Способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров
METHOD FOR CONTROLLING CREATION OF NANOCRYSTALLINE STRUCTURES BASED ON RECOGNITION OF THEIR OPTICAL SPECTRA

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано для управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров.
Предшествующий уровень техники
Одно из перспективных направлений защиты ценных бумаг, денежных купюр и различных промышленных изделий от подделки связано с выращиванием нанокристаллических маркеров в толще различных материалов под воздействием лазерного света [1].
Однако требуется не только выращивание нанокристаллических маркеров в толще различных материалов, но и управление их созданием, например, чтобы воспроизводимо получать различные наноструктуры.
Известен способ управления созданием наноструктур, заключающийся в том, что после создания нанострукуры визуально наблюдают оптический, спектр изображения наноструктурных фрагментов, а по результатам сравнения формируют управляющие сигналы для коррекции наноструктуры в следующем процессе ее создания (Максимовский С.Н., Радуцкий Г.А. Method for Producing a Colored Security Image within a sheet Material (Cпocoб создания цветного защитного изображения внутри листового материала), Международная заявка WO 2015/130192 А1, 2015).
Недостаток данного способа заключается в том, что управление созданием наноструктур осуществляется субъективно, что не позволяет ввести автоматизацию и, как следствие, приводит к большому времени процесса настройки создания различных наноструктур, а также не обеспечивает их воспроизводимость.
Для автоматизации процессов создания наноструктур было предложено анализировать их оптические, например, люминесцентные спектры; разработана технология их автоматического сравнение с эталонными спектрами по специальным мерам сходства, зависящим от моделей наблюдения и характера помех [2].
Недостатком этого подхода является то, что он не связан непосредственно с процессом формирования управляющих сигналов, а сам анализ спектров значительно зависит от уровня помех.
Наиболее близким к заявляемому из известных по своему назначению, технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ адаптивного управления плазменным процессом на основе использования нейронных сетей, формирующих управляющие параметры по оптическому спектру, генерируемому лазерной плазмой [Chi Yung Fu. Closed loop adaptive control of spectrum-producing step using neural networks (адаптивное управление в замкнутом контуре на основе пошагово изменяющегося спектра с использованием нейронных сетей). US 5841651 А. 1998].
Согласно данному способу искусственная нейронная сеть анализирует плазменный оптический спектр, и производит управляющие сигналы. Управление производится по одному или более входных макропараметров процесса в ответ на любое отклонение спектра от узкого ассортимента. При производстве плазменный реактор формирует плазму в ответ на входные макропараметры, такие как поток газа, давление и т.п. Реактор содержит окно, через которое наблюдается электромагнитный спектр, произведенный плазмой в реакторе. Спектр формируется оптическим спектрометром, который измеряет интенсивность поступающего оптического сигнала в различных длинах волн. Выход оптического спектрометра подается на нейросетевой анализатор, который анализирует множество сигналов отклонения, и формирует управление: должен ли соответствующий из входных параметров реактора быть увеличен или уменьшен.
Данный способ из-за использования нейросетевого сравнения оптических спектров с эталонными значениями устойчив к значительным спектральным помехам.
Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что он ориентирован на специфическую задачу управления плазменным реактором и не может быть непосредственно применен к решению задачи управления, изготовлением нанокристаллических структур с помощью лазерного метода высокоскоростной нанокристаллизации.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаемый способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров базируется на том же принципе, что и прототип, т.е. на регистрации оптического спектра, генерируемого создаваемой нанокристаллической структурой, нейросетевого сравнения оптического спектра с эталонными спектрами, и формировании по результатам сравнения сигналов управления параметрами процесса создания нанокристаллических структур.
Однако, в предлагаемом способе, в отличие от прототипа сигналы управления параметрами процесса создания нанокристаллических структур производят в виде повышения или снижения концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры.
Целью изобретения является повышение оперативности создания нанокристаллических структур, а также их воспроизводимости при наличии отклонений от эталонных значений.
