображения возможно лишь при облучении го­лограммы когерентным излучением, но при потере качества возможно облучение тепловым искусственным или естествен­ным солнечным излучением.

Следует обратить внимание на то, что при зрительном восстановлении изображения с использованием явления диф­ракции когерентного излучения на зафиксированной интер­ференционной картине голограммы получается мнимое изо­бражение объекта, показанное пунктиром за пластиной с голографическим изображением. Никакого действительного изображения голограмма не содержит.

Когерентное излучение и интерференция волн

Когерентность — согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких волновых процессов (гармониче­ских колебаний), проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность фаз этих колеба­ний остается постоянной в какой-то промежуток времени и при сложении определяет амплитуду суммарного колебания. Результат сложения гармонических колебаний определяет ин­терференцию как явление, наблюдаемое при одновременном распространении в пространстве нескольких волн и состоящее в стационарном распределении амплитуды и фазы результи­рующей волны. Интерференция возможна, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны.

Любое гармоническое колебание (рис. 14) характеризует­ся амплитудой, частотой и фазой.

Рис. 14. Электрическая составляющая электромагнитной волны и ее параметры как пример гармонического колебания

Характеристикой синусоидальной волны является дли­на волны X, равная расстоянию между ближайшими точками среды, для которых разность фаз волны равна 2т.

Уравнение гармонического колебания имеет вид

где

— смещение точки от положения равновесия (сред­него значения), разное для разных моментов времени; А — амплитуда колебаний; Т — период колебаний (с); v = 1 /Т — частота колебаний (Гц);

со = 2п/Т — круговая частота или циклическая частота колебаний (с^-1). Через каждые 2к отдельное значение x(t) по­вторяется;

ю^ + ф — фаза колебаний; ф — начальная фаза колебаний.

Когерентное излучение и интерференция волн

Скорость точки, совершающей колебания,

_т, dx 2к . (2л V = — = —A cos —t + ю dt Т \Т

При сложении двух гармонических колебаний одинако­вого периода получается гармоническое колебание того же пе­риода с амплитудой

А = yjA? + А\ + 2Л,Л₂ cos (ф₂-ф,) (45)

и с начальной фазой, определяемой из уравнения

A. sin ф, +А₇ sin ф₂

tg Ф = -¹ —7 —, (46)

A, cos ф,+/4₂ cos ф₂

где

А₁и А₂ — амплитуды слагаемых колебаний,

и ф₂ — их начальные фазы. При распространении незатухающих гармонических ко­лебаний со скоростью света (С) вдоль некоторого направления, называемого лучом, смещение любой точки, лежащей на луче и отстающей от источника колебаний на расстоянии I, дается уравнением

. . (2л 2к Л x = v4sin —t - , \Т X )

где

А — амплитуда колебания точек;

X — длина волны излучения, переносимого лучом.

Смещение точки jc(^) — значение колеблющейся величи­ны (отклонение маятника, напряжения в цепи переменного тока, напряженности поля и др.) в данный момент времени.

Амплитуда гармонических колебаний А представляет со­бой наибольшее отклонение (от среднего) значения величины je, совершающей эти колебания по определенному закону, на-

(47)

Технология защиты с помощью голографических элементов

пример, по синусоиде. Другими словами, амплитуда опреде­ляет размах колебаний.

Период Т — время периодического изменения одного и того же значения величины д:(£) колебательного процесса (на­пример, максимального значения). Если любое значение повторяется через одинаковый промежуток времени Т, то он называется периодом колебаний

x(t + Т) =

Число колебаний N за время t равно

N = t/T.

Делим на t обе части и получаем

N/t = 1 /Т,

где

N/t — частота колебаний, которая обозначается v. Величина, обратная периоду, т. е. число периодов колеба­ний в единицу времени, называется частотой — и. В физике оптического излучения электромагнитную волну характери­зуют частотой v и длиной волны X. Между ними установлено строгое соотношение независимо от области спектра электро­магнитного излучения: произведение частоты колебаний на длину волны равно скорости света (С) в вакууме:

vl = C. (48)

Фундаментальная постоянная

С = 2,998-10⁸ м/с = 2,998-10" нм/с.

Скорость света в какой либо среде С обратно пропорци-

ср.

ональна показателю преломления среды п:

^Сср. ^{= с}/^п = е-ц.

где

е — электрическая проницаемость среды; р — магнитная проницаемость среды.

Когерентное излучение и интерференция волн

Показатели преломления некоторых веществ:

воздуха — 1,0003;

воды — 1,33;

льда — 1,31;

скипидара — 1,48;

стекла и пластмасс — 1,48-1,78;

алмаза — 2,42.

При разложении излучения призмой (дисперсия) длин­новолновое излучение отклоняется меньше, чем коротковол­новое (показатель преломления п у всех веществ возрастает с уменьшением длины волны). Частота и период колебаний не зависят от скорости света, поэтому при прохождении через среду не изменяются.

Фаза (греч. phasis — появление) колебаний означает со­стояние колебательного процесса в определенный момент вре­мени. Фаза представляет собой периодически изменяющийся аргумент функции (44), описывающей колебательный или волновой процесс. Ее можно написать в таком виде:

cot + ф = Ф,

где

ф — начальная (фиксированная) фаза колебаний; в начальный момент времени при t = 0, Ф = ф.

В случае строгого гармонического колебания значения- амплитуды, циклической частоты и начальной фазы (А, со и ф) постоянны и не зависят от времени t. При взаимодействии двух гармонических колебаний, испущенных одним источни­ком (начальные фазы одинаковы), но прошедших разные пу­ти в пространстве s, образуется разность фаз этих колебаний

Дф = Ф₂ - Ф_х:

2п

АФ = a> t₂ - со /, = 2nv-t₂ - 2nv-t_l =—(Ct₂ -С/,).

Так как произведение скорости света С на время прохож­дения колебания t представляет собой длину пути s, которую

Технология защиты с помощью голографических элементов

совершил этот луч, то две точки, лежащие на луче на расстоя­ниях Sj и s₂ от источника колебаний (в нашем случае объек­та), имеют разность фаз

Oj-O^n^^¹-. (49)

А.

Здесь необходимо отметить, что излучение может прохо­дить разные среды с показателем преломления п. Под длиной пути s понимается оптическая длина пути

s = n-d,

где

d — геометрическая длина пути.

Величина As = s₂ - s₁ называется оптической разностью хода, и она связана с разностью фаз (ДФ):

АФ = 2nAs/X.

Если разность хода равна нулю, что получается при s₂ = = Sj, то разность фаз также равна нулю. Наложение таких волн друг на друга приводит к увеличению амплитуды коле­баний. При As = Х/2 разность фаз АФ = тс. Амплитуды таких волн вычитаются друг из друга.

При интерференции волн, т. е. при наложении когерент­ных волн, их амплитуды складываются или вычитаются в со­ответствии с принципом суперпозиции. Суть принципа в том, что каждая из волн распространяется в среде независимо от других волн так, как если бы их не было. Амплитуда суммар­ной волны зависит от разности начальных фаз между интер­ферируемыми волнами.

В случае сложения двух гармонических колебаний Р₁ и Р₂ одного периода и, следовательно, одной частоты, но с раз­ными амплитудами А₂) и разными начальными фазами соответственно равными ф,, ф₂:

P₁(t) = A₁-sin(<ot + b₁),

Когерентное излучение и интерференция волн

P₂(t) = A₂-sin(co< + ф₂), получится новое гармоническое колебание той же частоты, но с другой амплитудой, обусловленной разностью фаз склады­ваемых колебаний (44), в котором величина х заменена мощ­ностью излучения Р:

А\ =Д²+Л₂² + 2Д А₂ cos(cp,-ф₂). (50)

Подставим в это выражение разность фаз 0° и 180°, по­лучим:

при ф₁ - ф₂ = 0°:

A² = A² + А²₂ + 2А_х-А₂ = (А₁ + Л₂)², А„ = А, + А₂, (51) при ф₁ - ф₂ = 180°:

⁼ А.\ + А²₂- 2А₁-А₂ = (A_t - А₂)², А₁₈₀ = Aj - А₂,

так как cos0° = +1, a cos та = -1.

