Голограмма  Френеля 

В 1961 году Э.Лейт и Ю.Упатниекс предложили двухлучевую схему голографирования (иначе её называют схемой голографирования с опорным пучком). В этой схеме регистрируемый предмет освещается отдельным когерентным пучком света. Свет, рассеянный объектом, интерферирует на фотопластинке с опорной волной. Совокупность точек объекта, рассеивающих свет можно рассматривать как совокупность точечных объектов, излучающих сферические волны. В результате в плоскости фотопластинки регистрируется распределение волнового поля в виде, на первый взгляд, беспорядочного распределения светлых и темных областей, которое на самом деле является результатом сложения индивидуальных зонных решеток. При восстановлении волны все эти зонные решётки интерферируют независимо: каждая восстанавливает свою точку предмета на том самом месте, где она была при записи голограммы. Если точка более яркая, то соответствующая ей решётка будет более контрастной и при восстановлении она даёт более яркую точку изображения. Поэтому при восстановлении такой голограммы с помощью опорной волны мы, как и в случае голограммы сферической волны, будем наблюдать мнимое и истинное изображение объекта. В качестве объекта для съемок могут использоваться любые предметы – прозрачные и непрозрачные, живые и мертвые. Однако голограммы Френеля восстанавливают объект только при освещении их монохроматическим светом лазера. Это обстоятельство препятствует их широкому применению для потребительских целей, в том числе в качестве защитных голограмм. Как правило, голограммы Френеля используют в качестве промежуточных оригиналов для интерференционного копирования. 
На примере голограммы Френеля можно сформулировать ее основные свойства.

• Каждый отдельный участок голограммы несет информацию обо всем объекте. Это связано с тем, что любой участок зонной решетки восстанавливает изображение точки. Естественно, что уменьшение площади участка голограммы, восстанавливающей объект, ведет к ухудшению качества изображения (появление зернистости изображения)
• Негативный и позитивный отпечаток голограммы всегда дают позитивное изображение. Это следует из того, что регистрируется интерференционная картина, являющаяся совокупностью светлых и темных областей, и она же впоследствии используется для восстановления изображения.
• Голограмма восстанавливает стереоскопическое изображение объекта, поскольку более далекие точки объекта восстанавливаются дальше. Параллакс голограммы позволяет наблюдать объект под разными углами.

Возможно наложение  на одну и ту же пластинку голограмм разных объектов или частей объекта, которые при восстановлении будут образовывать независимые изображения. 
 
 
 

Запись  голограмм методом  Бентона

Этот метод, предложенный С. Бентоном в 1969 г., позволяет  создавать голограммы, восстанавливаемые  белым светом и, что не менее важно, эти голограммы могут быть легко  механически размножены в любых требуемых количествах. Схема метода приведена на рисунке. 
На первом этапе записывается голограмма Френеля объекта методом, рассмотренным выше. В принципе достаточно записать голограмму в виде полосы. На втором этапе голограмму освещают расходящимся светом через цилиндрическую щель S и фоточувствительную среду одновременно экспонируют плоской опорной волной. В результате получается голограмма, обладающая специфическими свойствами, обусловленными двухступенчатостью процесса ее записи. С одной стороны она восстанавливает изображение объекта, записанное на стадии, но из-за наличия второй ступени это изображение восстанавливается только в плоскости щели. Глаза наблюдателя видят изображение, восстановленное светом определенной длины волны. Это изображение обладает горизонтальным параллаксом – при повороте голограммы объект также можно рассматривать с разных сторон. При повороте голограммы в вертикальном направлении параллакс изображения отсутствует, но изменяются условия дифракции, и в глаза наблюдателя попадает свет с другой длиной волны. Таким образом, при повороте голограммы в вертикальном направлении последовательно меняется цвет изображения, и поэтому такие голограммы называют радужными. Радужная голограмма может быть восстановлена как в прошедшем, так и в отраженном свете. Для регистрации изображений обычно используют материалы, которые называют фоторезистами. Традиционно эти материалы используют в фотолитографических процессах при производстве микросхем и в полиграфии для производства печатных форм. Применяя фоторезист в качестве фоточувствительной среды, можно зарегистрировать голограмму в виде модуляции рельефа. Именно таким образом, как правило, регистрируют голограммы Бентона. Если голограмма зарегистрирована в виде модуляции рельефа, то, как мы увидим ниже, она может быть легко размножена в любых тиражах.  
Для усиления яркости изображения на поверхность рельефной структуры наносят тонкий отражательный слой алюминия.  
 
