Верификация аутентичности

Верификация аутентичности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к верификации аутентичности и, в частности, но не исключительно, к более специальной верификации аутентичности изделия, такого как персональная идентификационная (ID) карта, торгуемый продукт, важный документ или другой предмет.

Многие традиционные системы защиты аутентификации основываются на процессе, который трудно выполнять кому-либо иному, кроме изготовителя, где такая трудность может быть введена ценой капитального оборудования, сложностью технических «ноу-хау» или, предпочтительно, того и другого. Примерами является обеспечение водяного знака на банкнотах и голограмм на кредитных картах или паспортах. К сожалению, злоумышленники становятся все более опытными и могут репродуцировать, практически все, что могут делать изготовители оригинала.

Ввиду этого, известен подход к системам защиты аутентификации, который основывается на создании маркеров защиты, используя некоторый процесс, регламентируемый законами природы, что дает в результате то, что каждый маркер является уникальным и, более важно, имеет уникальную характеристику, которая является измеряемой и может, таким образом, использоваться в качестве базы для последующей верификации. В соответствии с этим подходом, маркеры изготавливаются и измеряются рядом способов, чтобы получить уникальную характеристику. Характеристика затем может быть сохранена в компьютерной базе данных или сохранена иным образом. Маркеры этого типа могут быть встроены в изделие-носитель, например, банкноту, паспорт, ID-карту, важный документ. Затем изделие-носитель может измеряться вновь, и измеренная характеристика может сравниваться с характеристиками, сохраненными в базе данных, для установления того, имеется ли совпадение. Маркеры защиты могут быть использованы для доступа к информации, авторизации транзакций или многих других целей. Однако поврежденные маркеры или несовершенные устройства идентификации маркеров могут привести к трудностям в выполнении действий, на которые маркер должен предоставить разрешение.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение было создано, по меньшей мере, частично с учетом проблем и недостатков традиционных систем.

Настоящее изобретение явилось, по меньшей мере, частично результатом работы изобретателей по применению методов аутентификации с использованием маркеров, выполненных из магнитных материалов, где уникальность обеспечивается невоспроизводимыми дефектами в магнитном материале, которые влияют на магнитный отклик маркера (как детально изложено в PCT/GB 03/03917, Cowburn). Как часть этой работы, магнитные материалы изготавливались в формате штрихкода, то есть как некоторое количество параллельных полос. Заодно со считыванием уникального магнитного отклика полосок путем свипирования магнитного поля магнитным считывателем, был создан оптический сканер для считывания штрихкодов путем сканирования лазерным лучом по штрихкоду и использования контраста из изменяющейся отражательной способности полос штрихкода и изделия, на котором они были сформированы. Эта информация была дополнительной к магнитной характеристике, поскольку штрихкод был использован для кодирования цифровой сигнатуры уникального магнитного отклика по типу хорошо известной схемы самоаутентификации, например, как также описано выше для банкнот (см., например, Kravolec “Plastic tag makes foolproof ID”, Technology research news, 2 October 2002).

Неожиданно для изобретателей было обнаружено при использовании этого оптического сканера, что материал бумажной подложки, на которую были нанесены магнитные частицы, давал уникальный оптический отклик на сканере. При дальнейших исследованиях было установлено, что многие другие неподготовленные поверхности, такие как поверхности различных типов из картона или пластика, проявляют тот же самый эффект. Более того, изобретателями было установлено, что уникальная характеристика возникает, по меньшей мере, из-за спекла (пятнистой структуры изображения, полученной в когерентном свете), но также включает в себя вклад не из-за спекла.

Таким образом, было обнаружено, что можно воспользоваться всеми выгодами методов, основанных на спекле, без необходимости использования специально подготовленного маркера или специально подготовленного изделия каким-либо иным методом. В частности, было обнаружено много типов бумаги, картона и пластика, которые дают сигналы рассеяния с уникальными характеристиками от когерентного светового луча, так что уникальные цифровые сигнатуры могут быть получены из почти любого бумажного документа или предмета в картонной упаковке.

