СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТА, ФЛУОРЕСЦЕНТНО-СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ОПТИЧЕСКИЙ РИДЕР ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR REMOTE OBJECT IDENTIFICATION, FLUORESCENT-RETROREFLECTIVE DEVICE AND OPTICAL READER FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к оптической маркировке и может быть использовано в складском хозяйстве, торговле, транспорте, сельском хозяйстве и других отраслях, где необходимо распознавание удаленного объекта из большого числа однородных.
Известен способ и устройство для дистанционной идентификации объекта, в соответствии с которым на зеркальную поверхность наносят слой с шаровыми оптическими элементами и слой изображения, выполненный из пигментной или флуоресцентной краски /US 6100217, G02B 5/128, 2000/. Способ реализуется при обычном естественном или искусственном освещении. Надежность дистанционной идентификации объекта в данном случае невысока, поскольку засветки из-за зеркального отражения от плоских поверхностей самого устройства делают работу системы проблематичной и ограничивают диапазон применений.
Наиболее близким к заявляемому является способ идентификации и флуоресцентно-световозвращающее устройство, изложенные в заявке /US 2003/0016368, G01B 11/14, 2003/. В соответствии с указанным источником информации на светоотражающий материал наносят микрооптические тела, предназначенные для пропускания видимого спектра при одновременном отражении энергии невидимого спектра, такого как ультрафиолетовый или инфракрасный. Ниже микрооптических тел располагают отражатели невидимого спектра, материалы которых могут быть усилены флуоресцентными компонентами. Инструментально фиксируют отраженное излучение невидимого спектра для систем компьютерного наблюдения за движением объекта. Визуально наблюдают отраженное флуоресцентное свечение для улучшения видимости знаков или одежды в ночное время.
Указанные способ и устройство обладают следующими недостатками. Во-первых, способ обладает повышенной трудоемкостью, поскольку нанесение информации на идентифицируемый объект связано с выполнением сложных, графических образов, изготовленных из определенным образом размещенных на поверхности объекта микроскопических отражающих элементов. Во-вторых, прототип характеризуется недостаточной дальностью действия и помехозащищенностью, что является результатом недостаточного фокусирования световозвращенного излучения, а также самопоглощением световозвращенного излучения флуоресцентным материалом.
Известны оптические ридеры, т.е. электронно-оптические читающие устройства, позволяющие автоматически распознавать изображения отдельных букв, цифр и их сочетаний, напечатанных или написанных на материальном носителе, например портативный, оптический ридер Ezio Optical Reader фирмы Gemalto (Франция-Голландия). Недостатком всех известных оптических ридеров является недостаточная дальность действия и недостаточная помехозащищенность.
Задачей настоящего изобретения является создание способа и средств его аппаратурного обеспечения, лишенных указанных недостатков.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение трудоемкости, повышение дальности действия и помехозащищенности.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения поставленного технического результата предлагается способ дистанционной идентификации объекта, при котором на информационном участке объекта предварительно размещают флуоресцентно-световозвращающее устройство, которое освещают узконаправленным световым лучом, регистрируют возвращенное флуоресцентное излучение, кодированное при помощи амплитудной модуляции, и декодируют полученную информацию.
Дополнительно предлагается регистрировать флуоресцентное излучение, сфокусированное на источник светового луча.
Для реализации способа предлагается флуоресцентно-световозвращающее устройство, содержащее последовательно нанесенные на подложку слои: слой из флуоресцентного материала, слой, включающий набор оптических фокусирующих элементов и информационный слой. При этом одна поверхность флуоресцентного материала контактирует с подложкой, другая находится между фокальной плоскостью оптических фокусирующих элементов и их задней поверхностью, а расстояние от внешней поверхности флуоресцентного слоя до фокальной плоскости оптических фокусирующих элементов не превышает глубины поглощения флуоресцентного материала, составляющего флуоресцентный слой.
В частных случаях:
- флуоресцентный материал может представлять собой органический краситель в полимерной матрице или квантовые точки, выполненные, например, из селенида кадмия, пассивированного сульфидом цинка, или неорганический фосфор или антистоксовый люминофор;
- слой из флуоресцентного материала может контактировать с задней поверхностью оптических фокусирующих элементов;
- поверхность подложки, контактирующая с флуоресцентным материалом, может быть выполнена отражающей, например, из алюминия толщиной от 0,9 до 1,1 µm;
- оптические фокусирующие оптические элементы могут быть помещены в матрицу из прозрачного материала, оставляющую внешнюю половину оптических элементов открытыми;
- матрица может быть выполнена из полимерного материала;
- фокусирующие оптические элементы могут быть выполнены в виде сфер из прозрачного материала с диаметром в пределах от 20 мкм до 100 мкм;
- в подложке могут быть выполнены сферические выемки, в которых размещены фокусирующие оптические элементы;
- информационный слой может быть выполнен из прозрачной пленки или пластины, на которую нанесен одномерный или двумерный код из непрозрачного материала;
- информационный слой может быть выполнен из просветленной в виде одномерного или двумерного кода непрозрачной пленки или пластины.
Для решения поставленной задачи предлагается также оптический ридер для дистанционной идентификации объекта, содержащий источник узконаправленного света, оптический канал для приема световозвращенного флуоресцентного излучения, причем выход оптического канала связан с входом в оптоэлектронное матричное регистрирующее устройство, выход которого связан с входом в декодирующее устройство.
Дополнительно предлагается источник света выполнить лазерным.
