WO2010040422A1 - Optischer sensor - Google Patents

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WO2010040422A1
WO2010040422A1 PCT/EP2009/002809 EP2009002809W WO2010040422A1 WO 2010040422 A1 WO2010040422 A1 WO 2010040422A1 EP 2009002809 W EP2009002809 W EP 2009002809W WO 2010040422 A1 WO2010040422 A1 WO 2010040422A1
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WO
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range
sensor
radiation
sensor according
microns
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Application number
PCT/EP2009/002809
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WO2010040422A8 (de
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Markus Gerigk
Thomas Birsztejn
Ralf IMHÄUSER
Christian Roth
Walter Speth
Simon Vougioukas
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Bayer Technology Services Gmbh
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Publication date
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Priority to US13/122,170 priority patent/US20110176137A1/en
Priority to EP09776545A priority patent/EP2338148A1/de
Priority to JP2011530376A priority patent/JP2012505532A/ja
Publication of WO2010040422A1 publication Critical patent/WO2010040422A1/de
Publication of WO2010040422A8 publication Critical patent/WO2010040422A8/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • 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
    • G07D7/06—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 using wave or particle radiation
    • G07D7/12—Visible light, infrared or ultraviolet radiation
    • G07D7/121—Apparatus characterised by sensor details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
    • B42D—BOOKS; BOOK COVERS; LOOSE LEAVES; PRINTED MATTER CHARACTERISED BY IDENTIFICATION OR SECURITY FEATURES; PRINTED MATTER OF SPECIAL FORMAT OR STYLE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DEVICES FOR USE THEREWITH AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; MOVABLE-STRIP WRITING OR READING APPARATUS
    • B42D25/00—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof
    • B42D25/20—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof characterised by a particular use or purpose
    • B42D25/29—Securities; Bank notes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
    • B42D—BOOKS; BOOK COVERS; LOOSE LEAVES; PRINTED MATTER CHARACTERISED BY IDENTIFICATION OR SECURITY FEATURES; PRINTED MATTER OF SPECIAL FORMAT OR STYLE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DEVICES FOR USE THEREWITH AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; MOVABLE-STRIP WRITING OR READING APPARATUS
    • B42D25/00—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof
    • B42D25/30—Identification or security features, e.g. for preventing forgery
    • B42D25/328—Diffraction gratings; Holograms
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/08—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code using markings of different kinds or more than one marking of the same kind in the same record carrier, e.g. one marking being sensed by optical and the other by magnetic means
    • G06K19/083—Constructional details
    • G06K19/086—Constructional details with markings consisting of randomly placed or oriented elements, the randomness of the elements being useable for generating a unique identifying signature of the record carrier, e.g. randomly placed magnetic fibers or magnetic particles in the body of a credit card
    • 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
    • G07D7/06—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 using wave or particle radiation
    • G07D7/12—Visible light, infrared or ultraviolet radiation
    • B42D2035/50—

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor for detecting characteristic reflection patterns caused by randomly distributed and / or oriented micro-reflectors.
  • the invention further relates to the use of a sensor according to the invention for the identification and / or authentication of objects.
  • Security elements are preferably inseparably connected to the objects to be protected. The attempt to separate the security elements from the object preferably leads to their destruction, so that the security elements can not be misused.
  • the authenticity of an object can be verified by the presence of one or more security elements.
  • Optical security elements such as e.g. Watermarks, specialty inks, guilloche patterns, micro-typefaces and holograms are established worldwide.
  • An overview of optical security elements, which are particularly but not exclusively nii the Dokurnentenschutz suitable, is the following book: Rudolf L. van Renesse, Optical Document Security, Third Edition, Artech House Boston / London, 2005 (pp 63-259).
  • optically variable security elements that produce a different visual impression under different viewing angles.
  • Such security elements have, for example, optical diffraction structures which reconstruct different images at different viewing angles. Such effects can not be reproduced with the normal and widely used copying and printing techniques.
  • Embossed holograms are characterized in that the light-diffracting structure is converted into a three-dimensional relief structure, which is transferred to a stamping mold.
  • This embossing mold can be embossed as a master hologram in plastic films. This makes it possible to produce a large number of security elements cost-effectively.
  • the disadvantage, however, is that security elements thus produced always have the same embossed hologram.
  • the embossed holograms are indistinguishable.
  • DE 102007044146Al a transparent thermoplastic material is described, in which so-called metal identification platelets are introduced with a maximum length of less than 200 microns and a thickness of 2-10 microns.
  • the material may be in the form of sheets in card-shaped data carriers such as e.g. Identity cards can be used as a security element.
  • the metal identification platelets may have through holes and diffractive structures.
  • DE 102007044146A1 describes that the authenticity of an object can be checked by observing the metal identification platelets under a microscope.
  • a disadvantage of a microscopic authenticity check is the high expense. Complete coverage of the supply chain requires fast and reliable proof of authenticity at various points.
  • Barcodes are pure features for the recognition and tracking of an object, which have no security features. They are easy to copy and fake.
  • a combination of product tracking features and anti-counterfeiting features provide RFID chips, but their use is limited because of their relatively high cost, slow read speed, and sensitivity to electromagnetic interference. It would therefore be desirable to be able to read a security element by machine in order to enable automated product tracking along the supply chain on the one hand, and to be able to perform a mechanical authentication check on the other hand.
  • the object is to provide a device that allows identification and / or authentication of an object based on individual characteristics.
  • the device should be able to be used for product tracking.
  • the device should be simple and inexpensive to manufacture, intuitive and easy to use, flexible in use and extensible, deliver reproducible and transferable results, and be ready for mass production.
  • the materials described in DE102007044146A1 can be uniquely identified and authenticated on the basis of the random distribution and / or orientation of the metal identification platelets.
  • the metal identification plates are irradiated with electromagnetic radiation.
  • the radiation reflected at different angles on the randomly distributed and / or oriented metal identification platelets is detected by means of suitable detectors.
  • the reflection pattern thus obtained is characteristic of the random distribution and / or orientation of the metal identification platelets and allows the unique identification and / or authentication of an article to which the metal identification platelets are connected.
  • metal identification tags are generally referred to as microreflectors.
  • the present invention relates to a sensor for detecting a characteristic reflection pattern caused by irradiation of an article comprising randomly distributed and / or oriented micro-reflectors.
  • the sensor according to the invention comprises at least the following components:
  • a source of electromagnetic radiation arranged so that electromagnetic radiation can be transmitted to the object at an angle ⁇
  • a photodetector for receiving reflected radiation arranged to detect the radiation reflected from the object at an angle ⁇
  • the sensor according to the invention is designed so that electromagnetic radiation can be sent at an angle ⁇ to a surface of an object.
  • the angle ⁇ refers to the normal to the surface, ie perpendicular to the surface of the object standing straight line - also referred to below as surface normal.
  • the angle ⁇ is in the range of 0 to 60 °, preferably in the range of 15 ° to 40 °, more preferably in the range of 20 ° to 35 ° and most preferably in the range of 25 ° to 30 °.
  • all sources of electromagnetic radiation which emit radiation which is at least partially reflected by the microreflectors used can be used in the sensor according to the invention as source of electromagnetic radiation or radiation source.
  • partial reflectivity is meant a reflectivity of at least 50%, i. At least 50% of the irradiated radiation intensity is reflected by the micro-reflectors.
  • the electromagnetic radiation used must be able to penetrate the material at least partially, i.
  • the material must be at least partially transparent to the electromagnetic radiation used.
  • partial transparency is meant a transmissivity of at least 50%, i. At least 50% of the irradiated radiation intensity penetrates the material.
  • the radiation source preferably emits electromagnetic radiation in the range from 300 nm to 1000 nm, preferably in the range from 350 nm to 800 nm.
  • the sensor according to the invention comprises 1 to 6 radiation sources, preferably 1 to 4 radiation sources, particularly preferably 1 or 2 radiation sources.
  • laser diodes are preferred as the radiation source.
  • Laser diodes are well known; They are semiconductor devices in which a p-n junction is operated with heavy doping at high current densities. The choice of semiconductor material determines the emitted wavelength. Preferably, laser diodes are used which emit visible radiation.
  • Class 1 or 2 lasers refer to the laser protection classes according to the standard DIN EN 60825-1: Lasers are classified in classes according to the danger to eyes and skin. Class 1 includes lasers whose irradiation values are below the maximum permissible irradiation values, even during continuous irradiation. Class 1 laser scanners are not hazardous and do not require any further protective measures other than the corresponding marking on the device. Class 2 includes lasers in the visible range, where exposure below 0.25 ms is harmless to the eye (the duration of 0.25 ms corresponds to a blinking reflex affecting the eye can automatically protect against prolonged irradiation). In a particularly preferred embodiment, class 2 laser diodes having a wavelength between 600 nm and 780 nm are used.
  • the sensor according to the invention is designed so that the electromagnetic radiation reflected by the object at one or more angles can be detected by means of one or more photodetectors.
  • the sensor according to the invention is moved at a constant distance relative to an object comprising microreflectors.
  • the object is irradiated by means of electromagnetic radiation. Since the surface of the object directly reflects part of the radiation, no photodetectors are present in the region of the radiation reflected by the surface according to the invention. The radiation reflected directly from the surface of the object is so strong that additional reflections from microreflectors are difficult or even impossible to recognize. Rather, to increase the signal-to-noise ratio, the photodetectors are in an area where they detect the reflected radiation from such microreflectors whose reflective surfaces are not parallel to the surface of the object.
  • microreflectors whose reflective surfaces are not parallel to the surface of the article, also has the advantage that counterfeiting with e.g. vapor-deposited metal spots, which are always parallel to the surface of the object, can be reliably detected.
  • the location of the reflective surface with respect to a surface of the article is also referred to herein as orientation.
  • At least one photodetector is arranged at an angle ⁇ to the surface normal, wherein the amounts of the angles ⁇ and ⁇ are different (
  • photodetectors in the sensor according to the invention are arranged at an angle ⁇ around the directly reflected beam.
  • the size of the angle ⁇ is dependent on the choice of the size of the angle ⁇ .
  • the size of the angle ⁇ is in the range of 5 ° to 60 °, preferably in the range of 5 ° to 30 °, particularly preferably in the range of 10 ° to 20 °, where always should apply:
  • the magnitude of the angle ⁇ is in the range of
  • the number of photodetectors m in the sensor according to the invention is 1 to 6 per radiation source, preferably 1 to 4 per radiation source, more preferably 1 to 2 per radiation source.