Это выражение показывает, что квадрат амплитуды складываемых колебаний не равен сумме квадратов амплитуд этих колебаний (т. е. энергия суммы колебаний не равна сум­ме энергий отдельных складываемых колебаний).

Результат сложения зависит от разности фаз исходных колебаний и может принимать любое значение в пределах от нуля до суммы амплитуд складываемых колебаний.

Изобразим сложение гармонических колебаний графиче­ски (рис. 15).

Сложение в пространстве двух или более волн, при кото­ром в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны, называется интерференцией.

Таким образом, для получения полной информации об объекте регистрации, как амплитудной, так и фазовой, не­обходимо облучить его когерентным излучением. Гологра- фическая запись регистрирует информацию об амплитудах

Рис. 15. Результаты сложения когерентных волн при разности фаз: а) — 0; б) — я; в) — -к/2; г) — совместная картина

Когерентное излучение и интерференция волн

и фазах отраженного от объекта предметного луча в виде кар­тины его интерференции с опорным пучком. Записанную кар­тину называют голограммой. Чтобы наблюдать объемное изо­бражение, записанное на голограмму необходимо облучить ее лучами, сходными по частоте и фазе с опорным пучком. В результате явления дифракции на кристаллах слоя регене­рируется волновой фронт предметных лучей, и мы «видим» объемный образ записанного объекта.

В точке пространства разность фаз когерентного излуче­ния сохраняется постоянной в течение определенного време­ни dt. За это время волна распространится на расстояние s = = С • dt. При расстоянии большем, чем s, волны некогерент­ны; dt и s — время и длина когерентности.

Время когерентности связано с изменением спектраль­ной полосы частот выражением dt = 1 /dv, тогда длина коге­рентности будет:

(52)

и s =—, в то же время s=C dt и s = —, dX dv

где

v и Я. — частота и длина волны излучения; dX и dv — интервал отклонений длин волн и частоты в пучке когерентного излучения за время когерентности dt. При этом необходимо помнить, что X = СТ = C/v. Если известен интервал отклонений длин в пучке коге­рентного излучения за время когерентности и длина коге­рентности, то можно рассчитать длину волны колебаний ко­герентного излучения:

Технология защиты с помощью голографических элементов

Явление дифракции — физическая основа восстановлен­ного голографического изобржения.

Дифракция волн (лат. diffractus — разломанный, пре­ломленный) в первоначальном узком смысле — огибание препятствий (отверстий, экранов, щелей) с размерами, соиз­меримыми с длиной волны, в современном более широком — любое отклонение при распространении волн от законов гео­метрической оптики. Под дифракцией обычно имеют в виду как нарушение законов геометрической оптики, так и сопро­вождающие их интерференционные явления.

Оптический диапазон электромагнитного поля характе­ризуется очень большими частотами излучения v = 3-10¹⁷ - - 3-10¹¹ Гц и короткими длинами волн X = 1-10~⁹-1-10~³ м (часть, очень маленькая, этого диапазона — видимое излучение, у которого v = 7,9-10¹⁴ - 3,9-10¹⁴ Гц, а к = 3,8-10"⁷-7,б-10 ⁷ м). В определенных областях поля простая геометрическая мо­дель распространения энергии становится неверной. Откло­нения наблюдаются в непосредственной близости к границам тени и в местах, где концентрируется большое число лучей. Подобные отклонения проявляются в появлении темных и светлых линий — дифракционных полос. Теория дифракции занимается главным образом изучением поля в этих особых областях, в которых лежит часть пространства, где образует­ся оптическое изображение. Естественно, такие области пред­ставляют большой практический интерес.

Дифракционные явления упоминаются в работах JI. да Винчи (1452-1519), однако впервые объяснил дифракцию на основе волновой природы излучения и сделал построение вол­новых фронтов Хр. Гюйгенс (1629-1695) в 1690 г. И только в 1818 г. появился прекрасный мемуар Ог. Френеля (1782- 1827), где было объяснено явление дифракции в рамках волно­вой теории и показано, что дифракцию сферических волновых фронтов можно описать с помощью построения Гюйгенса и применения принципа интерференции. Практически одно-

Когерентное излучение и интерференция волн

временно, в 1814 г. дифракцию плоских волновых фронтов (параллельные пучки) описал Йозеф Фраунгофер (1787-1826). Позднее, в 1882 г. Г. Кирхгоф (1824-1887) придал исследова­ниям Френеля строго математическое обоснование, и с этого времени началось широкое изучение дифракции.

Проблемы, возникающие при изучении дифракционных явлений, относятся к наиболее трудным в оптике и их редко удается довести до строгого математического решения. В на­стоящее время найдено строгое решение только нескольких дифракционных задач, относящихся главным образом к дву­мерным структурам. В большинстве случаев, представляю­щих практический интерес, из-за математических трудностей приходится прибегать к приближенным методам оценки вли­яния и феномена дифракции, используя теорию Гюйгенса- Френеля и положения Фраунгофера, которые облегчают ре­шение большинства вопросов, встречающихся в прикладной оптике и при взаимодействии излучения с объектами окру­жающей среды.

Принцип Гюйгенса-Френеля: положение фронта рас­пространяющейся волны может быть в любой момент време­ни представлено огибающей всех вторичных (элементарных) волн. Источниками вторичных волн являются точки, до ко­торых дошел фронт первичной волны в предшествующий мо­мент времени. Принцип справедлив при условии, что длина волны много меньше размеров волнового фронта. Волновой поверхностью, или волновым фронтом, называется геометри­ческое место точек среды, в которых в рассматриваемый мо­мент времени фаза волны имеет одно и то же значение. Урав­нение семейства волновых поверхностей: cof + ф = const.

Результат интерференции вторичных элементарных волн зависит от направления. Мощность вторичных волн макси­мальна в направлении нормали к фронту волны и умень­шается с увеличением угла а между этой нормалью и на­правлением, в котором рассматривается действие вторичной

Технология защиты с помощью голографических элементов

волны (было рассмотрено в разделе «Графические элементы защиты»). Вторичные источники волн — фиктивные, и слу­жат только приемом для расчетов интерференции вторич­ных волн путем разбиения фронта первичной волны на зоны Френеля.

Дифракция плоских волновых фронтов называется ди­фракцией Фраунгофера, которую можно считать частным случаем дифракции сферических волновых фронтов. Струк­тура дифракционного поля существенно зависит от расстоя­ния L между излучателем и точкой наблюдения. Дифракция Гюйгенса-Френеля:

L ~ D²fk.

Дифракция по Фраунгоферу L » D²fk. D — характер­ный размер всего излучателя (диаметр отверстия, радиус кри­визны края препятствия, длина решетки и т. п.)

Дифракция Фраунгофера имеет место в случае, когда точка наблюдения находится в плоскости, параллельной пло­скости отверстия, а точка наблюдения и источник излучения достаточно близки оси наблюдения (параксиальные лучи). Дифракционная картина Фраунгофера образуется в фокаль­ной плоскости изображений и может рассматриваться как результат дифракции: вдоль оси параллельного пучка наблю­дается максимум или минимум излучения, а в других точках фокальной плоскости — изображения отверстия с меньшей яркостью. Такие волны (не существуют в рамках геометриче­ской оптики) можно назвать дифрагировавшими волнами.

