CN1179300C - 识别衍射光标志的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及安全元件(4)的Q衍射光标志(11)的同步机器识别装置，该装置包括：光源(1)，把平行光束(10)投射在配有所述安全元件(4)的文件(3)上；光收集元件(2)，光检测器(5；6)把在标志(11)上衍射的光(15；16)或在衬底(3)上反射的光线转换成电信号；以及评价所述信号的评价单元。光检测器(5；6)位于光收集元件(2)的聚焦面(8)上。在各种情况下，两个光检测器(5；6)形成光检测器对。分析各对电信号，并在评价单元中比较所有成对的光检测器的结果与对应基准值。所有光标志(11)被同步地读出，并形成识别安全元件(4)的编码。

Description

识别衍射光标志的装置
本发明涉及一种光衍射标志的机器识别装置。
这种光衍射标志的机器识别装置适用于检查具有包括相应的光衍射标志的安全特征的文件、邮票、纸币、身份证、护照等的可靠性。
德国专利申请公开(DE-OS)No 2352366披露了通过配有透镜的适当光学装置利用傅立叶变换的透明安全结构的阅读装置的基本结构。按垂直关系入射在由棱镜形成的肉眼可见的安全结构上的平行光通过折射而偏转。包括相同方位取向的相同棱镜以平行光束的形式反射光，并由光学装置聚焦成光学装置聚焦面上的点。在聚焦面上光亮度水平的分布形成识别特征。
德国专利申请公开(DE-OS)No 2538875披露的阅读装置利用傅立叶变换通过光照射识别均匀衍射光栅的预定凹凸结构。阅读装置比较按不同幅度的衍射级反射的光束亮度水平，由此可以推断在衍射光栅中使用的凹凸剖面形状。通过连续的衍射光栅的顺序读出，或利用调查按平行关系设置于各预定位置的衬底上的衍射光栅的多个阅读装置，可实现与可靠性识别有关的安全程度的提高。
瑞士专利说明书No 653160披露了在DE-OS No 2538875中所示的用于可靠性特征的阅读装置的发展，该阅读装置包括多个具有作为编码装置的不同衍射结构的同步被照射部分。用光学装置将衍射结构衍射的光聚焦在其聚焦面上。在该聚焦面上，仅由例如各种衍射结构的空间频率、方位角等参数来确定高亮度光的位置。如果这些位置与按预定方式配置的光接收器的位置一致，那么就这样识别可靠性特征。
美国专利说明书No 4034211和No 4023010披露了另一种阅读装置，该装置用仅能照射一部分衍射光栅的细光束顺序光学扫描包括连续的相等尺寸的衍射光栅的数据磁道。这些公开涉及这样的误差，当在例如衍射光栅的面相对于读出面倾斜和衍射光栅的面相对于读出面的间隔较大或较小等时进行光学扫描时，在实际情况下就可能出现误差。已知的傅立叶变换的光学装置消除了间隔误差的影响。测器(5；5’；6；6’)的有效表面(12；12’)之间配置光学元件(26；26’)，把衍射光(15；16；16’；44)聚焦在有效表面(12；12’)上和/或选择预定接收的光品质(颜色、偏振)。
4.一种安全元件(4)的光衍射标志(11)的同步机器识别装置，其中在衬底(3；24)上的该安全元件(4)设置于读出面(25)中，所述装置包括：光源(1)，用于把至少预定波长λ的光(10)照射在读出面(25)上；光检测器(5；5；6；6’；50)，将在标志(11)上衍射和在衬底(3；24)上反射的辐射光(15；16；16’)分别转换成电信号S1、S2；和评价单元(17)，用于信号S1、S2的评价，
其特征在于：
光源(1)的出射光孔(33)设置在远离读出面(25)具有大孔径的会聚元件(2和53)的聚焦面(8’)上，该会聚元件配置在光源(1)和读出面(25)之间，用于从出射光孔(33)产生的光束锥(9)中产生照射读出面(25)的平行射线光束(10)，
会聚元件(2)在标志(11)和光检测器(5；5’；6；6’；50)之间，该元件适于将在标志(11)上衍射和在衬底(3；24)上反射的平行辐射光(15；16；16’)分别聚焦在光检测器(5；6；5’，6’；50)的工作表面(12；12’)上，该工作表面配置在会聚元件(2)的聚焦面(8’和45及46)上，
评价单元(17)适于读出光检测器(5；6；5’，6’；50)的电信号和识别因照射光标志(11)而在聚焦面(8’和45及46)上产生的光图形，其中，评价指利用至少三对相对于会聚元件(2)的光轴(7和43)对称的三对亮度聚集点，将由光检测器(5；6；5’，6’；50)寄存的可能变形的光图形与存储于存储器(22)中的标准图形进行比较，和成对亮度聚集点与成对的输出信号X和Y的相关性，其中输出信号的信号电平对应于在被衍射的辐射光图形(15；16；16’)中的亮度聚集点，其中，利用有预定光栅参数的一个光标志11产生各对输出信号X和Y，由各对(A-A’；a-a’，B-B’；b-b’，C-C’；c-c’，D-D’；d-d’)信号的输出信号X、Y计算相对差分RD＝(X-Y)∶(X+Y)，并利用计算出的相对差分RD识别安全元件(4)。
5.如权利要求4的装置，其特征在于，光源(1)的出射光孔(33)配置在照射轴(52)上光输入元件(53)的聚焦面上，照射轴(52)和平行射线光束(10)相对于与读出面(25)垂直的垂直面(54)倾斜角度-δ，会聚元件(2)的光轴(7平行射线光束，会聚元件在标志和光检测器之间，该会聚元件适于将在标志上衍射和在衬底上反射的平行辐射光分别聚焦在光检测器的工作面上，该工作面设置在会聚元件的聚焦面上，和评价单元适于从各对电信号S1、S2中形成输出信号X、Y，并从各对光检测器的输出信号X、Y中至少计算相对差分RD＝(X-Y)∶(X+Y)，并利用计算出的相对差分RD识别安全元件。