  • 2 photodetectors are used per radiation source, which are arranged at an angle Y 1 and ⁇ 2 around the beam reflected directly from the surface.
  • ⁇ i - ⁇ 2 .
  • the photodetectors and the associated radiation source preferably lie in one plane.
  • Photodiodes are semiconductor diodes that convert electromagnetic radiation at a p-n junction or pm transition through the internal photoelectric effect into an electrical current.
  • a phototransistor is a bipolar transistor with a pnp or npn layer sequence whose pn junction is accessible to the base-collector barrier layer for electromagnetic radiation. It resembles a photodiode with connected amplifier transistor.
  • the sensor according to the invention has optical elements which generate an annular beam profile.
  • optical elements refers to those components which are arranged in the beam path between a source of electromagnetic radiation and at least one photodetector and are used to change the beam profile (focusing, beam shaping). In particular, these are lenses, apertures, diffractive optical elements and the like.
  • a beam profile is understood to mean the two-dimensional intensity distribution in the cross section.
  • the cross section lying in the plane in which microreflectors are located.
  • the cross section is in the focal point of the sensor.
  • the intensity is highest in the cross-sectional center of the beam and decreases toward the outside.
  • the gradient of the intensity in a beam-shaped beam profile is in a first direction lowest, while highest in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the intensity distribution of the linear beam profile is preferably symmetrical, so that the cross-sectional profile in the focal point can be characterized by two mutually perpendicular axes, one of which runs parallel to the highest intensity gradient and the other parallel to the lowest intensity gradient.
  • the width of a cross-sectional profile-or also beam width- is understood to be the distance from the center of the cross-sectional profile in the direction of the lowest intensity gradient at which the intensity has dropped to half of its value in the center.
  • the thickness of a cross-sectional profile-or jet 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 fallen to half of its value in the center.
  • the beam width and the beam thickness are preferably adjusted to the size and concentration of the microreflectors in the material whose reflection pattern is to be detected.
  • the beam thickness is preferably in the order of magnitude of the average size of the microreflectors.
  • the beam width is preferably of the order of the mean distance between two microreflectors.
  • An average size is understood as the arithmetic mean. In terms of magnitude, it is understood that two quantities differ or are equal to one another by a factor smaller than 10 and larger than 0.1.
  • the beam width is in the range of 2.5 mm to 7 mm, preferably in the range of 3 mm to 6.5 mm, more preferably in the range 4 mm to 6 mm and most preferably in the range 4, 5 mm to 5.5 mm.
  • the beam thickness is in the range of 5 ⁇ m to 1000 ⁇ m. To achieve a high signal-to-noise ratio and to dissolve fine structures, a small beam thickness of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m is advantageous.
  • the signal-to-noise ratio increases, as the intensity is distributed over a smaller area. With decreasing size of the cross-sectional profile even finer structures can be resolved. Empirically, it has been found that as the size of the cross-sectional profile decreases, however, it becomes increasingly difficult to achieve reproducible signals. Apparently, this is because the material with the micro-reflectors can no longer be positioned sufficiently accurately with respect to the decreasing cross-sectional profile.
  • the preferred beam thickness is in a focused on the object beam in the range of 5 microns to 50 microns, preferably in the range of 10 microns to 40 microns, more preferably in the range of 20 microns to 30 microns.
  • the focal point is located at a distance of 0.5 to 10 mm from the sensor.
  • a very compact design of the sensor according to the invention can be realized by omitting a focusing of the beam by means of lenses. Instead, using a
  • the beam thickness is in the range of 200 .mu.m to 1000 .mu.m, preferably in the range of
  • the beam width in the range of 2 mm to 5 mm, preferably in the range of 2.5 mm to 3.5 mm.
  • the sensor according to the invention preferably has means for connecting a plurality of sensors or for connecting a sensor to a holder.
  • the sensor preferably has positive connection means on one side and negative connection means on an opposite side, so that a sensor can be connected in a defined manner on both sides with a further sensor in each case, with the further sensors in turn on the still free sides other sensors can be connected.
  • This modular principle allows the connection of a plurality of sensors in a predetermined manner. For example, protrusions which can be plugged into recesses as negative connection means come into consideration as positive connection means. Other known to the expert connecting means such as insertion rails or the like are conceivable.
  • Several sensors are preferably interconnected so that the beam widths of all sensors are arranged along a line.
  • connection of two or more sensors is reversible, i. it is solvable.
  • the connecting means can also be used to attach the sensor according to the invention to a holder.
  • ⁇ By connecting multiple sensors, it is possible to record more reflection data for a constant acquisition duration, thereby increasing the security of identification and / or authentication.
  • connected sensors will have multiple areas in it
  • Time interval irradiated and reflected radiation detected Accordingly, larger amounts of data are recorded which characterize the object. This increases the accuracy with which an item from a large number of similar items can be securely identified and authenticated.
  • the inventive, releasable combination of multiple sensors offers the user the
  • a device comprising two or more sensors, which are reversibly connected to each other directly or via a spacer, is also an object of the present invention.
  • the sensor has a housing into which the optical components are introduced.
  • the housing of the sensor other components can be introduced, for example, the control electronics for a laser, signal preprocessing electronics, complete evaluation 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 sensor preferably also has a window which, together with the housing, protects the optical components from damage and contamination.
  • the window is at least partially transparent to the wavelength of the radiation source used.
  • the sensor according to the invention is suitable in combination with a control and data acquisition unit for identifying and / or authenticating objects.
  • the present invention thus also relates to the use of the sensor according to the invention in a method for identifying and / or authenticating an object.
  • Identification is understood as a process that serves to uniquely recognize a person or an object.
  • Authentication is the process of verifying (verifying) an alleged identity.
  • the authentication of objects, documents, persons or data is a statement that they are authentic - that is, they are unchanged, not copied and / or not faked originals.
  • the article to be identified and / or authenticated includes microreflectors attached to and / or incorporated within the article and randomly distributed and / or oriented.
  • the micro-reflectors can be connected to the object itself.
  • a security element e.g., a tag
  • Examples of such security elements are described in DE 102007044146A1 or in the not yet disclosed application PCT / EP2009 / 000450.
  • a microreflector is characterized in that it comprises at least one surface which reflects incident electromagnetic radiation in a characteristic manner.
  • the characteristic reflection is characterized in that electromagnetic radiation having at least one wavelength is reflected in at least one direction predetermined by the angle of incidence, wherein the proportion of the reflected radiation with the at least one Wavelength is greater than the sum of the portions of the absorbed and transmitted radiation of at least one wavelength.
  • the degree of reflection of the at least one surface is therefore greater than 50%, wherein the degree of reflectance, the ratio of the intensity of the electromagnetic radiation having at least one wavelength which is reflected from the surface, based on the intensity of the electromagnetic radiation having the at least one wavelength on the surface hits, it is understood.
  • a reflective surface is referred to as a reflective surface.
  • the reflective surface of a micro-reflector has a size between l * 10 "14 m 2 and 1 * 10 5 m 2.
  • the size of the reflecting surface in the range of l * 10" 12 m 2 and 1 * 10 -6 m 2 , more preferably between 1 * 10 "10 m 2 and 1 * 10 " 7 m 2 .
  • the microreflectors have a maximum length of less than 200 microns and a thickness of 2-10 microns, with a round, elliptical, or n-square shape with n ⁇ S.
  • Elliptic is here and below not to be understood in the strict mathematical sense.
  • a rectangle or parallelogram or trapezoid or generally n-corner with rounded corners is here and below also understood to be elliptical.
  • the microreflectors contain at least one metallic component. It is preferably a metal from the series aluminum, copper, nickel, silver, gold, chromium, zinc, tin or an alloy of at least two of said metals.
  • the microreflectors may be coated with a metal or alloy, or may be made entirely of a metal / alloy.
  • metal identification platelets as described by way of example in WO 2005/078530 A1, are used as microreflectors. They have reflective surfaces. If a large number of such metal identification platelets are randomly distributed and / or oriented in a transparent layer, a characteristic reflection pattern results upon irradiation of the transparent layer, which can be used for identification and authentication.
  • Random distribution and / or orientation means that the position of individual microreflectors and / or the orientation of individual microreflectors within the transparent layer can not be foreseen by the production process.
  • the methods described in DE 102007044146Al for producing a thermoplastic material containing microreflectors are suitable for random distribution and / or Orientation of microreflectors in a transparent layer to produce.
  • the location and / or orientation of individual microreflectors is subject to random fluctuations in the manufacturing process. The location and / or orientation of individual microreflectors therefore can not be easily reproduced.
  • microreflectors have a preferred position and / or orientation. To this preference and / or preferential orientation is a distribution, which can be determined by the manufacturing process. However, the position and / or orientation of individual microreflectors remains uncertain.
  • the microreflectors have the property that they reflect electromagnetic radiation of at least one wavelength when an arrangement of an electromagnetic radiation source, at least one reflective surface of at least one microreflector and a detector for the reflected electromagnetic radiation obeys the law of reflection.
  • the method of authenticating an item includes at least the following steps:
  • step (G) issuing a notification of the authenticity of the item depending on the result of the comparison in step (F).
  • the object to be authenticated and / or the sensor are moved relative to each other to record the micro-reflectors flashing at different locations and / or at different orientation angles as a function of the relative position of the article to radiation source (lasers) and photodetectors.
  • the attitude change may be continuous at constant speed, accelerating or decelerating, or discontinuous, i. e.g. gradually.
  • step (E) The repetition of steps (B), (C) and (D) in step (E) is carried out until a sufficient number of micro-reflectors has been detected.
  • This sufficient number is given by the particular application.
  • the reflection patterns of the individual objects must be sufficiently different.
  • the likelihood that the reflection patterns from two different objects will be the same decreases.
  • the number of objects to be distinguished and the certainty with which an object is to be authenticated determines the number of microreflectors to be detected.
  • step (F) a so-called 1: 1 comparison between the currently detected reference pattern and the reflection pattern of the presumed object (target pattern) takes place.
  • the reflection pattern represents the reflections of microreflectors detected as a function of the position of the object with respect to the sensor.
  • the reflection pattern is therefore e.g. in the form of a number table in which the intensities of the radiation reflected by micro-reflectors measured at different angles at different locations are detected.
  • Such a number table can be directly compared with a target number table. It is also possible to use the measured intensity distribution to create a different representation of a reflection pattern by means of mathematical operations before a comparison with a desired pattern is carried out.
  • the senor can be used to directly identify an object based on its characteristic reflection pattern.
