Изобретение относится к системам предотвращения несанкционированного доступа пользователей, более конкретно, к оптическим запорным устройствам, содержащим ключ с оптическим носителем информации. Изобретение может быть использовано в различных областях, например в компьютерной технике для защиты от несанкционированного доступа к базам данных, в автомобилестроении для предотвращения угона автомобилей, в замках для повышения надежности сейфов или для недопущения попадания посторонних в охраняемые помещения.
Известны оптические запорные устройства, состоящие из корпуса, в котором размещены источник оптического излучения, направляющие для ввода ключа и приемник излучения. Устройства также включают ключ с оптическим носителем информации, обеспечивающим избирательную засветку отдельных элементов приемника излучения. Устройства могут включать исполнительный блок, отпирающий запорное устройство по команде с приемника излучения.
Известно оптическое запорное устройство (DE 2000441; H 01 J 39/12; национальный приоритет 01.07.1969, дата подачи заявки 01.07.1970), представляющее собой жесткий корпус, внутри которого размещены источник оптического излучения, направляющие для ввода ключа и матричный приемник излучения. Устройство содержит также ключ с оптическим носителем информации, выполненным в виде пластины со светопропускающими отверстиями. При этом источник излучения и матричный приемник расположены таким образом, что при введении ключа излучение от источника проходит к элементам приемника через совокупность светопропускающих отверстий в пластине ключа, причем заданное пространственное расположение этих отверстий является кодом запорного устройства.
Известно также оптическое запорное устройство (GB 2183717; Е 05 В 19/00; приоритет 27.11.1985; дата публикации 06.10.1987), которое содержит жесткий корпус, в котором размещены источник излучения, направляющие для ввода ключа и приемник излучения. Устройство содержит также ключ с оптическим носителем информации, выполненным в виде пластины с нанесенным на нее оптическим штрих-кодом, идентификация которого осуществляется в процессе введения ключа по направляющим.
Известно также оптическое запорное устройство, предотвращающее несанкционированный доступ (PCT/SU 91/00124; приоритет 13.11.1990, дата публикации 25.05.1992). Такое устройство содержит жесткий корпус, внутри которого размещены источник излучения, направляющие для ввода ключа и приемник излучения. Устройство содержит также ключ с оптическим носителем информации, выполненным в виде голограммы, создающей действительное кодовое изображение на поверхности приемника излучения.
Преимуществом этого устройства по сравнению с ранее известными аналогами является возможность увеличения степени защищенности за счет использования трехмерного кодового голографического изображения.
Общим недостатком оптических запорных устройств, использующих принцип избирательной засветки приемника излучения, является весьма ограниченное число элементов кода, что, в свою очередь, ограничивает количество его неповторяющихся реализации. Кроме того, код ключей, используемых в названных устройствах, может быть достаточно легко дешифрован, а дубликат ключа может быть изготовлен с использованием доступных и широко распространенных технологий. Следует отметить, что в известных устройствах сигналы, поступающие с фотоприемников, как правило, анализируются процессором, дающим команду на отпирание в случае совпадения предъявленного кода с кодом хранящегося в памяти процессора или вырабатывающим сигнал тревоги в случае несовпадения названных кодов. Это приводит к существенному усложнению и удорожанию устройства в целом.
Известно также оптическое запорное устройство, предотвращающее несанкционированный доступ.
Известное устройство содержит:
1. Ключ с оптическим носителем информации.
2. Корпус, в котором размещены:
- источник оптического излучения,
- направляющие для ввода ключа,
- приемник излучения,
- оптический преобразователь кода, обеспечивающий аналоговое преобразование записанного на оптическом носителе информации ключа оптического сигнала в выходной оптический сигнал, характеризующийся в области расположения фотоприемника достаточно простым пространственным распределением интенсивности.
Примером реализации такого устройства является голографическое запорное устройство (US 5138468; G 06 K 9/00; G 06 K 9/76; приоритет 02.02.1990; дата публикации 11.08.1992), в котором в качестве носителя информации ключа используется дактилоскопический отпечаток. Этот отпечаток формируется на устройстве ввода - прозрачном окне. Оптический преобразователь кода выполнен в виде заранее изготовленного голографического согласованного пространственно-частотного фильтра названного дактилоскопического отпечатка. При этом в результате корреляционного сравнения пространственно-частотного спектра дактилоскопического отпечатка с согласованным фильтром формируется корреляционный сигнал в виде одного или нескольких световых пятен на элементах приемника излучения.