Более простой случай дифракции Фраунгофера представ­ляется в оптике значительно более важным. В частности, на нем основано действие дифракционной решетки, изобретенной Фраунгофером в 1819 г. Совокупность N периодически рас­положенных щелей в непрозрачном экране называется диф­ракционной решеткой. С увеличением числа щелей мощность главных максимумов растет пропорционально N², а мощность прошедшего излучения увеличивается пропорционально N.

Получение изображения восстановлением волновых фронтов

В результате возникают резкие узкие максимумы, разделен­ные практически темными промежутками. Дифракционная решетка обеспечивает периодическую модуляцию падающей плоской волны по амплитуде или фазе или одновременно по обоим этим параметрам. Так как направления (исключая слу­чай нулевого порядка) зависят от длины волны отраженного (пропущенного) излучения, то, очевидно, что дифракционная решетка разлагает пучок немонохроматического излучения в спектры нескольких порядков. Разрешающая сила дифрак­ционной решетки равна произведению номера порядка т на число штрихов:

Х/Кк = |m|-N,

отсюда

N = Я./(ДА.-|т|).

Например, чтобы разрешить две спектральные линии, расположенные на расстоянии 0,01 нм в друг от друга в мак­симуме чувствительности глаза (А, = 555 нм), необходима диф­ракционная решетка с числом штрихов N = 55 500 штрихов для первого порядка (|ш| = 1) интерференции.

Различают дифракцию на круглом отверстии и круглом экране, на длинной узкой щели и узком экране, на прямо­угольном отверстии и экране, на многих узких щелях (диф­ракционная решетка), а также на многомерных структурах. Особое место при голографировании предмета занимает мно­гомерная нерегулярная структура как запись интерференци­онной картины сложения огромного количества гармониче­ских колебаний.

Получение изображения восстановлением волновых фронтов

Новый метод двухступенчатого получения оптического изображения, как уже отмечалось, создал Д. Габор. На пер­вой ступени получается голографическое изображение. На

Технология защиты с помощью голографических элементов

втором этапе, если полученную пластину с голографическим изображением поместить на место объекта и облучить только когерентной опорной волной, то отраженная или прошедшая сквозь пластину волна будет нести информацию об исходном объекте, которую можно извлечь из фотоизображения опти­ческими способами. Достаточно направить «замещающую» волну, отраженную от голограммы, в оптическую систему, образующую изображение. В качестве оптической системы используется зрительный аппарат человека, который вос­создает изображение на сетчатке глаза и формирует в мозгу объемную форму объекта.

При восстановлении изображения голограмма облучает­ся только когерентным фоном, который осуществляется либо удалением объекта, либо иным способом с сохранением гео­метрии первоначальной схемы. Отраженное или пропущен­ное излучение дифрагирует на мелкой структуре записанной интерференционной картине. В результате интерференции вторичных волновых фронтов воссоздается волновой фронт объекта. Если когерентный фон однороден и имеет достаточ­ную мощность по сравнению с рассеянным излучением, то восстановленная волна оказывается точно такой же, как и первоначальная волна. Следовательно, поместив линзу перед голограммой, облучаемой лишь сильным когерентным фо­ном, можно получить изображение первоначального объекта в сопряженной плоскости с действительным объектом. Такой плоскостью служит сетчатка глаза.

Таким образом, используя когерентное излучение, мож­но восстановить изображение предмета с высокой точностью только по зарегистрированному распределению «интенсив­ности» в фотографической плоской пластине при записи. Успешное применение этого метода не требует, чтобы волно­вой фронт был сферическим или плоским. Необходимо лишь, чтобы геометрическая форма волновых фронтов опорной вол­ны при записи голограммы и используемой при ее восстанов­

ив

Оптическая схема получения голограмм. Их свойства и классификация

лении была одинаковой. Не обязательно также применение того же источника или излучения с теми же длинами волн.

Оптическая схема получения голограмм.

Их свойства и классификация

Любая оптическая схема характеризуется пределом раз­решения: угловым 8_фили линейным 5_Г Предельное разреше­ние телескопа составляет 8_ф = 1,22X/D (D — входной диаметр объектива), микроскопа — = 0,61 X/U (U — числовая апер­тура), голографии — 5_ф = \/а и8, = k/L_n (а — угловая ширина голограммы, L_n — проекция размера голограммы на плоскость, перпендикулярную наблюдателю).

Обычная оптическая (классическая) схема получения го­лограммы в отраженных лучах изображена на рис. 16. Объ­ект записи и фотопластина облучаются когерентным излуче­нием с помощью расширительной системы, полупрозрачного зеркала и обычного зеркала. Предметный и опорный пучки при своем падении на эмульсионный слой интерферируют и создают интерференционную картину как прообраз будущего объемного вида объекта.

Разрешающая способность регистрирующего материала в соответствии с выражением = k/L_n для голографии при А. = 600 нм - 0,6-Ю^-6 м и L_n = 0,6 м должна быть порядка длины волны, т. е. 0,5-1,0 мкм. На практике используют фотопластины с разрешающей способностью не меньше, чем 1000 оптических линий на миллиметр. Это очень большая разрешающая способность, требующая для своей реализации ряда условий: особые характеристики источника излучения, амортизация установки от внешних воздействий по тряске и удару. Особые требования к источнику заключаются в сле­дующем. Во-первых, частота излучения в обоих волновых фронтах (опорном и предметном) должна быть одинаковой,

Рис. 16. Оптическая схема получения голограммы

Рис. 17. Схемы записи трехмерных голограмм в толстых слоях во встречных пучках: а) — облучение через голограмму; б) — облучение через светоделительньш клин; в) — запись голограммы и восстановление изображения по Ю. Денисюку: 1 — оптический квантовый генератор, 2 и 2' — расширитель и конденсор, 3 — пластинка с фотослоем, 4 — объект, 5 — лампа накаливания или любой источник излучения, 6 — голограмма, 7 — мнимое изображение, 8 — глаз наблюдателя

т. е. иметь небольшую ширину спектральной полосы и, соот­ветственно, высокую степень временной когерентности. Во- вторых, поскольку каждая точка объекта представлена на всех частях голограммы, то излучение одной части отражен­ного волнового фронта должно интерферировать с пучком из­лучения от любой другой. Это требует обеспечения простран­ственной когерентности источника излучения.

Другие, более компактные, схемы записи разных голо­грамм показаны на рис. 17, где изображен способ записи во встречных пучках и метод Ю. Денисюка.

Временная когерентность обеспечивается применением одного и того же источника для опорного и предметного пуч­ков — лазера. Пространственная когерентность обеспечива­ется режимом работы лазера в одномодовом режиме. Длина когерентности лазерного излучения определяется формулой

s = C-dt,

где

С — скорость света (скорость электромагнитной волны);

dt — время когерентности излучения, связанное с шири­ной спектральной полосы частот dv выражением dt = dv.

Поэтому длина когерентности

s = C/dv.

Чтобы определить длину когерентности в зависимости от длины волны X, воспользуемся зависимостью vX = С и най­дем абсолютное значение дифференциала dv через dX : dv = d(C/ k) = (С/ X²)-dX. Наконец,

s = C-dv — X²-dX,

где

dX — интервал отклонений длин волн в пучке когерент­ного излучения.

У одномодового гелий-неонового газового лазера (длина волны — 632,8 нм, разброс частот dv = 1 ГГц = 10⁹ Гц) длина

когерентности составляет 0,3 м = 30 см. Длина когерентности определяет максимальную глубину сцены голографического процесса, т. е. общее расстояние от источника до объекта и от объекта до регистрирующей среды (записываемой интерфе­ренционной картины).