  • a method of identification of an object with the aid of the sensor according to the invention comprises at least the steps (A) to (G) already discussed in the method for authentication in the embodiments discussed there, wherein in step (G) instead of a message about the authenticity, a notification is made about the identity of the object :
  • step (G) issuing a notification of the identity of the subject depending on the result of the comparison in step (F).
  • step (F) of the method according to the invention the reflection pattern of the object under consideration is compared with reflection patterns which have already been determined at an earlier time.
  • identity of an object is determined by the reflection pattern and there is a comparison of the considered reflection pattern with all stored in a database reflection patterns already detected objects (1: n adjustment).
  • the use of the sensor according to the invention offers the advantage that an identification and / or authentication of an object can be carried out by machine or mechanically assisted and a quantitative evaluation allows the probability with which an object corresponds to an alleged object. Machining or support allows the inspection of a larger number of objects based on their characteristic reflection patterns in a shorter time and at a lower cost than a (purely) personal execution e.g. with the aid of a microscope as described in DE 102007044146Al. In addition, machine execution or machine support allows comparison of reflection patterns that have been authenticated at different times. This allows tracking of items (track and trace).
  • FIG. 2 block of the sensor according to the invention in cross section
  • FIG. 4 Schematic representation of a linear beam profile
  • FIG. 5 is a schematic representation of a preferred embodiment of the sensor according to the invention
  • Fig. 6 plano-convex cylindrical lens for generating a linear beam profile
  • FIGS. 1a and 1b show a sensor 1 according to the invention without optical components in a perspective view.
  • FIG. 2 shows the sensor 1 from FIGS. 1a and 1b in cross-section.
  • the central element of the sensor 1 forms a block 10, which is preferably designed in one or two pieces, and which serves to accommodate all optical components of the sensor according to the invention.
  • Optical components are understood to be all components of the sensor which are arranged in the beam path between the radiation source and the photodetector, including the laser and the photodiodes themselves.
  • Optical elements form a selection of the optical components; they serve for beam shaping and focusing.
  • lenses, diaphragms, diffractive optical elements and the like are referred to as optical elements.
  • the optical block 10 includes a designated outer surface 18 which is directed toward the same upon detection of characteristic reflection patterns of an object.
  • the block 1 comprises passages 11, 12, 13 which converge toward the designated outer surface 18 - hereinafter simply referred to as outer surface.
  • a first passage 11 serves to receive the Sirahlenscher. This passage 11 extends at an angle ⁇ A to the normal of the outer surface.
  • the normal of the outer surface or outer surface normal is the straight line perpendicular to the outer surface, which is directed in the direction of the bushings.
  • the senor When using the inventive sensor for identifying and / or authenticating an object, the sensor is preferably aligned with respect to the surface of the article so that the surface of the article and the outer surface are parallel to each other.
  • electromagnetic radiation is incident on the surface of the object at an angle ⁇ with respect to the surface normal.
  • the angle ⁇ A in this case corresponds to the angle of incidence ⁇ of the incident radiation.
  • the block of the sensor according to the invention comprises at least one further corresponding bushing 12, 13 for receiving the photodetector.
  • the block of the sensor according to the invention may comprise further feedthroughs for receiving photodetectors.
  • the block of the sensor according to the invention may comprise further feedthroughs for receiving photodetectors.
  • Block exactly two feedthroughs 12, 13 for receiving photodetectors lie together with the implementation 11 for the radiation source in a plane. They are preferably at an angle Y 1 and ⁇ 2 to the outer surface normal.
  • the photodetectors are in the
  • angles ⁇ i and ⁇ 2 are in the range of 5 ° to 60 °, preferably in the range of 5 ° to 30 °, particularly preferably in the
  • All feedthrough 11, 12, 13 are preferably in one plane.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 2 comprising a block with lead-throughs for receiving a radiation source and two photodetectors offers the advantage that the optical components can be arranged in a defined manner to one another in a simple manner.
  • there is a stop in the passage for the radiation source against this stop, the radiation source is pushed into the bushing, so that it occupies a predetermined fixed position with respect to the block and the other two bushings.
  • the radiation source already has optical elements for beam shaping and focusing connected to it, which is generally customary, for example, in the case of the commercially available laser radiation sources, then the focal point of the radiation source is clearly fixed by the fixation of the radiation source.
  • the further feedthroughs for receiving the photodetectors can also be provided with a stop, wherein the position of the photodetectors must be less accurate than the position of the radiation source.
  • the block 10 can be made in one simple way, for example by means of injection molding of plastic one or two pieces.
  • components can be produced with high accuracy in large quantities and in a short time. This allows cost-effective mass production of sufficiently precise components.
  • the bushings may already be provided in the injection molding tool or be subsequently introduced into the block by means of, for example, bores. All components of the block are already preferred by injection molding - -
  • the sensor 1 according to the invention is further characterized in that the center axes of the bushings 11, 12, 13 intersect at a point 20 which lies outside the block 10 (see FIG. 2). Surprisingly, it has been found that it is advantageous for the detection of reflection patterns if the point of intersection 20 of the center axes lies at a distance of 0.5 to 10 mm from the outer surface. In a preferred embodiment, the intersection point 20 is simultaneously the focal point of the radiation source.
  • the senor according to the invention is accordingly guided at a distance over this object, so that the point of intersection of the central axes lies on the surface of the object.
  • the positioning of the surface to be detected 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 be more and more accurately maintained in order to be able to detect a predetermined area of the surface so that the positioning requirements 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.
  • the sensor according to the invention is preferably equipped with a class 1 or 2 laser in order to operate the sensor without extensive protective measures. This is especially true since the sensor is "open" (ie, the laser beam exits the sensor unhindered), which means that the power of the radiation source can not be arbitrarily increased, thus, a short distance of 0.5 to 10 mm according to the invention advantageous.
  • the block 10 in FIGS. 1a, 1b and 2 further comprises holding means 30 for receiving and fixing a window.
  • the window (not shown in the figure) is at least partially transparent to the wavelength of the radiation source used. Under partial permeability becomes understood a transmissivity of at least 50%, ie 50% of the irradiated radiation intensity penetrates the window.
  • the partial sections 3 (a) and 3 (b) show a housing 50 in a perspective view into which the sensor from FIGS. 1 a, 1 b and 2 can be introduced.
  • Part 3 (c) shows a to
  • Housing associated cover 60 The housing has passages 51, 52.
  • Feedthroughs may be used as connection means to releasably connect multiple sensors together or to secure the sensor to a support.
  • the senor 60 has corresponding recesses 62. Via a cable feedthrough 55, the sensor is connected to a control electronics and / or a computer unit for receiving the reflection data.
  • FIG. 5 shows in a schematic representation a further preferred embodiment of the sensor 1 according to the invention.
  • FIG. 5 (a) shows the sensor from the side in cross section, FIG. 5 (b) from the underside facing the surface 200.
  • the sensor 1 comprises a radiation source 70 and a photodetector 80. If the outer surface 18 of the sensor i is guided in parallel over the surface 200 of an object, then radiation 100 falls on the surface 200 at an angle .alpha. To the normal 14. The surface 200 reflects Radiation 110 is returned to the normal 14 at an angle ⁇ . It applies according to the law of reflection
  • the line-shaped beam profile is generated in the present example by means of a shutter 90.
  • the distance between sensor (outer surface 18) and object (surface 200) is preferably between 0.2 and 10 mm.
  • the sub-figures 4 (a) and 4 (b) illustrate a line-shaped beam profile with a beam width SB and a beam thickness SD.
  • Partial figure 4 (a) shows the two-dimensional cross-sectional profile of a beam in the focal point. At the center of the cross-sectional profile is the highest intensity. The intensity / decreases to the outside, wherein there is a first direction (x), in which the intensity decreases the most / with increasing distance A to the center, and a further direction (y), which is perpendicular to the first direction (x) in which the intensity decreases the weakest with increasing distance A to the center.
  • Sub-figure 4 (b) shows the intensity profile / as a function of the distance A from the center.
  • the beam width and the beam thickness are defined as the distances from the center in which the intensity / to 50% of its maximum value in the Center has dropped, here the beam width in the y-direction and the beam thickness in the x-direction.
  • FIG. 6 shows by way of example how a line-shaped beam profile is generated by means of a plano-convex beam
  • Cylinder lens 300 can be generated.
  • the cylindrical lens 300 acts in a plane as

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von charakteristischen Reflexionsmustern, die durch zufällig verteilte und/oder orientierte Mikroreflektoren verursacht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zur Identifizierung und/oder Authentifizierung von Gegenständen.

Description

Optischer Sensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von charakteristischen Reflexionsmustern, die durch zufällig verteilte und/oder orientierte Mikroreflektoren verursacht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zur Identifizierung und/oder Authentifizierung von Gegenständen.
Ausweise, Banknoten, Produkte etc. werden heute zur Fälschungssicherung mit Elementen versehen, die nur mit Spezialwissen und/oder hohem technischen Aufwand nachgemacht werden können. Solche Elemente werden hier als Sicherheitselemente bezeichnet. Sicherheitselemente sind bevorzugt untrennbar mit den zu schützenden Objekten verbunden. Der Versuch, die Sicherheitselemente vom Objekt zu trennen, führt bevorzugt zu deren Zerstörung, damit die Sicherheitselemente nicht missbraucht werden können.
Die Echtheit eines Objekts kann anhand des Vorhandenseins eines oder mehrerer Sicherheitselemente überprüft werden.
Optische Sicherheitselemente wie z.B. Wasserzeichen, Spezialtinten, Guilloche-Muster, Mikroschriften und Hologramme sind weltweit etabliert. Eine Übersicht über optische Sicherheitselemente, die insbesondere aber nicht ausschließlich nii den Dokurnentenschutz geeignet sind, gibt das folgende Buch: Rudolf L. van Renesse, Optical Document Security, Third Edition, Artech House Boston/London, 2005 (S. 63-259).
Aufgrund der leichten Verfügbarkeit und hohen Qualität von Reproduktionen, die mit modernen Farbkopierern oder mit hochauflösenden Scannern und Farblaserdruckern erstellt werden können, besteht ein Bedürfnis, die Fälschungssicherheit von optischen Sicherheitselementen laufend zu verbessern.
Bekannt sind auch optisch variable Sicherheitselemente, die unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln einen unterschiedlichen optischen Eindruck erzeugen. Derartige Sicherheitselemente weisen beispielsweise optische Beugungsstrukturen auf, die unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln unterschiedliche Bilder rekonstruieren. Solche Effekte sind mit den normalen und weit verbreiteten Kopier- und Drucktechniken nicht zu reproduzieren.
