EP2577622A1 - Identifizierung von gegenständen - Google Patents

Identifizierung von gegenständen

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Publication number
EP2577622A1
EP2577622A1 EP11720545.0A EP11720545A EP2577622A1 EP 2577622 A1 EP2577622 A1 EP 2577622A1 EP 11720545 A EP11720545 A EP 11720545A EP 2577622 A1 EP2577622 A1 EP 2577622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
scanning
time
μιη
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11720545.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Gerigk
Andreas BÄCKER
Thomas Birsztejn
Ralf IMHÄUSER
Christian Roth
Walter Speth
Simon Hoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Intellectual Property GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer Intellectual Property GmbH filed Critical Bayer Intellectual Property GmbH
Publication of EP2577622A1 publication Critical patent/EP2577622A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07D—HANDLING OF COINS OR VALUABLE PAPERS, e.g. TESTING, SORTING BY DENOMINATIONS, COUNTING, DISPENSING, CHANGING OR DEPOSITING
    • G07D7/00—Testing specially adapted to determine the identity or genuineness of valuable papers or for segregating those which are unacceptable, e.g. banknotes that are alien to a currency
    • G07D7/20—Testing patterns thereon
    • G07D7/2008—Testing patterns thereon using pre-processing, e.g. de-blurring, averaging, normalisation or rotation
    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07D—HANDLING OF COINS OR VALUABLE PAPERS, e.g. TESTING, SORTING BY DENOMINATIONS, COUNTING, DISPENSING, CHANGING OR DEPOSITING
    • G07D7/00—Testing specially adapted to determine the identity or genuineness of valuable papers or for segregating those which are unacceptable, e.g. banknotes that are alien to a currency
    • G07D7/20—Testing patterns thereon
    • G07D7/202—Testing patterns thereon using pattern matching
    • G07D7/2033—Matching unique patterns, i.e. patterns that are unique to each individual paper

Definitions

  • the invention relates to the technical field of secure identification and authentication of objects based on characteristic features of the surface of the object.
  • the subject of the present invention is a method for producing an identification feature for an article.
  • BC d'Agraives et al. disclose a method for identifying an article by its surface structure (Surface Topography, A remearkable method for the identification of seals or structures in general, 3rd Annual Symposium of Esarda of Düsseldorf, 1981, Poster 8.13, Proceedings pages 403-409).
  • the GB2097979A disclosure describes a method of identifying objects based on surface features.
  • the surface features are detected in a selected surface area of the object to be identified.
  • "meaningful, random singularities of the profile are counted in the form of bumps and measured their heights and distances.
  • Disclosure WO2000 / 65541A discloses a method and apparatus for authenticating an item based on intrinsic physical features, particularly topographical information.
  • the disclosure WO2003 / 087991A2 discloses methods and an apparatus for authenticating objects based on the three-dimensional surface structure.
  • WO05 / 088533A1 a method is described in which a surface area of an object is scanned with coherent radiation and by means of photodetectors the differently scattered rays at different locations of the surface at different angles are detected.
  • the detected scattered radiation is characteristic of a variety of different materials and is very difficult to mimic, as it is due to random manufacturing.
  • paper-like objects have a manufacturing fiber structure that is unique to each manufactured object.
  • the scattering data on the individual objects can be described as a characteristic fingerprint of the Be stored in a database to identify the item at a later date and / or to be able to authenticate. For this purpose, the object is measured again and the scatter data is compared with the stored fingerprint.
  • optical scanning of a surface is performed by moving a focused laser beam across the surface (or moving the surface relative to the focused laser beam) and, during movement at a constant measurement frequency, intensity values of the detected scattered radiation at one or more photodetectors Function of time to be detected.
  • An intensity-time signal obtained in this way is impractical as an identification feature since a different signal would result when scanning at a different speed. A direct comparison of recorded at different speeds signals is therefore not possible.
  • a signal which represents the sampling information as a function of the location of the sampling would have the advantage of being independent of the sampling rate and possibly occurring during the sampling speed fluctuations.
  • the scanning signal is not detected directly as a function of the location. Rather, an additional signal is determined separately from the sampling signal as a function of time (measurement frequency), which links the time (measurement frequency) to the location. This is usually done by means of so-called mechanical, optical or magnetic encoder.
  • markers with a constant spacing of 300 microns are used to transform the intensity-time signal into an intensity-local signal (see WO05 / 088533A1 page 23). These markers are optically detected with a separate photodetector. Since the constant measuring frequency (sampling rate) and the distance of the markings are known, the location at which the focused scanning beam was located can be determined at any time. This makes it possible to transform the time-dependent scanning signal with the aid of the coder into a time-independent intensity-location signal.
  • the intensity-location signal (possibly after further conversions, filtering and / or data reductions) can be used as a characteristic fingerprint of the surface for later identification and / or authentication.
  • the conversion of the intensity-time signal into an intensity-local signal using an optical encoder described in WO05 / 088533A1 has the disadvantage that markings have to be applied to the surface. Further, in WO05 / 088533A1, an additional photodetector is used to detect the marks and to make a conversion.
  • the time-dependent sampling signal already carries all information about the conversion.
  • the subject of the present invention is therefore a method for producing an identification feature of an article, comprising at least the following steps:
  • An object is understood to mean any solid body.
  • the surface of the body separates it from the surrounding medium (mostly air).
  • an identification feature is meant a characteristic of the object information that can be used for identification and / or authentication of the subject.
  • the identifier is virtually a fingerprint of the item.
  • the identifying feature is information derived by optical methods from the characteristic surface structure of the article.
  • the identification feature is preferably storable and machinable.
  • storable is meant that the identifier can be taken up again at a later date, for example for comparison purposes.
  • machine processing is meant that the identifier can be machine read and subjected to various computational and / or memory operations with a machine.
  • Identification is understood to mean a process that serves to uniquely recognize an object.
  • Authentication is the process of verifying (verifying) an alleged identity.
  • the authentication of objects is the statement that they are authentic - that is, they are unchanged, not copied and / or not faked originals.
  • steps (a) to (c) a scan is made of a surface area of the object for which an identification feature is to be generated.
  • the scanning of a surface area is carried out optically, that is using at least one source of electromagnetic radiation and at least one detector for electromagnetic radiation (also referred to as a photodetector).
  • the radiation may be coherent or non-coherent.
  • the radiation is preferably non-coherent if disturbing interference phenomena such as speckle patterns are to be avoided.
  • electromagnetic radiation from the range of visible light or from the infrared range (380 nm to 2.5 ⁇ ) is used.
  • the electromagnetic radiation may be poly- or monochromatic; preferably it is monochromatic.
  • a surface area of an object is scanned.
  • Part of the radiation reflected by the surface is detected by means of at least one photodetector.
  • the detected signals contain information about the surface structure of the object.
  • the surface structure of an article is unique and can be used to identify and / or authenticate the article.
  • Surface structure is the three-dimensional structure of the surface of an object understood (topography).
  • topography The terms surface texture and topography are used synonymously here.
  • a surface profile is the profile that results from the (imaginary) intersection of a surface of an object with a given plane (see, for example, DIN EN ISO 4287: 1998, Figure 2).
  • the known method of dynamic laser focusing can be used (see, for example, Weinblatt fur Textilmaschinefabrikation, ISSN0043-7131, Volume 117, April 1989, No. 7, pages 271 to 274).
  • a laser is focused onto the surface by means of a lens.
  • the lens can by means of a servomotor be moved perpendicular to the surface (in the z-direction).
  • a sensor detects the respective z-position of the lens in a focused position and thus provides the topography information while the sample is moved through an xy-table under the lens.
  • FIG. 1 shows schematically how the scanning of a surface area can also be performed with the aid of a scanning beam.
  • Figure 1 shows the surface 1 of an article as well as an arrangement comprising a source of electromagnetic radiation 2 and a plurality of detectors 5 for electromagnetic radiation.
  • the surface 1 is shown greatly enlarged for reasons of clarity in comparison to the radiation source 2 and the detectors 5.
  • a scanning beam 3 can be sent to the surface 1 of the object.
  • the object is moved relative to the array of radiation source and detectors (indicated by the thick black arrow).
  • the scanning beam passes over the surface.
  • the scanning beam is reflected by the surface in accordance with the law of reflection.
  • the reflected radiation 4 passes into one of the detectors. In this way, the surface can be scanned and a scanning signal recorded.
  • CCD complementary metal-oxide-semiconductor
  • the irradiation (scanning) of the surface can take place at an arbitrary angle of almost 0 ° (if reflection still occurs) up to 90 ° relative to the mean surface level.
  • the detection of the reflected radiation can also be carried out at an arbitrary angle of almost 0 ° to 90 ° relative to the mean surface level.
  • the determination of a characteristic fingerprint does not have to cover the complete surface structure during the scan.
  • the surface texture of many objects is so rich in features that a fraction of it suffices for identification and / or authentication.
  • the scan is taken along a single, preferably straight line. This means that the scanning beam is guided once in one direction (along a single line) over the surface of an object to pick up a scanning signal. Scanning along a single line can be much faster than scanning along multiple lines, for example, parallel to each other.
  • the direction of movement of the scan should be chosen so that it is not perpendicular to the waviness of the surface, since otherwise no correlation between the location and time of the scan can be made.
  • the direction of the ripple can be determined empirically.
  • FIG. 2 A region 7 of a surface 1 of an object is irradiated by means of a source of electromagnetic radiation 2. Part of the reflected radiation 4 is picked up by a detector to pick up a scanning signal. The object is moved relative to the radiation source and detector assembly (represented by the thick black arrow).
