CN1169082C - 一种复合式空间衍射器件及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合式空间衍射器件，它包括由像素组成的像素阵列，所述每个像素中设有一个小光栅，各个小光栅具有特定的光栅转角和空间频率，使得在激光照射后其一级衍射光点按预先设定的规则排列，这种规则可以是一维或二维条形码的规则，也可以是特定的文字或图案。本发明具有信息密度大、占用空间小、且成本较低的特点，特别适用于大量物品的分类及标识，并且具有较强的防伪功能。
Description
本发明涉及一种用于物品分类及信息标示的标志及其检测方法，具体涉及一种易于自动识别及防伪的复合式空间衍射器件及其检测方法。
随着计算机技术的发展，当今计算机信息管理已从处理日常例行的低水平事务深入到组织结构领域，进一步发挥控制和协调功能，在需要处理大量数据的场合，常常需要对物品进行分类及信息标示，如商品流通环节中对商品进行分类，在信用卡、身份证、有价证券等物品上设置便于计算机直接检测的信息标记，在图书馆中对图书进行分类及标记等，这些标记要求便于用计算机自动识别，以满足快速、准确、大量输入信息量的要求，便于发挥计算机的功能。目前，用于物品分类和信息标示的自动识别技术主要有磁条、IC卡、射频技术、条形码等，其中磁条、IC卡虽然具有数据可读写的优点，但是它对物品逐一标识的成本比较高，较适用于信用卡等卡类物品，而不宜用于大量商品、图书等物品的逐一标记，射频技术可携带大量数据、且为非接触式识别，但其成本相当高，只适用于反复使用的场合，不适用于一次性标志的场合；条形码相对于前述几种技术来讲，具有输入速度快、可靠性高、成本低、对使用环境不苛刻等优点，同时采用印刷方式制作，使用方便，因而成为目前在现代化生产和管理领域中广泛应用的数据输入技术，它是由一组规则排列的条和空组成的标记，由印制的深色条符构成条，两个条符之间的空白区代表空，条、空的宽、窄及间隔的相对位置的特殊排列就构成了信息，这种由条、空组成的数据编码可以供机器识读，而且很容易译成二进制数和十进制数，易于与计算机连接构成条码系统，但是条形码系统也存在一定的缺点，主要是其信息密度低、信息容量小，主要用于对物品的标识而不能用于对物品描述，只能起到对物品分类检索的作用，虽然近来发展的二维条码技术在信息密度和容量方面有所提高，仍难以满足人们的要求，同时，由于其信息密度低，需要用较大的面积来完成对物品的标识，比如目前最常用于商品分类标识的EAN一维条码有13位数字，其标准外廓尺寸为37.92毫米×26.26毫米，实际使用时可以有一定的缩放范围，但一般在标准尺寸的0.8倍至1.2倍之间，占用了商品包装上的较大面积，影响了商品的外观设计。
本发明目的是提供一种信息密度大、占用空间小、且成本较低的复合式空间衍射器件及其检测方法，用于大量物品的分类及标识。
为达到上述目的，本发明的发明人根据如下原理及设计思想进行了发明：条形码技术目前来说是一项十分成熟的自动识别技术，其中的编码体系已相当完善，它采用二进制数的概念，把印刷出的信息转化成可供机器识读的机器语言，在此过程中，光电转换装置把条码反射出的强弱不同的光转换为高低不同的电平由机器识读，因此，可以考虑一种光学的手段来代替原来使用的普通印刷术，以获取一种可利用现有的条形码编码体系，同时大幅度提高了信息密度的分类及信息表达方法。当光束通过一个光栅(或者从一个光栅上反射)时，可以获得一定的衍射图样，而目前全息技术的发展使得制作全息光栅成为一种实用的技术，特别是在铝膜上，可以低成本地制成反射全息光栅(类似于全息防伪图标的制作)，且这种光栅的面积可以做得很小，实用的范围可以在0.02×0.02mm2-0.08×0.08mm2，因而可以考虑用衍射光代替条形码中的反射光，在空间再现条码信息。
由此获得了本发明采用的技术方案：一种复合式空间衍射器件，它包括由像素组成的像素阵列，所述每个像素中设有一个小光栅，各个小光栅具有特定的光栅转角和空间频率，使得在激光照射后其一级衍射光点按预先设定的规则排列。