Eine spezielle Ausführungsform eines solchen beugungsoptischen Sicherheitselements ist in DE10126342C1 beschrieben. Dabei handelt sich um ein so genanntes Prägehologramm. Prägehologramme zeichnen sich dadurch aus, dass die Licht beugende Struktur in eine dreidimensionale Reliefstruktur umgesetzt wird, die auf eine Prägeform übertragen wird. Diese Prägeform kann als Masterhologramm in Kunststofffolien geprägt werden. Damit ist es möglich, eine große Zahl an Sicherheitselementen kostengünstig zu erzeugen. Nachteilig ist jedoch, dass so erzeugte Sicherheitselemente stets das gleiche Prägehologramm aufweisen. Die geprägten Hologramme sind nicht unterscheidbar. Das bedeutet zum einen, dass ein Fälscher nur ein einziges Masterhologramm kopieren/fälschen muss, um eine Vielzahl an Prägehologrammen für gefälschte Produkte zu erhalten. Zum anderen lassen sich Objekte durch die Prägehologramme aufgrund deren Ununterscheidbarkeit nicht individualisieren.
Aus Gründen des besseren Fälschungsschutzes und der Möglichkeit der Verfolgung und Erkennung einzelner Objekte ist es zu bevorzugen, Sicherheitselemente zu verwenden, die eine Individualisierung erlauben.
In DE 102007044146Al ist ein transparentes thermoplastisches Material beschrieben, in das so genannte Metallkennzeichnungsplättchen mit einer größten Längenausdehnung von kleiner 200 μm und einer Dicke von 2-10 μm eingebracht sind. Das Material kann in Form von Folien in kartenförmigen Datenträgern wie z.B. Ausweiskarten als Sicherheitselement verwendet werden. Die Metallkennzeichnungsplättchen können Durchgangsbohrungen und diffraktive Strukturen aufweisen. In DE 102007044146Al ist beschrieben, dass die Echtheit eines Gegenstands durch Betrachtung der Metallkennzeichnungsplättchen unter einem Mikroskop überprüft werden kann.
Nachteilig an einer mikroskopischen Echtheitsprüfung ist der hohe Aufwand. Für eine lückenlose Abdeckung der Lieferkette ist es erforderlich, dass die Echtheit an verschiedenen Stellen schnell und zuverlässig nachgewiesen werden kann.
Üblicherweise werden zur Produktverfolgung (track and trace) optische Codes wie z.B. Barcodes eingesetzt. Barcodes sind dabei reine Merkmale zur Erkennung und Verfolgung eines Objekts, die keinerlei Sicherheitsmerkmale aufweisen. Sie sind einfach zu kopieren und zu fälschen. Eine Kombination aus Merkmalen zur Produktverfolgung und zum Fälschungsschutz bieten RFID- Chips, die jedoch aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Kosten, langsamen Auslesegeschwindigkeit und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern nur begrenzt einsetzbar sind. Es wäre daher wünschenswert, ein Sicherheitselement maschinell auslesen zu können, um zum einen eine automatisierte Produktverfolgung entlang der Lieferkette zu ermöglichen, und zum anderen auch eine maschinelle Echtheitsprüfung vornehmen zu können.
Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstandes anhand von individuellen Merkmalen ermöglicht. Die Vorrichtung sollte zur Produktverfolgung eingesetzt werden können. Die Vorrichtung sollte einfach und kostengünstig in der Herstellung sein, intuitiv und einfach zu handhaben sein, flexibel einsetzbar und erweiterbar sein, reproduzierbare und übertragbare Ergebnisse liefern sowie serientauglich sein.
Überraschend wurde gefunden, dass die in DE102007044146A1 beschriebenen Materialien anhand der zufälligen Verteilung und/oder Orientierung der Metallkennzeichnungsplättchen eindeutig identifiziert und authentifiziert werden können. Dazu werden die Metallkennzeichnungsplättchen mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Die unter verschiedenen Winkeln an den zufällig verteilten und/oder orientierten Metallkennzeichnungsplättchen reflektierte Strahlung wird mittels geeigneter Detektoren erfasst. Das so erhaltene Reflexionsmuster ist charakteristisch für die zufällige Verteilung und/oder Orientierung der Metallkennzeichnungsplättchen und erlaubt die eindeutige Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstandes, mit dem die Metallkennzeichnungsplättchen verbunden sind. Dies ist in der noch nicht veröffentlichten Anmeldung PCT/EP/2009/000450 detailliert beschrieben, auf der hiermit Bezug genommen wird. In der Anmeldung PCT/EP/2009/000450 werden Metallkennzeichnungsplättchen allgemein als Mikroreflektoren bezeichnet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Erfassung eines charakteristischen Reflexionsmusters, das durch Bestrahlung eines Gegenstandes, der zufällig verteilte und/oder orientierte Mikroreflektoren umfasst, hervorgerufen wird.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst mindestens die folgenden Komponenten:
eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, die so angeordnet ist, dass elektromagnetische Strahlung in einem Winkel α auf den Gegenstand gesandt werden kann,
einen Fotodetektor zur Aufnahme reflektierter Strahlung, der so angeordnet ist, dass die von dem Gegenstand unter einem Winkel δ reflektierte Strahlung erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge der Winkel α und δ verschieden sind (|α| ≠|δ|).
Der erfindungsgemäße Sensor ist so ausgebildet, dass elektromagnetische Strahlung in einem Winkel α auf eine Oberfläche eines Gegenstands gesandt werden kann. Der Winkel α bezieht sich auf die Normale zur Oberfläche, d.h. auf eine senkrecht auf die Oberfläche des Gegenstands stehende Gerade - im Folgenden auch als Oberflächennormale bezeichnet. Der Winkel α liegt im Bereich von 0 bis 60°, bevorzugt im Bereich von 15° bis 40°, besonders bevorzugt im Bereich von 20° bis 35° und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 25° bis 30°.
Als Quelle für elektromagnetische Strahlung oder kurz Strahlenquelle können in dem erfindungsgemäßen Sensor prinzipiell alle Quellen für elektromagnetische Strahlung verwendet werden, die solche Strahlung emittieren, die von den verwendeten Mikroreflektoren zumindest teilweise reflektiert wird. Unter teilweiser Reflektivität wird eine Reflektivität von mindestens 50% verstanden, d.h. mindestens 50% der eingestrahlten Strahlungsintensität wird von den Mikroreflektoren reflektiert.
Sind die Mikroreflektoren in einem Material eingebettet, so muss die verwendete elektromagnetische Strahlung das Material mindestens teilweise durchdringen können, d.h. das Material muss für die verwendete elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein. Unter teilweiser Transparenz wird eine Transmissivität von mindestens 50% verstanden, d.h. mindestens 50% der eingestrahlten Strahlungsintensität durchdringt das Material.
Die Strahlenquelle emittiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung im Bereich von 300 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 350 nm bis 800 nm.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst 1 bis 6 Strahlenquellen, bevorzugt 1 bis 4 Strahlenquellen, besonders bevorzugt 1 oder 2 Strahlenquellen.
Im Hinblick auf eine kompakte und kostengünstige Bauform des erfindungsgemäßen Sensors und ein großes Signal-Rauscher-Verhältnis werden Laserdioden als Strahlenquelle bevorzugt. Laserdioden sind allgemein bekannt; es sind Halbleiter-Bauteile bei denen ein p-n-Übergang mit starker Dotierung bei hohen Stromdichten betrieben wird. Die Wahl des Halbleitermaterials bestimmt die emittierte Wellenlänge. Vorzugsweise werden Laserdioden eingesetzt, die sichtbare Strahlung emittieren.
Besonders bevorzugt werden Laser der Klasse 1 oder 2 eingesetzt. Unter Klassen werden die Laserschutzklassen gemäß der Norm DIN EN 60825-1 verstanden: Laser werden in Klassen nach Gefährlichkeit für Augen und Haut eingestuft. Zur Klasse 1 gehören Laser, deren Bestrahlungswerte auch bei dauernder Bestrahlung unterhalb der maximal zulässigen Bestrahlungswerte liegen. Laserscanner der Klasse 1 sind ungefährlich und benötigen außer der entsprechenden Kennzeichnung auf dem Gerät keinerlei weitere Schutzmaßnahmen. Zur Klasse 2 gehören Laser im sichtbaren Bereich, bei denen eine Bestrahlung von unter 0,25ms Dauer für das Auge unschädlich ist (die Dauer von 0,25ms entspricht einem Lidschlussreflex, der das Auge automatisch gegen längere Bestrahlung schützen kann). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Laserdioden der Klasse 2 mit einer Wellenlänge zwischen 600 nm und 780 nm verwendet.
Der erfindungsgemäße Sensor ist so ausgebildet, dass die von dem Gegenstand unter einem oder mehreren Winkeln reflektierte elektromagnetische Strahlung mittels eines oder mehrerer Fotodetektoren erfasst werden kann.
Zur Erfassung von Reflexionsmustern wird der erfindungsgemäße Sensor in konstantem Abstand relativ zu einem Gegenstand, der Mikroreflektoren umfasst, bewegt. Dabei wird der Gegenstand mittels elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Da die Oberfläche des Gegenstandes einen Teil der Strahlung direkt reflektiert, liegen in dem Bereich der von der Oberfläche reflektierten Strahlung erfindungsgemäß keine Fotodetektoren. Die direkt von der Oberfläche des Gegenstands reflektierte Strahlung ist nämlich so stark, dass zusätzliche Reflexionen von Mikroreflektoren nur schwer oder gar nicht mehr erkennbar sind. Zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses liegen die Fotodetektoren vielmehr in einem Bereich, in dem sie die reflektierte Strahlung von solchen Mikroreflektoren erfassen, deren reflektierende Oberflächen nicht parallel zur Oberfläche des Gegenstands liegen. Die Erfassung solcher Mikroreflektoren, deren reflektierende Oberflächen nicht parallel zur Oberfläche des Gegenstands liegen, hat zudem den Vorteil, dass Fälschungen mit z.B. aufgedampften Metallspots, die stets parallel zur Oberfläche des Gegenstands liegen, sicher erkannt werden können. Die Lage der reflektierenden Oberfläche in Bezug zu einer Oberfläche des Gegenstands wird hier auch als Orientierung bezeichnet.
