浅谈全息图及其在防伪证件上的应用

何懿华

摘 要：出入境边防检查工作常会在防伪证件上见到全息图，而查验防伪证件是出入境边防检查的重要工作之一。本文从全息图的概念、记录与重现以及特征开始，着重介绍了应用于防伪证件的两种全息图，即彩虹全息图和体积全息图，并指出全息图与衍射光变图像的关联。

关键词：全息图；全息照相；防伪证件；彩虹全息图；体积全息图

Brief introduction of hologram and the application of holograms to secure documents

HE Yihua

（Baiyun Exit and Entry Frontier Inspection Station， Guangzhou510405， China）

Abstract： Holograms are often seen on secure documents， while checking secure document is significant in exit and entry frontier inspection. The concept， recording and reconstruction and the features of hologram are introduced in this paper. Two types of holograms applicable to secure documents are mainly stated， which are rainbow hologram and volume hologram. The connection between hologram and diffractive optically variable image devices （DOVIDs） is also discussed.

Keywords： Hologram； holography； secure documents； rainbow hologram； volume hologram

全息圖是用全息照相记录物体全部信息而成的图像。该技术是由英籍匈牙利科学家Dennis Gabor于20世纪40年代发明，他也因此获得1971年的诺贝尔物理奖。全息图中的“全部信息”指的是光的波长、振幅和相位，其中波长的记录是有一定限制性的，记录和重现的光波长不一定相同。全息图可以简单概括为“干涉记录，衍射重现”。

1全息图的记录与重现及特征表现

全息图的传统记录方法是全息照相。全息照相需要的基本原材料包括：激光器、分束镜、扩束镜、反射镜、被拍摄物体和全息干板。如图1所示，全息照相过程是：一束由激光器产生的相干光通过分束镜变成两束光，其中一束经扩束后形成面积更大的光，照射于被拍摄物体上，物体的反射光到达全息干板，另一束光则以平行光的形式作为参考光照射在全息干板上。汇聚在全息干板的两束光形成亮暗相间的干涉条纹，使全息干板曝光。这种记录可称为分束透射法，制成的全息图是透射全息图。这是最基础、最常用的全息图记录方法，但对光学仪器和仪器安装的稳定性要求很高。

曝光后的全息干板的纹路是很多类似同心圆组成的图案，如图2所示。其中，亮暗条纹的对比（黑白对比、折射率对比或深度对比）反映了振幅信息，条纹的位置、排列则反映了相位信息。

如果物光和参考光分别照射向全息干板的正面和背面，同样可以在干板上记录下干涉条纹，如图3所示，这个方法叫分束反射法，制成的全息图是反射全息图。

要使透射全息图重现，需要用与拍摄使用波长和角度相同的激光经扩束后照射全息图，光经过全息图上的条纹发生衍射，重现光在与参考光同一侧“重组”成原物体的光，观察者则可以从全息图另一侧观察到物体的虚像，全息图得以重现，如图4所示。同理，用与参考光相同的角度照射用反射全息图，观察者可在同一侧观察到物体的像。为了提高反射全息图的衍射效率，可以在其背面加上金属衬底。

记录透射全息图的参考光和物光在全息干板同一侧，干涉条纹与全息干板平面垂直，即在厚度方向无论在哪一个平面条纹都是一样的（如图6左），因此不需要用大于相干光波长的全息干板，这种厚度比相干光波长小的全息图叫平面全息图。用分束透射法记录的透射全息图一般是平面全息图。而记录反射全息图时参考光和物光分别从全息干板两侧入射，它们发生干涉是一个空间，干涉条纹是一个个与全息干板平行的平面，分布于厚度方向，因此反射全息干板中感光材料的厚度需要比光波长大很多才可以记录到这种空间分布（如图6），这种全息图叫体积全息图。用分束反射法记录的全息图都是体积全息图。体积全息感光材料厚度大概在几十微米到几百微米之间，这个厚度虽然较大，但仍然适合用于塑封。

透射全息图只能用激光重现，重现光的角度必须与参考光相同。但重现激光的波长可以不与参考光相同：波长相同时，全息图虚像出现在记录的方向上；波长不同时，由于衍射角度有变化，全息图虚像稍偏离记录的方向。

