CN114450578A - 一种包括荧光标记颗粒的物品及其识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括荧光标记颗粒的物品，其中所述荧光标记颗粒分布在所述物品的整个体积中或所述物品的体积的一部分中，以及所述荧光标记颗粒呈随机分布；所述荧光标记颗粒分布的体积包括子体积；所述子体积包含所述荧光标记颗粒的至少一部分；所述子体积为至少部分可透过电磁辐射，所述电磁辐射的波长在可见光范围和/或在近红外范围和/或在UVA范围中；和/或所述子体积的表面的一部分与所述物品的表面的一部分相同；以及涉及一种识别该物品的方法。

Description

一种包括荧光标记颗粒的物品及其识别方法
本发明涉及一种包括荧光标记颗粒的物品及识别该物品的方法。
背景技术
从货物生产经过物流送至消费者到其他方面，一种成功的产品识别方法是必不可少的。此处已建立多种方法：在遥远的时代，例如反映在大型旧建筑的石匠中的雕刻，在当代，已验证的带有条形码或矩阵码的标签(EAN或QR)，和最近额外的电子方法，诸如例如RFID芯片。标识符‘雕刻’和‘标签’有共同之处，它们视觉上可见，因此可相对容易地复制。此外，它们改变或覆盖了待标示的产品的表面。尽管RFID芯片可隐蔽地且不可见地附接，但芯片相对较贵，特别如果它们要防伪的话。
在许多已知出版物中，荧光标记用于认证产品，即真实性控制，诸如例如在DE000010322794A1中用于发光安全特征的真实性识别的传感器。在颗粒层及其检测的情况下，假设了平面和面积分布。同样地，在DE102017004496A1中公开了发光颜料，其整合在印刷油墨中来保护被印刷的产品例如钞票被伪造。在这个情况下，荧光颗粒的优点，例如它们的高发光强度和它们的光化学稳定性凸显了出来，这也描述于专利说明书DE102014011383A中。
因此本发明的目的是提供一种物品及其识别方法，该方法克服了现有技术中的缺点，特别是能够在不损害物品的视觉外观的情况下对物体进行明确、防伪的识别。
发明内容
此目的通过一种含荧光标记颗粒的物品而实现，其中荧光标记颗粒分布于物品的整个体积中或在物品的部分体积中，以及该荧光标记颗粒呈随机分布；荧光标记颗粒分布的体积包括子体积；所述子体积包含所述荧光标记颗粒的至少一部分；所述子体积为至少部分可透过电磁辐射，所述电磁辐射的波长在可见光范围和/或在近红外范围和/或在UVA范围中；并且所述子体积的表面的一部分与物品的表面的一部分相同。
在本发明意义上的荧光标记颗粒特别是那些在近红外范围和/或UV范围优选UVA可激发的而且在可见光范围和/或(优选)近红外范围发射的荧光标记颗粒。此处参考下列激发波长：UVA(380-315nm)，NIR(IR-A 780nm-1,400nm，优选980nm)，可见光VIS(380-780nm)，UV(380-100nm)以及IR(780nm-1mm)。使用这种荧光标记颗粒实现利用可商购获得的相机进行检测，由此无需特别的努力即可在VIS和NIR范围内检测发射。合适的颗粒为本领域技术人员已知，例如从文件WO 2017/220079 A1或DE 10 2014 105 846 A1已知。
荧光标记颗粒要么分布在物品的全部体积中要么只是物品的体积的一部分中。它们以随机分布的形式存在于全部体积或部分体积中。根据本发明设置，荧光标记颗粒存在的全部体积或部分体积包括子体积。此处子体积是荧光标记颗粒分布的体积中可界定的部分。此外荧光标记颗粒随机分布在该子体积中。子体积中的随机空间颗粒分布使得可以明确地识别物品。在后续文本中结合根据本发明的方法描述这种明确的识别的细节。
可设置的是，荧光标记颗粒均匀分布在物品体积或部分体积中。在这个意义上，均匀不意味着颗粒有序排列。反而，可设置的是，在相同体积单位中存在大致相同数量的颗粒。在这个确定的体积单位内，于是颗粒的排列是随机的。