  • the longer extension is transverse to the direction of movement.
  • the problem of positioning is solved. Instead of a thin line (having a width corresponding to the extension of the dot-shaped beam profile), a wide area (having a width corresponding to the longer extension of the line-shaped beam profile) is scanned. This wide range can be found correspondingly easier in a later scan.
  • the scanning with a linear beam profile according to Figure 2 corresponds to an averaging over a plurality of scanning signals, resulting from the sampling with a point-shaped beam profile along a plurality of closely spaced and parallel lines.
  • a linear beam profile is defined here as follows: Usually, the intensity in the cross-sectional center of the radiation is highest and decreases toward the outside. The intensity can decrease evenly in all directions - in this case there is a round cross-sectional profile. In all other cases there is at least one direction in which the intensity gradient is greatest and at least one direction in which the intensity gradient is smallest.
  • the beam width is understood to mean the distance from the center of the cross-sectional profile in the direction of the smallest intensity gradient, at which the intensity has dropped to half of its value in the center.
  • the beam thickness is understood to be the distance from the center of the cross-sectional profile in the direction of the highest intensity gradient, at which the intensity has dropped to half of its value in the center.
  • a linear beam profile refers to a beam profile in which the beam width is greater than the beam thickness by a factor of more than 10.
  • the beam width is greater than the beam thickness by a factor of more than 50, more preferably by a factor of more than 80.
  • the beam thickness is in the range of the mean groove width of a profile element of the present surface (for the definition of the average groove width, see DIN EN ISO 4287: 1998).
  • the beam thickness is usually in the range of 20 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the jet thickness is preferably in the range of 30 ⁇ to 80 ⁇ , more preferably in the range of 40 ⁇ to 70 ⁇ , most preferably in the range of 50 ⁇ to 60 ⁇ .
  • the beam width is preferably in the range of 2 mm to 6 mm, particularly preferably in the range of 3 mm to 5 mm. As explained above, the beam width is to find a compromise between signal-to-noise ratio and positioning accuracy.
  • Optical elements are used for beam shaping and focusing.
  • lenses, diaphragms, diffractive optical elements and the like are referred to as optical elements.
  • the scanning device and the object whose surface is to be scanned are preferably moved at a constant distance relative to each other.
  • the beam width is transverse to the direction of movement.
  • the angle between the direction of movement and the direction of the beam width is preferably between 10 ° and 90 °, more preferably between 45 ° and 90 °, most preferably between 70 ° and 90 °.
  • the movement may be continuous at a constant rate, accelerating or decelerating, or discontinuous, i. e.g. gradually.
  • the movement is carried out at a constant speed.
  • the radiation intensity incident on at least one detector is detected as a function of time.
  • measuring signals are recorded and updated at a constant measuring frequency.
  • the scanning signals mentioned in steps (d) and (e) of the method according to the invention can be one and the same scanning signal; However, it is also conceivable that the scanning signals mentioned in steps (d) and (e) are different scanning signals.
  • a scanning signal is generated in step (c) by means of a detector. From this sampling signal, a ripple function is extracted in step (d). Then, the ripple function in step (e) is used to generate a time independent signal from the same sample signal.
  • step (c) two scanning signals are detected by means of two different detectors. From one of the sample signals a ripple function is determined, which is then applied to the other sample signal to generate a time independent signal.
  • the different scanning signals are signals of differently reflected radiation, i. in one case of directly reflected radiation and in the other case of diffused radiation.
  • the directly reflected radiation is particularly suitable for generating a ripple function, while the diffusely scattered radiation is particularly suitable for generating an identification feature.
  • step (d) of the method according to the invention a filtering of a time-dependent scanning signal for determining a time-dependent ripple function takes place.
  • a plurality of objects in the surface profiles in addition to the known fine structures that can be used for identification and / or authentication, characteristic, longer-wave structures. These can be used to correlate between time and place of the scan.
  • shape deviations are divided into six orders. The division into different orders of the shape deviation is based on the knowledge that the shape deviations of different orders have (and can) different origins.
  • a shape deviation 1st order is referred to as a shape deviation and as possible causes of causes deflection and guide errors are specified in the machine tools.
  • a 2nd-order shape deviation is referred to as waviness, and possible sources of origin are vibrations during production.
  • a Shape deviation 3rd, 4th and 5th order is referred to as roughness and as possible causes of origin of the tool-cutting edge shape, the feed, chip formation, crystallization processes, chemical agents and corrosion are specified.
  • This approach is based on the model concept that a surface profile can be described from the superimposition of sine waves of different amplitude, wavelength and phase. Accordingly, the different shape deviations according to DIN EN ISO 4287: 1998 assigned wavelength bands.
  • the present invention is based on the discovery that in a multiplicity of different objects there are wavelength bands in the surface profile which have characteristic, recurring structure which can be used to transform a time-dependent into a location-dependent signal. Besides, there are wavelength bands in the surface profile that have a characteristic structure that can be used as a fingerprint of an object.
  • the structures suitable for transformation lie in a longer wavelength range than the structures that can be used for identification.
  • the structures suitable for the transformation are referred to here as a ripple function, since they often result in the sense of DIN EN ISO 4760 from a shape deviation of the second order, which is referred to as waviness.
  • the terms undulation and ripple function in the sense of the present invention are not restricted to the terms of DIN EN ISO 4760.
  • the term ripple should also not be understood to mean only periodic structures below. Instead, the ripple function in the scanning signal is characterized by structures which, on average, occur at specific intervals, which are characteristic of the respective object.
  • Step (d) is for extracting the ripple function from the sampling signal.
  • One possibility of extraction is the application of profile filters described in the standards DIN EN ISO 4287: 1998 and DIN EN ISO 11562: 1997.
  • a profile filter separates the profile into long-wave and short-wave components.
  • the phase-correct Gauss filter defined in DIN EN ISO 11562: 1997 has established itself in the field of surface metrology and can also be used in step (d) of the method according to the invention.
  • Roughness, waviness and primary profile equipment use three Gaussian filters with the same transmission characteristics but different wavelengths: ⁇ - ⁇ defines the transition from roughness to proportions with even shorter wavelengths present on the surface.
  • c -profile filter defines the transition from roughness to waviness ⁇ - ⁇ defines the transition from waviness to proportions with even longer ones Wavelengths that are present on the surface.
  • the ripple profile is the profile created by successively applying the ⁇ and c profile filters to the primary profile (see DIN EN ISO 4287: 1998).
  • the ripple function in a plurality of objects can be extracted from the time-varying sample signal by using two profile filters (Xf and ⁇ - ⁇ ).
  • step (e) the ripple function is used to convert a time-dependent sample signal to a time-independent signal.
  • one possibility for converting the time-dependent scanning signal into a time-independent signal is to stretch and / or compress the determined ripple function in sections along the time axis such that two adjacent extrema (maxima or minima) are at a constant distance from each other.
  • the result is a corrected, periodic ripple function.
  • the time-dependent scanning signal is to be stretched and / or compressed in sections in the same way along the time axis.
  • the time-dependent signal is projected onto the periodic structure of the corrected ripple function.
  • the result is a time-independent scanning signal.
  • This is preferably normalized by e.g. the distance of two extrema in the corrected ripple function an arbitrary value of e.g. 100 and divides the segmental stretched and / or compressed, former time axis of the sample signal into units of 100 * number of periods in the corrected ripple function.
  • time-independent scanning signal is generated from the time-dependent scanning signal in an analogous manner as described above, these are largely identical except for measurement errors and positioning inaccuracies, even if the later scan is performed with a another speed is done than the earlier scan.
  • the identification feature can then be generated from the preferably normalized, time-independent scanning signal.
  • the described procedure is also successful when an article has a ripple that is not strictly periodic.
  • a marking on the object is used as trigger for the beginning of the scanning.
  • the scanning beam is guided over the surface of the object and a part of the radiation reflected by the surface is detected by means of a photodetector.
  • the mark on the surface of the object causes a change in the signal picked up by the photodetector. This signal change initiates the acquisition of the sample signal, i. from the occurrence of the signal change, the time-dependent sampling signal is recorded.
  • the marking may, for example, be a sharp change in contrast which results, for example, from a transition of a black print to a white print. Due to the high absorption of the black printing, the intensity of the reflected radiation arriving at the photodetector is low. In the transition from black printing to white printing, the intensity of the reflected radiation increases abruptly, which can be used as a trigger to trigger the recording of the scanning signal.
  • markers already present on the article are used.
  • markers already present on the article for example, optical codes (barcode, matrix code), logos, fonts but also edges are suitable.
  • the preferably standardized, time-independent scanning signal can be used directly as an identification feature. In this case, that will Identification feature of the preferably normalized, time-independent sampling signal in step (f equated.
  • the identification feature in step (f) is generated from the time-independent sampling signal by various mathematical methods such as filtering and / or background subtraction. These mathematical methods eliminate as far as possible random or systematic fluctuations that can result from individual measurements. It is conceivable to remove the ripple function in the time-independent sampling signal by means of corresponding profile filters so that as far as possible only the characteristic structures for identification remain.
  • the identification feature can be linked to the article. Such a link is typically made on the first scan of an item. The first scan to generate a first identifier is also referred to herein as registration.
  • a characteristic fingerprint is generated, which can be used in the form of preferably storable and machine processable data as a unique identifier for the object.
  • the link in step (g) can be physical or virtual.
  • the identification feature can be printed on the article or introduced into the article, for example in the form of an optical code (barcode, matrix code, OCR text or the like). It is also conceivable to associate the article with a sticker which contains the identification feature stored.