Механическая стабильность установки и неподвижность объекта при записи голограммы обуславливаются необходимо­стью фиксации на длительное время интерференционной кар­тины, создаваемой в плоскости схождения объектного и пред­метного пучков. Регистрирующая среда (фотографический материал) высокой разрешающей способности (размер зерна меньше микрометра) обладает небольшой энергетической чувствительностью. Одновременно пространственная плот­ность энергии лазерного излучения в плоскости регистрации сравнительно мала. Время экспонирования при современной голографии достигает нескольких минут, в течение которых объект должен быть неподвижен (портретную голографию ли­ца живого человека в обычных условиях получить до сих пор не удалось). В то же время весь процесс получения скрытого изображения проводится в светлой комнате.

Расстояние между соседними полосами в голографиче- ской интерференционной картине составляет меньше 1 мкм, поэтому сдвиг хотя бы одного элемента на половину этого расстояния (0,5 мкм) вызывает смещение интерференцион­ных линий, и изображение получится «смазанным». В связи с этим при записи голограммы наилучшего качества необхо­димо смещение полос и их деформацию под влиянием меха­нических вибраций или тепловых воздействий свести к ми­нимуму.

Основные свойства голограмм

1. Голограмма внешне не отличается от равномерно за­свеченной, проявленной и отфиксацированной фотопластины.

На ней полностью отсутствуют элементы, хотя бы немного на­поминающие очертания объекта. И, тем не менее, голограмма содержит об объекте информацию гораздо более полную, чем фотография. Информация об амплитуде и фазе предметной волны записана на голограмму в виде мелкомасштабной ин­терференционной картины. В результате при облучении го­лограммы опорной волной с помощью дифракции зрительно восстанавливается копия предметной волны со всеми ампли­тудными и фазовыми подробностями.

2. Голограмма дает позитивное изображение объекта даже при ее копировании. Дело в том, что комплексная ам­плитуда волны, дифрагированная на голограмме, при восста­новлении Е_гол подчиняется уравнению Габора:

Е =Е + уЕ /2 + уЕ_пЕ² /2,

гол. кор. 'О' '0 кор.'

где

Я_кор — амплитуда когерентной волны излучения, кото­рая облучает голограмму в процессе восстановления записан­ного изображения объекта;

Е₀ — амплитуда волны, рассеянной объектом в плоско­сти голограммы во время записи;

у — коэффициент контрастности — тангенс угла наклона характеристической кривой фотографической эмульсии (све­точувствительный слой голограммы).

Знак коэффициента контрастности у — положительный у негативной эмульсии и отрицательный у позитивной (обрати­мой) эмульсии, фиксирует фазу дифрагированной волны с от­ступлением на та. Никакой приемник излучения, в том числе и глаз человека, этой разницы почувствовать не может, и по­этому изображения, восстановленные по двум голограммам, в которых знак у изменен на противоположный, одинаково сходны с оригиналом. Процесс физико-химической обработ­ки эмульсии несущественен для двух восстанавливаемых изо-

Классификация голограмм

бражений. Вместо фотоэмульсии можно использовать любую другую регистрирующую среду со своим коэффициентом кон­траста. По этой причине правые участки объекта на изобра­жении видны правыми, а левые — левыми.

• При записи голограмм излучение от всех точек объ­екта облучает всю поверхность голограммы, поэтому любой участок голограммы способен восстановить все изображение объекта. Отсюда вытекает известное свойство голограммы: ее можно разбить на несколько кусков, но каждый из них будет давать записанное изображение. Уменьшение размеров голо­граммы приведет лишь к падению качества восстановленного изображения.

• Голограмма без существенных искажений одновре­менно восстанавливает несколько последовательно зареги­стрированных электромагнитных волн с некогерентным наложением (несколько предметов или несколько состояний одного и того же предмета).

• Полный интервал яркостей, передаваемый фотогра­фической пластиной, не превышает двух-трех порядков при фотографической регистрации. Голограмма, обладая фоку­сирующими свойствами, способна передавать градации яр­кости до пяти-шести порядков той же фотографической эмульсией.

Классификация голограмм

Существуют разные виды голограмм: радужная — ам­плитудная голограмма, или наблюдение цвета; трехмерная — фазовые изменения, или наблюдение объекта в пространстве и объеме; мультиплексная — наблюдение трехмерных объек­тов в динамике изменения их положения; голография в белом свете — рассмотрение голограммы при облучении естествен­ным светом.

В полиграфии наиболее часто используют радужные го­лограммы и редко — фазовые. Радужные голограммы полу­чают отбеливанием проявленной пластины. Пластина дела­ется прозрачной, а записанная информация отображается ре­льефом поверхности и вариациями показателя преломления. Иногда на такую голограмму наносят тонкий слой металла методом напыления. Голограмма на фототермопластике, по­крытая слоем блестящего металла (серебро, алюминий), отра­жает больше 0,75 части падающего на нее потока излучения при пространственной частоте до 1000 лин/мм. Такой метод получения голограмм — один из путей к осуществлению ти­ражирования голографического изображения.

На основе ощущения восстановленного изображения и способа получения голограммы классифицируются следую­щим образом:

• плоские двумерные радужные голограммы, имеющие переливающееся красочное изображение;

• объемные голограммы, состоящие из нескольких пло­ских планов, расположенных на разной глубине и высоте;

• объемные трехмерные голограммы реальных моде­лей;

• стереограммы — объемные изображения, синтезиро­ванные на основе плоских снимков разного ракурса;

• компьютерно-синтезированные голограммы — воз­можность создавать не существующие в реальной жизни объ­екты;

• импульсные голограммы — возможность изобразить, например, падающую каплю воды в ее динамическом паде­нии;

• кинеграммы — новый вид изображения, созданный для плоских объектов, таких как логотипы, рисунки, фото­графии. Картинка в данном случае разбита на отдельные ма­ленькие элементы, каждый из которых по-своему преломляет отраженный свет. Получается яркое переливающееся всеми

Регистрирующие материалы (среды) для изготовления голограи

цветами радуги изображение. Специально разработанная те: ника — электронно-лучевая литография (до 100000 линий в см или 10000 линий на мм), применяемая для изготовлени таких кинеграмм, — делает их невозможными для подделк оптическими методами, даже если использовать всю мощь с< временных физических лабораторий.

Регистрирующие материалы (среды) для изготовления голограмм

Регистрирующим материалом (средой) служит обычны галогенидосеребряный слой, как в фотографическом проце се. Подложкой для голограмм может быть стекло или три цетатная пленка. Основные требования к регистрирующи средам:

• максимальная чувствительность на рабочей дли! волны;

• высокая разрешающая способность.

Полностью указанным требованиям не отвечает ни оде

из известных на сегодняшний день материалов. В больпн мере им соответствуют галогенидосеребряные фотоматери лы, которые пока являются главным регистрирующим сре ством в голографическом производстве. Фотопластины ] этого материала имеют максимальное значение спектральнс чувствительности в спектральных интервалах вблизи длр волн 530, 630, 690 и 840 нм и разрешающую способность < 1000 мм^-1 до 5000 мм^-1. Отражательные голограммы изгота ливаются на особых мелкозернистых эмульсиях типа ПФГ-( и ПФГ-04. Интенсивные современные исследования друп материалов привели к возможности использования фототе мопластиков и магнитных (марганцово-висмутовых) плено которые применяются в инфракрасной голографии, а такя новый светочувствительный материал реоксан.

Технология печати голограмм большими тиражами очень «молода» и применяется для изготовления определен­ных изделий. Впервые она появилась в начале 1990-х годов. Положительной стороной промышленного использования го­лографии является то, что современные голограммы не тре­буют при восстановлении записанного изображения мощного когерентного источника излучения. Полученное голографиче- ское изображение с легкостью наблюдается при естественном или искусственном освещении. Единственный недостаток го- лографических меток и картинок заключается в том, что их использование значительно увеличивает стоимость печатной продукции.

