Автореферат (Методы и оптико-электронные приборы для контроля качества защитных голограмм)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. В настоящее время для защитыпродукции и документов от подделки во всем мире широко используются защитныеголограммы (ЗГ), представляющие собой рельефно-фазовые голограммы,выполненные на тонкопленочном полимерном носителе. ЗГ формируют приестественном или искусственном освещении голографические изображения сособыми оптическими эффектами объёмности, движения, изменения цвета и др.

Изза сложности и несовершенства современного уровня технологии изготовления ЗГпараметры профиля дифракционных решёток (ДР) реальных ЗГ в той или инойстепени отличаются от расчётных значений. Это приводит к снижению качестваизображений, формируемых голограммами, и, как следствие, к снижению защитныхсвойств ЗГ. Тиражи защитных голограмм достигают сотен тысяч и миллионов штук,поэтому контроль качества изготавливаемых ЗГ является важной техникоэкономической задачей.На отечественных предприятиях контроль качества ЗГ осуществляется наоснове экспертных оценок. Результаты такого контроля являются субъективными ине могут считаться достоверными. В настоящее время не определены критерии,позволяющие оценить качество изготавливаемых ЗГ.

Для осуществленияобъективного контроля необходимо ввести критерий, позволяющий оцениватькачество путём сравнения значений геометрических параметров профилядифракционных решёток контролируемой и эталонной защитных голограмм.Такими параметрами являются глубина и пространственный период профиля ДР.Значительный вклад в исследование и разработку методов контроля ЗГ внеслирусские учёные, в том числе Бессмельцев В.П., Одиноков С.Б., Полещук А.Г.,Сойфер В.А. Среди зарубежных учёных следует отметить Беляцкого М.А., Yeh S.I.,Renesse R.I., Yamasaki M., Vu T.V.Существуют объективные и субъективные методы контроля ЗГ, основанныена прямых и косвенных измерениях параметров профиля дифракционных решётокЗГ.

Известные методы и аппаратура в основном предназначены для контроляподлинности, но не качества изготавливаемых защитных голограмм. Постановказадач контроля подлинности и контроля качества отличается.Известные методы контроля ЗГ на основе прямых измерений геометрическихпараметров профиля ДР с помощью атомно-силовых микроскопов являютсятрудоёмкими, что недопустимо в технологическом процессе производства ЗГ. Внастоящее время не разработаны методы для осуществления оперативного контроляуказанных параметров формы профиля ДР ЗГ. Поэтому остаётся потребность вметодах оперативного контроля качества ЗГ, а также в специализированнойаппаратуре, реализующей данные методы.Из изложенного выше следует, что тема диссертации, посвящённая разработкеметодов и оптико-электронных приборов для контроля качества защитныхголограмм, является актуальной.1Целью диссертационной работы является разработка методов контролякачества защитных голограмм и оптико-электронных приборов, предназначенныхдля реализации оперативного контроля качества.Для достижения цели диссертации поставлены и решены следующие задачи:- предложен критерий принятия решения о качестве защитных голограмм (ЗГ);- исследована зависимость пространственного распределения интенсивности вглавных максимумах дифракционной картины от геометрических параметровпрофиля дифракционных решёток и параметров поля случайных искажений этогопрофиля;- разработаны методы, позволяющие осуществлять автоматизированныйконтроль качества мастер-матриц, рабочих матриц и серийных образцов ЗГ;- разработаныпринципыдействияоптико-электронныхприборов,предназначенных для контроля качества ЗГ при их изготовлении, и методикапроектирования таких приборов;- справедливостьосновныхтеоретическихположенийдиссертацииподтверждена экспериментальными исследованиями на макетном образце оптикоэлектронного прибора контроля качества ЗГ.Методы исследованийДля решения поставленных задач использовались методы скалярной теориидифракции, цифровой обработки изображений, теории случайных процессов иполей.Научная новизна работы заключается в следующем:- предложен критерий принятия решения о качестве ЗГ на основе сравнениязначений параметров профиля дифракционных решёток контролируемого иэталонного образцов ЗГ;- впервые выведены аналитические выражения, устанавливающие связь междупространственным распределением интенсивности в главных максимумахдифракционной картины с параметрами поля случайных искажений профиля ДР;- разработан метод контроля качества защитных голограмм на основекосвенных измерений пространственного периода и глубины профилядифракционных решёток по распределению интенсивности в главных максимумахдифракционной картины;- предложена методика объективного контроля качества защитных голограмм,которая базируется на прямых и косвенных измерениях параметров профилядифракционных решёток и предназначена для контроля качества защитныхголограмм на всех стадиях технологического процесса их изготовления, включаяизготовление мастер-матриц, рабочих матриц и серийных образцов защитныхголограмм.Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, чторазработанные методы контроля качества защитных голограмм и оптикоэлектронные приборы, реализованные по предложенным оригинальнымфункциональным схемам, позволяют обеспечить оперативность контроля качествазащитных голограмм и снизить потери от брака при их серийном производстве напредприятиях АО «Гознак», АО «НПО «Криптен», ФГУП «НТЦ «Атлас»,ООО «ХолоГрэйт» и др.2Положения, выносимые на защиту:• метод оперативного контроля качества защитных голограмм на основекосвенных измерений позволяет определять пространственный период и глубинупрофиля дифракционных решёток защитных голограмм с погрешностями, непревышающими нескольких нанометров;• методика контроля качества защитных голограмм, основанная на прямых икосвенных измерениях параметров профиля дифракционных решёток, позволяетконтролировать их качество при изготовлении;• полученные аналитические выражения устанавливают связь междупространственным распределением интенсивности в главных максимумахдифракционной картины и параметрами поля случайных искажений профилядифракционных решёток.Достоверностьвыводовдиссертационнойработыобеспечиваетсясогласованностью теоретических положений и результатов экспериментальныхисследований.Апробация результатов.

