TWI770728B - 包含用於識別包括標記的吸煙製品的光學投射系統之電動吸煙裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種氣溶膠產生消耗品製品（1），該氣溶膠產生消耗品製品包括佈置在所述製品（1）之表面上的至少一個標記（10），該至少一個標記含有關於該製品（1）之編碼資訊。該編碼資訊在可讀代碼元素之至少一個陣列中實現，該等可讀代碼元素在被光學放大讀取器系統（200）照射時係可讀的，所述可讀代碼元素具有每平方毫米所述標記（10）至少10個元素的密度。本發明還關於一種被配置用於接納消耗品製品（1）之氣溶膠產生裝置（2）。該氣溶膠產生裝置（2）包括光學放大讀取器系統（200），該光學放大讀取器系統被配置用於在檢測器（30）上提供所述標記（10）的至少部分之光學放大圖像，並讀取所述編碼資訊，以識別該消耗品製品（1）之正宗性。

Description

包含用於識別包括標記的吸煙製品的光學投射系統之電動吸煙裝置
本發明關於煙草領域，更具體地關於再造煙草和氣溶膠產生製品。本發明進一步關於吸煙裝置，特別是關於一種電加熱的電子煙液系統或電加熱的氣溶膠產生系統。
近年來，基於氣溶膠產生消耗品製品之電子煙已變得流行。主要有兩種類型：液體蒸發器和加熱的煙草吸入器裝置。加熱的煙草吸入器裝置被稱為「加熱不燃燒」系統（HNB）。與電子煙相比，它們提供了更正宗的煙草風味，電子煙藉由加熱包括氣溶膠形成劑、香料並且通常包括尼古丁的液體裝料來遞送可吸入氣溶膠。HNB系統之工作原理係加熱包括氣溶膠形成物質（比如，甘油和/或丙二醇）的煙草材料，該氣溶膠形成物質在加熱期間汽化並產生蒸氣，該蒸氣從煙草材料提取尼古丁和風味成分。煙草物質被加熱到200°C與400°C之間，低於常規香煙之正常燃燒溫度。吸入器裝置典型地是被配置用於接納桿狀消耗品製品之掌上型加熱器。
氣溶膠產生製品（無論是標準香煙、電子煙液還是HNB製品）的非法貿易是個問題，因為假冒製品尤其可能品質低劣，或者在電子煙液或HNB消耗品製品的情況下，可能不適於確定的吸煙系統。為了識別氣溶膠產生消耗品製品是否是正宗製品，可以在製品之外表面上佈置含有關於製品的資訊的代碼或等同標誌，以便在使用中或使用之前藉由某裝置來檢測到。這允許檢查消耗品製品之正宗性，並且在否定檢查的情況下，關掉與之一起使用的加熱系統。因此，期望標記還可以含有吸入器裝置應使用的特定參數的資訊（比如，理想溫度範圍或隨時間變化的加熱曲線）；或允許向吸煙者提供不同吸煙味道或強度的參數的資訊。為了提供對消耗品製品（比如，HNB製品）上的代碼的準確認證，識別概率應極高，以使得合適商品將不會被否定。然而，現有標記受到其中可能包含的低密度資訊之限制，並且大多數已知標記依賴於經典代碼（比如，1維或2維條碼），該等代碼可以在不使用特定光學儀器的情況下例如藉由人眼簡單看到代碼而容易被拷貝。
先前技術中已經提出各種嘗試來提供可認證氣溶膠產生製品。例如，US 20190008206 A1揭露了一種吸煙製品，該吸煙製品在吸煙製品之外表面上包括標記，該標記代表一種類型的吸煙製品並且可以呈可為一維或二維條碼的圖案之形式。該標記包括不同灰階，該等灰階可以藉由以具有較小大小的點印刷而產生。這種標記可容易檢測和複製，並且可以僅包含小密度資訊，或者應具備不可接受的大的大小。由於缺乏空間，US 20190008206 A1所描述之系統局限於在標記附近具有檢測器之簡單光學讀取器。此外，US 20190008206 A1之光學讀取器由於對讀取器之檢測器的可能損壞而無法在裝置之加熱器附近使用，這限制了在吸煙製品上佈置標記的位置。
文獻WO 2019185747 A1揭露了一種吸煙製品，該吸煙製品包括指示與製品相關聯之參數的標誌佈置或標記，以使得標誌元素圍繞製品之周邊延伸。另外，該參考文獻揭露了一種光學感測器裝置，該光學感測器裝置被配置用於讀取被接納在用於產生氣溶膠之設備的腔室內的製品之標記。光學感測器可以位於中空管中，並且可以與製品接觸，或者可為相對於製品可伸縮的，以提供較廣的視野。WO 2019185747 A1所描述之組態限於簡單的光學感測器檢測，比如，光電二極體檢測強度或顏色，因此可讀標記具有簡單類型的例如條碼或反射表面，或者可以包括螢光特徵。這樣，WO 2019185747 A1中的標記可以容易拷貝和複製。
在US 20160302488 A1中，描述了一種吸煙製品，該吸煙製品在吸煙製品之外表面上包括標記。該標記可以呈一維/二維條碼之形式。該代碼包括藉由噴霧施加的標記的層之可識別光譜簽名。光譜簽名被光學讀取器檢測到，該光學讀取器係佈置在非常有限的空間中並且靠近吸煙裝置之腔體的簡單光學讀取器。由於缺少位置，僅可以使用簡單的濾光器，因此US 20160302488 A1所描述之系統限於僅檢測簡單的光譜或顏色，或者限於使用一個或多個窄帶濾光器。因此，由US 20160302488 A1之系統提供的光譜效果容易拷貝或複製。
因此，需要一種允許認證氣溶膠產生製品（比如，HNB、吸蒸氣和吸煙製品）的改進之技術。具體地，基於包括高得多的資訊密度的代碼或標記的認證將是較佳的，以提高認證品質並使得難以偽造製品。此外，還期望光學讀取器之至少檢測器部分維持低於50°C，典型地是在溫室下。先前技術的系統限於簡單的代碼，因為僅可以使用簡單的光學讀取器並且需要不能緊靠吸煙裝置之加熱器的標記。
