способ идентификации объекта и идентификационная метка

Формула изобретения

1. Способ идентификации объекта, заключающийся в том, что на идентифицируемый объект наносят видимую метку, содержащую какие-либо знаки и рисунки, элементы которых содержат дифракционные решетки, отличающийся тем, что указанную метку облучают светом с определенным набором длин волн, анализируют отраженное на плоскость проекции изображение, которое имеет различную конфигурацию в зависимости от угла разворота и плотности штрихов дифракционных решеток, причем угол разворота дифракционных решеток относительно выбранного направления определяется формулой

F = arctg((X2-Y1)/(R₀cos(₀)),

где F - угол разворота решетки относительно выбранного направления;

Х2 - абсцисса точки попадания дифрагированного луча на плоскость проекции;

Y1 - ордината точки на базовой плоскости;

R₀ - расстояние от центра координат базовой плоскости до центра координат плоскости проекции;

₀ - азимутальный угол до центра координат плоскости проекции,

а плотность штрихов дифракционной решетки определяется формулой



где D - плотность штрихов дифракционной решетки;

N - порядок дифракционного максимума, который используют в данной метке;

L - длина волны света, которым облучают метку;

Х1 - абсцисса точки на базовой плоскости;

Y2 - ордината точки попадания дифрагированного луча на плоскости проекции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отраженное на плоскость проекции изображение формируют цветным в зависимости от спектра света.

3. Идентификационная метка, содержащая знаки или рисунки, состоящие из набора дифракционных решеток, отличающаяся тем, что дифракционные решетки имеют различную плотность штрихов и угол разворота, причем на знаки или рисунки нанесен светофильтр, коэффициент пропускания которого зависит от длины волны и угла падения света, а параметры дифракционных решеток - плотность штрихов и угол разворота подобраны так, что обеспечивают заданные углы отражения дифрагированных лучей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано для защиты товара от подделки, для установления конкретного товара (как серийный номер), для записи дополнительной технической информации.

Для защиты объекта от подделки, а также для определения конкретного образца объекта или его свойств разработаны различные идентификационные метки. Условно, их можно разделить на несколько типов.

Имеются метки, предназначенные для определения конкретного изделия или группы изделий или некоторых их характеристик, например дата выпуска, цена, состав и т.д. Примером таких меток может служить серийный номер изделия или штрих-код. Подобные метки сообщают дополнительную информацию об изделии, однако не защищают достаточным образом товар от подделки.

Метки, предназначенные для защиты изделий от подделки, разделяются на видимые и невидимые глазом. Примером таких меток могут служить всевозможные печати, в том числе и те, которые становятся видимыми при облучении их ультрафиолетовым излучением или при воздействии на них химическими реагентами.

Метки, неразличимые глазом человека, чаще всего формируются с использованием магнитных явлений и специальных материалов. Они считываются с помощью соответствующих датчиков и аппаратуры.

В настоящее время для защиты объекта широко используются оптические метки, содержащие наборы дифракционных решеток. Они имеют довольно высокую степень защиты, небольшие размеры, просты в изготовлении.

Известна оптическая идентификационная метка, содержащая по крайней мере две решетки, сформированные на одном маркирующем элементе и имеющие различные ориентации штрихов или различные плотности штриховки. Маркирующий элемент состоит из двух или нескольких типов решеток, выбранных из набора решеток с различной ориентацией и плотностью штрихов. Световой луч дифрагирует от решетки в направлении, перпендикулярном ее штриховке. Если маркирующий элемент состоит из нескольких типов решеток, различающихся по направлению штрихов или их плотности, падающий луч разделится на несколько лучей с направлениями, соответственно выбранным типам решеток в данном маркирующем элементе. На пути хода лучей устанавливаются сенсоры, например фотодиоды, позволяющие надежно считывать информацию [3].

К недостаткам данного способа можно отнести то, что информация, закодированная в идентификационной метке, не наглядна и не может быть непосредственно воспринята человеком. Для обеспечения надежности считывания с помощью аппаратуры приходится применять базовые элементы решеток с большими различиями в ориентации и плотности штрихов, что ведет к уменьшению количества возможных вариантов и снижению степени защищенности товара. Известен способ идентификации документов и аппаратура для реализации этого способа. Суть изобретения заключается в том, что на документ, подлежащий защите, наносится информационная полоса, разделенная на участки, представляющие собой элементы дифракционных решеток четырех типов, которые различаются по плотности и направлению штрихов. Подобных информационных полос может быть несколько для параллельного считывания информации. Параллельно информационной полосе идет полоса синхронизации, на которой нанесены контрастные метки, стоящие напротив мест расположения маркирующих элементов и служащие для синхронизации считывания меток электронной аппаратурой [1].

