CN1107285C - 防伪光学识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种为物件提供防伪识别的方法：物件上提供具有一系列衍射光栅元的一种图案的衍射光栅条，每个光栅元在至少三个所选不同平面的一个中衍射光源的光；连续照射光栅元，同时探测衍射光平面的变化并产生和存储代表此变化的第一信息；重复上述过程产生第二信息；比较第一第二信息以确定物件是否可靠。还可将编码图案置于光栅条上，让编码图案和光栅元图案之一领前于另一个，并如上将编码图案作为第一第二信息的一部分来读、存和比较。

Description

防伪光学识别方法和装置

技术领域

本发明一般涉及防伪识别(secure identification)，尤其(但不局限于)涉及采用复合衍射光栅条的独特的识别方法和装置。

背景技术

在种种场合，识别已变得越来越重要。例如：雇员识别卡可以用来出入该机构的保安区和/或用在时间和出勤的报告中。司机的执照时常用来证明其持有者的身份。各种类型的借贷卡用来进行如购物、获取现金或旅行支票、和/或转移存款等业务。在所有这些场合中，对这种识别装置的伪造和复制会导致机密的泄露和每个价值上亿美元的货物和现金的损失。在许多情况下，信用卡类型识别是在销售点进行的；然而，由于更自动地使用信用卡的需求在增大，因此更加需要证明对交易进行记帐的信用卡的可靠性。

信用卡伪造者所用的主要方法之一是，在合法交易期间获取有效信用卡上的编码数字，然后在另一信用卡上包容该数字。接着，当伪造的信用卡用于交易时，费用加给有效数字并且相应地对有效信用卡所有者的帐户收费。防止这类盗窃行为的唯一办法是，在购物时用计算机确认每一次交易并且让出纳员根据由确认计算机返回的姓名检查购物者的身份。当购买大量物品且出纳员在场时，该手续是经济合理的，但不可能用该方法来进行诸如自动售货机、收费电话、过境收费、自动出纳机和许多其他无人计帐的应用的主机等钱数很少的交易。

曾经煞费苦心地企图造出饰有全息照相图象的图形以防止容易地制造伪造的信用卡。然而，在当今高科技的犯罪环境下，可以高利润地非法制造和销售信用卡和全息图象。另外，这种保安方法仍依赖于检查卡和验证持有者身份等人的因素，并且如果必要，就取消交易，这是大部分当班出纳员或职员所不欢迎的。

已有许多想要建立包含有在识别装置上记录光和/或磁信息的防伪识别装置的企图。然而没有一种已知的识别装置能够高水平地防止伪造和/或复制。还有，许多这类识别装置不能为不把完全相同的识别装置配给两个或更多的用户而提供高的安全度。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供可以确保识别是可靠而不是伪造的及无需人的介入即可进行验证的识别方法和装置。

本发明的另一个目的是提供极难复制或伪造识别装置的方法和装置。

本发明的另一个目的是提供经济的方法和装置。

本发明的另一个目的是提供无需主计算机支持的方法和装置。

本发明的还有一个目的是提供极不可能将完全相同的识别装置配给两个或更多用户的方法和装置。

本发明的其他目的及其特性、原理和优点将在以下的描述和附图中加以阐明或显示出来。

本发明通过在一较佳实施例中为一物件提供防伪识别的方法来获得除其他目的以外的上述目的，该方法包括：

(a)在所述物件上提供包含一衍射光栅条，所述衍射光栅条包含一个由一系列衍射光栅元组成的图案，每个所述衍射光栅元在至少三个不同选定平面的一个平面中衍射来自光源的光，所述一系列衍射光栅元中一给定长度的相邻光栅元表示一光栅数字；

(b)连续照射所述衍射光栅元，在连续照射所述衍射光栅元时探测衍射光平面变化之间的转换，并产生代表所述平面变化的第一信息，以确定所述光栅数字，所述第一信息根据所述转换生成，无需使用时钟；