  • an electronic data carrier to the object such as an RFID chip on which the identification feature is stored, is conceivable.
  • a unique number assigned to the respective object is linked to the identification feature in a database.
  • the identifier may include this number in a header (metadata at the beginning of a file). The link ensures that there is a clear and unambiguous association between the identification feature and the object.
  • the identification feature clearly indicates the associated item.
  • an identifier of the item may be re-generated. This second identifier can be used to identify and authenticate the item. Details can be the following Applications are: WO09 / 097975A1, WO09 / 097974A1, WO09 / 097979A1 and WO09 / 097980A1.
  • Figure 1 (a), (b): Schematic representation for the optical scanning of a surface
  • Figure 2 Schematic representation for the optical scanning of a surface with a linear beam profile
  • Figure 3 Schematic representation of a sensor according to the invention for the scanning of
  • FIG. 1 shows schematically how the scanning of a surface area can be performed with the aid of a scanning beam.
  • the figure shows the surface 1 of an article as well as an arrangement comprising a source of electromagnetic radiation 2 and a plurality of electromagnetic radiation detectors 5.
  • the surface 1 is shown greatly enlarged for reasons of clarity in comparison to the radiation source 2 and the detectors 5.
  • a scanning beam 3 can be sent to the surface 1 of the object.
  • the object is moved relative to the array of radiation source and detectors (indicated by the thick black arrow).
  • the scanning beam passes over the surface.
  • the scanning beam is reflected by the surface in accordance with the law of reflection.
  • the reflected radiation 4 passes into one of the detectors.
  • the surface structure can be determined from the scanning signal.
  • Figure 2 shows a preferred method for scanning a surface.
  • An area 7 of a surface 1 of an object is irradiated by means of a source of electromagnetic radiation 2. Part of the reflected radiation 4 is picked up by a detector to pick up a scanning signal.
  • the object is related to the arrangement of radiation source and Detector moves (represented by the thick black arrow). In the surface plane is a line-shaped beam profile, the longer extension is transverse to the direction of movement.
  • FIG. 3 shows by way of example a part of a device (sensor) for scanning a surface.
  • This sensor comprises a block 10 with a designated outer surface 15.
  • This designated outer surface - hereinafter referred to as outer surface - is directed at the scanning on the surface of the corresponding object.
  • the block 10 serves to receive all optical components of the sensor according to the invention. It has at least two passages 11, 12 which converge towards the designated outer surface.
  • the first feedthrough 11 extends at an angle ⁇ with respect to the normal 16 of the outer surface (short outer surface normal) and serves to receive the source of electromagnetic radiation.
  • a second feedthrough 12 extends at an angle ⁇ with respect to the outer surface normal 16 and serves to receive a photodetector.
  • the amounts of the angles ⁇ and ⁇ are preferably the same.
  • angles ⁇ and ⁇ are in the range of 5 ° to 90 °, preferably in the range 20 ° to 80 °, more preferably in the range 30 ° to 70 °, most preferably in the range 40 ° to 60 °.
  • one or two further passages 13, 14 are provided, which serve to receive one or two further photodetectors. These are arranged at an angle 8i and / or ⁇ 2 to the second passage 12.
  • the size of the angle ⁇ and / or e 2 is 1 ° to 20 °, preferably 5 ° to 15 °.
  • the senor is suitable for detecting both directly reflected and diffusely scattered radiation during the optical scanning of a surface.
  • the directly reflected radiation is detected by means of a detector in the bushing 12, while the diffusely scattered radiation is detected by means of two detectors in the bushings 13 and 14.
  • all bushings are in one plane to allow a compact design of the sensor.
  • the use of a block with two to four feedthroughs for receiving a radiation source and one or more photodetectors offers the advantage that the optical components can be arranged in a simple manner, but nevertheless in a defined manner relative to one another.
  • a stop is located in the passage for the laser. Against this stop, the radiation source is pushed into the bushing, so that it assumes a predetermined fixed position with respect to the block and the photodetectors.
  • the further feedthroughs for receiving photodetectors can also be provided with a stop.
  • the block can easily be e.g. be made by injection molding of plastic one or two pieces.
  • the sensor may have a housing into which the block is inserted.
  • further components are preferably introduced, e.g. the control electronics for the radiation source, signal preprocessing electronics, complete evaluation electronics and the like.
  • the housing preferably also serves to anchor a connection cable with which the sensor according to the invention can be connected to a control unit and / or a data acquisition unit for controlling the sensor and / or for detecting and further processing the characteristic reflection patterns.
  • the senor may have a window located in front of, behind or in the outer surface protecting the optical components from damage and contamination.
  • the window forms the outer surface of the sensor.
  • the window is at least partially transparent at least for the wavelength of the radiation used.
  • the sensor in Figure 3 is further characterized in that the center axes of the feedthroughs intersect at a point 18 which is outside the block at a distance of 2 to 10 mm from the outer surface.
  • the sensor according to the invention is correspondingly guided at a distance above this object, so that the focal point and intersection of the central axes lie on the surface of the object.
  • the positioning of the surface to be scanned of an object with respect to the radiation source and the photodetectors is simple and sufficiently accurate.
  • the angle of the sensor with respect to the surface of the object must become increasingly accurate be adhered to in order to detect a predetermined area of the surface, so that the requirements for positioning increase.
  • the radiation intensity decreases with increasing distance from the radiation source, so that with an increasing distance between sensor and object the correspondingly reduced radiation intensity arriving at the object would have to be compensated by a higher power of the radiation source.

Landscapes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der sicheren Identifizierung und Authentifizierung von Gegenständen anhand von charakteristischen Merkmalen der Oberfläche des Gegenstands. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals zu einem Gegenstand.

Description

Identifizierung von Gegenständen
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der sicheren Identifizierung und Authentifizierung von Gegenständen anhand von charakteristischen Merkmalen der Oberfläche des Gegenstands. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals zu einem Gegenstand.
Es ist bekannt, dass man Gegenstände anhand der einzigartigen intrinsischen Struktur ihrer Oberfläche identifizieren und authentifizieren kann.
B.C. d'Agraives et al. offenbaren ein Verfahren zur Identifizierung eines Gegenstands anhand seiner Oberflächenstruktur (Surface Topography, A remearkable method for the identification of seals or structures in general, 3rd Annual Symposium of ESARDA at Karlsruhe, 1981, Poster 8.13, Proceedings Seiten 403-409).
In der Offenlegung GB2097979A wird ein Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen anhand von Oberflächenmerkmalen beschrieben. Die Oberflächenmerkmale werden in einem ausgewählten Oberflächenbereich des zu identifizierenden Gegenstands erfasst. Dazu werden „aussagekräftige, zufallsbedingte Singularitäten des Profils in Form von Unebenheiten gezählt und deren Höhen und Abstände vermessen".
Die Offenlegung WO2000/65541A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Authentifizierung eines Gegenstands anhand intrinsischer physikalischer Merkmale, insbesondere anhand topografischer Informationen.
Die Offenlegung WO2003/087991A2 offenbart Verfahren und eine Vorrichtung zur Authentifizierung von Gegenständen anhand der dreidimensionalen Oberflächenstruktur.
In WO05/088533A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Oberflächenbereich eines Gegenstands mit kohärenter Strahlung abgetastet wird und mittels Fotodetektoren die an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche unter verschiedenen Winkeln unterschiedlich stark gestreuten Strahlen detektiert werden. Die erfasste Streustrahlung ist charakteristisch für eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien und lässt sich nur sehr schwer nachahmen, da sie auf Zufälligkeiten bei der Herstellung zurückzuführen ist. Zum Beispiel weisen papierartige Objekte eine herstellungsbedingte Faserstruktur auf, die für jedes hergestellte Objekt einzigartig ist. Die Streudaten zu den einzelnen Gegenständen können als charakteristischer Fingerabdruck des Gegenstands in einer Datenbank gespeichert werden, um den Gegenstand zu einem späteren Zeitpunkt identifizieren und/oder authentifizieren zu können. Hierzu wird der Gegenstand erneut vermessen und es werden die Streudaten mit den gespeicherten Fingerabdruck verglichen.
In WO05/088533A1 erfolgt die optische Abtastung einer Oberfläche, indem ein fokussierter Laserstrahl über die Oberfläche bewegt wird (oder die Oberfläche in Bezug zum fokussierten Laserstrahl bewegt wird) und während der Bewegung mit einer konstanten Messfrequenz Intensitätswerte der detektierten Streustrahlung an einem oder mehreren Fotodetektoren als Funktion der Zeit erfasst werden. Ein so gewonnenes Intensität-Zeit-Signal ist als Identifizierungsmerkmal unpraktisch, da sich bei der Abtastung mit einer anderen Geschwindigkeit ein anderes Signal ergeben würde. Ein direkter Vergleich der bei verschiedenen Geschwindigkeiten aufgenommenen Signale ist daher nicht möglich. Ein Signal, das die Abtastinformation als Funktion des Ortes der Abtastung darstellt, hätte dagegen den Vorteil, unabhängig von der Abtastgeschwindigkeit und ggf. während der Abtastung auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen zu sein. Üblicherweise wird das Abtastsignal jedoch nicht direkt als Funktion des Ortes erfasst. Vielmehr wird separat zum Abtastsignal als Funktion der Zeit (Messfrequenz) ein zusätzliches Signal ermittelt, dass die Zeit (Messfrequenz) mit dem Ort verknüpft. Dies geschieht üblicherweise mittels so genannter mechanischer, optischer oder magnetischer Kodierer.