Gemäß des Reflexionsgesetzes wird elektromagnetische Strahlung, die unter einem Einfallwinkel α bezüglich der Oberflächennormalen auf die Oberfläche des Gegenstands fällt, unter einem Ausfallwinkel ß bezüglich der Oberflächennormalen von der Oberfläche reflektiert, wobei |α| = |ß| ist, das heißt, die Beträge von Einfallwinkel α und Ausfallwinkel ß sind gleich. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Fotodetektor in einem Winkel δ zur Oberflächennormalen angeordnet, wobei die Beträge der Winkel α und δ verschieden sind (|α| ≠|δ|).
Bevorzugt werden Fotodetektoren in dem erfindungsgemäßen Sensor in einem Winkel γ um den direkt reflektierten Strahl herum angeordnet. Die Größe des Winkels γ ist abhängig von der Wahl der Größe des Winkels α. Die Größe des Winkels γ liegt im Bereich von 5° bis 60°, bevorzugt im Bereich von 5° bis 30°, besonders bevorzugt im Bereich von 10° bis 20°, wobei stets gelten soll: |α|-γ Ξ>0 und |α|+γ <90°. - -
Daraus folgt, dass der Betrag des Winkels δ im Bereich von |α| ± 5° bis |α| ± 60°, bevorzugt im Bereich von |α| ± 5° bis |α| ± 30°, besonders bevorzugt im Bereich von |α| ± 10° bis |α| ± 20° liegt, wobei stets gilt: δ >0 und δ <90°.
Die Zahl der Fotodetektoren m dem erfindungsgemäßen Sensor beträgt 1 bis 6 pro Strahlenquelle, bevorzugt 1 bis 4 pro Strahlenquelle, besonders bevorzugt 1 bis 2 pro Strahlenquelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden pro Strahlenquelle 2 Fotodetektoren verwendet, die in einem Winkel Y1 und γ2 um den direkt von der Oberfläche reflektierten Strahl angeordnet sind Bevorzugt gilt γi=-γ2. Bevorzugt liegen die Fotodetektoren und die zugehörige Strahlenquelle in einer Ebene.
Als Fotodetektoren können m dem erfindungsgemäßen Sensor prinzipiell alle elektronischen Bauteile verwendet werden, die elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln. Im Hinblick auf eine kompakte und kostengünstige Bauform des erfindungsgemäßen Sensors werden Fotodioden oder Fototransistoren bevorzugt. Fotodioden sind Halbleiter-Dioden, die elektromagnetische Strahlung an einem p-n-Übergang oder pm-Übergang durch den inneren Fotoeffekt in einen elektrischen Strom umwandeln. Em Fototransistor ist ein Bipolartransistor mit pnp- oder npn-Schichtenfolge, dessen pn-Übergang der Basis-Kollektor-Sperrschicht für elektromagnetische Strahlung zugänglich ist. Er ähnelt einer Fotodiode mit angeschlossenem Verstärkertransistor.
Der erfindungsgemäße Sensor verfügt über optische Elemente, welche ein lmienförmiges Strahlprofil erzeugen. Unter dem Begriff optische Elemente werden solche Komponenten bezeichnet, die im Strahlengang zwischen einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und mindestens einem Fotodetektoren angeordnet sind und zur Veränderung des Strahlenprofils (Fokussierung, Strahlformung) verwendet werden. Insbesondere sind dies Linsen, Blenden, diffraktive optische Elemente und dergleichen.
Unter einem Strahlprofil wird die zweidimensionale Intensitätsverteilung im Querschnitt verstanden. Für die Charakterisierung des Strahlprofils wird bevorzugt derjenige Querschnitt verwendet, der in der Ebene liegt, in der sich Mikroreflektoren befinden. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Querschnitt im Fokuspunkt des Sensors.
Die Intensität ist im Querschnittszentrum des Strahls am höchsten und nimmt nach außen hin ab. Dabei ist der Gradient der Intensität bei einem hmenförmigen Strahlprofil in eine erste Richtung am niedrigsten, während er in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, am höchsten ist. Die Intensitätsverteilung des linienförmigen Strahlprofϊls ist bevorzugt symmetrisch, so dass das Querschnittsprofil im Fokuspunkt durch zwei senkrecht aufeinander stehende Achsen charakterisiert werden kann, von denen eine parallel zum höchsten Intensitätsgradienten und die andere parallel zum niedrigsten Intensitätsgradienten verläuft.
Im Folgenden wird unter der Breite eines Querschnittsprofils - oder auch Strahlbreite - derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofϊls in Richtung des niedrigsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist.
Weiterhin wird unter der Dicke eines Querschnittsprofils - oder auch Strahldicke - derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofϊls in Richtung des höchsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist.
Die Strahlbreite und die Strahldicke werden vorzugsweise an die Größe und Konzentration der Mikroreflektoren in dem Material, dessen Reflexionsmuster erfasst werden soll, angepasst. Die Strahldicke liegt dabei bevorzugt in der Größenordnung der mittleren Größe der Mikroreflektoren. Die Strahlbreite liegt bevorzugt in der Größenordnung des mittleren Abstands zweier Mikroreflektoren.
Unter einer mittleren Größe wird der arithmetische Mittelwert verstanden. Unter Größenordnung wird verstanden, dass zwei Größen um einen Faktor kleiner als 10 und größer als 0,1 voneinander abweichen oder gleich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors liegt die Strahlbreite im Bereich von 2,5 mm bis 7 mm, bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 6,5 mm, besonders bevorzugt im Bereich 4 mm bis 6 mm und ganz besonders bevorzugt im Bereich 4,5 mm bis 5,5 mm.
Die Strahldicke liegt im Bereich von 5μm bis 1000 μm. Zur Erzielung eines großen Signal- Rausch-Verhältnisses und zur Auflösung feiner Strukturen ist eine geringe Strahldicke von 5 μm bis 50 μm vorteilhaft. Mit abnehmender Größe des Querschnittsprofils, das auf den Gegenstand fällt, nimmt das Signal-Rausch- Verhältnis zu, da die Intensität auf eine kleinere Fläche verteilt wird. Mit abnehmender Größe des Querschnittsprofils können auch feinere Strukturen aufgelöst werden. Empirisch wurde gefunden, dass es mit abnehmender Größe des Querschnittsprofϊls jedoch zunehmend schwieriger wird, reproduzierbare Signale zu erzielen. Anscheinend liegt dies daran, dass das Material mit den Mikroreflektoren nicht mehr hinreichend genau gegenüber dem kleiner werdenden Querschnittsprofil positioniert werden kann. Anscheinend wird es zunehmend schwieriger, den Bereich bei einer erneuten Erfassung des Reflexionsmusters hinreichend genau zu treffen. Die bevorzugte Strahldicke liegt bei einem auf den Gegenstand fokussierten Strahl im Bereich von 5 μm bis 50 μm, bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 40 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 30 μm. Bevorzugt liegt der Fokuspunkt in einem Abstand von 0,5 bis 10 mm vom Sensor.
Überraschend wurde gefunden, dass die oben genannten Bereiche für die Strahldicke und die Strahlbreite sehr gut geeignet sind, um auf der einen Seite die für die Reproduzierbarkeit ausreichend genaue Positionierung zu erzielen, und um auf der anderen Seite ein für eine hinreichend genaue Authentifizierung ausreichendes Signal-Rausch- Verhältnis zu erzielen.
Es gibt weitere Aspekte, die auf die Wahl der Strahlbreite und Strahldicke Einfluss nehmen können. So lässt sich eine sehr kompakte Bauform des erfϊndungsgemäßen Sensors realisieren, indem eine Fokussierung des Strahls mittels Linsen verzichtet wird. Stattdessen wird mittels einer
Blende ein linienfbrmiges Strahlprofü erzeugt. Diese bevorzugte Ausführungsform ist in Figur 5 gezeigt. Hier liegt die Strahldicke im Bereich von 200 μm bis 1000 μm, bevorzugt im Bereich von
200 μm bis 400 μm und die Strahlbreite im Bereich von 2 mm bis 5 mm, bevorzugt im Bereich von 2,5 mm bis 3,5 mm.
Der erfindungsgemäße Sensor verfügt bevorzugt über Mittel zur Verbindung mehrerer Sensoren oder zur Verbindung eines Sensors mit einer Halterung.
Diese Mittel gestatten es, zwei oder mehrere Sensoren in vorgegebener Weise miteinander zu verbinden. Bevorzugt verfügt der Sensor auf einer Seite über positive Verbindungsmittel und auf einer gegenüberliegenden Seite über negative Verbindungsmittel, so dass ein Sensor auf beiden Seiten mit jeweils einem weiteren Sensor in definierter Weise verbunden werden kann, wobei die weiteren Sensoren wiederum auf den noch freien Seiten mit wiederum weiteren Sensoren verbunden werden können. Dieses modulare Prinzip erlaubt die Verknüpfung einer Vielzahl von Sensoren in vorgegebener Weise. Als positive Verbindungsmittel kommen beispielsweise Vorsprünge in Betracht, die in Aussparungen als negative Verbindungsmittel eingesteckt werden können. Weitere dem Fachmann bekannte Verbindungsmittel wie Einführschienen oder dergleichen sind denkbar. Mehrere Sensoren werden bevorzugt so miteinander verbunden, dass die Strahlbreiten aller Sensoren entlang einer Linie angeordnet sind.
Die Verbindung von zwei oder mehreren Sensoren erfolgt reversibel, d.h. sie ist lösbar. Die Verbindungsmittel können auch dazu verwendet werden, den erfindungsgemäßen Sensor an einer Halterung anzubringen.
Die Verbindung mehrerer Sensoren bietet folgende Vorteile: ■ Durch die Verbindung mehrerer Sensoren ist es möglich, bei gleichbleibender Dauer für eine Erfassung mehr Reflexionsdaten aufzunehmen und damit die Sicherheit bei einer Identifizierung und/oder Authentifizierung zu erhöhen.
Anstelle eines Oberflächenbereichs eines zu authentifizierenden Gegenstandes in einem Zeitintervall werden bei verbundenen Sensoren mehrere Bereiche in demselben
Zeitintervall bestrahlt und reflektierte Strahlung detektiert. Es werden demnach größere Mengen an Daten aufgenommen, die den Gegenstand charakterisieren. Dies erhöht die Genauigkeit, mit der ein Gegenstand aus einer großen Zahl an ähnlichen Gegenstand sicher identifiziert und authentifiziert werden kann.
