CN112289172B - 宝石的数据标识加工方法 - Google Patents
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Abstract
涉及饰品技术，本申请公开一种宝石的数据标识加工方法。包括步骤：获取多个数据标识图形信息，各个标识图形包括多个图形单元；在待加工宝石上确定多个数据标识区位置，多个数据标识区均垂直于加工光轴，多个数据标识区对齐层叠设置；在待加工宝石上确定与每个图形单元对应的点元区域的位置信息，组合加工光轴方向上对齐的一组多个点元区域为一次加工数据组；根据加工数据组数据以及对应的位置信息，利用激光在待加工宝石上对各组点元区域进行加工，以对应的图形单元确定具体的点元区域的加工目标；各数据标识区中的多个点元区域其中一部分形成结构区，也就能够增加防伪标记识别的维度，进而提高标识图形的防伪性能。
Description
技术领域
本申请涉及防伪技术领域，具体而言，涉及一种宝石的数据标识加工方法。
背景技术
目前钻石、水晶等宝石的真伪和品质鉴别，对于普通大众来说是很困难的。且由于现有技术中对宝石等材料的防伪识别，还主要依赖于纸质标签上的标记，如条形码或二维码标记，但对于宝石材料本身，普通用户使无法识别和鉴定的。用户在人为鉴定过程中往往基于过往的大量经验，这种验证方式并不具有通用性；此外，现有技术中防伪标识，基本依赖在二维平面内形成设定图案，这种标识图案能够记载的信息量相对单一且极易被复制，防伪的可靠性较低。
如今，一枚精美的钻戒、一款别致的吊坠已成为大家送礼、新婚的必备信物。但是对于钻石、水晶等宝石的真伪和品质鉴别，对于普通大众来说却很困难。超快(皮秒或飞秒)激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视。在与物质的相互作用中它能快速，准确地将能量作用在特定的区域内，从而可以获得极高的分辨率和加工精度。专利CN1243686C公开了一种利用超短脉冲(小于1ps)激光在玻璃内部三维彩色内雕的修饰方法，利用激光在玻璃内部诱导金属纳米颗粒还原形成彩色，提高玻璃内雕工艺品的艺术价值。但是该技术局限于金属离子掺杂玻璃，不适合宝石内部图像的内雕加工。
专利CN110626086A公开了一种玻璃内部皮秒激光内雕微型二维码的方法，实现清晰的小尺寸二维码的玻璃激光内雕加工，并通过工艺相机视觉系统扫描识别与读取。但该技术仅包含了二维信息的加工和读取，并没有描述激光传播方向的结构信息。
发明内容
为了解决现有宝石等材料防伪标识单一、防伪性能弱的技术问题，本申请的主要目的在于，提供一种能够提高宝石等材料防伪性能的一种材料防伪信息加工、读取、检测方法及装置。
为实现上述发明目的，本申请采用如下技术方案：
根据本申请的一个方面，提供一种宝石的数据标识加工方法，包括步骤：
获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；
在待加工宝石上确定多个数据标识区位置，多个所述数据标识区均垂直于加工光轴，多个所述数据标识区对齐层叠设置，且各所述数据标识区均具有多个点元区域，各所述数据标识区之间的各个点元区域在加工光轴方向上均一一对齐；
在待加工宝石上确定与每个图形单元对应的点元区域的位置信息，组合加工光轴方向上对齐的一组多个点元区域为一次加工数据组；
根据加工数据组数据以及对应的位置信息，利用激光在待加工宝石上对各组点元区域进行加工，以对应的图形单元确定具体的点元区域的加工目标；
各所述数据标识区中的多个点元区域其中一部分形成结构区。
根据本申请实施例，所述获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；包括：同一数据标识区内的多个点元区域组合为预设的数据标识图形。
根据本申请实施例，获取点元区域的位置信息的同时获取点元区域的光轴方向信息和/或光程延迟信息。
根据本申请实施例，所述结构区包括色心转变区、微爆结构或纳米光栅结构。
根据本申请实施例，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，形成的成型结构包括顺加工光轴方向上连续的结构区以及未进行激光加工形成的间断结构区。
根据本申请实施例，所述色心转变区包括电子被激发形成的高空间分辨率的色心缺陷。
