СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ И АУТЕНТИФИКАЦИИ МЕТКИ
SYSTEM AND METHOD FOR IDENTIFICATION AND AUTHENTICATION OF TAGS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе и способу для идентификации и аутентификации метки, нанесенной на различные предметы, в качестве идентификации и аутентификации.
Уровень техники
Точная идентификация продуктов, их отслеживание и аутентификация уже применяется и используется во многих областях промышленности и непрерывно развивается и улучшается. Нанесение меток на продукты с целью идентификации, аутентификации и отслеживания все чаще применяется во многих областях промышленности. Метки для защиты различной степени сложности существуют и применяются на предметах и продуктах, что позволяет ответить на вопрос, является ли данный продукт подлинным или поддельным.
Действительно, подделка представляет собой проблему всемирного масштаба, которая приводит к огромным экономическим потерям и отрицательно влияет на потребителей и производителей. Для противодействия этой проблеме, постоянно разрабатывается технология борьбы с подделками, включающая в себя новые защитные метки и адаптированные считыватели. Такие защитные метки могут иметь, как пространственные, так и спектральные компоненты кодирования.
В WO 2010012046, в общем, описан носитель кода, имеющий флуоресцентные метки. В нем упомянут считыватель, разработанный для считывания носителя флуоресцентного кода, в котором записанная информация кодирована в визуальных элементах кодированной визуальной маркировки. Это устройство считывателя может включать в себя комбинацию двух устройств считывания, одно, которое считывает флуоресцентные свойства флуоресцентного материала в кодированной флуоресцентной маркировке, и другое, которое считывает визуальные элементы кодированной флуоресцентной маркировки. В этом документе флуоресцентный сигнал вначале считывают и декодируют, и после этого декодируют свойства визуальной формы.
В US 7441704 описаны система и способ для идентификации пространственного кода, имеющего одномерную или многомерную структуру, нанесенную на объект, где пространственный код включает в себя множество защитных меток или композиций, имеющих одну или больше спектральных характеристик с характерной эмиссией. В системе используется лучевой источник для освещения кода, спектрометр для анализа его характеристики и камера для идентификации кода. Она также содержит расщепитель луча для расщепления излучаемого света от кода, одновременного подаваемого на детектор изображений и на оптический спектрометр, что позволяет одновременно получать информацию/данные.
В US 7938331 описан считыватель для аутентификации метки/маркировки/кода (символа автоматической идентификации например, штрих-кода), нанесенного на предмет и имеющего специфические характеристики спектральной эмиссии. Специфическая спектральная характеристика метки/кода нанесена, кроме того, повсеместно на предмет. Если обе спектральные характеристики будут распознаны, и они будут соответствовать друг другу, удостоверение продукта выполняется без доступа к внешней базе данных. В системе используется освещающий свет для возбуждения флуоресцентной метки, спектрометр, для анализа его характеристики, и камера, для идентификации кода.
Во всех описанных выше системах используются спектральные свойства метки, имеющие структуру носителя кода. Использование спектрометра в дополнение к камере обеспечивает наивысшую степень точности и, таким образом, гарантирует самый высокий уровень защиты. Однако даже если в определенных системах используются такие два детектора, они не обеспечивают возможность полностью независимой установки и параметров их получения, таких как время интеграции и интенсивность возбуждающего света. Кроме того, ни один из упомянутых выше способов не использует полностью преимущества из информации, доступной в изображениях камер, поскольку они не анализируют их спектральные характеристики перед анализом информации, записанной спектрометром.
Поэтому желательно обеспечить дополнительные системы и способы для идентификации и аутентификации защитных кодов/меток, которые имеют уникальные пространственные и спектральные свойства, используя оптимизированное средство идентификации и аутентификации, такое средство обеспечивает возможность быстрой и надежной обработки при аутентификации.
Сущность изобретения
Здесь раскрыта система для идентификации и аутентификация метки, нанесенной на объект, в которой метка определена, по меньшей мере, одной люминесцентной пространственной структурой и одной спектральной характеристикой оптически активных наночастиц, а именно, люминесцентных наночастиц, содержащихся в упомянутой метке и определяющих упомянутую пространственную структуру. Система содержит:
модуль считывания для получения информации метки, упомянутый модуль считывания, содержащий: модуль освещения, содержащий источник света, возбуждаемый в импульсном режиме, упомянутый источник света выполнен с возможностью освежения метки светом возбуждения, таким образом, чтобы возбудить люминесцентные частицы метки, в результате чего, происходит эмиссия меткой люминесцентной пространственной структуры; модуль формирования изображения выполнен с возможностью записи изображения упомянутой пространственной структуры; спектральный модуль выполнен с возможностью записи спектра упомянутой спектральной характеристики; модуль управления временными характеристиками выполнен с возможностью синхронизации действий других модулей в режиме считывания; и
модуль обработки, сообщающийся одновременно с модулем считывания и с базой данных, содержащей пространственные структуры и спектральные характеристики заданных меток, упомянутый модуль обработки, содержащий: модуль декодирования, выполненный с возможностью декодирования изображения, записанного модулем формирования изображения, предоставления серийного номера, соответствующего упомянутому изображению, и сравнения упомянутого серийного номера с соответствующими серийными номерами заданных меток для идентификации метки; модуль удостоверения, выполненный с возможностью сравнения спектра, записанного спектральным модулем, со спектрами заданных меток для аутентификации метки, и модуль считывания для раскрытия информации о метке после аутентификации.
Модуль формирования изображения и спектральный модуль, предпочтительно, могут записывать свои соответствующие сигналы последовательно, получение ими сигналов синхронизируется с разными световыми импульсами возбуждения.
В варианте осуществления используются первый и второй импульсы света возбуждении.
В варианте осуществления получение сигналов модулем формирования изображения синхронизировано с первым импульсом возбуждения света, и получение сигнала вторым спектральным модулем синхронизировано со вторым импульсом.
В одном варианте осуществления модуль формирования изображения записывает сигнальное изображение и фоновое изображение, и спектральный модуль записывает сигнальный спектр и фоновый спектр.
В одном варианте осуществления модуль декодирования выполняет идентификацию метки, используя изображение, получаемое в результате вычитания фонового изображения, из сигнального изображения, и спектральный модуль выполняет удостоверение метки, используя спектр, получаемый в результате вычитания фонового спектра из сигнального спектра.