Традиционные материалы для изготовления многоти­ражных голограмм: полипропиленовые и поливинилхлорид- ные пленки толщиной 20-30 мкм. Изготовители голограмм создали ряд новых пленочных материалов для ламинирова­ния, несущих голографическое изображение. В их числе ма­териал Holoflex (ширина — до 1,3 м, толщина — до 100 мкм) фирмы Applied Holographic. Выпускается также голографи- ческая фольга и уже упомянутая пленка Holoflex большей толщины как альтернатива металлизированным материалам. Обозначенные материалы пригодны для флексографической и глубокой печати.

Технологический процесс тиражирования голографического изображения

В технологии изготовления оригинальных голограмм используются последние достижения оптики, микроэлектро­ники, оптоэлектроники, химии и физики различных фото­чувствительных материалов, печатной технологии и т. д. Высокая наукоемкость голографической технологии создает большие трудности при организации серийного производства

Технологический процесс тиражирования голографического изображения

и требует значительных капиталовложений. Тем не менее, эти трудности вполне преодолимы. Конечная голографиче- ская продукция имеет относительно небольшую стоимость, что способствует широкому использованию голограмм и обе­спечивает рентабельность производства в целом.

Распространению фотографии способствовал переход к раздельному негативно-позитивному процессу, позволяющему получать с фотопластинок конечное изображение на бумаге, обладающей диффузным характером рассеяния и обеспечи­вающей комфортные условия наблюдения изображения. Ана­логично в голографии при изготовлении голографических меток отдельно записывается оригинал-голограмма, напри­мер, по схеме Лейта-Упатниекса (рис. 18), а затем произво­дится интерференционное копирование голограмм. В области копирования и массового тиражирования голограмм создать относительно рентабельное производство на сегодня удалось лишь для радужных голограмм и голограмм разного плана. Однако такие голограммы обладают рядом недостатков, не­существенных при использовании их в качестве защиты от подделки. К ним относятся цвет изображения, восстанов­ленного радужной голограммой; зависимость от угла осве­щения голограммы и невозможность отобразить реальную цветовую гамму; серьезные ограничения формата радужных голограмм.

Изобретатель радужных голограмм американскии уче­ный С. Бентон предложил технологию их изготовления, ко­торая позволяет восстанавливать изображение источниками излучения со сплошным спектром. Цвет изображения за­висит от положения глаз наблюдателя и не связан с цветом объекта. Широкое применение радужных голограмм связа­но с возможностью использования для их регистрации све­точувствительных материалов, образующих поверхностный рельеф, что способствует массовому копированию подоб­ных голограмм. Используя достижения науки конца

XX в.,

Рис. 18. Схема записи голограммы по Лейту-Упатниексу

удалось соединить традиционную голографию с цифровой технологией и получить синтезированные компьютерные изображения. Технологический процесс тиражирования тис­ненных радужных голограмм требует большого количества дополнительного оборудования, не имеющего отношения к записи голограммы: гальваническая установка, машина для поливки слоев, приспособление для напыления алюминия на лавсановую пленку, печатное устройство для механического тиснения (рис. 19).

Последовательность операций технологического процес­са получения голограмм-копий путем тиснения следующая:

• формирование голограммной метки;

• регистрация первичной голограммы;

Рис. 19. Блок-схема технологической цепочки изготовления голографических меток

• формирование радужной голограммы;

• нанесение отражающего покрытия на рабочий слой;

• регистрация вторичной голограммной метки на пози­тивном фоторезистивном материале;

• травление;

• изготовление матрицы-копии с травленной вторич­ной голограммы;

• нанесение голограммы на рабочий слой путем кон­тактной деформации (штамповки) матрицы-копии;

• нанесение клеящего покрытия на оборотную сторону метки;

10) нанесение метки на защищаемую полиграфическую продукцию.

На рис. 20 показана схема получения голограммы диффузно-отражающего объекта.

Рис. 20. Схема получения голограммы диффузно-отражающего объекта: и_п . — предметный пучок, и_о — опорный пучок

Пучок лазерного излучения разделяется полупрозрач­ным зеркалом на два взаимно когерентных пучка. С помощью коротковолновых объективов формируются два сферических волновых фронта. В фокусе каждого объектива как бы поме­щается точечный источник излучения, размер которого со­ставляет 10-30 мкм. При этом отсекаются паразитные излу­чения, влияющие на качество интерференционной картины. От облучаемого предметным пучком объекта (Об.) исходит не­сущее информацию поле (и_пр). Оно складывается со сфериче­ским опорным волновым полем (и_о). Возникающее распреде­ление яркостей регистрируется фотографической пластиной.

Технологический процесс тиражирования голографического изображения

После химико-физической обработки пластинки на ней фор­мируется голограмма Н. В дальнейшем при облучении голо­граммы полем и_о, наряду с другими полями, возникает поле, имеющее такие же свойства, как если бы оно непосредственно исходило от не существующего более объекта.

Другой технологический способ получения и нанесения голографических меток на изделие, предложенный россий­скими технологами и широко используемый в практике тира­жирования, представлен на рис. 21. Технологический процесс предусматривает использование следующих вспомогательных и основных блоков: нанесение диэлектрических покрытий, нанесение отражающего покрытия (вакуумное напыление), устройство записи и фиксирования голограмм и перенос го- лографической метки на изделие — штамповка.

Сначала изготавливают оригинал метки, голограмму которой необходимо нанести на защищаемую поверхность бумаги (документа). Он может представлять собой объемную модель (для получения радужной голограммы), либо комби­нацию плоских и объемных компонентов. Облучая оригинал метки когерентным излучением, получают его интерферен­ционное изображение, посредством которого формируют го­лограмму требуемого типа (рис. 22). До формирования голо­граммы на гибкую диэлектрическую подложку (лавсановую ленту) последовательно наносятся разделительный, защитный и рабочий слои. Разделительный слой представляет собой пленочную структуру, способную под воздействием внешних факторов (нагрев, механическое напряжение) изменять свои физические свойства, обеспечивая после переноса голограмм- ной метки на защищаемый документ удаление гибкой осно­вы — подложки. Голограмму фиксируют на специально нане­сенный рабочий слой, в качестве которого используют свето­чувствительный термопластический слой, нанесенный поверх защитного слоя. Последний слой обеспечивает устойчивость метки к механическим и химическим воздействиям.

Рис. 21. Комплексный технологический процесс изготовления голограммных меток

Рис. 22. Оптическая схема тиражирования голограмм

Нанесение на диэлектрическую основу покрытий с раз­личными физико-химическими свойствами обеспечивается последовательным пропусканием гибкой основы через поли­вочные машины.

Формирующие голограмму пучки когерентного излуче­ния вызывают в каждой точке изображения локальные изме­нения упомянутых свойств рабочего слоя, пропорциональные мощности падающего излучения и времени воздействия. Пе­ред формированием голограммы на поверхности слоя форми­руют электростатический заряд. Под воздействием излучения однородное электростатическое поле на поверхности рабочего слоя изменяется. При последующей тепловой обработке воз­никшие под воздействием излучения локальные изменения трансформируются в геометрический рельеф, глубина кото­рого находится в прямой зависимости от локальной энергии падающего излучения, формирующего изображение метки в голограмме.

Прекращение нагрева и застывание рабочего слоя по­зволяет зафиксировать геометрический рельеф. Тем самым получается рельефно-фазовая голограмма, жестко зафикси­рованная на рабочем слое. Рельеф получается без механи­ческого контакта, а только за счет теплового воздействия. Формирование голограммы и фиксацию рельефно-фазовой голограммы осуществляют непосредственно на поверхности каждой отдельно взятой метки. Этот прием позволяет опера­тивно вводить в регистрируемые метки изменения, обеспечи­вающие идентифицируемость (хорошую контролируемость) отдельной метки (например, номер или символ фирмы).

