Устройство контроля качества дифракционных и голографических оптических элементов Российский патент 2024 года по МПК G07D7/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области создания оптико-электронных устройств, предназначенных для обнаружения, измерения параметров, регистрации, экспертного анализа подлинности и качества изготовления дифракционных и голографических оптических элементов (ДОЭ и ГОЭ).

Уровень техники

В настоящее время оценка качества ДОЭ и ГОЭ для защиты от подделки выполняется методом in situ на соответствие эскизу или цифровой модели экспертом или группой специалистов. Контроль визуализации защитных элементов по экспликации голограммы (security features) выполняется обычно без контроля условий освещённости. Всё это приводит к отсутствию объективного контроля качества голографической продукции таким способом.

Анализ выполненных исследований по цифровым методам контроля качества голограмм показывает разнородность как исследуемых образцов, так и подходов к оценке качества ДОЭ и ГОЭ. Общее для большинства исследований – попытка применения индекса структурного подобия, разработанного для оценки качества видеоизображения (плоского), что неприменимо к изображению, имеющему кажущуюся глубину сцены и квазиобъём.

Также исследователи предлагают следующие известные критерии оценки качества ДОЭ и ГОЭ:

- дифракционный критерий – параметр Клейна;

- локальная дифракционная эффективность;

- оценка количества уровней при пороговой обработке изображений;

- оценка методом двойной шкалы (годная/не годная);

- оценка качества по пиковому соотношению сигнал/шум;

- фотометрический анализ изображения (сравнение дифракционных спектров);

- измерение параметров микрорельефа (пространственной частоты, глубины рельефа, ориентации решетки) оптическим или механическим способами;

- цифровое сравнение изображений исследуемой и эталонной голограмм.

Для каждого из предложенных параметров необходимо использование отдельного специализированного прибора или установки.

Но так как контроль качества ДОЭ и ГОЭ по одному критерию не может дать верной характеристики качества, необходимо осуществлять одновременный контроль нескольких параметров на одной установке. Для этого предлагается осуществлять цифровой контроль качества ДОЭ и ГОЭ по следующим параметрам:

- максимальная интегральная дифракционная эффективность, фиксированная по площади в выбранном порядке;

- угол полного наблюдения в канонических условиях (селективность) для одного канала записи в одной угловой координате;

- глубина сцены кажущегося восстанавливаемого изображения для выбранного объекта наблюдения (слоя или кадра записи, или участка изображения), определяемая по параллаксу.

Для выполнения контроля качества ДОЭ и ГОЭ с контролем предложенных параметров необходимо создать эталонные образцы. Известно, что на современном уровне развития техники создать эталонные ДОЭ и ГОЭ невозможно. Поэтому в настоящее время актуальной задачей является создание способа контроля качества ДОЭ и ГОЭ путём сравнения их между собой.

Из RU 157473 U1, опубл. 10.12.2015 известен способ контроля качества ДОЭ и ГОЭ за счёт использования оптического канала макроизображений различных участков образца. Согласно полезной модели результат достигается объединением двух оптических каналов в одну оптическую головку с последующим компьютерным анализом спектров изображений.

Из RU 178286 U1, опубл. 28.03.2018 известен прибор и способ оценки качества защитных голограмм при их производстве. Согласно полезной модели результат достигается путём регистрации изображения различных зон голограммы с дифракционными решётками, имеющими разную пространственную ориентацию, с применением моторизированной системы позиционирования образца.

В RU 185501 U1, опубл. 06.12.2018 технический результат достигается путём углубленного анализа голограмм методом косвенного измерения параметров микрорельефа по распределению интенсивности дифракционных максимумов и регистрацией дифракционной картины фотоприемным устройством.

В RU 186041 U1, опубл. 26.12.2018 технический результат достигается путём углубленного анализа голограмм методом косвенного измерения параметров микрорельефа по распределению интенсивности дифракционных максимумов и регистрацией дифракционной картины фотоприемным устройством и последующим вычислением параметров микрорельефа по пространственным координатам и яркости дифракционных максимумов.

В качестве наиболее близкого аналога принят документ RU 2722335 С1, опубл. 29.05.2020, согласно которому предложен способ и устройство для измерения основных параметров защитных голограмм, выполняемое посредством сравнения как с эталоном, так и с проектом в цифровом виде.

Недостатком, присущим решениям, описанным в области техники, является отсутствие статистической выборки на ряде голограмм для получения средних значений цифровых показателей, пригодных для цифрового автоматизированного контроля.

Задачей заявленного изобретения является создание устройства контроля качества ДОЭ и ГОЭ посредством цифрового автоматизированного контроля методом сравнения дифракционных откликов между собой с применением программно-аппаратного комплекса на основе нейросетевого моделирования.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является автоматизированный контроль качества ДОЭ и ГОЭ на потоке производства.