上述技术方案中，所述“一级衍射光点”是指小光栅在激光照射后产生的正或负的一级衍射光点，所述一级衍射光点按一定的规则排列，用于表示信息，其中较好的一种排列规则可以采用条形码规则，衍射光点代表条形码中的空，衍射光点间的空区代表条形码中的条；本方案中，用衍射光点及其间隔来表示条形码中的空和条，可以方便地引用现有的各种条形码编码规则，完成分类及信息表达的功能，同时，编码信息由小光栅产生的一级衍射光点表示，小光栅本身面积极小，且可以排成阵列，大大提高了信息密度。
在上述方案中，根据小光栅空间频率和转角的变化，可以分为几种情形：一是各个小光栅的空间频率相同，只改变光栅转角，其一级衍射光点构成弧形，所述规则采用一维条形码的编码规则，此法由于不需改变小光栅的空间频率，计算光栅转角较方便，但检测时涉及面积较大；二是如果各个小光栅的空间频率和光栅转角均不同，使其一级衍射光点构成直线，所述规则采用一维条形码的编码规则，则比较方便检测；还可以包括有2个以上的像素阵列，每个像素阵列构成的一级衍射光点群在空间横向或纵向排列，从而表达更多的信息；其中每个像素阵列构成的一级衍射光点群在空间纵向排列，可以构成符合二维条码编码规则的复合式空间衍射器件。
上述技术方案中，根据小光栅空间频率和转角的变化，还可以起到加密、防伪作用，其方法是所述小光栅阵列的一级衍射光点的排列规则为排列成特定的字母、数字或图形。
上述技术方案中，较实用和低成本的一种方案为：所述像素阵列中的小光栅为反射型衍射光栅，所述像素阵列印制在金属薄膜上，与现有全息防伪标志的制作方法类似；当然，也可以采用透射形衍射光栅，但其制作成本相对较高，且应用范围较窄。
为实现本发明，可采用下述制作方法，首先选定光栅一级衍射光点的排列规则，根据光学公式计算各小光栅的空间频率及光栅转角，使其衍射光点符合所述排列规则，且光点间的中心距不小于爱里斑的大小，利用激光全息方法蚀刻符合上述空间频率和转角要求的光栅像素阵列，并转印到金属薄膜上去。
在实际制作中，可以根据光学原理编制计算机程序，计算光栅的空间频率和光栅转角，从而在给定一个编码时，利用计算机自动生成相应的光栅像素阵列的有关数据，并可以与激光系统连接，达到自动拍摄光栅阵列的效果。
本发明的复合式空间衍射器件的检测方法，由激光发射装置、准直透镜、成像透镜、光学探测器和处理电路与计算机系统一起构成复合式空间衍射器件的检测电路，激光发射装置发出的激光经准直透镜后成为准直光，以一定角度照射在复合式空间衍射器件上，反射光经成像透镜，使衍射光点成像在透镜的焦面上，光学探测器的探测面处于焦面位置，从而测得衍射光点阵列，经处理电路后送入计算机进行处理，获得复合式空间衍射器件的编码数据。其中的光学探测器可以用CCD，此时光学探测器应与复合式空间衍射器件作相对运动，以串行方式获取数据；也可以用SSPD阵列、CCD面阵等，此时，可以一次获取整个复合式空间衍射器件的衍射光，从而以并行方式获取数据。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、由于本发明采用空间衍射光表达信息，其每个全息小光栅的面积在0.02×0.02mm2-0.08×0.08mm2之间，以一维条形码中的EAN码为例，其代码有13位数字，外廓尺寸为37.92mm×26.26mm，单位长度内所包含的条码代码量是3.43字符/厘米，而用本发明的复合式空间衍射器件，用64个左右像素即可表达同样的信息，即为8×8的像素阵列，一个光栅像素的大小以0.08mm×0.08mm计，一个阵列的面积为0.0041cm2，单位面积内包含的代码量是3.17×103字符/平方厘米，因而，本发明的信息容量可提高2到3个数量级，相应的，表示相同的信息，其占用面积远小于条形码；