Вышеописанные известные считыватели спекла, используемые для устройств защиты, основывались на освещении всего маркера лазерным лучом и формировании изображения в значительном телесном угле части результирующей спекл-структуры с помощью CCD (см., например, GB 2221870 и US 6584214), получая при этом изображение спекл-структуры маркера, состоящей из массива точек данных.

Считыватель, использованный изобретателями, работает иным образом. Он использует четыре отдельных канальных детектора (четыре простых фототранзистора), которые разнесены по углу для отбора только четырех компонентов сигнала из рассеянного лазерного луча. Лазерный луч фокусируется на пятне, покрывающем лишь очень малую часть поверхности. Сигнал собирается из различных локализованных зон на поверхности посредством четырех отдельных канальных детекторов, когда пятно сканируется по поверхности. Характеристический отклик от изделия, таким образом, составляется из независимых измерений от большого количества (в типовом случае сотен или тысяч) различных локализованных зон на поверхности изделия. Хотя использованы четыре фототранзистора, анализ с использованием только данных от отдельного одного из фототранзисторов показывает, что уникальный характеристический отклик можно получить из одного только этого канала. Однако более высокие уровни надежности получаются, если другие из четырех каналов включаются в отклик.

Рассматривая в первом аспекте, настоящее изобретение обеспечивает способ идентификации изделия. Способ может содержать определение сигнатуры от изделия, основываясь на уникальной характеристике изделия, и сравнение определенной сигнатуры с сохраненной сигнатурой. Способ также может содержать разделение определенной сигнатуры на блоки непрерывных данных и выполнение операции сравнения между каждым блоком и соответствующим блоком сохраненной сигнатуры. Таким образом, может быть достигнут более высокий уровень гранулярности при верификации изделия.

В некоторых вариантах осуществления способ также может содержать сравнение атрибута результата сравнения из каждого блочного сравнения с ожидаемым атрибутом блочного сравнения для определения значения компенсации для использования при определении результата сравнения. Способ также может содержать определение результата сходства между определенной сигнатурой и сохраненной сигнатурой, с использованием значения компенсации для настройки определенной сигнатуры. Таким образом, изделие, поврежденное растягиванием или усадкой, может быть успешно идентифицировано. Также нелинейное определение сигнатуры может быть учтено без потери точности идентификации. Таким образом, различные отклонения физического выравнивания на этапе генерации сигнатуры могут быть скомпенсированы для обеспечения возможности достижения корректного результата сравнения.

В некоторых вариантах осуществления определение сигнатуры содержит воздействие на маркер установления права значимости когерентным излучением; сбор набора точек данных, которые измеряют рассеяние когерентного излучения от внутренней структуры маркера установления права значимости; и определение сигнатуры маркера установления права значимости из набора точек данных. Таким образом, внутренняя характеристика может быть структурой поверхности материала, из которого выполнено изделие.

В некоторых вариантах осуществления сравнение атрибута результата сравнения из каждого блочного сравнения с ожидаемым атрибутом блочного сравнения содержит сравнение текущего местоположения пика взаимной корреляции результата сравнения между блоком определенной сигнатуры и соответствующим блоком сохраненной сигнатуры с ожидаемым местоположением пика взаимной корреляции, чтобы определить значение компенсации для использования в определении результата сравнения. Таким образом, ожидаемый результат может быть использован для выработки отклонений физического выравнивания (совмещения) изделия в течение сканирования.

В некоторых вариантах осуществления определение значения компенсации содержит оценивание функции наилучшей подгонки к местоположениям пиков взаимной корреляции для каждого из блочных сравнений, причем функция наилучшей подгонки представляет усредненное отклонение от ожидаемых местоположений пиков взаимной корреляции. Таким образом, усредненное отклонение от ожидаемых местоположений может быть использовано для компенсации. Усредненное отклонение может быть измерено различными путями и может приводить в результате к функции наилучшей подгонки, которая является одной из множества функций, которое может включать в себя прямолинейную функцию, экспоненциальную функцию, тригонометрическую функцию и функцию х².