Достоинством известного устройства является то, что код практически не поддается расшифровке. Кроме того, в таком устройстве оптический преобразователь кода выполняет функцию оптического процессора, осуществляющего идентификацию предъявленного кода, что исключает необходимость использования в системе дополнительных дорогостоящих электронных процессоров с системой памяти. Однако системы согласованной оптической фильтрации крайне чувствительны к изменению масштаба предъявляемого объекта, что может вызвать сбои в процессе эксплуатации замка. Кроме того, при изготовлении согласованного фильтра предъявляются крайне высокие и трудновыполнимые на практике требования к параметрам регистрирующей среды. Наконец, папиллярный рисунок пальца конкретного пользователя может быть легко воспроизведен, например, методами фотолитографии по случайно оставленному отпечатку на посторонних предметах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени защиты от несанкционированного доступа при отсутствии в составе средств защиты дорогостоящих высокоточных оптико-механических узлов.
Эта задача была решена оптическим запорным устройством, включающим совокупность следующих существенных признаков:
1. Ключ (Фиг.1, позиция 1), содержащий, по крайней мере, один оптический носитель информации (Фиг.1, позиция 2).
2. Жесткий корпус (Фиг.1, позиция 3) с направляющими для ввода ключа, в котором размещены:
- по крайней мере, один источник оптического излучения (Фиг.1, позиция 4),
- по крайней мере, один оптический преобразователь кода (Фиг.1, позиция 5) для корреляционного сравнения кодированной волны (Фиг.1, позиция 6), сформированной оптическим носителем информации ключа, с кодовой оптической информацией, записанной в названном оптическом преобразователе кода,
- по крайней мере, один приемник излучения (Фиг.1, позиция 7), предназначенный для регистрации излучения, пришедшего от названного оптического преобразователя кода,
- по крайней мере, один дополнительный приемник излучения (Фиг.1, позиция 8), предназначенный для контроля уровня освещенности вне области локализации пучка, дифрагировавшего на оптическом преобразователе кода.
3. Оптический носитель информации ключа и соответственный ему оптический преобразователь кода выполнены в виде согласованных голограмм с локальными изменениями комплексного показателя преломления, соответствующими распределению интенсивности в интерференционной картине двух волн, одна из которых является кодированной и характеризуется в плоскости голограммы анизотропной автокорреляционной функцией, ширина которой вдоль одной из ортогональных осей существенно больше, чем ее ширина вдоль другой ортогональной оси.
4. Оптический носитель информации ключа и оптический преобразователь кода выполнены в виде взаимосогласованных голограмм, содержащих информацию об одном и том же оптическом коде.
5. Направляющие для ввода ключа выполнены с возможностью взаимного смещения оптического носителя информации ключа и оптического преобразователя кода только в одном направлении, в котором ширина автокорреляционной функции волны, зарегистрированной на названном оптическом носителе информации, минимальна.
6. Оптический носитель информации ключа выполнен из материала, непрозрачного в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра.
7. Приемник излучения расположен на пути пучка, дифрагировавшего на структуре оптического преобразователя кода, дополнительные приемники излучения расположены вне области локализации названного дифрагировавшего пучка.
8. Приемник излучения может быть выполнен в виде одного многоплощадочного приемника.
9. Оптическое запорное устройство содержит дополнительно по крайней мере одно из известных запорных устройств с механическим, магнитным или оптическим кодом или по крайней мере один существенный элемент названных известных запорных устройств. Сравнение предлагаемого изобретения с наиболее близким решением - прототипом показало, что отличительными признаками являются:
3. Оптический носитель информации ключа и соответственный ему оптический преобразователь кода выполнены в виде согласованных голограмм с локальными изменениями комплексного показателя преломления, соответствующими распределению интенсивности в интерференционной картине двух волн, одна из которых является кодированной и характеризуется в плоскости голограммы анизотропной автокорреляционной функцией, ширина которой вдоль одной из ортогональных осей существенно больше, чем ее ширина вдоль другой ортогональной оси.