根据本申请实施例，连续的结构区的起点为光轴方向上第一个需要成型的点元区域，连续的结构区的终点为光轴方向上连续有结构区的最后一个点元区域，不形成成型区的点元区域在光轴方向上至前后相邻点元区域之前均为连续的间断结构区。
根据本申请实施例，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，按次序在需要成型的各所述点元区域内形成结构区，同个光轴方向上各个对齐的点元区域之间为间断结构区。
本申请实施例另一方面，提供一种宝石的数据标识检测方法，包括步骤：
检测投影图案；
根据标识图形中数据标识区的多个点元区域组成的色心转变结构成像为相应的像点；
获取不同标识图形内各个像点所形成的多个投影图像；
根据获取的多个投影图像信息与对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比；
检测不同投影图像内所述数据标识区内构成的图像数据信息。
根据本申请实施例，所述根据获取的多个投影图像信息与对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比，包括：
根据获取多个投影图像信息的光轴和/或光程延迟信息，对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比。
本申请实施例另一方面，提供一种宝石的数据标识加工装置，包括飞秒激光器、第一检偏件及固定台，使待加工物件设置于固定台，所述飞秒激光器及所述第一检偏件均与所述待加工物件同轴设置，所述待加工物件内设置有多个标识区，所述飞秒激光器产生的激光经过所述第一检偏件聚焦于所述标识区，以使所述标识区形成具有同轴成型结构的点元区域。
根据本申请实施例，还包括第二检偏器，在所述标识区内形成有多个所述点元区域，光线穿过多个所述点元区域及所述第二检偏器后形成有预设图像。
由上述技术方案可知，本申请的一种宝石的数据标识加工方法的优点和积极效果在于：
本发明描述了在透明宝石(水晶、钻石等)内部利用飞秒激光写入微缩信息(包括图片、文字和二维码等)，利用紧聚焦物镜和阈值效应使微缩信息的特征尺寸达到激光波长量级，使微缩信息的尺寸不影响宝石的评级；同时利用非线性效应和球差效应所产生的信息点元在沿激光传播方向(z向)所呈现的结构特征，使在不同聚焦深度产生明暗不同的点元图像，使得z向的结构信息也被用于宝石防伪。由于z向的结构信息取决于飞秒激光与宝石非线性作用过程，对初始参数非常敏感，大大增加了仿制的难度。
附图说明
图1为本申请实施例数据标识加工装置结构示意图。
图2紧聚焦的飞秒脉冲在石英玻璃内部产生微结构的Z向分布图。
图3聚焦在宝石表面以下45微米拍摄的显微图像。
图4聚焦在宝石表面以下50微米拍摄的显微图像。
图2中(a和c)显微图像(b和d)折射率分布图，分布用0.55-NA(a，b)和1.25-NA(c，d)物镜聚焦，写入激光从顶部入射。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
由于现有技术对宝石、蓝宝石、玻璃、水晶或钻石等对宝石的防伪或识别技术存在的各种不足，且缺少通用的检测方式，以便于普通用户能够识别不同的材料或品牌。因此本申请提供一种能够提高宝石防伪信息的一种微缩数据标识加工方法。
根据本申请的一个方面，提供一种宝石的数据标识加工方法，主要包括步骤：
获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；
在待加工宝石上确定多个数据标识区位置，多个所述数据标识区均垂直于加工光轴，多个所述数据标识区对齐层叠设置，且各所述数据标识区均具有多个点元区域，各所述数据标识区之间的各个点元区域在加工光轴方向上均一一对齐；
在待加工宝石上确定与每个图形单元对应的点元区域的位置信息，组合加工光轴方向上对齐的一组多个点元区域为一次加工数据组；
根据加工数据组数据以及对应的位置信息，利用激光在待加工宝石上对各组点元区域进行加工，以对应的图形单元确定具体的点元区域的加工目标；
各所述数据标识区中的多个点元区域其中一部分形成结构区。
根据本申请实施例，所述获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；包括：同一数据标识区内的多个点元区域组合为预设的数据标识图形。
