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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitskennzeichnung für Gegenstände,
die als Fälschungsschutz und individualisiertes Identifikationsmerkmal dient
und ein Verfahren zur Detektion der Sicherheitskennzeichnung sowie
eine dazu geeignete Vorrichtung.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Identifikation
von Einzelgegenständen auf der Basis individueller Zufallsstrukturen
bekannt (siehe u. a.
US 3,859,508 ;
US 4,218,674 ;
US 4,568,936 ;
US 4,820,912 ;
US 5,354,097 ).
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Diese
Verfahren sind als Unikate, Zufallsstrukturen („random
structures”) oder Signaturen („signatures”)
in der Literatur beschrieben und insbesondere für den Fälschungsschutz
und den Nachweis von Originalprodukten vorgesehen. Diesen Verfahren
liegt das Prinzip zu Grunde, Gegenstände individuell identifizierbar
zu machen, indem im oder am Gegenstand befindliche Zufallsstrukturen,
anhand derer sich jeder Gegenstand von anderen (insbesondere auch
von Gegenständen, die ansonsten nahezu identisch erscheinen)
unterscheidet, z. B. die mikroskopische Verteilung von Papierfasern
in einem Blatt Papier, aufgenommen, gegebenenfalls zu einem eindeutigen
Code verrechnet und in einer Datenbank gespeichert werden. Diese
Zufallsstrukturen stellen gewissermaßen den „Fingerabdruck” des
jeweiligen Gegenstandes dar, anhand dessen er nachträglich immer
wieder identifiziert werden kann. In der einschlägigen
Literatur relativ beliebt ist die Idee, die zufällige Anordnung
von Papierfasern im Papier an einer definierten Position zu nutzen,
um z. B. Dokumente und Verpackungen individuell zu identifizieren.
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Die
Anmeldungen
DE-A 103
04 805 und
WO 2004/070667 beschreiben
ein Verfahren zur Identifikation von Gegenständen auf der
Basis zufallsverteilter Mikropartikel.
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Zur
Identifikation durch Bildverarbeitung sind besonders diejenigen
Teilchen gut geeignet, die sich besonders deutlich vom Hintergrund,
der Oberfläche des jeweiligen Gegenstandes, abheben und
damit ein gutes Signal/Hintergrund-Verhältnis aufweisen. Gleichzeitig
sind jedoch gerade die Teilchen mit einem guten Kontrast zum Hintergrund
makroskopisch sichtbar, was aus Sicherheitsgründen (die
Kennzeichnung soll gar nicht erst wahrnehmbar sein) oder aus ästhetischen
Gründen (z. B. im Falle von Störungen des Dekors
von Verpackungen) unerwünscht ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Sicherheitskennzeichnung
und ein Verfahren zu deren Detektion bereitzustellen, die diese
Nachteile vermeiden.
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Es
wurde gefunden, dass dies erreicht werden kann durch die Kombination
von
- a) Teilchen, die makroskopisch sichtbare
optische Störungen minimieren, da sie sich von dem jeweiligen
Hintergrund kaum abheben, und
- b) eines Sensors, der auch Teilchen detektieren kann, die sich
kaum von dem jeweiligen Hintergrund abheben.
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Gegenstand
der Erfindung ist daher eine Sicherheitskennzeichnung für
Gegenstände, umfassend an oder auf der Oberfläche
des Gegenstands fixierte, zufällig verteilte Teilchen,
die Licht reflektieren, bevorzugt teil-reflektieren, besonders bevorzugt
winkelabhängig reflektieren, die Phase des Lichtes oder die
Polarisation des Lichtes verändern oder die spektrale Zusammensetzung
des Lichts verändern ohne den Bildeindruck für
das unbewaffnete Auge zu verändern.
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Gegenstand
der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Identifizierung von
Gegenständen, bei dem ein nach dem Prinzip eines Auflicht-Mikroskops, bevorzugt
eines Dunkelfeld-, Polarisations-, Interferenzkontrast-Mikroskops,
Phasenkontrast-Mikroskops oder nach dem Spektrogramm Prinzip arbeitender
Sensor zur Detektion der erfindungsgemäßen Sicherheitskennzeichnung
eingesetzt wird.