本發明之發明人已經藉由提供一種氣溶膠產生製品找到上文討論問題之解決方案，該氣溶膠產生製品具有光學讀取器，該光學讀取器包括佈置在氣溶膠產生裝置之可用空間中的光學放大系統。本發明之裝置允許提供光學解決方案來檢測並識別包含在佈置在氣溶膠產生製品上或其中的標記中的資訊，該等資訊可以包括放在所述標記附近的簡單光學讀取器無法讀取的高密度編碼資訊。此外，在實施方式中，本發明允許提供一種藉由光學系統讀取標記之解決方案，該光學系統可以具有佈置在氣溶膠產生裝置的加熱器附接或與之接觸的部分。
因此，在第一方面，本發明關於一種氣溶膠產生消耗品製品，該氣溶膠產生消耗品製品包括佈置在所述製品之表面（即，內表面或外表面）上的至少一個標記，該至少一個標記含有該製品的編碼資訊。該編碼資訊在可讀代碼元素之至少一個陣列中實現，該等可讀代碼元素在被光學放大讀取器系統照射時可讀。該等可讀代碼元素具有每平方毫米標記至少10個元素的密度。
因此，根據本發明之氣溶膠產生消耗品製品被佈置成包括標記，在不使用必須至少放大該標記的圖像的光學系統之情況下，該標記的細節很難或不可能用人眼檢測到。
在實施方式中，所述可讀代碼元素係結構性和/或彩色代碼元素。使用結構性和/或彩色代碼元素使得標記的複製更加困難。在變體中，該等代碼元素中的至少三個具有不同顏色。該等代碼元素可為黑色或灰色，並且可以具有可為如1976 CIE色度圖所定義的任何顏色的顏色。該等代碼元素可為形狀、尺寸不同的非均勻代碼元素並且具有不同光學特性。在標記中使用各種不同代碼元素使得識別和偽造更加困難。
在實施方式中，所述標記之至少一個部分包括具有不同顏色的至少八個代碼元素。使用至少八個不同代碼元素允許將標記複雜化，並提供大量的嵌入資訊。
在實施方式中，該等代碼元素之至少一部分係不穩定的代碼元素。使用不穩定的代碼元素允許提供以下解決方案：提供關於氣溶膠產生製品之使用的資訊，比如，消耗時間或關於製品之加熱（例如，最高溫度）的資訊。
在實施方式中，所述標記的至少一部分包括波導。提供基於波導的標記允許提供難以識別並且使複製更加困難的標記，因為這需要如由本發明之裝置提供的特定投射系統。
在第二方面，本發明進一步關於一種氣溶膠產生裝置，該氣溶膠產生裝置包括佈置在本體外部中的電源和限定了腔體軸線之腔體。該本體部具有被配置用於接納如上所述之消耗品製品的開口。該氣溶膠產生裝置進一步包括限定了入射孔口的光學放大讀取器系統，並且包括至少一個聚焦光學元件和至少一個檢測器。該光學放大讀取器系統佈置在該本體外部中，並且被配置用於將所述標記的至少一部分之光學放大圖像提供到所述檢測器，並讀取所述編碼資訊。該氣溶膠產生裝置進一步包括控制單元，該控制單元被配置用於基於由該光學放大讀取器系統在提供在該消耗品製品上的標記中讀取的資訊內容來認證該消耗品製品。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統的放大因子係至少為因子2、較佳的是至少為因子10、更較佳的是至少為因子20、甚至更較佳的是至少為因子50。藉由提供包括高密度編碼元素的標記，允許提供關於產品的大量資訊，並且同時使得標記的識別和複製非常困難。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統包括至少一個凹面光學反射鏡。使用凹形反射鏡允許減少所需光學部件之數量。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統包括被配置用於調適其焦距的至少一個可調適光學元件。使用可調適光學器件允許提供可變聚焦。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統包括佈置在所述入射孔口與所述檢測器之間的光學波導。在該光學放大系統之路徑中提供波導允許將該檢測器背離加熱器放置。
在實施方式中，所述至少一個凹形光學反射鏡係對稱中心位於所述腔體軸線上的環形反射鏡，並且其中所述檢測器是使其對稱中心位於所述腔體軸線上的環形檢測器。結合佈置在消耗品製品之整個圓周上的標記使用軸對稱投射系統提供了一種檢測方法，該檢測方法與該消耗品相對於該光學系統之軸向取向無關。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統被配置用於讀取佈置在所述氣溶膠產生消耗品製品上的至少兩個標記。使用佈置在消耗品製品上的多於一個標記允許提供關於消耗品製品的更多資訊，並且使得產品之識別和複製更加困難。
在實施方式中，所述光學放大讀取器系統包括至少一個偏振器。使用由該一個或多個標記提供的偏振效果允許提供關於消耗品製品的更多資訊，並且使得產品之複製非常困難。
在實施方式中，所述檢測器放在該氣溶膠產生裝置之隔熱區域中，使得在操作中，該檢測器的溫度保持低於45°C。將該檢測器放置在可以藉由周圍的空氣或隔熱材料隔熱的隔熱區域中，使得該檢測器不加熱，從而避免了加熱問題，比如，光學檢測的損壞或穩定性。
將參考特定實施方式並參考附圖來描述本發明，但是本發明不限於此。所描述的附圖僅是示意性的，而非限制性的。在附圖中，出於展示的目的，一些元素的大小可能被誇示並且沒有按比例繪製。尺寸和相對尺寸並不對應於對本發明之實踐的實際縮減。