(c)存储代表所述平面变化的所述第一信息；

(d)接着，连续照射所述衍射光栅元，在连续照射所述衍射光栅元时探测衍射光平面变化之间的转换，并产生代表所述平面变化的第二信息，所述第二信息根据所述转换生成，无需使用时钟；并且

(e)然后，比较所述第一和第二信息以确定所述物件可靠与否。

本发明的另一方面，提供一种用于防伪识别的物件，它包含：

(a)衬底；

(b)位于所述物件上的衍射光栅条，所述衍射光栅条具有一个轴并且包含一个由一系列衍射光栅元组成的图案，每个所述衍射光栅元在至少三个不同的选定平面的一个平面中衍射来自光源的光；

(c)所述衍射光栅条相对所述物件的一个物理特征，以轴向位置随机的方式置于所述物件上，从所述物理特征到所述衍射光栅条开始处的距离作为信息项包含在所述衬底上。

附图说明

参看附图将有助于理解本发明及其各个方面，附图只用于说明而不企图规定发明的范围，附图如下：

图1是一张说明本发明一个方面的具有防伪光学识别的识别卡的放大的局部透视图。

图2是一张用于读取图1光学识别的设备的放大的局部透视简图。

图3和图4是说明图2设备如何读取图1光学识别的放大的局部透视图。

图5是一张指出如何为图1中的光学识别导出一识别数字的顶视图。

图6是一张被读取的另一种防伪光学识别的放大的局部顶视图。

图7是一张指出如何为图1的光学识别导出一附加识别数字的放大的局部顶视图。

图8是一张指出图2设备如何读取图7附加识别数字的放大的局部透视图。

图9是一张指出如何使图5和图7的相对图案移动的侧视简图。

图10是一张指出为防伪光学识别提供可靠性的另一种方法的放大的局部透视图。

图11是一张说明本发明译码/编码线路的方框图/简图。

具体实施方式

下面，结合附图叙述本发明的实施例。

现在参看附图，在不同图中用统一的识别标号表示相似或相同的元件，并且附带参考图的号码可把读者引向可最适于看见被描述的元件的视图，尽管在其他视图中也能看到这些元件。

图1说明一张识别卡，一般用参考标号30表示，它可以假设为银行信用卡或雇员识别卡，或类似的卡。卡30具有一个衬底32，一个包含许多衍射光栅元的箔条位于其上。衬底32上可以有一个通常的磁条36，磁条中的信息作磁性加密。如图1所示，磁条36可以与箔条34分开，或者诸如在1986年12月23日颁布给Sander且标题为“模压箔片”的第4,631,222号美国专利及1987年8月4日颁发给Colgate且标题为“具有集成全息图和磁条的防伪磁带”的第4,684,795号美国专利中揭示的，磁条36上可以盖以箔条。这些专利所揭示的内容一并包括进来作为参考。

箔条34平行于卡30的上部边缘且与其隔开一些距离，它包含一衍射光栅元40的线性阵列，用40A、40B、40C和40D表示A、B、C和D型光栅，这样它们将在不同平面内进行光衍射。在所示的特殊实施例中，除了每种类型不同于其他类型的独有的旋转方向之外，所有的衍射光栅元40都是相同的。这样来安排光栅元40，即最好没有两个相邻的光栅元为同一类型的，以便形成顺序图案，即，D、B、A、D、C、A、B…。箔条34可用任何通常的工艺制成，如现有技术中所用的照相或模压工艺。可将顺序图案做得变化极多，以防止发出的两张或多张卡30具有相同的条34。在1992年10月19日提出的美国专利申请号07/962,931和07/962,934中揭示了产生变化极多的技术，这些申请是1992年10月7日提出的已放弃的编号为S/N07/957,882的申请的部分延续，而S/N07/957,882是1992年7月28日提出的已放弃的编号为S/N07/921,460申请的部分延续，而S/N07/921,460是1991年3月26日提出的已放弃的编号为S/N07/857,729申请的部分延续，而S/N07/857,729是1991年12月19日提出的已放弃的编号为S/N07/810,483申请的部分连续。这些申请内容一并包括在这里作为参考。