Технический результат достигается устройством контроля качества ДОЭ и ГОЭ, содержащим источник постоянного когерентного излучения в виде лазера, оптическую систему в безлинзовом исполнении для освещения образца, устройство фиксирования образца, систему позиционирования образца на базе гексапода, приемник интегрального дифракционного отклика, устройство управления и расчета с нейронной сетью, при этом устройство управления и расчета выполнено с возможностью получения сигнала от приемника интегрального дифракционного отклика и с возможностью управления источником постоянного когерентного излучения, устройством фиксирования образца, системой позиционирования образца и приемником интегрального дифракционного отклика.

В частности, длина волны лазера находится в диапазоне 500-565 нм, преимущественно составляет 555 нм.

В частности, устройство фиксирования образца выполнено с возможностью линейного перемещения.

В частности, устройство фиксирования образца размещено неподвижно.

В частности, лазер имеет постоянный или импульсный режим.

В частности, приёмник интегрального дифракционного отклика выполнен на базе цветной или черно-белой CMOS матрицы.

В частности, оптическая система в безлинзовом исполнении выполнена коллиматорной на расширительной призме.

С учетом поставленной задачи, предложенное техническое решение обладает следующими особенностями.

Согласно первому аспекту, предложена концепция индивидуального дифракционного образа каждого изготовленного образца. То есть, несмотря на то, что вся технология изготовления направлена на получение максимальной повторяемости, по итогам ранее проведённых исследований известно, что на каждом технологическом переделе допускаются дефекты, приводящие к возможности изменения дифракционной картины локально в различных частях ДОЭ или ГОЭ.

Согласно второму аспекту предложенного изобретения, необходимо исследовать ДОЭ или ГОЭ посредством фиксации дифракционного отклика одновременно со всей поверхности образца освещая его целиком, не используя в оптической системе линзы. В результате появляется возможность сравнения полных дифракционных картин образцов.

Согласно третьему аспекту заявленного изобретения, в качестве осветителя предполагается использование постоянного лазера с длиной волны в диапазоне 500-565 нм (соответствует зелёному цвету и его оттенкам), преимущественно 555 нм, что приблизит дифракционную картину к оптимальному восприятию человеческим зрением, а также обеспечит максимальную оптическую эффективность системы путём исключения цветовых аберраций.

Согласно четвертому аспекту заявленного изобретения, предложено выполнять сравнение полных дифракционных откликов образцов путём применения нейросетевого моделирования в виде программно-аппаратного комплекса с машинным обучением. Устройство управления и расчета представляет собой компьютер, который будет управлять гексаподом и анализировать цифровые изображения дифракционного отклика с помощью математического моделирования анализа сигнала, предпочтительно с использованием алгоритмов классификации изображений на основе многослойных нейронных сетей. Нейросеть-классификатор обучается на основе базы физически зарегистрированных или смоделированных цифровых изображений дифракционных откликов, полученных при анализе выбранных экспертизой экземпляров ДОЭ или ГОЭ, распределённых по классам качества в результате экспертной оценки. Результатом обработки цифрового изображения дифракционного отклика нейросетевыми алгоритмами является набор значений вероятности классовой принадлежности, по которым делается вывод о принадлежности исследуемого образца к одному из установленных классов качества.

Краткое описание чертежей

На чертеже показана общая схема устройства, где позициями обозначены следующие элементы:

1 – источник постоянного когерентного излучения (лазер);

2 – оптическая система в виде безлинзового коллиматора (beam expander);

3 – устройство фиксирования образца (вакуумный стол);

4 – система позиционирования образца на базе гексапода (всеугловое 6-координатное параллельное позиционирование);

5 – приемник интегрального дифракционного отклика (чёрно-белая CMOS матрица);

6 – устройство управления и расчёта (компьютер с программно-аппаратным комплексом и нейросетевой моделью).

Осуществление изобретения

Устройство контроля качества ДОЭ и ГОЭ содержит источник постоянного когерентного излучения (1), выполненный в виде лазера. Оптическая система (2) лазера включает в себя безлинзовый коллиматор. Лазер и безлинзовый коллиматор направлены таким образом, чтобы освещать поверхность устройства фиксирования образца (3), выполненного в виде вакуумного стола. На вакуумном столе размещается исследуемый образец ДОЭ или ГОЭ. Положение устройства фиксирования образца (3) регулируется системой позиционирования образца (4) на базе гексапода, осуществляющей позиционирование по шести координатам. Приемник интегрального дифракционного отклика (5) располагают таким образом, чтобы принимать отраженные от размещенного на устройстве фиксирования образца (3) ДОЭ или ГОЭ лучи. Данные с приемника интегрального дифракционного отклика (5) передаются на устройство управления и расчета (6). Источник постоянного когерентного излучения (1), система позиционирования образца (4), приемник интегрального дифракционного отклика (5) управляются по сигналу с устройства управления и расчета (6).

Ключевыми параметрами применяемых элементов являются:

1. Лазер с длиной волны в диапазоне 500-565 нм, предпочтительно 555 нм. Режим работы лазера может быть, как постоянный, так и импульсный (при условии синхронизации по сигналу перезарядки матрицы). Тем самым достигается максимальное приближение энергетического восприятия прибором голограммы к зрению человека (так как мы отталкиваемся всё равно от экспертной оценки качества группой субъектов, т.е. соблюдается принцип замены человека прибором).

