Пространственный код для записи информации в объеме прозрачного объекта с возможностью считывания с произвольного направления
SPACE CODE FOR RECORDING INFORMATION INSIDE A TRANSPARENT OBJECT WITH THE ABILITY TO READ FROM ANY DIRECTION

Настоящее изобретение относится к оптически считываемым кодам, содержащим битовую информацию, записываемым в объеме прозрачных объектов, например, драгоценных камней, в том числе алмазов и бриллиантов.
Известны различные виды машиночитаемых кодов, используемых для записи информации, маркировки и идентификации объектов, в том числе одномерные коды (линейные, штрихкоды), такие как Code 39, Code 93, Code 128, Codabar, EAN, ITF, MSI, UPC, Фармакод, а также двумерные, такие как Azteccode, MaxiCode, ShotCode, Ezcode, MicroQRcode, QR-код, DataMatrix, MicroPDF417, PDF417, Codablock-F, BeeTagg.
Все указанные коды предназначены для нанесения на поверхность объектов, что затрудняет их применение для нанесения в объеме прозрачных объектов, например, драгоценных камней, где возможно считывание с различных направлений (ракурсов). Наиболее технологичные из указанных кодов при считывании допускают лишь поворот на произвольный угол относительно оси, перпендикулярной плоскости кода, зеркальное отражение, небольшие отклонения оптической оси детектора от перпендикуляра к плоскости кода. Однако в общем случае этого недостаточно для полноценной объемной маркировки с возможностью считывания с произвольного направления.
Одномерные коды (линейные, штрихкоды) теоретически могут быть считаны с произвольного направления, перпендикулярного оси кода (оси, вдоль которой строится кодовая последовательность, данная ось лежит в плоскости кода и перпендикулярна штрихам). Таким образом, при считывании они теоретически допускают поворот вокруг указанной оси кода, хотя изначально и не предназначались для этого. Однако очевидно, что при считывании с направлений, близких к указанной оси кода, штрихи сливаются друг с другом и код не может быть считан.
Двумерные коды не могут быть считаны с направлений, близких к плоскости кода, т.к. в этом случае элементы кода сливаются друг с другом.
Это препятствует использованию указанных кодов для объемной маркировки объектов, в том числе драгоценных камней, хотя объемная маркировка намного предпочтительнее поверхностной, так как фасеты поверхности ограненных драгоценных камней ориентированы в разных направлениях, имеют весьма малые размеры и могут быть недоступны для мечения и детектирования если драгоценный камень вставлен в оправу. Кроме того, поверхностные метки могут быть уничтожены с помощью механической и химической обработки, например, полированием, травлением. Поэтому предпочтительным, особенно для дорогостоящих камней, является нанесение кода (метки) под поверхностным слоем в объеме камня без изменения наружной поверхности. Создание двух и трехмерных изображений в объеме прозрачных объектов является многообещающей технологией как для целей хранения информации, так и для применения в оптической технике.
Применительно к маркировке драгоценных камней, известны метки, являющиеся непрозрачными для оптического излучения, создаваемые за счет развития объема нарушенных микроструктур алмаза, окружающих естественные примеси, или за счет внедрения в структуру алмаза примесных ионов, например, фосфора, создающих детектируемые дефектные области.
Известна метка, получаемая в алмазах способом (RU 2357870 С1; WO 2006/092035; US 7284396 B1), и система для лазерного мечения алмазов, в которых предложено гравирование кодов аутентификации в виде меток в объеме алмаза, создаваемых путем воздействия управляемой последовательностью лазерных импульсов в фемтосекундном диапазоне (от нескольких фемтосекунд до 200 пикосекунд) с энергией в каждом лазерном импульсе, выше порога повреждения кристалла алмаза. При этом повреждения инициировались дефектами или примесями (атомы азота, водорода, серы, фосфора, никеля, бора и другие), присутствующими в объеме материала, где записывающий лазерный луч достигает своего наименьшего поперечного размера и максимальной интенсивности. При этом излучение фокусируют в объеме алмаза, что приводит к формированию в местах случайного распределения указанных дефектов растущих дефектных микроструктур, непрозрачных для оптического излучения. Знаки состоят из неалмазных форм углерода и сформированы из нескольких микроскопических точечных меток размером несколько микрометров (2-5 мкм) при расстоянии между соседними точечными метками около 50 мкм, а массив точечных меток имеет площадь 250×250 мкм, и требуют для детектирования использования специального считывающего устройства. Однако при этом:
- взаимное расположение точек в метке может определить лишь некую их геометрическую совокупность, например, вершин виртуального треугольника на основе трех точек, но не изображение самого треугольника;
- аутентификация камня по взаимному пространственному расположению в нем точечных меток, созданных в необработанном алмазе, не может быть надежной после его огранки, когда положение части точечных меток относительно граней и между собой может быть изменено;
- в связи со стохастическим расположением природных дефектов в алмазе, создание меток, имеющих смысловую нагрузку, т.е. несущих информацию, невозможно;
- сформированную указанным способом метку может быть невозможно детектировать с другого произвольного направления после огранки камня, т.к. в некоторых проекциях элементы метки будут накладываться друг на друга.