在卡30的制作过程中当引入箔条34时可以引入附加的变化。例如在标准信用卡的制作中，可以在制作31/2英寸的卡时使用长度为3.785英寸的箔片。例如，在用模压滚筒制作可切割成一条条箔片的薄片时，唯一必须保证滚筒的直径能使图案在重复之前按3.785英寸长度每次增加一个光栅元40。于是，实际上，箔条34之位置以随机方式置于衬底32上。

现在参看图2，光学装置50位于箔条34上方，以便当卡30按箭头所示相对光学装置移动时，顺序地探测光栅元40。光学装置50包括一光源52和一用于为顺序照射光栅元40而将光垂直射在条34上的透镜54。光学装置50内装有4个光电探测器56-59，以便分别接收由光栅元40A-40D衍射的光。这样，当每个光栅元40从下面通过光学装置50且光在四个光学平面的一个平面中被衍射时，光电探测器56-59中的一个将输出一个信号。例如，图3说明，当光源52照在光栅元40A上时，该光栅元将光衍射至光电探测器56。图4的情况是类似的。

已经发现，用能产生具有光点大小为0.007×0.021英寸、波长为780纳米、功率为0.3毫瓦的激光二极管来作为光源可满足对衍射光栅元40的探测。也可以用其他的组合。

参看图5，将描述如何从箔条34(图1)中导出识别数字的过程。只是为了说明起见，假设卡30是一张标准的银行信用卡且每一衍射光栅元为0.034英寸宽。

例如，一图案识别数字“X”由一个同步数字后面跟有一16位二进制数组成。根据下表通过光栅转换序列对光栅图案中的信息编码，例如：

AB＝1

AC＝1

BC＝1

BA＝0

CA＝0

CB＝0

用一个称之为“同步字符”的独有的光栅序列对每个光栅数字的开始作标记。把同步字符编码成一个“DBAB”序列。由于“D”光栅只用于同步字符中，因此该独有的序列为识别每个光栅数字的开始提供了一种手段。同步图案的非对称性可以确定读取光栅序列的方向，即“DBAD”对“DABD”。

由四个六位数字形成一个16位光栅数字。一个完整的光栅数字由28个光栅元组成：四个同步字符，后面跟24个光栅(4×6)。

参看图3并由前面所述回想到箔条34基本上是以随机的方式相对卡的边缘放在卡30上的，因此从第一可读光栅元40的边缘到第一同步字符之间将存在偏移，即“同步偏移”，在所假设的情况中，同步偏移介于0和27个光栅元长度之间。在读取过程中，探测第一可读光栅元40，对到第一同步字符的光栅元的个数进行计数，并将第一光栅数据“X”译码。然后将第二光栅数字“X+1”译码等等。根据箔条34在卡30上所处的位置，将出现3个或4个光栅数字。卡识别数字包括同步偏移加上一个或多个光栅数字。然后，可对该卡识别数字加密并将它编码至卡30上的磁条36(图1)中，和/或将其存储在一个确认计算机中。

使用第一可读光栅元40作为参考点要比例如将卡30的边缘作为参考点有益。后者的不利之处在于，当卡磨损时，参考点将移动。从尺寸上考虑，由于当小至只存在光栅元宽度的百分之十时，仍可以读取衍射光栅元40，因此把第一可读光栅元作为参考点就意味着在参考点发生改变之前卡30的边缘可以至少磨损掉光栅元宽度的十分之九(加上在此之前的光栅元的任何部分)。为允许进一步的磨损，确认步骤允许同步偏移有加或减一个光栅元宽度的变化。该准许也是对某种情况的补偿，例如，编码读出器不够灵敏以致于不能读光栅元40的小细条，而确认读出器却可以读细条。

对卡识别数字加密的较佳方法是用一个用户的帐号或其它识别数字以及只有卡30发行人知道的一个秘密通行字对图象数据进行加密。接着，对卡30识别其可靠与否时，以上述方式读箔条34并且也读磁条36中的信息。然后，通过一保安模块利用读出的图象数据和帐户数字来破译加密的信息并产生一通行字。如果算出的通行字与用户的秘密通行字相同，则认为卡是可靠的。