Mittels eines solchen Kodierers erfolgt die Umwandlung des Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität-Ort-Signal.
Im Fall der WO05/088533A1 werden beispielsweise Markierungen mit einem gleichbleibenden Abstand von 300 Mikrometern zur Transformation des Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität-Ort- Signal verwendet (siehe WO05/088533A1 Seite 23). Diese Markierungen werden mit einem separaten Fotodetektor optisch erfasst. Da die konstante Messfrequenz (Abtastrate) und der Abstand der Markierungen bekannt sind, kann zu jedem Zeitpunkt der Ort bestimmt werden, an dem sich der fokussierte Abtaststrahl befunden hat. Damit ist es möglich, das zeitabhängige Abtastsignal mit Hilfe des Kodierers in ein zeitunabhängiges Intensität-Ort-Signal zu transformieren.
Das Intensität-Ort-Signal kann schließlich (ggf. nach weiteren Umwandlungen, Filterungen und/oder Datenreduktionen) als charakteristischer Fingerabdruck der Oberfläche für eine spätere Identifizierung und/oder Authentifizierung herangezogen werden kann. Die in WO05/088533A1 beschriebene Umwandlung des Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität- Ort-Signal unter Verwendung eines optischen Kodierers hat den Nachteil, dass Markierungen auf die Oberfläche aufgebracht werden müssen. Ferner wird in WO05/088533A1 ein zusätzlicher Fotodetektor eingesetzt, um die Markierungen erfassen und eine Umwandlung vornehmen zu können.
Es wäre wünschenswert, eine Umwandlung eines Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität-Ort- Signal vornehmen zu können, ohne dass hierfür zusätzliche Markierungen und/oder optische Komponenten erforderlich sind, die einzig und allein der Umwandlung dienen.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik stellt sich demnach die technische Aufgabe, ein Verfahren zur optischen Abtastung und Aufnahme eines optischen Abtastsignals bereitzustellen, das ohne magnetische, mechanische oder herkömmliche, mittels Markierungen arbeitende optische Kodierer auskommt.
Überraschend wurde gefunden, dass die intrinsischen Strukturen vieler Oberflächen nicht nur ein charakteristisches Signal zur Identifizierung und Authentifizierung ergeben sondern selbst auch zur Umwandlung eines Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität-Ort-Signal fungieren können.
Überraschend wurde gefunden, dass bei der optischen Abtastung der Oberfläche einer Vielzahl von unterschiedlichen Gegenständen charakteristische, wiederkehrende Strukturen in den Abtastsignalen vorhanden sind, die eine Umwandlung des zeitabhängigen Abtastsignals in ein zeitunabhängiges Signal ohne zusätzlichen Kodierer erlauben. Offenbar weisen die Oberflächen vieler Gegenstände neben der bereits aus dem Stand der Technik bekannten einzigartigen Feinstruktur, die charakteristische Streustrahlung erzeugt, eine weitere, längerwellige, charakteristische Struktur auf, die im Folgenden auch als Welligkeit bezeichnet wird. Wird ein elektromagnetischer Strahl mit konstanter Geschwindigkeit über eine Oberfläche geführt und die Oberfläche dabei mit konstanter Messfrequenz abgetastet, führt diese Welligkeit zu einer entsprechenden Modulation des Abtastsignals. Diese Modulation erlaubt eine Verknüpfung zwischen der Messfrequenz und dem während der Abtastung zurückgelegten Weg.
Damit ist es nicht erforderlich, Markierungen oder separate Kodierer zu verwenden, um eine Transformation eines zeitabhängigen Abtastsignals in einen zeitunabhängigen Fingerabdruck vorzunehmen.
Das zeitabhängige Abtastsignal trägt bereits alle Informationen zur Umwandlung mit sich. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals eines Gegenstands, mindestens umfassend die folgenden Schritte:
(a) Richten eines elektromagnetischen Strahls auf eine Oberfläche des Gegenstands,
(b) Relatives Bewegen des elektromagnetischen Strahls und des Gegenstands zueinander, so dass der elektromagnetische Strahl einen Weg auf der Oberfläche zurücklegt,
(c) Aufnehmen eines Teils der während der relativen Bewegung von der Oberfläche des Gegenstands reflektierten Strahlung als Funktion der Zeit unter Erhalt mindestens eines Abtastsignals,
(d) Extrahieren einer zeitabhängigen Welligkeitsfunktion aus einem Abtastsignal, (e) Transformieren eines Abtastsignals in ein zeitunabhängiges Signal unter Verwendung der
Welligkeitsfunktion,
(f) Ermitteln eines Identifizierungsmerkmals aus dem zeitunabhängigen Signal,
(g) optional Verknüpfen des Identifizierungsmerkmals mit dem Gegenstand.
Unter einem Gegenstand wird jeder feste Körper verstanden. Die Oberfläche des Körpers trennt diesen vom umgebenden Medium (meistens Luft).
Unter einem Identifizierungsmerkmal wird eine für den Gegenstand charakteristische Information verstanden, die für eine Identifizierung und/oder Authentifizierung des Gegenstands verwendet werden kann. Das Identifizierungsmerkmal ist quasi ein Fingerabdruck des Gegenstands. Im vorliegenden Fall ist das Identifizierungsmerkmal eine Information, die mittels optischer Methoden aus der charakteristischen Oberflächenstruktur des Gegenstands abgeleitet wird. Das Identifizierungsmerkmal ist vorzugsweise speicherbar und maschinell verarbeitbar. Unter speicherbar wird verstanden, dass das Identifizierungsmerkmal zu einem späteren Zeitpunkt zum Beispiel für Vergleichszwecke wieder aufgegriffen werden kann. Unter maschineller Verarbeitung wird verstanden, dass das Identifizierungsmerkmal maschinell gelesen und mit einer Maschine verschiedenen Rechen- und/oder Speicheroperationen unterzogen werden kann.
Unter Identifizierung wird ein Vorgang verstanden, der zum eindeutigen Erkennen eines Gegenstandes dient. Unter Authentifizierung wird der Vorgang der Überprüfung (Verifikation) einer behaupteten Identität verstanden. Die Authentifizierung von Gegenständen ist die Feststellung, dass diese authentisch sind - es sich also um unveränderte, nicht kopierte und/oder nicht gefälschte Originale handelt. In den Schritten (a) bis (c) erfolgt eine Abtastung eines Oberflächenbereichs des Gegenstands, für den ein Identifizierungsmerkmal erzeugt werden soll.
Die Abtastung eines Oberflächenbereichs erfolgt optisch, das heißt unter Verwendung mindestens einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und mindestens eines Detektors für elektromagnetische Strahlung (auch als Fotodetektor bezeichnet). Die Strahlung kann kohärent oder nicht-kohärent sein. Die Strahlung ist vorzugsweise nicht-kohärent, wenn störende Interferenzerscheinungen wie beispielsweise Speckle-Muster vermieden werden sollen.
Vorzugsweise wird elektromagnetische Strahlung aus dem Bereich des sichtbaren Lichts oder aus dem Infrarotbereich (380 nm bis 2,5 μιη) verwendet.
Die elektromagnetische Strahlung kann poly- oder monochromatisch sein; bevorzugt ist sie monochromatisch.
Mittels eines elektromagnetischen Strahls wird ein Oberflächenbereich eines Gegenstands abgetastet. Ein Teil der von der Oberfläche reflektierten Strahlung wird mit Hilfe mindestens eines Fotodetektors erfasst. Die erfassten Signale enthalten Informationen zur Oberflächenstruktur des Gegenstands. Die Oberflächenstruktur eines Gegenstands ist einzigartig und kann zur Identifizierung und/oder Authentifizierung des Gegenstands verwendet werden.
Unter Oberflächenstruktur wird die dreidimensionale Struktur der Oberfläche eines Gegenstands verstanden (Topographie). Die Begriffe Oberflächenstruktur und Topographie werden hier synonym verwendet. Für den Zweck der Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals ist die Aufnahme einer dreidimensionalen Topografie nicht notwendig (siehe unten), stattdessen ist beispielsweise die Aufnahme eines Oberflächenprofils ausreichend. Ein Oberflächenprofil ist das Profil, das sich durch den (gedachten) Schnitt einer Oberfläche eines Gegenstands mit einer vorgegebenen Ebene ergibt (siehe z.B. DIN EN ISO 4287: 1998, Bild 2).
Zur optischen Abtastung kann das bekannte Verfahren der dynamischen Laserfokussierung verwendet werden (siehe beispielsweise Wochenblatt für Papierfabrikation, ISSN0043-7131, 117. Jahrgang, April 1989, Nr. 7; Seiten 271 bis 274). Bei der dynamischen Laserfokussierung wird ein Laser mittels einer Linse auf die Oberfläche fokussiert. Die Linse kann mittels einer Stellmotors senkrecht zur Oberfläche (in z-Richtung) bewegt werden. Ein Sensor ermittelt die jeweilige z- Position der Linse in fokussierter Stellung und liefert somit die Topographieinformation während die Probe durch einen xy-Tisch unter der Linse bewegt wird.
Die hohe Genauigkeit, mit der mittels dynamischer Laserfokussierung die Topographie der Oberfläche erfasst werden kann, ist zum Zweck der Erstellung eines Fingerabdrucks jedoch nicht erforderlich. Überraschend wurde gefunden, dass auf die anfällige mechanische Nachjustierung der Linse verzichtet werden kann.
Bevorzugt erfolgt die Abtastung ohne mechanische Nachjustierung der Linse. In Figur 1 ist schematisch dargestellt, wie die Abtastung eines Oberflächenbereichs mit Hilfe eines Abtaststrahls auch vollzogen werden kann.
