CN102460519A - 根据对象的表面特性标识和/或鉴权对象 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是一种用于根据对象的表面特性识别和/或鉴权对象的方法。另外，本发明的主题是一种用于扫描表面的传感器。

Description

根据对象的表面特性标识和/或鉴权对象

技术领域

本发明的主题是一种用于根据对象的表面特性标识和/或鉴权对象的方法。本发明的主题还是一种用于扫描表面的传感器。

背景技术

在许多技术产品和方法中，例如在模具制造中和在技术滑动面或视面的情况下，物件的表面特性起到重要的作用。在纸的情况下，表面结构例如在可印刷性方面是重要的质量特征。

与此相应地，存在大量用于确定表面结构以及用于确定表面特性的表示特性的特征数的测量方法。结果为表面地形的测量方法也被称为直接方法。间接方法提供例如粗糙度的表示特性的特征数，而不测量表面本身的实际外形。间接方法的例子是根据Bekk（别克）的用于通过测量孔口（Blende）与样本表面之间的气流来确定纸或纸板样本的粗糙度的方法。

在直接方法中，可以区分触觉和光学方法。利用触觉方法可以利用机械感测设备（Taster）逐点扫描表面。以电子或光电子方式来测量感测设备偏转。该结果是在触及路径（Tastweg）上记下的高度信号、即所谓的表面轮廓。通过扫描互相挨紧的表面轮廓，获得地形的平面扫描。以不接触的方式工作的类似方法是扫描电子显微术（Rasterelektronenmikroskopie）或原子力显微术（Rasterkraftmikroskopie）（在所谓的非接触模式下）。

用于确定地形的光学方法的例子是动态激光聚焦（例如参见Wochenblatt für Papierfabrikation，ISSN0043-7131，年集117., 1989年4月，第7号；第271至274页）。在动态激光聚焦中，借助于透镜将激光聚焦到表面上。该透镜可以借助于伺服电动机与表面垂直地（在z方向上）被移动。传感器确定透镜在聚焦位置中的相应z位置，并且因此在样本（Probe）通过xy工作台在透镜下水平地被移动期间提供地形信息。

此外，也可以例如利用声学或彩色近场传感器、利用涡流传感器或相位白光干涉仪来获得表面的地形信息。

从所确定的地形中又可以确定特征数、例如平均粗糙值R_a或粗糙深度R_z（参见DIN EN ISO 4287:1998）。所述的特征量对单个测量段来定义，并且通常称为多个单个测量段的平均值。针对粗糙度特征量存在5种单个测量段标准（DIN EN ISO 4288:1998）。

因此常见的是，将利用直接方法所记录的关于表面地形的数据集浓缩为几个特征数。将数据集浓缩为几个特征数允许对物件进行分类。但是通过将数据集浓缩为几个特征数，各个物件的个性丢失，因为从特征数中仅能推断出材料类别，而不能推断出各个物件。

但是例如在产品跟踪的情况下以及在产品伪造方面，物件的检测和重新识别起到重要作用。

在该方面，根据例如条形码对物件的自动化识别一般是公知的。条形码（条码）被施加到商品和/或包装上并且允许以机器方式标识商品以用于例如确定价格。但是条形码不提供伪造保护，因为所述条形码可以容易地复制并转用于其他物件上。

如今，证件、钞票、产品等等配备有元件用于防伪，这些元件仅能利用特种知识和/或高技术耗费来仿制。这样的元件在此被称为安全元件。物件的真实性可以根据一个或多个安全元件的存在来检查。

光学安全元件、例如水印、特种油墨、扭纹图案、微字体以及全息图在世界范围被设立。下列书籍给出关于尤其是、但不仅仅适用于文档保护的光学安全元件的概括：Rudolf L. van Renesse，Optical Document Security， Third Edition，Artech House Boston/London，2005（S. 63-259））。

但是目前在商业上可得到的安全元件的大部分不允许个性化，也就是说，许多物件承载相同的安全元件。承载相同安全元件的物件不能根据安全文件加以区分。

但是所期望的常常是，能够从大量可比物件中明确地和可靠地标识单个物件。在PCT/EP/2009/002809中描述的安全元件使得能够个性化各个物件，并且因此能够可靠和明确地标识。但是有利的是，即使在没有如安全元件的辅助装置的情况下也能够对物件进行标识和/或鉴权。

根据现有技术，还公知有用于标识和鉴权（Authentifizierung）的方法，其中除了物件本身所提供的特征之外不使用其他特征。

在WO2005/088533（A1）中例如描述了能够用来借助于相干辐射标识和鉴权对象的方法。在该方法中，相干辐射被聚焦到对象的表面上并且扫描该表面。借助于光电探测器来探测由该表面反射的辐射。所检测的反射的辐射是表示特性的反射图案，该反射图案对于大量不同的材料而言是独特的，并且只能非常困难地被仿制，因为其可能追溯到制造和/或处理对象时的随机性。对各个对象的表示特性的反射图案被存储在数据库中，以便在以后的时刻能够标识和/或鉴权每个对象。为此，重新测量对象并且将表示特性的反射图案与所存储的参考数据相比较。

在WO2005/088553（A1）中详述了，所检测的反射图案是斑点图案和散射辐射的混合。在WO2005/088553（A1）中所述的方法的缺点在于，必须使用相干辐射。技术人员公知的是，相干辐射的源明显比非相干辐射源更昂贵。

另外在WO2005/088533（A1）中所述的方法限于不被照射损坏并且也再次反射入射辐射的足够部分的对象。光敏对象或者对电磁辐射具有高吸收能力的对象不能被检测和以后被明确地识别。

发明内容

因此，从所述的现有技术出发所提出的任务是，提供一种能够用来标识和/或鉴权大量不同对象的方法。所寻求的方法应该使得能够区分同类对象。在此，所寻求的方法应该在没有昂贵的用来根据现有技术对同类对象进行个性化的辅助装置、例如个性化的全息图等的情况下也可行。所寻求的方法应是成本低的，可直观地和简单地实施，可灵活使用和可扩展的，并且提供可再现和可转用的结果，以及是适宜批量的。