В варианте осуществления система дополнительно содержит модуль глобального позиционирования и модуль определения местоположения.
Также здесь раскрыт способ для идентификации и аутентификации метки, нанесенной на объект, в котором метка определена по меньшей мере одной люминесцентной пространственной структурой и одной спектральной характеристикой люминесцентных частиц, содержащихся в упомянутой метке, и определяющей упомянутую пространственную структуру, содержащий следующие этапы: освещают метку светом возбуждения, излучаемым источником света, возбуждаемым в импульсном режиме для возбуждения люминесцентных частиц метки, в результате чего, происходит эмиссия люминесцентной пространственной структуры из метки; записывают с помощью модуля формирования изображения изображение упомянутой пространственной структуры; записывают с помощью спектрального модуля спектр упомянутой спектральной характеристики; декодируют, используя модуль декодирования, упомянутое изображение для идентификации метки; и удостоверяют с помощью модуля удостоверения упомянутый спектр для аутентификации метки.
Модуль формирования изображения и спектральный модуль, предпочтительно, могут последовательно записывать свои соответствующие сигналы, получение их сигналов синхронизировано с разными импульсами света возбуждения.
В варианте осуществления используются первый и второй импульсы света возбуждении.
В варианте осуществления получение сигналов модулем формирования изображения синхронизировано с первым импульсом света возбуждения, и получение сигнала спектральным модулем синхронизировано со вторым импульсом света возбуждения.
В варианте осуществления модуль формирования изображения записывает сигнальное изображение и фоновое изображение, и спектральный модуль записывает сигнальный спектр и фоновый спектр.
В варианте осуществления модуль декодирования выполняет идентификацию метки, используя изображение, получаемое в результате вычитания фонового изображения из сигнального изображения, и спектральный модуль выполняет удостоверение метки, используя спектр, получаемый в результате вычитания фонового спектра из сигнального спектра.
В одном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап определения точного положения метки.
Также здесь раскрыт способ для идентификации и аутентификация метки, нанесенной на объект, в котором метка определена по меньшей мере одной люминесцентной пространственной структурой и одной спектральной характеристикой люминесцентных частиц, содержащихся в упомянутой метке и определяющих упомянутую пространственную структуру, содержащий следующие этапы: освещают метку светом возбуждения, излучаемым источником света, возбуждаемым в импульсном режиме для возбуждения частиц метки, в результате чего происходит эмиссия люминесцентной пространственной структуры из метки; записывают с помощью модуля формирования изображения сигнальное изображение и фоновое изображение упомянутой пространственной структуры; вычитают фоновое изображение из сигнального изображения для определения изображения упомянутой пространственной структуры; записывают с помощью спектрального модуля сигнальный спектр и фоновый спектр упомянутой спектральной характеристики; вычитают фоновый спектр из сигнального спектра для определения спектра упомянутой спектральной характеристики; декодируют с помощью модуля декодирования упомянутые изображения для идентификации метки, и удостоверяют, используя модуль удостоверения, упомянутое изображение и спектр путем разложения упомянутого изображения на разные цветовые компоненты и сравнения отношения интенсивности между упомянутыми цветовыми компонентами с информацией, содержащейся в базе данных, и сравнивают упомянутый спектр для сигнального спектра со спектрами, содержащимися в базе данных.
В варианте осуществления модуль декодирования выполняет этап предварительного удостоверения, состоящий в проверке присутствия пространственной структуры в изображении, получаемом в результате вычитания фонового изображения из сигнального изображения.
В одном варианте осуществления модуль удостоверения выполняет первый уровень удостоверения, используя информацию, записанную модулем формирования изображения, путем разложения изображения метки на три цветовых компонента и анализа их отношений.
В варианте осуществления модуль удостоверения выполняет второй и третий уровни удостоверения, используя информацию, записанную спектральным модулем, путем анализа пиковых интенсивностей на некоторых длинах волн и отношений между этими значениями.
В одном варианте осуществления модуль удостоверения выполняет дополнительный этап расчета времени существования флуоресценции для люминесцентных частиц.
Также здесь раскрыта метка, содержащая множество точек люминесцентного материала, определяющих код, содержащий множество значений, больших, чем двоичные значения, путем использования различных типов люминесцентных материалов, излучающих разные спектры. Метка, нанесенная на объект, определена по меньшей мере одной люминесцентной пространственной структурой и одной спектральной характеристикой люминесцентных частиц, содержащихся в упомянутой метке и определяющих упомянутую пространственную структуру, при этом метка содержит множество точек. Каждая точка содержит один или больше люминесцентных материалов, в которых одна или больше точек содержит по меньшей мере один люминесцентный материал, отличающийся от по меньшей мере одного люминесцентного материала в одной или больше других точках, разные люминесцентные материалы излучают различные спектры таким образом, что метка определяет код, содержащий множество значений, больших, чем двоичные значения.
Дополнительные предпочтительные аспекты и свойства изобретения будут понятны из подробного описания изобретения и чертежей.
Краткое описание чертежей
Особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны в отношении следующего подробного описания, формулы изобретения и чертежей, на которых:
на фиг. 1 иллюстрируются метка и модуль считывания системы, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 иллюстрируется пример объекта, помеченного несколькими типами люминесцентных частиц, внедренных в объект, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;
на фиг. 3 иллюстрируются примеры пространственных структур меток, которые могут быть считаны с помощью системы, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;
на фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 представлена временная диаграмма, поясняющая структуру синхронизации модуля считывания, используемого в системе, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 представлена блок-схема последовательности операций примерного способа, выполняемого системой по фиг. 1;
на фиг. 7 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 8 показан график, иллюстрирующий пример спектра метки, полученной модулем считывания системы после вычитания фонового изображения, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения Изобретение относится к системе и способу, обеспечивающим возможность аутентификации, отслеживания и локализации помеченных продуктов с высоким уровнем защиты с любого расстояния. Система содержит модуль считывания, модуль обработки и базу данных, содержащую сохраненные идентичности меток. Идентичность метки определяется двумя различными характеристиками: люминесцентной пространственной структурой и уникальной оптической спектральной характеристикой. Метка содержит или формирует пространственную структуру и содержит люминесцентный материал в определенных флуоресцентных частицах. В результате детектирования этих двух характеристик с помощью модуля считывания информация обрабатывается, и идентичность метки удостоверяется в отношении информации, уже содержащейся в базе данных, что позволяет, таким образом, выполнять аутентификацию продукта. Эта общая процедура обеспечивает возможность идентификации и аутентификации продукта. Кроме того, система обеспечивает возможность выявлять точное положение метки, используя комбинацию оптических измерений и глобального позиционирования.
