СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК G09F3/00 G03H1/28 

Изобретение относится к средствам идентификации изделий путем их маркировки и может быть использовано для защиты изделий от подделки и копирования.

Известен способ идентификации изделий (таких, например, как пластиковые кредитные карты, банковские документы, секретные документы, денежные знаки, товарные знаки, электронные чипы, магнитные карты, оптические диски, товары широкого потребления) путем их маркировки высокочастотными пространственными структурами, отображаемыми в дальнейшем в видимом свете для визуального или автоматизированного дешифрирования. Основным недостатком данного способа является возможность простого оптического (проекционного) копирования маркирующей изделие высокочастотной пространственной структуры. Широко используемый в настоящее время способ защиты от такого копирования путем дополнительного маркирования изделия низкочастотным рельефом (применяемый, например, на кредитных карточках) приводит к значительному искажению информационного содержания или изобретательных свойств высокочастотной пространственной структуры (Panel Discussion at "Optical Teshnigues in Security", SIRA/SPIE Forum, 1990. Held at Sira Limited, Chislehurst, Kent, England).

Известен способ идентификации изделий путем их маркировки высокочастотной пространственной структурой в виде голограммы, записанной с кодированной опорной волной, и последующего освещения данной голограммы этой же опорной волной (патент США N 3647275, кл. 350-3.5). Недостатком способа является сложность пространственного совмещения кодированной опорной волны с голограммой как по положению, так и по ориентации.

Известен также способ идентификации изделий путем их маркировки высокочастотной пространственной структурой в виде одной комплементарной компоненты составной или т.н. сэндвич-голограммы, последующего наложения на изделие другой комплементарной компоненты сэндвич-голограммы и их одновременного восстановления (N. Abramzon, H. Bjelkhagen, and P. Skande /Appl. Opt. 1979, vol. 18, No 12, pp. 2017). Недостатком способа является сложность совмещения комплементарных голограмм, а главное их чувствительность к взаимным искажениям.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением, свободным от указанных недостатков, является способ идентификации изделий путем их маркировки голограммой, записанной с плоской или сферической опорной и кодированной предметной волнами, а также последующего восстановления предметной волны и визуального или автоматизированного дешифрирования ее кода (A.I. Hopwood/SPIE Proc. "Hologaphic Optical Security Systems", 1991, vol. 1509, p. 26).

В силу специфической физической природы голографической структуры ее невозможно скопировать обычными проекционными методами. Однако возможно многоступенчатое голографическое копирование через создание промежуточных голограмм и оптической фильтрации соответствующих помех. Кроме того, голографический маркер, формируемый по известному способу, не является помехоустойчивым, т. к. соответствующий идентификационный код изделия записывается в виде обычной проекционной голограммы, подверженной всевозможным помехам (царапинам, грязи и т. п.).

Цель изобретения повышение эффективности способа за счет нанесения помехоустойчивого голографического маркера, полностью исключающего возможность его оптического копирования.

Поставленная цель достигается тем, что при маркировке изделий голограмму наносят в виде последовательно наложенных Фурье-голограмм, образованных общей опорной и ортогональными друг к другу предметными волнами, с одинаковыми углами направлений их распространения по отношению к опорной волне и общей плоскостью изображений, в которой изображения автокорреляций предметных волн формируют пространственно-протяженными, голограмму освещают пространственно-когерентной волной и в направлении ее распространения формируют изображение суммы автокорреляций предметных волн, исключая пространственные частоты в телесном угле, определяемом конечной апертурой голограммы и ее низкочастотного шума, анализируют это изображение и по отсутствию в нем изображений кросскорреляций предметных волн судят о подлинности голограммы.