在一个实施方案中，可设置的是，荧光标记颗粒在近红外范围和/或UVA范围是可激发的，并且在可见光范围和/或近红外范围发射。
在又一个实施方案中，可设置的是，荧光标记颗粒包括至少两种不同类的荧光标记颗粒，所述荧光标记颗粒在它们的尺寸和/或形状和/或化学组成方面彼此不同。在此上下文中，可设置的是，化学组成与荧光发射相关。
根据一个实施方案，可设置的是，物品包括货物和/或外壳，其中该外壳至少部分地包围货物。在此上下文中，可设置的是，外壳至少部分地包围货物，且荧光标记颗粒分布于货物和/或外壳中，或货物和/或外壳的一部分中。根据本发明，还可明确设置的是，本发明的物品是一种外壳，例如一种包装材料，一种板条箱等，其中可引入不属于所述物品的货物。根据本发明，同样可设置的是，物品包含外壳和货物的组合。替代地，可设置的是，该物品为所述货物本身。
在一个实施方案中，可设置的是，荧光标记颗粒分布在外壳或其一部分中，以及子体积为该外壳体积的一部分。
在又一个实施方案中，可设置的是，荧光标记颗粒的平均直径在0.1μm至500μm之间，优选2μm至200μm之间，特别优选20μm至50μm之间。
在又一个实施方案中，可设置的是，使用不同尺寸的颗粒。例如，可设置的是，可以设置针对不同颗粒的下列平均直径：25μm，32μm，45μm，63μm，75μm，90μm，150μm和250μm。可以通过简单且具有成本效益的筛选方法分离各个级分的单独颗粒。此外，可设置的是，不同尺寸的适合的颗粒的合成。最后，合适的颗粒尺寸取决于识别接入区域的面积，以及相机系统的像素分辨率。小颗粒尺寸适合用于诸如薄膜，层压件或泡罩包装，进一步用于电子构件，诸如用于LED芯片分档控制件的发光二级管等。更大的尺寸用于壳体和容器等。作为最简单和最具有成本效益的实施方案，可以设想使用0.1M像素相机(320×240像素，所谓的QVGA——当前最小可商购的相机芯片格式)(更大的格式为例如VGA，SVGA，XGA等)。通过明确检测具有3×3相机像素和2像素边缘的理想颗粒的经验公式，得到7像素的颗粒图像物体宽度。应用于(更小)相机图像高度，可以将34个颗粒串在一起，并转换为2×2mm的识别窗口，因此得到60μm的颗粒尺寸。从此实施例开始，可以定义更大的识别窗口，所述识别窗口之后可以可靠地在应用中找到或可以位置准确地接近相机。类似地，反过来可通过固定的最小颗粒尺寸和预定的识别挡板计算所需的相机分辨率。
在又一个实施方案中，可设置的是，荧光标记颗粒适合在利用远红外光源激发后发射在可见光范围和/或近红外范围内的至少两种不同射线。在此上下文中，发射线可以是单光谱颜色或发射波长范围。优选地，在此上下文中提供在大约470nm，550nm，670nm(可见)和800nm(NIR)分别±20nm处发射的荧光标记颗粒。
根据又一个实施方案，可设置的是，荧光标记颗粒布置在子体积中在至少两个不同平面中。可以例如通过堆叠、层压、2K注射成型和现有技术中已知的其他方法来实现荧光标记颗粒在子体积的至少两个不同平面的布置。。
在一个实施方案中，可设置的是，子体积与剩余物品的至少一部分在光学上不可区分。在此上下文中“在光学上不可区分”指表面，颜色和/或材料性质是相同的，和/或材料的光学折射率是相同的，或相差不超过±15％。
在又一个实施方案中，可设置的是，子体积具有0.5μm至500μm或者0.5mm至5mm的厚度。根据本发明设置，子体积布置在物品的表面，即，子体积的表面的一部分与物品的表面的一部分相同。根据前述实施方案子体积的厚度是开始于该公共表面至物品的中心点而测量的。当物品为一种薄膜，带，粘接层等时，在此上下文中例如设置0.5μm至500μm的厚度范围。当物品为一种壳体，隔膜，插入物，容器，载体，产品，货物等时，特别可以设置0.5mm至5mm厚度。