另外，本发明的光检测器(5，6和5’，6’)适于和产生分别与入射到工作面(12；12’)上的衍射光(15和16)的亮度成比例的电信号S1和S2。
下面，参照附图更详细地说明本发明的实施例，其中：
图1是阅读装置的剖面图，
图2表示评价流程图，
图3表示具有安全特征的文件，
图4表示聚焦面上的光图形，
图5表示光源，
图6表示抑制外部光的装置，
图7表示具有光检测器的另一种配置的阅读装置，和
图8表示有倾斜照射的阅读装置。
参照图1，标号1表示光源，标号2表示光会聚元件，标号3表示文件，标号4表示安全元件(security element)，标号5和6表示图1中分别示于会聚元件2的光轴7的左右侧的光检测器，而标号8表示朝向光源1的会聚元件2的一个聚焦面8’与想象的衍射面100的相交线，其中为了便于说明仅示意表示该衍射面100，由光轴7和一对由光检测器5和6形成的光检测器建立起该衍射面。两个光检测器5和6相对于光轴7对称地设置，因此相对于光轴7有相同的间隔R。透镜、凹面镜、全息图、衍射光栅等可以用作会聚元件2。作为会聚元件2的象差的结果，聚焦面8’不是平面，而是与衍射面100具有共同的弯曲相交线8的曲面。
在光源1中，例如激光器、激光二极管、发光二极管(LED)或具有滤色镜的白炽灯产生从红外和/或可视光谱中的预定波长λ的几乎单色的辐射光。光源1的出射光系统(这里未示出)把光源1的辐射光聚焦在会聚元件2的聚焦面上，使该辐射光扇形状散开，形成其顶部在相交线8上且在大区域上照射会聚元件2的有效孔径的光束锥9。利用以锥形结构入射的辐射光，会聚元件2产生射线的平行光束10，该光束由会聚元件2的有效孔径限定。光束10平行于光束锥9的延长轴，静止地照射文件3的一部分和设置于其上的安全元件4。由于光束10的直径取决于会聚元件上的孔径，因而对于会聚元件2来说，优先选择大孔径，这样对安全元件4或文件3分别在光束10中的取向就要求较少。如为了简化起见的图1所示，光束锥9的轴不必与光轴7一致。
安全元件4一般是叠层结构，通过将该安全元件粘接在文件3上进行固定，文件3由带有多个嵌入的表面元件的塑料材料构成，该表面元件具有其一些或全部可用作标志11且有光衍射效应的反射衍射结构，该安全元件具有用阅读装置可识别的信息。该表面元件形成一个图形，通过参照本说明书开头部分中所述的文件可知该图形。由EP-401466可知这种叠层的可能结构。在瑞士专利申请No1368-97中披露了有关光标志11的结构。
平行光束10按垂直关系照射在用箭头标记的具有光衍射效应的第一标志11的两个表面部分上。它们具有相同的光栅参数(方位角、外观形状、空间频率等)，方位角的方向平行于衍射面100。该表面部分分布在安全元件4的表面上的各种位置处，并汇集成其图形。具有标志11的整个表面最好分成多个表面部分，以便标志11对覆盖层的损坏不敏感。第一标志11相对于入射光束10按对称的衍射角±α衍射例如衍射级m＝±1的波长λ的入射光。在衍射面10上按衍射角±α衍射的平行光从具有标志11的各表面部分到达会聚元件2。正如所知的那样，在通过会聚元件2后，平行光束在聚焦面8’上被分别聚焦成单个点13和14，其距光轴7的间隔r由平行光束和光轴7之间的夹角确定。因此，会聚元件2在配置有光检测器5的表面12的相交线8上由按衍射角-α衍射的光15产生整个表面的细节形式(punctiform)的原始图象，其中光检测器5可把光转换成电流。按衍射角+α衍射的光16被相应地聚焦在光检测器6的工作表面12’上。
如果另一标志11包含另一空间频率，那么由于相同的照射衍射按另一衍射角出现，因而该衍射角的值不同于值α，从而衍射光例如被聚焦成相对于光轴7对称排列的点13和14。相对于光轴7的间隔r与间隔R不同。如果相反，另一光标志11的方位角的方向不朝向面100，那么其衍射的辐射光的两个聚焦点虽然在聚焦面8’上，但在衍射面100以外转动方位角。
在包括标志11且具有光衍射效应的安全元件4的所有表面元件上衍射的光将产生原始图象，该图象与在相应于照射波长λ的光束10中的表面部分的位置、衍射角和在会聚元件2的聚焦面8’中的光栅参数、包括极坐标r、和r以及+180°的相同衍射级的两个聚焦点无关。
坐标系统的原点是光轴7或零衍射级的光与聚焦面8’的相交点。两个光检测器5、6的工作表面12、12’确定接收衍射光15、16的立体角。接收面的中心包括极坐标R、和R、+180°，因此仅可以接收在接收表面会聚的辐射光，和在第一标志11的表面部分上衍射的辐射光而不是从其它光标志衍射的光。
光检测器5和6把分别入射在其工作表面12和12’上的衍射光15和16转换成与衍射光15和16的亮度成正比的电信号。来自光检测器5的信号S1和来自光检测器6的信号S2利用线路分别达到评价单元17。评价单元17根据两个电信号S1和S2至少形成相对差分RD＝(S1-S2)∶(S1+S2)。
如果信号RD不为零，那么标志11是非对称的光栅轮廓，函数符号(RD)表示平面100中的方位角的方向。