將在以下示例中關於包括氣溶膠產生材料的包含煙草裝料之氣溶膠產生消耗品製品1來描述本發明，但是本發明之範圍不應被解釋為限於基於煙草的消耗品製品，而是應涵蓋任何氣溶膠產生消耗品製品，比如，吸煙製品、加熱不燃燒製品、電子煙液煙彈和霧化煙彈，它們包括能夠在加熱時產生可吸入氣溶膠的氣溶膠產生基質。根據本發明之氣溶膠產生消耗品製品1可以具有或不具有對稱軸線，並且可以具有任何形式或形狀，比如長圓柱形或球形、或者梁之形式。如圖1至圖8所示，根據本發明之氣溶膠產生消耗品製品1包括至少第一部分1b和第二部分1a，該第一部分包括佈置在外表面上的標記10，該第二部分附接到第一部分，第二部分1a可以形成吸嘴以供使用者吸入在將氣溶膠產生消耗品製品1插入氣溶膠產生裝置2之加熱腔體中之後加熱第一部分1b時產生的氣溶膠。製品1包括另外的部分1c，該部分不包括標記10。標記10可以佈置到所述另外的部分1c之一個或兩個側面上（圖7，圖8）。
本發明藉由氣溶膠產生製品1來實現，並且還藉由氣溶膠產生裝置2來實現。本發明進一步藉由包括所述氣溶膠產生裝置2之系統來實現，該氣溶膠產生裝置包括插入所述氣溶膠產生裝置2中的氣溶膠產生製品1。本文詳細描述了所述系統的氣溶膠產生裝置2和氣溶膠產生製品1。
如在此使用的，術語「氣溶膠產生材料」是指能夠在加熱時釋放揮發性化合物的材料，該材料可以形成氣溶膠。從氣溶膠產生材料產生的氣溶膠可為可見的或不可見的，並且可以包含蒸氣（例如，呈氣態的物質微粒，在室溫下通常是液體或固體）以及氣體和冷凝蒸氣的液滴。
氣溶膠產生製品1之第一部分1b可以包括被佈置到包裹物3中的氣溶膠產生材料之裝料，但不是必需如此。術語「包裹物3」被廣義地定義為保護和容納氣溶膠產生材料之裝料並允許處理此材料之任何結構或層。包裹物3具有可以與氣溶膠產生材料接觸之內表面，並且具有背離氣溶膠產生材料之外表面。包裹物3可以較佳的是包括基於纖維素的材料，比如紙，但是也可以由可生物降解的聚合物製成，或者可以由玻璃或陶瓷製成。包裹物可為多孔材料，並且可以具有光滑或粗糙之外表面5，並且可為柔性材料或硬質材料。包裹物3可以構成光學不透明或部分透明的光學層。在紙的情況下，包裹物3在可見光和紅外光下係部分透明的，並且在UV下可為部分透明的。包裹物3可以包括孔口。所述標記10可以至少部分地佈置在至少一個孔口前方，該至少一個孔口被提供在包裹物3之表面上。
術語「標記10」被定義為含有關於氣溶膠產生製品1的資訊之元素或結構，並且典型地佈置在製品1之表面上。該表面可為製品1之外表面或內表面，比如，屬於製品的包裹物之表面。標記10可以嵌在製品1內部。此外，可以在所述製品1上或其內佈置多於1個標記10。
如在此使用的，術語「放大率M」（也被定義為放大因子）是指所產生的圖像B至少與待成像物體A（標記或標記的一部分）一樣大。放大率M = 由b/a = B/A確定，並且因此大於或等於1。A和B分別係待成像的標記或標記部分之大小，並且B係像平面中的圖像之大小。
成像藉由光學系統來實現，該光學系統具有標記到聚焦系統之物距a，該物距小於聚焦系統與像平面之間的像距b，即，b ≧ a，其中a和b藉由1/f = 1/a + 1/b相關，f係裝置的光學讀取器的聚焦系統之焦距。通常應理解的是，圖像大小B不一定必須等於用於檢測圖像的檢測器之大小。檢測器可以在至少一個截面中具有比所產生圖像更小或更大的大小。
與先前技術的包括標記的製品相比，本發明之標記10的代碼元素或結構單獨很難或不可能被人的肉眼檢測或識別。本發明之高密度標記需要一種光學讀取器系統，該光學讀取器系統提供至少與待檢測標記的一部分之大小一樣大的圖像大小。例如，簡單的條碼依賴於光學縮小系統，這意味著放大因子小於1。原因是廣視野必須由光學成像系統提供。在本發明中，視野較小，因為旨在檢測具有極高代碼密度的標記或標記部分。因此，需要為至少一的放大率M（M ＞ 1），但典型地大於2、直至100或更大，如進一步所述。因此，本發明之裝置良好適合於檢測佈置在製品之圓周上的標記。本發明之裝置還可以被配置用於檢測並測量沿著製品之縱向方向佈置的標記，這需要根據預定角取向或者藉由使用被配置用於圍繞腔體112旋轉的光學讀取器的至少可旋轉部分來插入製品的裝置。
標記10可為不同類型的，其中一些將在下文進一步詳細描述。適用於根據本發明之氣溶膠產生製品1的2D或3D標記10之典型類別包括但不限於： -   反射或繞射標記10； -   反射和繞射標記10； -   包括超表面的標記10； -   全息標記10； -   偏振敏感標記10； -   包括至少一個標記波導（比如，諧振波導光柵（RWG）的標記10，該至少一個標記波導佈置到標記10上或其中； 出於設計和/或安全目的，標記10可為部分透明的標記10。它可以被進一步配置成使得它在被照射時提供的光學效果獨立於氣溶膠產生製品1相對於固定照明源之軸向位置。
此外，任何標記10可以佈置在基材上，該基材佈置在所述包裹物之表面上和/或藉由任何物理或化學手段實現到所述包裹物上或實現到所述製品1中；
在較佳的實施方式中，標記10可為不穩定的標記，即，它們可以隨著時間或氣溶膠產生製品1或裝置中的物理和化學條件而改變。
標記10的特別有利的形式係至少一個標記被配置為諧振波導光柵（RWG）之形式。例如，在以下文獻中描述了RWG： - A.Sharon等人的「可見光和近紅外輻射的諧振光柵波導結構（Resonating grating-waveguide structures for visible and near-infrared radiation）」，J.Opt.Soc.Am” vol.14，nr.11，第2985至2993頁，1997年。
在標記10中使用RWG允許提供極其難以識別和複製的獨特光學效果。由於它們的週期性小，因此它們不允許各種繞射級，這使它們不同於更簡單的繞射光學元件（DOE）。
當然，在本發明之背景下，如前所述之不同類型的所述典型類別的標記10之組合係可預測的。