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Mit
einem Spektrogrammsensor ist hier eine Bildsensor gemeint, der in
seinem Strahlengang ein spektral dispergierendes Element wie ein
Prisma oder ein Beugungsgitter enthält. Die einzelnen Bildpunkte
werden dann von dem dispergierendem Element zu einer Linie mit den
darin enthaltenen Spektralfarben auseinandergezogen. Das Verfahren
eignet sich insbesondere zur Aufzeichnung von punktförmigen
Mustern, die dann als eine Verteilung von Linien mit unterschiedlichen
spektralen Verteilungen erscheinen. Dünne Partikel oder
Partikel, die mit dünnen Schichten belegt sind verändern
je nach Einstrahlrichtung die Reflektivität oder Transmissivität des
Partikels durch Interferenz zwischen den Schichten. Dadurch wird
das Spektrum periodisch moduliert. Wenn bspw. das Grüne
gut reflektiert würde, dann würden die benachbarten
Farben durch Interferenz schlechter reflektiert werden. Diese Modulation kann
im Spektrum detektiert werden, verändert jedoch nicht das
Erscheinungsbild für das unbewaffnete Auge, da aus jedem
Spektralbereich genügend Licht bleibt um den Eindruck des
Hintergrundes nicht zu verändern.
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Es
wurde gefunden, dass folgende Eigenschaften für erfindungsgemäß einsetzbare
Teilchen besonders vorteilhaft sind:
- – Brechungsindex
möglichst stark abweichend von 1
- – Fähigkeit zur Doppelbrechung
- – Transparenz (Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich > 1%, bevorzugt > 10%, besonders bevorzugt > 30%)
- – Fähigkeit zu winkelabhängiger Reflexion
- – Charakteristische spektrale Reflektivtät
durch Interferenzeffekte
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Erfindungsgemäß verwendbare
Teilchen lassen sich wie folgt herstellen:
Durch Auswahl eines
Trägermaterials. Dazu geeignet sind Mikroteilchen aus farblosem,
weißem und bevorzugt transparentem Material, beispielsweise (ohne
Einschränkung darauf) auf Basis organischer Verbindungen,
z. B. Polycarbonat oder PMMA (Polymethylmethacrylat); auf Basis
von Glas (z. B. Borosilikat); auf Basis von Aluminiumoxid; auf Basis
anorganischer Kristalle (z. B. Quarz und Mineralvarietäten
des Quarzes, Glimmer, Silikat, Silikatverbindungen, Schichtsilikate,
Calcit-Familie, Aragonit, Fluorit usw.).
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Bevorzugt
haben die Trägerteilchen eine plättchenförmige
Geometrie, besonders bevorzugt mit einer Schichtstärke
von 0,1 bis 10 μm. Ganz besonders bevorzugte Trägerteilchen
weisen eine Schichtstärke von 0,5 bis 7 μm und
eine Ausdehnung von 1 bis 1000 μm, bevorzugt von 5 bis
500 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 250 μm auf.
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Um
den gewünschten Effekt zu beeinflussen, bevorzugt zur Veränderung
der Reflexionseigenschaften, kann es sinnvoll sein, die Teilchen
zu beschichten, mit mindestens einer Schicht, die ausgewählt
ist aus einem Dielektrikum, einem Metall oder einer Metallverbindungen
(z. B. Titandioxid, Zinnoxid, Silber), optisch aktiven Molekülen
(z. B. Zucker) oder einer Kombination daraus, bevorzugt mit einer Schichtstärke
von 0,01 μm bis 2 μm in dem Fachmann bekannter
Weise.
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Alternativ
können Schichten aus den beschriebenen Trägermaterialien
(z. B. aus Glas/Borosilikat) in dem Fachmann bekannter Weise synthetisch
hergestellt, gewünschtenfalls wie beschrieben beschichtet
und zu Mikroteilchen, bevorzugt plättchenförmigen
Mikroteilchen, verarbeitet werden.
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Teilchen,
die für beliebige Hintergründe geeignet sind,
bestehen aus einem der beschriebenen Trägermaterialien,
z. B. aus Glimmer, Glas, Borosilikat, Quarz, Calcit, Vaterit, Magnesit
oder Fluorit. Das jeweilige Trägermaterial kann zur Veränderung
oder Verstärkung der Reflexionseigenschaften wie beschrieben
beschichtet werden.
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Winkelabhängig
reflektierende Teilchen die für beliebige Hintergründe
geeignet sind lassen sich z. B. wie folgt herstellen: Als Trägermaterial
fungiert z. B. Glimmer, Glas (Borosilikat), Aluminiumoxid oder Quarz
das mit 3–35% (Gew.-%) Titandioxid und < 1% (Gew.-%) Zinnoxid in dem Fachmann
bekannter Weise beschichtet wird.