1. Определения
Представленные ниже термины имеют следующее значение, если только в описании не будет указано другое.
"Метка" представляет собой метку идентичности, имеющую две отдельные характеристики: люминесцентная пространственная структура и уникальная оптическая спектральная характеристика. Метка может быть закреплена на различных продуктах и предметах, которые должны быть аутентифицированы. Продукты, на которых нанесена метка, называются "помеченными" или "маркированными" продуктами.
"Пространственная структура" или "люминесцентная пространственная структура" представляет собой специфичную, одно- или двух- или трехмерную структуру, которая может быть идентифицирована и может быть сопоставлена с уникальным серийным номером. Структура может принимать любую форму и/или может формировать одно-, двух- или трехмерный код. Например, она может содержать множество уровней, представляющих трехмерную пространственную протяженность.
"Спектральная характеристика" относится к распределению люминесцентного света, излучаемого меткой вдоль оси длины волны. Она может быть измерена с помощью различных инструментов, таких как, например, спектрометр или цифровая камера. При измерении с помощью спектрометра, эта характеристика называется спектром или спектрами. Если она записана цветной камерой, полученный в результате цвет изображения будет определен упомянутой спектральной характеристикой.
"Частицы" представляют собой металлические кристаллы или порошки с диаметром, обычно в пределах микрометрового, субмикрометрового или нанометрового диапазона. При освещении светом возбуждения в диапазоне длин волн от 800 до 2000 нм (обычно 980 нм) такие частицы излучают свет со специфичной спектральной характеристикой в диапазоне от 450 до 900 нм. Каждый тип частиц характеризуется специфичной и уникальной спектральной характеристикой, в зависимости от ряда параметров, таких как его химический состав, размер или форма. Смесь нескольких типов частиц будет иметь уникальную спектральную характеристику, в зависимости от концентрации каждого типа частиц, содержащихся в смешанном растворе/порошке.
"Люминесцентный материал" представляет собой материал, который выполняет преобразование вверх или преобразование вниз света возбуждения, такой как люминесцентные частицы, внедренные или удерживаемые вместе в материале связующего или в материале матрицы, например, в эпоксидном или другом полимерном материале.
"Свет возбуждения" представляет собой электромагнитную энергию на первой заданной длине волны или в заданном диапазоне длин волн, который может быть преобразован с повышением, соответственно, преобразован с понижением люминесцентным материалом для получения света на второй заданной длине волны или в заданном диапазоне длин волн, в результате чего свет возбуждения может находиться за пределами зоны видимого диапазона, например, может представлять собой инфракрасный или ультрафиолетовый свет, и получаемый свет находится диапазоне, видимом для глаза человека.
"Идентификация", "идентифицировать", как используются здесь, относятся к этапу декодирования первой характеристики метки, в частности, пространственной структуры, на основе соответствия данным, хранящимся в базе данных. Каждая пространственная структура относится к одному серийному номеру.
"Декодирование" означает считывание серийного номера, кодированного в пространственную структуру, и проверку его целостности. Такая обработка уникально основана на характеристике пространственной структуры метки. Успешное декодирование метки обеспечивает возможность ее "идентификации".
"Аутентификация", "аутентифицировать", используемые здесь, относятся к этапу удостоверения второй характеристики метки, в частности, спектральной характеристики. Этот этап выполняется после этапа идентификации и, таким образом, доказывает, что продукт является подлинным.
"Удостоверение", "удостоверять" означает анализ спектральной характеристики метки, например, через информацию, записанную как цветной камерой, так и спектрометром. Эта обработка выполняется после обработки декодирования. Успешное удостоверение метки обеспечивает ее "аутентификацию".
2. Метка
В этом разделе описана метка, которая может быть идентифицирована и аутентифицирована в системе, в соответствии с изобретением. Идентификация метки определена двумя различными характеристиками: люминесцентной пространственной структурой и уникальной спектральной характеристикой, специфичными для люминесцентных частиц, содержащихся в пространственной структуре. Метка содержит или формирует пространственную структуру, представляющую некоторый тип информационного кода. Она содержит люминесцентный материал. Как показано на фигуре 1, когда ее возбуждают инфракрасным (IR) светом (800-2000 нм, обычно 980 нм), излучаемым модулем 114 освещения, люминесцентная структура, присутствующая в метке 101, излучает свет с более короткими длинами волн (450-900 нм). Это, так называемое, оптическое преобразование вверх представляет собой антистоксову флуоресцентную обработку и приводит к специфичной спектральной характеристике для излучаемого света. Свет возбуждения также может находиться в ультрафиолетовом диапазоне (280-400 нм, обычно 375 нм), в результате чего, происходит эмиссия видимого света люминесцентными частицами, благодаря эффекту преобразования вниз. Излучаемый свет собирается инструментом считывателя, содержащим модуль 110 считывания системы 100, по двум различным каналам: модулем 111 формирования изображения и спектральным модулем 112. Модуль 111 формирования изображения записывает изображение (например, 102) люминесцентной пространственной структуры, когда прикладывают свет возбуждения, в то время как спектральный модуль 111 записывает его подробное спектральное распределение, то есть, спектр (например, 103). Идентичность метки состоит, как из пространственной структуры, так и из спектральной характеристики люминесцентных частиц, внедренных в люминесцентный материал.
Пространственная структура представляет собой одно- или многомерную структуру, формируемые в результате характеристичного распределения люминесцентного материала в метке. Оно возникает вследствие того, что люминесцентный свет излучается только в заданных областях метки 101, содержащих люминесцентные частицы, в то время как другие области метки остаются неактивными. Для формирования метки, частицы могут быть внедрены в принимающий материал (такой как полимер) перед его нанесением на другой материал. Метка может быть непосредственно сформирована на маркированном продукте или может формировать готовый узел, который затем закрепляют или соединяют с маркированным продуктом. Она может быть создана на (или может быть закреплена на) любом типе материала.