2、由于本发明为肉眼不可识别的小光栅组成，同时还可以通过控制衍射光点的位置形成特定的字母、数字或图形组合，因而可以用一部分像素形成特点的校验图形，有很强的防伪性能；
3、本发明可以用现有全息防伪薄膜制作，成本低，特别适用于需每件标示的大批量物品的信息表示；
4、由于本发明大大提高了信息密度，除了可代替原一维条码的分类标示作用外，还可以用作信息标示，在某些场合可脱离数据库使用。
附图1为本发明实施例一中用一维条码规则编码的像素阵列与重现的衍射光点示意图；
附图2为图1中像素阵列内的光栅示意图；
附图3为本发明实施例二中的像素阵列与重现的衍射光点示意图；
附图4为本发明实施例三中的像素阵列与重现的衍射光点示意图。
其中：[1]、像素阵列；[2]、衍射光点；[3]、像素；[4]、小光栅。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见附图1和图2所示，一种复合式空间衍射器件，它包括由像素组成的像素阵列1，所述每个像素3中设有一个小光栅4，各个小光栅4具有特定的光栅转角和空间频率，使得在激光照射后其一级衍射光点2按一维条形码的规则排列，其中衍射光点2代表条形码中的空，衍射光点2间的空区代表条形码中的条；各个小光栅4的空间频率和光栅转角的选定，使得其一级衍射光点2构成直线；其中所述像素阵列1中的小光栅4为反射型衍射光栅，制作在铝膜上。
本实施例的像素阵列也可以由多个小阵列构成，每个小阵列产生的一级衍射光点2位于相同的位置，从而增强了衍射光点2的强度，便于检测及保证检测结果的正确性。
制作本实施例的复合式空间衍射器件时，首先确定一维条码的编码规则，对于一般商品可以选用EAN条码，为保证小光栅4一级衍射光点2排列为直线，各小光栅4的空间频率及光栅转角二项参数都将发生变化，给定再现光波，根据光学公式可以计算出上述二项参数的值，其中应注意到使一级衍射光点2中心间的距离不小于爱里斑的大小，利用激光全息方法蚀刻符合上述空间频率和转角要求的光栅像素阵列1，选用镀有铝膜的不干胶纸或塑料，将上述像素阵列1转印到铝膜上，即得到所需的复合式空间衍射器件。
也可以利用数码激光全息照排系统完成本实施例的复合式空间衍射器件的制作，在计算机中输入所需重现的一维条码编码，由软件完成像素阵列1中各小光栅4的数据的计算，然后根据计算的结果控制光路，自动完成像素阵列1的蚀刻，再利用蚀刻获得的干版为母版，完成转印工序。
本实施例的复合式空间衍射器件的检测方法：由激光发射装置、准直透镜、成像透镜、光学探测器和处理电路与计算机系统一起构成复合式空间衍射器件的检测电路，激光发射装置发出的激光经准直透镜后成为准直光，以一定角度照射在复合式空间衍射器件上，反射光经成像透镜，使衍射光点2成像在透镜的焦面上，光学探测器的探测面处于焦面位置，从而测得衍射光点阵列，经处理电路后送入计算机进行处理，获得复合式空间衍射器件的编码数据。
本实施例的检测器也可以制成卡槽式检测器，激光光束角度固定，设有复合式空间衍射器件的卡证在槽内运动，采用CCD为探测器，其光敏面位于透镜的焦面上，即可获得编码数据，此时，其检测数据是串行的。
实施例二：参见附图3所示，一种复合式空间衍射器件，它包括由像素组成的像素阵列1，所述每个像素3中设有一个小光栅4，各个小光栅4具有特定的光栅转角和空间频率，使得在激光照射后其一级衍射光点2按二维条形码的规则排列，其中衍射光点2代表条形码中的空，衍射光点2间的空区代表条形码中的条；其中所述像素阵列1中的小光栅4为反射型衍射光栅，制作在铝膜上。
本实施例可以获得更大的信息存储量，可用于信息标示，制作本实施例的复合式空间衍射器件时，首先确定二维条码的编码规则，要使一级衍射光点形成二维的排列，各小光栅的空间频率及光栅转角二项参数都将发生变化，给定再现光波，根据光学公式可以计算出上述二项参数的值，其中应注意到使一级衍射光点中心间的距离不小于爱里斑的大小，利用激光全息方法蚀刻符合上述空间频率和转角要求的光栅像素阵列，选用镀有铝膜的不干胶纸或塑料，将上述像素阵列转印到铝膜上，即得到所需的复合式空间衍射器件。
