Оптико-электронные приборы контроля подлинности защитных голограмм (96

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1.2. Временная свертка с пространственным интегрированием

По первой схеме (рис. 1.2) оба входных сигнала являются пространственно изменяющимися функциями, а устройство реализации алгоритма, сдвигая один сигнал относительно другого, на каждом шаге суммирует произведения сигналов во всех точках пространства. Таким образом, если функция g(x) поддерживается постоянной во времени, а вторая функция h(t) сдвигается относительно нее, то временная зависимость f(t) на выходе из

устройства, осуществляющего свертку, можно представить в виде

R

f(t) = g(x)h(vt − x)dx, где v — скорость сдвига функции h(t) относительно g(x).

По второй схеме (рис. 1.3) функция g(t) подается на устройство свертки в качестве зависящего от времени сигнала и равномерно засвечивает все ячейки ПВМС. Вторая функция с обратной зависимостью сигнала от времени h(−t) сдвигается относительно

Рис. 1.3. Временная свертка с временным интегрированием

21

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

нее по пространству (ячейкам ПВМС). Результат свертки снимается с устройства как пространственная зависимость значений сумм

по времени произведений сигналов в каждой ячейке, т. е. результирующий сигнал f(x) равен f(x) = R g(t)h xv − t dt, где v —

скорость сдвига функции h(−t) по ячейкам.

Использование второй схемы реализации временной свертки в устройствах, где один из входных сигналов записан на голограмму, ограничено из-за необходимости получения обоих входных сигналов как временных зависимостей.

Схему временной свертки с пространственным интегрированием можно выполнить на базе пространственного модулятора света, а сложение сигналов выполнять либо используя матричный ПЗСфотоприемник в режиме временной задержки и накопления, либо при постобработке зарегистрированного сигнала в электронном блоке устройства идентификации защитного элемента голограммы, интерпретируемого как входная функция g(x).

Кдостоинствам временной свертки можно отнести удобство

ееиспользования в векторно-матричном умножении при увеличении числа входных сигналов, а также широкую и отработанную элементную базу ее реализации.

1.4.Анализ вариантов реализации оптических схем устройств записи и считывания защитного элемента

сголограммы

1.4.1.Оптическая схема для реализации свертки

вобласти пространственных частот

Для аппаратного вычисления свертки традиционно используются оптические корреляторы. Удобство применения оптического коррелятора для сравнения изображений состоит в том, что в этом случае решение задачи сводится к процедуре обнаружения оптического сигнала с известными параметрами (корреляционного пика) в поле зрения оптико-электронной системы. Две базовые схемы оптических корреляторов хорошо известны — это корреляторы с частотной плоскостью (корреляторы Ван дер Люгта) [8] и корреляторы с совместным преобразованием Фурье [9]. Среди основных направлений исследований оптических корреляторов всегда

22

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1.4. Схема устройства со сверткой сигналов в области пространственных частот:

1 – лазер; 2 – коллимирующий объектив; 3 – ПВМС ЖК; 4 – фурьепреобразующие объективы; 5 – голограмма Фурье; 6 – матричный ПЗС фотоприемник

оставались вопросы конструктивного упрощения и уменьшения габаритов корреляторов, а также их функционирования в реальном времени и обеспечения инвариантности работы к различным геометрическим преобразованиям входного сигнала.

Рассмотрим возможную схему (рис. 1.4) устройства идентификации голограммы, позволяющую реализовать свертку сигналов в области пространственных частот. Сколлимированный лазерный пучок от полупроводникового лазера, проходя через электроуправляемый ПВМС на основе жидких кристаллов (ЖК-модулятор), на котором создается пространственное распределение коэффициента пропускания, задает первую входную функцию. На голограмме зарегистрирован спектр Фурье второй функции (голограмма Фурье матрицы, состоящей из светлых и темных точек). С помощью объектива на голограмме создается Фурье образ первого входного сигнала. Волна, восстановленная при этом с голограммы, представля-

23

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ет собой произведение образов Фурье входных функций. Второй объектив производит второе преобразование Фурье и создает на матричном фотоприемнике на основе пространственно-зарядовой связи (ПЗС-матрице) изображение, соответствующее свертке входных функций.

Голограмма разделяет восстанавливающий пучок на дифракционные пучки 0, ±1, ±2 и т. д. порядков. Нулевой порядок — это несколько размытое из-за дифракции изображение ЖК-модулятора. Пучки первого порядка являются сверткой и корреляцией входных сигналов. Пучки высших порядков содержат намного меньше энергии, чем пучки порядка 0, ±1, являются вредными и представляют собой сложные комбинации произведений входных сигналов. Из сказанного выше следует, что приемник нужно располагать таким образом, чтобы на него попадал только один из пучков первого порядка. Необходимо стремиться при записи голограммы и восстановлении с нее изображения к увеличению энергии в пучках первого порядка и уменьшению ее в других.