评价单元17有利地控制光源1的亮度水平，以使光检测器5、6和光源1在最佳范围内工作。光电单元18监视光源1的亮度水平，测量产生于光源1的光通量的固定比例。利用线路19到达评价单元17的光电单元18的输出信号AS用于控制由光源1发射的光通量。如果光由发光二极管(LED)产生，那么利用电源线20可容易地对供给LED的电流强度实施控制。
可以由成对光检测器5、6识别的标志11的表面部分必须包括预定的最小表面区域，以便光检测器5、6分别产生足够大的电输出信号S1和S2。光电单元18的输出信号AS最好用于使光检测器5和6的输出信号S1和S2的标准化，就是说，形成比率S1/AS和S2/AS。这些信号S1/AS、S2/AS与光束10中光通量的有效强度无关，但它们依赖于相同标志11的整个表面部分和安全元件4的一般状态。
图2表示分别关于成对的光检测器的衍射面100的输出信号X＝S1和X＝S1/AS及Y＝S2、Y＝S2/AS的处理。评价单元17(图1)检查两个输出信号的和X+Y和相对差分RD＝(X-Y)∶(X+Y)是否在有关的预定范围S、N和P内。如果和信号被假设为预定范围S以外的值，那么第一标志11(图1)有预定的最小总面积，并有具有光栅参数的对称或非对称的凹凸结构，该光栅参数由衍射面100的光检测器5、6确定。如果相对差分RD是负的并在预定的范围N内，那么凹凸结构是非对称的，在该情况下，右侧的光检测器6比左侧的光检测器5受到更强烈的照射。如果相对差分RD为正值并在预定的范围P内，那么凹凸结构也是非对称的，但有大于180°的方位角’＝+180°。在这种情况下，左侧的光检测器5上光亮度的水平大于右侧的光检测器6上光亮度的水平。相反，如果相对差分RD在范围N和P的值之间，就是说它实际上等于零，并且如果和信号X+Y在预定范围S以外，那么按几乎相等的强度照射两个光检测器5和6，如在对称凹凸结构下光衍射的情况那样。
相反，如果和信号X+Y未达到预定范围S的下限值U，那么两个光检测器5和6仅接收低水平的光亮度。具有由衍射面100的光检测器5、6预定的光栅参数的光衍射凹凸结构未达到预定的最小总面积。代替该凹凸结构，例如可以使用粗糙结构、其垂直面按与光束10平行的关系取向的平面镜表面、有其它光栅参数的凹凸结构、按印刷方式施加的油墨等，或象在安全元件4(图1)内的光标志11那样，在叠层的反射层中的透明窗口。这样获得的“非预定的凹凸结构”还要在评价单元17中再进行处理。
相反，如果和信号X+Y超过下限值U并且和信号X+Y仍在预定的范围S之外或相对差分RD的值大于上限值L，那么评价单元17忽略信号X、Y和在一个或两个光检测器5和6接收过高水平的光亮度时中断评价，如同因适当倾斜镜表面可能产生眩光现象那样。如果RD值极大地偏离零值和没有在范围N和P中，那么也中断进一步的评价。
因此，可以用单一衍射面100和单对光检测器识别的光标志11的数为四；对称的凹凸结构、两个非对称的凹凸结构和没有预定的凹凸结构。把衍射面100的输出信号X和Y的处理结果编码为序号C1，例如，C1＝0表示没有预定的凹凸结构，C1＝1表示对称的凹凸结构，而C1＝2和C1＝3分别表示两个非对称凹凸结构中之一。
衍射面100在点13(图1)和点14(图1)上可以有第二对光检测器，可以与光标志11的四个图形类型之间的其它对光检测器无关地进行区分。两对光检测器的预定凹凸结构仅在衍射角上不同。
按与衍射面100相同的术语说明的多个衍射面100、101、102、103等的组合同时允许光标志11有被检测的Q不同的光栅参数。该组合同时有Q对光检测器。这些衍射面100、101、102、103等与光轴7相交并具有10°和90°之间的相交角，就是说，可以被同时发觉的光标志11至少在方位角上不同。因此，信号被同步检测和评价。这些信号根据序号C1、C2、C3、C4等提供可同步机器识别的信息的有效依据。数据处理单元21评价光标志11的识别结果，对于各Q对的光检测器来说，该结果由与成对q的光检测器相关的序号Cq来完成，因此产生特征序号：
Z＝CQ·4Q-1+…+Cq·4q-1+…+C3·42+C2·41+C1·40＝∑Cq·4q-1其中q＝1至Q
把允许特定使用的值的特征数Z的值KS作为基准值存储在数据处理单元21的存储器22中，此外，象允许范围S、P和N的值及极限值U和L也被存储。如果特征数Z包括大量的KS值，那么特征数Z对数据处理单元21来说是已知的信息的允许项，或是安全元件4的编码(图1)。因此，利用Q＝4，可以区分256个组合或安全元件5。数据处理单元21以适当的形式传送该识别的结果，例如利用电通路23对例如光学显示、分类或计数机器等进行安全元件4编码的识别或非识别。
非对称衍射结构有给定的相对差分RD，按照其图形形状，例如在第一图形情况下，相对差分RD的值可以在0.3＜RD＜0.6的第一范围内，而在第二图形情况下，它可以在0.7＜RD＜0.8的第二范围内，其中，为了表示两个范围，这里的限制仅作为实例，而未相互重叠。在这种情况下，RD值可以分别从N1或N2、P1或P2的值中产生。这些非对称凹凸结构不仅在RD值的符号项上而且在绝对值|RD|上都不同。因此，序号C值的范围取决于非对称凹凸结构的数量M，该数量确实可以用绝对值|RD|来区分，其中，C∈{0，1，…，(2·M+1)}。因此，在M＝2的上述实例中，可以区分6个可能的结构。如果K结构可以被区分和如果组件有Q对光检测器，那么由和来计算特征数：