標記10可以佈置在製品1之圓周的一部分上，或者可以佈置在整個圓周上（例如，在圖1至圖4中）。它可以包括高密度的編碼元素，該等編碼元素可以嵌入比如佈置在所述標記10中或其上的繞射結構或薄波導或全息圖等結構中或該等結構的陣列中。代碼元素還可為佈置在標記10上或其內的吸收結構或層。代碼元素還可為偏振敏感的結構。
提供給本發明之氣溶膠產生製品的標記10可以被佈置用於提供預定直接反射效果，比如，在被光源提供的光束照射時，提供可以具有不同光譜和/或不同反射角度的多個光束。反射光束可為以任何繞射級投射的繞射光束。標記10可以在其表面或兩側中的至少一個上包括結構，並且可以包括嵌入標記10的層內部之結構。例如，繞射結構可以提供在標記10之外表面上。光束可為準直光束、或者可為大孔徑光束，並且可為發散或會聚光束。
編碼資訊在可讀代碼元素的至少一個陣列中實現，該等可讀代碼元素在被如下文在各種示例中描述的光學放大讀取器系統200照射時係可讀的。可讀代碼元素陣列具有每平方毫米所述標記10至少10個元素的密度。較佳的是，可讀代碼元素陣列具有每平方毫米所述標記10超過20個、更較佳的是超過50個元素的密度。
標記10可以根據結構的2D或3D佈置來佈置，並且可以具有任何形狀，比如，正方形或矩形帶。較佳的是，所述帶包括佈置在所述製品1之整個圓周上的冗餘碼元素的陣列。術語「冗餘的」在本文中是指標記10包括迭代代碼元素陣列或代碼元素塊，並且可以由固定的光學放大讀取器200讀取，而與製品1相對於光學放大讀取器系統200之位置（比如，角位置）無關。這可以藉由例如但不限於標記10來實現，該標記由反射或繞射結構陣列、吸收結構陣列或諧振波導陣列或其組合構成。
除了防偽特性之外，期望標記10還可以包含應被吸入器裝置使用的特定參數的資訊（比如，理想溫度範圍、或隨時間變化的加熱曲線）、或允許向吸煙者提供不同吸煙味道或強度的參數的資訊。
本發明之裝置和系統的特別受關注的應用在於檢測並測量標記10之結構性元素的3D形狀。為了從該等標記10檢測資訊，如果本發明係強制性的，則裝置2需要高放大因子M，至少大於1、典型地大於10。在實施方式中，標記10係噴墨印刷元件，比如，具有明確定義和預定形狀或3D尺寸的印刷圓頂。這藉由現有的噴墨機器係可行的，並且可以應用在典型的紙質包裹物3上。可以實現噴墨沈積，以使得印刷圖形或圓頂具有明確定義的預定形狀。標記10可以納入光子晶體以提供獨特光學特性，比如反射效果。讀取器系統可以包括檢測所印刷噴墨元素的形狀的器件。這種器件可以藉由以下光學配置來實現，該光學配置基於由具有不同觀察軸線的兩個檢測器進行的靜態檢測；或者還可以藉由以下讀取器系統來實現，該讀取器系統包括可移動投射透鏡或允許檢索關於印刷元件的3D形狀的資訊之任何光學微系統。比如提供小於1的放大率的毫米級相機等光學檢測系統不允許進行這種檢測。
根據圖1所示之第一實施方式，光學放大讀取器系統200包括凹面反射鏡20，該凹面反射鏡被裝配用於將標記10之放大圖像10’提供到檢測器30上，該檢測器定位在放大系統200之像平面中。在圖1之變體中，檢測器30可以被配置用於檢測標記10之光譜反射率，或者可以被配置用於提供標記10的至少一部分之圖像。在有利的實施方式中，標記10包括冗餘光學結構，並且被配置到整個圓周上，使得標記之光學效果與氣溶膠產生製品相對於佈置在光學放大讀取器系統200中的固定光源40之取向無關。在變體中，檢測器30可以佈置在裝置2之腔體112中。
使用光學放大讀取器系統200允許提供氣溶膠產生裝置2，該等氣溶膠產生裝置可以根據如上所述之不同類型之高密度標記10來佈置，並且允許提供該等氣溶膠產生裝置2的很大設計靈活性，以應對比如所需光學讀取器系統的部件（比如，檢測器）的極其有限的可用空間等問題以及加熱問題。
如本文所描述之光學放大讀取器系統200被配置用於傳輸電磁輻射，典型地具有包含UV、可見光和整個紅外（IR）範圍的波長的輻射。
光學放大讀取器系統200可以包括但不限於： -   折射元件，例如，單透鏡或複合透鏡、稜鏡、分束器、菲涅耳透鏡； -   反射元件，例如，平坦反射鏡或凹面反射鏡； -   繞射元件，例如，在透明襯底上實現的繞射透鏡， -   由超表面提供光學功能的光學元件； -   電可定址元件，比如，MEMS裝置 、或該等元件的組合。
光學放大讀取器系統200將根據標記10之類型以及幾何要求和溫度要求來選擇，並且典型地但不限於係以下選擇： 在圖中未展示之實施方式中，光纖可以佈置在光學讀取器系統200中。例如，波導之入射面可以定位在投射系統之像平面中，並且標記10的此放大圖像10’的光的一部分可以傳輸到被配置用於檢測導向光之強度和/或光譜的遠處檢測器30。在變體中，可以提供用於在像平面中掃描或切換波導之入射面的器件。在圖中未展示的變體中，波導可以佈置在光源40與所述標記之間。這種配置允許藉由由波導之外耦合表面提供的光束來照射標記。
可以佈置到光學放大讀取器系統200中的波導可為但不限於： -   單光纖10：用於傳輸強度、偏振和光譜資訊； -   光纖束10：用於傳輸圖像和照明光束； -   平坦波導10：用於傳輸強度、偏振和光譜資訊以及傳輸圖像和照射光束。
本文所描述之所有實施方式還可以適於將由佈置在光學放大讀取器系統200中的光源40、42提供的照射光束傳輸到背離標記10的一側。這可以藉由使用例如分束器或半透明反射鏡來實現。在比如顯微鏡等光學系統中佈置照明光束是眾所周知的，並且在本文中不再進一步描述。