- указанный способ является способом создания в камне элементов метки, но ничего не говорит об их взаимном расположении, не определяет конкретного вида метки – кода, который мог бы обеспечить надежное распознавание с произвольных направлений.
Известна метка, получаемая в прозрачных материалах способом (SU 329899 A), в котором скрытое изображение создавали в прозрачных алмазных пластинках размером 50×50 мм и толщиной 300 мкм. На поверхность такого образца накладывали металлическую маску толщиной 50 мкм, в которой фотолитографическим путем было вытравлено требуемое изображение, после чего образец подвергали бомбардировке ионами фосфора. При этом помимо цветного поверхностного изображения появлялось и внутреннее изображение, а пластинки подвергались последующему термическому отжигу, в результате которого цветное изображение пропадало. Сформированное изображение было термически устойчиво до 1200°C, не разрушалось под действием света, электрических и магнитных полей. Однако из-за высокой твердости решетки глубина проникновения ионов фосфора внутрь алмаза и глубина размещения внутреннего изображения не может быть большой, поэтому тонкий поверхностный слой, содержащий метку, может быть удален полировкой или травлением, а увеличение количества примесей фосфора в алмазе и наличие визуально различимого изображения влияет на его коммерческую стоимость.
Кроме того, такая метка не может быть детектирована с произвольного направления, а только с направлений, близких к перпендикулярным к поверхности.
Известна метка, получаемая при синтезе алмазов методом химического осаждения из газовой (паровой) фазы способом (RU 2382122 C1), в котором в процессе синтеза в слой синтетического алмазного материала вводят по меньшей мере одну допирующую добавку химического элемента, например, азота, в форме дефектных центров, испускающих при возбуждении излучение с характерной длиной волны. При этом допирующая добавка образует производственную марку или идентификационную метку в форме слоя, в котором при соответствующем оптическом возбуждении возникает флюоресценция с пиками 575 нм и/или 637 нм, которая практически мгновенно исчезает при выключении источника возбуждения. Распознавание (детектирование) производственной марки или идентификационной метки может проводиться, например, визуально или с помощью специальных оптических приборов. В общем случае предпочтительным является распознавание непосредственно невооруженным глазом наблюдателя, поскольку этот метод позволяет получить пространственную информацию, в частности бинокулярную или глубинную информацию.
Однако хорошо известно, что захват примесей изменяется в зависимости от сектора роста, участвующего в этом процессе, например, сектор роста {111} часто захватывает более высокую концентрацию примесей, чем сектор роста {100}, что искажает создаваемую метку. Кроме того, в этом способе мечения синтетических выращенных алмазов в алмаз вводят дополнительные примеси, дефекты, что не улучшает качества алмаза.
Кроме того, данная метка не может применяться для маркировки природных алмазов или искусственных алмазов, выращенных по иным технологиям.
Так как указанная метка представляет собой набор слоев, она не может быть считана с произвольного направления, например, перпендикулярно указанным слоям.
Известна метка, создаваемая с помощью способа создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза (RU2465377), заключающегося в том, что внутри алмаза создают изображение, состоящее из заданной совокупности оптически проницаемых элементов микронного или субмикронного размера, представляющих собой удлиненные веретенообразные кластеры N-V центров, флюоресцирующие при возбуждающем облучении. Изображения, созданные в кристаллах алмазов из кластеров N-V центров, невидимы невооруженным глазом, в увеличительные стекла, а также любые оптические и электронные микроскопы. Указанные кластеры (элементы метки) создаются сфокусированным лазерным излучением, которое вводится в кристалл через плоское полированное окно.
