УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИ НЕВИДИМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МЕТКИ

Полезная модель относится к устройствам считывания скрытой от визуального восприятия информации и может быть, преимущественно, использовано для визуализации идентифицирующих объект скрытых изображений меток, которые обеспечивают его защиту от несанкционированного воспроизведения (подделки), а также в научно-исследовательских целях для обеспечения визуализации оптически невидимых структур в поверхностном слое объекта по вариациям величины поверхностной энергии.
Наиболее близким к заявленному объекту изобретения является известное из уровня техники устройство для визуализации оптически невидимого изображения метки, включающее средство охлаждения (в виде камеры бытового холодильного аппарата) исследуемого объекта, на зеркальной поверхности которого сформировано оптически невидимое изображение метки путем модифицирования, по меньшей мере, одного участка этой поверхности с изменением поверхностной энергии модифицируемого участка с возможностью визуализации оптически невидимого изображения метки посредством создания в зоне упомянутой поверхности исследуемого объекта метастабильной среды из водяного пара окружающей среды в процессе охлаждения исследуемого объекта и получения, при этом, визуально воспринимаемого изображения оптически невидимой метки в виде различия структур, образованных частицами стабильной фазы метастабильной среды на участках поверхности исследуемого объекта с различной поверхностной энергией. При этом средство охлаждения выполнено с установочным местом (полостью холодильного аппарата) для размещения исследуемого объекта, (международная публикация № WO. 02/089041 заявки PCT/RU 01/00177).
К недостаткам вышеописанного устройства для визуализации оптически невидимого изображения метки следует отнести сложность конструкции и относительно низкое качество (контрастность) визуализируемого изображения, ввиду отсутствия указания оптимального технологического (температурного) режима охлаждения, а также отсутствия наличия конкретных средств обеспечения термостабилизации для поддержания во времени этого температурного режима именно на охлаждаемой (зеркальной) поверхности исследуемого объекта.
В основу заявленного технического решения была положена задача создания такого устройства для визуализации оптически невидимого изображения метки и, соответственно, метода его функционирования, которые позволяют обеспечить расширение функциональных возможностей при повышении контрастности и пространственного разрешения воспроизводимого изображения с помощью относительно простого устройства (элемента Пельтье), обеспечивающего неограниченно долгое сохранение во времени контрастного, визуально воспринимаемого изображения метки, путем обеспечения возможности стабилизации оптимальных параметров температурного режима охлаждения (термостабилизации) соответствующей поверхности исследуемого объекта до необходимого значения температуры этой поверхности в процессе визуализации.
Поставленная задача решается посредством того, что в устройстве для визуализации оптически невидимого изображения метки, включающем средство охлаждения исследуемого объекта, на зеркальной поверхности которого сформировано оптически невидимое изображение метки путем модифицирования, по меньшей мере, одного участка этой поверхности с изменением поверхностной энергии модифицируемого участка с возможностью визуализации оптически невидимого изображения метки посредством создания в зоне упомянутой поверхности исследуемого объекта
метастабильной среды из водяного пара окружающей среды в процессе охлаждения исследуемого объекта и получения, при этом, визуально воспринимаемого изображения оптически невидимой метки в виде различия структур, образованных частицами стабильной фазы метастабильной среды на участках поверхности исследуемого объекта с различной поверхностной энергией, при этом средство охлаждения выполнено с установочным местом для размещения исследуемого объекта, согласно изобретению, средство охлаждения исследуемого объекта выполнено в виде реализующего эффект Пельтье элемента Пельтье, сопряженные контакты которого подключены к регулируемой по силе тока электрической цепи, установочное место средства охлаждения размещено на наружной, визуально доступной, поверхности охлаждаемого контакта элемента Пельтье с возможностью размещения исследуемого объекта в зоне пространства с неоднородным полем температуры и возможностью охлаждения зеркальной поверхности этого объекта до температуры, не превышающей температуру точки росы водяного пара в окружающей эту поверхность воздушной среде путем регулируемого изменения температуры охлаждаемого контакта элемента Пельтье.
Для дальнейшего повышения контрастности и качества восприятия глазом человека визуализируемого изображения метки установочное место средства охлаждения исследуемого объекта должно быть размещено в замкнутом объеме (выполненном, например, в виде кожуха) с возможностью предотвращения появления конвективных воздушных потоков окружающей среды относительно охлаждаемой поверхности исследуемого объекта, при этом оно также может быть снабжено оптическими средствами визуального наблюдения визуализированного изображения метки, которые включают: оптическую систему с окуляром, размещенную с возможностью отображения метки в отраженных от охлаждаемой поверхности объекта лучах синего и/или бело-синего спектра частот, а также автономный
источник направленного светового потока (например, в виде светодиода) генерирующий этот спектр частот.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
Фиг.1 - общая схема устройства для визуализации оптически невидимого изображения метки.