Die erfindungsgemäße, lösbare Verknüpfung mehrerer Sensoren bietet dem Anwender die
Möglichkeit, flexibel auf den jeweiligen Anwendungsfall zu reagieren. Ist eine höhere Sicherheit bei der Identifizierung und/oder Authentifizierung erforderlich, so können zwei oder mehrere Sensoren miteinander verbunden und auf einfache Weise größere Datenmengen in einem gleichbleibenden Zeitintervall erfasst werden. Ist dagegen z.B. nur eine einfache Überprüfung einer Authentifizierung gefragt, kann ein einzelner Sensor eingesetzt werden.
■ Durch die Verbindung mehrerer Sensoren ist es möglich, mehrere Gegenstände gleichzeitig zu erfassen. Z.B. ist es möglich, eine Vielzahl an Sensoren in einer Produktionsanlage zu installieren. Produkte werden in einer großen Geschwindigkeit z.B. über ein Förderband transportiert. Um diese Produkte zu einem späteren Zeitpunkt identifizieren und/oder authentifizieren zu können, müssen die charakteristischen Reflexionsmuster erfasst und z.B. in einer Datenbank hinterlegt werden. Hierfür ist es vorteilhaft, zur Erhöhung des Durchsatzes bei der Erfassung mehrere Sensoren zu verbinden. Es ist denkbar, die Sensoren über Abstandshalter miteinander zu verbinden, wenn die Produkte so weit auseinander liegen, dass sie durch direkt miteinander verbundene Sensoren nicht mehr einzeln erfasst werden können. Durch die Verbindungsmittel ist es möglich, die Sensoren so miteinander zu verbinden, dass sie zueinander eine definierte Position einnehmen. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit bei der Datenerfassung erhöht und die einzelnen Produkte können zu einem späteren Zeitpunkt sicher identifiziert und/oder authentifiziert werden.
Eine Vorrichtung umfassend zwei oder mehrere Sensoren, die direkt oder über einen Abstandshalter miteinander reversibel verbunden sind, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. In einer bevorzugten Ausfϊihrungsform des erfindungsgemäßen Sensors verfugt der Sensor über ein Gehäuse, in das die optischen Komponenten eingebracht sind. In das Gehäuse des Sensors können weitere Komponenten eingebracht werden, z.B. die Steuerungselektronik für einen Laser, 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 verfugt bevorzugt auch über ein Fenster, das zusammen mit dem Gehäuse die optischen Komponenten vor Beschädigung und Verschmutzung schützt. Das Fenster ist für die Wellenlänge der verwendeten Strahlenquelle zumindest teilweise transparent.
Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich in Kombination mit einer Steuer- und Datenerfassungseinheit zur Identifizierung und/oder Authentifizierung von Gegenständen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors in einem Verfahren zur Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstandes.
Unter Identifizierung wird ein Vorgang verstanden, der zum eindeutigen Erkennen einer Person oder eines Gegenstandes dient. Unter Authentifizierung wird der Vorgang der Überprüfung (Verifikation) einer behaupteten Identität verstanden. Die Authentifizierung von Objekten, Dokumenten, Personen oder Daten ist die Feststellung, dass diese authentisch sind - es sich also um unveränderte, nicht kopierte und / oder nicht gefälschte Originale handelt.
Der Gegenstand, der identifiziert und/oder authentifiziert werden soll, umfasst Mikroreflektoren, die an dem Gegenstand an- und/oder in dem Gegenstand eingebracht und zufällig verteilt und/oder orientiert sind. Dabei können die Mikroreflektoren selbst mit dem Gegenstand verbunden sein. Ebenso ist es möglich, Mikroreflektoren in ein Sicherheitselement (z.B. ein Etikett) einzubringen, das mit dem Gegenstand bevorzugt irreversibel verbunden ist. Beispiele solcher Sicherheitselemente sind in DE 102007044146Al oder in der noch nicht offengelegten Anmeldung PCT/EP2009/000450 beschrieben.
Ein Mikroreflektor ist dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Oberfläche umfasst, die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung in charakteristischer Weise reflektiert. Die charakteristische Reflexion ist dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge in mindestens eine durch den Einstrahlwinkel vorgegebene Richtung reflektiert wird, wobei der Anteil der reflektierten Strahlung mit der mindestens einen Wellenlänge größer ist als die Summe der Anteile der absorbierten und transmittierten Strahlung der mindestens einen Wellenlänge. Der Reflexionsgrad der mindestens einen Oberfläche ist demnach größer als 50%, wobei unter Reflexionsgrad das Verhältnis der Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge, die von der Oberfläche zurückgeworfen wird, bezogen auf die Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der mindestens einen Wellenlänge, die auf die Oberfläche auftrifft, zu verstehen ist. Im Folgenden wird eine solche Oberfläche als reflektierende Oberfläche bezeichnet.
Die reflektierende Oberfläche eines Mikroreflektors hat eine Größe zwischen l*10"14 m2 und 1*10' 5 m2. Bevorzugt liegt die Größe der reflektierenden Oberfläche im Bereich zwischen l*10"12 m2 und 1 * 10~6 m2, besonders bevorzugt zwischen 1 * 10"10 m2 und 1 * 10"7 m2.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Mikroreflektoren eine größte Längenausdehnung von kleiner 200 μm und eine Dicke von 2-10 μm, mit einer runden, elliptischen, oder n-eckigen Form mit nΞS. Elliptisch ist hier und im Folgenden nicht im streng mathematischen Sinne zu verstehen. Ein Rechteck oder Parallelogramm oder Trapez oder allgemein n-Eck mit abgerundeten Ecken soll hier und im Folgenden ebenfalls als elliptisch verstanden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Mikroreflektoren mindestens eine metallische Komponente. Bevorzugt handelt es sich um ein Metall aus der Reihe Aluminium, Kupfer, Nickel, Silber, Gold, Chrom, Zink, Zinn oder um eine Legierung aus mindestens zwei der genannten Metalle. Die Mikroreflektoren können mit einem Metall oder einer Legierung beschichtet sein oder vollständig aus einem Metall / einer Legierung bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Metallkennzeichnungsplättchen, wie sie beispielhaft in WO 2005/078530 Al beschrieben sind, als Mikroreflektoren eingesetzt. Sie verfügen über reflektierende Oberflächen. Werden eine Vielzahl solcher Metallkennzeichnungsplättchen zufällig in einer transparenten Schicht verteilt und/oder orientiert, ergibt sich bei Bestrahlung der transparenten Schicht ein charakteristisches Reflexionsmuster, das zur Identifizierung und Authentifizierung herangezogen werden kann.
Unter zufälliger Verteilung und/oder Orientierung wird verstanden, dass die Lage einzelner Mikroreflektoren und/oder die Orientierung einzelner Mikroreflektoren innerhalb der transparenten Schicht durch den Herstellungsprozess nicht vorhersehbar eingestellt werden kann. Die in DE 102007044146Al beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Materials enthaltend Mikroreflektoren sind dazu geeignet, eine zufällige Verteilung und/oder Orientierung von Mikroreflektoren in einer transparenten Schicht zu erzeugen. Die Lage und/oder Orientierung einzelner Mikroreflektoren unterliegt zufalligen Schwankungen beim Herstellungsprozess. Die Lage und/oder die Orientierung einzelner Mikroreflektoren kann daher nicht einfach reproduziert werden.
Auf dieser Tatsache beruht der hohe Schutz, den solche Sicherheitselemente bieten: sie lassen sich nur unter sehr hohem Aufwand nachstellen.
Dabei ist zufällig nicht im streng mathematischen Sinne zu verstehen. Zufällig bedeutet, dass es eine zufällige Komponente gibt, die eine exakte Vorhersagbarkeit der Lage und Orientierung einzelner Mikroreflektoren unmöglich macht. Es ist jedoch denkbar, dass Mikroreflektoren eine bevorzugte Lage und/oder Orientierung aufweisen. Um diese Vorzugslage und/oder Vorzugsorientierung stellt sich eine Verteilung ein, die durch den Herstellprozess determiniert werden kann. Die Lage und/oder Orientierung einzelner Mikroreflektoren bleibt jedoch ungewiss.
Die Mikroreflektoren haben die Eigenschaft, dass sie elektromagnetische Strahlung mindestens einer Wellenlänge reflektieren, wenn eine Anordnung aus einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, mindestens eine reflektierende Oberfläche mindestens eines Mikroreflektors und ein Detektor für die reflektierte elektromagnetische Strahlung dem Reflexionsgesetz gehorcht.
Das Verfahren zur Authentifizierung eines Gegenstands umfasst mindestens die folgenden Schritte:
(A) Ausrichten des Gegenstands gegenüber dem Sensor,
(B) Bestrahlung mindestens eines Teils des Gegenstands mit elektromagnetischer Strahlung,
(C) Detektion der an Mikroreflektoren reflektierten Strahlung,
(D) Änderung der relativen Lage des Gegenstands gegenüber dem Sensor,
(E) ggf. mehrfache Wiederholung der Schritte (B), (C) und (D),
(F) Vergleich des in Abhängigkeit der relativen Lage detektierten Reflexionsmusters mit mindestens einem Soll-Muster,
(G) Ausgabe einer Mitteilung über die Authentizität des Gegenstands in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs in Schritt (F). Vorzugsweise werden der zu authentifizierende Gegenstand und/oder der Sensor zueinander bewegt, um die an verschiedenen Stellen und/oder unter verschiedenen Orientierungswinkeln aufblinkenden Mikroreflektoren als Funktion der relativen Lage des Gegenstands gegenüber Strahlenquelle (Laser) und Fotodetektoren aufzuzeichnen.
Die Lageänderung kann kontinuierlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit, beschleunigend oder abbremsend, oder diskontinuierlich, d.h. z.B. schrittweise erfolgen.
Die Wiederholung der Schritte (B), (C) und (D) in Schritt (E) wird solange ausgeführt, bis eine ausreichende Anzahl an Mikroreflektoren erfasst worden ist. Diese ausreichende Anzahl wird durch den jeweiligen Anwendungsfall vorgegeben. Gibt es eine Vielzahl an verschiedenen Gegenstände, von denen jedes einzelne sicher, d.h. mit einer Wahrscheinlichkeit von z.B. mehr als 99% authentifiziert werden soll, so müssen sich die Reflexionsmuster der einzelnen Gegenstände hinreichend unterscheiden. Mit der Zahl an Mikroreflektoren, die für die Aufnahme eines Reflexionsmusters erfasst werden, nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass die Reflexionsmuster von zwei verschiedenen Gegenständen gleich sind. Insofern bestimmt die Zahl der zu unterscheidenden Gegenstände und die Sicherheit, mit der ein Gegenstand authentifiziert werden soll, die Zahl der zu erfassenden Mikroreflektoren.