本实施例的复合式空间衍射器件的检测方法：由激光发射装置、准直透镜、成像透镜、光学探测器和处理电路与计算机系统一起构成复合式空间衍射器件的检测电路，激光发射装置发出的激光经准直透镜后成为准直光，以一定角度照射在复合式空间衍射器件上，反射光经成像透镜，使衍射光点成像在透镜的焦面上，光学探测器的探测面处于焦面位置，从而测得衍射光点阵列，经处理电路后送入计算机进行处理，获得复合式空间衍射器件的编码数据。
实施例三：参见附图4所示，一种复合式空间衍射器件，它包括由像素3组成的像素阵列1，所述每个像素3中设有一个小光栅4，各个小光栅4具有相同的空间频率，只改变它们的光栅转角，使得在激光照射后其一级衍射光点2在一条弧线上按一维条形码的规则排列，其中衍射光点2代表条形码中的空，衍射光点2间的空区代表条形码中的条；其中所述像素阵列1中的小光栅4为反射型衍射光栅，制作在铝膜上。
本实施例由于不改变小光栅的空间频率，制作时计算较为方便，制作本实施例的复合式空间衍射器件时，首先根据有关光学公式，确定小光栅的空间频率，再根据选用的一维条码的编码规则，计算出各个小光栅的光栅转角，其中应注意到使一级衍射光点中心间的距离不小于爱里斑的大小，利用激光全息方法蚀刻符合上述空间频率和转角要求的光栅像素阵列，选用镀有铝膜的不干胶纸或塑料，将上述像素阵列转印到铝膜上，即得到所需的复合式空间衍射器件。
本实施例的检测方法与前述二个实施例类同，但由于再现的衍射光点是沿弧形排列的，检测相对复杂，一是可以选用CCD探测器后沿弧形方向运动，但控制较复杂，另一方法则是选用较大光敏面的探测器进行探测，相应增大了检测成本。
Claims (8)
1、一种复合式空间衍射器件，其特征在于：它包括由像素[3]组成的像素阵列[1]，所述每个像素[3]中设有一个小光栅[4]，各个小光栅[4]具有特定的光栅转角和空间频率，使得在激光照射后其一级衍射光点[2]按预先设定的规则排列。
2、如权利要求1所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：各个小光栅[4]的空间频率相同，只改变光栅转角，使其一级衍射光点[2]构成弧形排列。
3、如权利要求1所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：各个小光栅[4]的空间频率和光栅转角均不同，使其一级衍射光点[2]构成直线排列。
4、如权利要求1所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：包括有2个以上的像素阵列[1]，每个像素阵列[1]构成的一级衍射光点群在空间横向或纵向排列。
5、如权利要求4所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：每个像素阵列[1]构成的一级衍射光点群在空间纵向排列，各像素阵列构成的一级衍射光点线阵相邻排列，形成二维排列面阵。
6、如权利要求1所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：所述形成的一级衍射光点[2]的排列成字母、数字或图案形状。
7、如权利要求1至6所述的复合式空间衍射器件，其特征在于：所述像素阵列[1]中的小光栅[4]为反射型衍射光栅，所述像素阵列[1]印制在金属薄膜上。
8、如权利要求1所述的复合式空间衍射器件的检测方法，其特征在于：将经准直的激光以一定角度照射在复合式空间衍射器件上，复合式空间衍射器件中的小光栅将激光反射，获得的反射光经成像透镜，产生的衍射光点[2]成像在透镜的焦面上，利用光学探测装置将光信号转换成电信号，经处理电路后由计算机进行处理，获得复合式空间衍射器件的编码数据。
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