Основные результаты диссертационной работыдоложены на 6 международных конференциях: SPIE Optics + Optoelectronics (Прага,Чехия, 2013), 3-ей и 4-ей Международных конференциях по фотонике иинформационнойоптике(НИЯУМИФИ,Москва,2014,2015),10th International Symposium on Display Holography (Санкт-Петербург, 2015),12-ой и 13-ой Международных конференциях «ГОЛОЭКСПО» (Казань, 2015;Ярославль, 2016).Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работывнедрены на АО «Гознак», получен акт о внедрении.Публикации результатов. Основные результаты диссертационной работыизложены в 14 публикациях общим объёмом 4,1 п.л., в том числе в 5 статьях,опубликованных в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёхглав, заключения и списка литературы.

Она изложена на 163 страницахмашинописного текста, содержит 78 рисунков и 21 таблицу, список литературывключает 51 библиографическое описание.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы цель и задачи работы, раскрыта ее научная новизна и практическаяценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.В первой главе на основе обзора литературных источников в областиконтроля подлинности и качества защитных голограмм (ЗГ) показано, что всеизвестные методы основаны на сравнении контролируемых образцов с эталоном. Нов настоящее время критерий качества ЗГ в литературе не определён.

В диссертациипредложен критерий качества ЗГ, который определяет допустимые отклонениязначений параметров профиля дифракционных решёток контролируемого образцаот значений параметров эталонного образца ЗГ.3На основе анализа известных методов предложена классификация методовконтроля ЗГ по способам измерения параметров и характеристик.

Согласно этойклассификации, различают:- методы контроля качества ЗГ на основе прямых измерений, в том числе,измеренийтопологиипространственногораспределенияэлементарныхдифракционных решёток ЗГ, а также их параметров;- методы контроля качества ЗГ на основе косвенных измерений, позволяютоценить значения параметров профиля ДР ЗГ на основе анализа результатовизмеренияпараметров,характеризующихраспределениеинтенсивностидифракционного поля, возникающего при освещении поверхности ЗГ или еёфрагментов.Методы контроля качества ЗГ на основе прямых измерений позволяютопределить пространственный период, глубину, угловую ориентацию, количествоштрихов рельефа ДР и параметры, характеризующие форму профиля ДР.

Длясравнения с эталоном используют разницу значений параметров контролируемогообразца и эталона. Недостатками этого метода является трудоёмкость процессаизмерений параметров всех ДР, образующих ЗГ.Известные реализации метода контроля на основе косвенных измеренийпозволяют оценить дифракционную эффективность, но из результатов такихизмерений сложно извлечь достоверную информацию о параметрах профиля ДР.При заведомо известной форме профиля рельефа, которую обычно принимаютсинусоидальной с известным периодом, интенсивность главных максимумовдифракционной картины зависит от глубины профиля ДР. Реальная форма профиляДР, как правило, отличается от синусоидальной и имеет искажения, которые носятслучайный характер. Существующие в настоящее время методы контроля на основекосвенных измерений не учитывают этих факторов, являющихся существеннымипри контроле качества изготавливаемых ЗГ.В главе приведён обзор аппаратуры, предназначенной для контроля ЗГ наоснове прямых и косвенных измерений, из которого следует, что существующиеприборы не обеспечивают оперативности контроля качества изготавливаемых ЗГ.На основе результатов, изложенных в первой главе, сформулирована цель изадачи диссертации.Вторая глава посвящена разработке методики контроля качества защитныхголограмм.

В соответствии с поставленной задачей методика контроля ЗГ должнабыть основана на объективных методах и обеспечивать выполнение оперативногоконтроля на всех этапах технологического цикла изготовления ЗГ. Задачамиконтроля качества ЗГ являются:– обнаружение локальных дефектов профиля дифракционных решёток мастерматриц, рабочих матриц и серийных образцов ЗГ;– анализ дефектов профиля ДР для принятия решения о годности ЗГ, а такжевыявление уникальных особенностей геометрических параметров профиля;– выборочный контроль фрагментов ЗГ по параметрам профиля ДР.Профиль ДР ЗГ характеризуется такими параметрами как пространственныйпериод T0 , глубина d , угловая ориентация ϕ , N − количество штрихов, так и формапрофиля.

Для обоснования метода контроля качества ЗГ на основе косвенных4измерений в работе проведено исследование влияния перечисленных параметровпрофиля ДР на пространственное распределение интенсивности в главныхмаксимумах дифракционной картины.Известны математические выражения, описывающие в рамках скалярнойтеории явление дифракции на отражающей фазовой дифракционной решётке ссинусоидальным профилем.