Когда пространственная структура состоит из периодически повторяющихся структур, большое количество кодов формируется путем изменения контраста каждой индивидуальной структуры. Матричный код данных, составленный из квадратных структур, представляет собой типичный двумерный пример таких структур.
Неорганические частицы (например, фториды, легированные лантаноидами), используемые в материале, формирующем метки, подают в форме порошка, и для изготовления меток, они могут быть смешаны с полимером (например, эпоксидной смолой) в жидкой фазе. Люминесцентный материал, таким образом, может содержать люминесцентные частицы, внедренные в полимерный материал, который может быть легко напечатан или по-другому нанесен на изделие, которое должно быть помечено (маркировано). Материал, формирующий метку, может, однако, быть изготовлен другими путями и используя другие известные материалы, если только материал метки проявляет свои люминесцентные свойства при возбуждении выбранным светом возбуждения, как описано выше. Люминесцентные частицы могут, например, быть непосредственно закреплены на поверхности маркированного продукта, используя его поверхность в качестве принимающей матрицы.
Метки могут быть внедрены в изделия, содержащие несколько типов материалов, таких как кожа, стекло, металл, пластик или дерево. В варианте осуществления пространственная структура может быть сформирована путем нанесения люминесцентного материала в виде множества дискретных точек или дискретных островков. Дискретные точки или островки в их самой простой форме могут иметь основную форму, которая, по существу, является круглой, однако, они могут иметь различные другие основные формы, такие как эллиптические, квадратные, прямоугольные, многоугольные, треугольные или любую другую правильную или неправильную форму. Дискретные точки или островки люминесцентного материала с разными основными формами могут быть скомбинированы в виде меток.
В варианте осуществления последовательность отверстий или выемок, описывающих пространственную структуру, формируют на объекте, для маркировки. Отверстие или выемка могут формировать или могут охватывать основную форму упомянутой выше точки или островка. Отверстия или выемки, формирующие пространственную структуру, могут быть сформированы непосредственно на объекте, используя любую технологию гравировки, такую как лазер, вытравливание, механическая штамповка или микромеханическая обработка. Затем люминесцентный материал наносят на несколько из этих выемок для определения специфичного пространственного кода, идентифицирующего объект.
В варианте осуществления в изделии, которое должно быть помечено, может быть предусмотрен стандартный набор выемок или отверстий в структуре, которые являются общими для стандартного набора на других изделиях, однако, люминесцентный материал может быть нанесен только в поднаборе стандартного набора, или в любой комбинации выемок меньшей, чем полный набор выемок, для формирования различных пространственных структур. Это позволяет уменьшить затраты на производство, связанные с формированием выемок или отверстий на поверхности изделия, которое должно быть помечено, что позволяет легко конфигурировать печать или нанесение люминесцентного материала в различных конкретных положениях.
После этого, защитный слой, например, из полимерного материала, может быть нанесен поверх люминесцентного материала. Оставшиеся отверстия или выемки, которые не содержат люминесцентные частицы, также могут быть заполнены этим материалом защитного слоя. Материал защитного слоя может быть разных типов при условии, что он не является непрозрачным в диапазоне длин волн света возбуждения и света, излучаемого люминесцентными материалами, предпочтительные материалы включают в себя полимерные материалы.
На фиг. 2 показан пример предмета, непосредственно маркированного с использованием предложенных технологий, где люминесцентный материал непосредственно внедрен в отверстия, сформированные в предмете. Первое отверстие заполнено первым типом люминесцентного материала 104 (частицы, внедренные в принимающую матрицу) и покрыто защитным слоем 105. Второе отверстие заполнено другим типом люминесцентного материала 106 и покрыто защитным слоем 105, в то время как третье отверстие представляет пример возможности заполнения отверстия двумя разными типами люминесцентных материалов (104 и 106), расположенных слоями, покрытых защитным слоем 105. Четвертое отверстие заполнено третьим типом люминесцентного материала 107, в то время как пятое отверстие заполнено только защитным слоем 105 и не содержит люминесцентных частиц.
2
Как представлено на фиг. 3, разные конструкции кода представлены разными пространственными структурами дискретных точек, имеющих круглые основные формы, например, имеющие диаметр в диапазоне 20-300 мкм и общую площадь приблизительно 1-40 мм. Точки могут быть расположены пространственно для формирования разных форм и размеров меток в зависимости от варианта применения. В этом примере точки люминесцентного материала образуют двоичный код, интерпретируемый системой считывания. Точки в метке, таким образом, определяют конкретную структуру, которая может формировать уникальный код.
Код может содержать множество значений, больших, чем двоичные значения. В результате использования различных люминесцентных материалов, излучающих разные спектры для формирования разных точек, каждая точка может представлять больше чем два возможных значения, количество значений зависит от количества различных представленных идентифицируемых спектров. Различные люминесцентные материалы могут быть получены, используя разные люминесцентные частицы, или путем разного смешения разных люминесцентных частиц. Плотность люминесцентных частиц в люминесцентном материале также может изменяться для изменения интенсивности считывания, которая может предоставлять дополнительные значения для кода.
3. Система и способ
В данном разделе описана система 100, выполненная с возможностью идентификации, аутентификации и локализации метки. Идентификация и аутентификация достигаются путем декодирования пространственной структуры и удостоверения спектральной характеристики, содержащейся в метке. Локализация инструмента считывателя выполняется путем использования глобальной навигационной системы. В комбинации с оптической локализацией, обеспечиваемой системой, точное положение метки идентифицируют и записывают в базу 130 данных.
Система 100 содержит модуль 110 считывания, сообщающийся с модулем 120 обработки, который, в свою очередь, сообщается с базой 130 данных во время обработки декодирования и удостоверения, а также во время считывания. На фиг. 4 раскрыта блок-схема всей системы и взаимодействия между разными модулями.
Система 100, предпочтительно, построена, как часть портативного устройства. Однако, для вариантов применения, когда удобно сканировать метки в фиксированных положениях, система может быть разработана и может работать, как фиксированный модуль. Инструмент считывателя предоставляет интерфейс пользователя, который позволяет пользователю управлять и связываться с системой 100. Инструмент считывателя управляется программным обеспечением, которое встроено в устройство обработки, такое как компьютер.