「光學放大讀取器200」包括放大因子大於1的光學投射系統和至少一個檢測器。檢測器30可為單一檢測器、檢測器陣列、包括光學元件和電子器件的檢測器系統，或者可為或包括成像器和/或微型光譜儀。
「光源40、42」可為可以提供較佳的是在UV（紫外光）、可見光或紅外光（IR）範圍中的光束的任何光源40、42。光源可為例如LED或半導體雷射器。光源不一定必須是電力驅動光源，並且因此可以例如是加熱器的一部分或區域或者係氣溶膠產生裝置和/或消耗品製品的提供紅外線光束的熱部分。
在被光源40照射時，氣溶膠產生製品1之標記10產生投射光束410，該投射光束可為反射、透射或繞射光束。投射光束410在被第一聚焦元件20反射或折射或繞射之後提供至少一個次要光束420，該次要光束直接透射到檢測器30上，或者藉由使用例如單一或複合反射、折射或繞射元件、分束器或該等元件的組合透射到檢測器上。
接著，所述投射光束410被接收在檢測系統（也被定義為「檢測器30」）上，該檢測系統包括用於將由氣溶膠產生製品之至少一個標記10提供的光學資訊轉換為電信號或數據的器件，該電信號或數據可以用於識別製品和/或標識與氣溶膠產生裝置2之參數相關的資訊，例如，在裝置2的操作中應為所述製品1使用的參數。檢測系統30可以包括單一檢測器或檢測器陣列，或者可以包括視覺系統。檢測系統30還可以包括彩色濾光片或微型光譜儀。
氣溶膠產生製品1上的光學資訊可以由佈置在製品1上的標記10或佈置在所述氣溶膠產生製品1內部的標記10提供。光學放大系統200在氣溶膠產生裝置2的操作中將標記10提供的光學效果傳輸到所述檢測系統。
現在詳細描述展示典型變體之另外實施方式。
圖2展示了光學放大系統200之示意性截面，該光學放大系統包括分束器50（BS）和兩個檢測器30、32。在變體中，如圖所示，系統200可以包括兩個偏振器P1、P2，以允許根據例如兩個正交偏振平面來提供標記10之偏振資訊。使用偏振效果允許提供更複雜的標記10，並且使得標記10之編碼資訊的標識更加難以識別和複製。
在一些變體中，可能有必要提供具有重要放大因子（例如，因子10、超過20或超過50）的投射系統200。這可以藉由基於長光學投射路徑之實施方式（比如，圖3所展示的實施方式）來實現。由於在典型氣溶膠產生裝置中缺少空間，藉由使用至少一個次要偏轉反射鏡22來使光路偏轉，該次要偏轉反射鏡可為平坦反射鏡或曲面反射鏡。在未在此展示之變體中，光學放大系統可為基於反折射配置。這允許提供緊湊的光學系統，同時提供長的投射長度以及因此高放大因子。
圖4展示了標記係相同標記10至15的陣列之實施方式。在變體中，標記10至15之所述陣列可為被配置用於將相同資訊投射到檢測器系統30的不同標記。這可以藉由使用具有寬角孔徑的第一聚焦元件20來實現。在圖4所展示的變體中，可以使用多於1個偏轉反射鏡22、24來提供高投射長度。圖4中的實施方式展示了主要投射光束410藉由3個相繼會聚光束412、414、416引導到檢測器30的示例。
圖5示出了氣溶膠產生裝置2之實施方式，其中插入了包括兩個不同標記10、11的氣溶膠產生製品1。每個標記10、11與佈置在光學放大讀取器系統200中的光學投射系統200’、200’’相關聯。第一光學投射系統200’佈置在製品的包括標記11的部分1b的橫截面之平面中，並且第二投射系統200’’被佈置成相對於所述第一投射系統200’成一定角度。如圖5所展示，所述角度較佳的是正交的。
圖6示出了光學放大讀取器系統200的截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括被佈置用於向標記10提供沿著氣溶膠產生製品1之表面傳播的掠入射光束400之光源40。在操作中，掠入射光束400與標記10光學地相互作用，並提供投射光束410，該投射光束典型地相對於所述掠入射光束400成90°來引導。使用掠入射光束400允許向檢測器30提供標記10的具有大對比度的圖像10’。使用掠入射之照明技術（比如，在顯微鏡或影像處理儀器中使用）是已知的，並且在本文中不再進一步描述。在圖6所展示之有利實施方式中，濾光器F1至F3可以插入投射光束或次要光束410、420中。在圖6之示例中，標記10包括點，該等點在被白色光束照射時各自具有特定顏色。在圖6中，僅出於展示的目的，顏色或光譜特性由波長符號λ1至λ3表示。代碼元素可為黑色或灰色元素，並且可以具有如1976 CIE色度圖所定義的任何顏色。如果需要放大系統，則難以識別或複製密集結構（比如，點、細線或符號）之組合陣列（其中該等結構具有不同的形狀和/或光譜特性），這是如本文所描述的本發明之目標。
圖7示出了光學放大讀取器系統之示意性3D圖，該光學放大讀取器系統包括面向檢測器31至39之軸向對稱的盤形陣列的中空凹形軸向對稱反射器20。為清楚起見，圖7展示了從所述反射器20反射的兩個示例性會聚反射光束410’、410’’。這種配置允許提供不依賴於製品1之軸向取向的放大系統，只要標記10包括如前所述之冗餘光學結構或陣列即可。檢測器31至39可為單一檢測器，或者各自可為檢測器陣列。
圖8示出了光學放大讀取器系統之實施方式的截面之示意圖，該光學放大讀取器系統被配置用於檢測包括兩個標記11、13的標記10之放大圖像的疊加。像圖8所示的實施方式特別受關注，因為至少兩個標記之光學效果的疊加需要放大系統200，並且難以識別和複製。在變體中，顏色或偏振效果可以組合在圖8的系統200中，從而使得標記之讀取和識別更加複雜，並且因此難以複製。