Однако метка, созданная по данному способу в неограненном камне, например, через одно полированное оптическое окно, в ограненном камне (после огранки) окажется в неизвестном заранее месте. Кроме того, она будет иметь произвольную ориентацию относительно площадки, через которую будет проводиться ее детектирование и распознавание.
При этом указанный способ является способом создания в камне элементов метки, но ничего не говорит об их взаимном расположении, не определяет конкретного вида метки – кода, который мог бы обеспечить надежное распознавание с произвольных направлений.
Техническая проблема заявленного решения заключается в создании метки (кода) для записи внутри объема прозрачного объекта, для надежного считывания и распознавания которого достаточно его наблюдения с одного произвольного направления (ракурса).
Техническим результатом является обеспечение возможности считывания метки (кода) с любого произвольного направления.
Указанный технический результат достигается в метке, наносимой в объеме прозрачного объекта, с возможностью считывания с любого произвольного направления, несущая записанную информацию, закодированную во взаимном расположении элементов метки, отличающаяся тем, что представляет собой объемную метку, выполненную посредством обработки прозрачного объекта рабочим оптическим излучением с подачей рабочих ультракоротких импульсов излучения, при этом элементы метки выполнены вдоль трех не совпадающих между собой отрезков, лежащих в одной плоскости, где угол между произвольно выбранным первым отрезком и вторым отрезком, отсчитанный от первого отрезка по часовой стрелке, лежит в диапазоне от 0 до 180 градусов, угол между первым отрезком и третьим отрезком, отсчитанный от первого отрезка по часовой стрелке, лежит в диапазоне от 180 до 360 градусов, продолжение третьего отрезка за точку пересечения с любым из первого или второго отрезков, лежит в угловом секторе между первым и вторым отрезком, при этом каждая из последовательностей элементов метки, выполненных вдоль каждого из отрезков, достаточна для полного декодирования записанной информации.
Дополнительной особенностью является то, что угол между любыми двумя отрезками составляет по модулю не менее 10 градусов,
Дополнительной особенностью является то, что часть элементов метки (кода), расположенных вдоль любого из отрезков, смещена в направлении, перпендикулярном соответствующему отрезку.
Дополнительной особенностью является то, что метка (код) содержит дополнительные элементы, размещенные в указанной плоскости, но не лежащие на указанных отрезках.
Дополнительной особенностью является то, что последовательности элементов метки (кода), расположенные вдоль каждого из отрезков, несущие в себе информацию, достаточную для полного декодирования записанной информации, не являются идентичными.
Дополнительной особенностью является то, что записанная информация закодирована с избыточностью более 4/3, достаточной для восстановления записанной информации при чтении 1/3 метки (кода), и каждая из последовательностей элементов метки (кода), расположенных вдоль каждого из отрезков, несет в себе 1/3 закодированной с избыточностью информации.
Дополнительной особенностью является то, что место размещения метки (кода) внутри указанного прозрачного объекта выбирают так, чтобы расстояние до другого ближайшего метки (кода), размещенного в объеме того же прозрачного объекта, было больше глубины резко изображаемого пространства при считывании метки (кода).
Сущность заявленного изобретения заключается в выполнении элементов метки (кода) вдоль трех направлений так, что при наблюдении метки (кода) с любого ракурса, возможно различить элементы, расположенные вдоль хотя бы одного из указанных направлений, и этого будет достаточно для полного декодирования, причем существенным для достижения указанного технического результата является именно выбор углов между указанными тремя направлениями и избыточность информации, содержащейся в метке (коде).
Заявленное изобретение поясняется фигурами 1 – 9, где:
Фиг.1- элементы метки (кода), расположенные вдоль трех несовпадающих отрезков.
Фиг.2- единичный элемент метки (пиксель)
Фиг.3- простейшая битовая последовательность
Фиг.4-пример выполнения метки (кода), в котором углы между всеми тремя направлениями равны и составляют 120 градусов каждый.
Фиг.5- пример выполнения метки (кода), в котором не выполняется условие 1.