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит сравнение определенной сигнатуры с множеством сохраненных сигнатур. Может быть найден результат ближайшего согласования между определенной сигнатурой с множеством сохраненных сигнатур. Также может быть найден результат отсутствия согласования, если определенная сигнатура определила для этого результат сходства ниже, чем предварительно определенный порог для каждой из сохраненных сигнатур. Таким образом, некоторый предмет может быть сравнен с базой данных сигнатур предметов, чтобы определить, является ли этот предмет элементом этой базы данных. Это может быть использовано, чтобы определить аутентичность различных изделий, таких как продукты, маркеры передачи значимости, маркеры авторизации передачи значимости, маркеры установления права и маркеры доступа.

В некоторых вариантах осуществления способ также может содержать вычисление результата сходства для каждого сравниваемого блока. В некоторых вариантах осуществления способ также может содержать сравнение результата сходства для, по меньшей мере, одного предварительно определенного блока с предварительно определенным порогом сходства и возврат отрицательного результата сравнения в случае, если результат сходства для, по меньшей мере, одного предварительно определенного блока ниже предварительно определенного порога сходства, независимо от результата сходства для сигнатур в целом. Таким образом, критическая часть изделия может быть идентифицирована, и положительное согласование должно требоваться для верификации аутентичности изделия для критической части, а также сигнатуры в целом.

Рассматривая во втором аспекте, настоящее изобретение предусматривает систему для идентификации изделия. Система может содержать модуль определения сигнатуры, действующий для определения сигнатуры из изделия, основываясь на внутренней характеристике изделия, и модуль сравнения, действующий для сравнения определенной сигнатуры с сохраненной сигнатурой. Модуль сравнения может действовать для разделения определенной сигнатуры на блоки непрерывных данных и для выполнения операции сравнения между каждым блоком и соответствующими блоками сохраненной сигнатуры. Таким образом, может быть выполнен анализ высокой гранулярности сигнатуры изделия.

В некоторых вариантах осуществления модуль сравнения может дополнительно действовать для сравнения атрибута результата сравнения из каждого блочного сравнения с ожидаемым атрибутом блочного сравнения для определения значения компенсации для использования при определении результата сравнения. Модуль сравнения может также действовать для определения результата сходства между определенной сигнатурой и сохраненной сигнатурой, с использованием значения компенсации для настройки определенной сигнатуры. Таким образом, изделие, поврежденное растягиванием или усадкой, может быть успешно идентифицировано. Также нелинейное определение сигнатуры может учитываться без потери точности идентификации. Таким образом, различные отклонения физического выравнивания на этапе генерации сигнатуры могут быть скомпенсированы для обеспечения возможности достижения корректного результата сравнения.

В некоторых вариантах осуществления модуль сравнения может действовать для вычисления результата сходства для каждого сравниваемого блока. Модуль сравнения может также действовать для сравнения результата сходства для, по меньшей мере, одного предварительно определенного блока с предварительно определенным порогом сходства и возврата отрицательного результата сравнения в случае, если результат сходства для, по меньшей мере, одного предварительно определенного блока ниже предварительно определенного порога сходства, независимо от результата сходства для сигнатур в целом. Таким образом, критическая часть изделия может быть идентифицирована и может подвергаться тщательному исследованию более высокого уровня, чем другие области изделия.

В некоторых вариантах осуществления гарантируется, что различающиеся данные из данных, собранных в отношении внутреннего свойства изделия, относятся к рассеянию от различных частей изделия путем обеспечения перемещения когерентного луча относительно изделия. Это перемещение может быть обеспечено двигателем, который перемещает луч над изделием, которое удерживается неподвижным. Двигатель может быть серводвигателем, автономным двигателем, шаговым двигателем или иным подходящим типом двигателя. Альтернативно, привод может быть ручным в дешевом считывателе. Например, оператор может сканировать лучом по изделию путем перемещения каретки, на которой установлено изделие, мимо неподвижного луча. Поперечное сечение когерентного луча обычно будет, по меньшей мере, на один порядок величины (предпочтительно, по меньшей мере, на два) меньше, чем проекция изделия, так что может быть собрано значительное количество независимых точек данных. Механизм фокусировки может быть предусмотрен для фокусирования когерентного луча на изделии. Механизм фокусировки может быть конфигурирован для формирования когерентного луча с удлиненным фокусом, при этом привод предпочтительно конфигурирован для перемещения когерентного луча по изделию в направлении, поперечном главной оси удлиненного фокуса. Удлиненный фокус может удобным образом быть обеспечен цилиндрической линзой или эквивалентной конфигурацией зеркал.