Дополнительно предлагается ридер оснастить спектральным фильтром, установленным либо перед входом в оптический канал, либо между выходом оптического канала и входом в оптоэлектронное матричное записывающее устройство.
Выполнение заявленного способа в сочетании с заявляемыми устройствами позволяет улучшить соотношение сигнал/шум за счет улучшения направленности отраженного люминесцентного свечения. При этом улучшение направленности происходит из-за нахождения люминофора в фокальной плоскости оптических фокусирующих элементов и как можно ближе к поверхности, ибо в противном случае фотоны люминесценции не смогут выйти на поверхность и будут поглощаться самим материалом. Т.е. наличие фокальной плоскости и тонкого слоя, а также определенной концентрации люминофора (чтобы не было эффекта самогашения) определяют максимальную эффективность регистрации фотонов люминесценции. Наличие информационного слоя на внешней стороне флуоресцентно-световозвращающего устройства позволяет легко наносить кодируемую информацию, например, в виде одномерного или двумерного кода. Таким образом, достигается технический результат.
На фиг.1 представлена схематическая диаграмма флуоресцентно-световозвращающего устройства, на фиг.2 представлена схематическая диаграмма предпочтительной реализации флуоресцентно-световозвращающего устройства, на фиг.3 представлена схема оптического ридера, где 1 - подложка с отражающим слоем 2, 3 - слой из флуоресцентного материала, 4 - слой, включающий набор оптических фокусирующих элементов 5, 6 - информационный слой, 7 - матрица из прозрачного материала, 8 - сферические выемки, 9 - источник узконаправленного света (лазер), 10 - оптический канал для приема световозвращенного флуоресцентного излучения, 11 - оптоэлектронное матричное регистрирующее устройство, 12 - декодирующее устройство, 13 - спектральный фильтр.
Способ осуществляют, а устройства работают следующим образом. На идентифицируемом объекте закрепляют флуоресцентно-световозвращающее устройство с заранее нанесенной информацией об объекте на информационный слой 5. В качестве идентифицируемого объекта может быть домашнее или дикое животное, транспортный контейнер, упаковка товара и т.п. При этом заранее известно место закрепления световозвращающего устройства, например ухо животного. При необходимости идентифицирования объекта световозвращающее устройство освещают световым (лазерным) лучом источника 9 оптического ридера. Луч возбуждает сигнал флуоресценции на всем пути своего прохождения в слое 2, который затем собирается и квазиколлимируется оптическим фокусирующим элементом 4. Эффективность подобной схемы улучшается в случае, когда поверхность подложки, контактирующая с флуоресцентным материалом, выполнена отражающей. Тогда отражающий слой подложки 2 отражает возбуждающий свет обратно в слой 3. Отметим что наличие отражающего слоя 2 непринципиально. Примерами эффективных флуорофоров являются квантовые точки (возбуждаемые в широком, предпочтительно ультрафиолетовом спектральном диапазоне с контролируемой размерозависимой спектральной полосой высвечивания), органические красители, внедренные в полимер, эффективные неорганические люминофоры (предпочтительные в силу их яркости и фотостойкости), хелатированные редкоземельные металлы и лантаноиды, внедренные в полимер и др.
α
α
M
M
α
M
M
M
M
-1
-1
-1
5
-1
-1
-3
-1
Таким образом, падающий луч преобразуется во флуоресценцию и световозвращается в направлении источника, проходя через информационный слой 6, с нанесенным на него штрихкодом, 2Д-кодом или ПИН-кодом, где частично блокируется информационными элементами кода, что в других терминах получило название "амплитудная модуляция". Длина волны флуоресцентного света, очевидно, отличается от длины волны возбуждающего света. Набор оптических фокусирующих элементов 5, плотно покрывающих подложку 1, позволяет реализовать световозвращение со всей поверхности. Выбор ключевых параметров представленного световозвращающего устройства следующий. Толщина флуоресцентного слоя t=1/µ, где µ=ξ·C, где µ - коэффициент линейного поглощения (см); C - молярная концентрация (M); ξ - молярный коэффициент поглощения (смМ). Если в качестве примера флуоресцентного материала выбрать Родамин 6Ж (ε=5×10 cmM, максимальная молярная концентрация C=10 M), то t≅20 µm. Отражательный слой выбирается с толщиной, достаточной для отражения света с минимальными потерями, например 1 µm алюминиевый слой. Показатель преломления отражательных элементов выбирается, по возможности, больше, чтобы точки фокусировки находились ближе к задней поверхности шарика. Идеальной конфигурацией представляется фокусировка на металлический слой.
Ожидается что коллимация флуоресцентно-световозвращенного пучка позволит его эффективную регистрацию на больших расстояниях, согласно нашим оценкам, приведенным ниже. Эффективность конверсии возбуждающего света во флуоресценцию зависит от таких параметров, как квантовая эффективность флуорофора, толщина слоя 2, поглощения и самопоглощения, и может достигать согласно нашим численным и экспериментальным оценкам 20% и более при оптимальных условиях. Преимуществом регистрации сигнала флуоресценции является подавление засветок от поверхностей, включая поверхность световозвращающего устройства.
Флуоресцентный световозвращенный пучок света попадает в оптический канал 10 оптического ридера, после чего изображение, нанесенное на информационный слой 6, передается на оптоэлектронное матричное регистрирующее устройство 11, которое захватывается, обрабатывается и расшифровывается декодирующим устройством 12. Спектральный фильтр 13 подавляет свет источника, а также другие внешние засветки. Декодирующее устройство может передавать информацию на внешние устройства (не показаны).