Фиг.2 - исследуемый объект с оптически невидимым изображением метки до ее визуализации.
Фиг.3 - исследуемый объект после осуществления визуализации оптически невидимого изображения метки (в виде снежинки).
Устройство для визуализации оптически невидимого изображения метки (полученной нижеописанным методом) включает средство охлаждения зеркальной поверхности 1 исследуемого объекта 2 с установочным местом для его размещения. Средство охлаждения исследуемого объекта 2 выполнено в виде реализующего эффект Пельтье элемента 3 Пельтье (как правило, мощностью не выше 30 Вт), сопряженные контакты которого подключены к регулируемой по силе тока электрической цепи 4 постоянного тока. Установочное место средства охлаждения размещено на наружной (визуально доступной) поверхности охлаждаемого контакта 5 элемента 3 Пельтье с возможностью размещения исследуемого объекта 2 в области пространства с неоднородным полем температуры и с возможностью охлаждения зеркальной поверхности 1 этого объекта 2 до температуры, не превышающей температуру точки росы водяного пара в окружающей эту поверхность 1 воздушной среде, путем регулируемого изменения температуры охлаждаемого контакта 5 элемента 3 Пельтье. Регулируемое изменение температуры охлаждаемого контакта 5 осуществляется посредством изменения силы тока в упомянутой электрической цепи 4.
Для дальнейшего повышения контрастности и качества восприятия глазом человека визуализируемого изображения метки установочное место
средства охлаждения исследуемого объекта 2 может быть размещено в замкнутом объеме (например, в виде кожуха 6) с возможностью предотвращения появления конвективных воздушных потоков окружающей среды относительно охлаждаемой поверхности 1 исследуемого объекта 2. При этом оно также может быть снабжено оптическими средствами визуального наблюдения визуализированного изображения метки, которые включают: оптическую систему 7 с окуляром, размещенную с возможностью отображения метки в отраженных (от охлаждаемой поверхности 1 объекта 2) лучах синего и/или бело-синего спектра частот, а также автономный источник 8 направленного светового потока (например, в виде светодиода), генерирующий этот спектр частот.
Принцип работы элемента 3 Пельтье, как известно, основан на выделении или поглощении теплоты в месте сопряжения (спая 9) двух контактов 5 и 10 из разнородных материалов (металлов и/или полупроводников) при прохождении через контакты 5 и 10 постоянного электрического тока. В замкнутой цепи 4 один контакт 10 нагревается, другой контакт 5 охлаждается. Количество выделяемой или поглощаемой теплоты на контактах 5 и 10, соответственно, пропорционально величине силы тока в электрической цепи 4 замкнутой через контакты 5 и 10 элемента 3 Пельтье.
С физической точки зрения принцип визуализации оптически невидимого изображения метки посредством заявленного технического решения основан на схожем принципе по отношению к принципу визуализации треков (следов) заряженных частиц при их исследовании посредством камеры Вильсона: то есть, на конденсации пересыщенного пара на «зародышевых центрах» стабилизации фазового состояния, которыми являются ионы, образующиеся вдоль траектории движения заряженной частицы;
Совершенно очевидно, что для практической реализации такого физического принципа (по своей природе схожего с вышеуказанным) в атмосферных условиях необходим нетривиальный подход именно к методу создания оптически невидимого изображения метки на охлаждаемой поверхности 1 исследуемого объекта 2. То есть, заявленное устройство может быть использовано только для визуализации меток, сформированных на поверхности 1 исследуемого объекта 2 специальным методом, раскрытым ниже.
Данная метка (визуализируемая посредством заявленного устройства) формируется следующим образом.
На поверхности 1 исследуемого объекта 2 (которую предварительно доводят, преимущественно, до зеркальной, например, полированием) образуют оптически невидимое (скрытое) изображение метки путем модификации, по меньшей мере, одного участка этой поверхности 1. Модификацию осуществляют с изменением поверхностной энергии модифицируемых участков. Модифицированные участки могут быть созданы, например, посредством воздействия на соответствующую поверхность 1 исследуемого объекта 2 пространственно модулированным ионным пучком (например, посредством пропускания ионного пучка через маску-трафарет) или путем лазерной абляции.