В других вариантах осуществления может гарантироваться, что различные точки из точек данных относятся к рассеянию от различных частей изделия, за счет того, что детекторное устройство включает в себя множество каналов детекторов, размещенных и конфигурированных для восприятия рассеяния от соответствующих различных частей изделия. Это может быть реализовано направленными детекторами, локальным сбором сигнала с помощью оптических волокон или другими средствами. С помощью направленных детекторов или при другом локализованном сборе сигнала нет необходимости фокусировать когерентный луч. На самом деле, когерентный луч может быть статическим и подсвечивать весь объем взятия выборки. Направленные детекторы могут быть реализованы посредством фокусирующих линз, сплавленных или иным образом прикрепленных к детекторным элементам. Оптические волокна могут быть использованы во взаимосвязи с микролинзами.

Можно создать работоспособный считыватель, если детекторное устройство состоит только из одного канала детектора. Другие варианты осуществления используют детекторное устройство, которое содержит группу детекторных элементов, распределенных по углу и действующих для сбора группы точек данных для каждой отличающейся части объема считывания, предпочтительно малую группу из небольшого числа детекторных элементов. Улучшение защиты обеспечивается, если сигнатура включает в себя вклад из сравнения между точками данных той же самой группы. Это сравнение может удобным образом включать в себя взаимную корреляцию.

Хотя работоспособный считыватель может быть создан с помощью только одного канала детектора, предпочтительно имеется, по меньшей мере, два канала. Это позволяет определить взаимную корреляцию между сигналами детекторов, что является полезным для обработки сигналов, ассоциированных с определением сигнатуры. Предусматривается, что от 2 до 10 каналов детекторов будут подходящими для большинства применений, причем от 2 до 4 рассматриваются в настоящее время как оптимальный баланс между простотой устройства и надежностью.

Детекторные элементы предпочтительно размещены так, что лежат в плоскости, пересекающей объем считывания, причем каждый элемент пары распределен по углу в плоскости по отношению к оси когерентного луча, предпочтительно с одним или более детекторными элементами с каждой стороны от оси луча. Однако непланарные детекторные устройства также приемлемы.

Обнаружено, что использование взаимных корреляций сигналов, получаемых от различных детекторов, дает ценные данные для увеличения уровней надежности, а также для обеспечения того, чтобы сигнатуры были более надежно воспроизводимыми во времени. Польза от взаимных корреляций оказалась несколько неожиданной с научной точки зрения, поскольку спекл-структуры являются по природе некоррелированными (за исключением сигналов от противоположных точек в структуре). Иными словами, для спекл-структуры по определению будет нулевая взаимная корреляция между сигналами от различных детекторов, пока они не размещены под равными по величине углами смещения от местоположения возбуждения в общей плоскости, пересекающей местоположение возбуждения. Поэтому значение использования вкладов от взаимной корреляции указывает, что важная часть сигнала рассеяния не является спеклом. Этот вклад, не относящийся к спеклу, может рассматриваться как результат непосредственного рассеяния или вклад диффузного рассеяния от сложной поверхности, такой как скрутки бумажного волокна. В настоящее время относительная важность вклада рассеянного сигнала, обусловленного спеклом, и не относящегося к спеклу, не ясна. Однако из экспериментов, выполненных на сегодняшний день, ясно, что детекторы не измеряют чисто спекл-структуры, а измеряют составной сигнал с компонентами спекла и компонентами, не относящимися к спеклу.