在一个实施方案中，可设置的是，子体积是透明的，半透明的或用染料染色的。在此上下文中，术语“透明的”指光滑的且具有低表面粗糙度的表面(例如PPMA或PC晶莹剔透)。“半透明”是指通过整合散射颗粒或通过表面粗糙度(例如毛玻璃)的乳状散射。在此上下文中，“染色”是指将染色剂添加到子体积中，例如具有化学添加剂的玻璃。
在又一个实施方案中，可设置的是，物品进一步包括标记，所述标记相对于子体积布置。关于所述标记，可设置的是，所述标记通过印刷和/或表面轮廓隆起或凹陷附接在物品上。这用于调整用于颗粒检测的检测装置，即测定子体积中布置的荧光标记颗粒的相对排列。标记特别可以包括至少一个参考点，该参考点允许以这样的方式定位物品，使得可以在合适的检测装置的帮助下确定荧光标记颗粒的发射以及由此的位置。
在又一个实施方案中，可设置的是，平均颗粒体积：子体积的体积比为至少1：20。在此上下文中，“至少”指体积比可转向支持子体积(例如1：25，1：30等)。下面假想模型作为测定体积比的示例：理想情况下由9个(3×3堆叠)假想石立方体组成的“颗粒”整合在7×7×3假想玻璃立方体的体积中间。该排列被设计用于利用相机进行1对1像素立方识别，所述相机检测9个颗粒立方体和垂直于7×7玻璃立方体表面的各自围绕的两排玻璃立方体。由于这个模型，最小的体积比约为9:147＝1:17。通常体积比可以降低至10至个位数ppm值，从而在统计学意义上子体积中只存在一个颗粒。当然，在实践中，设定了一个统计学上有意义的中间比例。比例数字的实际目标是将颗粒充分分离，足以进行后续识别，以及避免颗粒叠加，以及在比例数字变化时，实现最大可能的可区分的颗粒排列概率，然后从中得出FMCC(荧光标记特征码)的变化范围。
根据一个实施方案，可设置的是，子体积的外轮廓是四边形、正方形、圆形或三维自由形式。
在又一个实施方案中，可设置的是，货物和外壳彼此连接。
在又一个实施方案中，可设置的是，外壳无法在不受破坏的情况下与货物分离。
在又一个实施方案中，可设置的是，外壳可以从货物上拆下。在这样的实施方案中，物品例如为包装，容器，载体，盒子等。
根据又一个实施方案，可设置的是，外壳仅部分地包围货物。在这样的实施方案中，物品例如是包装带，隔膜，插入物等。
在又一个实施方案中，可设置的是，外壳和子体积都是透明的。在此上下文中，透明指材料的光学折射率优选相同或相差不超过±15％。
该目的进一步通过一种识别物品的方法实现：所述方法包括下列步骤：a)提供根据本发明的物品；b)测定子体积中荧光标记颗粒的随机空间分布；以及c)将测定的随机空间分布与存储的随机空间排列的信息进行比较，以识别物品。
根据一个实施方案，可设置的是，测定子体积中荧光标记颗粒的随机空间分布包括光感检测荧光标记颗粒的发射。
在又一个实施方案中，可设置的是，步骤c)中的比较包括将测定的荧光标记颗粒的随机空间分布转换为分布的数学码特征。
根据又一个实施方案，可设置的是，除了随机空间分布之外，还测定荧光标记颗粒的尺寸和/或形状和/或化学组成，由此得到的信息与对应的存储的信息进行比较。在此上下文中设置，化学组成与荧光发射相关。
在又一个实施方案中，可设置的是，步骤b)中的测定包括评估至少一条发射线。由此发射线可以是单光谱颜色或发射波长范围。标记优选在例如大约470nm，550nm，670nm(VIS)和800nm(NIR)，各自±20nm处发射。
在又一个实施方案中，可设置的是，除了随机空间分布之外，还测定在激发失活之后单个颗粒的发射衰减时间。
在又一个实施方案中，可设置的是，关于随机空间分布，测定当激活激发时单个颗粒的发射衰减时间。
在又一个实施方案中，可设置的是，除了随机空间分布之外，还测定在激活激发时单个颗粒的发射强度。