При считывании информации с такой карточки световой луч, например луч полупроводникового лазера, падает под заданным углом на поверхность карточки. Конфигурация и размеры светового луча подобраны так, что в один момент времени в зоне светового пятна находится только один маркирующий элемент, если считывание идет с одной дорожки, или несколько параллельных элементов, если считывание идет одновременно по нескольким дорожкам. Так же освещается и дорожка синхронизации. При считывании карточка протягивается через считывающую аппаратуру и все элементы карточки последовательно проходят под световым лучем. Отраженный или дифрагированный луч воспринимается фотодиодом или иным сенсором. Фотодиод, предназначенный для считывания метки синхронизации, расположен над дорожкой синхронизации и срабатывает от рассеянного синхронизирующей меткой света, когда та находится под ним. Когда метка обнаружена, включаются фотодиоды для считывания информации с информационной дорожки. Они расположены так, что на каждый фотодиод попадают дифрагированные лучи только от своих информационных меток. Световой сигнал преобразуется в электрическую форму и далее обрабатывается аппаратурой, которая в конце выдает сообщение об истиности считаной карточки.

Недостатками данного патента являются малая информационная емкость и необходимость применения синхронизации при считывании, что ведет к уменьшению надежности.

Известна система идентификации для предотвращения незаконного копирования карточек с записанной информацией [2].

Карточка состоит из двух зон: информационной, в которой содержится кодированная информация для устройства считывания/записи, и идентификационной, обладающей особыми оптическими свойствами. Информационная зона может быть реализована например в виде полосы из магнитного материала, на которой записана информация и которая может быть считана или изменена с помощью магнитной головки. Подобные магнитные полосы получили большое распространение, например, в кредитных карточках и билетах. Однако информация, записанная на магнитную дорожку, может быть легко изменена и, следовательно, степень защиты от незаконного копирования невелика. Для большей защиты в изобретении предлагается использовать идентификационные метки. Такая метка состоит из множества небольших дифракционных решеток, которые имеют различное направление и/или плотность штрихов решетки.

При считывании информации с такой карточки световой луч, например луч полупроводникового лазера, падает вертикально на поверхность идентификационной метки. Информация, записанная на магнитной дорожке, считывается магнитной головкой и одновременно происходит идентификация оптических меток, когда элементы карточки последовательно проходят под световым лучом. Луч падает на дифракционную решетку и в соответствии с плотностью штрихов и ориентацией решетки отражается под заданным углом и в заданном направлении. Отраженный или дифрагированный луч воспринимается фотодиодом или оным сенсором. Они расположены так, что на каждый фотодиод попадают дифрагированные лучи только от решетки, имеющей заданные параметры. Световой сигнал преобразуется в электрический и далее обрабатывается аппаратурой, которая выдает сообщение об истинности считанной карточки.

Известны также технические решения, в которых данные идентификации записываются в виде штрихового кода или микроскопических пятен, расположенных ячейками, которые образуют регулярную решетку, причем полоска с идентификационными данными обладает специальными отражательными свойствами [4, 5].

Общими недостатками перечисленных выше технических решений являются необходимость применения специальной аппаратуры, содержащей светочувствительные приемники, кроме того, необходимо применение специальных источников света, имеющих узкую полосу излучения, например лазерных диодов. Не учтено влияние дифракционных отражений второго и более высоких порядков.

Известно более совершенное техническое решение, в котором полоска штрихового кода обладает специальными отражательными свойствами и создает при облучении светом, с определенными параметрами, картину голографического изображения. Причем при облучении штрихового кода с двух различных точек получается два варианта изображения [6].

За прототип решено выбрать патент Швейцарии N 681117 G 06 K/10, 19/08, G 02 B 26/10. Указанное техническое решение совпадает по целям изобретения - создание системы идентификации объекта и совпадает по достигаемому результату - осуществляется формирование и визуализация отраженного изображения. Недостатками способа по патенту Швейцарии является необходимость применения когерентного источника света. Кроме того, формируются только два вида голографического изображения. Предлагаемое изобретение по сравнению с изобретением по патенту Швейцарии имеет более высокую степень защиты, т.к. предполагает большее количество вариантов изображения.

Целью изобретения является создание способа идентификации и защиты объекта от подделки или незаконного копирования, позволяющего производить идентификацию как с применением считывающих устройств, так и без них, дающего более удобное представление данных, которые могут содержать дополнительные сведения об изделии, имеющего большую степень защиты от подделки, а также позволяющего использовать освещение обычным светом с широким спектром излучения, без применения специальных источников излучения.