4. Оптический носитель информации ключа и соответственный ему оптический преобразователь кода выполнены в виде взаимосогласованных голограмм, содержащих информацию об одном и том же оптическом коде.
5. Направляющие для ввода ключа выполнены таким образом, что при вводе ключа обеспечивается взаимное смещение оптического носителя информации ключа и оптического преобразователя кода только в одном направлении, в котором ширина автокорреляционной функции волны, зарегистрированной на названном носителе кодовой информации, минимальна.
Анализ научно-технического уровня не позволил обнаружить какое-либо известное оптическое устройство, совпадающее по всей совокупности существенных признаков с заявленным решением. Это позволяет утверждать о соответствии заявленного решения такому условию патентоспособности как "новизна".
Анализ научно-технического уровня подтвердил новизну перечисленных отличительных признаков заявленного изобретения, которые в совокупности с остальными существенными признаками обеспечивают решение поставленной задачи. Новизна трех отличительных признаков является подтверждением соответствия заявленного решения такому условию патентоспособности как "изобретательский уровень".
Для лучшего понимания сущности заявленного решения приведены фигуры.
Фигура 1 представляет схему предлагаемого оптического запорного устройства:
(1) Ключ,
(2) Оптический носитель информации ключа,
(3) Жесткий корпус с направляющими для ввода ключа,
(4) Источник излучения,
(5) Оптический преобразователь кода,
(7) Фотоприемник,
(8) Дополнительный фотоприемник.
Фигура 2 изображает схему записи оптического носителя информации ключа и оптического преобразователя кода:
(9) Волна от источника когерентного излучения,
(10) Оптическое кодирующее устройство,
(11) Кодированная волна,
(12) Светочувствительный материал (для записи оптического носителя информации ключа),
(13) Светочувствительный материал (для записи оптического преобразователя кода),
(14) Опорная волна (для записи оптического носителя информации ключа),
(15) Опорная волна (для записи оптического преобразователя кода).
Фигура 3 представляет автокорреляционную функцию анизотропного волнового поля, зарегистрированного на голограммных элементах согласно изобретению:
на осях отложены соответственно:
Х - взаимное смещение оптического носителя кодовой информации и оптического преобразователя кода в направлении смещения ключа (условные единицы);
Y - взаимное смещение оптического носителя кодовой информации и оптического преобразователя кода в направлении, перпендикулярном смещению ключа (условные единицы) Z - значения автокорреляционной функции (условные единицы).
Фигура 4 представляет вариант выполнения устройства согласно изобретению, содержащего дополнительно штриховой оптический код.
(1) Ключ,
(2) Оптический носитель информации ключа,
(3) Жесткий корпус с направляющими для ввода ключа,
(4) Источник излучения,
(5) Оптический преобразователь кода,
(7) Фотоприемник,
(8) Дополнительный фотоприемник
(16) Штрих-код,
(17) Источник излучения для освещения штрих-кода,
(18) Фотоприемник для считывания штрих-кода.