令人意想不到地发现，可以根据对象的表面特性来标识和鉴权对象。在此，对象的表面具有表示相应对象的特性的单独的特征。这些特征允许区分同类的对象。

将同类的对象理解成如下对象：所述对象看上去是同样的，但是不是相同的，例如一叠纸的各页或者批量制造中的各个部件。

在此，单独的表面特性令人意想不到地不限于对象或材料的类型，而是原则上适用于所有对象。因此，甚至在磨光的镜（其中谈及无重要的表面结构的光滑表面）的情况下，也令人意想不到地可以在原子范围中认出单独的表面特性。

令人意想不到地发现，许多对象的表面特性如此稳健，使得所述表面特性即使在较长时间以后仍然尽最大可能地不变，由此所述表面特性可以被考虑用于标识和/或鉴权相应对象。由于表面特性可以由大量不同测量方法来确定，因此可以可靠地标识和/或鉴权不同类型的对象。如果对象应该是对光敏的，则表面特性的确定可以利用触觉方法来进行。如果对象是压力敏感的，则表面特性的确定可以以不接触的方式、例如借助于光学方法来进行。

将对象理解为每种固体。该物体的表面将所述物体与周围的介质（大多为空气）分离。

将表面特性理解为对象的表面的三维结构（地形）。概念“表面特性”和“地形（Topographie）”在此同义地使用。表面轮廓是通过对象的表面与预先给定的平面（设想地）相交得到的轮廓（例如参见DIN EN ISO 4287:1998，图2）。地形和表面轮廓统称表面结构。

将标识理解成用于明确地识别对象的过程。

将鉴权理解成检查（验证）所声明的身份的过程。对象的鉴权是确定所述对象是可信的——即是未经改变的、非复制的和/或非伪造的原件。

用于生成对象的签名的方法

本发明的第一主题是一种用于生成对象的签名的方法。

根据本发明的用于生成对象的签名的方法至少包括下列步骤：

A1：扫描对象的表面的第一区域，并且接收扫描信号，该扫描信号表示该第一区域内的表面结构的至少一部分，

A2：从在步骤A1中确定的扫描信号中产生签名，

A3：将该签名与该对象相关联，

A4：将该签名以该签名可用于以后的比较目的的形式进行存储。

该签名是关于对象的可存储信息。所述签名包含关于对象的表示特性的特征的信息。在此，表示特性的特征由相应对象的独特的表面特性中得出。

根据步骤1对对象表面的第一区域的扫描可以利用可用来确定对象的表面结构的任意方法（例如利用触觉或光学方法）来执行。在此，在市场上已经存在可以使用的商业的设备。优选地使用以不接触的方式检测表面结构的方法。特别优选地使用光学方法。

扫描的结果是表示第一区域内的表面结构的扫描信号。

该扫描可以沿着线进行。在这种情况下，可以从扫描信号中导出表面轮廓。同样可设想的是，扫描曲折地或者沿着多个优选彼此平行的线进行。平行的线优选是如此相互挨紧的，使得从扫描信号中可以导出表面地形。这在下面出版物的图2、3和5中予以示例性地示出：Wochenblatt für Papierfabrikation（ISSN0043－7131，年集117.，1989年4月，第7号；第271至274页）。由沿着唯一的线扫描所得到的每个单独的表面轮廓本身都是独特的。但是所观测到的表面轮廓具有相似性。因此，能够识别从一个表面轮廓到相邻表面轮廓的连续过渡。进行扫描所沿的各个线因此应该彼此靠近得使得能够识别这样的连续过渡。因此可能的是，在相邻的表面轮廓之间内插区域并且由此从各个所扫描的线区域中近似出整个地形。

在扫描时接收的扫描信号依赖于所使用的测量方法。这将根据两个例子来阐述。

I.可能的是，通过用机械感测设备逐点扫描表面来确定表面结构。可设想的是，该感测设备向表面移动，直到该感测设备接触该表面。在感测设备接触表面的点，出现阻力。必须使用提高的力，以便将感测设备在以前选取的方向上继续移动（表面给感测设备造成障碍）。直到出现阻力为止的该路径长度被注册，并且感测设备被移动回其初始位置。在下一步骤，将感测设备或该对象向侧面移动一段（ein Stück）（垂直于感测设备向对象移动的方向），并且重新将感测设备向表面移动。通过这种方式，逐点地确定到分别出现阻力为止的路径长度。在这种情况下，扫描信号包括根据地点的路径长度的值。由此可以以简单方式导出表面结构（表面轮廓或地形）。

II.可能的是，借助于聚焦的激光束来扫描表面。该激光束借助于透镜被聚焦到表面上。该透镜可以借助于伺服电动机与该表面垂直地（在z方向上）移动。传感器确定透镜在聚焦位置中的相应z位置，并且因此在样本通过xy工作台在透镜下移动期间提供地形信息。该传感器通常被时钟控制（getaktet），也就是说，其以恒定频率接收测量信号。在这种情况下，扫描信号包括根据时间（测量频率）的透镜的z位置。如果xy工作台进行具有恒定速度的相同的移动，则该xy工作台在接收两个测量值之间的时间中总是经过相同的路径。因此在时间与地点之间存在已知的相关性，使得在此也可以以简单方式从扫描信号中确定表面的地形。

如果测量信号的接收以时钟脉冲方式以始终不变的频率进行并且进行扫描装置与对象之间的不相同的移动，则也可以使用可以用来将时间信息变换成地点信息的机械编码器（Encoder）。这样的编码器尤其是在光学测量方法中是充分公知的。在WO2005/088533(A1)中所述的方法也使用用于将时间信息与地点信息相关的编码器（参见该文献）。