Включение компонента взаимной корреляции в сигнатуру также может обеспечить пользу для улучшения защищенности. Это объясняется тем, что даже если возможно использование печати с высоким разрешением, которое репродуцирует вариации контраста по поверхности истинного изделия, это не позволит согласовать коэффициенты взаимной корреляции, полученные сканированием истинного изделия.

В одном варианте осуществления каналы детекторов образованы дискретными детекторными компонентами в форме простых фототранзисторов. Другие простые дискретные компоненты также могут быть использованы, например, PIN-диоды или фотодиоды. Интегрированные детекторные компоненты, такие как матрицы детекторов, также могут использоваться, хотя это привело бы к увеличению стоимости и сложности устройства.

Исходя из начальных экспериментов, которые модифицировали угол подсветки лазерного луча на изделии, подлежащем сканированию, представляется также предпочтительным для практического использования, чтобы лазерный луч падал нормально к сканируемой поверхности, чтобы получить характеристику, которая может быть повторно измерена от той же самой поверхности при малом изменении, даже если изделие подверглось ухудшению между измерениями. По меньшей мере, некоторые известные считыватели используют наклонное подсвечивание (см. GB 2221870). Разобравшись в данном эффекте, можно представить себе, что он является очевидным, однако, он явно не тривиально очевиден, о чем могут свидетельствовать конструкции некоторых считывателей, известных из предшествующего уровня техники, включая тот, который раскрыт в GB 2221870 и реально является первым считывателем-прототипом, сконструированным изобретателями. Этот первый считыватель-прототип, созданный изобретателями, с наклонным подсвечиванием функционировал довольно хорошо в лабораторных условиях, но был довольно чувствительным к ухудшению качества бумаги, используемой в качестве изделия. Например, истирания бумаги пальцами было достаточным, чтобы вызвать значительные различия, проявлявшиеся при повторном измерении. Второй считыватель-прототип использовал нормальное подсвечивание и был оценен как надежный по отношению к ухудшению бумаги при обычном обращении с ней, а также к более серьезным событиям, таким как прохождение через различные типы принтеров, включая лазерный принтер, прохождение через фотокопировальный аппарат, нанесение записи, нанесение печати, намеренное подсушивание в печи, раздавливание и повторное выравнивание.

Поэтому может быть предпочтительным установить источник так, чтобы направлять когерентный луч на объем считывания, чтобы он падал на изделие при почти нормальном подсвечивании. Почти нормальное подсвечивание означает ±5, 10 или 20 градусов. Альтернативно, луч может быть направлен так, чтобы на изделии имело место наклонное подсвечивание. Обычно это будет иметь негативное влияние в случае, если луч сканирует по изделию.

Также следует отметить, что в считывателях, представленных в детальном описании, детекторное устройство конфигурировано на основе отражения, чтобы обнаруживать излучение, обратно рассеянное из считываемого объема. Однако, если изделие является прозрачным, то детекторы могут быть конфигурированы на основе пропускания.

Генератор сигнатуры может действовать для доступа к базе данных предварительно записанных сигнатур и выполнять сравнение для установления того, содержит ли база данных данные согласования с сигнатурой изделия, которое помещено в объем считывания. База данных может быть частью устройства массовой памяти, которое составляет часть устройства считывания, или может находиться в удаленном местоположении и быть доступной для считывателя через телекоммуникационный канал. Телекоммуникационный канал может принимать любую обычную форму, включая беспроводные и стационарные каналы, и может быть доступным через Интернет. Модуль сбора и обработки данных может действовать, по меньшей мере, в некоторых рабочих режимах, чтобы добавлять сигнатуру к базе данных, если согласование не найдено.

При использовании базы данных, в дополнение к сигнатуре, также может быть полезным ассоциировать эту сигнатуру в базе данных с другой информацией об изделии, такой как сканированная копия документа, фотография держателя паспорта, детали относительно места и времени изготовления продукта или детали о предполагаемых местах продаж торгуемых товаров (например, для отслеживания серого импорта).