Для лучшего понимания сущности заявленного изобретения и для доказательства соответствия этого решения условию патентоспособности "промышленная применимость" приводим пример конкретного выполнения. Этим примером не исчерпывается сущность предложения. В качестве источника излучения (4) используют, например, полупроводниковый лазер Laser Diode Module 31-0441-000 фирмы Coherent, излучающий 0,95 МВт на длине волны 635 нм, а в качестве фотоприемников (7, 8) - одноплощадочный фотодиод 818-SL фирмы Newport. В качестве носителя кодовой информации (2) и оптического преобразователя кода (5) используют, например, пару согласованных голограмм размером 3×5 мм, зарегистрированных на фотопластинках ПФГ-03 м. Схема записи согласованных голограмм, которые могут быть использованы соответственно в качестве оптического носителя информации ключа (2) и оптического преобразователя кода (5), проиллюстрирована Фиг.2. Согласно приведенной Фиг.2 на пути излучения (9) когерентного источника, например, гелий-неонового лазера с длиной волны 632,2 нм, устанавливают оптическое устройство (10), формирующее кодированную волну (11) сложной пространственной структуры, имеющую анизотропную автокорреляционную функцию. Например, в качестве устройства (10) используют фазовую маску с элементами, размер которых вдоль одной из ортогональных осей (например, в направлении оси, перпендикулярной плоскости Фиг.2) существенно больше размера этих элементов вдоль другой ортогональной оси (0.5 и 0.02 мм соответственно в рассматриваемом примере реализации). За устройством (10) устанавливают два образца (12) и (13) светочувствительного материала, например фотопластинки ПФГ-03 м производства ОФО "Компания Славич". На каждый из образцов (12) и (13) светочувствительного материала направляют по два световых пучка: предметный (11), в качестве которого используют прошедшую через фазовую маску (10) кодированную волну, и, соответственно, один из опорных пучков (14), (15). Например, в качестве опорной волны (14) используют плоскую волну, а в качестве опорной волны (15) - сходящуюся сферическую волну. В результате экспонирования и последующего использования известных методов постэкспозиционной обработки на образцах (12) и (13) регистрируются согласованные голограммы, которые могут быть использованы в качестве оптического носителя информации (2) и оптического преобразователя кода (5) соответственно. Вследствие анизотропии структуры фазовой маски (10) автокорреляционная функция кодированной волны (11) в плоскости голограмм (12) и (13) также является анизотропной и ее ширина в направлении одной из ортогональных осей (например, в направлении оси, перпендикулярной плоскости Фиг.2) существенно больше, чем в направлении другой ортогональной оси.
Направляющие устройства ввода ключа выполняют таким образом, чтобы обеспечить возможность его смещения только в направлении, в котором ширина автокорреляционной функции кодированной волны, зарегистрированной в оптическом носителе информации (2), минимальна, например в вертикальном направлении (Фиг 1).
Источник излучения (4), направляющие для ввода ключа, преобразователь кода (5) и приемник излучения (7) монтируют в жестком металлическом корпусе (3) с габаритными размерами, например, 150×60×60 мм.
Запорное оптическое устройство работает следующим образом (Фиг.1). Ключ (1) поступательно перемещают в направляющих для ввода ключа. При этом автоматически включается источник излучения (4), который освещает голограмму (2), являющуюся оптическим носителем информации. Восстановленное голограммой (2) волновое поле со сложным амплитудно-фазовым пространственным распределением освещает голограмму (5), являющуюся оптическим преобразователем кода. За голограммой (5) при этом формируется расходящаяся "диффузная" волна. При поступательном смещении ключа в определенный момент времени достигается пространственное согласование кодированной волны, восстановленной голограммой (2) со структурой голограммы (5), на которой также зарегистрирована названная кодированная волна. Это приводит к появлению автокорреляционного сигнала в виде, например, сходящейся сферической волны, идентичной опорной волне, использовавшейся при записи голограммы (5). Названный сигнал регистрируется приемником излучения (7), сигнал от которого служит командой на отпирание замка. Другими словами, откликом системы на предъявление ключа со сложным кодом является появление в области расположения приемника световой точки, т.е. объекта, характеризующегося чрезвычайно простым кодом. Если на голограмме (5) зарегистрировано волновое поле, некоррелированное с волновым полем, восстановленным голограммой (2), то вместо световой точки за голограммой (5) возникает обширная область засветки с существенно более низким уровнем освещенности на фотоприемнике, и сигнал на отпирание не вырабатывается.
Использованная в изобретении голографическая запись обеспечивает высокую эффективность защиты системы от несанкционированного доступа. Это обусловлено тем, что малый размер разрешаемого элемента (0.01-0.001 мм) и наличие, наряду с амплитудной кодировкой, фазовой аналоговой кодировки обеспечивают возможность реализации практически неограниченного числа кодовых комбинаций. Для изготовления дубликата ключа в отсутствии оригинала необходимо знать и иметь техническую возможность воспроизвести достаточно сложную комплексную функцию пропускания кодирующего элемента, использовавшегося для записи голограмм, а также пространственное расположение элементов в схеме записи, что является секретом изготовителя устройства. Высокая надежность обусловлена также невозможностью создания "электронной отмычки" в связи с принципиальной сложностью создания амплитудно-фазового пространственного модулятора света с достаточно мелкой дискретизацией шага изменения фазы и высоким пространственным разрешением. Кроме того, дистанционное считывание двумерного оптического амплитудно-фазового кода принципиально неосуществимо. Несанкционированное изготовление копии ключа (даже при наличии оригинала) требует сложного и дорогостоящего оборудования, значительных затрат времени, квалифицированного персонала а также специальных помещений. В ряде случаев оказывается возможным защитить ключ от копирования.