Z＝∑Cq·Kq+1，对所有值q＝1至Q求和。
在图3中，如果光源1发射具有周期性波动波长λ的辐射光，那么与上述瑞士专利说明书No 653162中披露的情况一样，衍射角α的值(图1)因此变更。例如，如果辐射光从绿光(λ≈535nm)改变为红光(λ≈656nm)，那么衍射角α的值增加，在第二光检测器6’的位置上接收衍射光16’，代替象光16那样照射在光检测器6上，该位置比光检测器6更远离光轴7，就是说间隔R’大于间隔R(图1)。为了清楚起见，图3来表示相对于光轴7对称的衍射。相同的情况提供给光检测器5、5’并产生按衍射角-α反射的光15(图1)。评价单元17(图1)首先确定用波长λ1的光照射的安全元件4的特征数Z1，然后确定具有波长λ2的光的特征数Z2。对于安全元件4的正向识别来说，在两个连续测量过程中，相应的特征数Z必须源于大量的KS值中，该特征数与所用的波长λ1、λ2的光有关。
以打开条件下书24的形式表示文件3(图1)，例如，这是安全元件4固定于书中某一页上的护照本24。装订的结果，护照本24的页面弯曲，该页面弯曲朝向装订增加，并且因安全元件4的厚度薄，因而该安全元件4随之弯曲。作为安全元件4表面局部改变曲率的结果，光束10的射线按偏离垂直面的角度入射在标志11上(图1)。图3表示两个相同的标志11的光路，由于入射角不同，所以其衍射光束不再平行而是发散。因此，衍射光15和16及16’分别不再按单点13(图1)合成，但按相对于光轴7的不同间隔r(图1)轰击在聚焦面8’上。同样的条件出现在起皱或有皱纹的纸载体的情况下，例如在使用的纸币、例如担保或证券等有价票据的情况下。在这种情况下，安全元件4局部跟随纸的表面，仅在对应的衍射面100之外衍射光16、16’被局部地反射。为了分别可靠地检测在按那种方式倾斜的标记11上衍射的光15或16或16’，光检测器5、5’、6、6’的有效表面12(图1)、12’(图1)有利地具有在径向和角度方向两方面的预定范围。如果安全元件4或衬底3、24相对于衍射面100、101、102、103等的方位弱定向，那么预定的角度限度实际上也能允许读出标志11。由于光检测器5、6、6’的有效表面12、12’是预定的并且其尺寸和形状是不可变的，所以在光检测器5、6、6’的有效表面12、12’的前面配置的光学装置26、26’(棱镜、透镜、滤色镜、全息图、衍射光栅等)可以有助于将衍射的光15、16、16’衍射成预定的立体角，并把它引入有效表面12、12’。这些预定的立体角在聚焦面8’上限定光检测器5、6、6’的接收表面。尺寸和形状(圆形环部分、圆形、扇形面、长方形等)要适于使用目的。为了简化起见，图4以圆形A至D、A’至D’和a至d、a’至d’的形式表示这些接收表面。
平的透明板，例如有平行表面的玻璃板在图3中形成具有远离会聚元件2的表面的读出面25。玻璃板基本上允许被测试文件3的平面支撑和有助于安全元件4保持平稳，从而提供在接收表面上衍射光的更好的聚焦。该玻璃板还防止具有光学部件装置的内部空间不受灰尘。手指印(fingerprints)等的影响。如果装置被倒过来配置和光源1从下面照射位于玻璃板上并按这种方式平稳的安全元件4，那么这是特别重要的。应该再次指出，光轴7不必垂直于读出面25。
图4表示具有与光轴7相交的四个衍射面100、101、102和103的装置实施例的聚焦面8’。在图4中，光轴7垂直于图面，用无形的衍射面与聚焦面8’的相交线表示无形衍射面100、101、102和103，而成对光检测器的接收面A、A’、B、B’、C、C’、D、D’被表示为圆形表面。这些圆形表面表示这样的区域，如果安全元件4进入光束10中，径向间隔R1和R2有由空间频率或衍射角和光束10的波长λ确定的值，那么在该区域中期望来自安全元件4(图1)的标志11(图1)的衍射光15(图1)、16(图2)，该安全元件有光衍射效应，该安全元件分别沿方位角和+180°的相应方向取向。
表1利用实例表示用红光(λ＝670nm)进行读出的图4所示装置的一组参数。光检测器用其接收表面A、A’、B、B’、C、C’、D和D’来识别。在衍射面100和101之间，成对的光检测器A-A’、B-B’包括相同间隔R1＝9.9mm、相交角β＝90°，而分别在下一个衍射面100和102、103和101之间，成对光检测器A、A’和B、B’分别有间隔R1＝9.9mm，相交角γ＝30°，成对的光检测器C、C’和D、D’分别有间隔R2＝16.6mm，相交角γ＝30°。因此，就衍射面102和103来说，包括α-2γ＝30°的中间角。正常聚焦长度为25mm的Spindler&Hoyer的消色差透镜No322284被配置作为会聚元件2(图3)。由于该消色差透镜的相当小的孔，所以在读出面25(图3)和会聚元件2(图3)之间的间隔约为3mm。
                              表1：
   衍射面(参考号)   光检测器     间隔R(mm)    空间频率(行/mm)    方位角[°]
    100     AA’     R1＝9.9R1＝9.9     638638     135315
    101     BB’     R1＝9.9R1＝9.9     638638     45225
    102     CC’     R2＝16.6R2＝16.6     986986     105285