Указанные отличительные признаки, необходимые для реализации заявленного способа и достижения поставленной цели, обладают несомненной новизной в действии над материальными объектами - компонентами, входящими в химический состав нанокристаллической структуры.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящего изобретения варианта осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует примеры различных люминесцентных спектров, получаемых от нанокристаллических структур с различными химическими составами;
Фиг. 2 иллюстрирует способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров;
Фиг. 3 иллюстрирует зависимость ошибки различения эталонных спектров от значения отношения «Помеха/Сигнал» для многокритериальной и нейросетевой технологий.
На Фиг. 1 показаны:
- по оси абсцисс - отсчеты (нм) видимого диапазона оптического спектра;
- по оси ординат - отсчеты (о.е.) интенсивности люминесцентного излучения.
На Фиг. 2 показаны:
- 1 - широкополосный источник света, возбуждающий нанокристаллическую структуру (ИС);
n
- 2 - нанокристаллическая структура, созданная по n-ой технологии (НКС);
- 3 - спектральный датчик (СД);
n
- 4 - оптический спектр (Х);
- 5 - блок сравнения (БС);
- 6 - база данных (БД) эталонных оптических спектров;
n
- 7 -эталонный оптический спектр {S}
- 8 - блок управления распознаванием оптических спектров (БУР);
n
k
n
k
- 9 - меры сходства μ(X,S) распознаваемого оптического спектра 4 - (Х) и эталонного спектра 7 - (S);
- 10 - совокупность (и) управляющих сигналов;
n
- 11 - эталонных совокупностей концентраций {С};
n
- 12 - блок управления концентрациями компонентов (БУК), входящих в химический состав нанокристаллической структуры на основе эталонных совокупностей концентраций 11 {С} и совокупности 10 (u) управляющих сигналов.
На Фиг. 3 показаны:
- по оси абсцисс - значения (%) отношения «амплитуда помехи/амплитуда сигнала»;
- по оси ординат - значения (%) ошибки распознавания (различения);
- ромбики - зависимость для многокритериального алгоритма распознавания;
- квадратики - зависимость для нейросетевого алгоритма распознавания.
Лучшие варианты осуществления изобретения
Предлагаемый способ нейроподобного снижения размерности оптических спектров осуществляется следующим образом.
n
n
1
2
M
n
n
n
T
Согласно предлагаемому способу для известных совокупностей концентраций 11 (С (n=1, 2, …, N) компонентов (веществ), входящих в химический состав эталонных нанокристаллических структур, формируют эталонные люминесцентные спектры 7 (S=(S, S, …, S)), соответствующие данным нанокристаллическим структурам, где М - количество дискретных значений (отсчетов) каждого люминесцентного спектра, а T - операция транспонирования.
n
n
n
n
Формирование эталонных спектров 7 (S) иллюстрируется Фиг. 2. Луч широкополосного источника света 1 (ИС) возбуждает эталонную нанокристаллическую структуру 2 (НКС), а возбуждаемый свет (люминесцентный, инфракрасный) попадает на спектральный датчик 3 (СД), формирующий соответствующий эталонный оптический спектр 7 (S). Это спектр записывается в базу данных БД 6. Одновременно в 6 (БД) записывают эталонные совокупности 11 (С) концентраций компонентов, входящих в химический состав эталонных нанокристаллических структур n-го рецепта.
n
n
1
2
M
nk
n
k
m
m
m
nk
n
n
n
T
n
n
n
При создании пробного образца конкретной нанокристаллической структуры по n-ому рецепту, соответствующему эталонной совокупности концентраций 11 (С), регистрируют ее люминесцентный спектр 4 (Х=(Х, X, …, Х), и сравнивают его со всеми эталонными спектрами из 6 (БД), используя блок сравнения 6 (БД). 6 (БД) функционирует как на основе нейроподобного алгоритма сравнения по мерам 9 (μ=μ(X, S) сходства, где n, k=1, 2, …, N, так и квадратичным мерам 9 (μ=μ(X,S) сходства, где а m=1, 2, …, М. На основе данных мер блок управления распознаванием 8 (БУР) формирует совокупность управляющих сигналов 10 (u{μ}).