Визуализацию оптически невидимого (скрытого) изображения метки обеспечивают посредством создания в зоне упомянутой (то есть, несущей оптически невидимое изображение метки) поверхности 1 исследуемого объекта 2 метастабильной среды, посредством которой визуально воспринимаемое изображение оптически невидимой метки получают в виде различия структур (образованных частицами стабильной фазы метастабильной среды) на участках поверхности 1 исследуемого объекта 2 с различной поверхностной энергией (то есть, на участках, функционально
являющихся «зародышевыми центрами» стабилизации фазового состояния упомянутой метастабильной среды).
Необходимо отметить, что поверхностная энергия определяет работу образования «зародышевых центров» новой фазы и энергию активации процесса фазового превращения. Существование поверхностной энергии и поверхностного натяжения является причиной возникновения метастабильных состояний (т.е., состояний переохлаждения, перенасыщения). Кроме того, в отличие от поверхностного натяжения поверхностная энергия слабо зависит от температуры.
В качестве метастабильной среды в рамках заявленного технического решения используют переохлажденный пар, получаемый из водяного пара окружающей среды (преимущественно, воздуха) посредством его соприкосновения с охлажденной до определенной температуры поверхностью 1 исследуемого объекта 2.
В случае, когда в качестве метастабильной среды используют переохлажденный пар изображение структур (образованных частицами стабильной фазы метастабильной среды) получают в виде капель жидкости на поверхности 1 исследуемого объекта 2.
Поверхность 1 исследуемого объекта 2 целесообразно доводить до зеркальной для повышения контрастности визуализированного изображения метки.
Необходимо также отметить, что для повышения контраста (контрастности) визуально воспринимаемого изображения оптически невидимой метки может быть использован режим визуализации, при котором условие «метастабильности» окружающей среды выполняется исключительно для модифицируемых участков поверхности 1 исследуемого объекта 2. В этом случае стабильная фаза метастабильной среды образуется только на модифицированных участках поверхности 1 исследуемого объекта 2. Вследствие этого допустимо снизить критерий по качеству подготовки (в
частности, по классу чистоты обработки) поверхности 1 исследуемого объекта 2, на которой образовано оптически невидимое изображение метки.
Однако, следует отметить, что для последнего из рассматриваемых случаев режим визуализации изображения оптически невидимой метки сдвигается из динамического процесса в более статический, для чего необходимо обеспечить термостабилизацию упомянутого процесса.
Именно обеспечение термостабилизации во времени охлаждаемой поверхности 1 исследуемого объекта 2 в процессе визуализации и положено в основу заявленного технического решения.
Это достигается посредством того, что охлаждение поверхности 1 исследуемого объекта 2 осуществляют посредством эффекта Пельтье, для чего исследуемый объект 2 размещают в зоне охлаждаемого контакта 5 средства охлаждения в виде элемента 3 Пельтье с возможностью обеспечения управляемого теплообмена. При этом охлаждение упомянутой поверхности 1 осуществляют до температуры не превышающей температуру точки росы водяного пара в окружающей эту поверхность 1 среде путем регулируемого изменения температуры охлаждаемого контакта 5 элемента 3 Пельтье. Для этого изменяют силу тока в электрической цепи 4 замкнутой сопряженными между собой контактами 5 и 10 (охлаждаемым и нагреваемым, соответственно) этого элемента 3.
Регулировка температуры охлаждаемого контакта 5 необходима для того, чтобы подогнать температуру исследуемой поверхности 1 объекта 2 под температуру точки росы для окружающей объект 2 внешней среды, поскольку для каждой определенной влажности газовой (например, воздушной) среды (т.е., окружающей объект 2 внешней среды) существует строго определенная по температуре точка росы. Минимальный заход температуры соответствующей поверхности 1 объекта 2 за температуру ниже температуры точки росы обеспечивает образование конденсата на исследуемой поверхности 1 объекта 2 в виде очень мелкодисперсных капель
(т.к. конденсат формируется, практически, из молекулярного состояния воды, находящейся в воздухе в парообразном состоянии), что повышает пространственное разрешение проявляемого изображения сформированной на поверхности 1 объекта 2 метки. Процесс визуализации реализованный посредством заявленного устройства происходит практически статически без каких-либо элементов динамики с постоянным возрастанием (с течением времени) контрастности визуализируемого изображения метки. При правильном подборе температурного режима именно на поверхности 1 объекта 2 визуально воспринимаемое изображение метки можно удерживать неограниченно долгое время.
Таким образом, для обеспечения термостабилизации процесса визуализации важна определенная температура именно поверхности 1 исследуемого объекта 2.