Модуль 110 считывания, может содержать следующие модули:
Модуль 114 освещения, который обеспечивает однородное освещение метки от по меньшей мере одного источника света на длине волны, соответствующей длине волны возбуждения люминесцентных частиц, содержащихся в метке, обычно в инфракрасном спектре при использовании эффекта преобразования «вверх». Такой источник света возбуждается в импульсном режиме, который инициируется модулем 115 управления временными характеристика. Для формирования структуры освещения выход источника света перенаправляют в направлении метки через оптическую систему (содержащую такие элементы, как линзы, зеркала и оптические волокна). Из соображений безопасности индикатор освещения может предпочтительно быть размещен снаружи на инструменте считывателя, с тем чтобы обозначать для пользователя, излучает ли свет источник света или нет. Таким индикатором освещения можно управлять с помощью модуля 115 управления временными характеристиками. В другом варианте осуществления модуль 114 освещения содержит по меньшей мере один дополнительный источник света на любой длине волны для детектирования других оптических эффектов, чем преобразование с повышением, которое может быть сгенерировано меткой.
Модуль 111 формирования изображения затем собирает изображение, излучаемое меткой 101, используя по меньшей мере один датчик, такой как цветная микросхема CMOS или CCD. В этом модуле оптический фильтр отбрасывает оставшийся свет возбуждения. Датчик получает и передает данные в модуль 121 обработки. Изображения соответствуют визуальным представлениям пространственной структуры.
Модуль 111 формирования изображения может записывать изображения, в то время как свет возбуждения включают или выключают. Изображение, записываемое, когда свет возбуждения включен, соответствует "сигнальному" изображению, тогда как изображение, записываемое, когда свет возбуждения выключен, называется "фоновым" изображением. Фоновое изображение может быть записано перед или после записи сигнального изображения.
Спектральный модуль 112, который собирает люминесцентный свет, излучаемый меткой, и перенаправляет его в направлении спектрометра, например, используя оптическое волокно. Оптический фильтр отбрасывает оставшийся свет возбуждения. Спектрометр может быть выполнен на основе дифракционной решетки, объектива, формирующего изображение, и линейного массива CCD. В другом варианте осуществления в спектрометре используются другие оптические компоненты для записи спектра, такие как призма и/или детектор CMOS. Спектрометр записывает спектр и передает данные в модуль 121 обработки.
Спектральный модуль 112 может записывать спектр, в то время как свет возбуждения включен или выключен. Спектр, записываемый, когда свет возбуждения включен, соответствует "сигнальному" спектру, тогда как свет, записываемый в то время как свет возбуждения выключен, называется "фоновым" изображения. Фоновый спектр может быть записан перед или после записи сигнального спектра.
Поскольку метка может содержать разные типы люминесцентных частиц в разных местах расположения, спектральный модуль 112 может выполнять растровое сканирование малой области сбора света над меткой и получать каждый сигнал последовательно. Это обеспечивает возможность независимой аутентификации спектральной характеристики каждой точки (или островка). Такое сканирование малой области сбора во всем поле обзора может выполняться путем использования гальванических зеркал. Такая конфигурация также может потребовать использования нескольких импульсов света возбуждения и синхронного сканирования меньшей области возбуждения и области сбора.
Модуль 115 управления временными характеристиками управляет последовательностью обработки считывания. Этот модуль инициирует импульсы света модуля 114 освещения и синхронизирует получение данных модулем 111 формирования изображения и спектральным модулем 112. Каждый из этих двух модулей последовательно получает данные, синхронизированные с индивидуальными импульсами света. Обработка считывания может выполняться непрерывно, автоматически или может включаться вручную. В ручном режиме пользователь, управляющий системой, нажимает на физический инициатор, размещенный в инструменте считывателя, для обеспечения считывания. Во время его удержания, такой инициатор обеспечивает повторный вывод импульсов света так, как представлено на фиг. 5. На фиг. 5, сверху вниз, линии представляют (а) "инициатор" (система включена), (b) импульсы света модуля 114 освещения, (с) инициатор камеры модуля 111 формирования изображения и (d), инициатор спектрометра спектрального модуля 112. А1 и А2 представляют амплитуды импульсов света (оптическая мощность); t1 и t2, длительность импульса 1 и импульса 2, соответственно. Задержка 1-4 представляет время, через которое излучается инициирующий импульс на модуль формирования изображений и спектральный модуль для запуска получения сигнального изображения/спектра и фонового изображения/спектра на соответствующих инициирующих линиях (инициаторы камеры и спектрометра). Значения времени интегрирования камеры и спектрометра представлены, как Δt,c и Δt, s, соответственно. Время интегрирования представляет собой период, в течение которого датчик подвергается воздействию света. В этом примере линия разрешения позволяет генерировать один полный цикл двух импульсов с остановкой после первого импульса света второго цикла.
Модуль 115 управления временными характеристиками излучает 2 инициирующих события на каждую инициирующую линию. Первая линия (с), соединенная с камерой, обеспечивает инициирование в начале импульса 1 и после задержки 1, в то время как вторая линия (d), соединенная со спектрометром, обозначает начало импульса 2 и также окончание задержки 3. Каждый инициатор на линии камеры и линии спектрометра обеспечивает возможность получения данных. Использование последовательных импульсов, предпочтительно двух, для (импульса 1) камеры и (импульса 2) спектрометра позволяет независимо устанавливать амплитуду и длительность каждого импульса. Поскольку модуль 111 формирования изображения и спектральный модуль 112 имеют абсолютно разную чувствительность, последовательное получение позволяет независимо обеспечивать максимальное отношение сигнал-шум для каждого компонента. Другое преимущество такой структуры синхронизации состоит в том факте, что обработка данных, полученных модулем 111 формирования изображения для первого импульса, может начаться, в то время как спектральный модуль 114 все еще получает данные. Это позволяет обеспечить более быструю обработку аутентификации. Кроме того, такая структура синхронизации позволяет выполнять вычитание фонового изображения. Действительно, благодаря записи фонового изображения и спектра в то время, когда источник света выключен (при инициирующем событии после задержек 1 и 3, соответственно), обеспечивается возможность вычитания фонового изображения/спектра, полученных в "темноте", из сигнального изображения/спектра, полученных в то время, когда свет возбуждения включен. Такая процедура существенно улучшает сигнал, представляющий интерес, поскольку отбрасывает эффект паразитного окружающего света.