 

Цифровые методы записи голограмм

Каждый микроскопический участок поверхности голограммы представляет собой дифракционную  решетку в виде чередования светлых  и темных полос. Эта совокупность может быть получена не только путем  съемки реального объекта, но и путем синтеза из отдельных элементов. Под цифровыми методами синтеза (записи) голограмм обычно понимают такие методы записи, при которых голограмма записывается из отдельных элементов по предварительно заданной программе. Цифровая голограмма может состоять как из отдельных элементарных голограмм (обычно плоских дифракционных решеток), так и из отдельных элементов (штрихов). Цифровые голограммы сегодня – это практически только рельефные голограммы, записываемые, как правило, на слоях фоторезиста. Это обстоятельство вызвано отсутствием подходящих средств и материалов для цифровой записи трехмерных голограмм.  
Синтез голограммного изображения осуществляется путем решения задачи, каково должно быть чередование полос для того, чтобы при его восстановлении получить требуемое изображение. Современное программное обеспечение позволяет рассчитать дифракционную структуру, при восстановлении которой может быть получено даже трехмерное изображение объекта.  
 
 
 
 
 
 

«Дот  матрикс» (Dot Matrix) –  технология

Этот метод  записи дифракционных оптических элементов, видимо, наиболее близок к полиграфическим технологиям. Дело в том, что по своей сути он очень напоминает цветную струйную печать. С рассмотрения этой аналогии и начнем. Изображение, выполненное методом струйной печати, выглядит как растр, набранный пикселями разного цвета. В этом растре каждый пиксель имеет собственные координаты по оси « X » и по оси « Y ». Кроме этих двух степеней свободы каждый пиксель имеет цвет. Таким образом, на каждый из пикселей приходится по три степени свободы. Теперь рассмотрим, по тем же критериям, устройство «дот матрикс» голограммы. В данном случае, каждый пиксель представляет собой дифракционную решетку определенной пространственной частоты. Каждая из этих решеток также как и в случае струйной печати обладает координатами «Х» и « Y ». Пространственная частота дифракционной решетки, определяет цвет, под которым этот пиксель будет виден наблюдателю. Здесь сходство со струйной печатью заканчивается, поскольку существует еще одна степень свободы, которая заключается в возможности поворота направления штрихов решетки. Именно это обстоятельство, оптическая анизотропия, позволяет создавать объемные изображения и изображения с динамическими эффектами. Необходимо сказать о разрешающей способности этого метода. Здесь применяют понятную полиграфистам единицу измерения dpi . Стандартными для этого метода являются разрешения от 100 до 1300 dpi . Столь внушительный разброс значений определяется задачами, для решения которых изготавливают изображение. Для декоративных изделий достаточно применять изображения, созданные с применением низкого разрешения, и, соответственно, большего диаметра пикселя. Для голограмм защитного характера применяют максимальные разрешения и минимальные размеры пикселей. С этой целью в последние годы созданы приборы, позволяющие достигать разрешения в 4000 dpi . Дот матрикс технология как метод синтеза голографических изображений получила большее распространение по сравнению с электронно-лучевой записью в силу относительной простоты, дешевизны, и надежности оборудования, а также в силу более высокой скорости записи. Дело в том, что в отличие от электронного литографа, который «вычерчивает» лучом каждый штрих каждой элементарной дифракционной решетки, приборы «дот мэтрикс» записывают эту ячейку изображения – целиком. Стоит, в заключение, отметить, что цифровые методики записи голограмм появились в тот момент, когда существовала уже голографическая индустрия, выросшая на классических голограммах Бентона. Поэтому, как в электронно-лучевой, так и в «дот мэтрикс» технологии, существуют свои торговые марки такие, как «холо макс», «холо пикс», «спаркл» и т.д. Это не есть какие-то самостоятельные методики. Это лишь разновидности одной технологии с общепринятым англоязычным названием Dot Matrix .  
 