在根据本发明的方法的步骤A2中，从扫描信号中制定签名。根据本发明，该签名被用于在以后的时刻标识和/或鉴权该对象。因此，必须首先给在以后的时刻应被标识和/或鉴权的每个对象制定签名。首次确定对象的签名的该过程在此亦称首次检测或注册。如果存在对象的签名，则该签名可以被存储。在重新检测该对象、即重新确定其签名的以后时刻，可以将所存储的签名用作参考用于比较目的。

因此，签名是可存储和机器可处理的信息，所述信息可以从扫描信号中获得并且用于标识和或鉴权的目的。将可存储理解为，签名可以在以后的时刻例如出于比较目的被重新访问。将机器处理理解为，签名可以机器读取并且利用机器而经历不同的计算和/或存储操作。

该签名包含关于明确地表征对象的特征的信息。该签名可以是扫描信号本身。签名也可以是已经从扫描信号中导出的表面地形、即根据相应表面地点的表面区域的高度信息的汇集。同样可以设想，签名是根据来自DIN EN ISO 4287:1998的定义的表面轮廓。

通常，通过各种数学方法、比如滤波和/或背景扣除而从扫描信号中生成签名。通过这些数学方法，尽最大可能地消除了由单个测量导致的随机或系统波动。在纸类物件的情况下，例如可能出现表面轮廓中的由于物件的使用形成的波纹。该波纹可以在标识和/或鉴权时是干扰性的，由于所述波纹仅仅在时间的进程中产生，并且因此未包含在最初的签名中。这样的波纹可以通过适当的滤波器从扫描信号中被计算出（消除）（例如参见DIN EN ISO 4287:1998）。

同样可以设想，使扫描信号或经滤波的扫描信号经历数学变换，以便产生与该扫描信号或经滤波的扫描信号本身相比更好地适于标识和/或鉴权目的的数据组。作为这样的变换的例子列举傅里叶变换，其生成对扫描信号的地点无关的表示。

此外可以设想，从扫描信号中提取出表示特性的图案并且将该所提取出的数据用作签名（数据简缩）。

在根据本发明的用于生成签名的方法的步骤A3中，将签名与对象相关联。该关联可以以物理或虚拟方式进行。在物理关联的情况下，签名例如可以以光学代码（例如条码、矩阵码、OCR文本等等）的形式印刷到对象上或者被刻到对象中。同样可以设想，将对象与以存储的方式包含签名的标签相关联。也可以设想将上面存储有签名的电子数据载体、比如RFID芯片安装到对象处。

在虚拟关联的情况下，例如将数据库中的被分配给相应对象的明确编号（ID编号、批号等等）与签名相关联。签名例如可以将该编号包含在所谓的头部（文件开头处的元数据）中。该关联所负责的是，在签名与对象之间存在清楚和明确的分配。根据签名，可以明确地推断出所属的对象。

在根据本发明的方法的步骤A4中，以签名可用于以后的比较目的的形式存储签名。

该存储例如可以在电子存储介质（半导体存储器）、光学存储介质（例如压缩盘）、磁存储介质（例如硬盘）或者用于存储信息的其他介质上进行。还可以设想将签名作为光学代码（例如条码、矩阵码）储存在纸或对象本身上或者作为全息图储存。

在签名首次产生和存储以后，相应对象被注册，并且可以在以后的时刻根据其签名被标识和/或鉴权。所存储的签名在此亦称参考签名。

用于标识和/或鉴权对象的方法

本发明的第二主题是一种用于标识和/或鉴权对象的方法，至少包括下列步骤：

B1：扫描对象的表面的第二区域并且接收扫描信号，该扫描信号表示该第二区域内的表面结构的至少一部分，

B2：从在步骤B1中确定的扫描信号中产生签名，

B3：将在步骤B2中所确定的签名与至少一个参考签名相比较，

B4：根据步骤B3中的比较的结果产生关于该对象的身份和/或确实性的消息。

根据本发明的用于标识和/或鉴权对象的方法在时间上处于根据本发明的用于生成签名的方法之后。

在步骤A1和A2时所分别描述的对步骤B1和B2适用，也就是说，这些步骤尽最大可能地以相同的方式进行。

但是在步骤A1中，提到了表面的第一区域，而在步骤B1中，提到了表面的第二区域。

为了完全能够以后标识和/或鉴权，在标识和/或鉴权时所扫描的区域（第二区域）必须至少部分地与在首次检测时已经被扫描的区域（第一区域）重叠。重叠越大，则能够标识和/或鉴权对象的可靠性就越高。

在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，第一区域（来自步骤A1）和第二区域（来自步骤B1）是相同的或者至少尽可能地相同。将“尽可能地相同”理解为，在以后扫描表面时试图扫描也在首次检测时已经被扫描的相同区域。因此，在理想情况下，第一和第二区域是相同的——但是在实际中，可能难以在以后的检测时准确地重新找到或准确地“命中”首次检测的区域。这是定位精度的问题：如何精确地实现将对象相对于用于扫描对象表面的设备进行定位，使得该表面的所定义的区域可以被扫描？

避免对定位精度的要求的一种可能性在于，尽可能大地选择区域用于扫描。如果定位的绝对精度例如在一个方向上为

1mm并且该区域在该方向上具有1mm的伸展，则能够进行定位的精度是不够的；所存在的风险是，第一区域和第二区域根本不一致。但是如果该区域在所述方向上的伸展为10mm，则非常可能给出足够精确的定位；第一区域和第二区域在所述方向上彼此相差最大10％。

