Способ скрытого малоинвазивного маркирования объекта с целью его идентификации
METHOD OF HIDDEN SMALL-INVASIVE MARKING OF OBJECT FOR ITS IDENTIFICATION

Из уровня техники известны следующие варианты маркировки, базирующиеся на патентах WO 2012128659 A1, WO 2009017433 A1 (RU 2373307) и RU 2199447.
В патенте WO 2012128659 А1 описано средство, предназначенное для маркировки металлических изделий, выпускаемых промышленностью или получаемых в результате иной хозяйственной деятельности с возможностью проверки легальности их изготовления и их идентификации в необходимых случаях (при аварийных разрушениях изделий в процессе эксплуатации и т.п.).
В основе предлагаемого способа положено известное свойство материалов образовывать поверхностные оксидные структуры в результате теплового воздействия. Нанесение идентификационной метки осуществляется с использованием локального источника нагрева (например, лазерного) поверхности металлического изделия. Формирование графического изображения или изображения штрихкода осуществляется за счет образования наноструктур в виде оксидов элементов, входящих в состав материала изделия. В основе формирования информационного поля лежит способность луча лазера оставлять различимый отпечаток на обрабатываемой поверхности металлических материалов. Таким образом, возможно использование системы кодирования, основанной на наличии (1) или отсутствии (0) отпечатка воздействия луча лазера. Точность позиционирования современных, широко распространенных лазерных комплексов составляет 5 мкм, диаметр отпечатка может быть получен до 50 мкм.
Управление процессом формирования закодированного сообщения на поверхности объекта с помощью локального источника нагрева ведут с помощью ЭВМ, на основании предварительно рассчитанных параметров воздействия.
Дополнительными отличиями предлагаемого способа являются:
- закодированное сообщение включает информацию в неограниченном объеме об объекте, содержащую технологические сведения (марка и состав материала, критические параметры, предельные условия эксплуатации и т.п.), данные о фирме изготовителе, дате изготовления и т.п.;
- в качестве параметра для кодирования учитывают также цвет отпечатка;
- в качестве источника локального нагрева может быть использован любой промышленный твердотельный лазер для маркировки металлов и пластика;
- закодированное сообщение дополнительно может содержать штрихкод и/или видимое цветное изображение логотипа. В качестве информационного носителя используются кодировочные таблицы, применяемые для кодировки символов в компьютере.
В символьном виде может быть представлен любой файл - текстовый, графический, звуковой или иного типа.
506
Шифрование информации, записываемой в информационном поле, осуществляется за счет создания частных кодовых таблиц. Частная кодовая таблица представляет собой таблицу кодировки IBM, в которой составляющие случайным образом перемешаны, Возможное число таких частных кодовых таблиц превышает 10. Таким образом, прочесть информацию, записанную в информационном поле можно только при наличии частной кодовой таблицы.
Подготовка идентификационной метки для вывода лазером осуществляется специальной компьютерной программой.
В информационном поле может быть записана информация, содержащая сведения об изделии, например, сведения о фирме изготовителе, дата изготовления, технологические сведения (марка и состав материала, критические параметры, предельные условия эксплуатации и т.п.). Объем информации, записываемой в информационном иоле, определяется только размерами площади, отведенной под информационное поле.
Основные недостатки по патенту WO 2012128659 А1.
1. Ограниченность номенклатуры изделий с возможностью создания долговременных меток из-за невозможности образования или недостаточной устойчивости образованных лазерным импульсом оксидных кластеров.
2. Не очень большая удельная емкость информационного поля метки - максимум 400 бит/кв.мм без учета цветовой компоненты.
3. Незащищенность метки из-за видимости ее местоположения невооруженным глазом.
4. Невозможность производить дистанционное считывание метки.
В патенте WO 2009017433 Al (RU 2373307) описано средство, предназначенное для маркировки ценных изделий, согласно которому на полированной поверхности образуют оптически видимое в отраженном свете изображение долговечной метки (т.е. видимой с помощью оптического микроскопа с высоким качеством изображения), полученной путем модифицирования маркируемого участка этой поверхности ионным пучком с заданной энергией ионов; в процессе модифицирования преобразуют состав поверхностного слоя основы с сопутствующим изменением оптических свойств модифицированных участков по отношению к оптическим свойствам необработанных участков маркируемой поверхности, согласно изобретению модифицирование маркируемого участка осуществляют импульсным ионным пучком через маску-трафарет путем ионной имплантации модификатора в кристаллическую решетку в области маркируемого участка поверхностного слоя основы без разрушения ковалентных связей между атомами решетки и, соответственно, без нарушения исходного рельефа этого слоя, а упомянутое изменение оптических свойств маркируемого участка обеспечивают путем использования в качестве модификатора такого материала, ионы которого изменяют комплексный показатель преломления материала основы при их имплантации в его кристаллическую решетку.