Figur 1 zeigt die Oberfläche 1 eines Gegenstands sowie eine Anordnung umfassend eine Quelle für elektromagnetische Strahlung 2 und eine Vielzahl von Detektoren 5 für elektromagnetische Strahlung. Die Oberfläche 1 ist aus Gründen der besseren Anschaulichkeit im Vergleich zu der Strahlenquelle 2 und den Detektoren 5 stark vergrößert dargestellt. Von der Strahlenquelle kann ein Abtaststrahl 3 auf die Oberfläche 1 des Gegenstands gesandt werden. Der Gegenstand wird in Bezug zur Anordnung aus Strahlenquelle und Detektoren bewegt (gekennzeichnet durch den dicken schwarzen Pfeil). Dabei überstreift der Abtaststrahl die Oberfläche. Der Abtaststrahl wird von der Oberfläche entsprechend dem Reflexionsgesetz reflektiert. Je nach Krümmung der Oberfläche gelangt die reflektierte Strahlung 4 in einen der Detektoren. Auf diese Weise kann die Oberfläche abgetastet und ein Abtastsignal aufgenommen werden.
An Stelle der Vielzahl an einzelnen Detektoren ist es auch denkbar, einen entsprechend großen Detektor (CCD-, CMOS -Kamera) einzusetzen.
Die Bestrahlung (Abtastung) der Oberfläche kann in einem beliebigen Winkel von nahezu 0° (sofern noch Reflexion auftritt) bis 90° bezogen auf die mittlere Oberflächenebene erfolgen. Die Detektion der reflektierten Strahlung kann ebenso in einem beliebigen Winkel von nahezu 0° bis 90° bezogen auf die mittlere Oberflächenebene erfolgen. Je nach Oberflächenbeschaffenheit kann es sinnvoll sein, direkt reflektierte Strahlung (spekulare Reflexion) oder gestreute Strahlung (diffuse Streuung) zu detektieren. Dies kann durch einfache Routineexperimente ermittelt werden. Maßgebend sind u. a. das erzielte Signal-Rausch-Verhältnis, die Reproduzierbarkeit und die erforderliche Positioniergenauigkeit. Weiterhin wurde überraschend gefunden, dass zur Ermittlung eines charakteristischen Fingerabdrucks nicht die vollständige Oberflächenstruktur bei der Abtastung erfasst werden muss. Die Oberflächenbeschaffenheit von vielen Gegenständen ist so reich an charakteristischen Merkmalen, dass zu einer Identifizierung und/oder Authentifizierung ein Bruchteil davon ausreicht. Das bedeutet, dass in der Anordnung in Figur 1 anstelle der Vielzahl an Detektoren prinzipiell ein einziger ausreicht. Dieser eine Detektor erfasst dann nicht mehr jede Krümmung der Oberfläche sondern nur die Signale, die von der Oberfläche in Richtung des Detektors gesandt werden. Das mittels des Detektors erfasste Abtastsignal ist jedoch überraschenderweise ausreichend, um einen charakteristischen Fingerabdruck zum Zweck der Identifizierung und/oder Authentifizierung zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abtastung entlang einer einzigen vorzugsweise geraden Linie vorgenommen. Dies bedeutet, dass der Abtaststrahl einmal in einer Richtung (entlang einer einzigen Linie) über die Oberfläche eines Gegenstands geführt wird, um ein Abtastsignal aufzunehmen. Die Abtastung entlang einer einzigen Linie kann wesentlich schneller erfolgen als eine Abtastung entlang mehrerer, beispielsweise parallel zueinander angeordneter Linien.
Die Bewegungsrichtung der Abtastung sollte so gewählt werden, dass sie nicht senkrecht zur Welligkeit der Oberfläche verläuft, da ansonsten keine Korrelation zwischen Ort und Zeit der Abtastung vorgenommen werden kann. Die Richtung der Welligkeit kann empirisch ermittelt werden.
Mit abnehmender Größe des Abtastbereichs wird es zunehmend schwieriger, bei einer späteren Abtastung zum Zweck der Identifizierung und/oder Authentifizierung den entsprechenden Bereich wiederzufinden, der bei der ersten Abtastung erfasst worden ist. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass zur Abtastung ein linienförmiges Strahlprofil verwendet wird. Überraschend wurde nämlich gefunden, dass sich auch dann ein Abtastsignal und ein charakteristischer Fingerabdruck zum Zweck der Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstands ermitteln lässt, wenn das Strahlprofil quer zur Bewegungsrichtung aufgeweitet ist. Dies ist schematisch in Figur 2 dargestellt: Ein Bereich 7 einer Oberfläche 1 eines Gegenstandes wird mittels einer Quelle für elektromagnetische Strahlung 2 bestrahlt. Ein Teil der reflektierten Strahlung 4 wird mit Hilfe eines Detektors aufgefangen, um ein Abtastsignal aufzunehmen. Der Gegenstand wird in Bezug zur Anordnung aus Strahlenquelle und Detektor bewegt (dargestellt durch den dicken schwarzen Pfeil). In der Oberflächenebene liegt ein linienförmiges Strahlprofil vor, dessen längere Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung liegt. Durch die Aufweitung des Strahlprofils in die Richtung quer zur Bewegungsrichtung wird das Problem der Positionierung gelöst. Anstelle einer dünnen Linie (mit einer Breite, die der Ausdehnung des punktförmigen Strahlprofils entspricht) wird ein breiter Bereich (mit einer Breite, die der längeren Ausdehnung des linienförmigen Strahlprofils entspricht) abgetastet. Dieser breite Bereich kann bei einer späteren Abtastung entsprechend einfacher wiedergefunden werden.
Die Abtastung mit einem linienförmigen Strahlprofil gemäß Figur 2 entspricht quasi einer Mittelung über eine Vielzahl von Abtastsignalen, die aus der Abtastung mit einem punktförmigen Strahlprofil entlang einer Vielzahl an eng aneinander liegenden und parallel verlaufenden Linien resultieren. Ein linienförmiges Strahlprofil wird hier wie folgt definiert: Üblicherweise ist die Intensität im Querschnittszentrum der Strahlung am höchsten und nimmt nach außen hin ab. Die Intensität kann in allen Richtungen gleichmäßig abnehmen - in diesem Fall liegt ein rundes Querschnittsprofil vor. In allen anderen Fällen gibt es mindestens eine Richtung, in der der Intensitätsgradient am größten ist und mindestens eine Richtung, in der der Intensitätsgradient am kleinsten ist. Im Folgenden wird unter der Strahlbreite derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofils in Richtung des kleinsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist. Weiterhin wird unter der Strahldicke derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofils in Richtung des höchsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist. Unter einem linienförmigen Strahlprofil wird ein Strahlprofil bezeichnet, bei dem die Strahlbreite um einen Faktor von mehr als 10 größer ist als die Strahldicke. Bevorzugt ist die Strahlbreite um einen Faktor von mehr als 50 größer als die Strahldicke, besonders bevorzugt um einen Faktor von mehr als 80.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Strahldicke im Bereich der mittleren Rillenbreite eines Profilelements der vorliegenden Oberfläche (zur Definition der mittleren Rillenbreite siehe DIN EN ISO 4287: 1998).
Für die Abtastung der meisten Gegenstände, wie beispielsweise Gegenstände aus Papier, liegt die Strahldicke üblicherweise im Bereich von 20 μιη bis 100 μιη.
Um Verdrehungstoleranzen des Abtaststrahls auszugleichen, liegt die Strahldicke bevorzugt im Bereich von 30 μιη bis 80 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 40 μιη bis 70 μιη, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 50 μιη bis 60 μιη. Die Strahlbreite liegt bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 5 mm. Wie oben erläutert gilt es bei der Strahlbreite, einen Kompromiss zwischen Signal-Rausch-Verhältnis und Positioniergenauigkeit zu finden.
Dem Fachmann der Optik ist bekannt, wie ein entsprechendes Strahlprofil beispielsweise mittels optischer Elemente erzeugt werden kann. Optische Elemente dienen der Strahlformung und Fokussierung. Als optische Elemente werden insbesondere Linsen, Blenden, diffraktive optische Elemente und dergleichen bezeichnet.
Bei einer Abtastung werden die Abtastvorrichtung und der Gegenstand, dessen Oberfläche abgetastet werden soll, vorzugsweise in konstantem Abstand relativ zueinander bewegt. Bei der Verwendung eines linienförmigen Strahlprofils zur Abtastung eines Oberflächenbereichs liegt die Strahlbreite quer zur Bewegungsrichtung. Der Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Richtung der Strahlbreite beträgt vorzugsweise zwischen 10° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 45° und 90°, ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 90°.
Es ist sowohl eine Bewegung der Abtastvorrichtung gegenüber dem Gegenstand als auch eine Bewegung des Gegenstands gegenüber der Abtastvorrichtung denkbar.
Die Bewegung kann kontinuierlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit, beschleunigend oder abbremsend, oder diskontinuierlich, d.h. z.B. schrittweise erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Bewegung mit gleichbleibender Geschwindigkeit.
Die auf mindestens einen Detektor auftreffende Strahlungsintensität wird als Funktion der Zeit erfasst. Üblicherweise werden mit einer konstanten Messfrequenz Messsignale erfasst und fortgeschrieben.