但是区域的扩大通常还与用于扫描的提高的时间耗费以及与用于扫描信号和签名的更大的数据量相联系，使得该区域不能任意大地被选择。

避免对定位精度的要求的另一可能性在于，使用所谓的位置指示器（Positionsgeber）。将位置指示器理解为最终表征表面的区域的装置。将最终表征表面区域理解为，对象的表面的区域如此被突出并且相对于其他表面区域如此被划界为使得该表面区域可以明确地同所有其他表面区域相区分，并且不存在不清楚是否属于所表征的表面区域的表面区域。位置指示器例如可以是具有凹陷的与对象相连接的标记。在凹陷内存在应当扫描的区域。如果该区域被光学扫描，则位置指示器的围绕凹陷布置的表面优选地被构造为使得所述表面在用电磁辐射照射时显示出与对象的所表征的表面区域不同的行为。如果该对象例如是具有高散射能力的纸类物件，则位置指示器的表面例如被构造为镜反射的。在触觉扫描对象的表面区域时，作为位置指示器的具有凹陷的标记所具有的优点是，圆形围绕对象的表面区域存在边缘，所述边缘在触觉扫描时提供所定义的和可良好识别的扫描信号，该扫描信号显示：对象的表面区域在何处开始和其在何处结束。因此，位置指示器有助于在每个以后扫描时“重新找到”在首次检测时已经扫描的区域以用于识别和/或鉴权。

已经指出，可能有利的是，尽可能小地构造区域用于扫描。该区域越小，扫描可以越快速地进行，作为扫描信号或签名出现的数据量越小，并且用于将当前签名与一个或多个参考签名相比较的计算时间越少。因此如果仅必须沿着唯一的线来扫描对象的表面，以便生成签名，则具有优点。但是也已经阐述了，区域的缩小随着对定位精度的要求提高而出现。如果签名是表面轮廓，即表面沿着该表面上的唯一的线的高度信息，则可能难以在以后的检测时重新找到该一条线。

令人意想不到地发现，在缩小用于扫描的区域时对定位精度的增加的要求的这一问题可以通过如下方式来解决：第二区域小于第一区域，并且第二区域处于第一区域之内。

因此，根据本发明的用于标识和/或鉴权的方法的一个优选实施方式的特征在于，第二区域小于第一区域并且处于该第一区域之内。

为了满足步骤B1中的足够的定位精度，必须关于扫描装置对对象进行定位，使得扫描区域（第二区域）处于所定义的较大区域（第一区域）之内。对定位精度的要求相应地随着第一区域的大小增加以及第二区域的大小降低而降低。随着第二区域的大小降低，可用于比较的数据量自然也降低。一般而言成立的是，描述相应对象的身份的数据量越大，可以以越高的可靠性做出关于对象的身份和/或确实性的陈述。在此，因此必须在简化的定位与标识和/或鉴权时的可靠性之间做出合理的权衡。

由扫描第一较大区域获得并且被存储为参考签名的签名相应地大于在以后为了标识和/或鉴权目的进行扫描时在扫描第二较小区域时所产生的每个签名。在根据本发明的用于标识和/或鉴权的方法的步骤B3中，与此相应地检查：在参考签名内是否存在当前签名。具体而言这可能看起来如此使得在首次检测时沿着大量彼此挨紧的线扫描表面的第一区域，并且因此确定该第一区域的地形并且存储为参考签名。于是在标识和/或鉴权时，在以后的时刻例如仅仅记录沿着位于第一区域内的唯一的线的高度轮廓（表面轮廓）。在步骤B3中检查：第一区域的表面地形是否在任何位置处具有相应的表面轮廓。在此，不需要在标识和/或鉴权时扫描所沿的线也恰好是在确定地形时在首次检测的范围内考虑用于扫描的线之一。如上面已经确定的那样，各条线在确定地形时优选地彼此挨紧，使得在这些线之间可以识别连续的过渡。因此，单个线处于大量线的区域之内就足够了。出于相应原因，也不需要该单个线准确地与所述大量线平行。通过形成地形的各个表面轮廓的连续过渡，可以用已知的机械方法近似整个地形并且因此计算地形内的每个任意表面轮廓。

根据本发明的用于标识和/或鉴权对象的方法的该优选实施方式，其中第二区域小于第一区域，可以有利地用在以下地方：即存在用于首次检测的足够时间、而用于标识和/或鉴权的时间与之相比是有限的。

以艺术品或珠宝为例。这些艺术品或珠宝常常以手工制造制成。该手工制造与机器制造方法相比需要更多时间。因此，不重要的是，为了制定参考签名运行相应的时间耗费，其方式是，扫描大的（第一）区域。以后的标识和/或鉴权例如用于根据较小区域例行检查可以更快地进行。

令人意想不到地发现，第一和第二区域也可以被构造为使得第二区域大于第一区域，并且完全包括该第一区域。

因此，根据本发明的用于标识和/或鉴权对象的方法的另一优选实施方式的特征在于，第二区域大于第一区域并且完全包括该第一区域。

因此在首次检测时，生成由相对小的扫描区域得出的参考签名。在以后为了标识和/或鉴权的目的而生成签名时，扫描相应较大的区域，生成签名并且在步骤B3中检验：参考签名以何种程度存在于当前签名中。

通过该优选实施方式在定位精度和减小的数据量方面得出与在第二区域处于第一区域之内（参见上面）的情况下相同的优点。这样的实施方式在首次检测与以后的标识和/或鉴权相比是时间临界的时是有利的。例如在机器制造时情况可能如此，其中所制造的对象以大数目出现，并且以大的速度在传送带上被传输。在此有利的是，在最短时间内扫描相应对象的小区域（步骤A1），以便首次检测相应对象并且生成相应的参考签名。在以后标识和/或鉴权时，对象也许以小数目出现并且存在更多时间来在步骤B1中扫描较大的区域，以便保证：包括第一区域（来自步骤A1）。

在根据本发明的用于标识和/或鉴权对象的方法的步骤B3中，如上述那样将当前生成的签名与一个或多个参考签名相比较。在此，可以区分所谓的1：1匹配（Abgleich）和所谓的1：n匹配。在1：1匹配的情况下，仅仅进行两个签名的比较。例如在已经存在关于对象的假定的身份的信息时情况如此，但是仍然应当检查所述信息（鉴权）。例如可以设想，对象承载有指明对象身份的条码。根据假定的身份，可以确定被分配给相应对象的参考签名。该参考签名然后与当前所生成的签名相比较。