根据本申请实施例，获取点元区域的位置信息的同时获取点元区域的光轴方向信息和/或光程延迟信息。
根据本申请实施例，所述结构区包括色心转变区、微爆结构或纳米光栅结构。
根据本申请实施例，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，形成的成型结构包括顺加工光轴方向上连续的结构区以及未进行激光加工形成的间断结构区。
根据本申请实施例，所述色心转变区包括电子被激发形成的高空间分辨率的色心缺陷。
根据本申请实施例，连续的结构区的起点为光轴方向上第一个需要成型的点元区域，连续的结构区的终点为光轴方向上连续有结构区的最后一个点元区域，不形成成型区的点元区域在光轴方向上至前后相邻点元区域之前均为连续的间断结构区。
根据本申请实施例，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，按次序在需要成型的各所述点元区域内形成结构区，同个光轴方向上各个对齐的点元区域之间为间断结构区。
本申请实施例另一方面，提供一种宝石的数据标识检测方法，包括步骤：
检测投影图案；
根据标识图形中数据标识区的多个点元区域组成的色心转变结构成像为相应的像点；
获取不同标识图形内各个像点所形成的多个投影图像；
根据获取的多个投影图像信息与对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比；
检测不同投影图像内所述数据标识区内构成的图像数据信息。
本申请实施例中，主要利用此检测方法与加工步骤同步进行成型结构的检测，以便于确定各个点元区别的加工成型结果是否达到预期，避免整体完成加工后，整体返工，造成较大结构损伤。
且对于同一光轴上的多个点元区别可以利用垂直于加工光轴的检测光轴，来一次性对同步成型的多个点元区域进行同步检测，同时与预设图形进行比对，
根据本申请实施例，所述根据获取的多个投影图像信息与对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比，包括：
根据获取多个投影图像信息的光轴和/或光程延迟信息，对应投影方向预设的多个标识图形依次进行对比。
本申请实施例另一方面，提供一种宝石的数据标识加工装置，包括飞秒激光器、第一检偏件及固定台，使待加工物件设置于固定台，所述飞秒激光器及所述第一检偏件均与所述待加工物件同轴设置，所述待加工物件内设置有多个标识区，所述飞秒激光器产生的激光经过所述第一检偏件聚焦于所述标识区，以使所述标识区形成具有同轴成型结构的点元区域。
根据本申请实施例，还包括第二检偏器，在所述标识区内形成有多个所述点元区域，光线穿过多个所述点元区域及所述第二检偏器后形成有预设图像。
针对纳米光栅结构的成型区实施例,应当理解的是，通过所述飞秒脉冲激光器对所述待加工介质内或表面进行加工时，使所述点元区域的折射率与非点元区域的折射率发生变化，或者通过激光在对应点元区域内的介质区的折射率与非点元区域的折射率控制为不同，并进一步调整加工参数的变化，使多个所述点元区域的折射率呈周期性分布的有序变化的结构。
作为示例，所述折射率呈周期性分布的有序变化的结构可成光栅结构，在控制所述激光加工参数，如脉冲个数、脉冲时间等变量时，所述光栅结构可具有纳米级，即形成纳米级的光栅结构，进而使所述数据标识区具有光栅的光学结构特性，进而增加材料的防伪标识性能。
飞秒激光经过聚焦后，可以使透明材料焦点位置发生能量的非线性吸收，在不损伤材料表面的前提下，实现透明材料内部结构的加工。因此使用飞秒激光在材料内部进行计算防伪信息的加工成为一种很有潜力的加工方法。在写入信息点元尺寸较小(比如直径1微米或更小)时，通常采用较小的激光功率，这时透射显微镜中观察衬度较小，不易识别；另一方面，由于写入的激光功率接近阈值，一旦材料不均匀或外界有振动影响，则信息写入的误码率较高。因此，如何提高微缩信息写入和读取的保真度成为亟待解决的关键问题。
应当了解的是，飞秒激光在宝石内部可辐照形成的纳米级的光栅，主要通过控制偏振方向及入射脉冲参数来实现对纳米光栅结构光轴和光程延迟(光程差)的调节，所以除了在介质空间上的三个维度，光轴方向可以作为第四维度进行旋转，其变化范围从0\O到180\O，此外光程延迟可以作为第五维度通过改变辐照条件进行调控，因而可实现在五维光学数据防伪。相对于三维平面的光学微缩信息，五维光学微缩信息增加了轴向的二维，能够实现多层信息写入和读取，因此具备更好的防伪功能。