Wie bereits beschrieben ist es möglich, mittels einer entsprechenden Anzahl an Detektoren mehrere Abtastsignale parallel zu erfassen. Es ist auch denkbar, eine Oberfläche mit mehreren Strahlen gleichzeitig abzutasten. Bei der Verwendung mehrerer Detektoren zur parallelen Aufnahme mehrerer Abtastsignale kann es sinnvoll sein, direkt reflektierte Strahlung und gestreute Strahlung nebeneinander zu erfassen. Eigene Experimente haben gezeigt, dass die Strukturen in einem Abtastsignal, die zur Ermittlung einer Welligkeitsfunktion und die Strukturen, die zur Erzeugung eines charakteristischen Fingerabdrucks verwendet werden, in unterschiedlichen Reflexionswinkelbereichen deutlicher in Erscheinung treten (siehe unten). Dementsprechend kann es sich bei in den Schritten (d) und (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Abtastsignalen um ein und dasselbe Abtastsignal handeln; es ist aber auch denkbar, dass es sich bei den in den Schritten (d) und (e) genannten Abtastsignale um verschiedene Abtastsignale handelt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (c) mittels eines Detektors ein Abtastsignal erzeugt. Aus diesem Abtastsignal wird in Schritt (d) eine Welligkeitsfunktion extrahiert. Dann wird die Welligkeitsfunktion in Schritt (e) verwendet, um aus demselben Abtastsignal ein zeitunabhängiges Signal zu generieren.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden in Schritt (c) zwei Abtastsignale mit Hilfe von zwei verschiedenen Detektoren erfasst. Aus einem der Abtastsignale wird eine Welligkeitsfunktion ermittelt, die dann auf das andere Abtastsignal angewendet wird, um ein zeitunabhängiges Signal zu generieren. Vorzugsweise handelt es sich bei den verschiedenen Abtastsignalen um Signale aus unterschiedlich reflektierter Strahlung, d.h. in einem Fall aus direkt reflektierter Strahlung und in dem anderen Fall aus diffus gestreuter Strahlung. Die direkt reflektierte Strahlung eignet sich insbesondere zur Erzeugung einer Welligkeitsfunktion, während sich die diffus gestreute Strahlung insbesondere zur Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals eignet.
In Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt wie bereits angesprochen eine Filterung eines zeitabhängigen Abtastsignals zur Ermittlung einer zeitabhängigen Welligkeitsfunktion. Wie oben bereits beschrieben, weisen eine Vielzahl von Gegenständen in den Oberflächenprofilen neben den bekannten Feinstrukturen, die zur Identifizierung und/oder Authentifizierung verwendet werden können, charakteristische, längerwellige Strukturen auf. Diese können zur Korrelation zwischen Zeit und Ort der Abtastung herangezogen werden.
Im Maschinenbau wird die Oberflächenstruktur eines Werkstücks als Gestaltabweichung von der idealen geometrischen Oberfläche, die in der Konstruktion festgelegt wird, behandelt. Nach DIN EN ISO 4760 sind Gestaltabweichungen in sechs Ordnungen eingeteilt. Der Aufteilung in verschiedene Ordnungen der Gestaltabweichung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Gestaltabweichungen verschiedener Ordnungen unterschiedliche Entstehungsursachen haben (können). So wird eine Gestaltabweichung 1. Ordnung als Formabweichung bezeichnet und als mögliche Entstehungsursachen werden Durchbiegung und Führungsfehler in den Werkzeugmaschinen angegeben. Eine Gestaltabweichung 2. Ordnung wird als Welligkeit bezeichnet und als mögliche Entstehungsursachen werden Schwingungen während der Fertigung angegeben. Eine Gestaltabweichung 3., 4. und 5. Ordnung wird als Rauheit bezeichnet und als mögliche Entstehungsursachen werden die Werkzeug-Schneidenform, der Vorschub, Spanbildung, Kristallisationsvorgänge, chemische Einwirkungen und Korrosion angegeben.
Die Zuordnung der in einem gemessenen Oberflächenprofil vorhandenen Gestaltabweichungen zu den genannten Ordnungen erfolgt in der Praxis durch Anwendung eines oder mehrerer Profilfilter. Diesem Vorgehen liegt die Modellvorstellung zugrunde, dass ein Oberflächenprofil aus der Überlagerung von Sinuswellen unterschiedlicher Amplitude, Wellenlänge und Phase beschrieben werden kann. Dementsprechend werden den unterschiedlichen Gestaltabweichungen nach DIN EN ISO 4287:1998 Wellenlängenbänder zugeordnet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, dass es bei einer Vielzahl unterschiedlicher Gegenstände Wellenlängenbänder im Oberflächenprofil gibt, die charakteristische, wiederkehrende Struktur aufweisen, die zur Transformation eines zeitabhängigen in ein ortsabhängiges Signal verwendet werden können. Daneben gibt es Wellenlängenbänder im Oberflächenprofil, die eine charakteristische Struktur aufweisen, die als Fingerabdruck eines Gegenstands verwendet werden kann.
Die zur Transformation geeigneten Strukturen liegen in einem längerwelligen Bereich als die zur Identifizierung nutzbaren Strukturen. Die zur Transformation geeigneten Strukturen werden hier als Welligkeitsfunktion bezeichnet, da sie oftmals im Sinne der DIN EN ISO 4760 aus einer Gestaltabweichung 2. Ordnung resultieren, die als Welligkeit bezeichnet wird. Die Begriffe Welligkeit und Welligkeitsfunktion im Sinne der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die Begrifflichkeiten der DIN EN ISO 4760 beschränkt. Der Begriff Welligkeit soll auch nicht so verstanden werden, dass nur periodische Strukturen hierunter zu verstehen sind. Die Welligkeitsfunktion im Abtastsignal zeichnet sich vielmehr durch Strukturen aus, die im Mittel in bestimmten Abständen auftreten, die für den jeweiligen Gegenstand charakteristisch sind. Schritt (d) dient der Extraktion der Welligkeitsfunktion aus dem Abtastsignal. Eine Möglichkeit der Extraktion stellt die in den Normen DIN EN ISO 4287:1998 und DIN EN ISO 11562: 1997 beschriebene Anwendung von Profilfiltern dar.
Ein Profilfilter trennt das Profil in langwellige und kurzwellige Komponenten. Der in DIN EN ISO 11562: 1997 definierte phasenkorrekte Gaußfilter hat sich im Bereich der Oberflächenmesstechnik etabliert und kann auch in Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Bei Geräten zur Messung der Rauheit, Welligkeit und des Primärprofils (siehe ISO 3274) werden drei Gaußfilter mit gleichen Übertragungscharakteristika aber unterschiedlichen Wellenlängen benutzt: λβ-ΡΓθίΐΙιϊΙΐβπ definiert den Übergang von der Rauheit zu den Anteilen mit noch kürzeren Wellenlängen, die auf der Oberfläche vorhanden sind c -Profilfilter: definiert den Übergang von der Rauheit zur Welligkeit λί-ΡΓθίϊΙίϊΙΐβπ definiert den Übergang von der Welligkeit zu den Anteilen mit noch längeren Wellenlängen, die auf der Oberfläche vorhanden sind.
Das Welligkeitsprofil ist das Profil, das durch das nacheinander Anwenden der λί- und c- Profilfilter auf das Primärprofil entsteht (siehe DIN EN ISO 4287: 1998).
Bei einer Vielzahl von untersuchten Gegenständen wurde gefunden, dass es Strukturen in einem kurzwelligen Band gibt, die zur Erzeugung eines charakteristischen Fingerabdrucks dienen können. Bei vielen Gegenständen würden diese Strukturen im Sinn der DIN EN ISO 4760 als Rauheit bezeichnet werden. Es handelt sich meist um Strukturen, die auf die Eigenart des Materials, das den Gegenstand bildet, zurückzuführen sind. Dies kann z.B. die Faserstruktur von Gegenständen aus Papier sein.
Weiterhin gibt es Strukturen, die in einem längerwelligen Band liegen und die zur Korrelation von Ort und Zeit der Abtastung verwendet werden können. Bei vielen Gegenständen würden diese Strukturen im Sinn der DIN EN ISO 4760 unter die Definition der Welligkeit fallen, die meist bei der Be- oder Verarbeitung des Gegenstands diesem aufgeprägt wird.
Dementsprechend kann die Welligkeitsfunktion bei einer Vielzahl von Gegenständen aus dem zeitabhängigen Abtastsignal durch Anwendung zweier Profilfilter (Xf- und λΰ-ΡΓθίϊΙίϊΙΐβΓ) extrahiert werden.
Es lässt sich im Einzelfall aus den vorliegenden Daten durch Anwenden verschiedener Filter mit unterschiedlichen Übertragungscharakteristiken und/oder unterschiedlichen Wellenlängen empirisch ermitteln, welche Filter angewendet werden müssen, um bei der Abtastung mit einer gleichförmigen, nicht-beschleunigten Bewegung und mit einer konstanten Abtastrate charakteristische „Welligkeitsstrukturen" und „Fingerabdruckstrukturen" zu gewinnen. Ebenso lässt sich empirisch ermitteln, in welchem Reflexionswinkelbereich die„Fingerabdruckstrukturen" und in welchem Reflexionswinkelbereich die„Welligkeitsstrukturen" deutlicher hervortreten. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich dann, welche reflektierte Strahlung (direkt reflektierte und/oder diffus gestreute Strahlung) und wie viele Detektoren zur Aufnahme der reflektierten Strahlung erforderlich sind. In Schritt (e) wird die Welligkeitsfunktion verwendet, um ein zeitabhängige Abtastsignal in ein zeitunabhängigen Signal zu überführen.
Dieser Schritt soll ein einem Beispiel näher erläutert werden; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es weitere Möglichkeiten gibt, ein zeitabhängige Abtastsignal mittels der Welligkeitsfunktion in ein zeitunabhängigen Signal zu überführen.