根据又一个实施方案，可设置的是，步骤b)中的测定包括使用相机，线阵相机或智能手机相机。因此颗粒位置，特别是横向于识别表面的位置深度，在下列已知方法的帮助下可进行检测：例如通过立体物镜，立体相机，借助于景深，在三角测量方法的帮助下，通过纵向或倾斜移动相机到识别窗口或利用飞行时间相机(ToF)。智能手机相机也可以是用于智能手机相机的配件(特别是在颗粒的激发方面)。
最终，根据一个实施方案，可设置的是，步骤c)中的比较包括和存储在存储数据库或云中的荧光标记颗粒的数学特征码比较。
根据本发明标记的物品以及借助根据本发明的方法识别该物品使得可以克服现有技术的缺点并且特别是实现以下技术优点。
a)能够将荧光标记颗粒(FMP)整合进已经要求的标准生产方法的框架内，以使得对于识别手段的附接不需要附加的生产步骤和附加的部件。
b)由于小颗粒尺寸和小的白漫射日光发射特性，可以在不影响物品、货物或产品的表面或设计的情况下实现识别特征的隐形整合。
c)大量的编码可能性以及用于广泛产品范围和大量产品的编码成为可能：由于颗粒的位置，由于颗粒大小的变化，由于不同的颗粒颜色发射，由于不同颗粒几何性质。仅由窗口大小和相机分辨率给出局限性。
d)具有最大程度防拷贝保护和因此最大程度防伪保护的识别特征，因为与印刷条形码，QR码等相比所不同的是，几乎无法复制随机的二维和三维位置，以及荧光标记颗粒的性质。
e)有额外防伪保护的识别特征，因为造假者并不知道该特征(例如图案的位置)和识别方法(例如评估颗粒的哪些特征或信息，如何建立数学模型)。
f)识别特征中识别窗口(＝子体积)可以是可见的，以便用检测装置很容易找到检测区域。
g)识别特征中识别窗口(＝子体积)可以是不可见的，且可以是变化的，从而使得复制或伪造变得更加困难。
h)特别是高对比度颗粒图案，和因此的识别特征，因为当在NIR中使用“上转换”FMP和激发时，除了FMP的上转换荧光之外没有其他光信号在VIS中产生并且所有合成和天然生产材料都没有上转换荧光或没有相关的上转换荧光。因此，就颗粒图案的对比度而言，每个斯托克斯荧光比上转换FMP的专利相关使用差得多。
i)此外，通过颗粒图案的高对比度实现“上转换”FMP的使用，使得即使在检测范围表面受损或有划痕的情况下依然可以测量和检测颗粒图案。
j)此外，颗粒尺寸可以适配产品或物品尺寸。这一点同样适用于子体积。
作为结果，根据本发明的方法导致下列总体优势：
a)用于物品、货物或产品的简单和有成本效益的识别标记
b)明确和唯一的识别技术
c)可以快速轻松地读出
d)有利的控制和评估技术
具体实施方式
下面将参考具体实施方案和附图来描述本发明，在此上下文中提到的特征不一定被认为对本发明是必不可少的。相反，单个特征可以与上文提及的一般特征组合在一起。以下描述特别用于基于具体实施方案解释本发明。
图1：根据本发明的包含荧光标记颗粒的物品的示意性空间表示；
图2：用于执行根据本发明的方法的装置的示意性表示，用于识别图1所示物品；
图3：在优选实施方案中根据本发明的方法的示意性顺序流程图。
荧光是一种常见技术，其用于在所谓光敏曲线V(λ)内将发射源的波长从可见光谱边缘区域甚至从该区域外面移动至“可见区”(大约380nm-780nm)。在合适的荧光颜色颜料的帮助下，可以实现斯托克斯位移和反斯托克斯位移，在斯托克斯位移中反向发射的发射波长通过“下移”相对于激发波长以拉伸方式辐射，在反斯托克斯位移中通过“上转换”以压缩方式发射发射波长。
对于本发明，两个方向都是可设想的，即，使用UV LED或UV激光激发“下移”——FMP(荧光标记颗粒)或使用IR发光二极管或红外激光激发“上转换”FMP。此处优选“上转换”，因为这个效应会因其“不自然”(相对于激发波长发射能量更高的波长)可以更好地检测到。此外，从而可实现一种完全不可见的检测方式——通过使用合适的FMP，所述FMP既在近红外光谱范围(NIR)内激发也在NIR范围内发射(例如在约980nm激发，且在800nm发射)。通过荧光材料的合适掺杂，可以生成任何发射颜色(在可见光谱范围VIS中)。使用980nm激发时，具有单一或不同发射区的颗粒因此可被区分，例如具有峰波长为480nm、546nm、607nm和758nm。