飞秒激光在透明宝石内部加工出微缩防伪信息，微缩防伪信息位于透明宝石内部不易磨损，保证了防伪信息的准确性。在信息的写入和读取过程中，利用微结构的双折射特性，实现了基于偏振方向、光强以及三维空间的五维度光学防伪。
在加工过程中可控制飞秒脉冲激光器的辐照脉冲数目达到至少100个以上时，在点元区域形成的光栅结构，进而取代对应三维中的平面标识图案，随着脉冲数量的增加，所述光栅结构的周期逐渐变小直至趋于稳定，即光栅的变化周期T＝λ/2n，其中T为光上的变化周期，λ为入射波的波长，n为脉冲个数，进而形成的光栅平面大小也非常逐渐均匀。
应当了解的是，飞秒激光在宝石内部可辐照形成的纳米级的色心转变。飞秒脉冲具有高峰值功率、高场强的特点，当飞秒脉冲聚焦于石英结晶体(水晶)内部时，伴随超连续谱的产生，在光致电离、雪崩电离和电子空穴复合的综合作用下，石英结晶体内部可形成大量的自由电子。
脉冲时间各点功率密度会随超短激光脉宽的变化而变化，并进一步引起电离机制的变化。脉宽不同，多光子电离与雪崩电离所起的作用不同。多光子电离与光强密切相关，因此电子的产生主要发生在脉冲的峰值位置，而脉宽越短，峰值功率越高，多光子机制就越明显。尽管如此，雪崩电离在加工过程中仍占据主导地位。
在0.1～1ps范围内，电子密度随脉宽的减小而增大。电子密度越大，产生缺陷的可能性就越大。缺陷能级可容纳的电子数是有限的，因而缺陷浓度不可能随着由于脉宽减小而产生的越来越多的电子数而无限增加；脉宽较大时产生的电子密度较小，因而缺陷浓度较小，随脉宽的缩短电子密度变大，缺陷浓度随之增加，并在253fs左右达到最大值，进一步减小脉宽时大量电子产生大量的缺陷，过大的缺陷浓度可能使样品内部产生浓度淬灭，荧光强度减小。另一方面，电子浓度相对较大时产生的等离子体密度过大，对激光产生屏蔽效应，透射率降低，阻碍了激光对样品内部的进一步照射，产生的电子密度减少，样品内部的缺陷浓度也随之下降。
对应的激光脉宽为253fs。在254nm紫外灯照射下产生的红色荧光强度随着激光功率的增加先增加后趋于平缓。在激光辐照下，纯石英结晶体内的电子数密度随着激光功率的增加而逐渐变大，处于激发态的电子破坏石英结晶体的内部结构而产生缺陷。功率越大，电子密度越大，产生的缺陷越多。但是，当电子密度达到一定数值时，产生的等离子体云将对入射激光产生屏蔽作用，或者由于缺陷的浓度淬灭，缺陷浓度无法随着激光的增大而无限增大。由此可见，产生红色荧光的最优条件是激光脉宽约253fs，激光功率约13mW。
以下为对应本发明一种宝石的数据标识加工方法的具体应用实例：
实例1飞秒激光在水晶内部写入二维码防伪信息
(1)将水晶的防伪信息，包括厂家、材料、纯度以及商品的防伪编码由软件Ezcad通过DATAMATRIX二维码制码方式生成二维码；
(2)二维码大小一般为50-200μm，分别率为10x10-35x35，像素点间距为1-10μm，飞秒激光写入的二维码可以是圆点，也可以是方点。
(3)使用如附图1所示的加工装置进行二维码的写入，主要由飞秒激光、显微物镜、水晶、移动平台组成。
(4)飞秒激光器的中心波长为1035nm，重复频率为50-200KHz，功率为0.01-0.1w，扫描速度为200-10000mm/s，曝光时间10-500ms。激光脉冲能量通过衰减片调节，焦点位置由三维可移动平台控制。光路中的空间滤波系统可以对光斑进行空间整形，整形后的激光经过显微物镜聚焦于水晶内部。显微物镜采用物镜NA＝1-1.4，聚焦深度为10-500μm，聚焦数值孔径为0.1-0.46。水晶按照预先制定的二维码进行加工，通过CCD实时观测样品形貌。依次改变激光的输出功率、重复频率、曝光时间分析其对二维码图案的影响，找到最佳组合参数以获得清晰的二维码图案。
(5)使用具有视频图像放大功能的小型摄像机将水晶内部的二维码的图形采集并放大至二维码设备可识别范围。
(6)将放大后的图形传输至二维码解码设备或通过相关计算机软件进行识别。
实例2飞秒激光在钻石内部写入二维码防伪信息
由于钻石和水晶材料的不同，加工钻石采用的物镜NA＝0.4-0.6,飞秒激光的功率为0.1-0.5W。
(1)将钻石的防伪信息，包括厂家、材料、纯度以及商品的防伪编码由软件Ezcad通过DATAMATRIX二维码制码方式生成二维码。