На фиг. 5 иллюстрируется конкретный пример последовательности обработки считывания, управляемой модулем 115 временной характеристики. Для начала цикла получения пользователь нажимает, например, на физический инициатор, помещенный на считывателе. При его удержании нажатым, такой инициатор обеспечивает вывод импульсов лазера. Плата возбуждения лазера содержит 2 линии возбуждения, непосредственно соединенных с камерой и спектрометром. Структура синхронизации определена в файле конфигурации при использовании следующих параметров:
- А1 и A2: амплитуды импульсов лазера, определенные в отношении тока, возбуждающего лазерный диод, который пропорционален оптической мощности
- t1 и t2: длительность импульса 1 и импульса 2
-задержка 1, 2, 3 и 4: после задержки 1 плата лазера излучает инициирующий импульс на линию инициирования камеры (получение фонового изображения), 2-ая задержка позволяет устанавливать время перед вторым импульсом, и 3-я задержка устанавливает время ожидания перед получением фонового изображения спектрометра. Задержка 4 определяет время ожидания перед следующим циклом.
- Δt,c и Δt,s представляют время интегрирования камеры и спектрометра, соответственно. Время интегрирования представляет собой период, в течение которого датчик подвергается воздействию света. Эти два значения логически установлены равными t1 и t2.
В этом конкретном примере плата возбуждения лазера излучает 2 инициирующих события в каждую линию инициатора. Первая линия, соединенная с камерой, обеспечивает инициатор в начале импульса 1 и после задержки 1, в то время как вторая линия, соединенная со спектрометром, обозначает начало импульса 2 и также конец задержки 3. Линии камеры и спектрометра позволяют получать данные.
Использование двух последовательных импульсов для камеры и спектрометра позволяет независимо устанавливать амплитуду и длительность каждого импульса. Поскольку камера и спектрометр могут иметь абсолютно разную чувствительность, это обеспечивает возможность оптимизации отношения сигнал-шум для каждого компонента.
Другое преимущество такой структуры синхронизации состоит в вычитании фонового изображения. Действительно, в результате записи данных, как для камеры, так и для спектрометра, в то время как лазер выключен (инициирующее событие включения после задержек 1 и 3, соответственно), это позволяет рассчитывать разностное изображение/спектр, где вычитают фоновое изображение/спектр, полученные в "темноте", из сигнального изображения/спектра, полученных, когда свет возбуждения включен. Эта процедура существенно улучшает сигнал, представляющий интерес, поскольку она отбрасывает влияние паразитного окружающего света.
Считыватель может содержать индикатор статуса, например, красный и зеленый светодиоды. Красный LED, например, помещенный поверх считывателя, обозначает для пользователя, когда лазер включен, по соображениям безопасности. Его затем синхронизируют с линией разрешения. Зеленый светодиод может быть включен на несколько секунд после успешной аутентификации метки. Это событие может инициироваться программными средствами и может быть передано модулем управления временными характеристиками на светодиод.
Информация, получаемая модулем 110 считывания, поступает в модуль 120 обработки, который может содержать следующие модули:
Модуль 121 декодирования, который обеспечивает возможность идентификации метки, используя изображения (фоновое и сигнальное), передаваемые модулем 111 формирования изображения. Пространственную структуру декодируют для получения серийного номера метки. Декодирование может выполняться различными известными способами, такими как штрих-код или считывание кода быстрого отклика (QR) (см., например, ЕР0672994 для декодирования кода QR). Декодирование также может быть выполнено, используя распознавание простых образов, где каждый серийный номер метки уникально сопоставлен с определенной структурой. Затем устанавливается сообщение с базой 130 данных для проверки существования такого номера в базе 130 данных. Если этот номер уже существует в базе 130 данных, метка 101 рассматривается, как идентифицированная.
Модуль 122 удостоверения, который обеспечивает возможность аутентификации метки, используя спектры (фоновый и сигнальный), переданные спектральным модулем 112. Спектр сравнивают с заданными спектрами "аутентичных" меток, содержащихся в базе 130 данных. Математические критерии используются для выполнения точного сравнения и, таким образом, позволяют сделать вывод, является ли предмет подлинным или нет.
Модуль 122 удостоверения может, кроме того, использовать изображения (фоновое и сигнальное), получаемые модулем 111 формирования изображения. В этом случае он переходит к обработке удостоверения за два отдельных этапа: анализ цветов изображения, после которого следует упомянутый выше анализ спектра. В первом этапе анализ цветов изображения, после вычитания фонового изображения, состоит в разложении изображения пространственной структуры на три цветовых канала: красный, зеленый и синий. Такое разложение может быть выполнено, используя известные технологии, такие как технология, описанная в US8313030. Действительно, используя цветную камеру, каждый пиксель изображения кодируют по более чем трем значениям, соответствующим красному, зеленому и синему компонентам света. При считывании метки, отношения интенсивности между этими тремя компонентами являются специфичными для типа частиц, содержащихся в метке. Таким образом, это позволяет быстро удостоверить или признать недействительной метку. На втором этапе спектр, получаемый спектральным модулем 112, сравнивают с определенными спектрами "аутентичных" меток, сохраненными в базе 130 данных. Такая вторая процедура удостоверения предлагает большую точность, чем первая и, поэтому, необходима для обеспечения высокой степени защиты. Однако требуемые расчеты занимают много времени. Следовательно, такой двухступенчатый способ исключает инициирование относительно длинных расчетов для аутентификации спектральной характеристики, которая явно не имеет правильного соответствия в базе данных 130, поскольку она будет отброшена на первом этапе. Кроме того, такой подход обеспечивает больше надежности и защиты для аутентификации.
Модуль 124 считывания, который раскрывает информацию о метке после аутентификации. Этот модуль может использоваться в качестве интерфейса пользователем для записи информации о месте положения и состоянии продукта в базе 130 данных. Пользователь также может консультироваться с базой 130 данных для получения дополнительной информации о продукте.
Модуль 125 конфигурации системы, который загружает файлы конфигурации из модуля 120 обработки в модуль 110 считывания. Такая конфигурация устанавливает все параметры, которые необходимы для разных модулей в модуле 110 считывания, такие, как, например, моменты времени интегрирования различных датчиков или длительности и амплитуды световых импульсов модуля 114 освещения. Такие установки загружают перед каким-либо считыванием метки.