При взаимном параллельном смещении голограмм (2) и (5) интенсивность восстановленной оптическим преобразователем кода (5) волны уменьшается, причем зависимость этой интенсивности от относительных смещений вдоль осей Х и Y описывается автокорреляционной функцией кодированной волны, зарегистрированной на оптическом носителе информации (2) и оптическом преобразователе кода (5) (Фигура 3). Поскольку в соответствии с изобретением ширина этой функции существенно отличается в направлениях осей Х и Y, то для получения выходного корреляционного сигнала высокоточного позиционирования ключа с оптическом носителем информации (2) вдоль одной из этих осей не требуется. Эта ось соответствует направлению, перпендикулярному направлению смещения ключа в устройстве ввода ключа. Что же касается другого ортогонального направления, то правильное позиционирование ключа, соответствующее максимальной интенсивности выходного сигнала, автоматически достигается в определенный момент времени при поступательном движении ключа в указанном направлении. Таким образом, использование голограмм волновых полей, характеризующихся анизотропной автокорреляционной функцией, в качестве оптического носителя информации ключа и соответственного ему оптического преобразователя кода совместно с использованием взаимного однонаправленного смещения названных голограмм в процессе идентификации ключа позволяют реализовать оптическое запорное устройство, характеризующееся существенно повышенной степенью защиты от несанкционированного отпирания и, одновременно, отсутствием сложных и высокоточных оптико-механических узлов, а следовательно, низкой стоимостью.
Для повышения надежности оптического запорного устройства целесообразно предпринимать меры предотвращения возможности несанкционированного изготовления копии ключа. Технически доступным методом копирования голограмм является метод интерференционного копирования, когда волновое поле, восстановленное голограммой-оригиналом, регистрируется на голограмме-копии. Поскольку все регистрирующие среды для получения эффективных голограмм не чувствительны в инфракрасной области спектра, для предотвращения возможности интерференционного копирования достаточно обеспечить блокирование излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра оптическим носителем информации ключа и обеспечить его прозрачность в ИК диапазоне спектра, являющегося в этом случае рабочим спектральным диапазоном оптического запорного устройства. Это может быть обеспечено соответствующим выбором материалов, из которых изготовлен оптический носитель информации ключа, например он может быть выполнен в виде голограммы на пористом стекле (Sukhanov V. Heterogeneous recording media. In SPIE, 1989, v.1232, p.226-230), в которое дополнительно введен краситель, поглощающий излучение видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра, или в виде голограммы на галогенидосеребряной фотопластинке, эмульсионный слой которой защищен покровной пластиной из материала, поглощающего излучение видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра, но прозрачного в инфракрасном диапазоне, например из стекла ИКС.
Сигнал на отпирание оптического запорного устройства вырабатывается при превышении заданного порогового уровня освещенности приемника излучения (7), который регистрирует пучок, дифрагировавший на структуре оптического преобразователя кода. Такой оптический сигнал может быть сфальсифицирован путем засветки названного приемника излучением постороннего источника, используемого в качестве отмычки. Для предотвращения возможности несанкционированного отпирания устройства указанным способом целесообразно осуществлять контроль уровня освещенности вне области локализации названного дифрагировавшего пучка с помощью одного или нескольких дополнительных приемников излучения (8). При этом осветить с помощью постороннего источника только приемник, установленный на пути пучка, дифрагировавшего на структуре оптического преобразователя кода, не затрагивая при этом дополнительных приемников излучения (8), практически невозможно, поскольку пространственное расположение названных дополнительных приемников является секретом изготовителя. Появление засветки хотя бы одного из названных дополнительных приемников приводит к блокированию системы и выработке сигнала тревоги. Такая ситуация может возникнуть при попытке несанкционированного вскрытия запорного устройства с помощью импульсного источника излучения, засвечивающего одновременно приемники излучения (7) и (8).