    103     DD’     R2＝16.6R2＝16.6     986986     75255
在图5的实施例中，光源1，除了波长λ1光的光束源27外，还有产生更大波长λ2的平行光束29的激光二极管28。光束耦合器30(例如，双棱镜、半透明镜等)反射平行于光束源27的辐射光31的光束29。由透镜32聚焦光束29和辐射光31，象出射光孔33那样的该聚焦被设置在聚焦面8’上，并形成光束锥9的顶部。例如，在用两个波长λ1和λ2(成单色)中之一或同时用多色的两个波长λ1和λ2交替地顺序测量操作下，由光源1照射光标志11(图1)。如果照射标志11的波长λ从λ1改变为更大的波长λ2，那么衍射角的值较大，衍射光16(图3)在图4中移位ΔR，从成对的光检测器A-A’、B-B’、C-C’和D-D’的接收面作为衍射光16’(图3)移到成对的光检测器a-a’、b-b’、c-c’和d-d’的用虚线限界的接收面。由八对光检测器(Q＝8)的每个的输出信号X和Y来确定特征数Z1和Z2，其中，根据波长λ1下的照射来计算特征数Z1，而依据波长λ2下的照射来计算特征数Z2。在安全元件4(图3)的多色照射情况下，可以期待衍射光出现在两对光检测器的接收面上，例如，分别相对于相同的衍射面100、101、102和103，为A-A’、a-a’等。在这种情况下，仅有Q＝8的单个特征数Z是确定的。在某些情况下，单个特征数有利于对光学装置26(图3)、26’(图3)分别提供波长λ1和λ2的带通滤波器。波长λ1和λ2值的范围是电磁波的可见和红外光谱。激光二极管28产生例如波长λ的单色光，与该激光二极管28的类型有关的该单色光在λ＝430nm(蓝色)至λ≤1070nm的红外光范围内。红外光例如穿过在叠层上着黑色的覆盖层，从而在视觉上不可见的被嵌入的光标志11的凹凸结构被光学扫描，并读出信息。
瑞士专利2172/96(WO 98/10324)披露了具有依赖于入射光偏振面的非对称性的衍射光栅，当该衍射光栅中行的间隔d小于光源1(图5)发射的光波长λ的三倍时，该衍射光栅特别明显。这种衍射光栅有利于使用在防伪造品方面必须满足特别高要求的光标志11。该光标志11有作为附加安全特征的在光偏振下与衍射光强度的明显相关性。如果在光检测器5、5’、6、6’的有效表面12、12’前面配置的图3所示的光学装置26、26’包括适当取向的偏振滤光片，那么对于存在附加安全特征的情况，用相同的成对光检测器A-A’、B-B’、C-C’和D-D’可以检测光标志11。
具有在成对光检测器A-A’、B-B’、C-C’和D-D’的至少其中一个的前面配置适当取向偏振滤光片装置的优点在于，该装置根据基于其偏振特征的立体全息图(H.J.Caulfield：“Handbook of Optical Holography”，pages202ff，Academic Press，Inc.，1979，ISBN 0-12-165350-1)，可以识别安全特征的伪制品。偏振滤光片的取向和安装有偏振滤光片成对光检测器的选择取决于用在光标志11中的偏振衍射光栅的参数。
例如，在光检测器5、5’前面的偏振滤光片相对于光检测器6、6’前面的偏振滤光片可以转动90°来配置。
光源1的另一实施例有图5所示的图示结构，被设计用来用线性偏振光照射光标志11。偏振源34或35分别包括激光二极管24和光束耦合器30。光束源27被设计用于发射在图5所示的面上线性偏振的辐射光31，而在光束分离器30中反射后光束29中的光平行于辐射光31取向，并按与辐射光31的正交关系线性地偏振。光束10(图1)中偏振面的方向取决于光的起始点。在第一测量操作中，当光束源27被接通时，光束10中的偏振面与辐射光31相同。在随后的测量操作中，光束29完全提供光标志11的照射，以致在光束10中光的偏振面相对于第一测量方式的偏振面转动90°。由两个顺序测量操作确定对应偏振方向的各特征数Z。安全元件4的正向识别需要由一系列KS值产生的特征数Z，该KS值由对应的偏振方向来确定。由于相同波长λ在两种情况下使用，所以对于识别偏振的影响来说，不需要附加的成对光检测器。
代替光束源27，光源1可以包括移动达90°的第二线性偏振源35。两个光束耦合器30按平行于透镜32的光轴关系使源34、35的两个光束29定向。
因此，代替辐射光源27、28的接通和关闭，机械或电磁的光快门在光束耦合器30的各光束通路上游可以阻断不需要的光。更复杂和昂贵的光源1的结构(图1)可根据波长λ、并也相对于偏振和其方向改变两个光的品质。多个衍射面100、101、102、103等设有成对光检测器，光源1的结构取决于被识别的安全特征4(图1)的大小。
与识别光标志11的所有装置一样，这里说明的装置对外部光也很敏感。图6表示抑制外部光的良好装置，该装置不采用紧急(impeding)屏蔽装置。光源1设有用数字或模拟调制信号调制频率f的光束10的光亮度的调制器36。在光标志11上衍射的光15、16(图3)、16’(图3)也用频率f调制，并且与自然的或人造的杂散光一起，在其光电转换器37的有效表面12、12’(图3)上由光检测器5、5’、6、6’分别接收，并转换成电信号。各光检测器5、5’、6、6’等还包括与转换器37的输出连接的高通滤波器38、与接收调制信号的调制器36连接的解调器39和低通滤波器40。转换器37的电信号首先通过配有滤除杂散光的部件且其下限频率为fu的高通滤波器38。通过高通滤波器38后的保留信号进入消除调制信号的解调器39。在解调器39输出端的低通滤波器40有上限频率为fo，并平滑由衍射光15、16、16’产生的有用信号，把该信号作为光检测器5、5’、6、6’各自的输出信号S1和S2分别输出。在具体化的实例中，在频率f＝18.4kHz情况下，下限频率fu被选择为2.7kHz，而上限频率fo被选择为1.0kHz。