Сущность изобретения заключается в том, что при оптическом копировании наложенных голограмм, записанных предлагаемым способом, изменяются их идентификационные коды наряду с изображениями автокорреляций восстанавливаемых предметных волн оригиналов появляются изображения кросскорреляций предметных волн их копий. Это достигается последовательным наложением Фурье-голограмм, образованных общей опорной и ортогональными друг другу предметными волнами, с одинаковыми углами направлений их распространения по отношению к опорной волне и общей плоскостью изображений, в которой изображения автокорреляций предметных волн формируют пространственно-протяженными. Другие существенные отличия, а именно - голограмму освещают пространственно-когерентной волной и в направлении ее распространения формируют изображение суммы автокорреляций предметных волн, исключая пространственные частоты в телесном угле, определяемом конечной апертурой голограммы и ее низкочастотного шума, анализируют это изображение и по отсутствию в нем изображений кросскорреляций предметных волн судят о подлинности голограммы, позволяют идентифицировать наличие кросскорреляций предметных волн в скопированных голограммах. Сочетание отмеченных методом нанесения маркера изделия в виде Фурье-голограмм и корреляционной визуализации его кода повышают помехоустойчивость индентификации.

Таким образом, указанные существенные отличия приводят к появлению новых свойств у способа голографической идентификации изделий невозможности непосредственного оптического копирования голографического маркера и его высокой помехоустойчивости.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами, относящимися к наиболее сложным случаям голографической идентификации изделий, когда в их качестве взяты изобразительные голограммы, записанные по методам Лейта-Упатниекса, Бентона или Денисюка. В соответствии с этими методами записываются и Фурье-голограммы, идентифицирующие данные изделия.

Различные варианты осуществления способа представлены на фиг. 1 6. На данных фигурах и далее в тексте приняты следующие обозначения:
s, r предметная и опорная когерентные волны;
α угол между направлениями распространений (пространственными несущими) предметной и опорной волн;
l длина волны когерентного света;
z толщина регистрирующей среды;
интенсивность волны (изображение);
S F[s] пространственный Фурье-образ волны s;
спектр мощности волны s;
⊗ операция двумерной (пространственной) свертки;
* операция двумерной (пространственной) корреляции;
О объектив;
РС регистрирующая среда;
Г голограмма;
А, Б взаимно-сопряженные плоскости изображений.

Пример 1. Как известно, при записи изобразительных голограмм (изд-лий) по методам Лейта-Упатниекса и Бентона освещение регистрирующей среды предметной s₀ и опорной r₀ когерентными волнами производится с одной стороны регистрирующей среды при угле α между их пространственными несущими, удовлетворяющим условию: 30^o ≅ a ≅ 50^o. При этом плоскость изображения обычно располагают вблизи плоскости регистрирующей среды РС (см. фиг. 1а). Это достигается использованием объектива О₁, проектирующего изображения из плоскости А. При реализации метода Лейта-Упатниекса восстановленное изображение формируется объективом О₂ за голограммой в сопряженной (по отношению к плоскости А) плоскости Б с помощью восстанавливающей волны, совпадающей с опорной, при ее дифракции на голограмме (см. фиг. 1б). В случае использования объемной или толстослойной РС с толщиной z ≥ 10 λ (где l длина волны записывающего и восстанавливающего когерентного света) в силу резонансного механизма Брегговской дифракции будет восстанавливаться лишь волна, совпадающая по направлению с предметной волной. В случае использования тонкослойной голограммы (z <10 l ) появится сопряженное изображение т.н. (-1)-го порядка дифракции (на фиг. 1 не показано). Поэтому, не нарушая общности, будем рассматривать лишь запись тонкослойных голограмм. В любом случае, наряду с восстановленным изображением, в области нулевой пространственной частоты восстанавливающей пространственно-когерентной волны r₀ объективом О₃, располагаемым по ходу распространения волны r₀, формируется спектр мощности изображения восстановленной волны.

При реализации метода Бентона используется специальная оптическая схема записи и производится дополнительная обработка рельефа поверхности РС и получение копии данного рельефа на другом материале. Далее производится восстановление изображения с данной рельефной копии, но уже в отраженном свете опорной волны. При этом, ввиду ограничения ширины пространственных частот изображения на стадии его записи апертурой объектива О₁ (либо специальной щелью, не показанной на фиг. 1а), возможно восстановление радужного изображения белым светом. Однако механизм формирования спектра мощности изображения восстановленной волны с помощью пространственно-когерентной волны r₀ остается в силе.