利用可商购获得的相机，不但可以在VIS也可以在NIR范围内检测这些发射，而不需要特别的投入。除了一般出版物外，关于FMP的进一步信息，本身可以从WO 2017/220079A1，DE 10 2014 105 846 A1中获得。
在湿化学法合成和干化学法合成后，FM颗粒通常为大约少于1μm乃至颗粒的尺寸以及最高至几百微米的颗粒团聚体的尺寸。通过研磨方法和过筛，可以分离所需颗粒尺寸。
最终，可以利用所选颗粒，通过可商购获得且已知的方法填入产品外壳、物品外壳或货物外壳，例如通过在挤出机的帮助下对包覆材料进行FMP复合或通过用FMP填充的粘合剂层进行薄膜的多层堆叠，也可以通过使用FMP填充的细丝进行3D打印。在这种情况下，为了既可实现FMP激发又可光感评估，外壳在UV经过可见光(VIS)直至近红外光谱范围(NIR))都是透明或半透明的(不透明或乳状透明)。涂层可以是薄膜(假设选择大于颗粒尺寸的材料厚度)，优选是吸塑包装。此外，透明壳体或盒子或另一容器也是可设想的。
图1中示出了一种对应的实施方案。在该实施方案中，物品100包含外壳110以及货物120。货物120完全被外壳110包围。在示出的实施方案中，物品100更准确地说外壳120包括子体积130，所述子体积代表外壳120的体积的一部分并且因此代表物品100的体积的一部分。在物品100中，荧光标记颗粒(未示出)为随机排列分布。此处至少一部分颗粒以随机排列存在于子体积130中。
所描述的外壳可以在不破坏的情况下牢固地且不可拆卸地连接至货物，例如通过胶粘，2K注射成型工艺，或层压，或3D打印工艺。图1b中示出了对应的实施例。
此外，外壳可以完全地也可以部分地环绕货物，例如一条绑带将货物固定于托盘上。最后但并非最不重要的是，还可以设想外壳几乎限制于子体积。
子体积可以具有下列性质：仅在该表面外壳区域对以体积状的方式随机排列的荧光标记颗粒进行空间评估，并且该区域或其后面的体积被加工成可见的或不可见的，即不突出显示。可见的形式可以是，例如检测区域内的加框印刷或目标外壳表面变化，例如凹槽，隆起或槽，此外还可以是体积状窗口本身的着色。在“不可见”形式的情况下，子体积无法与周围外壳区域区分开。实际的子体积只被检测装置的定位限制，且因此只被检测人员或检测装置“已知”。在此，现有的边缘、轮廓、定位辅助和/或除了这些机械元件之外，靠近或远离子体积的物品的光学特性也可用作定位对准的参考。
用于执行根据本发明的方法的装置示出于图2。待识别的是包括外壳210和货物220的物品200，其中根据图1，荧光标记颗粒240/245在子体积230中且如果适用在物品200的剩余体积中呈随机排列。图2示出的物品200还具有缺口形式的标记250，其使物品200按这样的方式设置，即，使得可以借助于检测装置260检测到子体积230中包含的荧光标记颗粒240。检测装置260用于测定子体积230中荧光标记颗粒240的空间随机分布，并且包含激发源270，相机280和控制评估单元290。在测定子体积230中荧光标记颗粒240的随机空间分布后，在评估单元290的帮助下，生成用于与存储数据进行比较的数学FMCC 295，以便识别物品200。
在一个具体实施方案中，该方法可以如下执行。首先，在定位弹簧的帮助下使检测装置与子体积处的外壳对准。为了这个目的，子体积可以设计为可见或不可见的。检测装置的光阑挡住了非预期的外来光。在子体积中EMP(发射颗粒)被检测装置中的激发源辐射，并且通过相机评估(在每种情况下，被控制评估装置控制)。可以是基于矩阵的CCD相机，CMOS相机，ToF相机，双相机或线阵相机的相机在已知方法(诸如景深变化，三角测量例如使用横向变化相机或借助于双相机)的帮助下检测FM颗粒的三维位置。此外，相机检测颗粒的发射颜色(或发射颜色区)，尺寸，轮廓，和空间位置或空间对准。