Для уменьшения габаритов системы и снижения трудоемкости ее изготовления целесообразно приемники (7), (8) выполнить в виде одного многоплощадочного приемника.
Оптическое запорное устройство согласно изобретению может содержать дополнительно одно из известных запорных устройств с механическим, магнитным или оптическим кодом или, по крайней мере, один существенный элемент названных известных запорных устройств, например штриховой оптический код (Фиг.4). Такое устройство работает следующим образом. Ключ (Фиг.4, позиция 1) вставляют в направляющие для ввода ключа и поступательно перемещают его по этим направляющим. При этом автоматически включаются источник излучения (4), который освещает голограмму (2), являющуюся оптическим носителем информации, и источник (17), освещающий штрих-код (16), расположенный на торцевой грани ключа. При поступательном смещении ключа отраженное штрих-кодом излучение модулируется по амплитуде и дополнительным фотоприемником (18) преобразуется в электрический сигнал. Одновременно описанным выше способом происходит корреляционное сравнение восстановленного голограммой (2) волнового поля с волновым полем, зарегистрированным на голограмме-преобразователе кода (5). Анализатор исполнительного устройства, на который поступают сигналы от приемников (7), (8) и (18), вырабатывает сигнал на отпирание замка только в случае аутентичности как предъявленного голографического кода, так и штрихового. Комплектация предлагаемого оптического запорного устройства известными дополнительными запорными устройствами повышает степень его секретности, а в ряде случаев позволяет расширить также функциональные возможности устройства. Так, снабжение ключа дополнительным штрих-кодом позволяет осуществить персонификацию пользователя, контроль времени входа в систему конкретным пользователем, а также блокировку системы в случае попытки ее открытия утерянным экземпляром ключа.
Предлагаемое изобретение обеспечивает высокую степень защиты, поскольку идентификация кода ключа осуществляется оптическим методом при корреляционном сравнении записанной в оптическом носителе информации ключа кодированной волны с волной, зарегистрированной на оптическом преобразователе кода, причем некритичность системы к точности позиционирования ключа, т.е. возможность существенного снижения стоимости системы и повышение ее надежности, обеспечивается анизотропией корреляционной функции сравниваемых волн и использованием метода сканирования, осуществляемого поступательным перемещением ключа в процессе его предъявления. Изобретение характеризуется также:
- невозможностью несанкционированного считывания кода ключа;
- недешифруемостью оптического кода;
- невозможностью создания "электронной отмычки";
- крайней сложностью несанкционированного изготовления копии ключа;
- отсутствием в составе устройства дорогостоящих электронных блоков и прецизионных оптико-механических узлов.
Оптическое запорное устройство содержит ключ с по крайней мере одним оптическим носителем информации и корпус с направляющими для ввода ключа. В корпусе размещены: источник оптического излучения для освещения оптического носителя информации ключа, оптический преобразователь кода для корреляционного сравнения сформированной носителем кодовой информации волны с оптической информацией, записанной в оптическом преобразователе кода, и приемник излучения для регистрации излучения, пришедшего от оптического преобразователя кода. Оптический носитель информации ключа и соответственный ему оптический преобразователь кода выполнены в виде взаимосогласованных голограмм с локальными изменениями комплексного показателя преломления, соответствующими распределению интенсивности в интерференционной картине двух волн. Одна из двух волн, зарегистрированных на каждой из названных голограмм, выполнена кодированной одним и тем же оптическим кодом и характеризующейся в плоскости голограммы анизотропной автокорреляционной функцией, ширина которой вдоль одной из ортогональных осей существенно больше, чем ее ширина вдоль другой ортогональной оси. Направляющие для ввода ключа выполнены с возможностью взаимного смещения оптического носителя информации ключа и оптического преобразователя кода только в одном направлении, в котором ширина автокорреляционной функции волны, зарегистрированной на оптическом носителе информации ключа, минимальна. Оптический носитель информации ключа может быть выполнен из материала, непрозрачного в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Данное запорное устройство повышает степень защиты от несанкционированного доступа при отсутствии в составе средств защиты дорогостоящих высокоточных оптико-механических узлов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
| US 5138468 A, 11.08.1992.GB 2183717 A1, 10.06.1987.RU 2098586 C1, 10.12.1997. |