(2)二维码大小一般为50-200μm，分别率为10x10-35x35，像素点间距为1-10μm，飞秒激光写入的二维码可以是圆点，也可以是方点。
(3)使用如附图1所示的加工装置进行二维码的写入，主要由飞秒激光、显微物镜、钻石、移动平台组成。
(4)飞秒激光器的中心波长为1035nm，重复频率为50-200KHz，功率为0.1-0.5w，扫描速度为200-10000mm/s，曝光时间10-500ms。激光脉冲能量通过衰减片调节，焦点位置由三维可移动平台控制。光路中的空间滤波系统可以对光斑进行空间整形，整形后的激光经过显微物镜聚焦于钻石内部。显微物镜NA＝0.4-0.6，聚焦深度为10-500μm，聚焦数值孔径为0.1-0.46。钻石按照预先制定的二维码进行加工，通过CCD实时观测样品形貌。依次改变激光的输出功率、重复频率、曝光时间分析其对二维码图案的影响，找到最佳组合参数以获得清晰的二维码图案。
(5)使用具有视频图像放大功能的小型摄像机将钻石内部的二维码的图形采集并放大至二维码设备可识别范围。
(6)将放大后的图形传输至二维码解码设备或通过相关计算机软件进行识别。
本发明的有益效果是针对现有二维码刻蚀技术的缺陷采用全固态激光器，利用飞秒激光将激光脉冲束聚焦在宝石内部，在不影响宝石原有品质(包括但不限于体积、结构、质地、色泽、净度、切工等)的情况下将各种数据样本(二维码、图像、文字等定制信息的图像格式文件)快速微缩写入透明宝石内部的。通过本装置，直接将微缩信息写入宝石内部，避免破坏物理表面，保证了宝石在使用和流通过程的完整性。因此采用飞秒激光直写微缩防伪信息相对于常见的防伪技术具有明显的优势。同时，利用非线性效应和球差效应所产生的信息点元在沿激光传播方向(z向)所呈现的结构特征，使在不同聚焦深度产生明暗不同的点元图像，使得z向的结构信息也被用于宝石防伪。利用显微镜可以对不同聚焦位置的图像、文字、二维码等信息进行读取和区分，获取不同深度的图案信息，得到三维防伪信息，为宝石的防伪提供了新的技术途径。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种宝石的数据标识加工方法，其特征在于，包括步骤：
获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；
在待加工宝石上确定多个数据标识区位置，多个所述数据标识区均垂直于加工光轴，多个所述数据标识区对齐层叠设置，且各所述数据标识区均具有多个点元区域，各所述数据标识区之间的各个点元区域在加工光轴方向上均一一对齐；
在待加工宝石上确定与每个图形单元对应的点元区域的位置信息，组合加工光轴方向上对齐的一组多个点元区域为一次加工数据组；
根据加工数据组数据以及对应的位置信息，利用激光在待加工宝石上对各组点元区域进行加工，以对应的图形单元确定具体的点元区域的加工目标,各所述数据标识区中的多个点元区域其中一部分形成结构区，同一数据标识区内的多个点元区域组合为预设的数据标识图形；其中:所述结构区包括色心转变区、微爆结构或纳米光栅结构，或者，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，形成的成型结构包括顺加工光轴方向上连续的结构区以及未进行激光加工形成的间断结构区；连续的结构区的起点为光轴方向上第一个需要成型的点元区域，连续的结构区的终点为光轴方向上连续有结构区的最后一个点元区域，不形成成型区的点元区域在光轴方向上至前后相邻点元区域之前均为连续的间断结构区；或者，同一加工数据组中多个点元区域在一次激光加工中连续成型，按次序在需要成型的各所述点元区域内形成结构区，同个光轴方向上各个对齐的点元区域之间为间断结构区。
2.如权利要求1所述的宝石的数据标识加工方法，其特征在于，所述获取多个数据标识图形信息，各个所述标识图形包括多个图形单元；包括：
同一数据标识区内的多个点元区域组合为预设的数据标识图形；或者，
获取点元区域的位置信息的同时获取点元区域的光轴方向信息和/或光程延迟信息。
3.如权利要求1所述的宝石的数据标识加工方法，其特征在于，所述色心转变区包括电子被激发形成的高空间分辨率的色心缺陷。
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