n
k
m
m
m
n
n
n
Как видно из Фиг. 2, управление 10 (u), вырабатываемое в контуре обратной связи, осуществляет специализированный поиск в 6 (БД). Например, в простейшем случае для каждого n отыскивается максимальное значение 9 (μ(X, S), и по нему распознается принадлежность формируемого состава конкретному эталонному рецепту. На основе мер 9 (μ(X, S) регулируют концентрации компонентов, величинам которых пропорциональны значения 4 (Х), соответствующих m-ых отсчетов оптического спектра, полученного от нанокристаллической структуры, изготовляемой по n-му рецепту.
Высокую надежность распознавания дает нейросетевая технология, описанный в [3]. Так, на Фиг. 3 показана зависимость ошибки различения фрагментов эталонных люминесцентных спектров от значений отношения «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» для многокритериальной и нейросетевой технологий распознавания.
Наглядно видно преимущество нейросетевой технологии различения сигналов на фоне сильных помех по сравнению с многокритериальной технологией. Так, например, в предлагаемой технологии ошибки различения начинают проявляться лишь при отношении «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» >15%, в то время как при многокритериальном подходе - при отношении «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» >9%
Проведенное исследование показало, что при создании различных защитных нанокристаллических меток необходимо стремится к тому, чтобы соответствующие им люминесцентные спектральные коды имели вариацию, не мене чем в 1,5÷2 раза превышающую уровень возможных помех. Помехи с уровнем 10%÷20% вполне реалистичны. Поэтому различные спектральные коды должны отличаться по вариации не менее чем на 15%÷20%. В свою очередь это накладывает ограничение на вариацию концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры. Вариации распределений концентраций, кодирующих нанокристаллические метки, не должна быть ниже 25%.
Промышленная применимость
Описанным способом могут быть тиражированы нанокристаллические структуры для защитных меток различных промышленных изделий с высокой точностью их воспроизводимости. Описанная выше технология, оптически контролирующая отклонение создаваемой нанокристаллической структуры от эталонного образца, и управляющая процессом минимизации этих отклонений путем изменения концентрации составных компонентов нанокристаллических структур, должна быть неотъемлемой частью технологии создания защитных меток в промышленных масштабах.
В настоящее время нет препятствий к промышленному внедрению заявляемого способа, т.к. все необходимые элементы для его реализации имеются: технология создания нанокристаллических структур, в том числе, сканирующие лазерные устройства; оптические спектрометры, работающие в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн; контроллеры для сравнения регистрируемых оптических спектров с эталонными спектрами и формирования управляющих сигналов.
Источники, принятые во внимание
1. Maximovsky S., et all. Shattuckite synthesis and the pattern formation by the scanning laser beam. Tecnol. Metal. Mater. Miner.  Poulo. V. 13. N. 3. 2016. P. 248-251.
2. Краснов A.E., Максимовский C.H., Смирнов B.M., Ставцев А.Ю. Метрологическое обеспечение защиты ценных бумаг, документов и товаров на основе нанотехнологий. Технологии XXI века в легкой промышленности (электронное научное издание). №7. Часть I. Раздел №4. 2013. Статья №6.
3. Краснов А.Е., Казаков К.В., Калачев А.А., Никольский Д.Н., Шевелев С.А. Сравнение эффективностей различения сигналов на фоне сильных помех на основе многокритериальной и нейросетевой технологий. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии: сборник трудов XIII Международной научно-практической конференции. / под ред. С.У. Увайсова - Москва: Ассоциация выпускников и сотрудников ВВИА им. проф. Жуковского, 2016, С. 257-259.