На фиг. 1 показана общая схема способа идентификации. XI, YI-базовая плоскость, на которой расположен один элемент A метки с дифракционными решетками 3. При освещении элемента A метки световым потоком 5 дифрагированные лучи от них попадают на плоскость проекций X2, Y2, где формирую т отображение B элемента A метки. Центр координат плоскости проекций смещен относительно центра координат базовой плоскости в точку с координатами (R, O, F).

На фиг. 2 показан пример метки идентификации.

На фиг. 3 показана в увеличенном виде элемент метки, представленной на фиг. 2 состоящий из элементов метки, представляющих собой наборы дифракционных решеток 1.

На фиг. 4 показано строение дифракционной решетки с пленочным светофильтром, где 1 - материал основы, 2 - отражающая металлическая пленка, 3 - светофильтр.

На фиг. 5 показан ход лучей при облучении дифракционной решетки с пленочным светофильтром немонохромотичным светом с длинами волн L1, L2, L3.

На фиг. 6 показан график зависимости коэффициента пропускания N от длины волны L для фильтра 3 с фиг. 4.

Дифракционные решетки могут наносится на изделие любым из известных способов, например высокоточной штамповкой, и сгруппированы в форме знаков или рисунков. Метка может наноситься на плоскую или изогнутую поверхность или на поверхность, состоящую из параллельных или не параллельных плоских участков. Часть метки, которую можно рассматривать как плоский участок, в дальнейшем мы будем называть элементом метки. На фиг. 1 показана общая схема способа идентификации. Для примера изображен прямоугольный элемент метки. При освещении дифракционные решетки отклоняют лучи падающего света в зависимости от длины волны, поэтому метка, состоящая из решеток, будет разлагать спектр падающего излучения и иметь контраст с окружающей поверхностью изделия. Поскольку решетки сгруппированы в знаки или рисунки, то они будут видны невооруженным глазом. Это соответствует первому уровню идентификации.

Для обеспечения второго уровня защиты необходимо, чтобы дифракционные решетки, составляющие метку, формировались с заданными для каждой отдельной решетки параметрами. Это прежде всего плотность штрихов и их направление. Угол отражения и направление дифрагированного луча при освещении решетки зависит от длины волны падающего света, периода решетки и ориентации штрихов. Дифрагированный луч распространяется в направлении, перпендикулярном направлению штрихов решетки. Углом разворота решетки называется минимальный угол между произвольно выбранной осью XI на поверхности изделия и перпендикуляром к направлению штриховки. Для всех решеток, находящихся в элементе метки, угол разворота отсчитывается от единой, произвольно выбранной оси X, в дальнейшем она будет именоваться выбранным направлением. Угол отражения определен известной формулой

Dsin() = NL, (1) ,

где

- угол отражения луча;

N - порядок дифракционного максимума;

L - длина волны света, мкм;

D - период решетки, мкм.

Следовательно, если имеется на плоском участке поверхности изделия элемент метки в виде набора решеток 3, который при нанесении на него координатной сетки XI YI в дальнейшем будем называть базовой плоскостью, то при освещении этого участка монохроматическим светом 5 возникающие дифракционные отражения, попадающие на плоскость проекции X2, Y2, образуют рисунок 4, составляющий отображение B элемента метки A. Подбирая плотность штрихов отдельных решеток и их угол разворота относительно выбранного направления, можно создать отраженный рисунок из дифракционных пятен 4 заданной конфигурации.

В зависимости от выбора направления, от которого взят отсчет углов разворота решеток, в элементе метки зависит наклон изображения, сформированного на плоскости проекции лучом, дифрагированным на решетках. Более детально сущность способа проясняется при рассмотрении дифракции света на отдельной решетке.

Пусть решетка находится в элементе метки, а изображение проекцируется на плоскость проекции, как показано на фиг. 1. Тогда для того, чтобы дифрагированный луч от решетки, находящейся на базовой плоскости в точке с координатами XI, YI, попал в точку с координатами XI, Y2 на плоскости проекции, необходим угол разворота решетки

F = arctg((X2-Y1)/(R₀cos(₀)), (2) ,

где

F - угол разворота решетки относительно выбранного направления;

X2 - абцисса точки попадания дифрагированного луча на плоскость проекции;

YI - ордината точки на базовой плоскости;

R₀ - расстояние от центра координат базовой плоскости до центра координат плоскости проекции;

₀ - азимутальный угол до центра координат плоскости проекции,

а плотность D дифракционной решетки должна соответствовать

,

где

N - порядок дифракционного максимума, который используется в данной метке;

L - длина волны света, которым облучают метку;

XI - абцисса точки на базовой плоскости;

Y2 - ордината точки попадания дифрагированного луча на плоскости проекции.