Изобретение обеспечивает возможность идентификации изделий, изготовленных из многообразия различных типов материалов, таких как бумага, картон, пластик.

Под внутренней структурой понимается структура, которую изделие будет иметь по своей природе ввиду его изготовления, тем самым отличаясь от структуры, специально обеспечиваемой для целей защиты, такой как структура, придаваемая маркерами или искусственными волокнами, внедряемыми в изделие.

Под бумагой или картоном понимается любое изделие, сделанное из древесной массы или обработкой эквивалентного волокна. Бумага или картон могут обрабатываться нанесением покрытий или пропиткой или покрываться прозрачным материалом, таким как целлофан. Если особенное значение имеет долговременная стабильность поверхности, то бумага может обрабатываться, например, прозрачным акриловым покрытием, наносимым распылением.

Точки данных могут, таким образом, собираться как функция положения подсветки когерентным лучом. Это может быть реализовано либо путем сканирования локализованным когерентным лучом по изделию, либо путем использования направленных детекторов, чтобы принимать рассеянный свет от различных частей изделия, или комбинацией обоих средств.

Сигнатура предусматривается как цифровая сигнатура в большинстве применений. Типовые размеры цифровой сигнатуры при современной технологии будут в пределах от 200 бит до 8 кбит, причем в настоящее время предпочтительно иметь размер цифровой сигнатуры около 2 кбит для высокой надежности.

Другая реализация изобретения может быть выполнена без сохранения цифровых сигнатур в базе данных, а вместо этого нанесением маркера установления права с помощью этикетки, полученной из сигнатуры, при этом этикетка соответствует протоколу машиночитаемого кодирования.

Краткое описание чертежей

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже только для примера со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - схематичный вид сбоку примера устройства считывания;

Фиг.2 - схематичный вид в перспективе, показывающий, каким образом производятся выборки считываемого объема устройства считывания по фиг.1;

Фиг.3 - блок-схема функциональных компонентов устройства считывания по фиг.1;

Фиг.4 - вид в перспективе устройства считывания по фиг.1, показывающий его внешнюю форму;

Фиг.5 - вид в перспективе, показывающий другой пример внешней формы считывателя по фиг.1;

Фиг.6А - схематичное представление в поперечном сечении альтернативной конфигурации считывателя;

Фиг.6В - вид в перспективе другой альтернативной конфигурации считывателя;

Фиг.6С - вид в перспективе другой альтернативной конфигурации считывателя;

Фиг.7А - схематичный вид сбоку альтернативной конфигурации формирования изображения для считывателя, основанного на сборе направленного света и сплошной подсветке;

Фиг.7В - схематичный вид в плане оптического следа в другой альтернативной конфигурации считывателя, в которой направленные детекторы используются в комбинации с локализованной подсветкой удлиненным лучом;

Фиг.8А - изображение в микроскопе поверхности бумаги, причем изображение охватывает области примерно 0,5×0,2 мм;

Фиг.8В - изображение в микроскопе поверхности пластика, причем изображение охватывает области примерно 0,02×0,02 мм;

Фиг.9А - необработанные данные с одного фотодетектора с использованием считывателя по фиг.1, которые состоят из сигнала фотодетектора и сигнала кодера;

Фиг.9В - данные фотодетектора по фиг.9А после линеаризации сигналом декодера и усреднения амплитуды;

Фиг.10 - блок-схема, показывающая, каким образом сигнатура изделия генерируется из сканирования;

Фиг.11 - блок-схема, показывающая, каким образом сигнатура изделия, полученная из сканирования, верифицируется по отношению к базе данных сигнатур;

Фиг.12 - блок-схема, показывающая, каким образом процесс верификации по фиг.11 может быть изменен с учетом неидеальностей в сканировании;

Фиг.13А - пример данных взаимной корреляции, собранных из сканирования;

Фиг.13В - пример данных взаимной корреляции, собранных из сканирования, когда сканируемое изделие деформировано;

Фиг.13С - пример данных взаимной корреляции, собранных из сканирования, когда сканируемое изделие сканируется с нелинейной скоростью;

Фиг.14 - схематичное представление изделия для верификации аутентичности;

Фиг.15 - схематичное представление в перспективе вырезки сканера с многоканальной головкой; и

Фиг.16 - схематичное представление в перспективе вырезки сканера местоположения с многоканальной головкой.