利用控制评估装置记录测量数据，并利用数学算法(此处不进一步详述)将数据转化为明确的荧光标记特征码(FMCC)。FMCC意图完整地描述颗粒群，以及意图同时通过利用该方法实现的变异和立方数据丰度对机械影响(诸如例如外壳表面的磨损)具有容错性。
在图3中描述该方法的完整可能的测量序列。如已经解释地，检测单元在第一步骤中对准。然后，参考子体积。通过图像处理技术，通过光学可检测标记，或通过机械参考点。在通过图像处理技术光学检测的情况下，另外使用可见发射光谱中的照明是有利的(未在草图2中明确说明)。在利用红外或/或紫外光激发EMP后，进行空间EMP位置的定位，颗粒光谱颜色的检测，EMP尺寸和几何特征的测量，以及空间中EMP位置的检测。可选地，还可以在打开激发源时同样评估EMP的光技术照明行为。同样，在激发源关闭后，可以检测光技术衰减行为。荧光标记颗粒的这些在时间上以指数方式运行的发光特性在激发期间和激发后可通过适当掺杂EMP以有针对性的方式进行调整，并且同样可以同时被包括以用于FMCC的计算。
最终，在FMCC的帮助下，可以利用常规技术进行产品分配、货物追踪(跟踪)以及数据处理和存储。
对于实施本发明的各种实施方案而言，上述说明书中、权利要求中以及附图中公开的特征无论是单独地还是以任何所需组合的方式都可以是必不可少的。

Claims (10)

1.一种包括荧光标记颗粒的物品，其中
-所述荧光标记颗粒分布在所述物品的整个体积中或所述物品的体积的一部分中，并且所述荧光标记颗粒呈随机分布；
-所述荧光标记颗粒分布的体积包括子体积；
-所述子体积包含所述荧光标记颗粒的至少一部分；
-所述子体积为至少部分可透过电磁辐射，所述电磁辐射的波长在可见光范围和/或在近红外范围和/或在UVA范围中；和
-所述子体积的表面的一部分与所述物品的表面的一部分相同。
2.根据权利要求1所述的物品，其中所述荧光标记颗粒包括至少两种不同类的荧光标记颗粒，所述荧光标记颗粒在尺寸和/或形状和/或化学组成方面彼此不同。
3.根据权利要求1或2所述的物品，其中所述物品包括货物和/或外壳，其中所述外壳至少部分地包围所述货物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述荧光标记颗粒适合在利用远红外光源激发后发射在可见光范围和/或近红外范围内的至少两种不同射线。
5.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述子体积与剩余物品的至少一部分在光学上不可区分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述子体积是透明，半透明或用染料染色的。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的物品，其中所述外壳和所述子体积均是透明的。
8.一种识别物品的方法，包括下列步骤：
a)提供根据前述权利要求中任一项所述的物品；
b)测定所述子体积中所述荧光标记颗粒的随机空间分布；以及
c)将测定的随机空间分布与存储的关于随机空间排列的信息进行比较，以用于识别所述物品。
9.根据权利要求8所述的方法，其中测定所述子体积中的荧光标记颗粒的随机空间分布包括光感检测所述荧光标记颗粒的发射。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，其中步骤c)中的比较包括将测定的荧光标记颗粒的随机空间分布转换为数学码。
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