Устройство со сверткой в области пространственных частот обладает рядом преимуществ над другими схемами:

•простота конструкции, так как используется свойство линз выполнять над сигналами преобразование Фурье;

•использование фурье-преобразующих объективов, конструктивные параметры которых (фокусные расстояния, относительные отверстия) значительно влияют на сигналы и, следовательно, являются дополнительной защитой от несанкционированного копирования защитной голограммы.

К недостаткам данной схемы можно отнести низкую энергетику, т. е. необходимость использования достаточно мощного источника излучения. Также возможны сложности в позиционировании голограммы для правильной работы прибора, поскольку Фурьеспектры сигналов (в общем случае) имеют достаточно тонкие не осесимметричные структуры.

1.4.2. Оптическая схема для реализации временной свертки

Рассмотрим возможную схему (рис. 1.5) устройства идентификации голограммы, позволяющую реализовать временную свертку оптических сигналов.

24

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1.5. Устройство с временной сверткой двух входных функций:

1 – лазер; 2 – коллимирующий объектив; 3 – голограмма Френеля; 4 – проекционный объектив; 5 – ПВМС ЖК; 6 – проекционный объектив; 7 – матричный ПЗС-фотоприемник

С помощью лазерного излучения с голограммы восстанавливается предметная волна (на голограмме записано изображение матрицы из светлых и темных точек) — первая входная функция. Первый проекционный объектив переносит восстановленное изображение на ЖК ПВМС, на котором создается пространственное распределение коэффициента пропускания (прозрачные и непрозрачные ячейки), переменное во времени и соответствующее второй входной функции. Картина, получившаяся на второй (по ходу излучения) подложке ЖК ПВМС, соответствует перемножению элементов первой функции с элементами второй. Второй проекционный объектив переносит эту картину на ПЗС-матрицу и согласует их размеры. Сложение перемноженных элементов входных функций осуществляется в электронном виде с сигналами, снятыми с ПЗС-матрицы, по определенному алгоритму.

К достоинствам этой схемы можно отвести простоту реализации алгоритма векторно-матричного умножения и более низкие требования по позиционированию голограммы.

25

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Для автоматического устройства проверки подлинности голограмм при использовании его на уровне КО очень важными становятся требования к скорости работы устройства. Оптическая схема, рассмотренная в п. 1.4.1, очевидно, обладает значительно большим быстродействием чем схема, реализующая алгоритм ЦУАС с помощью временной свертки (см. рис. 1.5), поэтому во второй главе будем рассматривать только устройство идентификации голограмм, в котором реализуется свертка оптических сигналов в области пространственных частот.

2.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ИНДИВИДУАЛИЗАЦИИ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ГОЛОГРАММ

Вразд. 1 было показано, что для осуществления идентификации защитных свойств голограммы необходимо, чтобы она несла в себе заданную кодированную информацию. Ее следует сравнить с эталонной информацией и зарегистрировать результат этого сравнения. Примем в качестве эталонного сигнала предсказанный результат векторно-матричного умножения двух ключей: вектора (или матрицы), выбираемого из базы, и вектора, записанного на голограмме. Алгоритм векторного умножения производится оптической схемой устройства идентификации, а сравнение осуществляется с помощью электронного блока системы. Таким образом, основное влияние на результат идентификации защитных свойств оказывает процесс преобразования оптического сигнала элементами прибора идентификации.

Осуществление идентификации защитных свойств, декоди-

рование информации начинается при восстановлении волнового фронта с голограммы. Параметры последней полностью определяются голографической схемой, которая использовалась для получения этой голограммы. Следовательно, в процессе анализа необходимо рассматривать прохождение оптического сигнала последовательно через схему устройства получения защитного элемента голограммы (кодирование) и схему устройства идентификации (декодирование), объединив их в один канал передачи оптической информации.

26

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2.1. Преобразование оптического сигнала в схеме устройства для получения голограмм с защитными элементами

и их идентификации

В разд. 1 была показана возможность использования в системе идентификации варианта реализации векторно-матричного умножения по алгоритму ЦУАС на основе операции свертки оптических сигналов в области пространственных частот. Для осуществления этой идеи в защитный элемент голограммы должна быть встроена область, содержащая голограмму вектора Фурье из двоичных чисел (см. рис. 1.4). Рассмотрим схему записи и восстановления голографического интерференционного поля, образованного объектной и опорной волнами. Для получения голограммы Фурье амплитуда объектной волны должна быть пропорциональна спектру Фурье объекта (транспаранта).