Хотя изобретение допускает многочисленные модификации и альтернативные формы, для примера на чертежах показаны и детально описаны конкретные варианты осуществления. Однако следует понимать, что чертежи и детальное описание не предназначены для ограничения изобретения конкретной раскрытой формой, а напротив, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, входящие в объем изобретения, как определено в формуле изобретения.

Описание конкретных вариантов осуществления

Для обеспечения услуг защиты и авторизации в средах, таких как среда электронной коммерции, может быть использована система для уникальной идентификации физического предмета, чтобы снизить возможности мошенничества и повысить как действительную, так и воспринимаемую надежность системы электронной коммерции как для поставщика, так и конечных пользователей.

Примеры систем, подходящих для выполнения такой идентификации предмета, описаны ниже со ссылками на фиг.1-11.

На фиг.1 показан схематичный вид сбоку первого примера устройства 1 считывания. Оптическое устройство 1 считывания предназначено для измерения сигнатуры от изделия (не показано), размещенного в объеме считывания устройства. Объем считывания образован апертурой 10 считывания, которая является прорезью в корпусе 12. Корпус 12 содержит основные оптические компоненты устройства. Прорезь имеет свою основную протяженность в направлении х (см. показанные на чертеже оси). Главные оптические компоненты - это лазерный источник 14 для генерации когерентного лазерного луча 15 и детекторное устройство 16, состоящее из множества k фотодетекторных элементов, где k=4 в этом примере, обозначенных 16a, 16b, 16c и 16d. Лазерный луч 15 фокусируется цилиндрической линзой 18 в удлиненный фокус, продолжающийся в направлении y (перпендикулярно плоскости чертежа) и лежащий в плоскости апертуры считывания. В одном приведенном для примера считывателе удлиненный фокус имеет размер главной оси около 2 мм и размер малой оси около 40 мкм. Эти оптические компоненты содержатся в субмодуле 20. В представленном примере четыре детекторных элемента 16а…d распределены по обе стороны от оси луча со сдвигом на разные углы в чередующемся расположении от оси луча, чтобы собирать свет, рассеянный в отражении от изделия, находящегося в объеме считывания. В настоящем примере углы смещения равны -70, -20, +30 и +50 градусов. Углы с каждой стороны от оси луча выбраны так, чтобы не быть равными, так что точки данных, которые собираются ими, независимы в максимально возможной степени. Все четыре детекторных элемента размещены в общей плоскости. Фотодетекторные элементы 16а…d детектируют свет, рассеянный от изделия, помещенного на корпусе, когда когерентный луч рассеивается из объема считывания. Как показано, источник установлен для направления лазерного луча 15 с его осью луча в направлении z, так что он будет падать на изделие в апертуре считывания при нормальном подсвечивании.

В принципе желательно, чтобы глубина фокуса была велика, так чтобы любые различия в позиционировании изделия в направлении z не приводили к значительным изменениям в размере луча в плоскости апертуры считывания. В настоящем примере глубина фокуса примерно равна 0,5 мм, что достаточно велико для формирования хороших результатов, где положение изделия относительно сканера может контролироваться до некоторой степени. Параметры, глубина фокуса, апертура считывания и рабочее расстояние являются независимыми, что приводит в результате к хорошему компромиссу между размером пятна и глубиной фокуса.

Приводной двигатель 22 размещен в корпусе 12 для обеспечения линейного перемещения субмодуля 20 оптики посредством соответствующих подшипников 24 или иных средств, как показано стрелками 26. Приводной двигатель 22 служит, таким образом, для перемещения когерентного луча линейно в направлении х по апертуре 10 считывания, так что луч 15 сканируется в направлении, поперечном главной оси удлиненного фокуса. Поскольку когерентный луч 15 имеет размеры в своем фокусе такие, чтобы поперечное сечение в плоскости xz (плоскости чертежа) было много меньше, чем проекция объема считывания на плоскость, нормальную когерентному лучу, т.е. на плоскость стенки корпуса, в которой установлена апертура считывания, сканирование приводного двигателя 22 будет вызывать взятие выборок когерентным лучом из различных частей объема считывания под действием приводного двигателя 22.