Так, увеличение мнимой составляющей комплексного показателя преломления увеличивает интенсивность отраженного излучения. С этой целью, в качестве примесных добавок (модификаторов) для маркировки алмаза подходят ионы бора или ионы инертных металлов, а энергии ионов модификатора должны составлять 5-6 кэВ.
Основные недостатки по патенту WO 2009017433 A1 (RU 2373307).
1. Отсутствие гибкого пространственного управления ионным пучком (в частности - возможности его фокусировки) и его энергией.
2. Как следствие пункта 1 - использование для маркирования только хорошо полированных поверхностей.
3. Как следствие пункта 1 - использование трафарета для кодирования наносимой на изделие информации, что сильно усложняет, а в конечном счете чрезвычайно замедляет процесс маркирования в широком смысле.
4. Использование трафарета в сочетании с широким ионным пучком приводит к неблагоприятным побочным воздействиям на изделие, состоящим в искажении (краевые эффекты) контуров и внедрении посторонних примесей в метку (выбиваемые атомы вещества трафарета).
5. Как следствие всех предыдущих пунктов - ограничение номенклатуры изделий пригодных для данного способа маркировки - только ценные изделия, преимущественно, драгоценные камни, в частности, ограненные алмазы (бриллианты).
6. Невозможность дистанционного считывания метки.
В патенте RU 2199447 описано средство, предназначенное для маркировки драгоценных камней (алмаз, карбида кремния), согласно которому на шлифованной поверхности образуют оптически видимое в отраженном свете изображение долговечной метки (т.е. видимой с помощью оптического микроскопа с высоким качеством изображения с минимальной толщиной линии в маркировочном знаке 2-3 мкм), полученной путем модифицирования маркируемого участка этой поверхности перемещающимся сфокусированным ионным пучком с задаваемой дозой облучения практически без распыления вещества облучаемой поверхности; в процессе модифицирования на глубинах 10-100 нм преобразуют состав поверхностного слоя основы с сопутствующим изменением оптических свойств модифицированных участков по отношению к оптическим свойствам необработанных участков маркируемой поверхности, согласно изобретению, модифицирование маркируемого участка осуществляют перемещающимся по драгоценному камню сфокусированным ионным пучком путем ионной имплантации модификатора в кристаллическую решетку в области маркируемого участка поверхностного слоя основы без разрушения ковалентных связей между атомами решетки и, соответственно, практически без нарушения исходного рельефа этого слоя.
Основные недостатки по патенту RU 2199447.
1. Отсутствие гибкого управления энергией ионного пучка.
2. Отсутствие гибкого управления временной структурой ионного пучка.
3. Недостаточная точность пространственного перемещения (точность шага) ионного пучка.
4. Недостаточный уровень фокусировки.
5. Как следствие пунктов 1-4 - ограниченность в точности воспроизведения 2-мерных тонких маркировочных знаков.
6. Как следствие пунктов 1-4 - невозможность создания различимых и интерпретируемых 3-мерных структур в пределах приповерхностного слоя.
7. Как следствие пунктов 1-4 - ограничение номенклатуры изделий пригодных для данного способа маркировки - только драгоценные шлифованные (полированные) камни, в частности, ограненные алмазы (бриллианты) и драгоценные камни из карбида кремния.
8. Невозможность дистанционного считывания маркировочных знаков.
Заявленный способ маркировки предназначен для мечения поверхности объектов - из числа предметов (изделий), получаемых в результате хозяйственной деятельности с возможностью проверки соответствия их характеристик в процессе идентификации, в том числе изготовителя (легальность происхождения). Способ предполагает занесение идентификационных меток в виде добавочных атомов отличного (контрастного) или аналогичного, относительно изделия, вещества в приповерхностный слой непосредственно самого изделия. Малоинвазивные (не нарушающих основных функциональных свойств изделия) метки, наносимые непосредственно на изделие, могут быть как 2-, так и 3-мерными. Кроме того, метки могут состоять из однотипных атомов или атомов разных типов. В терминах цвета это означает возможность нанесения одноцветных или многоцветных идентификационных меток. Идентификационные метки, сформированные в приповерхностном слое изделия за счет создания (внесения) нанокластеров добавочных веществ, - незаметны (скрыты, неразличимы невооруженным глазом), отвечают требованиям защищенности, долговечны и сохраняют высокую устойчивость к условиям эксплуатации.