如果身份是未知的并且应当根据当前生成的签名来确定该身份，则将当前生成的签名与数目n个可考虑的参考签名相比较（1：n匹配），以便找出与当前生成的签名一致的该参考签名（标识）。

比较本身可以利用技术人员充分公知的数学方法来进行。例如可以使用模式匹配的公知方法，其中搜索数据组之间的相似性（例如参见Image Analysis and Processing: 8th International Conference, ICIAP ’95, San Remo, Italy, September 13-15, 1995. Proceedings (Lecture Notes in Computer Science）, WO2005088533(A1), WO2006016114(A1), C. Demant, B. Streicher-Abel, P. Waszkewitz, Industrielle Bildverarbeitung, Springer-Verlag, 1998, S. 133 ff, J. Rosenbaum, Barcode, Verlag Technik Berlin, 2000, S. 84 ff, US7333641 B2, DE10260642 A1, DE10260638A1, EP1435586B1）。也可以设想光学相关方法。

然后在步骤B4中，比较的结果、例如所比较的签名之间的一致程度以可视或可听消息形式被输出给相应设备的用户（监视器、打印机、扬声器等等）。

附图说明

在以一般形式介绍了根据本发明的方法以后，现在将进一步阐述具体实施方式，但是本发明不限于此。

其中：

图1（a）、（b）示出了用于光学扫描表面的是意图；

图2示出了用于利用线形射束轮廓对表面光学扫描的示意图；

图3示出了根据本发明的用于扫描表面的传感器的示意图；

图4a－4c示出了表面的扫描信号。

具体实施方式

对表面区域的扫描优选地以光学方式、即在使用电磁辐射的源和用于电子辐射的至少一个探测器（亦称光电探测器）的情况下进行。优选地作为辐射源使用能够以高强度生成电磁辐射的源。例如，激光辐射公知地具有高功率密度，并且可以良好地聚束，使得聚焦的激光束在焦点平面中的规模可以被保持为相应地小。扫描射束在焦点平面中的规模越小，则能够扫描表面所利用的精度越高。

在根据步骤A1和B1扫描时，扫描射束在焦点平面中的截面轮廓应当尽最大可能地相同，以便在以后根据步骤B3比较签名时不存在由于扫描时不同的分辨率而引起的在签名之间的太大的差异。将截面轮廓理解成辐射在焦点平面中的二维强度分布。

图1中示意性地示出了能够如何借助于扫描射束来实施对表面区域的扫描。

该图示出了对象的表面1以及包括电磁辐射的源2以及大量用于电磁辐射的探测器5的装置。出于更好的清楚性的原因，表面1与辐射源2和探测器5相比以强烈放大的方式示出。

从辐射源可以向对象的表面1发送扫描射束3。该对象相对于由辐射源和探测器构成的装置移动（由粗黑箭头来标出）。在此，扫描射束掠过（überstreifen）表面。扫描射束根据反射定律被该表面反射。根据表面的曲率，所反射的辐射4到达探测器之一中。通过这种方式，可以扫描表面并且接收扫描信号。从扫描信号中可以确定表面结构。

替代于大量单个探测器还可以设想使用相应大的探测器（CCD、CMOS相机）。与动态激光聚焦（参见上面）不同，在此处所述的方法中不需要使用机械可调的透镜。令人意想不到地发现，将扫描射束聚焦到表面上的点就足够了。对象与由辐射源和探测器构成的装置之间的移动于是以对象与装置之间的恒定间隔来进行。由于表面上的高度差异，不是扫描射束射到表面上的所有点都准确地处于焦点平面中。尽管如此，令人意想不到地可以从扫描信号中导出地形。因此，优选地使用具有大的焦深的辐射源。

对表面的照射（扫描）可以以关于中间（mittlere）表面平面为几乎0˚（只要还出现反射）至90°的任意角度进行。对所反射的辐射的探测同样可以以关于中间表面平面为几乎0˚（只要还出现反射）至90°的任意角度进行。

使用根据图1的设备所具有的优点是，与用于动态激光聚焦的公知设备不同，不需要机械可调的透镜。与此相应地，根据图1的设备是复杂度更低并且由此是更成本低的并且不太易于出错。此外可以利用根据图1的设备与用于动态激光聚焦的设备相比显著更快地进行扫描，因为不出现用于以机械方式再调整的时间。

此外令人意想不到地发现，为了确定签名不必在扫描时检测完整的表面结构。因此，许多对象的表面特性富含表示特性的特征，使得其小部分就足以进行标识和/或鉴权。这意味着，在图1中的装置中，替代于大量探测器，原则上唯一的一个就足够了。该一个探测器于是不再检测表面的每个曲率，而是仅仅检测由表面在探测器方向上发送的信号。但是借助于探测器所检测的扫描信号令人意想不到地足以生成签名以用于标识和/或鉴权的目的。

发送到表面的辐射优选地为不相干的，以便排除干扰的干涉现象。落到粗糙表面上的相干辐射公知地生成斑点图案。该斑点图案尤其依赖于入射角以及辐射源与表面之间的间隔。因此，斑点图案通常仅能困难地再现。斑点图案与可追溯到直接表面结构的可再现扫描信号叠加，并且导致信噪比的减小。

尽管激光射束具有高强度并且所述激光射束可以非常良好地聚束，但是所述激光射束是相干的，并且导致不期望的斑点图案。

因此，优选地作为辐射源使用所谓的斑点减小的激光器或非相干辐射源、例如LED（LED＝发光二极管）。用于在相干辐射情况下减小斑点现象的方法对技术人员是公知的（例如参见DE102004062418B4）。特别优选地使用所谓的大功率LED。还可以设想，使用LED阵列、即多个LED的装置。