Более кратно сказанное можно описать известной Габоровской моделью. Передаточная функция изобразительной голограммы (в линейном приближении) выражается как Непосредственно за голограммой волна света имеет вид Г₀r₀. В силу этого объектив О₃, располагаемый по ходу распространения волны r₀, формирует в своей задней "фокальной" плоскости Фурье-образ F волны, подвергшейся модуляции низкочастотной структурой Отсюда видно, что определяется через свертку ⊗ Фурье-образа изображения с дельта-образной функцией F[r₀] Собственно установка самого объектива O₃ производится по данной дельта-образной функции (яркости и размеру изображения центральной точки, формируемой объективом O₃ из опорной волны r₀). Размер изображения определяется конечной апертурой изобразительной голограммы.

Осуществим идентификационное голографическое маркирование изделия - изобразительной голограммы Г₀. Для этого в соответствии с предлагаемым способом произведем на то же место РС последовательные записи Фурье-голограмм, причем каждую с одной и той же новой опорной волной r₁, отличающейся от старой r₀ лишь углом записи α₁(α < α₁ < 90^°) В качестве объективных волн выберем волны s₁ и s₂, образованные различными наборами точечных источников так, что в области РС объективом О формируются из Фурье-образцы S и S₂ в виде сферических волн (см. фиг. 2a). Суммарную передаточную функцию двух Фурье-голограмм можно записать в виде При восстановлении пространственно-когерентной волной r₀ данные голограммы сформируют в задней сопряженной плоскости объетива O₃ волну в виде суммы автокорреляций "*" предметных волн. Если совокупности точечных источников не содержат одинаковые компоненты, то буде т наблюдаться изображение являющееся индентификационным кодом изделия (см. фиг. 2б).

Для того, чтобы изображения не смешивались с изображением необходимо, чтобы минимальное угловое расстояние между точечными источниками было больше ширины полосы пространственного, спектра основного изображения который в данном случае играет роль некоторого эффективного низкочастотного шума. В противном случае идентификационный код будет маскирован спектром мощности основного изображения. Необходимо также, чтобы минимальное угловое расстояние между точечными источниками было больше ширины полосы пространственного спектра F[r₀] самой восстанавливающей волны, ограниченной конечной апертурой Фурье-голограмм. В общем случае данные требования будут удовлетворены, если угловые расстояния между дискретными элементами в изображениях предметных волн задают большим телесного угла, определяемого конечной апертурой Фурье-голограмм и ее низкочастотного шума. В случае не голографического изделия низкочастотный шум будет определяться пространственными неоднородностями РС, на которой записываются Фурье-голограммы.

В рассматриваемом примере с голографическим изделием выбор угла записи (α < α₁ < 90^°) наложенных Фурье-голограмм также определяется тем, чтобы восстановленная суммарная волна S₁ + S₂ не накладывалась на изображение изделия. Однако допустимы случаи, когда α₁ = α например, если высоки требования к контрасту изображения изделия.

Как известно, эффективное оптическое копирование производится в несколько этапов, через запись промежуточных голограмм и фильтрацию помех. Однако при записи любой промежуточной голограммы с помощью волн, восстанавливаемых с оригинала, не нее, наряду с основной предметной волной s₀ будет падать суммарная волна S₁ + S₂. Данная волна будет образовывать на голограмме-копии дополнительную кросс-структуру S*1

S₂ + S*2S₁ При восстановлении идентификационного кода голограммы-копии будет восстанавливаться и добавочная волна F[S21S₂] + F[S*2S₁] = s*1•s₂ + s*1•s_2/ , формирующая антиидентификационное изображение Отсюда видно, что для облегчения отличия голограммы-копии от голограммы-оригинала необходимо, чтобы кросскорреляционная функция изображений различных совокупностей точечных источников отличалась от суммы их автокорреляционных функций, т.е. s*1•s₂ + s*1•s₂ ≠ s*1•s₁ + s*2•s₂ Данное функциональное неравенство имеет тривиальное решение: s₁≠s₂. При этом можно показать, что "максимум" неравенства (минимум среднеквадратичного отклонения левой части неравенства от его правой части) достигается, если предметные волны ортогональны, т.е. их скалярное произведение (в общей плоскости (x, y) их изображений) <s*1s₂> = ∫∫s*1(x,y)s₂(x,y)dxdy = 0 а изображения их автокорреляцией s*1•s₁, s*2•s₂ формируют пространственно-протяженными. В случае выбора предметных волн, обладающих изображениями в виде несовпадающих наборов дискретных элементов оба условия удовлетворяются автоматически. Именно такие волны и формировались точечтными источниками в рассмотренном примере. В общем случае при формировании предметных волн необходимо исходить из отмеченных выше требований ортогональности и протяженности их автокорреляционных функций.