最好卡上的光栅数字相互之间含有一些可确定的关系，如图5所示的那样。比如说，当如前所述只用第1光栅数字来确定卡数字，而第一光栅数字中的一个或多个光栅已被破坏而不能直接读出数字时，光栅数字间的相互关系允许确认卡30可靠。知道第一光栅数字与一个或多个其他光栅数字之间的关系可以重建第一光栅数字。还有，检查箔条34上的所有光栅数字是有用的，它可以确保数字是可靠的。此要求伪造者要伪造整个条，而不仅仅是其用于产生卡识别数字的部分。

当使用对称光栅元40时，可以利用某些“接触”复制过程来复制箔条34并且从而制造出卡30的未经许可的复制品。为了避免这种接触复制，如在图6所示的光栅元40A′中那样，可以使用由非对称光栅段组成的光栅元。光栅元40A′包含三个象限的非对称80/20“A”光栅和第四个象限的非对称80/20“S”光栅。易于理解，箔条34′中存在相似的非对称80/20光栅元40B′-40D′，每个光栅元具有一个象限的非对称80/20“S”光栅。

如以上参照图2-4所描述的，光学装置50′位于箔条34′上方以读箔条。(为更清楚起见，图6未示出光源。)如图所示，提供了光电探测器60并将其定向，以便探测由“S”光栅段衍射的低强度光束，同时如图所示，将光电探测器56′-59′定向，以便探测由40A′-40D′光栅衍射的高强度光束。对后面的光束的探测基本上与参看图2的描述相同。如果用一种接触法来复制非对称80/20“S”光栅，则复制中将把光栅当作具有40度衍射角的对称光栅来记录。此概念基于如下事实，即一个具有X和-X两个方向衍射光束(其X方向强度高，大致为80％而-X方向强度较低，大致为20％)的非对称光栅，将作为两束衍射光束在X和-X方向上具有大致相同强度(50％)的对称光栅来记录。然后，对箔条34′的接触复制将制成对称光栅，A、B、C和D光栅的强度将减弱，且一点也探测不到S衍射光束。具有如此接触复制箔条的卡将被检测为不可靠而遭拒收。

因此，已经揭示了一种防伪识别装置，它提供极多的变化以把造出两件或多件相同识别装置的可能降为最低。这是由于衍射光栅图案本身的变化极多，部分原因是可以使用大量的不同的这类条，并可将箔条34和34′以随机的方式置于卡30上。

应该注意，由于所有数据在转换中都经编码，因此读防伪识别装置时无需识别装置上提供的或由其导出的定时信号，读防伪识别装置无需时间参考。光栅元40可以是宽的或是较薄的，和/或可以交叠，无一将影响本发明的工作。还有，由于本发明不测量幅值，只涉及光栅元40存在或不存在，因此衍射效率并不重要。

为进一步增多变化，可将第二编码识别数字置于箔条34或34′上。图7示出具有由一系列重叠在箔条上的由条和间隙组成的条形图案的箔条34。类似于箔条34上光栅图案的结构，条形图案包含一系列相关数字，这里用“N”、“N+1”等等表示。对于所示的实施例，条宽总是0.010英寸宽，而分别用“n”和“w”表示的两种不同间隙宽度0.030英寸和0.060英寸用来产生数字图案，其中窄的单元用来表示“1”而宽的单元用来表示“0”。第三种宽度0.150英寸，称为超宽间隙或“sw”间隙用来形成同步字符。通过组合窄和宽间隙序列来得到数字。数字的开始由所形成的同步字符识别，在本情况下，为“nswswnn”。其后紧跟代表条形数字的二个十六进制数字。

条形图案的一个重要方面在于，尽管图案长度是有限的且因此将在该长度后进行重复，但它会相对于箔条34“走动”，从而图案是随机地置于箔条上因而也随机地出现在卡30上。结果，条形图案具有其自己的从卡的边缘至第一同步字符的同步偏移。再者，与前面有关光栅图案一样，将条形图案的同步偏移与一个或多个编码数字组合在一起，以产生可加密至磁条36(图1)中的第二卡数字。如图8所示，用光学装置50探测这些条形，这时光电探测器56-59不产生任何信号。用通常的条形码读出技术对条形图案译码。