圖9示出了光學放大讀取器系統200的橫截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括藉由使用同一共用光路、藉由入射光束400’照射標記10並同時檢測由此標記10提供的光束420之光學分束器BS。一些包裹物（比如，紙包裹物）在可見光範圍中並且特別在光譜之紅外部分中係部分透明的。在圖9之實施方式中使用了這種特性，其中標記10佈置在製品1的包裹物之內表面處或附近。標記可以由具有預定形狀的物質104製成，比如，圖9之插圖中所展示的鐘形標記100。在圖9的實施方式中，光藉由光學放大系統200聚焦在所述標記上。入射光400’之相互作用提供了反射或漫射光束410，該反射或漫射光束被光學放大讀取器系統200重新收集並投射到檢測器30上。在變體中，標記10可以包括具有與標記的其餘部分不同的光學特性的部分102。例如，部分102可為反射部分102，該反射部分在像平面10’中提供反射部分102的一個或多個光峰值特徵。在完全透明的包裹物3或沒有包裹物的製品1的情況下，標記之輪廓易於檢測。甚至在部分擴散包裹物（比如，薄層紙）的情況下，也可以檢測嵌入標記的幾何和光譜或強度資訊。例如，可以藉由使用光束410來檢測由嵌入結構100、102、104散射的光的特定後向散射特性，該光束被元件100、102、104後向反射或散射，並且如圖9所展示透射穿過所述包裹物。在不使用光學放大系統200的情況下，這是不可能的或者至少係極其困難的，並且將無法提供可靠的資訊。提供嵌入標記100使得偽造更加困難，因為從氣溶膠產生製品1之外部看不到標記。
圖10示出了包括微透鏡陣列20的光學放大讀取器系統200的之實施方式的截面之示意圖。使用微透鏡20a至20d之陣列20允許提供非常緊湊的光學投射系統200。在圖10和圖11的佈置中，微透鏡陣列20之每個微透鏡20a至20d將投射光束和標記10的部分10a至10d之放大圖像提供到檢測器30上。每個部分10a至10d可以在檢測器30之對應部分30a至30d上成像，如圖10所展示。所述檢測器部分30a至30d可為單一檢測器元件或者可為檢測器陣列。檢測器30可以被配置用於檢測標記10之完整圖像，或者可以被配置用於檢測標記10的每個部分10a至10d之光學特性。例如，檢測器元件30a可以檢測第一標記部分10a之光譜特性。在另一示例中，檢測器部分10a被配置用於檢測所述第一標記部分10a之圖像10’。在變體中，檢測器30之一部分可以被配置用於檢測強度和/或光譜資訊，而另一部分可以被配置用於提供圖像。例如，中心檢測器部分30b至30c可以提供兩個標記元素10b、10c之圖像，並且其餘檢測器部分30a、30d可以被配置用於檢測由對應標記部分10a、10d提供的顏色或強度效果。
圖11示出了光學放大讀取器系統200的截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括整體光學放大系統，該整體光學放大系統包括整體集成的微透鏡之陣列。圖11之實施方式特別受關注，因為它允許提供非常緊湊的放大系統200。典型的高度t1和橫向尺寸t2、t3可以小於5 mm、較佳的是小於3 mm，使得放大系統200（包含光源40和檢測器30在內）的總體積可以小於100 mm3 、小於30 mm3 。在變體中，整體投射系統200可以基於稜鏡狀基材，其中由標記提供的投射光420藉由稜鏡元件之反射表面RS上的全內反射被引導到集成檢測器30。光源40可以適配在反射表面RS上，並且照射光束400可以經由反射表面RS折射，如圖所展示。
在圖11的實施方式之變體中，濾光器或其他元件可以集成在位於檢測器30之檢測器陣列30’’前方或與之接觸的層30’中。在本發明之所有實施方式中，聚焦元件之焦距f此根據聚焦元件的期望放大率和期望孔徑來選擇的。圖11展示了所需的公式1/f =1/a + 1/(b1 + b2) ，其中f係聚焦元件之焦距，a係標記10與聚焦元件20之入射面之間的距離，並且b = b1 + b2係聚焦元件20與像平面10’之間的距離。在焦距f、所需孔徑、總尺寸、材料選擇和成像光學系統的成本之間做出正確的選擇在光學器件領域係眾所周知的，並且在本文中不再進一步描述。
在旨在進一步減小總尺寸和生產成本之實施方式中，可以使用比如超表面等光學結構來實現所需光學元件中的一些，比如，第一聚焦元件20。使用超表面來製造例如超透鏡允許顯著地減小投射系統的大小以及它們的成本，因為它們可以使用典型的微技術工藝進行浴處理。使用超表面允許在平坦基材上集成透鏡陣列，並且可以被實現為第一聚焦元件20和/或如果需要的話在檢測器30前方。使用超表面的優點在於提供平面微透鏡陣列，其他微結構可以提供在該等平面微透鏡陣列上，比如到第一聚焦平面超表面透鏡陣列20的背面之針孔陣列。這允許提供擋板結構，從而顯著地減少不同光學投射光束之間的串擾，並因此提高像平面10’中的投射圖像之對比度。可以實現使用例如超透鏡之超透鏡投射儀系統200。在示例中，超透鏡被設計成與波長為532 nm的單色光一起使用。超透鏡可以具有2 mm的直徑和0.7 mm的焦距，並且能夠將線寬為2µm且線的中心間距離為4µm的標記10成像並進行分辨。
使用超表面來實現平坦光學器件例如在以下回顧文章中描述：N.Yu和F.Capasso，「具有設計者超表面的平坦光學器件（Flat optics with designer metasurfaces）」；自然材料13，第139頁（2014年）。