在一个优选实施方式中，在步骤A1中和/或在步骤B1中进行仅仅沿着线的扫描。特别优选地，不仅在步骤A1中而且在步骤B1中进行仅仅沿着线的扫描。这意味着，在使用根据图1的扫描射束的情况下，该扫描射束仅仅一次地在一方向上（沿着唯一的线）在对象的表面上被引导，以便接收扫描信号。沿着唯一的线的扫描可以比沿着多条、例如彼此平行布置的线的扫描显著更快地进行。如果在步骤A1中以及步骤B1中进行沿着唯一的线的扫描，则时间耗费最小。

但是如上面已经阐述的那样，随着扫描区域的大小减小，在以后的扫描时越来越难以重新找到在首次扫描时所检测的区域。根据本发明，通过使用线形射束轮廓用于扫描来解决该问题。也即令人意想不到地发现，即使横向于移动方向使射束轮廓展宽，也可以确定扫描信号和签名以用于标识和/或鉴权对象的目的。这在图2中予以示意性地示出。借助于电磁辐射的源2来照射对象的表面1的区域7。反射的辐射4的一部分借助于探测器被捕获，以便接收扫描信号。该对象相对于由辐射源和探测器构成的装置移动（由粗黑箭头示出）。在表面平面中存在线形射束轮廓，其较长的伸展横向于移动方向。

通过在横向于移动方向的方向上展宽射束轮廓，解决了定位问题。替代于细线（具有与点状射束轮廓的伸展相对应的宽度），扫描宽的区域（具有与线形射束轮廓的较长伸展相对应的宽度）。在以后的扫描时可以相应更简单地重新找到该宽的区域。

利用根据图2的线形射束轮廓的扫描在一定程度上对应于对大量扫描信号的求平均，所述大量扫描信号由沿着大量彼此挨紧的并且平行的线利用点状射束轮廓扫描而产生。令人意想不到的是，通过对宽的区域的该求平均还可以生成可用来标识和/或鉴权对象的签名。

在此，线形射束轮廓如下来定义：辐射的截面中心的强度通常为最高的，并且向外减小。该强度可能在所有方向上均匀地减小——在这种情况下，存在圆形截面轮廓。在所有其他情况下，存在强度梯度最大的至少一个方向以及强度梯度最小的至少一个方向。下面，将射束宽度理解成在最小强度梯度的方向上距截面轮廓的中心的以下间隔，在该间隔处强度下降为中心处其值的一半。此外，将射束厚度理解成在最高强度梯度的方向上距截面轮廓的中心的以下间隔，在所述间隔处强度下降为中心处其值的一半。线形射束轮廓表示以下射束轮廓，其中射束宽度是射束厚度的10倍以上。射束宽度优选地是射束厚度的50倍以上、特别优选地是100倍以上并且完全特别优选地是150倍以上。

射束厚度优选地处于当前表面的平均沟纹宽度（mittlere Rillenbreite）的范围内（关于平均沟纹宽度的定义参见DIN EN ISO 4287:1998）。

对于大量对象、尤其是由纸制成的对象而言，下面的射束厚度和宽度被证明是合适的：

在2mm至7mm范围中、优选在3mm至6.5mm范围中、特别优选在4mm至6mm范围中以及完全特别优选在4.5mm至5.5mm范围中的射束宽度；

在5μm至35μm范围中、优选在10μm至30μm范围中、特别优选在15μm至30μm范围中、完全特别优选在20μm至27μm范围中的射束厚度。

对光学系统的技术人员公知的是，能够如何借助于光学元件生成相应的射束轮廓。光学元件用于射束成形以及聚焦。尤其是透镜、光阑、衍射光学元件等等称为光学元件。

随着扫描射束在焦点处的截面轮廓的大小减小，信噪比增加，因为强度被分布在较小的面积上。根据经验发现，随着在焦点处截面轮廓的大小减小，变得越来越难以获得可再现的信号。这似乎是由于，不再能够相对于变小的截面轮廓足够精确地对要鉴权的对象的表面进行定位。似乎变得越来越难以在重新鉴权时足够精确地命中该区域。

令人意想不到地发现，对于射束厚度和射束宽度的上述范围非常良好地适于一方面获得对于可再现性而言足够精确的定位以及另一方面获得对于足够精确的鉴权而言足够的信噪比。

在扫描时，扫描装置和应对其表面进行扫描的对象以恒定的间隔相对于彼此移动。在使用线形射束轮廓来扫描表面区域时，射束宽度横向于移动方向。移动方向与射束宽度的方向之间的角度优选为10˚至90˚之间、特别优选为45˚至90˚之间、完全特别优选为70˚至90˚之间。

可以设想扫描装置相对于对象移动以及对象相对于扫描装置移动。

该移动可以连续地以始终不变的速度、加速地或者减速地或者不连续地、即例如分步地进行。该移动优选地以始终不变的速度进行。

在根据图1或图2使用扫描射束扫描表面时，根据时间检测射到至少一个探测器上的辐射强度。通常以恒定的测量频率来检测和更新测量信号。如果表面与探测器之间的相对移动以始终不变的速度进行，则两个相继接收的测量信号之间的时间对应于所定义和始终不变的路径段。在这种情况下，可以容易地将根据时间检测的测量信号变换成地点的函数。在出现速度波动的情况下，优选地使用对信号技术的技术人员公知的机械编码器（Encoder）。