После фиксации голограммы на ее поверхность наносят­ся отражающее и клеящее покрытия. Отражающее покрытие увеличивает потребительские свойства полученной голограм­мы, повышая дифракционную эффективность при восстанов­лении изображения. Вариации коэффициента отражения от одного экземпляра голограммы к другому увеличивают за­щитные свойства метки как дополнительный фактор, затруд­няющий изготовление подделки. Клеящее покрытие наносят после отражающего, обеспечивая закрепление метки в нуж­ном месте защищаемого документа или изделия. Состав клея должен обладать хорошей адгезией к контактируемому мате­риалу и отражающему слою.

Степень защищенности голографического изображения в массовом производстве можно повысить путем помещения между отражающим покрытием и клеящим слоем дополни­тельного маскирующего слоя, выполняемого из материала, по своим свойствам аналогичного рабочему слою. В этом случае рельефно-фазовая голограмма оказывается заключенной вну­три «сэндвич-структуры» — двух идентичных слоев, между которыми помещено рельефное отражающее покрытие из ме­талла. При малой толщине металлического слоя, обладающе­го хорошей адгезией к фототермопластическому материалу, такая структура не позволяет осуществить снятие контакт-

Технологический процесс тиражирования голографического изображения

ных копий физического тиснения без химического разруше­ния одного из слоев (например, растворением).

Наконец по завершении этих операций голографическую метку переносят на поверхность защищаемого изделия с по­мощью штампа с контуром, определяемым геометрией метки. Позиционирование осуществляют посредством прецизионно­го лентопротяжного механизма, в который заправляют изго­товленные метки. Затем метку нагревают до температуры раз­мягчения материала разделительного слоя, что позволяет от­делить гибкую основу — подложку. Теперь голографическая метка надежно зафиксирована на поверхности защищаемого изделия печатной продукции. Копирование голограммы и ее механическое повреждение невозможны, так как сам голо- графический рельеф защищен от механического воздействия двумя диэлектрическими слоями.

В новых технологиях создаются защитные технологиче­ские метки, обладающие повышенной защищенностью от пря­мого копирования путем помещения подслоя с покрытием из пластичного материала, на котором формируется необычный голографический рельеф. Рельеф состоит из чередующихся выступов и канавок, вертикальные оси которых по профилю поперечного сечения расположены под углом к поверхности подслоя.

Фирма Brandtjen&Klude Inc. продемонстрировала пер­вую в мире технологию, разработанную фирмой Nova Viss- ion™, которая позволяет изготавливать и наносить голограм­мы в линию с печатью на машине Klude Forms Press. Прин­ципиальное отличие этой технологии от других способов изготовления голограмм заключается в том, что голограмма изготавливается непосредственно на печатной машине, а не переносится в виде предварительно созданного изображения с фольги-носителя. Используется специальная фольга, которая припрессовывается к запечатываемому полотну с помощью плоского штампа, а затем в этой фольге методом тиснения

формируется голограмма. Устройство для штамповки голо­грамм на фольге состоит из двух секций на общем основании и монтируется между стандартными башнями печатной ма­шины. Его скорость — до 762 см/мин, максимальная ширина штамповки — 381 мм (15").

Необходимо учитывать также, что развитие голографии как раздела оптической науки еще далеко не завершено. Постоянно возникают новые научные результаты, которые позволяют расширять производство по ассортименту и по качеству. Достаточно сказать, что в настоящее время при­ступили к изготовлению цветных голограмм. Перспективное развитие голографии как научной дисциплины состоит из работ, направленных на создание голографического портре­та и объемных ТВ- и киноизображений. Большое внимание уделяется динамической голографии, цветной голографии, а т8.кж6 голографии на бегущих волнах яркости, которые по­зволяют преобразовывать волновые фронта в реальном мас­штабе времени.

В разделах «Прочие способы защиты» и «Технология защиты с помощью голографических элементов» предусмо­трено проведение лабораторно-практической работы на тему «Термохромные, особые печатные и голографические метки для защиты продукции от подделки» с решением задач по ко­герентности излучения и интерференции.

Примеры решения задач и построении технологического процесса нанесения голографических меток. Необходимо об­ратить внимание на размерность применяемых физических величин и, конечно, на дольность и кратность обозначения единиц (табл. 2).

Таблица 2

Приставки для обозначения кратных и дольных единиц

Кратность и дольность	При­ставка	Сокращенное обозначение		Соотношение единиц
		русское	латинское
1012	тера	Т	Т	1 ТОм = 1012 Ом
109	гига	Г	G	1 ГДж = 109 Дж
106	мега	М	М	1 МГц = 106 Гц
103	кило	к	к	1 кА = 103 А
102	гекто	г	h	1 гВт = 102 Вт
101	дека	да	da	1 дал = 10 л
ю-1	деци	Д	d	1 дБ = 101 Б
Ю-2	санти	с	с	1 см = 10 2 м
ю-3	МИЛЛИ	м	m	1 мм = 10 3 м

10б	микро	мк	М	1 мкм = Ю-6 м
Ю-9	нано	н	п	1 нм = Ю-9 м
ю-12	пико	п	Р	1пФ = Ю-12 Ф
ю-15	фемто	ф	f	1фс = 1015 с
ю-18	атто	а	а	1 аг = 1018 г

Примечание: рекомендуется пользоваться степенной функцией от числа 10, но иногда это не принято (гигаджоуль, мегагерц, килограмм, де­цибел, нанометр, пикофарада, фемтосекунда и пр.).

Задача № 8.

Время когерентности составляет dt = 300 пс.

Чему равна длина когерентности s одномодового твердо­тельного лазера?

Решение задачи № 8.

Дано	Теоретический материал
dt = 300 ПС	s = C-dt, С = 3-Ю8 м/с
Найти	Математические вычисления
s — ?	300 пс = 300-Ю-12 с = 3-Ю10 с, s = 3-108-3-1010 = 9-Ю-2 м = 90 мм. Ответ: длина когерентности лазерного излуче­ния равна 90 мм

Задача № 9

В монохроматическом излучении заданная длина коге­рентности выполняется при изменении частоты dv на 2,5 ГГц и длины волны излучения dX на 1 пм (1-10"³нм).

Найти длину волны излучения. Решение задачи № 8.

Дано	Теоретический материал
dv =2,5 ГГц, d'k = 3 пм	С dh v = с/К dv = d (С/ X) = C-d (1/ X) = -у-, А, Ic d'K А,2 = C-dX/dv (по абсолютному значению), Х = — V dv
Найти	Математические вычисления
А, — ? нм	2,5 ГГц = 2,5-Ю9 Гц, 3 пм = 3-1012м, С = 3-108м/с, , 3-Ю8 -310"'2 9-Ю"4 /ттт^тг ^• = 41 5 =4, 3" = -ч/3,6-10 = V 2,5-10 У 2,5-10 v = V36 ■ 10 14 = 6 • 10~7 м = 600 - 10"9м = бООнм. Ответ: длина волны излучения лазера составила 600 нм

Анализ существующих способов защиты печатной продукции от подделки

Все виды защиты можно свести в одну схему (рис. 23). Приведем результаты анализа всех рассмотренных нами видов защитных технологий с точки зрения трудоемко­сти технологического процесса, простоты контроля на под­линность и степени надежности применяемой защиты от из­готовления фальсификата (табл. 3).