Способ предполагает надежное дистанционное считывание идентификационных меток путем расшифровки многоволновых корреляционных интерферограмм (спеклограмм) от фотонов мультидиапазонного зондирующего импульса, рассеянных исследуемой (в общем случае шероховатой) поверхностью в реальном времени.
Способ предполагает компьютерное распознавание информации в реальном времени, сравнение ее с известной (записи базы данных) и модификации известной информации (записей базы данных), если это необходимо.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. В способе маркировки на поверхности образуют заметное в отраженном электромагнитном излучении зондирующего импульса изображение метки путем модифицирования маркируемого участка приповерхностного слоя этой поверхности ионным пучком с заданной энергией ионов. В процессе модифицирования изменяют (дополняют) состав поверхностного слоя основы с возможностью изменения локальных электромагнитных (электрическая и магнитная проницаемость вещества) свойств модифицированных участков по отношению к аналогичным свойствам необработанных участков маркируемой поверхности. Модифицирование маркируемого участка осуществляют импульсным ионным пучком с хорошей пространственной фокусировкой путем имплантации малых доз ионов модификатора в приповерхностные слои в области маркируемого участка основы без сильного разрушения связей между атомами и, что важно, без нарушения исходного рельефа этого слоя. Указанное изменение электромагнитных свойств маркируемого участка обеспечивается путем использования в качестве модификатора такого материала, ионы которого локально изменяют отражательные свойства материала основы при их имплантации в его приповерхностный слой.
Отражательные характеристики материала основы оптимально изменять в сторону увеличения коэффициента отражения, т.е. увеличивать интенсивность отраженного излучения.
-5
Заведомо подходящими веществами имплантантами являются ионы инертных элементов периодической системы (для металлов преимущественно, благородные металлы). Практически рекомендуется для имплантации плоскостных (2-мерных) примесных добавок в приповерхностный слой осуществлять путем использования ионов модификатора с энергией 5-15 кэВ, в то время как для нанесения объемных (3-мерных) примесных добавок использовать ионы с энергией до 100 кэВ. Достигнутые относительные точности стабилизации энергии пучка ионов составляют на сегодняшний день величину ~10 [1].
Таким образом, в процессе реализации заявленного способа обеспечивается максимум изменения локальных электромагнитных отражательных свойств материала в области модифицированных участков маркируемой поверхности, которое фактически дает изменение величины коэффициента отражения, преимущественно, в сторону увеличения.
При ионной имплантации в поверхность маркируемого материала ионов модификатора, он (материал) на модифицированных участках приобретает новые свойства. При этом резко меняются электрическая и магнитная проницаемости модифицированных участков. В результате чего, при реализации метки заявленным способом ее изображение в отраженном электромагнитном пучке зондирующего импульса выглядит более интенсивным (светлым) по отношению к немодифицированным участкам поверхности основы изделия, так как модифицированные участки имеют значительно больший коэффициент отражения.
В связи с этим, очевидна целесообразность малых доз при нанесении метки, поскольку она наносится без удаления материала и без серьезных нарушений целостности поверхности изделия. То есть полезно иметь метку, полученную за счет изменения структуры и/или состава материала посредством модифицирования исходного материала на участках формирующих изображение метки, и, как следствие, резкого увеличения коэффициента отражения на модифицированных участках.
При ионной имплантации, реализуемой в заявленном изобретении, качество поверхности практически не нарушается, т.е. нарушение рельефа поверхности отсутствует.
Режим ионной имплантации без нарушения исходных межатомных связей поверхности материала определяется следующими параметрами процесса.
Энергия отдельного иона, используемого для имплантации, ограничивается глубиной занесения метки. В плоскостном (2-мерном) случае, при глубине метки в пределах 5-10 нм, энергия используемых ионов должна находиться в диапазоне 5-15 кэВ. В объемном (3-мерном) случае, при глубине метки в пределах 5-50 нм, энергия используемых ионов должна находиться в диапазоне 5-100 кэВ.
Обсуждаемый режим имплантации определяется также плотностью дозы имплантированных ионов, т.е. количеством имплантированных ионов на единицу поверхности.
Кроме того, обсуждаемый режим характеризуется также интенсивностью имплантации ионов, т.е. дозой имплантированных ионов в единицу времени. Достаточная гибкость управления интесивностью обеспечивается, в том числе длительностью отдельного сгустка (банча) ионного пучка, которая может составлять величину порядка 1 нс [2].
Обсуждаемый режим характеризуется также возможностью быстрого пространственного перемещения центра пучка имплантируемых ионов на маркируемом материале, т.е. возможностью сканирования ионным пучком маркируемого материала с шагом порядка 1 мкм [2].