Es sei angenommen, dass auf der Oberfläche eine periodische Welligkeit vorliegt. Bei einer Abtastung mit einer gleichförmigen, nicht-beschleunigten Bewegung und mit einer konstanten Abtastrate entstehen entsprechende periodische Strukturen im zeitabhängigen Abtastsignal. Wird dieselbe Oberfläche mit einer konstanten Abtastrate aber mit einer beschleunigten Bewegung abgetastet, so resultiert im zeitabhängigen Abtastsignal eine Struktur, deren Wellenlänge mit der Geschwindigkeit der Bewegung abnimmt. Um den Effekt der beschleunigten Bewegung aus dem zeitabhängigen Signal zu eliminieren, müsste das Abtastsignal entlang der Zeitachse in den Abschnitten der beschleunigten Bewegung in einer entsprechenden Weise gestreckt werden, um wieder eine periodische Struktur zu erlangen. Dementsprechend besteht eine Möglichkeit, das zeitabhängige Abtastsignal in ein zeitunabhängigen Signal zu überführen, darin, die ermittelte Welligkeitsfunktion abschnittsweise entlang der Zeitachse so zu strecken und/oder zu stauchen, dass jeweils zwei benachbarte Extrema (Maxima oder Minima) einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Es resultiert eine korrigierte, periodische Welligkeitsfunktion. Anschließend ist das zeitabhängige Abtastsignal in derselben Weise entlang der Zeitachse abschnittsweise zu strecken und/oder zu stauchen. Damit wird das zeitabhängige Signal auf die periodische Struktur der korrigierten Welligkeitsfunktion projiziert. Es resultiert ein zeitunabhängiges Abtastsignal. Dieses wird vorzugsweise noch normiert, indem z.B. dem Abstand zweier Extrema in der korrigierten Welligkeitsfunktion ein willkürlicher Wert von z.B. 100 zugeordnet und die abschnittsweise gestreckte und/oder gestauchte, ehemalige Zeitachse des Abtastsignals in Einheiten von 100*Anzahl der Perioden in der korrigierten Welligkeitsfunktion aufgeteilt wird.
Wird ein Gegenstand zu einem späteren Zeitpunkt erneut abgetastet und aus dem zeitabhängigen Abtastsignal in analoger Weise wie oben beschrieben ein normiertes, zeitunabhängiges Abtastsignal generiert, so sind diese - abgesehen von Messfehlern und Positionierungenauigkeiten - weitgehend identisch und zwar auch dann, wenn die spätere Abtastung mit einer anderen Geschwindigkeit erfolgt als die frühere Abtastung. Aus dem vorzugsweise normierten, zeitunabhängigen Abtastsignal kann dann das Identifizierungsmerkmal generiert werden.
Die beschriebene Vorgehensweise ist auch erfolgreich, wenn ein Gegenstand eine Welligkeit aufweist, die nicht streng periodisch ist. Dadurch, dass das zeitabhängige Abtastsignal bei jeder Abtastung in derselben Weise transformiert wird, resultiert stets ein weitestgehend identisches Signal, das für Vergleichszwecke verwendet werden kann.
Wichtig ist, dass bei jeder Abtastung weitestgehend derselbe Bereich erfasst wird. In den Anmeldungen WO09/097975A1, WO09/097980 und DEl 0200923536.1 sind Möglichkeiten beschrieben, wie der Bereich, der bei der sogenannten Ersterfassung abgetastet worden ist, bei späteren Abtastungen zu Vergleichszwecken wiedergefunden werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Markierung auf dem Gegenstand als Trigger für den Beginn der Abtastung verwendet. Dazu wird der Abtaststrahl über die Oberfläche des Gegenstands geführt und ein Teil der von der Oberfläche reflektierten Strahlung mit Hilfe eines Fotodetektors erfasst. Die Markierung auf der Oberfläche des Gegenstands bewirkt eine Änderung in dem mittels Fotodetektor aufgenommenen Signal. Diese Signaländerung setzt die Aufnahme des Abtastsignals in Gang, d.h. ab Auftreten der Signaländerung wird das zeitabhängige Abtastsignal aufgenommen.
Ebenso ist es denkbar, eine entsprechende Markierung auch für das Ende der Aufnahme des Abtastsignals zu verwenden, indem das Abtastsignal solange aufgezeichnet wird, bis eine charakteristische Signaländerung den Aufzeichnungsprozess stoppt.
Die Markierung kann beispielsweise eine scharfe Kontraständerung sein, die sich beispielsweise durch einen Übergang einer schwarzen Bedruckung hin zu einer weißen Bedruckung ergibt. Aufgrund der hohen Absorption der schwarzen Bedruckung ist die Intensität der am Fotodetektor ankommenden reflektierten Strahlung gering. Beim Übergang von der schwarzen Bedruckung zu einer weißen Bedruckung steigt die Intensität der reflektierten Strahlung sprunghaft an, was als Trigger zum Auslösen der Aufnahme des Abtastsignals verwendet werden kann.
Vorzugsweise werden bereits auf dem Gegenstand vorhandene Markierungen verwendet. Es eignen sich hierzu beispielsweise optische Codes (Barcode, Matrixcode), Logos, Schriften aber auch Kanten. Wie oben bereits beschrieben, kann das vorzugsweise normierte, zeitunabhängige Abtastsignal direkt als Identifizierungsmerkmal verwendet werden. In diesem Fall wird das Identifizierungsmerkmal dem vorzugsweise normierten, zeitunabhängigen Abtastsignal in Schritt (f gleichgesetzt.
In der Regel wird das Identifizierungsmerkmal in Schritt (f) aus dem zeitunabhängigen Abtastsignal durch verschiedene mathematische Methoden wie Filterung und/oder Untergrundabzug erzeugt. Durch diese mathematischen Methoden werden zufällige oder systematische Schwankungen, die aus Einzelmessungen resultieren können, weitestgehend eliminiert. Es ist denkbar, die Welligkeitsfunktion in dem zeitunabhängigen Abtastsignal durch entsprechende Profilfilter zu entfernen, so dass weitestgehend nur die charakteristischen Strukturen zur Identifizierung zurückbleiben. In Schritt (g) des erfindungsgemäßen kann das Identifizierungsmerkmal mit dem Gegenstand verknüpft werden. Eine solche Verknüpfung wird in der Regel bei der erstmaligen Abtastung eines Gegenstands vorgenommen. Die erstmalige Abtastung zur Erzeugung eines ersten Identifizierungsmerkmals wird hier auch als Registrierung bezeichnet. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahren wird ein charakteristischer Fingerabdruck erzeugt, der in Form von vorzugsweise speicherbaren und maschinell verarbeitbaren Daten als eindeutige Kennung für den Gegenstand verwendet werden kann.
Die Verknüpfung in Schritt (g) kann physikalisch oder virtuell erfolgen. Bei einer physikalischen Verknüpfung kann das Identifizierungsmerkmal beispielsweise in Form eines optischen Codes (Barcode, Matrixcode, OCR-Text oder dergleichen) auf den Gegenstand aufgedruckt oder in den Gegenstand eingebracht werden. Ebenso ist es denkbar, den Gegenstand mit einem Aufkleber, der das Identifizierungsmerkmal gespeichert enthält zu verknüpfen. Auch die Anbringung eines elektronischen Datenträgers an den Gegenstand, wie beispielsweise eines RFID-Chips, auf dem das Identifizierungsmerkmal gespeichert ist, ist denkbar.
Bei einer virtuellen Verknüpfung wird beispielsweise eine eindeutige Nummer, die dem jeweiligen Gegenstand zugeordnet ist (ID-Nummer, Chargen-Nummer oder dergleichen) in einer Datenbank mit dem Identifizierungsmerkmal verknüpft. Das Identifizierungsmerkmal kann beispielsweise diese Nummer in einem so genannten Header (Metadaten am Anfang einer Datei) enthalten. Die Verknüpfung sorgt dafür, dass eine klare und eindeutige Zuordnung zwischen Identifizierungsmerkmal und Gegenstand besteht. Anhand des Identifizierungsmerkmals lässt sich eindeutig auf den zugehörigen Gegenstand schließen.
Zu einem späteren Zeitpunkt kann erneut ein Identifizierungsmerkmal von dem Gegenstand erzeugt werden. Dieses zweite Identifizierungsmerkmal kann zur Identifizierung und zur Authentifizierung des Gegenstands herangezogen werden. Details hierzu können den folgenden Anmeldungen entnommen werden: WO09/097975A1, WO09/097974A1, WO09/097979A1 und WO09/097980A1.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
Es zeigen:
Figur 1 (a), (b): Schematische Darstellung zur optischen Abtastung einer Oberfläche
Figur 2: Schematische Darstellung zur optischen Abtastung einer Oberfläche mit einem linienförmigen Strahlprofil Figur 3: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors zur Abtastung von
Oberflächen
In Figur 1 ist schematisch dargestellt, wie die Abtastung eines Oberflächenbereichs mit Hilfe eines Abtaststrahls vollzogen werden kann.
Die Figur zeigt die Oberfläche 1 eines Gegenstands sowie eine Anordnung umfassend eine Quelle für elektromagnetische Strahlung 2 und eine Vielzahl von Detektoren 5 für elektromagnetische Strahlung. Die Oberfläche 1 ist aus Gründen der besseren Anschaulichkeit im Vergleich zu der Strahlenquelle 2 und den Detektoren 5 stark vergrößert dargestellt.