При рассмотрении приведенных данных обращает на себя внимание, что наиболее надежными способами защи­ты печатной продукции от подделки являются специальные виды печати (орловская, ирисовая и металлографическая) и нанесение голографических меток. Трудоемкость обоих тех­нологических процессов достаточна велика. Однако техноло­гические приемы специальных видов печати более близки к полиграфическому производству, чем получение оптического голографического изображения и дальнейшее его тиражиро­вание при массовом производстве. В последнем случае требу­ется дополнительное оборудование, не связанное с печатной техникой, и серьезное, фундаментальное научное сопровож­дение технологических операций.

Рис. 23. Сводная схема современных защит

Таблица 3

Эффективность различных существующих способов защиты ценной продукции

Способ защиты	Трудоемкость процесса	Контроль	Обязательность способа	Степень надежности
Графические элементы защиты	Усложненный полиграфиче­ский процесс	Простой оптический	Да	Невысокая, развитие компьютеров
Свойства бумаги	Дополнитель­ные операции по изготовлению	Специальная лаборатория	Да	Высокая
Свойства расходных материалов	Средняя	Специальная техника, профессионализм	Да	Ограниченный период действия
Специальные виды печати	Большая	Простой визуаль­ный	Да	Высокая
Прочие способы защиты	Малая	Простой визуаль­ный	Нет	Низкая
Голографичес- кие защитные метки	Очень большая	Простой визуаль­ный, специфика распознавания	Да, в современных условиях	Очень высокая

Стоимость изготовления и размещения на продукте голо- граммных меток превышает затраты на реализацию специаль­ных способов печати и во много раз превышает другие виды технологической защиты. Тем не менее специальные виды пе­чати давно являются обязательными элементами защиты со­вместно с другими способами, а использование голографии в защитных технологиях с 2005 г. также становится непремен­ным атрибутом охраны действительной печатной продукции от продукции контрафактной. В массовом производстве при больших тиражах себестоимость изготовления голограммных меток и специальных видов печати становится соизмерима, и она относительно невелика по номинальному значению. Огромным достоинством указанных способов технологии за­щиты является невозможность изготовления фальсификата, идентичного оригиналу.

Стоимость изготовления и размещения на продукте голо- граммных меток превышает затраты на реализацию специаль­ных способов печати и во много раз превышает другие виды технологической защиты. Тем не менее специальные виды пе­чати давно являются обязательными элементами защиты со­вместно с другими способами, а использование голографии в защитных технологиях с 2005 г. также становится непремен­ным атрибутом охраны действительной печатной продукции от продукции контрафактной. В массовом производстве при больших тиражах себестоимость изготовления голограммных меток и специальных видов печати становится соизмерима, и она относительно невелика по номинальному значению. Огромным достоинством указанных способов технологии за­щиты является невозможность изготовления фальсификата, идентичного оригиналу.

Приборные средства и методы контроля печатной продукции на подлинность

В последнее время на территории Российской Федерации отмечается рост в наличном обращении поддельных банкнот Банка России, имеющих очень высокую степень соответствия настоящим банкнотам, особенно достоинством 500, 1000 и 5000 рублей. В конце 2005 г. ОАО «Промышленно-строительный банк», желая помочь участникам денежных расчетов, особенно при возникновении проблем при сдаче в филиалы банка налич­ной денежной выручки, проинформировал своих пользовате­лей о технических средствах контроля, позволяющих прове­рять банкноты Банка России на подлинность. Рабочие места в пунктах обращения бумажных денежных знаков можно осна­стить универсальными детекторами подлинности, например, детекторами марок ДВИ-01, Ультрамаг-225СЛ, ДОРС-140ЛМ и другими приборами (табл. 4), включающими в себя отдельные оптические блоки, предназначенные для определения наличия элементов защиты:

• увеличительное стекло больше, чем с 10-кратным уве­личением;

• прибор контроля подлинности банкнот в отраженном и проходящем свете;

• источник ультрафиолетового излучения;

• прибор для визуального контроля магнитных меток банкнот;

• линейка измерительная;

• прибор для визуального контроля меток, обнаружи­ваемых в инфракрасных лучах.

В дополнение к перечисленным приборам узкого назна­чения для визуальной проверки банкнот разного достоинства, особенно номинала 500, 1000 и 5000 рублей, можно использо­вать современные просмотровые детекторы ДОРС-1ЮО с элек­тронной лупой (ДОРС-1010) и ИШ-1200 с мышью-камерой (МС-1202). Оба прибора предназначены для визуальной про­верки подлинности банкнот путем обнаружения ИК-меток — участков банкнот, выполненных метамерными красками.

Инфракрасные метки легко визуализируются. Детекторы обеспечивают быстрое и надежное определение фальсифици­рованных банкнот, в том числе разложенных веером при лю­бом освещении. Специальная электронная лупа и электрон­ная мышь-камера позволяют рассматривать банкноту при 10- кратном увеличении.

Таблица 4

Средства проверки подлинности документов

Название	Технические характеристики		Использование
Лупа Peak	22-кратное уве­личение, пятно 10 мм		Обнаружение подчисток, чтение микротекста, проверка каче­ства элементов. Оперативная про­верка
Детектор подлинно­сти PRO-1500 IRPM	ИК — 10 Вт; УФ — 4 Вт; Ист. D65 - 2 Вт; Р = 20 Вт; 1,25 кг; 152x260x180 мм; «Мышь»: пита­ние от прибора и автономно		Обнаруживает инфракрасные, магнитные, и люминесцентные метки на просвет. Магнитный датчик со звуковым оповещени­ем. Источник £>6. для водяных знаков, исправлений, цветных линий, микропечать. Выносная «мышь» с 10-кратным увеличе­нием и подсветкой: четкость ри­сунка, антисканерная сетка, на­личие волокон
Детектор подлинно­сти «Ультра- маг — С6ВМ»	УФ — 2x6 Вт; 10-кратное уве­личение; формат А4; 314x208x260 мм; 2,5 кг		Определение подлинности банк­нот, документов, марок. Все основные визуальные и ма­шиночитаемые признаки защи­щенности. Криминалистика, бан­ки. Дополнительно подключают­ся прибор косопадающего света, магнитооптическая видеокамера,
			цветная видеолупа с 20-кратным
			увеличением, спектральная ви­
			деокамера — видеомышь, про-
			светный стол. На экране дисплея
			контролируют скрытые инфра­
			красные и магнитные метки, гра­
			фику, подчистки, метамеризм
Эксперт­		Подключается к	Анализ защитных признаков и
ный при­		С6ВМ;	оттисков штампов, выявление
бор		УФ (от 375 нм);	замаскированных надписей, из­
« Видео­		видимое	менений, внесенных дорисовкой,
мышь		и ИК-излучение	подчисткой, смыванием, травле­
Ультра-		(до 960 нм);	нием. Перемещение диффузной,
маг —		интерфейс	косопадающей и направленной
А37 »		программного	подсветки по шкале спектра, из­
		обеспечения.	менение ее мощности. Работа
		СД-источник и	регулируется клавишами и ко­
		косой.	лесиком «мыши». Контроль на
		Обзор 18x14 мм	дисплее с правильным образцом,
			изменение масштаба. Недоста­
			ток — черно-белое изображение
Сканер		Формат A3,	Получение цветного изображения
план­		разрешение	всего документа. Увеличение на
шетный		1800x3600 dpi.	дисплее больше, чем оптическое.
Mustek		Возможность	Проверка гильоширных эле­
Paragon		работы с про­	ментов, микротекста, штампов,
3600 A3		зрачными бума­	скрытых надписей (химическая
Pro		гами	обработка). Прибор не оператив­
			ный — длительное время конт­
			роля

Определение квантового выхода люминофоров

Квантовый выход люминесценции является основной ко­личественной характеристикой люминесценции. Знание раз­мера этой величины существенно и с физической точки зрения при экспериментальных исследованиях самого механизма лю­минесценции, и с точки зрения технологической, как важный параметр выбора красителя для создания люминофора.