不管光源1是否被调制，光源1的辐射光都可以例如周期性地接通或关闭。评价单元17利用电源线20把对应的信号传送至用于控制来自光源1的光通量的调制器36，测量周期至少包括测量相位和还原相位。象闪烁光的情况一样，测量相位的接通周期可以很短，从而在读出面25中被迅速传送的例如在纸币或信用文件之类的文件3上的安全特征4(图3)实际上可以静止地被读出和识别。测量周期的接通周期可以利用光电池组件例如由文件3来触发。
光束10在文件纸3、24(图24)的粗糙表面上产生漫射光。该杂散光的这种成分包括幅度水平为有用信号强度的某个百分率的强度水平，并且不能利用上述装置来消除。因此，在图2所示的处理之前，评价单元17优先检测分别由光检测器5、6、6’提供的输出信号S1和S2，以确定是否超过极限值G。该极限值G相应于由杂散光产生的信号电平，该杂散光由光束11照射纸表面而产生。仅由杂散光产生的输出信号S1、S2在极限值G以下，并在输入评价单元17时被鉴别器41抑制，电弧不进行另外的处理。
在图7中，半透明镜42按这样的方式配置在光束锥9中，即会聚元件2(用双箭头表示)的光轴7(图1)被转过例如90°，并形成第二光轴43。被衍射成其衍射级为0和±1的光44、15(图1)、16(图1)在聚焦条件下不再成象在聚焦面8’上，但形成光图形的图象，作为与第二光轴43垂直的聚焦面45上安全元件4的原始图象。如果光检测器面46必须根据光轴7另外配置，那么图象系统47就被插入第二光轴43上的聚焦面45和光检测器面46之间。图象系统47的两个聚焦点是两个平面45和46。在辐射光基本上垂直入射的情况下，光源1用光束10照射文件3和安全元件4。按0衍射级衍射的光和由文件3反射的光44在第二光轴43上合成的点上通过聚焦面45，仍然在第二光轴43的通过点48的光检测器面46上，利用图象系统47形成其图象。按第一衍射级衍射的光15、16相对于具有对应极坐标r、和r、+180°的通过点48通过光检测器面46。如果文件3围绕平行于光束10的旋转轴转过角度
Figure C9880741800181
，那么光检测器面46上的光图形也围绕点48转动，就是说，所有极坐标变为r、 和r、
Figure C9880741800183
代替分散的光检测器5、5’、6、6’，在光检测器面46中可以使用光检测器阵列或例如由Camcorders披露的电荷耦合器件。与电荷耦合器件相比，光检测器阵列可利用评价单元17被更快地读出。本发明构思不依赖于检测器类型的属性，光检测器阵列和电荷耦合器件两者在以下被称为CCD 49。代替单个CCD 49，在图5中，围绕出射光孔33或围绕光轴7可以配置两个或多个CCD 49(图1)。
下面参照图4说明CCD 49用于阅读装置的优点。CCD 49包括在小于1cm2的面积上有带有光敏转换器37(图6)的超过500000个检测单元50的光检测器方块(square)。在表1的实例中，638行/mm的空间频率与间隔R1有关，而986行/mm的空间频率确定间隔R2。因此，尽管安全元件4可能变皱或揉皱，但仍可迅速识别来自光标志11的光，根据用于安全元件4(图1)的其它衍射元件的空间频率，设置例如±50行/mm的安全间隔。根据标志11(图3)使用的空间频率不用于安全元件4的其它衍射元件中，从而由具有平均半径R1和R2的两个圆环K1、K2(以圆形环的两个阴影部分的形式表示)中的检测单元50接收的光显然来自于标志11。
形成图4所示图中的光图形，例如分别来自于两个圆环K1、K2中的圆形表面A至D或A’至D’和通过点48处的点51被照射形成的光图形。如果安全元件4的方位改变，那么圆A至D或A’至D’按预定方式以固定图形在围绕点48的两个圆环K1、K2上移动。当安全元件4倾斜时，点51移动，而光图形变形。利用数学反变换方法，可以有消除其变形的光图形，并可以与允许的基准图形进行比较或与允许的基准图形相关。与CCD 49连接的评价单元17首先确定检测器单元50的精确极坐标r、和r、+180°，该检测器单元50在圆A至D或A’至D’中被照射，产生存储器22中光图形的图象(图2)，并把该图象与存储于存储器22中的预定基准图形进行比较。基准图形至少包括三对衍射光亮度的聚集点，期望该衍射光在两个圆环K1、K2内的光轴7、43的两侧。来自未位于两个圆环K1、K2上的检测器50的所有信号不是从标志11产生的，因而被抑制。由于CCD49的高分辨能力，分别被照射的圆形A至D或A’至D’的一个输出信号X和Y分别由多个相邻检测器单元50的信号组成，各信号的坐标从照射的亮度聚集点计算。有圆形坐标(r，)的输出信号X和有圆形坐标(r，+180°)的输出信号Y形成成对的信号X、Y，该信号由包含预定光栅参数的光标志11的衍射光产生。根据有不同光栅参数的光标志11的数量，有这样的成对信号X、Y，该信号可按图2所示的方法来分析。各对信号X、Y分别对应于成对光检测器5、6和5’、6’的两个输出信号S1、S2，并可以被相应地指定，例如A-A’。还有的基准值也存储在存储器22中，这些基准值需要获得成组的所有输出信号S1和S2，例如半径R1和R2，圆环K1、K2的宽度，被识别的基准图形等。为了连续地读出标志11，标志11必须仅在光束10中；方位取向、距读出面25的间隔(图3)和文件3的横向位移(图7)没有影响，同时可以校正文件3的大致倾斜。