因为体积全息图的特殊结构，体积（反射）全息图既可以用激光重现，也可以用白光重现。当重现光是激光时且颜色与波长使用的激光相同，用与参考光相同的角度重现，反射全息图的衍射效率是最高的。当重现光是白光时，只有与激光颜色相同的光才会衍射到观察者眼睛里。用白光重现并获得清晰图像的全息图称为白光重现全息图。

全息图记录了拍摄时物光和参考光都到达的物体的一个区域，重现时也是重现同样的区域。由于相位的记录，光的方向和距离远近得到记录，从而可以在全息图中重现物体的立体特征，这就是全息图的显著特征。全息图的立体感主要是表现两个方面，一是场深，二是视差。全息图可以把立体感“还原”出来是因为它记录的是物体反射光的光强和相位，从而可以体现出场深。上下左右轻微转动全息图就可看到物体在不同方位的不同“侧面”，如图7所示。在同一时刻，进入左右眼的光线有轻微的区别，形成左右眼的视差，被大脑理解为立体，如同我们观察生活中三维物体一样，从而产生立体感。此外，全息图的立体感也与物体本身的维度、拍摄方法等因素相关，例如以一张平面图作为被拍摄物体，制成的全息图就缺少立体感。

全息图的另一个特征是，即使全息图（载体）有破损，仍能观察到整个被拍摄物体。这是因为全息图记录了多个角度画面的信息，这好比从一扇窗户观察景物，如果这扇窗被窗帘遮住了一部分，但观察者还是可以通过移动视线或站立角度观察到同样多的景物，只是有一些視野受到限制。

2防伪证件上全息图的应用

防伪证件是指被一定防伪技术保护，用于表明持证人身份或被授予某种许可的证明文件。现各国政府颁发的身份证明、工作或居留证明、入境证明、国际旅行证件等证件大都属于防伪证件。

由于全息图用特殊的方法记录和重现，不能通过扫描复印对全息图进行伪造，因此全息图不但在商品防伪上占有一席之地，也成为一项对有价票证尤其是防伪证件的页面进行保护的防伪技术。但是防伪证件的特殊性对全息图有特殊要求：由于防伪证件页面大多数是不透明的材质，不能用透射的方法重现全息图；为了使全息图可用作大众防伪，不能使用激光作为重现光，因为激光器并不是容易获得和使用的仪器；防伪证件页面大多需要加载各类信息，如持证人资料、签证、证件延期等，全息图不能遮挡这些信息。基于上述考虑，防伪证件上的全息图应该是反射全息图，并能用白光重现；如果全息图有金属衬底就只能对页面进行小面积的局部保护；如果要对在签发后不能继续加载信息的证件页面进行整体保护，如护照资料页或是整体为单页的身份证、驾驶证等证件，全息图载体应采用透明的形式，不能对页面原有内容进行明显遮盖而影响人或机器阅读。下面介绍两种符合这些条件的全息图。

2.1 彩虹全息图

传统透射全息图不能用白光来重现，这是因为白光里每种颜色的光折射角不同，用白光重现时，每种颜色的光都产生衍射，角度有轻微不同，离观察者距离也有差异，互相排列得很紧密，形成了交叠难以辨认的效果，这种图像交叠称为像差。水平方向上的像差尤为明显，无法形成清晰的图像。如图8所示，左图是用白光重现的效果，右图是用激光（单色光）重现的效果。

为了使透射全息图也能在白光下重现，美国科学家Stephen Benton于1968年发明了一种方法减少白光重现透射全息图时的像差，称为Benton全息图。这种方法先制作一个透射全息图作为母板，在重现母板全息图的时候在引入一个水平狭缝。这个狭缝减少了母板全息图的信息，同时减少了水平方向上的像差，通过这种方法重现的全息图又作为物光使另外一个全息干板曝光制成全息图，如图9所示。