Следует также обратить внимание на то, что по восстанавливаемой с голограммы-оригинала суммарной волне S₁ + S₂ или соответствующему изображению и идентификационному коду практически сложно определить какие предметные волны использовались на стадиях записи наложенных Фурье-голограмм. Это обстоятельство также имеет большое значение в защите изделия, т.к. не позволяет изготовить похожий голографический маркер по вышеописанной технологии без значения точного вида парциальных предметных волн, в данном случае s₁ и s₂.

Пример 2. При записи изобразительных голограмм пор методу Денисюка опорную и предметную волну направляют на толстослойную (z>10 λ РС с разных сторон так, что 90^o <a <180^o (см. фиг. 3а).

Произведем последовательную запись трех наложенных Фурье-голограмм. При этом, запишем две голограммы, направляя опорную волну r₁ под углом 180^o<a₁ <270^o к предметным волнам, в качестве которых используем волны s₁ и s₂, формируемые наборами несовпадающих точечных источников (см. фиг. 3б). Третью голограмму запишем снова, используя опорную волну r₁ и предметную волну S₃, образованную одним точечным источником, не совпадающим ни с одним точечным источником предыдущих предметных волн. Для этого выберем угол записи, равным, например, 2α₁-180^° (см. фиг. 4а).

Суммарную передаточную функцию трех Фурье-голограмм можно записать в виде . Поэтому при освещении голограммы волной r₁, наряду с волной S₁ + S₂, будет восстанавливаться волна S₃. На выходе голограммы данная волна будет промодулирована как низкочастотной решеткой так и низкочастотной решеткой изобразительной голограммы. Следовательно, в задней фокальной плоскости объектива O₃ будет наблюдаться изображение автокорреляцией предметных волн на фоне изображения (см. фиг. 4б).

Таким образом, получается случай, полностью аналогичный рассмотренному в примере 1.

Пример 3. Рассмотрим результаты натурных экспериментов по записи и копированию идентификационного голографического маркера, сформированного с помощью двух наложенных Фурье-голограмм, записанных по методу Лейта-Упатниекса (см. пример 1).

В качестве РС использовались фотопластинки ПФГ-01 (толщина эмульсии z 5 мм), а в качестве источника когерентного света HeNe лазер ( λ 0,63 мкм) с выходной мощностью 40 мВт. Угол записи Фурье-голограмм составлял a₁ 40^o.

Рассмотрим два случая, отличающиеся степенями сложности формирования идентификационных кодов изделия.

В первом случае для формирования предметных волн использовались простейшие группы точечных источников (по два точечных источника в группе), расположенных на ортогональных линиях (см. фиг. 5а). Фотопластинки обрабатывались проявителем ГП-2.

Для сравнения была также записана Фурье-голограмма лишь с одной предметной волной S₁.

Копирование голограммы-оригинала проводилось с помощью ее перезаписи на промежуточную голограмму по стандартной методике.

На фиг. 5б показано изображение автокорреляционной функции одной группы точечных источников (крупные яркие точки), сформированное Фурье-голограммой, записанной лишь с одной предметной волной S₁. В центре показано фоновое изображение обусловленное конечной апертурой Фурье-голограммы. Видно также дополнительное "нелинейное" изображение (мелкие яркие точки по краям), возникающие из-за нелинейных процессов записи голограммы. Данные нелинейные процессы приводят к удвоению частот дифракционных решеток, образованных группой волн точечных источников. В силу этого, а также малой яркости, "нелинейное" изображение не мешает наблюдению автокорреляционного кода. Возможно также уменьшение яркости нелинейного изображения за счет подбора режима записи (увеличение интенсивности опорной волны или предварительная подсветка РС).