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Teilchen
die insbesondere für weiße und hochweiße
Hintergründe geeignet sind, lassen sich wie folgt herstellen:
Als Trägermaterial fungiert z. B. Calcium-Aluminium-Borosilikat,
das mit 5–30% (Gew.-%) Silber und < 1% (Gew.-%) Zinnoxid in dem Fachmann
bekannter Weise beschichtet wird.
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Die
erfindungsgemäße Sicherheitskennzeichnung kann
in dem Fachmann bekannter Weise auf Gegenstände aller Art
aufgebracht werden. Beispiele sind Gegenstände aus Metall,
Glas, Keramik, Kunststoff oder Holz, die mit der erfindungsgemäßen Sicherheitskennzeichnung
versehen werden können, indem man sie beispielsweise mit
einem Lack (z. B. Klarlack), der die erfindungsgemäßen
Teilchen enthält, beschichtet oder einer Druckfarbe, die
die erfindungsgemäßen Teilchen enthält,
bedruckt. Bei Gegenständen aus Kunststoff können
die erfindungsgemäßen Teilchen auch in die Kunststoffmatrix
oder eine Oberflächenschicht eingebracht werden, beispielsweise
durch (Co-)Extrusion.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Sicherheitskennzeichnung
in dem Fachmann bekannter Weise durch Beschichten mit einem die
erfindungsgemäßen Teilchen enthaltenden Beschichtungsmittel
auf die Oberfläche von Papier oder Pappe aufgebracht. Aus
dem beschichteten Papier oder der Pappe können dann beispielsweise
Verpackungen hergestellt werden. Dabei ist es bevorzugt, die Teilchen
in die Formulierung eines Deckstrichs einzubringen, typischerweise
in einem Trockengewichtsanteil im Bereich von 0,01% bis 20%, besonders
bevorzugt in einem Trockengewichtsanteil im Bereich von 0,05% bis
5% bezogen auf das gesamte Trockengewicht des Strichs. Die Teilchen
können dabei den Pigmentanteil, welcher neben dem Binder,
Füllstoffen und weiteren Additiven typischerweise 50–99
Gew.-% ausmacht, ergänzen. Es ist alternativ möglich,
die Teilchen in einem abschliessenden Beschichtungsvorgang als Formulierung
im wesentlichen bestehend nur aus den Teilchen und einem Bindemittel
auf eine bereits bestehende Deckschicht aufgetragen werden. So wird
die den Träger absichernde Teilchenverteilung in optimaler
Weise nur an der Oberfläche abgelagert. Grundsätzlich
können solche Beschichtungen mit gängigen Streichvorrichtungen
aufgetragen werden, so beispielsweise in einem roll coating, blade
coating, spray coating oder curtain coating. Für die Beschichtung
eines Offset-Papiers geeignet sind dabei Teilchen, die aus einem
der o ben beschriebenen Trägermaterialien, auf Basis organischer
Verbindungen, z. B. Polycarbonat oder PMMA (Polymethylmethacrylat);
auf Basis von Glas (z. B. Borosilikat); auf Basis von Aluminiumoxid; auf
Basis anorganischer Kristalle (z. B. Quarz und Mineralvarietäten
des Quarzes, Glimmer, Silikat, Silikatverbindungen, Schichtsilikate,
Calcit-Familie, Aragonit, Fluorit usw.) bestehen. Ebenfalls geeignet
sind solche Teilchen, die zum Einstellen der spezifischen Reflexioneigenschaften
wie oben beschrieben beschichtet sind. Besonders geeignet sind z.
B. die oben beschriebenen reflektierenden Teilchen die z. B. für
weiße und hochweiße Hintergründe geeignet sind,
und bei welchen als Trägermaterial Calcium-Aluminium-Borosilikat
fungiert, das mit 5–30% (Gew.-%) Silber und < 1% (Gew.-%) Zinnoxid
beschichtet wird. Gleichermaßen geeignet für diese spezifischen
Anwendungen sind die oben beschriebenen winkelabhängig
reflektierenden Teilchen bei welchen als Trägermaterial
z. B. Glimmer, Glas (Borosilikat), Aluminiumoxid oder Quarz fungiert,
das mit 3–35% (Gew.-%) Titandioxid und < 1% (Gew.-%) Zinnoxid beschichtet wird.
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Bei
ungestrichenen Papieren ist es alternativ möglich, die
Teilchen in die Masse einzubringen, das heißt in die Pulpe
ebenfalls im Sinne eines Pigmentanteils vor der eigentlichen Papierherstellung
auf einem Langsieb, Rundsieb oder Steilsieb.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Identifizierung
von Gegenständen, die mit der erfindungsgemäßen
Sicherheitskennzeichnung ausgestattet sind, umfasst einen Sensor
zur Detektion dieser Teilchen, der eine Beleuchtungseinheit, mindestens
einen Filter, bevorzugt einen Polarisationsfilter, ein Objektiv,
eine Digitalisierungseinheit (z. B. CMOS oder CCD-Chip), sowie Software
aufweist.