Von der Strahlenquelle kann ein Abtaststrahl 3 auf die Oberfläche 1 des Gegenstands gesandt werden. Der Gegenstand wird in Bezug zur Anordnung aus Strahlenquelle und Detektoren bewegt (gekennzeichnet durch den dicken schwarzen Pfeil). Dabei überstreift der Abtaststrahl die Oberfläche. Der Abtaststrahl wird von der Oberfläche entsprechend dem Reflexionsgesetz reflektiert. Je nach Krümmung der Oberfläche gelangt die reflektierte Strahlung 4 in einen der Detektoren. Auf diese Weise kann die Oberfläche abgetastet und ein Abtastsignal aufgenommen werden. Aus dem Abtastsignal kann die Oberflächenstruktur ermittelt werden. Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zur Abtastung einer Oberfläche. Ein Bereich 7 einer Oberfläche 1 eines Gegenstandes wird mittels einer Quelle für elektromagnetische Strahlung 2 bestrahlt. Ein Teil der reflektierten Strahlung 4 wird mit Hilfe eines Detektors aufgefangen, um ein Abtastsignal aufzunehmen. Der Gegenstand wird in Bezug zur Anordnung aus Strahlenquelle und Detektor bewegt (dargestellt durch den dicken schwarzen Pfeil). In der Oberflächenebene liegt ein linienförmiges Strahlprofil vor, dessen längere Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung liegt.
Figur 3 zeigt beispielhaft einen Teil einer Vorrichtung (Sensor) zur Abtastung einer Oberfläche. Dieser Sensor umfasst einen Block 10 mit einer ausgewiesenen Außenfläche 15. Diese ausgewiesene Außenfläche - im Folgenden kurz Außenfläche genannt - ist bei der Abtastung auf die Oberfläche des entsprechenden Gegenstands gerichtet.
Der Block 10 dient der Aufnahme aller optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors. Er weist mindestens zwei Durchführungen 11, 12 auf, die in Richtung auf die ausgewiesene Außenfläche aufeinander zulaufen. Die erste Durchführung 11 verläuft in einem Winkel γ in Bezug zur Normalen 16 der Außenfläche (kurz Außenflächennormale) und dient der Aufnahme der Quelle für elektromagnetische Strahlung.
Eine zweite Durchführung 12 verläuft in einem Winkel δ in Bezug zur Außenflächennormalen 16 und dient der Aufnahme eines Fotodetektors. Die Beträge der Winkel γ und δ sind vorzugsweise gleich.
Die Beträge der Winkel γ und δ liegen im Bereich von 5° bis 90°, bevorzugt im Bereich 20° bis 80°, besonders bevorzugt im Bereich 30° bis 70°, ganz besonders bevorzugt im Bereich 40° bis 60°.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind ein oder zwei weitere Durchführungen 13, 14 vorhanden, die zur Aufnahme eines oder zweier weiterer Fotodetektoren dienen. Diese sind in einem Winkel 8i und/oder ε2 zur zweiten Durchführung 12 angeordnet. Die Größe der Winkel ει und/oder e2 beträgt 1° bis 20°, vorzugsweise 5° bis 15°.
Im vorliegenden Beispiel ist der Sensor dazu geeignet, bei der optischen Abtastung einer Oberfläche sowohl direkt reflektierte als auch diffus gestreute Strahlung zu erfassen. Die direkt reflektierte Strahlung wird mit Hilfe eines Detektors in der Durchführung 12 erfasst, während die diffus gestreute Strahlung mit Hilfe zweier Detektoren in den Durchführungen 13 und 14 erfasst wird.
Vorzugsweise liegen alle Durchführungen in einer Ebene, um eine kompakte Bauform des Sensors zu ermöglichen. Die Verwendung eines Blocks mit zwei bis vier Durchführungen zur Aufnahme einer Strahlenquelle und von einem oder von mehreren Fotodetektoren bietet den Vorteil, dass die optischen Komponenten einfach aber dennoch in einer definierten Weise zueinander angeordnet werden können. Bevorzugt befindet sich in der Durchführung für den Laser ein Anschlag. Gegen diesen Anschlag wird die Strahlenquelle in die Durchführung geschoben, so dass sie eine vorgegebene feste Position in Bezug zum Block und den Fotodetektoren einnimmt. Die weiteren Durchführungen zur Aufnahme von Fotodetektoren können ebenfalls mit einem Anschlag versehen werden.
Der Block kann in einfacher Weise z.B. mittels Spritzgussverfahren aus Kunststoff ein- oder zweistückig gefertigt werden.
Der Sensor kann über ein Gehäuse verfügen, in das der Block eingebracht ist. In das Gehäuse des Sensors werden vorzugsweise weitere Komponenten eingebracht, z.B. die Steuerungselektronik für die Strahlenquelle, Signalvorverarbeitungselektronik, komplette Auswerteelektronik und Ähnliches. Das Gehäuse dient bevorzugt auch der Verankerung eines Verbindungskabels, mit dem der erfindungsgemäße Sensor mit einer Steuereinheit und/oder eine Datenerfassungseinheit zur Steuerung des Sensors und/oder zum Erfassen und Weiterverarbeiten der charakteristischen Reflexionsmuster verbunden werden kann.
Der Sensor kann optional über ein Fenster verfügen, das vor, hinter oder in der Außenfläche angebracht ist und die optischen Komponenten vor Beschädigung und Verschmutzung schützt. Bevorzugt bildet das Fenster die Außenfläche des Sensors. Das Fenster ist zumindest für die Wellenlänge der verwendeten Strahlung zumindest teilweise transparent.
Der Sensor in Figur 3 ist weiterhin dadurch charakterisiert, dass sich die Mittelachsen der Durchführungen in einem Punkt 18 schneiden, der außerhalb des Blocks in einem Abstand von 2 bis 10 mm von der Außenfläche liegt. Zur Abtastung der Oberfläche eines Gegenstandes wird der erfindungsgemäße Sensor entsprechend in einem Abstand über diesen Gegenstand geführt, so dass der Fokuspunkt und Schnittpunkt der Mittelachsen auf der Oberfläche des Gegenstandes liegt.
Bei dem genanntem Abstandsbereich von 2 bis 10 mm ist die Positionierung der abzutastenden Oberfläche eines Gegenstands gegenüber der Strahlenquelle und den Fotodetektoren einfach und hinreichend genau möglich. Bei einem zunehmenden Abstand zwischen Sensor und Gegenstand muss der Winkel des Sensors gegenüber der Oberfläche des Gegenstandes zunehmend genau eingehalten werden, um einen vorgegebenen Bereich der Oberfläche erfassen zu können, so dass die Anforderungen an die Positionierung steigen.
Weiterhin nimmt die Strahlungsintensität mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle ab, so dass bei einem zunehmenden Abstand zwischen Sensor und Gegenstand die entsprechend verringerte am Gegenstand ankommende Strahlungsintensität durch eine höhere Leistung der Strahlungsquelle kompensiert werden müsste.
Bezugszeichen:
1 Oberfläche
2 Quelle für elektromagnetische Strahlung
3 Abtaststrahl
4 reflektierter Strahl
5 Fotodetektor
6 linienförmiges Strahlprofil
7 abgetasteter Bereich
10 Block
11 erste Durchführung zur Aufnahme einer Strahlenquelle
12 zweite Durchführung zur Aufnahme eines Fotodetektors
13 weitere Durchführung zur Aufnahme eines Fotodetektors
14 weitere Durchführung zur Aufnahme eines Fotodetektors
15 Außenfläche
16 Außenflächennormale
18 Fokuspunkt

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Identifizierungsmerkmals eines Gegenstands, mindestens umfassend die folgenden Schritte:
(a) Richten eines elektromagnetischen Strahls auf eine Oberfläche des Gegenstands,
(b) Relatives Bewegen des elektromagnetischen Strahls und des Gegenstands zueinander, so dass der elektromagnetische Strahl einen Weg auf der Oberfläche zurücklegt,
(c) Aufnehmen eines Teils der während der relativen Bewegung von der Oberfläche des Gegenstands reflektierten Strahlung als Funktion der Zeit unter Erhalt mindestens eines Abtastsignals,
(d) Extrahieren einer zeitabhängigen Welligkeitsfunktion aus einem Abtastsignal,
(e) Transformieren eines Abtastsignals in ein zeitunabhängiges Signal unter Verwendung der Welligkeitsfunktion,
(f) Ermitteln eines Identifizierungsmerkmals aus dem zeitunabhängigen Signal,
(g) optional Verknüpfen des Identifizierungsmerkmals mit dem Gegenstand.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Strahl monochromatisch ist und im sichtbaren oder infraroten Bereich liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil auf dem Gegenstand linienförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldicke im Bereich von 20 μιη bis 100 μιη, bevorzugt im Bereich von 30 μιη bis 80 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 40 μιη bis 70 μιη, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 50 μιη bis 60μιη liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welligkeitsfunktion durch Anwenden zweier Profilfilter aus dem Abtastsignal erzeugt wird, wobei der erste Profilfilter längerwellige Anteile und der zweite Profilfilter kürzerwellige Anteile eliminiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in den Schritten (d) und (e) genannten Abtastsignalen um ein und dasselbe Abtastsignal handelt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (c) zwei Abtastsignale erfasst werden, wobei aus einem der Abtastsignale eine Welligkeitsfunktion extrahiert wird, die dann auf das andere Abtastsignal angewendet wird, um ein zeitunabhängiges Signal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtastsignal aus direkt reflektierter Strahlung resultiert, während das andere Abtastsignal aus diffus gestreuter Strahlung resultiert.
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