优选地用线形射束轮廓扫描表面导致本发明的第三主题、即一种可有利地用于扫描的传感器：

用于扫描表面的传感器

本发明的第三主题是一种用于扫描对象的表面的传感器。

根据本发明的传感器至少包括：

－电磁辐射的源，其被布置为使得电磁辐射可以以关于对象的表面法线成角度α发送到对象上；

－至少一个用于接纳所反射的辐射的光电探测器，其被布置为使得检测由对象以关于对象的表面法线成角度β被反射的辐射。

可以设想，角度α和β是一样大的。同样可以设想，角度α和β不同大。角度α和β的数值优选为相等的。

角度α和β的数值处于5˚至90˚的范围、优选地20˚至80˚的范围、特别优选地30˚至70˚的范围、完全特别优选40˚至60˚的范围。

作为电磁辐射的源原则上可以在根据本发明的传感器中使用发射由要扫描的对象的表面至少部分反射的辐射的用于电磁辐射的所有源。鉴于根据本发明的传感器的紧凑和成本低的构造形式，优选LED或者（优选斑点减小的）激光二极管。优选使用发出单色或尽可能单色的对人类可见的辐射的辐射源；特别优选地使用具有600nm至780nm之间的波长的辐射源。

在根据本发明的传感器中优选使用1至6个光电探测器、特别优选1至3个光电探测器。

在根据本发明的传感器中，作为光电探测器原则上可以使用将电磁辐射转换成电信号的所有电子器件。鉴于根据本发明的传感器的紧凑和成本低的构造形式，优选光电二极管或光电晶体管。光电二极管是半导体二极管，其在pn结或pin结处通过内部光电效应将电磁辐射转换成电流。光电晶体管是具有pnp或npn层序列的双极晶体管，其中基极－集电极耗尽层（Sperrschicht）的其pn结对于电磁辐射可通达的。该光电晶体管类似于具有所连接的放大器晶体管的光电二极管。

根据本发明的传感器具有生成线形射束轮廓的光学元件。

根据本发明的传感器的线形射束轮廓的特征在于，射束宽度是射束厚度的多倍。射束宽度优选地至少为射束厚度的50倍、特别优选地所述射束宽度至少为100倍并且完全特性优选至少为150倍。

射束宽度处于2mm至7mm的范围、优选3mm至6.5mm的范围、特别优选4mm至6mm的范围并且完全特别优选4.5mm至5.5mm的范围中。

射束厚度处于5μm至35μmm的范围、优选10μm至30μm的范围、特别优选15μm至30μm的范围、完全特别优选20μmm至27μm的范围中。

根据本发明的传感器的特征在于，射束宽度横向于根据本发明的用于扫描的传感器在对象的表面上被引导的方向。

根据发明的传感器可选地具有用于连接多个传感器或者用于将传感器与支撑装置相连接的装置。

这些装置允许以预先给定的方式将两个或多个传感器彼此连接。两个或多个传感器的连接以可逆的方式进行，即所述连接是可解开的。

连接装置也可以用于将根据本发明的传感器安装在支撑装置上。

图3以侧面的截面示例性地示出了无辐射源和光电探测器的根据本发明的传感器的优选实施方式。该传感器包括块10，该块具有所表明的外表面15。该所表明的外表面——在下面简称外表面——在扫描时对准相应对象的表面。

块10用于接纳根据本发明的传感器的所有光学组件。该块具有至少两个穿通部（Durchführung）11、12，所述穿通部彼此通向所表明的外表面的方向。

第一穿通部11以关于外表面的法线16（简称外表面法线）成角度γ走向，并且用于接纳电磁辐射的源。

第二穿通部12以关于外表面法线16成角度δ走向，并且用于接纳光电探测器。

角度γ和δ的数值优选为相等的。

角度γ和δ的数值处于5˚至90˚的范围、优选地20˚至80˚的范围、特别优选地30˚至70˚的范围、完全特别优选40˚至60˚的范围。

在根据本发明的传感器的一个优选实施方式中，存在一个或两个另外的穿通部13、14，所述穿通部用于接纳一个或两个另外的光电探测器。所述穿通部被布置为与第二穿通部12成角度ε₁和/或ε₂。角度ε₁和/或ε₂的大小为1˚至20˚、优选5˚至15˚。

所有穿通部优选地处于一个平面内，以便能够实现传感器的紧凑构造形式。

使用具有用于接纳辐射源和一个或多个光电探测器的两个至四个穿通部的块所提供的优点是，可以简单地但以所定义的方式彼此布置光学组件。在用于辐射源的穿通部中优选地存在挡块。传感器的辐射源被推到穿通部中抵靠该挡块，使得所述辐射源相对于块和光电探测器占据预先给定的固定位置。如果辐射源已经具有与该辐射源相连接的用于射束成形和聚焦的光学元件，这例如在如今商业上可得到的许多辐射源中是常见的，则通过固定辐射源，辐射源的焦点同时明确地确定。同样可以给用于接纳光电探测器的另外的穿通部配备挡块，其中光电探测器的位置应该与辐射源的位置相比不太精确。

该块可以以简单方式例如借助于压铸法由塑料以一件或者以两件方式制成。借助于压铸法，部件可以以高精度以大件数并且以短时间来制造。这使得能够成本低地批量制造足够精密的部件。穿通部可以已经设置在压铸模具中或者事后借助于例如钻孔引入到块中。块的所有组成部分优选地已经在压铸法中在一个步骤中制成。同样可以设想，例如从铝或塑料来铣切块并且例如借助于钻孔来实现穿通部。可设想技术人员公知的其他用于制造具有所定义的穿通部的块的方法。

该传感器可以具有外壳，在该外壳中引入块。在传感器的外壳中优选地引入另外的组件、例如用于辐射源的控制电子系统、信号预处理电子系统、完整的分析电子系统等等。该外壳优选地还用于锚定用于连接电缆，其中利用所述连接电缆，可以将根据本发明的传感器与控制单元和/或用于控制传感器和/或用于检测和继续处理表示特性的反射模式的数据检测单元相连接。

该传感器可以可选地具有窗，该窗安装在外表面之前、之后或之中并且保护光学组件免受损坏和污染。该窗优选地形成传感器的外表面。该窗至少对所使用的辐射源的波长是至少部分透明的。

此外图3中的根据本发明的传感器的特征在于，穿通部的中轴与位于块之外的点18相交。令人意想不到地发现，对于根据本发明的标识和/或鉴权有利的是，中轴的交点同时是辐射源的焦点并且与外表面相距2至10mm的间隔。