Bei einer Authentifizierung findet in Schritt (F) ein so genannter l :l-Abgleich zwischen aktuell erfasstem Referenzmuster und dem Reflexionsmuster des vermuteten Gegenstands (Soll-Muster) statt. Das Reflexionsmuster stellt die in Abhängigkeit der Lage des Gegenstands in Bezug zum Sensor erfassten Reflexionen von Mikroreflektoren dar. Das Reflexionsmuster liegt daher z.B. in Form einer Zahlentabelle vor, in der die an verschiedenen Orten unter verschiedenen Winkeln gemessenen Intensitäten der von Mikroreflektoren zurückgeworfenen Strahlung erfasst sind. Eine solche Zahlentabelle kann direkt mit einer Soll-Zahlentabelle verglichen werden. Ebenso ist es möglich, aus der gemessenen Intensitätsverteilung mittels mathematischer Operationen eine andere Darstellung eines Reflexionsmusters zu erstellen, bevor ein Vergleich mit einem Soll-Muster durchgeführt wird.
Es ist denkbar, bei der Authentifizierung die Identität des Gegenstands zunächst beispielsweise anhand eines Barcodes zu bestimmen, der mit dem Gegenstand verbunden ist, und durch den Vergleich zwischen aktuell gemessenem Reflexionsmuster und dem Reflexionsmuster, das dem identifizierten Gegenstand zugeordnet ist, dann die Richtigkeit der Zuordnung zu bestätigen.
Ebenso kann der Sensor dazu verwendet werden, einen Gegenstand anhand seines charakteristischen Reflexionsmusters direkt zu identifizieren. Ein Verfahren zur Identifizierung eines Gegenstands mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors umfasst mindestens die bereits beim Verfahren zur Authentifizierung diskutierten Schritte (A) bis (G) in den dort diskutierten Ausführungsformen, wobei in Schritt (G) anstelle einer Mitteilung über die Authentizität eine Mitteilung über die Identität des Gegenstands erfolgt:
(G) Ausgabe einer Mitteilung über die Identität des Gegenstands in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs in Schritt (F).
In Schritt (F) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Reflexionsmuster des betrachteten Gegenstands mit Reflexionsmustern verglichen, die bereits zu einem früheren Zeitpunkt ermittelt worden sind. Insofern wird die Identität eines Gegenstands durch das Reflexionsmuster bestimmt und es erfolgt ein Abgleich des betrachteten Reflexionsmusters mit allen in einer Datenbank gespeicherten Reflexionsmustern bereits erfasster Gegenstände (1 :n-Abgleich).
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors bietet den Vorteil, dass eine Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstands maschinell ausgeführt oder maschinell unterstützt werden kann und eine quantitative Bewertung ermöglicht, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Gegenstand einem behaupteten Gegenstand entspricht. Eine maschinelle Ausführung oder Unterstützung erlaubt die Überprüfung einer größeren Anzahl von Gegenständen anhand ihrer charakteristischen Reflexionsmuster in einer kürzeren Zeit und zu geringeren Kosten als eine (rein) personelle Ausführung z.B. mit Hilfe eines Mikroskops wie in DE 102007044146Al beschrieben. Darüber hinaus erlaubt eine maschinelle Ausführung oder maschinelle Unterstützung einen Vergleich von Reflexionsmustern, die zu verschiedenen Zeiten authentifiziert wurden. Dadurch wird die Verfolgung von Gegenständen (track and trace) ermöglicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
Es zeigen:
Fig. Ia, Ib bevorzugte Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Sensors ohne optische Komponenten in einer perspektivischen Darstellung
Fig. 2 Block des erfindungsgemäßen Sensors im Querschnitt
Fig. 3 Gehäuse mit Deckel
Fig. 4 Schematische Darstellung eines linienförmigen Strahlprofils Fig. 5 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors
Fig. 6 plankonvexe Zylinderlinse zur Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils
Bezugszeichen:
1 Sensor
10 Block
11 Durchführung
12 Durchfuhrung
13 Durchführung
14 Normale zur Außenfläche
15 Ausfallwinkel
18 Außenfläche
20 Fokuspunkt
30 Halteelement
50 Gehäuse
51 Durchfuhrung, Verbindungsmittel
52 Durchfuhrung, Verbindungsmittel
55 Kabeldurchführung
60 Deckel
62 Aussparung
70 Strahlenquelle
80 Fotodetektor
90 Blende
100 einfallender Strahl
110 reflektierter Strahl
200 Oberfläche
300 plankonvexe Zylinderlinse α Einfallwinkel ß Ausfallwinkel - -
Figuren Ia und Ib zeigen einen erfindungsgemäßen Sensor 1 ohne optische Komponenten in einer perspektivischen Darstellung. In Figur 2 ist der Sensor 1 aus den Figuren Ia und Ib im Querschnitt gezeigt.
Zentrales Element des Sensors 1 bildet ein Block 10, der bevorzugt ein- oder zweistückig ausgeführt ist, und der zur Aufnahme aller optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors dient.
Unter optischen Komponenten werden alle Komponenten des Sensors verstanden, die im Strahlengang zwischen Strahlenquelle und Fotodetektor angeordnet sind, inklusive des Lasers und der Fotodioden selbst. Optische Elemente bilden eine Auswahl der optischen Komponenten; sie dienen der Strahlformung und Fokussierung. Als optische Elemente werden insbesondere Linsen, Blenden, diffraktive optische Elemente und dergleichen bezeichnet.
Der optische Block 10 umfasst eine ausgewiesene Außenfläche 18, die bei der Erfassung charakteristischer Reflexionsmuster eines Gegenstands auf denselben gerichtet ist. Der Block 1 umfasst Durchführungen 11, 12, 13, die in Richtung auf die ausgewiesene Außenfläche 18 - im Folgenden einfach als Außenfläche bezeichnet - aufeinander zulaufen. Eine erste Durchführung 11 dient der Aufnahme der Sirahlenquelle. Diese Durchführung 11 verläuft in einem Winkel αA zur Normalen der Außenfläche. Die Normale der Außenfläche oder kurz Außenflächennormale ist die senkrecht auf der Außenfläche stehende Gerade, die in Richtung der Durchführungen gerichtet ist.
Der Winkel αA liegt im Bereich von 0 bis 60°, bevorzugt im Bereich von 15° bis 40°, besonders bevorzugt im Bereich von 20° bis 35° und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 25° bis 30°. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Winkel αA =27°.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors zur Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Gegenstandes wird der Sensor bevorzugt gegenüber der Oberfläche des Gegenstandes so ausgerichtet, dass die Oberfläche des Gegenstandes und die Außenfläche parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall fällt elektromagnetische Strahlung unter einem Winkel α bezüglich der Oberflächennormalen auf die Oberfläche des Gegenstandes. Der Winkel αA entspricht in diesem Fall dem Einfallwinkel α der einfallenden Strahlung.
Ein Teil der einfallenden Strahlung wird an der Oberfläche unter einem Ausfallwinkel ß bezüglich der Oberflächennormalen direkt zurückgestreut. Gemäß dem Reflexionsgesetz gilt α=-ß. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Fotodetektor in einem Winkel γ bezüglich des Ausfallwinkels ß angeordnet. Dazu umfasst der Block des erfϊndungsgemäßen Sensors mindestens eine weitere entsprechende Durchführung 12, 13 zur Aufnahme des Fotodetektors.
Der Block des erfindungsgemäßen Sensors kann weitere Durchführungen zur Aufnahme von Fotodetektoren umfassen. In der gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der
Block genau zwei Durchführungen 12, 13 zur Aufnahme von Fotodetektoren. Diese liegen zusammen mit der Durchführung 11 für die Strahlenquelle in einer Ebene. Sie verlaufen bevorzugt in einem Winkel Y1 und ^2 zur Außenflächennormalen. Die Fotodetektoren werden in den
Durchführungen so angeordnet, dass sie zur Außenfläche hin gerichtet sind. Die Winkel γi und γ2 liegen im Bereich von 5° bis 60°, bevorzugt im Bereich von 5° bis 30°, besonders bevorzugt im
Bereich von 10° bis 20°, wobei stets gelten soll: α-γj ä), α+γi -^0o für i=l und i=2. Im vorliegenden
Beispiel betragen die Winkel γi = -13,5° und γ2 = 13,5°.
Alle Durchführung 11, 12, 13 liegen bevorzugt in einer Ebene.
Die in den Figuren Ia, Ib und 2 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors umfassend einen Block mit Durchführungen zur Aufnahme einer Strahlenquelle und von zwei 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 die Strahlenquelle 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 beiden weiteren Durchführungen einnimmt. Verfügt die Strahlenquelle über bereits mit dieser verbundene optische Elemente zur Strahlformung und Fokussierung, was beispielsweise bei den heute kommerziell erhältlichen Laserstrahlenquellen allgemein üblich ist, so liegt durch die Fixierung der Strahlenquelle zugleich der Fokuspunkt der Strahlenquelle eindeutig fest. Die weiteren Durchführungen zur Aufnahme der Fotodetektoren können ebenfalls mit einem Anschlag versehen werden, wobei die Position der Fotodetektoren weniger genau sein muss als die Position der Strahlenquelle.
Der Block 10 kann in einfacher Weise z.B. mittels Spritzgussverfahren aus Kunststoff ein- oder zweistückig gefertigt werden. Mittels Spritzgussverfahren lassen sich Bauteile mit hoher Genauigkeit in großer Stückzahl und in kurzer Zeit herstellen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Serienfertigung von hinreichend präzisen Bauteilen. Die Durchführungen können in dem Spritzgusswerkzeug bereits vorgesehen sein oder in den Block nachträglich mittels z.B. Bohrungen eingebracht werden. Bevorzugt werden alle Bestandteile des Blocks bereits im Spritzgussverfahren - -
in einem Schritt gefertigt. Ebenso ist es denkbar, den Block beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff zu fräsen und die Durchführungen mittels Bohrungen zu realisieren. Weitere dem Fachmann bekannte Methoden zur Fertigung eines Blocks mit definierten Durchführungen sind denkbar.