Традиционная схема получения и восстановления голограмм Фурье представлена на рис. 2.1. Только данная схема позволяет получить плоскость, в которой объектная волна была бы пропорциональна пространственному спектру объекта без фазовых искажений [10]. В данной схеме первый фурье-преобразующий объектив формирует в плоскости записи пространственно-частотный спектр функции пропускания транспаранта, подсвеченного нормально падающей волной, т. е. комплексная амплитуда объектной волны без учета постоянных фазовых набегов и ослаблений равна

Рис. 2.1. Схема получения Фурье-голограмм и воспроизведения изображения транспаранта:

1 – транспарант; 2 – фурье-преобразующие объективы; 3 – носитель записи; 4 – действительное изображение транспаранта в выходной плоскости схемы

27

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

мы; f10 — фокусное расстояние фурье-преобразующего объектива; Aтр (x1, y1) ≡ f1 (−x1, −y1) — функция пространственного распределения коэффициента пропускания ПВМС ЖК, соответствующая первой входной функции f1(q) алгоритма ЦУАС (1.1), например такая, график которой изображен на рис. 2.2, а.

Рис. 2.2. Пример распределения коэффициента пропускания ПВМС ЖК, соответствующий входной функции – вектору-столбцу f1 (а); пример соответствующего вектора-столбца с числами в десятичной и бинарной системах (б)

Как было показано (cм. формулу (1.2)), распределение коэффициента пропускания ПВМС ЖК соответствует повернутому на 180o относительно начала координат или центрального элемента матрицы (при бинарной записи чисел) входному вектору-столбцу (рис. 2.2, б).

Если волна Aгол (x01, y10 ) записывается на голограмму-носитель и затем восстанавливается волной, идентичной использовавшейся при записи опорной, то восстановленная волна описывается той же функцией Aгол (x01, y10 ). Второй объектив осуществляет повторное преобразование Фурье, в результате комплексная амплитуда

28

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

излучения в выходной плоскости схемы равна

Таким образом, на выходе схемы формируется изображение транспаранта, повернутое на 180o вокруг оптической оси системы

имасштабируемое.

2.2.Преобразование оптического сигнала в схеме устройства

идентификации голограмм

В системе идентификации голограмм в устройстве получения защитного элемента может быть использована левая часть рассмотренной схемы, представленная на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема устройства получения защитного элемента голограммы:

1 – лазер; 2 – коллимирующая система; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – зеркало; 5 – ПВМС ЖК; 6 – фурье-преобразующий объектив; 7 – регистрирующая среда

29

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Волна подсвета от лазера 1, пройдя коллимирующую систему 2, приобретает плоский волновой фронт Aоб и освещает по нормали ПВМС ЖК 5. Фурье-проеобразующий объектив 6 создает в своей задней фокальной плоскости волну, распределение комплексной амплитуды в которой пропорционально спектру Фурье такого изображения. На регистрирующей среде 7 записана голограмма Фурье с помощью опорной волны Aоп, полученной из Aоб с помощью полупрозрачного зеркала 3 и направленной под углом минус θ на регистрирующую среду 7. При записи защитного элемента голограммы на амплитудный ПВМС ЖК 5 будет выведено изображение, соответствующее двумерной входной функцииf1 (ξ, η) (см. формулу (1.1)).

Оптическая схема прибора идентификации защитного элемента будет полностью повторять традиционную (см. рис. 2.1) с учетом специфики схемы восстановления изображения голограммы с зеркальным покрытием. Возможная оптическая схема устройства идентификации представлена на рис. 2.4.

Лазер 1 с коллимирующей системой 2 создает плоскую восстанавливающую волну Aвос, которая освещает по нормали ПВМС ЖК 3. На ПВМС ЖК поочередно выводятся векторы-столбцы бинарных чисел, образующих функцию f2(ξ, η) — см. формулу (1.1). Первый фурье-преобразующий объектив создает в плоскости голограммы волну с распределением комплексной амплитуды, пропорциональным спектру изображения с ПВМС ЖК. Волна, восстановленная с голограммы 5, в +1 порядок дифракции (направление распространения определяется углом θ), отражаясь от зеркального слоя голограммы, попадает во второй фурьепреобразующий объектив. Он строит в своей задней фокальной плоскости, совпадающей с чувствительной плоскостью матричного ПЗС-фотоприемника 6, изображение, интенсивность в котором пропорциональна квадрату свертки функций f1(ξ, η) и f2(ξ, η), что и требуется для реализации алгоритма ЦУАС.

Схема получения защитного элемента в виде голограммы Фурье (см. рис. 2.3) является достаточно компактной, что важно для возможности практической реализации рабочего устройства. Однако использование такой схемы приводит к значительному увеличению габаритов устройства идентификации по следующим причинам.

30