图8表示具有照射轴52的阅读装置，该阅读装置相对于读出面25(图3)的垂直面54倾斜角度δ(最好0°≤δ≤45°)。这种配置的优点在于具有紧凑结构。来自光源1的光呈扇形状散开，形成光束锥9，并利用光输入元件53(透镜、凹面镜、全息图、衍射光栅等)的装置转换成平行光束10。反射和衍射光44和15，16由会聚元件2传送到聚焦面45上，光入射到在该聚焦面上的光检测器5、5’、6、6’上或CCD 49上(图7)。会聚元件2的光轴7相对于垂直面54呈角度Φ，其中，例如δ＝Φ，而照射轴52可以在与光轴7和垂直面54相同的平面上。由于在读出面(25)上照射轴和光轴相交(图3)，因而照射轴52和光轴7本身在安全元件2上半个空间中可以包括任何方向。而且，角度δ、Φ不必相同(δ≠Φ)。角度δ、Φ的选择基本上没有限制，但必须与要识别的光标志11(图6)的光栅参数和光源1的波长λ相匹配。在图8所示的配置中不再提供配有衍射面100(图1)等的上述简单衍射条件。按预定光栅衍射光束10的光的方向一般不再处于衍射面上，但在锥形表面上，就是说聚焦面45上的光图形相对于光的垂直入射变形。根据由R.Petit，Springer-Verlag，Berlin，1980编辑的“Electromagnetic Theory ofGratings”中有关“锥形衍射”的信息，该图形可以由角度δ来计算，并作为基准图形存储在存储器22中(图2)。通过光图形图象与基准图形的比较，以及通过来自检测器50的信号(图4)与相对于各种光标志11的成对信号X、Y和如上所述的所有成对信号X、Y的进一步处理的成对相关，再次产生来自CCD 49检测单元50的信号评价。
在上述实例中仅说明了衍射级0、±1。在不脱离本发明构思的情况下，在分析上还可以包括其它衍射级，例如±2衍射级或第一和第二衍射级。

Claims (18)

1.一种安全元件(4)的光衍射标志(11)的同步机器识别装置，其中在衬底(3；24)上的该安全元件(4)设置于读出面(25)中，所述装置包括：光源(1)，用于把至少预定波长λ的光(10)照射在读出面(25)上；至少三对光检测器(A-A’；a-a’，B-B’；b-b’，C-C’；c-c’，D-D’；d-d’)，所述三对光检测器的每对包括两个相对光轴(7)对称设置的光检测器(5；5’；6；6’)，这两个光检测器(5；5’；6；6’)建立衍射面(100；101；102；103)并适于将在标志(11)衍射的或在衬底(3；24)反射的辐射光(15；16；16’)分别转换成来自光检测器(5；5’；6；6’)的成对电信号S1、S2；和评价单元(17)，用于信号S1、S2的评价，
其特征在于：
光源(1)的出射光孔(33)处于远离读出面(25)并具有大孔径的会聚元件(2和53)的聚焦面(8’)上，该会聚元件配置在光源(1)和读出面(25)之间，用于从出射光孔(33)射出的光束锥(9)中产生照射读出面(25)的平行射线光束(10)，
会聚元件(2)在标志(11)和光检测器(5；5’；6；6’)之间，该会聚元件适于将在标志(11)上衍射和在衬底(3；24)上反射的平行辐射光(15；16；16’)分别聚焦在光检测器(5；6和5’，6’)的工作面(12；12’)上，该工作面设置在会聚元件(2)的聚焦面(8’和45及46)上，
光检测器(5；6和5’，6’)适于和产生分别与入射到工作面(12；12’)上的衍射光(15和16)的亮度成比例的电信号S1和S2，和
评价单元(17)适于从各对电信号S1、S2中形成输出信号X、Y，并从各对光检测器(A-A’；a-a’，B-B’；b-b’，C-C’；c-c’，D-D’；d-d’)的输出信号X、Y中至少计算相对差分RD＝(X-Y)∶(X+Y)，并利用计算出的相对差分RD识别安全元件(4)。
2.如权利要求1的装置，其特征在于，以相对于会聚元件(2)的光轴(7和43)对称的第一间隔R1设置至少两对光检测器(A-A’，B-B’)，其衍射面(100；101)在光轴(7和43)上按交角β相交，以相对于会聚元件(2)的光轴(7和43)对称的第二间隔R2设置另外两对光检测器(C-C’，D-D’)，其光学面(102；103)在光轴(7和43)上按交角β-2γ相交，四个衍射面(100；101；102；103)有平分角β和角β-2γ并且还包含光轴(7和43)的公共面。
3.如权利要求1的装置，其特征在于，在光会聚元件(2)和各光检测器(5；5’；6；6’)的有效表面(12；12’)之间配置光学元件(26；26’)，把衍射光(15；16；16’；44)聚焦在有效表面(12；12’)上和/或选择预定接收的光的颜色、尺寸、形状、偏振、强度。
4.如权利要求1的装置，其特征在于，评价单元(17)适于控制和监视由光源(1)发射的光的亮度和品质。
5.如权利要求4的装置，其特征在于，光源(1)适于发射具有两个平均波长λ1和λ2的多色光。