Der erfindungsgemäße Sensor 1 ist weiterhin dadurch charakterisiert, dass sich die Mittelachsen der Durchführungen 11, 12, 13 in einem Punkt 20 schneiden, der außerhalb des Blocks 10 liegt (siehe Figur 2). Überraschend wurde gefunden, dass es für die Erfassung von Reflexionsmustern vorteilhaft ist, wenn der Schnittpunkt 20 der Mittelachsen in einem Abstand von 0,5 bis 10 mm von der Außenfläche liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schnittpunkt 20 gleichzeitig der Fokuspunkt der Strahlenquelle.
Zur Erfassung von Reflexionsmustern, die durch Mikroreflektoren in der Oberfläche eines Gegenstands erzeugt werden, wird der erfindungsgemäße Sensor entsprechend in einem Abstand über diesen Gegenstand geführt, so dass der Schnittpunkt der Mittelachsen auf der Oberfläche des Gegenstandes liegt.
Bei dem genannten Abstandsbereich von 0,5 bis 10 mm ist die Positionierung der zu erfassenden 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 Strahlenquelle ab, so dass bei einem zunehmenden Abstand zwischen Sensor und Gegenstand die entsprechend verringerte am Gegenstand ankommende Strahlungsintensität durch eine höhere Leistung der Strahlenquelle kompensiert werden müsste. Der erfindungsgemäße Sensor ist jedoch bevorzugt mit einem Laser der Klasse 1 oder 2 ausgestattet, um den Sensor ohne umfangreiche Schutzmaßnahmen betreiben zu können. Dies gilt insbesondere, da der Sensor „offen" ist (d.h. der Laserstrahl tritt aus dem Sensor ungehindert hinaus). Das bedeutet, dass die Leistung der Strahlenquelle nicht beliebig gesteigert werden kann. Insofern ist ein erfindungsgemäß kurzer Abstand von 0,5 bis 10 mm vorteilhaft.
Der Block 10 in den Figuren Ia, Ib und 2 umfasst weiterhin Haltemittel 30 zur Aufnahme und Fixierung eines Fensters. Das Fenster (in der Figur nicht dargestellt) ist für die Wellenlänge der verwendeten Strahlenquelle zumindest teilweise durchlässig. Unter teilweiser Durchlässigkeit wird eine Transmissivität von mindestens 50% verstanden, d.h. 50% der eingestrahlten Strahlungsintensität durchdringt das Fenster.
Die Teilfϊguren 3(a) und 3 (b) zeigen ein Gehäuse 50 in perspektivischer Darstellung, in den der Sensor aus den Figuren Ia, Ib bzw. 2 eingebracht werden kann. Teilfigur 3(c) zeigt einen zum
Gehäuse zugehörigen Deckel 60. Das Gehäuse verfugt über Durchfuhrungen 51, 52. Die
Durchführungen können als Verbindungsmittel verwendet werden, um mehrere Sensoren miteinander lösbar zu verbinden oder um den Sensor an einer Halterung zu befestigen. Der Deckel
60 weist entsprechende Aussparungen 62 auf. Über eine Kabeldurchführung 55 wird der Sensor mit einer Steuerelektronik und / oder einer Rechnereinheit zur Aufnahme der Reflexionsdaten verbunden.
Figur 5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1. Figur 5(a) zeigt den Sensor von der Seite im Querschnitt, Figur 5(b) von der der Oberfläche 200 zugewandten Unterseite.
Der Sensor 1 umfasst eine Strahlenquelle 70 und einen Fotodetektor 80. Wird die Außenfläche 18 des Sensors i parallel über die Oberfläche 200 eines Gegenstands geführt, so fallt Strahlung 100 in einem Winkel α zur Normalen 14 auf die Oberfläche 200. Die an der Oberfläche 200 reflektierte Strahlung 110 wird unter einem Winkel ß zur Normalen 14 zurückgesandt. Es gilt gemäß Reflexionsgesetz |α| = |ß|. Die reflektierte Strahlung 110 trifft nicht auf den Fotodetektor 80, da dieser erfindungsgemäß so angeordnet ist, dass die Beträge der Winkel α und δ verschieden sind
Das linienformige Strahlenprofil wird in dem vorliegenden Beispiel mittels einer Blende 90 erzeugt. Der Abstand zwischen Sensor (Außenfläche 18) und Gegenstand (Oberfläche 200) beträgt bevorzugt zwischen 0,2 und 10 mm.
Die Teilfiguren 4(a) und 4(b) verdeutlichen ein linienförmiges Strahlprofil mit einer Strahlbreite SB und einer Strahldicke SD. In Teilfigur 4(a) ist das zweidimensionale Querschnittsprofil eines Strahls im Fokuspunkt dargestellt. Im Zentrum der Querschnittsprofils liegt die höchste Intensität vor. Die Intensität / nimmt nach außen ab, wobei es eine erste Richtung (x) gibt, in der die Intensität / mit zunehmendem Abstand A zum Zentrum am stärksten abnimmt, und eine weitere Richtung (y), die senkrecht zur ersten Richtung (x) steht, in der die Intensität / mit zunehmendem Abstand A zum Zentrum am schwächsten abnimmt. Teilfigur 4(b) zeigt den Intensitätsverlauf / als Funktion des Abstandes A vom Zentrum. Die Strahlbreite und die Strahldicke werden als die Abstände vom Zentrum definiert, in denen die Intensität / auf 50% ihres Maximalwerts im Zentrum gesunken ist, wobei hier die Strahlbreite in y-Richtung und die Strahldicke in x-Richtung liegt.
In Figur 6 ist beispielhaft gezeigt, wie ein linienförmiges Strahlprofil mit Hilfe einer plankonvexen
Zylinderlinse 300 erzeugt werden kann. Die Zylinderlinse 300 wirkt in einer Ebene als
Sammellinse (Figur 6(b)). In der dazu senkrechten Ebene hat sie keine brechende Wirkung. In der paraxialen Näherung gilt für die Brennweite/einer solchen Linse die Formel:
/ = — Gl. l wobei R der Zylinderradius und n die Brechzahl des Materials ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Erfassung von Reflexionsmustern, die durch zufällig verteilte und/oder orientierte Mikroreflektoren in oder an einem Gegenstand bei Bestrahlung erzeugt werden, mindestens umfassend
- eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, die so angeordnet ist, dass elektromagnetische Strahlung in einem Winkel α auf den Gegenstand gesandt werden kann,
einen Fotodetektor zur Aufnahme reflektierter Strahlung, der so angeordnet ist, dass die von dem Gegenstand unter einem Winkel δ reflektierte Strahlung erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge der Winkel α und δ verschieden sind (|α| ≠jδ|).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α im Bereich von 0 bis 60°, bevorzugt im Bereich von 15° bis 40°, besonders bevorzugt im Bereich von 20° bis 35° und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 25° bis 30° bezogen auf die Normale der Oberfläche des Gegenstands, die bestrahlt wird, liegt.
3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Winkels δ im Bereich von |α| ± 5° bis |α| ± 60°, bevorzugt im Bereich von |α| ± 5° bis |α| ± 30°, besonders bevorzugt im Bereich von |α| ± 10° bis |α| ± 20° liegt, wobei stets δ >0 und δ < 90° gelten soll und der Winkels δ auf die Normale der Oberfläche des Gegenstands bezogen wird.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Anzahl n = 1 bis 4, bevorzugt n = 1 bis 2 an Strahlenquellen sowie zwei Fotodetektoren pro Strahlenquelle umfasst, wobei die jeweils zwei Fotodetektoren mit jeweils einer Strahlenquelle in einer Ebene angeordnet sind, wobei die jeweils zwei Fotodetektoren die unter den Winkeln δi = |α| + γ und δ2 = |α| - γ vom Gegenstand reflektierten Strahlen erfassen, wobei γ im
Bereich von 5° bis 60°, bevorzugt im Bereich von 5° bis 30°, besonders bevorzugt im Bereich von 10° bis 20° liegt und wobei stets gelten soll: |α|-γ >0 und |α|+γ <90°.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend optische Elemente zur Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das linienförmige Strahlprofil eine Strahldicke im Bereich von 5 μm bis 50 μm, bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 40 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 30 μm und eine Strahlbreite im Bereich von 2,5 mm bis 7 mm, bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 6,5 mm, besonders bevorzugt im Bereich 4 mm bis 6 mm und ganz besonders bevorzugt im Bereich 4,5 mm bis
5,5 aufweist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt der Strahlung in einem Abstand im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm vom Sensor liegt.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Blende im Abstand von 0,5 mm bis 10 mm vom Sensor eine Strahlbreite im Bereich von 2 mm bis 5 mm, bevorzugt im Bereich von 2,5 mm bis 3,5 mm und mit einer Strahldicke im Bereich von 200 μm bis 1000 μm, bevorzugt im Bereich von 200 μm bis 400 μm erzeugt werden kann.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend einen ein- oder zweistückig ausgeführten Block, mit einer ersten Durchfuhrung zur Aufnahme einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und zwei weiteren Durchführungen zur Aufnahme von
Fotodetektoren.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend Verbindungsmitteln zur Verbindung eines Sensors mit weiteren Sensoren oder mit einer Halterung.
11. Vorrichtung umfassend zwei oder mehrere direkt oder über Abstandshalter miteinander lösbar verbundene Sensoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Identifizierung und/oder Authentifizierung eines oder mehrerer Gegenstände anhand der zufälligen Verteilung und/oder Orientierung von Mikroreflektoren.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbreite und die Strahldicke an die Konzentration und Größe der Mikroreflektoren angepasst wird, wobei die
Strahldicke bevorzugt in der Größenordnung der mittleren Größe der Mikroreflektoren und die Strahlbreite in der Größenordnung des mittleren Abstands zweier Mikroreflektoren liegt.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder die Vorrichtung in einem Abstand von 0,5 mm bis 10 mm über eine Oberfläche des Gegenstandes geführt wird.
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Ausrichten des Gegenstands gegenüber dem Sensor oder der Vorrichtung,
(B) Bestrahlung mindestens eines Teils des Gegenstands mit elektromagnetischer Strahlung,
(C) Detektion der an Mikroreflektoren reflektierten Strahlung,
(D) Änderung der relativen Lage des Gegenstands gegenüber dem Sensor oder der Vorrichtung,
(E) ggf. mehrfache Wiederholung der Schritte (B), (C) und (D),
(F) Vergleich des in Abhängigkeit der relativen Lage detektierten Reflexionsmusters mit mindestens einem Soll-Muster,
(G) Ausgabe einer Mitteilung über die Identität und/oder Authentizität des Gegenstands in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs in Schritt (F).
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