光栅元40的均匀的已知尺寸可用于读条形图案，因为它们可用来确定能改进测量条间间隙宽度的鉴别力和帮助消除划痕影响的读出速率。条形图案还可相对光栅图案的同步字符读出，而不是相对于第一条读出，以便消除条形图案中的任何模糊不清。

可用一个“S”光栅模压出条形图案所占据的间隙以获得以上有关图6所讨论的优点。

当用轮转凹版印刷法将条形印刷在箔条34上时，如图所示条形图案中的条形呈倾斜状是一种较佳的安排。条形也可以垂直于箔条34的轴并通过使箔条34的区域脱金属或诸如加热等方式来形成，或者用其它印刷技术来做成条形。本发明的一种这样的技术是使用诸如在印刷传统条形码时使用的热转移印刷机来把条熔入置于箔34之上的保护层中。这种方法的一个好处是在制作完卡之后可用来对卡30标出记号。用这样的方法可提供大量的独有的数组和偏移。

当制作箔条34的薄片被滚筒模压时，选择凹版轮转印刷滚筒的直径，为条形和光栅图案之一相对于另一个的超前提供尽可能多的变化。例如，参看图9，在制作箔条34过程中，凹版轮转滚筒80的直径选为“D1”，而滚筒82的直径不同于“D1”，选为“D2”。理想地，在光栅图案和条形图案的重复图案之间存在的长度上的差异除以一个光栅元40(图1)宽度后，将是一个素数或是一个有理分数。当如上用热转移印刷机制作条形图案时，可提供种类非常多的变化。

图10示出了为卡30提供附加可靠性的装置。这里，箔条34具有一种重叠于其上的光学滤波物质，用断面线表示，当用红外光读箔条时，滤波物质有光谱响应，但它滤去了接触法复制器所需的低频光。这使得不可能用一般的接触复制法来复制卡30。

图11示出了用以读衍射光栅元和箔条34′上条形图案的线路，它包括含有一激光光源52′和光电探测器56′-59′及60的光学装置50′。光学装置50′与信号调节器80相连，调节器中包括分别与光电探测器56′-59′和60相连的电平比较器81-85，和与光源52′相连的激光控制器86。信号调节器80中的元件还与具有一内存(未示出)的微处理器100相连。读/写磁头102可与微处理器100相连以读出磁条36(图1)中的图象数据，或者将数据从确认计算机存储器中恢复出来。

当正在对卡30(图1)进行编码时，用光学装置50′读箔条34′，且微处理器100将从信号调节器80接收代表关于箔条34′上的光栅和条形图案的同步偏移的信号和一个或多个光栅和条形图案数字的信号。如上所述，根据卡的用途可将该信息加密和编码至磁条36中，而同时把其它信息提供给微处理器100，或者把该信息存储在确认计算机中。其他信息包括用户识别、账号等等。微处理器100还可给主计算机或外部存储器提供卡识别数字。

对卡30识别其可靠与否时，微处理器100将接收代表箔条34′上的已读的图象的输出并将接收存储在磁条36中或确认计算机存储器中的图象信息，然后微处理器将如上所述确定卡的可靠性。如果由一主计算机来进行处理，则将图象信息传递给主计算机以与存储在主计算机中的图象信号比较。

因此，将看见我们有效地达到了上面提出的、在先前的描述中阐明和显示出来的目的，并且由于可以对上面的构造作不脱离发明范围的某些变化，因此打算只把上面的描述中包含的或附图中显示的所有内容理解为是解释性的而非限制性的。

同样易于理解，企图用下列权利要求来包罗所有这里描述的本发明的一般和特有的性质及由于语言的原因可能会有疏漏的关于本发明范围的所有阐述。

Claims (12)

1.一种为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，它包含：

(a)在所述物件上提供包含一衍射光栅条，所述衍射光栅条包含一个由一系列衍射光栅元组成的图案，每个所述衍射光栅元在至少三个不同选定平面的一个平面中衍射来自光源的光，所述一系列衍射光栅元中一给定长度的相邻光栅元表示一光栅数字；