Как видно из формул (2) и (3), угол разворота и плотность штрихов каждой решетки являются функциями координат расположения решетки в элементе метки, угла между элементом метки и плоскостью проекции X2 Y2.

Каждая решетка в идентификационной метке имеет свои индивидуальные параметры и поэтому дифрагированные лучи от таких решеток попадают в различные точки на плоскости проекции. Следовательно, набору дифракционных решеток метки соответствует определенный набор световых пятен на поверхности проекции. Таким образом можно построить точечный образ видимой на объекте метки или альтернативное изображение. Это представляет собой второй уровень защиты объекта.

Если дифракционную решетку облучать через светофильтр, который пропускает узкую полосу длин волн видимого света, поглощая все остальные, то открываются новые возможности для формирования метки. Пример спектра пропускания такого фильтра показан на фиг. 6, а строение дифракционной решетки со светофильтром показано на фиг. 4. Ширина полосы пропускания такого фильтра составляет несколько десятков нанометров. Кроме того, подобный фильтр пропускает свет только в направлении, перпендикулярном к плоскости пленки, и в направлении, где толщина сечения пленки в два раза больше, т.е. под углом 60^o к нормали. Это позволяет производить считывание информации с метки, облучая ее обычным светом с широким спектром излучения, например солнечным. Поскольку фильтр имеет узкую полосу пропускания, то до решетки доходит только узкая полоса излучения и не происходит размытия дифракционных максимумов из-за разделения лучей по длинам волн. Вместе с тем, поскольку коэффициент пропускания применяемого в изобретении фильтра зависит от угла, под которым свет падает на поверхность, то можно погасить побочные максимумы, возникающие во время дифракции. Необходимо так подбирать плотность штрихов решеток, чтобы при облучении светом дифракционный максимум, например второго порядка распространялся под углом 60^o. При этом первый максимум будет распространяться под углом 26^o и, следовательно, будет гаситься, не давая ложных пятен на плоскости проекции. В зависимости от спектра света, пропускаемого светофильтром, изображение метки может быть одноцветным либо цветным.

Пример. Метка на изделие нанесена на плоском участке размером 10 14 мм. В форме полосы на метке нанесен набор дифракционных решеток размером 2 2 мм (фиг. 1). Площадь метки разбита на квадраты размером 2 2 мм, в результате по условной оси XI метка имеет 5 квадратов, а по условной оси YI-6 квадратов. При таком разбиении каждой решетке приданы координаты на плоскости X, YI. Поставлено условие - при отражении света на экране должно появиться изображение в виде креста. Проекционная плоскость B тоже условно разбита на 5 квадратов по оси X2 и 6 по оси Y2. Для выполнения условия идентификации необходимо, чтобы дифрагированные лучи из ячеек A(2,4), A(3,4), A(4,4), A(5,4), A(1,5), A(2,5), A(2,4), A(4,5), A(5,5) попали в соответствующие ячейки B(3,3), B(3,4), B(3,5), B(3,6), B(3,7), B(1,4), B(3,5), B(4,4), B(5,4). Так как положение проекционного экрана относительно освещаемой метки установлены жестко, то необходимые параметры решеток, которые образуют дифрагирующую часть метки, рассчитывают с помощью формул (2) и (3).

При облучении метки A светом с широким спектром, например солнечным, по нормали к ее поверхности светофильтром поглощаются все лучи с длинами волн, отличными от расчетной (фиг. 5). Толщина пленки фильтра подобрана с учетом пропускания света только с заданной длиной волны. В результате, непосредственно на дифракционную решетку, падает вертикальный луч света с узкой полосой излучения. Дифракционная решетка разлагает такой луч на несколько дифракционных максимумов, имеющих разные углы отклонения. Однако параметры дифракционных решеток рассчитаны так, что только максимумы второго порядка отклоняются под углами, близкими к 60^o. Поскольку в направлении под углом 60^o к нормали толщина пленки фильтра ровно в 2 раза больше, чем перпендикулярно поверхности, то только в этих направлениях свет с заданной длиной волны не поглощается. Все другие лучи, вышедшие под иными углами, не видны. В результате лучи, рассеиваясь на плоскости проекций, создадут отображение идентификационной метки в виде заданного рисунка или знака.