Фиг.6- пример выполнения метки (кода), в котором не выполняется условие 2.
Фиг.7- пример выполнения метки (кода), в котором не выполняется условие 3.
Фиг.8- пример выполнения метки (кода), в котором не выполняется условие 4.
Фиг.9 - объединение произвольного количества меток (кодов)в периодическую структуру.
XY
Элементы метки (кода) расположены вдоль трех не совпадающих отрезков 1,2,3 (фиг.1), лежащих в одной плоскости , причем расположение отрезков одновременно удовлетворяет следующим условиям:
1. если произвольно выбранный отрезок 1 принять за начало отсчета угловых координат, то угол α между отрезком 1 и отрезком 2, отсчитанный от отрезка 1 по часовой стрелке, лежит в диапазоне от 10 до 180 градусов,
2. угол β между отрезком 1 и отрезком 3, отсчитанный от отрезка 1 по часовой стрелке, лежит в диапазоне от 180 до 350 градусов,
3. продолжение 4 отрезка 3 за точку пересечения прямых лежит в угловом секторе между отрезками 1 и 2,
4. каждая из последовательностей элементов метки (кода), расположенных вдоль каждого из отрезков 1, 2, 3, несет в себе информацию, достаточную для полного декодирования записанной информации, закодированной в метке (коде).
При этом дополнительным условием является то, что угол между любыми двумя отрезками составляет по модулю не менее 10 градусов.
Единичный элемент метки (пиксель) 5 (фиг.2), в общем случае имеет вытянутую веретенообразную форму. В частном случае он может иметь форму, близкую к сфере, однако это не меняет принципа построения метки.
Единичные элементы выстраиваются вдоль каждого из отрезков 1, 2, и 3, информация при этом кодируется во взаимном расположении элементов метки (кода), например, в виде битовой последовательности 6 (фиг.3), где единичный элемент метки (кода) соответствует единице, а его отсутствие на заданной позиции – нулю. На фиг.3 изображена простейшая битовая последовательность, состоящая из 30 единиц, соответствует числу 2^30-1.
Пример метки (кода) изображен на фиг.4. Изображен простейший случай, при котором углы между всеми тремя направлениями равны и составляют 120 градусов каждый. Легко видеть, что такой выбор углов удовлетворяет условиям, перечисленным выше. В данном примере вдоль каждого направления нанесены одинаковые простейшие битовые последовательности, состоящие из единиц (фиг.3), однако в общем случае указанные битовые последовательности не обязательно одинаковы. Данная конфигурация метки (кода), позволяет декодировать (считывать) его с произвольного ракурса A, B, C,или D, при этом в каждом случае декодированию поддаются участки 6,7, 8, или 9 соответственно.
XY.
Нанесена подобная метка (код) посредством обработки прозрачного объекта рабочим оптическим излучением, сфокусированным в фокальной области, с подачей рабочих ультракоротких импульсов излучения, обеспечивающих образование единичного элемента метки (кода) в указанной фокальной области, и повторением указанных этапов для формирования битовой последовательности, несущей закодированную информацию об объекте. Также нанесение метки (кода) возможно способом, аналогичным данному, т.е. с одного направления с помощью сфокусированного лазерного излучения с оптической осью, перпендикулярной плоскости
На примере фиг.4 очевидно, что при данном расположении ветвей хотя бы одна из них может быть распознана с любого ракурса, в том числе, с любых промежуточных ракурсов, расположенных между A, B, C, и D.
Покажем, что если расположение ветвей не удовлетворяет хотя бы одному из указанных выше условий «1»-«4», то существуют ракурсы, с которых распознавание невозможно.
Пусть не выполняется условие «1», т.е. угол α между отрезком 1 и отрезком 2, отсчитанный от отрезка 1 по часовой стрелке, составляет 200 градусов, при этом условия «2»-«5» выполняются, фиг. 5. Видно, что с ракурса Е ни одна из ветвей не может быть полностью прочитана.
Пусть не выполняется условие «2», т.е. угол β между отрезком 1 и отрезком 3, отсчитанный от отрезка 1 по часовой стрелке, составляет 160 градусов (фиг.6). Видно, что с ракурса F не может быть полностью прочитана ни одна из ветвей.