(b)连续照射所述衍射光栅元，在连续照射所述衍射光栅元时探测衍射光平面变化之间的转换，并产生代表所述平面变化的第一信息，以确定所述光栅数字，所述第一信息根据所述转换生成，无需使用时钟；

(c)存储代表所述平面变化的所述第一信息；

(d)接着，连续照射所述衍射光栅元，在连续照射所述衍射光栅元时探测衍射光平面变化之间的转换，并产生代表所述平面变化的第二信息，所述第二信息根据所述转换生成，无需使用时钟；并且

(e)然后，比较所述第一和第二信息以确定所述物件可靠与否。

2.如权利要求1所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，它进一步包含：

(f)步骤(a)包括相对所述物件的一个物理特征，以位置随机的方式将所述衍射光栅条置于所述物件上；

(g)步骤(b)包括测量从所述衍射光栅元的一个所选光栅元到所述衍射光栅条上的一个已知的平面变化序列之间的距离，并且将所述距离包含在所述第一信息中；以及

(h)步骤(d)包括测量从所述衍射光栅元的一个所选光栅元到所述衍射光栅条上的一个已知的平面变化序列之间的距离，并且将所述距离包含在所述第二信息中。

3.如权利要求2所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，测量从所述衍射光栅元的一个所选光栅元开始的距离包含测量从第一个所述平面变化开始的距离。

4.如权利要求2所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，所述衍射光栅条沿一轴放置，并且相对所述物件的一个物理特征，以位置随机方式将所述衍射光栅置于所述物件上的步骤包含相对所述物件一边缘以轴向随机的方式将所述衍射光栅置于所述物件之上。

5.如权利要求1所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，它进一步包含：

(i)将一不同的编码图案叠置在所述衍射光栅条上，所述编码图案和所述衍射光栅元图案中一个图案的每次重复相比其前一次重复，都相对于所述编码图案与所述衍射条中的另一个图案增加偏移；

(j)步骤(b)包括读所述编码图案并将它的表示内容包含在所述第一信息中；以及

(k)步骤(d)包括读所述编码图案并将它的表示内容包含在所述第二信息中。

6.如权利要求5所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，所述读的步骤包含探测被所述衍射光栅元衍射的光不存在。

7.如权利要求5所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，所述衍射光栅条沿一轴放置，所述方法还包含：

(1)相对所述物件的一边缘，以轴向随机的方式将所述衍射光栅条置于所述物件之上；

(m)步骤(b)包括测量从所述编码图案中的第一个所选单元到所述编码图案中的第二个已知单元之间的距离，并把所述距离包含在所述第一信息中；以及

(n)步骤(d)包括测量从第一所选单元到所述第二所选单元之间的距离，并把所述距离包含在所述第二信息中。

8.如权利要求5所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，它进一步包含用热转移印刷机将所述编码图案置于所述衍射光栅图案上。

9.如权利要求1所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，步骤(b)包括将所述信息存储在位于所述物件上的一个磁条上。

10.如权利要求1所述的为物件提供防伪识别的方法，其特征在于，所述衍射光栅条包含经编码的、具有一预定关系的两个或多个不同数字，并且通过对两个或多个数字译码，确定其间是否存在所述预定关系，来进一步确定所述识别装置是否可靠。

11.一种用于防伪识别的物件，其特征在于，包含：

(a)衬底；

(b)位于所述物件上的衍射光栅条，所述衍射光栅条具有一个轴并且包含一个由一系列衍射光栅元组成的图案，每个所述衍射光栅元在至少三个不同的选定平面的一个平面中衍射来自光源的光；

(c)所述衍射光栅条相对所述物件的一个物理特征，以轴向位置随机的方式置于所述物件上，从所述物理特征到所述衍射光栅条开始处的距离作为信息项包含在所述衬底上。

12.如权利要求11所述的用于防伪识别的物件，其特征在于，所述物件的所述物理特征是所述物件的一边缘。

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