Фиг.2 иллюстрирует это взятие выборок и является схематичным видом в перспективе, показывающим, каким образом производятся выборки n раз из области считывания посредством сканирования ее удлиненным лучом. Позиции взятия выборок сфокусированного лазерного луча, когда он сканирует вдоль апертуры считывания под действием привода, представлены смежными прямоугольниками от 1 до n, в которых берутся выборки области длиной “l” и шириной “w”. Сбор данных выполняется так, чтобы принимать сигнал в каждом из n положений, когда привод сканирует вдоль прорези. Вследствие этого получается последовательность из k×n точек данных, которые относятся к рассеянию от n различных проиллюстрированных частей объема считывания.

Также схематично показаны факультативные метки 28 расстояния, формируемые на нижней стороне корпуса 12 рядом с прорезью 10 вдоль направления х, то есть направления сканирования. Примерное расстояние между метками в направлении х равно 300 мкм. Эти метки зондируются концом удлиненного фокуса и обеспечивают линеаризацию данных в направлении х в ситуациях, когда такая линеаризация требуется, как описано более детально ниже. Измерение выполняется с помощью дополнительного фототранзистора 19, который является направленным детектором, предназначенным для отбора света из области меток 28, смежной с прорезью.

В альтернативном варианте метки 28 могут считываться специальным модулем 19 излучателя кодера/детектора, который является субмодуля 20 оптики. Модули излучателя кодера/детектора используются в считывателях штрихкода. В одном примере может быть использован модуль Agilent HEDS-1500, который основан на сфокусированном светоизлучающем диоде (LED) и фотодетекторе. Сигнал модуля вводится в PIC ADC как дополнительный канал детектора (см. описание фиг.3 ниже).

Для примерного малого размера фокуса 40 мкм и длине сканирования в направлении х, равной 2 см, n=500 получаются 2000 точек данных при k=4. Типовой диапазон значений для k×n, в зависимости от желательного уровня надежности, типа изделия, числа каналов k детекторов и других факторов составит 100<k×n<10000. Также найдено, что увеличение числа k детекторов также улучшает нечувствительность измерений к деградации (ухудшению качества поверхности) изделия вследствие обращения, нанесения печати и т.д. На практике, для прототипов, использовавшихся до настоящего времени, эмпирическое правило состоит в том, что общее число независимых точек данных, то есть k×n, должно быть 500 или более, чтобы обеспечить приемлемый уровень надежности при широком разнообразии поверхностей. Другие минимальные количества (как выше, так и ниже) могут применяться, если сканер предполагается использовать только с конкретным типом поверхности или группой типов поверхности.

Фиг.3 показывает блок-схему функциональных компонентов устройства считывания. Двигатель 22 соединен с программируемым по прерываниям контроллером (PIC) 30 посредством электрической линии 23. Детекторы 16а…d детекторного модуля 16 соединены через соответствующие электрические соединительные линии 17а…d с аналого-цифровым преобразователем (ADC), который является частью PIC 30. Аналогичная электрическая соединительная линия 21 соединяет детектор 19 считывания маркера с PIC 30. Понятно, что оптические или беспроводные линии могут быть использованы вместо или в комбинации с электрическими соединительными линиями. PIC 30 сопряжен с персональным компьютером (РС) 34 через соединение 32 данных. РС 34 может быть настольным или портативным компьютером. В качестве альтернативы РС, могут использоваться другие интеллектуальные устройства, например, персональный цифровой помощник (PDA) или специализированный электронный блок. PIC 30 и РС 34 совместно образуют модуль 36 сбора и обработки данных для определения сигнатуры изделия из набора точек данных