使用白光从背面重现全息图时，由于各波长的光衍射角度不同，从不同角度“透过狭缝”观察彩虹全息图就会看到不同的颜色，从高到低看到的颜色是从红色过渡到紫色，再从紫色过渡到红色（±1级衍射光），如图10所示的MasterCard上的全息图。重现光需要沿着与狭缝垂直的方向，或重现光固定位置时以狭缝为轴转动全息图。重现光如果沿着狭缝水平方向变换，或重现光固定位置时以与狭缝垂直的方向作转动，没有任何颜色变化（图10的第六个小图）。Benton全息图依次出现彩色，并在某些角度上有相邻的两种或多种颜色同时出现的现象，彩虹全息图由此而得名。

彩虹全息图是透射全息图并由白光重现，但可以在背面镀上金属层。此金属层就像一块镜子，把彩虹全息图的衍射光反射至光入射方向。这种反射型彩虹全息图从本质上仍是透射全息图，但以反射的形式作为观察，因此可用于防伪证件局部的保护。

镀有金属层的彩虹全息图无法直接对防伪证件页面进行整体保护。解决的办法是把镀有金属层的彩虹全息图分割成网点再与塑封膜结合，就像把连续调图像转化为网目调图像。从远处观察，彩虹全息图的网点仍组合成全息图像，但不影响证件的内容的辨认，而放大观察，就可见膜上的细小的金属网点，如图11所示的哥伦比亚身份证。很多防伪证件塑封膜上采用彩虹全息图都是以这种形式保护证件，如我国第一代身份证、吉尔吉斯旧版护照资料页等。

由于观察便利，并以白光作为重现光，反射形式的彩虹全息图广泛应用于商品和有价票券的防伪上，也是防伪证件上应用得最多的全息图。

2.2 Identigram？

德国护照资料页上的全息图是反射全息图（体积全息图），称为Identigram？，是德国联邦印刷的专利产品。德国护照资料页被塑封膜包裹，塑封膜上有若干个固定图案的全息图和持证人信息紧密相关的信息——持证人照片和机读码的全息图，如图12所示。这些全息图分别在不同角度下观察到，且颜色互不相同，都是在德国护照签发时制成的。与传统全息照相法记录有所不同的是，这些全息图记录的物光不是由物体受相干光照射而得，而是由计算机控制空间光调制器生成。空间光调制器像一个棋盘，每个格子是独立的，根据计算机信号，空间光调制器把激光调制成局部所需的角度，发出模拟相干光照射于物体的光，与参考光发生干涉，不同波长的激光各有一个空间光调制器，使后面用于护照塑封的全息干板感光，从而制作出含有个人信息的全息图。其中持证人全息照片的“物光”源自平面的图像文件，因此没有立体感。含有全息图的塑封膜包裹着护照资料页，对证件信息无明显遮挡。此外，德国护照资料页上的全息图还可以使用专用仪器测量其参数，如果参数是正确的话，表明护照真实性是可靠的。

計算机技术的发展促使了全息图产业有了根本的变革，计算机生成全息图是其中的一个。计算机生成全息图是根据需要的效果，通过计算机计算出干涉条纹的分布并生成文件，过程可完全不需要全息照相的物光、参考光、全息干板等设备，文件直接用于全息图的生产。计算机生成全息图可以生成一些实物作为被拍摄物无法达到的效果，尤其可把文字、设计的图案、缩微等元素的组合起来，不需要考虑被拍摄物体是否真正存在。计算机生成全息图的出现颠覆了全息图和全息照相的概念，“干涉记录”被取代，大大降低了全息图的生产成本和效率，也为后来的光变衍射图像产业打下了基础。

从严格意义来说，全息图是衍射光变图像的一种。衍射光变图像基本就是用计算机直接计算出所需效果的条纹分布，进而制作成模压母板再大规模生产出可衍射出各种效果的产品。衍射光变图像大多都无法达到全息图的立体效果，其优势在于图文设计、变化效果更为多样化，也更易于控制，可制成厚度非常小的无金属层衬底的反射产品，都使用白光观察，因此在证件防伪甚至是商品防伪上已经全面取代了全息图。但从生产原理角度，计算机生成全息图与衍射光变图像的概念是一致的，可以说全息图的发展为现今衍射光变图像的广泛应用奠定了基础。

参考文献

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[6] US20070297211 Holographic Data Support and Method for Production Thereof

[7] en.wikipedia.org/wiki/Holography

[8] en.wikipeida.org/wiki/Rainbow_hologram