为了扫描对象的表面，将根据本发明的传感器相应地以一间隔在该对象上引导，使得焦点和中轴的交点处于对象的表面上。

在2至10mm的所述间隔范围的情况下，可以简单和足够精确地相对于辐射源和光电探测器对对象的要扫描的表面进行定位。在传感器与对象之间的间隔增加的情况下，必须越来越精确地保持传感器相对于对象表面的角度，以便能够检测表面的预先给定的区域，使得对定位的要求升高。

此外，辐射强度随着与辐射源的间隔增加而减小，使得在传感器与对象之间的间隔增加的情况下必须通过辐射源的更高功率来补偿到达对象的相应减小的辐射强度。

根据本发明的传感器可以以工业标准成本低地以批量制造的方式来制造，具有紧凑的构造形式，可以直观和简单地操纵，可灵活使用和可扩展，并且提供可再现和可转用的结果。

图4a、4b和4c示出了由用线形射束轮廓扫描对象所得到的扫描信号。该扫描信号是分别利用根据图3的传感器接收的。纵坐标分别示出了所使用的光电探测器的电压信号I（以任意单位），该电压信号与入射辐射的强度成比例。在横坐标上绘制了在扫描时沿着唯一的线经过的路径X（以cm为单位）。在所有情况下，在第二穿通部（12）中使用单个光电探测器。所扫描的对象是由3M公司的特种纸7110（3M 7110 石印纸，白色）以及UPM Raflatac公司的层压保护膜PET Overlam RP35组成的复合材料。作为辐射源使用斑点减小的激光二极管（Flexpoint线模块（Linienmodul） FP－HOM－SLD，Laser Components股份有限公司）。射束轮廓是线形的，具有射束宽度5mm和射束厚度25μm。

在图4a和4b的情况下扫描相同的区域。信号是非常相似的。在图4c的情况下，扫描与在图4a和4b的情况下不同的区域。图4c的信号与图4a和4b的信号明确地不同的。图4a和4b的信号的比较产生0.98的相关系数，而图4a和4c的信号的比较产生0.6的相关系数。扫描信号即使在较长时间以后还可以非常良好地再现。

图4a、4b和4c中的扫描信号具有大量表示特性的特征，所述特征可以被用来生成签名用于标识和/或鉴权的目的。因此可以区分不同的对象以及以后重新识别相同的对象。

利用Blau Optoelektronik股份有限公司的大功率LED阵列（FP－65/0.5LF-LED，射束宽度10mm，射束厚度60μm）的类似试验产生相似的结果，其中信噪比较低。

附图标记

1 表面

2 电磁辐射的源

3 扫描射束

4 所反射的射束

5 光电探测器

6 线形射束轮廓

7 扫描的区域

10 块

11 用于接纳辐射源的第一穿通部

12 用于接纳光电探测器的第二穿通部

13 用于接纳光电探测器的另外的穿通部

14 用于接纳光电探测器的另外的穿通部

15 外表面

16 外表面法线

18 焦点

Claims (14)

1.一种用于生成对象的签名的方法，至少包括下列步骤：

A1：扫描对象的表面的第一区域，并且接收扫描信号，该扫描信号表示该第一区域内的表面结构的至少一部分；

A2：从在步骤A1中确定的扫描信号中产生签名；

A3：将签名与对象相关联；

A4：将签名以所述签名可用于以后的比较目的的形式进行存储。

2.一种用于标识和/或鉴权对象的方法，至少包括下列步骤：

B1：扫描对象的表面的第二区域并且接收扫描信号，该扫描信号表示该第二区域内的表面结构的至少一部分；

B2：从在步骤B1中确定的扫描信号中产生签名；

B3：将在步骤B2中所确定的签名与至少一个参考签名相比较；

B4：根据步骤B3中的比较的结果产生关于对象的身份和/或确实性的消息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二区域小于来自权利要求1的第一区域，并且处于该第一区域内。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二区域大于来自权利要求1的第一区域，并且完全包括该第一区域。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二区域与来自权利要求1的第一区域相同或者至少尽可能地相同。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，扫描以光学方式利用非相干辐射进行。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了扫描，使对象和用于扫描对象的设备以恒定的间隔彼此移动，并且该扫描沿着唯一的线进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，扫描利用线形射束轮廓进行，该射束轮廓的较长伸展横向于移动方向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，线形射束轮廓的射束宽度是射束厚度的50倍以上。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，线形射束轮廓的射束厚度处于当前表面的平均沟纹宽度的范围中。

11.一种用于扫描表面的传感器，至少包括：

－块，该块具有：外表面；第一穿通部，其以关于外表面的法线成角度γ通向外表面；以及第二穿通部，其以关于外表面的法线成角度δ通向外表面，其中角度γ和δ的数值相等；

－辐射源，其被布置在第一穿通部中并且能够在外表面的方向上发送扫描射束；

－光学元件，其用于形成线形射束轮廓；

－光电探测器，其被布置在第二穿通部中并且对准外表面的方向。

12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，射束宽度处于3mm至6.5mm的范围、优选4mm至6mm的范围、特别优选4.5mm至5.5mm的范围，并且射束厚度处于10μm至30μm的范围、优选15μm至30μm的范围、特别优选20μm至27μm的范围。

13.根据权利要求11或12之一所述的传感器，其特征在于，角度γ和δ的数值处于5˚至90˚的范围、优选20˚至80˚的范围、特别优选30˚至70˚的范围、完全特别优选40˚至60˚的范围。

14.根据权利要求11至13之一所述的传感器，其特征在于,此外包括两个用于接纳光电探测器的另外的穿通部，所述另外的穿通部被布置为与第二穿通部成角度ε₁或ε₂,其中角度ε₁和ε₂的大小为1˚至20˚、优选5˚至15˚。

Images