Процесс охлаждения целесообразно осуществлять в замкнутом объеме (например, кожухе 6) с возможностью предотвращения появления конвективных газовых потоков окружающей среды относительно упомянутой поверхности 1 исследуемого объекта 2, а визуальное восприятие визуализированного изображения метки осуществлять через окуляр оптической системы 7 в отраженных от этой поверхности лучах синего и/или бело-синего спектра частот, генерируемых автономным источником 8 направленного светового потока.
Оптическая система 7, как правило, используется в том случае, если геометрические параметры сформированной на поверхности 1 исследуемого объекта 2 метки не могут быть различимы для глаза. Обычно используется оптическая система 7 с семи-, десятикратным увеличением, однако ее кратность лимитируется лишь геометрическими размерами изображения.
Осуществление процесса охлаждения поверхности 1 исследуемого объекта 2 в замкнутом объеме (т.е., закрытом пространстве) позволяет полностью исключить влияние конвективных потоков окружающей
воздушной среды на процесс конденсации водяных паров в области исследуемой поверхности 1, что повышает качество изображения и его стабилизацию во времени.
При использовании оптической системы 7 в совокупности с вышеупомянутым «замкнутым объемом» (т.е., оптически непрозрачным кожухом 6) и подсветкой от автономного источника 8 направленного светового потока возникает дополнительный эффект: метка рассматривается в отраженных от нее (т.е., от исследуемой поверхности 1) лучах света, что повышает контрастность вследствие отсутствия бликов, так как, в этом случае, нет доступа для паразитных потоков света в область поверхности 1. Использование подсветки синего и/или бело-синего спектра частот целесообразно вследствие того, что свет этого спектра лучше других рассеивается на микронеоднородностях зеркальной поверхности 1.
Таким образом, принцип работы заявленного технического решения с физической точки зрения основан на сильной зависимости динамики образования на поверхности 1 объекта 2 стабильной фазы из метастабильной среды от величины свободной поверхностной энергии. На участках поверхности 1 с различной поверхностной энергией по разному происходит образование стабильной фазы из метастабильной среды. При использовании заявленного технического решения на модифицированных с изменением поверхностной энергии участках разная динамика образования стабильной фазы приводит к визуализации структуры участков поверхности 1, составляющих оптически невидимое изображение метки. Метка является долговечной, так как модификация участков поверхности 1 объекта 2 с изменением поверхностной энергии (например, полученная с помощью пространственно модулированных ионных пучков) приводит к стабильному (в том числе и при комнатных условиях) изменению состава и структуры участков поверхности 1 с измененной поверхностной энергией.
Пример конкретной реализации патентуемого технического решения.
На полированной до 13-го класса чистоты поверхности 1 подложки (исследуемого объекта 2) из стекла К-8 было сформировано скрытое (оптически не видимое) изображение метки в виде снежинки с диаметром 6 мм путем модификации участков поверхности 1 подложки с помощью ионного пучка пропущенного через маску-трафарет. Для визуализации оптически невидимого изображения метки подложка помещалась в устройство, изображенное на фиг.1 (как это показано в графических материалах) и ее полированная поверхность 1 охлаждалась до температуры росы водяных паров в окружающей эту поверхность 1 среде (воздухе) с последующей стабилизацией этой температуры во времени путем регулировки силы тока в электрической цепи 4 элемента 3 Пельтье. В результате этого оптически невидимое (скрытое) изображение метки (снежинки) визуализировалось в виде мелкодисперсных капель водяного конденсата, определенным образом распределенных по поверхности 1 исследуемого объекта 2. Это показано на фиг.3 графических материалов, где визуально воспринимаемое изображение метки-снежинки (сформированное из мелкодисперсных капель водяного конденсата) показано с семикратным увеличением.
Испытания, проведенные в течение одного года с исходной меткой (показанной на фиг.3), не выявили уменьшения контраста метки при ее многократной визуализации в течение периода испытания посредством заявленного устройства с использованием элемента 3 Пельтье. С момента создания упомянутой метки многократное применение процесса ее визуализации с помощью метастабильной среды (водяных паров воздуха) не превращает оптически невидимое изображение метки в постоянно видимое.
Таким образом, заявленное техническое решение может найти широкое применение в различных областях науки и техники для осуществления многократного считывания скрытой от визуального восприятия информации, сформированной на поверхности 1 исследуемого
объекта 2 определенным образом. В частности, может быть использовано для многократной визуализации идентифицирующих объект 2 скрытых изображений (меток), которые обеспечивают его защиту от несанкционированного воспроизведения (подделки), а также в научно-исследовательских целях для обеспечения визуализации оптически невидимых структур, различающихся лишь величиной поверхностной энергии.