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Es
wurde gefunden, dass ein Sensor, der nach dem Prinzip eines Auflicht-Mikroskops,
bevorzugt eines Dunkelfeld-, Polarisations-, Phasenkontrast, Interferenzkontrast-Mikroskops
oder einem Spektrogramm, arbeitet zur Detektion der vorgenannten
Teilchen, die einen nur geringen Kontrast zum Hintergrund aufweisen,
besonders geeignet ist und insbesondere die Detektion von Teilchen
ermöglicht, die mit anderen Methoden nicht oder nur schlecht
von dem jeweiligen Hintergrund zu unterscheiden sind.
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Die
Beleuchtungseinheit wird bevorzugt aus einzelnen Beleuchtungselementen
(z. B.: LEDs, Laserdioden) ausgeführt, die einzeln oder
in Gruppen schaltbar sind. So kann aus einer erfindungsgemäßen
Sicherheitskennzeichnung ein digitaler Identifizierer auf Basis
von mindestens zwei Aufnahmen gebildet werden, die aus unterschiedlichen
Beleuchtungswinkeln aufgenommen wurden.
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Wird
die Sicherheitskennzeichnung beispielsweise mit linear polarisiertem
Licht mit Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene bestrahlt,
reflektieren die Oberflächen der Teilchen, die zum einfallenden
Licht im Brewster-Winkel stehen, das Licht nicht, und heben sich
dunkel vom Hintergrund ab. Eine umgekehrte Vorgehensweise der Bestrahlung mit
unpolarisiertem Licht und der Einbringung eines Polarisationsfilters
in den Lichtweg von der Sicherheitskennzeichnung zum Bildsensor
ist ebenfalls möglich.
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Die
erweiterte Anordnung mit Polarisationsfiltern in beiden Lichtwegen,
von der Lichtquelle zur Sicherheitskennzeichnung und von dort zum
Bildsensor, ist geeignet, um Markerpartikel zu detektieren, deren
Oberflächen den Polarisationszustand des Lichts bei der
Reflektion verändern.
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Neben
der verbesserten Detektierbarkeit können mit diesen Techniken
weitere Materialeigenschaften der die Sicherheitskennzeichnung bildenden
Teilchen sowie die räumliche Orientierung dieser Eigenschaften
in die Überprüfung der Sicherheitskennzeichnung
einbezogen werden, um den Aufwand einer Fälschung weiter
zu erhöhen.
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Die
Kennzeichnung eines Gegenstandes erfolgt in folgenden Schritten:
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1. Erzeugung von Zufallsmustern
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Erfindungsgemäß beschriebene
Teilchen werden in, an oder auf dem zu kennzeichnenden Gegenstand
fixiert. Dazu werden die Teilchen entweder bei der Herstellung direkt
in das Material des Gegenstandes eingebracht (z. B. bei Gegenständen
aus Kunststoff in das noch flüssige Polymer, so dass sich Teilchen
nach der Aushärtung des Materials an dessen Oberfläche
befinden) oder in ein Material eingemischt, das zum Beschichten
oder Bedrucken des Gegenstandes verwendet wird (z. B. in den (Deck-)Strich
bei gestrichenem Papier, in den Lack bei lackierten Gegenständen,
in die Druckfarbe bei bedruckten Verpackungen oder Gegenständen).
In diesem Prozess werden die Teilchen in der umgebenden Matrix völlig
zufällig verteilt und durch das anschließende
Aushärten in ihrer jeweiligen Position fixiert.
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2. Kodierung
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Durch
die zufällige Verteilung und Fixierung der Teilchen in
Schritt 1. ergibt sich, dass sich an jeder mit den Teilchen versehenen
Position des Gegenstandes ein charakteristisches Zufallsmuster erfindungsgemäßer
Teilchen befindet. Es wird mindestens eine Position des Gegenstands
durch Konvention festgelegt und bevorzugt als solche gekennzeichnet
(z. B. mit einer Positionsmarke), an der sich das oder diejenigen
Teilchen-Muster befinden, die zur Wiedererkennung des Gegenstands,
bevorzugt beliebig vieler Gegenstände desselben Typs (z.