Наряду с интенсивностью, обсуждаемый режим характеризуется точным пространственным позиционированием центра пучка имплантируемых ионов на маркируемом материале - среднеквадратичное отклонение составляет 1 мкм [2].
Также обсуждаемый режим характеризуется хорошей пространственной фокусировкой пучка имплантируемых ионов на маркируемом материале, т.е. минимальным пространственным разбросом ионов относительно центра со среднеквадратичным отклонением порядка 1 мкм [2].
-5
Таким образом, для формирования в поверхности изделия заявленной метки (малоинвазивной метки, практически, без нарушения целостности поверхностного слоя) необходимо оперировать именно вышеуказанными технологическими параметрами, которые возможно получить при импульсном (минимальная длительность импульса (банча) ~1 нс) облучении поверхности, хорошо позиционированным (достигнутая точность ~1 мкм), сфокусированным ионным пучком (достигнутая точность фокусировки -1 мкм) с возможностью пространственного сканирования (достигнутая точность шага сканирования ~1 мкм) и динамического управления энергией пучка (достигнутая относительная точность стабилизации энергии пучка ~10).
Малоразмерное изображение метки в общем случае (т.е. для широкого круга изделий как по составу, качеству поверхности так и по размерам) можно надежно детектировать только при зондировании по отраженному рассеянному излучению лишь при одновременном использовании когерентных излучателей и приемников сразу в нескольких диапазонах электромагнитного спектра из следующего набора: СВЧ, террагерцовый, инфракрасный, видимый (определение границ диапазонов см., например, «Электромагнитное излучение», «Электромагнитный спектр» (раздел «Электромагнитное терагерцовое излучение»), «Микроволновое излучение (СВЧ излучение)» на сайте https://ru.wikipedia.org/), что обеспечивает надежное дистанционное считывание идентификационных меток с пространственным разрешением ~λ/20 (здесь λ - длина волны соответствующей спектральной компоненты многокомпонентного зондирующего импульса из указанного выше набора диапазонов) путем расшифровки многоволновых корреляционных интерферограмм (спеклограмм) от фотонов зондирующего импульса, рассеянных (в общем случае шероховатой) поверхностью изделия в реальном времени.
Отраженная от модифицированных участков часть падающего излучения зондирующего импульса наблюдается в разных диапазонах электромагнитного спектра даже при глубине модифицированного слоя материала от нескольких нанометров до десятков нанометров.
-8
-9
Распространение зондирующего излучения на достаточную глубину в приповерхностном слое непроводящих или слабопроводящих материалов не вызывает трудностей - эти механизмы известны из физики диэлектриков. Проникновение электромагнитной волны в хорошо проводяший материал (металл) ограничивается скин-эффектом, но даже и в этом случае глубина проникновения достаточна для надежного зондирования нанесенных меток, так например, для волн гораздо меньшей длины волны, чем видимый свет (λ~10 м десятки нм) - глубина проникновения (глубина на которой амплитуда электромагнитной волны уменьшается в «е» раз) составляет ~4⋅10 м (4 нм).
Тонкая пленка загрязнения, всегда образующаяся на поверхности основы изделия, является электромагнитно-прозрачной как для отраженного, так и для падающего излучения и слабо влияет на контрастность метки, полученной заявленным способом, что является существенным преимуществом.
Гарантированное отражение от модифицированных участков части падающего излучения зондирующего импульса обеспечивает надежное дистанционное считывание идентификационных меток с пространственным разрешением ~λ/20 (здесь λ - длина волны соответствующей спектральной компоненты многокомпонентного зондирующего импульса, так для инфракрасной компоненты с λ=6 мкм разрешение составит примерно ≈0,03 мкм) [3] путем расшифровки многоволновых корреляционных интерферограмм (спеклограмм) от фотонов мультидиапазонного зондирующего импульса, рассеянных (в общем случае шероховатой) поверхностью изделия в реальном времени.
Для заявленного способа важен темп подачи энергии пучка (т.е. доза поглощаемого излучения, деленная на время). В заявленном способе доза поглощаемого излучения набирается материалом основы постепенно (импульсно), в связи с чем исключается разрушение поверхности основы на модифицируемых участках, т.к. дозы излучения в одном импульсе недостаточно для разрушения межатомных связей в поверхностном слое материала изделия. Режим облучения подбирается эмпирическим путем. Отсутствие химического травления повышает технологичность способа. Энергия ионов определяет минимальную глубину модифицированного слоя в несколько нанометров, достаточную для долговременного, практически равного времени жизни изделия использования метки на поверхности изделия. Метка является долговечной, так как модифицирование участков поверхности объекта с локальным изменением значений электрической и магнитной проницаемостей полученная с помощью импульсных хорошо позиционированных и сфокусированных ионных пучков инертных металлов приводит к стабильному изменению состава и структуры поверхности с измененным коэффициентом отражения.