此外，在變體中，如果檢測器30必須遠離熱表面而定位，則可以在標記10與第一聚焦元件20之間佈置較佳的是提供1 : 1圖像的中繼透鏡或曲面中繼反射鏡。這允許將第一聚焦元件和檢測器30更遠離熱表面定位在較佳的是所述中繼透鏡之焦距的兩倍距離處。
在本文所描述之所有實施方式（未展示）中，光源40、42可以被佈置用於提供透射穿過製品1的整個直徑之光束400。該等變體在氣溶膠產生製品1中特別有用，其中製品1的截面之紅外透明度在紅外波長範圍中至少部分地例如大於1%、更較佳的是大於5%。
通常應理解，光學讀取器系統200可以包括可定址光學元件，比如可以位於入射或投射光路之一中的翻轉反射鏡或MEMS部件。包括例如濾光器或微型光譜儀的其他變體可以集成在所述氣溶膠產生裝置2中。在變體中，氣溶膠產生裝置2包括顯示器，該顯示器被配置用於顯示由本發明之製品的標記10提供的資訊。
應理解的是，在本發明之所有實施方式中，光學放大讀取器系統可以包括束成形元件或器件，用於主動修改光束之路徑和/或形狀和/或孔徑。例如，可以實現可定址MEMS反射鏡。MEMS裝置可以非常小，即，小於10-20 mm3 ，並且可以被實現用於掃描標記10的部分，或者收集由具有不同取向的光束提供的光，比如可以由包括繞射光柵或RWG的標記提供的光。 實際實現的示例
圖12展示了實現包括加熱器2’和光學讀取器的裝置之示例，該光學讀取器包括基於使用波導1000的圖像放大系統，該波導包括繞射聚焦內耦合器2002和繞射外耦合器2004。在變體中，內耦合器2002可為與外耦合器2004相同的結構。為圖12清楚起見，標記10之照射源未示出，並且可為LED，或者由波導提供的光、例如藉由使用來自位於波導的包括外耦合區域的這端的LED的內耦合光部。光可以藉由波導之楔形部或者藉由被佈置到波導1000之任何區域的第三繞射內耦合器在波導1000中內耦合。圖12之實施方式中的標記10具有迭代冗餘結構10a的佈置，該等重複冗餘結構具有明確定義的形狀，從而不僅提供關於包裹物的表面上的2D佈置的資訊，還提供關於結構之高度輪廓的資訊。光學系統被佈置成使得其角孔徑始終捕獲標記10的部分P之圖像，使得可以不依賴於製品1插入裝置2之腔體112中時的角取向，檢測到嵌入標記10中的代碼。
藉由使用靜態投射系統，可以檢測到標記的結構的2D佈置或2D形狀。在圖12的有利佈置中，使用平坦波導1000來提供標記10的部分P之放大圖像10’。部分P可以具有500 µm或小於250 µm的最大寬度。用先前技術的光學系統不能從該等小區域P檢測到詳細資訊。先前技術的、包括視覺系統的氣溶膠產生裝置係基於廣視野成像器，即，它們係圖像縮小光學系統，因此放大因子M小於1。
藉由垂直於腔體112之軸線來移動波導1000，或者藉由對波導1000之端部分的至少一側施加輕微旋轉Ɵ1、Ɵ2，光學讀取器可以檢索關於標記10的結構之3D形狀的資訊。該等結構可以藉由例如噴墨印刷來實現，從而允許在例如紙包裹物上提供良好控制的沈積點。圖14展示了沿著如圖13所展示的截面P1截取的部分P的兩個元件之高度測量。
在圖12之實際實現中，投射距離b由波導之長度b1和投射距離b2（即，波導之外耦合區域與檢測器之間的距離）構成。標記10到包括比如繞射光柵等聚焦元件的內耦合窗口之距離a遠小於總投射距離b（= b1 + b2）。總投射距離b典型地為45 mm，並且a典型地為3 mm，從而證明放大因子M為15，即，M = b/a = 45/3 = 15。
在變體中，圖12的佈置可以藉由不依賴於光學波導的其他投射系統來實現，如前所述。使用至少一個波導1000的優點在於，容易將波導彎折並對其一端施加旋轉Ɵ1、Ɵ2。旋轉Ɵ1、Ɵ2和可能的橫向移動∆小，典型地分別小於5度（Ɵ1、Ɵ2）和100µm（∆）。這可以藉由例如壓電或靜電驅動機構來實現。
1:氣溶膠產生消耗品製品 1:氣溶膠產生製品 1:製品 2:氣溶膠產生裝置 3:包裹物 5:外表面 10:標記 11:標記 20:第一聚焦元件 22:偏轉反射鏡 30:檢測器 40:光源 42:光源 100:鐘形標記 100:嵌入結構 100:嵌入標記 102:反射部分 104:嵌入結構 112:腔體 200:光學放大讀取器系統 400:掠入射光束 410:投射光束 420:次要光束 1000:波導 2002:內耦合器 2004:外耦合器 10a:第一標記部分 10b,10c:標記元素 1a:第二部分 1b:第一部分 1c:另外的部分 30a-30d:檢測器元件 30a-30d:檢測器部分 30a-30d:檢測器部分
[圖1]示出了氣溶膠產生裝置的部分縱向截面之示意圖，該氣溶膠產生裝置包括光學放大讀取器系統。
[圖2]示出了本發明之光學放大讀取器系統的部分縱向截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括分束器和至少兩個檢測器。
[圖3]示出了本發明之光學放大讀取器系統的實施方式之示意圖。
[圖4]示出了氣溶膠產生裝置的橫向截面的俯視圖之示意圖，該氣溶膠產生裝置包括被配置用於讀取佈置在標記的陣列中的標記的光學放大讀取器系統。
[圖5]示出了氣溶膠產生裝置的橫向截面的俯視圖之示意圖，該氣溶膠產生裝置包括被配置用於讀取佈置在氣溶膠產生製品的至少兩個表面上的標記之光學放大讀取器系統。
[圖6]示出了光學放大讀取器系統的縱向截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括被佈置用於向標記提供沿著氣溶膠產生製品的表面傳播的掠入射光束之光源。