B. Zigarettenschachteln) dienen soll. Sodann wird mindestens eine
Aufnahme des Musters des Gegenstandes von dem Sensor gemacht, bevorzugt
mindestens zwei Aufnahmen unter erfindungsgemäß veränderten
Bedingungen (d. h. z. B. mit zwei unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln
oder unter zwei verschiedenen Winkeln des Sensors zum Gegenstand).
Diese Aufnahme(n) werden von der Digitalisierungseinheit des Sensors
zu einer bildrepräsentierenden Datenstruktur digitalisiert,
bevorzugt durch die Software des Sensors nachbearbeitet, besonders
bevorzugt mithilfe einer mathematischen Einwegfunktion (Hashfunktion),
und nachfolgend als digitaler Identifizierer (ID) des solcherart
erfassten Gegenstandes verwendet.
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3. Speichern
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Um
eine nachträgliche Identifikation zu ermöglichen
wird der in Schritt 2 erhaltene Identifizierer gespeichert, entweder
in einer Datenbank oder in kodierter, bevorzugt verschlüsselter,
besonders bevorzugt verschlüsselter und maschinenlesbarer
Form lokal am selben Gegenstand (z. B. mit RSA verschlüsselt
und als Matrixcode aufgedruckt) oder einer Kombination aus beiden
Möglichkeiten. Wird der in Schritt 2 erhaltene Identifizierer
in einer Datenbank gespeichert, so kann er mit einer zusätzlichen
Information des Gegenstandes (Positionsmarke, Bar- oder Matrixcode,
bestimmtes Dekorelement) verknüpft werden.
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4. Gewünschtenfalls Erfassen
zusätzlicher Angaben
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Zu
den IDs die in der Datenbank hinterlegt sind können jederzeit
wahlfreie Datümer zusätzlich gespeichert werden.
Dazu zählen z. B. Hersteller, Herstellungsdatum, Bestimmungsort,
Verfallsdatum usw., die z. B. bei einer nachträglichen
Rückverfolgung wertvolle zusätzliche Informationen
darstellen können.
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Gegenstände,
die nach den Schritten 1–3 kodiert und gespeichert wurden,
können nachträglich identifiziert werden. Dies
ist z. B. nützlich, um die Originalität eines
Gegens tandes nachträglich zweifelsfrei nachzuweisen oder
den Gegenstand nachträglich rückverfolgen zu können.
Dazu wird analog Schritt 2. an mindestens einer Position des Gegenstandes,
die durch Konvention oder durch Kennzeichnung festgelegt ist, ein
Gegenstand von dem erfindungsgemäßen Sensor aufgenommen.
Sodann erfolgt entweder eine Datenbankabfrage, bei dem diese Aufnahme
mit den Einträgen der Datenbank verglichen wird, um zu überprüfen
ob die ID des Gegenstandes in der Datenbank erfasst ist und ggf.
die zur ID zusätzlich gespeicherten Informationen abzufragen,
oder aber, im Falle der lokalen Speicherung der ID am selben Gegenstand,
die Entschlüsselung der gespeicherten ID und der Vergleich
der entschlüsselten ID mit dem Zufallsmuster auf Übereinstimmung.
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Insbesondere
vorteilhaft dabei ist, dass jedes Mikroteilchen eines Zufallsmusters
in einem bestimmten Winkel zur Gegenstandsoberfläche liegt und
damit abhängig vom Material des Teilchens, seinem Winkel
zur Gegenstandsoberfläche und dem Beleuchtungswinkel eine
jeweils spezifische, reproduzierbare Information gewonnen werden
kann. Damit lässt sich das jeweilige Zufallsmuster in drei
Dimensionen überprüfen, indem von ein und demselben
Zufallsmuster mindestens zwei Aufnahmen mit jeweils unterschiedlichem
Beleuchtungs- oder Aufnahmewinkel gemacht und in der Datenbank gespeichert
werden.
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Dies
bedeutet einen erheblich verbesserten Kopierschutz gegenüber
der Variante, bei der nur eine Aufnahme (und damit nur eine zweidimensionale
Abbildung) erzeugt wird, weil eine Kopie jetzt nur noch angefertigt
werden könnte, wenn alle Teilchen nicht nur mit dem jeweils
richtigen Material und der jeweils richtigen Geometrie, sondern
auch in dem exakt richtigen Winkel zur Gegenstandsoberfläche
fixiert würden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3859508 [0002]
- - US 4218674 [0002]
- - US 4568936 [0002]
- - US 4820912 [0002]
- - US 5354097 [0002]
- - DE 10304805 A [0004]
- - WO 2004/070667 [0004]