Пусть не выполняется условие «3», т.е. продолжение 4 отрезка 3 за точку пересечения прямых лежит за пределами углового сектора между отрезками 1 и 2, при этом прочие условия выполняются (фиг.7). Видно, что с ракурса G не может быть полностью прочитана ни одна из ветвей.
Пусть не выполняется условие «4», т.е. хотя бы одна из последовательностей элементов метки (кода), расположенных вдоль отрезков 1, 2, 3, не несет в себе информацию, достаточную для полного декодирования записанной информации, закодированной в метке (коде). Очевидно, что в этом случае существует такое направление (ракурс), с которого может быть распознана только ветвь, не несущая полной записанной информации, таким образом, записанная информация не может быть полностью декодирована.
Пусть не выполняется первое дополнительное условие, т.е. угол между отрезками, например 1 и 2, составляет 5 градусов, при этом прочие условия выполняются (фиг.8). Видно, что с ракурса Н метка (код) не может быть прочитана.
Учитывая вышеприведенные примеры, легко видеть, что минимальный угол между ветвями определяется поперечным размером единичного элемента метки (кода), а также расстоянием между соседними элементами, и теоретически может составлять менее 10 градусов (как показано, в случае невыполнения первого дополнительного условия). Однако на практике распознавание меток (кодов) с углами между ветвями (отрезками) менее 10 градусов трудно реализуемо в связи с тем, что отрезки в большей их части накладываются один на другой (фиг.8).
Кроме того, отдельные элементы метки (кода) могут быть смещены относительно главной плоскости метки (кода) XY. Легко видеть, что такое смещение не препятствует считыванию с указанных выше ракурсов.
Существенно, что для полного декодирования записанной информации, содержащейся в метке (коде), достаточно декодирования хотя бы одной из трех последовательностей (ветвей), расположенных вдоль отрезков 1, 2 и 3. При этом сами указанные последовательности не обязаны быть одинаковыми. Из приведенных ниже примеров ясно, что идентичность указанных последовательностей не является необходимой для реализации метки (кода).
Например, в одной из реализаций метки (кода) полная информация метки (кода) подвергается помехоустойчивому кодированию Рида-Соломона с избыточностью более 4/3, достаточной для восстановления полной информации при чтении всего 1/3 метки (кода). Полученная закодированная информация записывается последовательно в трех ветвях. В данном случае ветви не являются идентичными, однако для декодирования всей записанной информации достаточно считывания любой одной из них.
В альтернативной реализации метки (кода) каждая из трех указанных последовательностей (ветвей) несет в себе полную информацию метки (кода), и по существу представляет собой совокупность метки (кода), несущих одинаковую информацию, однако закодированную с применением различных алгоритмов (с помощью неодинаковых ключей). В этом случае ветви несут одинаковую информацию, однако не являются идентичными.
В альтернативной реализации метки (кода) указанные последовательности идентичны.
При этом для практических применений наиболее предпочтительной является реализация с использованием кодирования Рида-Соломона, т.к. она позволяет восстановить всю закодированную информацию при потере любой части метки (кода), в сумме не превышающей 2/3 от всей метки (кода).
Также возможно объединение произвольного количества указанных меток в периодическую или квазипериодическую структуру (фиг. 9), а также создание таких сотовых структур в несколько слоев в объеме прозрачного объекта. Тогда при разделении (распиле) маркируемого объекта на несколько частей в каждой из них будет присутствовать код (метка), считываемый с любого ракурса.
Т1
При этом расстояние между подобными фрагментами структуры 10 и 11 (период на фиг.9) подбирают так, чтобы он был больше глубины резко изображаемого пространства (ГРИП, глубина резкости), которую обеспечивает устройство считывания метки (кода). В случае если при детектировании с некоторого ракурса указанные фрагменты 10 и 11 оказываются на одной оптической оси (друг под другом), на изображении они не сливаются, т.к. не могут одновременно попасть в фокус оптической системы.
Для упрощения поиска метки (кода) внутри объема объекта могут использоваться дополнительные маркеры 12 (фиг.9), расположенные в плоскости метки (кода).
Отдельные элементы пространственной метки (кода) могут быть смещены в направлении, перпендикулярном соответствующему отрезку. Это позволяет кодировать дополнительную информацию, используя то же количество элементов метки (кода).