[圖7]示出了光學放大讀取器系統之示意性透視圖，該光學放大讀取器系統包括面向檢測器之軸對稱陣列的中空凹形軸對稱反射器。
[圖8]示出了光學放大讀取器系統的縱向截面之示意圖，該光學放大讀取器系統被配置用於檢測兩個標記的放大圖像的疊加。
[圖9]示出了光學放大讀取器系統的橫向截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括藉由使用同一共用光路來照射標記並同時檢測由此標記提供的光的光學分束器。
[圖10]示出了包括微透鏡陣列的光學放大讀取器系統的截面之示意圖。
[圖11]示出了光學放大讀取器系統的截面之示意圖，該光學放大讀取器系統包括整體光學放大讀取器，該整體光學放大讀取器包括集成的微透鏡陣列和檢測器。
[圖12]示出了根據本發明之示例性裝置的截面。該實施方式之光學讀取器包括光學波導，用於提供其輸出處的放大圖像。
[圖13]示出了本發明之製品的標記的一部分之放大視圖。
[圖14]展示了圖13所展示之標記的這部分的兩個結構性元件之檢測高度輪廓。
無
1:氣溶膠產生消耗品製品
1a:第二部分
1b:第一部分
1c:另外的部分
2:氣溶膠產生裝置
10:標記
10’:放大圖像
20:第一聚焦元件
30:檢測器
40:光源
110:本體外部
112:腔體
113:開口
114:腔體軸線
120:電源
200:光學放大讀取器系統
400:掠入射光束
420:次要光束

Claims (15)

  1. 一種氣溶膠產生消耗品製品(1)，包括佈置在所述製品(1)之表面上的至少一個標記(10)，該至少一個標記含有關於該製品(1)的編碼資訊，其中，所述編碼資訊在可讀代碼元素之至少一個陣列中實現，該等可讀代碼元素在被光學放大讀取器系統(200)照射時係可讀的，所述可讀代碼元素具有每平方毫米所述標記(10)至少10個元素的密度。
  2. 如請求項1所述之消耗品製品(1)，其中，所述可讀代碼元素係結構性和/或彩色代碼元素。
  3. 如請求項1或2所述之消耗品製品(1)，其中，該等彩色代碼元素中的至少三個具有不同顏色。
  4. 如請求項3所述之消耗品製品(1)，其中，所述標記(10)之至少一個部分包括具有不同顏色的至少八個代碼元素。
  5. 如請求項1或請求項2所述之消耗品製品(1)，其中，該等代碼元素之至少一部分係不穩定的代碼元素。
  6. 如請求項1或請求項2所述之消耗品製品(1)，其中，所述標記(10)之至少一部分包括波導(1000)。
  7. 一種氣溶膠產生裝置(2)，包括佈置在本體外部(110)中的電源(120)和限定了腔體軸線(114)的腔體(112)，所述本體部分(110)具有開口(113)，該開口被配置用於在插入如請求項1至6中任一項所述之消耗品製品(1)時接納所述製品(1)， 其中，該氣溶膠產生裝置(2)進一步包括限定了入射孔口(200a)的光學放大讀取器系統(200)，並且包括至少一個聚焦光學元件和至少一個檢測器(30，32)，所述光學放大讀取器系統(200)佈置在該本體外部(110)中、並且被配置用於在所述檢測器(30，32)上提供所述標記(10)之至少一部分的放大了等於或大於1的放大因子的光學放大圖像，並讀取所述編碼資訊，並且其中，該氣溶膠產生裝置(2)進一步包括控制單元(250)，該控制單元被配置用於基於由該光學放大讀取器系統(200)在佈置在該消耗品(1)上的該標記(10)中讀取到的資訊內容來識別該消耗品製品之正宗性。
  8. 如請求項7所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統之放大因子係至少為因子2。
  9. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統(200)包括至少一個凹面光學反射鏡(20)。
  10. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統(200)包括被配置用於調適其焦距的至少一個可調適光學元件。
  11. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統(200)包括佈置在所述入射孔口(200a)與所述檢測器(30，32)之間的光學波導(1000)。
  12. 如請求項11所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學波導(1000)包括繞射光內耦合器(2002)和/或繞射光外耦合器(2004)。
  13. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統(200)被配置用於讀取佈置在所述氣溶膠產生消耗品製品(1)上的至少兩個標記(11，13)。
  14. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述光學放大讀取器系統(200)包括至少一個偏振器(P1，P2)。
  15. 如請求項7或請求項8所述之氣溶膠產生裝置(2)，其中，所述檢測器(30，32)放在所述裝置(2)中，使得在該裝置(2)的操作中，所述檢測器的溫度保持低於45℃。
TW109145153A 2019-12-20 2020-12-18 包含用於識別包括標記的吸煙製品的光學投射系統之電動吸煙裝置 TWI770728B (zh)

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