База 130 данных, которая содержит заданные пространственные структуры и спектральные характеристики, обеспечивающие возможность идентификации и аутентификации каждой метки. Она может содержать различную информацию о продуктах на рынке (например, описание, изображение, местоположение), записанную пользователями. Пользователь также может хранить текущую информацию о продуктах на рынке (например, местоположение, состояние продукта). База данных может частично или полностью содержаться в удаленном электронном устройстве. Доступ к нему может осуществляться только инструментами считывателя, которые были ранее авторизованы.
В предпочтительном варианте осуществления, как представлено на фиг. 7, система 100 содержит два дополнительных модуля: модуль 113 глобального позиционирования в модуле 110 считывания и модуль 123 локализации в модуле обработки. Модуль 113 глобального позиционирования связывается с модулем 123 локализации, и модуль 111 формирования изображения связывается с модулем 121 декодирования, модулем 122 удостоверения и модулем 123 локализации.
Модуль 113 глобального позиционирования получает доступ к локальному положению инструмента считывателя (например, используя модуль GPS или A-GPS) и, в зависимости от приложения, он также отслеживает направление, в котором указывает считыватель, используя электронный компас и инклинометр. После каждого успешного удостоверения эту информацию передают в модуль обработки.
Модуль 123 локализации определяет точное глобальное положение метки. Это положение рассчитывают за три этапа на основе информация, переданной модулем 111 формированием изображений и модулем 113 глобального позиционирования. Во-первых, расстояние между инструментом считывателя и меткой оптически измеряют на основе информации модуля 111 формирования изображения. Во-вторых, относительное положение метки в отношении инструмента считывателя рассчитывают, используя расстояние и направление, в котором указывает инструмент считывателя. В-третьих, относительное положение метки добавляют к глобальному положению считывателя. Оптическая локализация позволяет получить более высокую точность при определении положения метки по сравнению со стандартными способами, такими как радиосистемы. Оптическое измерение расстояния может быть основано на нескольких технологиях, в зависимости от рабочего расстояния считывателя (расстояние между считывателем и меткой). Для расстояний вплоть до нескольких метров расстояние определяют либо используя оптическую конструкцию (с фиксированными линзами фокусирования), либо его рассчитывают путем измерения положения линз с автофокусированием. Для более длинных расстояний расстояние рассчитывают путем измерения времени распространения (время на распространение света от считывателя до метки и обратно) или аналогично, используя способы сдвига фаз. Для воплощения таких технологий модуль 111 формирования изображения может содержать дополнительный специальный датчик, такой как фотодиод. Этот этап позволяет использовать разные схемы определения времени с модуляцией времени по интенсивности света возбуждения.
Идентификация и аутентификация метки 101 достигаются путем декодирования и удостоверения пространственной структуры и спектральной характеристики, содержащейся в метке, используя систему 100.
Обработка декодирования начинается, как только будут получены два изображения, переданные камерой. Первое изображение соответствует сигналу, и второе изображение соответствует фоновому изображению. Декодирование может быть выполнено, используя только первое изображение, или на основе сигнала после вычитания фонового изображения. Программное обеспечение считывает пространственный код из изображения, например, используя встроенную функцию обычного считывателя изображения, такую как можно найти в программном обеспечении Labview™ (National Instruments Inc.), и возвращает число, которое затем сопоставляют с базой данных для получения идентичности метки. Перед декодированием может возникать этап предварительного удостоверения (описан ниже).
Если идентичность кода присутствует в базе данных, начинается обработка удостоверения. Эта процедура, в примерном варианте выполнения, может быть разделена на множество уровней, например, на 3 уровня: первый уровень работает с изображениями, полученными камерой, в то время как последние два уровня могут быть основаны на спектральных профилях, записанных спектрометром. Каждый этап является более ограничительным, чем предыдущий, таким образом, повышая защиту.
- Уровень 1
разностное изображение раскладывают на 3 цветовых канала, то есть красный, зеленый и синий
отношения цветов соответствуют информации в базе данных ⇒
ПРОПУСТИТЬ
отношения цветов не соответствуют информации в базе данных ⇒
ОТБРАКОВАТЬ
- Уровень 2
распознавание длины волны пика по разностному профилю спектра
положения пика соответствуют информации в базе данных ⇒
ПРОПУСТИТЬ
положения пика не соответствуют информации в базе данных ⇒
ОТБРАКОВАТЬ
- Уровень 3
расчет отношений интенсивности между несколькими специфичными пиками
отношения соответствуют информации в базе данных ⇒
ПРОПУСТИТЬ
отношения не соответствуют информации в базе данных ⇒
ОТБРАКОВАТЬ
Для аутентификации, в представленном выше примере, метка должна пройти обработку на этих 3 уровнях удостоверения, выполняемую программным обеспечением считывателя.
Уровень 1 при обработке удостоверения, выполняемой программным обеспечением считывателя, обеспечивает для системы возможность определения, является ли люминесцентный материал определенным выбранным люминесцентным материалом и, таким образом, является ли он аутентичным или нет. Если бы он мог представлять собой какой-либо стандартный люминесцентный материал, он мог бы светиться в широком спектре, в то время как специфичные выбранные люминесцентные частицы могут генерировать только определенные пики в определенных полосах, например, в зеленой полосе (приблизительно 550 нм) и в красной полосе (приблизительно 670 нм) видимого спектра, как представлено на фиг. 8. Конкретный выбранный материал имеет считываемую характеристику спектра, которая отличает его от других люминесцентных материалов, которые обладают другой характеристикой спектра. В этом примере интенсивность зеленого канала больше, чем в красном канале, в то время как интенсивность синего цвета близка к нулю. Первый уровень удостоверения обеспечивает улучшенную защиту для способа, без замедления обработки. Действительно, он может начаться перед выполнением получения спектральных данных спектральным модулем 112, поскольку он основан только на информации, собранной модулем 111 формирования изображения. Кроме того, в случае, если метка содержит разные типы люминесцентных частиц, этот первый уровень удостоверения обеспечивает возможность быстрого анализа спектральных компонентов каждой точки за одно синхронное получение данных. Это также обеспечивает возможность локализации структур, содержащих разные частицы, и определение их положения для спектрального модуля, для получения их спектров (используя сканер с гальваническим зеркалом, в случае необходимости).