 
 
 
 

Защитные  голограммы и эффекты  в них 

Насколько хорошо конкретная голограмма защищает конкретный объект от подделки, зависит от трех ее свойств. Во-первых, сама по себе голограмма обладает высоким защитными свойствами благодаря тому, что она не может быть изготовлена или скопирована с помощью ни одной из современных полиграфических технологий. На бытовом уровне при контроле подлинности обычный потребитель, как правило, и ограничивается контролем самого факта наличия защитной голограммы на изделии, на котором, как ему известно, она должна быть. Во-вторых, голографическое изображение может быть достаточно сложным, содержать несколько различных элементов с различными дифракционными эффектами, видимыми невооруженным глазом, и одновременно содержать элементы, видимые только при определенных условиях, так называемые скрытые метки. Этот уровень защиты усложняет подделку голограммы, т.к. любая ее имитация с помощью каких-либо доступных материалов с дифракционными эффектами становится очевидной, а полная подделка является слишком трудоемким процессом, требующим специального оборудования и высококвалифицированного персонала. Даже в случае полной подделки при профессиональной экспертизе возможна ее идентификация, т.к. каждый оптический прибор, используемый для записи голограмм, обладает своими индивидуальными не воспроизводимыми характеристиками. Наконец, третий уровень защиты заключается в технологии изготовления голограммы и ее устойчивости к отделению и копированию рельефа.  
По характеру изображения защитные голограммы делятся на три основных класса – двухмерные или плоские (2D ), объемные или трехмерные (3D ) и смешанные (2 D /3 D ).  
2D – голограммы представляют собой голограммы сфокусированных изображений двумерных (плоских) объектов, с видимыми шириной и длиной. Характеризуются яркими цветными восстановленными изображениями, изменяющими свои цвета при повороте голограммы относительно источника света.  
2 D/ЗD – голограммы позволяют восстанавливать одноцветные и цветные объемные изображения трехмерных объектов, располагаемых вблизи плоскости регистрации и характеризуются эффектом разноцветных объемных планов. В голограммах этого типа, по крайней мере, один слой кажется находящимся позади другого. При повороте голограммы относительно источника света наблюдается изменение цвета изображения и взаимное смещение планов. 
3 D - голограммы представляют собой трехмерные изображения объектов, обладающих шириной, длиной и глубиной.

Использование дот-матрикс принтера для изготовления голограмм позволяет вводить в голограмму также элементы, невидимые невооруженным глазом. Поскольку разрешающая способность таких принтеров превышает 1000 dpi , то размер микроэлементов может составлять величину порядка 100 мкм.  
Отдельный элемент защиты голограмм от подделок – так называемая скрытая метка. Как правило, это голограмма, которая восстанавливает некое изображение на определенном расстоянии при определенных условиях ее освещения. Чаще всего для восстановления используют свет лазерного диода, падающего на голограмму под определенным углом, и изображение восстанавливается на экране, помещенном также в определенном месте. Обычно это реализовано в специальных устройствах для считывания скрытых меток. Скрытые метки могут также быть сделаны машинно-считываемыми, чтобы автоматически определять подлинность голограммы с помощью специального устройства. Однако в реальной жизни машинно-считываемые дифракционные метки практически не используются in situ , поскольку при этом предъявляются слишком высокие требования к ориентации голограммы в пространстве относительно считывающего устройства и к ее деформации.

2D (двухмерная) голограмма 

Двухмерная  голограмма представляет собой набор  дифракционных решеток, различающихся  частотой и углом наклона штрихов. Строго говоря, это не голограммы, а  дифракционные оптические элементы, синтезированные, как правило, из отдельных дифракционных решеток. Этот набор образует плоское многоцветное изображение. При изменении угла наблюдения меняется цвет отдельных частей изображения. 2D голограммы характеризуются высокой яркостью дифракционной картины и нетребовательностью к качеству источника света. По сравнению с другими видами голографических изображений, они сравнительно легко подделываются или имитируются и потому сами по себе редко используются для защиты, за исключением малоценных товаров.

Трехмерные (3D) голограммы

3D-голограммы представляют собой трехмерные изображения объектов, обладающих шириной, длиной и глубиной. Простейший пример трехмерной голограммы - изображение голубя на карточке VISA. Изображение может рассматриваться при освещении белым светом. При повороте голограммы в вертикальном направлении мы увидим, смену цвета голубя и отсутствие параллакса, что характерно для радужной голограммы. При внимательном рассмотрении этой голограммы путем поворота ее в горизонтальном направлении видно, что на ней записано объемное изображение модели голубя. Изображение, восстанавливаемое голограммой, представляет собой изображение реального объекта – модели голубя. Голограмма кажется очень простой и, на первый взгляд, не представляет трудностей для подделки. Само по себе, изображение голубя может быть сымитировано достаточно просто, однако это возможно только в плоском варианте. Цифровые методы также не позволяют создать голограмму, несущую полноценное трехмерное изображение. Таким образом, защитные свойства 3 D голограммы, подобной рассмотренной, задаются ее истинно объемным изображением реального объекта.