Существуют четыре метода измерения квантового выхо­да люминесценции:

• прямые оптические измерения;

• расчеты по световой отдаче люминесценции, согласно (31), (32);

• сравнение с люминофором, квантовый выход которо­го известен;

• колориметрические (тепловые) измерения.

Прямой оптический метод заключается в том, что непо­средственно измеряют энергию возбуждения, энергию люми­несценции и рассчитывают квантовый выход с учетом длин волн возбуждения и люминесценции по (26). Поскольку этот метод представляется наиболее достоверным, он будет рас­смотрен подробнее.

Расчет квантового выхода по световой эффективности люминесценции К_л осуществляют путем сравнения действи­тельной отдачи люминесценции (30) с предельно возможной (31). Очевидным достоинством этого метода является про­стота, а недостатком — невысокая точность получаемых ре­зультатов. Определение доли мощности возбуждающего излу­чения в узком интервале длин волн (ДА.) само по себе требует тщательных измерений с большой погрешностью, так как не­возможно учесть вклады излучения в других спектральных интервалах.

В методе сравнения в качестве эталона используется, как правило, вольфрамат магния, который имеет стабильный

Определение квантового выхода люминофоров

квантовый выход, не зависящий от активатора. Определение относительных значений яркости люминесцентного излуче­ния и спектральных характеристик сравниваемых люмино­форов в принципе может проводиться с удовлетворительной точностью, но погрешность суммарного результата полностью зависит от принятого значения квантового выхода эталонно­го материала. Поэтому этот метод наследует имеющиеся по­грешности других методов.

Колориметрический метод измерения квантового выхода отличается оригинальностью и в основном используется для определения значения квантового выхода флуоресцирующих растворов. С помощью системы чувствительных термопар из­меряется нагревание, производимое поглощаемым излуче­нием в флуоресцирующем и нефлуоресцирующем растворе. Определение квантового выхода основано на том, что вся по­глощенная энергия переходит в тепло, а нагревание флуорес­цирующего раствора происходит только за счет той части по­глощенной энергии, которая не излучается в виде люминес­ценции. Таким образом, поглощенная энергия определялась по нагреванию растворов, а излученная энергия — по разно­сти нагревов двух растворов. Недостатки колориметрическо­го метода связаны со сравнительно малой чувствительностью термоэлектрических приемников, которая требует примене­ния мощного источника возбуждения и тонкой сверхчувстви­тельной измерительной аппаратуры. Кроме того, для дости­жения стационарного теплового режима измерительной опе­рации необходимо значительное время.

Прямой оптический метод измерения квантового выхо­да можно подразделить на две методики выполнения изме­рений. В одной их них возбуждающее излучение измеряет­ся в абсолютных энергетических единицах (Вт), а излучение люминесценции — в абсолютных световых единицах (лм). Такой методике присуща заметная погрешность измерений, обусловленная разноспектральной фотометрией, не учитыва-

ющей долю рассеянного излучения. Мощность возбуждающе­го монохроматического излучения, выходящая из монохро- матора, измеряется фотоприемным устройством, проградуи- рованным в А/Вт; излучение люминесценции регистрируется фотоумножителем с корригирующим светофильтром, програ- дуированным в А/лм. Причем спектральное распределение спектральной плотности люминесцентного излучения опреде­ляется с помощью спектрофотометра.

Наиболее надежной и точной представляется другая ме­тодика измерения квантового выхода. Она заключается в том, что возбуждающее излучение и излучение люминесценции измеряются в одних и тех же относительных единицах одним и тем же приемником излучения. Измерение спектрального распределения излучения люминесценции также измеряет­ся с помощью спектрофотометра. В качестве приемника как возбуждающего излучения, так и излучения люминесцен­ции, используют люминесцентный приемник: перед входным окном фотоумножителя с мультищелочным фотокатодом устанавливают люминесцирующее вещество, выход которого постоянен в пределах области спектра, охватываемой этими излучениями. Использование люминесцентного приемника необязательно, достаточно знать и учитывать спектральную чувствительность применяемого приемника излучения.

Энергетический выход люминесценции г|_эн легко рассчи­тывается по полученному значению квантового выхода и из­вестным значениям длин волн возбуждающего излучения Х_в и излучения люминесценции А,_л по (28).

ri = г| • А, / X .

•эн. ¹кв. в' л

Общей чертой всех рассмотренных методов является то, что они достаточно сложны и трудоемки и поэтому использу­ются в экспертных лабораториях или при технологических опе­рациях подбора состава люминофора. Между тем квантовый

Определение квантового выхода люминофоров

выход является не только физической характеристикой лю­минофора, но и контролируемым техническим параметром, который зависит от технологии изготовления и может ме­няться от партии к партии.

Далее приведена оптическая схема простого устройства для быстрого измерения выхода (рис. 24) как в защитных тех­нологиях, так и для других целей (экраны телевизоров, газо­разрядные дисплеи, изготовление люминесцентных ламп). Прибор обеспечивает хорошую точность измерений.

Излучение от ультрафиолетовой лампы 5 поочередно направляется на исследуемый образец и на фотоприемное устройство 8 с корригирующим светофильтром 9, приводя­щим относительную спектральную чувствительность прием­ника к относительной спектральной световой эффективности V(X) (относительная спектральная чувствительность глаза че­ловека). Изменение направления падающего излучения осу­ществляется поворотом непрозрачного кожуха 6, открываю­щего отверстия в сторону облучаемого объекта. Газоразряд­ная УФ лампа представляет собой цилиндрическую трубку с одинаковым излучением поперек цилиндрической поверх­ности. При измерении мощности возбуждающего излучения (излучение направлено на приемник) используется фильтр 7, отрезающий видимое излучение. При измерении излучения люминесценции (отверстие в кожухе повернуто в сторону из­меряемого образца) используется стеклянный светофильтр 4, который позволяет исключить влияние рассеянного излуче­ния на значение измеряемой люминесценции. Это излучение небольшое по сравнению с тепловым и возбуждающим излу­чением, поэтому в схеме предусмотрена кварцевая линза 10, которая собирает излучение от образца в большем телесном угле и проецирует его на поверхности чувствительного эле­мента приемника.

Основание прибора 3 имеет антибликовую диафрагму (на рисунке показано в виде конусного отверстия), диаметр

Рис. 24. Схема измерения квантового выхода люминофоров: 1 — кювета с люминофором или образец измеряемой накраски; 2 — поворотный барабан; 3 — основание прибора; 4 — фильтр для учета влияния люминесценции образца;

• — ультрафиолетовый источник излучения;

• — отверстие в поворотном кожухе лампы;

7 — фильтр из стекла УФС-1 или УФС-5 для уменьшения влияния видимого излучения; 8 — фотоприемник, чувствительный в УФ и в видимом диапазоне спектра; 9 — корригирующий светофильтр; 10 — кварцевая линза

Интегральный дистанционный колориметр для точного распознания подлинника...

которой можно изменять. Под это отверстие поочередно по­мещаются измеряемые образцы люминофоров (больше десяти экземпляров) в поворотном барабане 2, вращающемся вокруг вертикальной оси. Значения квантового выхода люминесцен­ции некоторых веществ при возбуждении их излучением ре­зонансной линией ртути X = 253,7 нм приблизительно такие: вольфрамат магния, г|_кв = 0,93; силикат цинка, активирован­ный марганцем — 0,85; цинк бериллий силикат, активиро­ванный марганцем — 0,78; галофосфаты кальция, активиро­ванные сурьмой — 0,79-0,95; силикат кальция, активиро­ванный свинцом — 0,81 (по данным М. И. Эпштейна).