Во время уровня 2 обработки удостоверения, выполняемой программным обеспечением считывателя, детектируют точные положения интенсивности пика вдоль оси длины волны, что обеспечивает высокую точность обработки аутентификации.
Во время уровня 3 обработки удостоверения, выполняемой программным обеспечением считывателя, рассчитывают отношения между интенсивностями разных пиков, такие как G1/R1 и G1/G2, в конкретном примере, показанном на фиг. 8. Эти значения позволяют точно характеризовать характеристику спектра люминесцентного материала, используемого в метке. Расчет разных отношений между пиковыми значениями также может выполняться, используя другие средства расчета, такие как корреляция с профилем спектра, содержащимся в базе данных. Корреляция является очень чувствительным способом определения, представляют ли две кривые аналогичную форму или нет.
Каждый уровень обработки аутентификации является более ограничивающим, чем предыдущий уровень. Такая обработка аутентификации на 3 уровнях обеспечивает возможность отбрасывать неподлинные метки очень быстро, без вовлечения требующих значительного времени расчетов. Действительно, первый уровень может быть выполнен даже в ходе получения спектральных данных, и второй уровень может выполняться намного быстрее, чем третий уровень.
В варианте возможно добавить другой уровень в обработку удостоверения, путем измерения длительности флуоресценции частиц. Этот параметр обеспечивает возможность дополнительной дифференциации специфичных выбранных люминесцентных частиц от других люминесцентных материалов. Длительность флуоресценции соответствует средней длительности, в течение которой люминесцентные молекулы остаются возбужденными перед выпуском их энергии, путем излучения света. Для измерения таких задержек, в считыватель может быть помещен дополнительный фотодиод.
На фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций, представляющая этапы (S) и обработку (Р) варианта осуществления способа для идентификации и аутентификации метки 101, как показано на фиг. 1, который может выполняться различными модулями системы 100, описанной выше. После запуска программы S01, загружают, S03, файлы конфигурации, и программа инициализирует S02 обработку считывания модулем 110 считывания. Такая обработка может начаться после инициирования S04. Во время инициирования модуль 115 управления временными характеристиками управляет последовательностью обработки считывания и, в свою очередь, инициирует импульсы света из модуля 114 освещения и синхронизирует получение данных модулем 111 формирования изображения и спектральным модулем 112. На этапе S05, модуль 111 формирования изображения получает фоновое изображение, после чего на этапе S06 следует получение сигнального изображения, синхронизированного с излучением первого светового импульса модулем 114 освещения. Затем спектральный модуль 112 получает фоновый спектр S07 и получает сигнальный спектр S08, синхронизированный с излучением второго светового импульса модулем 114 освещения.
Информация, записанная блоками модуля считывания, поступает в модуль 120 обработки. Затем происходит обработка декодирования Р01, означающая, что модуль 121 декодирования вначале идентифицирует метку путем получения серийного номера метки из базы 130 данных. Такое декодирование основано на изображениях пространственной структуры, записанных модулем 111 формирования изображения.
Перед соответствующим этапом S10 декодирования модуль 121 декодирования может выполнять этап S09 предварительного удостоверения, для определения, что метка содержит люминесцентные частицы, возбуждаемые модулем 114 освещения. Такой этап S09 предварительного удостоверения, который может быть необязательным, состоит в вычитании фонового изображения из сигнального изображения. Если полученное в результате изображение представляет собой оптически активированную пространственную структуру, предварительное удостоверение S09 будет успешным, и начинается декодирование S10.
После успешной идентификации метки при обработке декодирования происходит обработка Р02 удостоверения. Модуль 122 удостоверения удостоверяет метку путем сравнения спектра, полученного спектральным модулем 112, по определенным спектрам "аутентичных" меток, сохраненных в базе 130 данных. Модуль удостоверения может, кроме того, использовать данные, полученные модулем 111 формирования изображения. В этом случае он переходит к обработке удостоверения на двух отдельных этапах: анализ цветов изображения, после чего следует анализ спектра, как подробно описано выше в параграфе, в котором описан модуль 122 удостоверения.
В конечном итоге, на этапе S11 считывания, выполняемом модулем 124 считывания, раскрывают информацию о метке, которая была аутентифицирована.
В другом варианте осуществления обработка Р01 выполняется параллельно этапам S07 и S08 для ускорения всей процедуры. Только использование последовательных отдельных импульсов света возбуждения для формирования изображений и спектрального модуля обеспечивает возможность выполнения такого параллельного потока обработки. Кроме того, первый уровень обработки Р02 удостоверения также может быть выполнен, все еще при получении спектральных данных (S07 и S08). Таким образом, использование информации, записанной модулем формирования изображения для обработки удостоверения, также позволяет выполнять более быструю отбраковку недействительных меток, поскольку этапы S07 и S08 не обязательно должны быть закончены прежде уровня 1 обработки Р02 удостоверения.
Как упомянуто выше, дополнительный этап удостоверения может быть добавлен, для дополнительного повышения уровня защиты при аутентификации. Этот этап измеряет длительность флуоресценции частиц, содержащихся в метке, либо путем использования информации, записанной модулем 111 формирования изображения, возможно используя дополнительный специализированный датчик, такой как фотодиод. На таком этапе может использоваться другая схема определения времени с модуляцией времени по интенсивности света возбуждения. И снова, измеряемые значения сравнивают с соответствующей информацией, записанной в базе данных.
Для специалиста в данной области техники будет понятно, что конструкция системы, описанная здесь, может быть изменена, но все еще может оставаться в пределах объема текущего изобретения. Например, нами предложено использовать независимые оптические пути для каждого модуля в модуле ПО считывания. Также возможно совместно использовать некоторые оптические компоненты для разных модулей, такие как линзы, для модуля 114 освещения и спектральных модулей 112. В этом случае, разделение между двумя путями могло бы быть выполнено путем, использования дихроичного зеркала. Кроме того, в особых случаях, когда свет, излучаемый меткой, мог бы быть слабым или для детектирования на большом расстоянии, могут быть воплощены специализированные схемы для усиления слабого сигнала.