Результаты восстановления изображения идентификационного автокорреляционного кода голограммы-оригинала показаны на фиг. 5в. Видно, что данное изображение, с точностью до незначительной нелинейной помехи, соответствует сумме изображений функции автокорреляций групп точечных источников
На фиг. 5г показано изображение идентификационного кода, полученное с голограммы-копии. Очевидно видно наличие антиидентификационного изображения функции кросскорреляции групп точеченых источников.

Как правило, наибольшая световая энергия заключена в фоновом изображении Поэтому для наилучшего восприятия изображения автокорреляций предметных волн необходимо исключить из наблюдения пространственные частоты в телесном угле, определяемом конечной апертуров Фурье-голограмм и ее низкочастотного шума. Это достигается простой режекторной фильтрацией данных пространственных частот установкой в задней фокальной плоскости объектива O₃ поглощающего экрана, угловая апертура которого соответствует отмеченному выше телесному углу.

Во втором случае для формирования предметных волн использовались группу точечных источников с наборами букв "S.Q.R.T" и "E.U.I.Y" соответственно, образующие в совокупности слово "SEQURITY" (фиг. 6а). На фиг. 6ю показано изображение суммы автокорреляцией предметных волн, соответствующее идентификационному коду изделия. На фиг. 6в приведено изображение идентификационного кода голограммы-копии.

Все рассмотренные примеры наглядно демонстрируют высокую эффективность предложенного способа для реализации поставленной цели. Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения про сравнению с прототипом заключается также в высокой надежности предложенной голографической маркировки изделий за счет устойчивости Фурье-голограмм к наличию помех (царапин, грязи и т.п.). Данные помехи будут лишь уменьшать эффективную апертуру голограмм, что, как показано выше, не сказывается существенно на качестве изображения идентификационного кода изделия. Высокочастотные составляющие помехи также не влияют на данное изображение, т.к. оно наблюдается в области низких пространственных частот.

Использование: изобретение относится к средствам идентификации изделий путем их маркировки и может быть использовано для защиты изделий от подделок и копирования. Сущность: способ заключается в том, что по сравнению с прототипом голографический маркер создают в виде последовательно наложенных Фурье-голограмм, образованных общей опорной и ортогональными друг другу предметными волнами, с одинаковыми углами направлений их распространения по отношению к опорной волне и общей плоскостью изображений, в которой изображения автокорреляцией предметных волн формируют пространственно-протяженными. Голограмму освещают пространственно-когерентной волной и в направлении ее распространения формируют изображение суммы автокорреляций предметных волн, исключая пространственные частоты в телесном угле, определяемом конечной апертурой голограммы и ее низкочастотного шума, анализируют это изображение и по отсутствию в нем изображений кросскорреляций предметных волн судят о подлинности голограммы. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ голографической идентификации изделий путем нанесения голограммы с последующим ее освещением и восстановлением, отличающийся тем, что голограмму наносят в виде последовательно наложенных Фурье-голограмм, образованных общей опорной и ортогональными одна другой предметными волнами, с одинаковыми углами направлений их распространения по отношению к опорной волне и общей плоскостью изображений, в которой изображения автокорреляций предметных волн формируют пространственно протяженными, голограмму освещают пространственно-когерентной волной и в направлении ее распространения формируют изображение суммы автокорреляций предметных волн, исключая пространственные частоты в телесном угле, определяемом конечной апертурой голограммы и ее низкочастотного шума, анализируют это изображение и по отсутствию в нем изображений кросскорреляций предметных волн судят о подлинности голограммы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображения предметных волн выбирают в виде наборов дискретных элементов. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между направлениями распространения опорной и предметных волн задают меньшим 90^o. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между направлениями распространения опорной и предметных волн задают большим 90^o, но меньшим 270^o. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что голограмму наносят в виде двух последовательно наложенных Фурье-голограмм. 6. Способ по пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что голограмму наносят в виде трех последовательно наложенных Фурье-голограмм, формируя предметную волну третьей Фурье-голограммы с помощью одного точечного источника. 7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что угловые расстояния между дискретными элементами в изображениях предметных волн задают большими телесного угла, определяемого конечной апертурой Фурье-голограмм и ее низкочастотного шума.