6.如权利要求4的装置，其特征在于，光源(1)适于在由光源(1)发射的光的波长λ的预定值λ1、λ2之间进行转换。
7.如权利要求4的装置，其特征在于，光束(10)中的光是线性偏振的，光源(1)适于在由光源(1)发射的光的偏振的两个主要正交方向之间周期性地进行转换。
8.如权利要求4的装置，其特征在于，光源(1)包括调制器(35)，用于控制来自频率为f的光源(1)的光通量强度。
9.如权利要求1的装置，其特征在于，评价单元(17)还包括：
a)具有所有基准值存储器(22)的数据处理单元(21)，
b)根据所有成对输出信号X和Y形成和信号X+Y的装置，
c)测试装置，比较所有和信号X+Y与存储于存储器(22)中的第一预定范围S的数组值和下限值U，和比较所有相对差分RD与存储在存储器(22)中的上限值L以及预定范围N和P
d)用于形成所有测试装置结果Z的单元，该单元表示安全元件(4)，和
e)通过比较显示结果Z与存储器(22)中的其它基准值KS，识别安全元件(4)的单元。
10.一种安全元件(4)的光衍射标志(11)的同步机器识别装置，其中在衬底(3；24)上的该安全元件(4)设置于读出面(25)中，所述装置包括：光源(1)，用于把至少预定波长λ的光(10)照射在读出面(25)上；光检测器(5；5’；6；6’；50)，将在标志(11)上衍射和在衬底(3；24)上反射的辐射光(15；16；16’)分别转换成与反射的辐射光(15；16；16’)的亮度成比例的电信号S1、S2；和评价单元(17)，用于信号S1、S2的评价，
其特征在于：
光源(1)的出射光孔(33)设置在远离读出面(25)具有大孔径的会聚元件(2和53)的聚焦面(8’)上，该会聚元件配置在光源(1)和读出面(25)之间，用于从出射光孔(33)产生的光束锥(9)中产生照射读出面(25)的平行射线光束(10)，
会聚元件(2)在标志(11)和光检测器(5；5’；6；6’；50)之间，该会聚元件适于将在标志(11)上衍射和在衬底(3；24)上反射的平行辐射光(15；16；16’)分别聚焦在光检测器(5；6；5’，6’；50)的工作表面(12；12’)上，该工作表面配置在会聚元件(2)的聚焦面(8’和45及46)上，
评价单元(17)适于读出光检测器(5；6；5’，6’；50)的电信号S1、S2和识别因照射光标志(11)而在聚焦面(8’和45及46)上产生的光图形，其中评价单元(17)利用至少三对相对于会聚元件(2)的光轴(7和43)对称的亮度聚集点，将由光检测器(5；6；5’，6’；50)寄存的光图形与存储于存储器(22)中的标准图形进行比较；使相应的光检测器(5；6；5’，6’；50)的成对输出信号X和Y与成对的基准图形中的亮度聚集点相关联，其中输出信号x和y与相应于在被衍射的辐射光(15；16；16’)的光图形中的亮度聚集点的信号S1，S2一致，和利用有预定光栅参数的一个光标志11产生各对输出信号X和Y；并且由各对(A-A’；a-a’，B-B’；b-b’，C-C’；c-c’，D-D’；d-d’)信号的输出信号X、Y计算相对差分RD＝(X-Y)∶(X+Y)；并且评价单元(17)适于利用计算出的相对差分RD识别安全元件(4)。
11.如权利要求10的装置，其特征在于，光源(1)的出射光孔(33)配置在照射轴(52)上光输入元件(53)的聚焦面上，照射轴(52)和平行射线光束(10)相对于与读出面(25)垂直的垂直面(54)倾斜角度-δ，会聚元件(2)的光轴(7和43)包括与垂直面(54)的夹角+Φ，衍射轴(52)、垂直面(54)和光轴(7和43)处于一个平面，而且利用会聚元件(2)，可将衍射和反射的辐射光(15，16，16’44)聚焦在光检测器面(8’；45；46)上。
12.如权利要求10的装置，其特征在于，光检测器(5；5’；6；6’；50)是至少一个CCD单元(49)的检测器，该检测器与评价单元(17)连接，并相对于光轴(7和43)对称地配置。
13.如权利要求10的装置，其特征在于，评价单元(17)适于控制和监视由光源(1)发射的光的亮度和品质。
14.如权利要求13的装置，其特征在于，光源(1)适于发射具有两个平均波长λ1和λ2的多色光。
15.如权利要求13的装置，其特征在于，光源(1)适于在由光源(1)发射的光的波长λ的预定值λ1、λ2之间进行转换。
16.如权利要求13的装置，其特征在于，光束(10)中的光是线性偏振的，光源(1)适于在由光源(1)发射的光的偏振的两个主要正交方向之间周期性地进行转换。
17.如权利要求13的装置，其特征在于，光源(1)包括调制器(35)，用于控制来自频率为f的光源(1)的光通量强度。
18.如权利要求10的装置，其特征在于，评价单元(17)还包括：
a)具有所有基准值存储器(22)的数据处理单元(21)，
b)根据所有成对输出信号X和Y形成和信号X+Y的装置，
c)测试装置，比较所有和信号X+Y与存储于存储器(22)中的第一预定范围S的数组值和下限值U，并比较所有相对差分RD与存储在存储器(22)中的上限值L以及预定允许范围N和P的值，
d)形成所有测试装置的结果的单元，该结果表示安全元件(4)，和
e)通过比较显示结果与存储器(22)中的其它基准值，识别安全元件(4)的单元。
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