Удельная информационная емкость, достигаемая при записи идентифицируемых с высокой надежностью данных путем нанесения малоинвазивных идентификационных меток на изделия, оценивается уровнем до 1 Мбит/кв. мм в случае использования 2-мерных (плоскостных) меток и уровнем до 10 Мбит/куб. мм в случае 3-мерных (объемных) меток.
Отличие предлагаемого метода от заявленных в RU 2199447 и RU 2373307 состоит в том, что наш метод может быть использован не только для полированных поверхностей (в частности, драгоценных камней), но и для любых твердых поверхностей. Естественно, при этом возникают существенные дополнительные сложности как при занесении метки на изделие, так и при ее надежном считывании. Эти трудности преодолеваются в предлагаемом нами методе с помощью использования современных экспериментальных (!) достижений в области создания и управления интенсивностью и качеством (диаметр пучка, диаметр фокусируемого пятна, минимальный пространственный шаг сканирования по поверхности, временная модуляция - длительность банча и период между соседними импульсами и т.д.) ионных пучков и успехов в расшифровке многоволновых корреляционных интерферограмм (спеклограмм) от фотонов мультидиапазонного зондирующего импульса, рассеянных исследуемой (в общем случае шероховатой) поверхностью в реальном времени, что описано в современной серьезной периодической научной литературе признаваемой мировым научным сообществом [1], [2], [3].
Заявленный способ маркировки с целью последующей идентификации полностью защищает маркируемое изделие по идентификационным критериям защиты продукта. Экономические вложения, направленные на подделку метки, наносимой предлагаемым способом, намного превзойдут стоимость метки, поскольку кроме стоимости оборудования должны будут включать стоимость разработки множества новых технологий. Предлагаемый способ маркировки реализует многоуровневый алгоритм защиты изделий с сохранением высочайшей резистивности метки к внешним условиям на разных этапах жизненного цикла при полной функциональности изделий.
С практической точки зрения, некоторые специфические черты самой метки и информации, включаемой в метку:
- плотность нанесения информации даже в 2-мерном случае составляет до 1 Мбит/кв. мм;
- информация может сохраняться на изделии в течение полного жизненного цикла, а это дает возможность идентифицировать изделия в катастрофических ситуациях;
- функциональность изделий практически не ограничивается;
- нечувствительность к электромагнитным импульсам, радиопомехам и т.д.;
- дистанционный характер считывания метки и информации занесенной вместе с нею;
- считывание и интерпретация метки и информационной составляющей метки практически в реальном времени;
500
- практически бесконечное (>10) количество вариантов кодирования (кодовых таблиц) для защиты информации;
- чрезвычайно сложная и дорогостоящая подделка метки и информации с целью производства контрафактных изделий.
Таким образом, заявленное изобретение может найти широкое применение в различных областях науки и техники для осуществления записи-считывания идентификационной информации. В частности, может быть использовано в таких видах деятельности, как:
1. Автомобилестроение и эксплуатация автотранспорта.
Применение идентификационной метки серьезно улучшает степень защищенности деталей и автомобиля в целом, а значит резко снижает количество краж автомобилей и деталей.
2. Эксплуатация железнодорожного транспорта.
Применение защищенных и дистанционно считываемых меток (идентификаторов) единиц подвижного состава и других маркируемых узлов и деталей позволит обеспечить быстрый и универсальный учет, а также позволит контролировать движение каждой единицы по всей территории страны и оптимально распределять ресурсы.
3. Любые металлоизделия.
Применение хорошо защищенной метки для маркировки и идентификации изделий из металла, а также недорогих средств считывания и контроля подлинности меток позволит резко уменьшить оборот и создание поддельной продукции, в том числе предметов бытовой техники, запасных частей для автомобилей, самолетов и других критически важных узлов и деталей, что повысит надежность эксплуатации технических средств и обеспечит достоверную логистику всего жизненного цикла продукции.
4. Ювелирная промышленность и предметы искусства.
Заявленный способ может найти применение для маркировки алмазов (бриллиантов) и изделий из драгоценных металлов, а также других предметов искусства.
Литература
1. Mous D.J.W. et al. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. В 130 31 (1997).
2. Matsuyama S. et al. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. В 260 55 (2007).
3. Рябухо В.П. «Спекл-интерферометрия», Соросовский образовательный журнал, том 7, №5, 2001.