2. Оптическая система в безлинзовом коллиматорном исполнении, преимущественно на расширительной призме (beam expander). Линзы нельзя применять в оптической схеме прибора, так как их линеатура существенно ниже разрешения ДОЭ и ГОЭ.

3. Устройство фиксирования образца. Вакуумный позиционирующий стол, обеспечивающий надёжную фиксацию образца в поле зрения прибора по трём осям (любая волнистость также приведёт к неправильному измерению), либо подвижный вакуумный транспортёр, подающий образцы в зону измерений непрерывно либо периодически вдоль одной координаты.

4. Система позиционирования образца на базе гексапода с высоким разрешением (до секунды градуса наклона). Путём позиционирования вначале вручную, далее с помощью программы находится максимальный по энергетике отклик в нужном углу падения-отражения каждого образца (у каждых разных ДОЭ или ГОЭ будет собственный оптимальный угол фиксации отклика).

5. Приемник интегрального дифракционного отклика в виде матрицы, предпочтительно CMOS, чёрно-белой, ввиду более высокой скорости срабатывания, чем у других аналогичных приборов. Представляет собой плоскость, состоящую из множества мелких фотодатчиков, на каждый из которых будет приходить часть интегрального сигнала от образца. Чем выше будет её разрешение, тем качественнее будет оценка. Возможно использование цветных матриц, изготовленных по другим технологиям с потерей скорости обработки сигналов и снижением уровня сигнала для зелёных пикселей.

6. Устройство управления и расчета представляет собой компьютер, который будет управлять гексаподом и анализировать дифракционный отклик с помощью математического моделирования анализа сигнала, предпочтительно с использованием многослойной нейросети. Нейросеть выполняет сравнение всех ранее выбранных экспертизой дифракционных откликов, полученных от обучающих ДОЭ и ГОЭ, с предложенным к контролю образцом. Выполняется заключение о годности и/или качестве ДОЭ и ГОЭ по количеству истинных дефектов (темных или серых зон отклика) в процентах от площади всего дифракционного отклика. Процент годности и негодности ДОЭ и ГОЭ устанавливает экспертиза.

Принцип работы прибора основан на сравнении полных дифракционных откликов в максимуме (яркости) выбранного дифракционного порядка ряда условно идентичных ДОЭ и ГОЭ (от 800 единичных экземпляров) и заключается в следующем.

Устройство работает следующим образом.

Лазером освещают образец. Когерентный пучок диаметром 5-20 мкм проходит через коллиматорную систему, увеличиваясь в диаметре до 10-15 см (энергия пучка падает, но при этом он равномерно засвечивает весь образец). Под установленным экспертизой углом освещения, образец, помещённый в устройство фиксирования образца вручную или посредством вакуумного конвейера, формирует максимум интегральной дифракции и переотражает данный сигнал на принимающую матрицу.

Такая оптическая схема прибора позволяет когерентным излучением осветить всю поверхность образца одновременно, а не точечно, тем самым получить интегральный дифракционный отклик. В данном отклике будут перемешаны сигналы всех порядков дифракции, однако для получения годного сигнала в предложенном устройстве не требуется угловая фильтрация порядков дифракции.

Матрица получает на каждый свой элемент определённый уровень освещения, вследствие чего формируется таблица освещённости, и эти данные уходят на сравнительный анализ в память компьютера. Для исключения ошибки процедуру необходимо повторить 10-12 раз (это связано со спеклами лазера и другими дефектами образования пучка) за несколько микросекунд (ограничением количества раз за единицу времени является время перезарядки матрицы). Таким образом, обрабатывается как можно большее количество образцов и создаётся база данных таблиц освещённости, в рамках которой и проводится нейросетевой анализ, который даёт на начальных этапах обучения системы пороговые значения освещённости для каждой точки системы матрица-образец (допустимые минимумы и максимумы, исключающие экстремумы). Далее, если точек с низким уровнем освещённости на определённом ДОЭ или ГОЭ будет больше установленного порогового значения, то образец признается негодным (для каждого ДОЭ и ГОЭ это будет уникальное собственное значение, нельзя просто указать некий процент). Анализ выполняет математический аппарат на базе собственного алгоритма сравнения всех образов.

Так как требуется высокоточное позиционирование каждого образца относительно как осветителя, так и матрицы для снижения ошибки измерения, и ввиду того, что физически выполнить данное требование невозможно, система оценки качества сначала будет выполнять поиск верного угла с применением системы компьютерного зрения, устанавливая периметр образца по пороговым значениям освещённости, исключая мало повторяющиеся измерения (т.е. смещения образа освещённости по поверхности матрицы она отслеживает самостоятельно).

В дальнейшем на потоке производства загрузив программу и автоматически осветив каждый образец, идущий в потоке, можем их разделить на годные и не годные (сотни тысячи штук при 100% контроле).

Таким образом, достигается заявленный технический результат: автоматизированный контроль качества ДОЭ и ГОЭ на потоке производства.

Изобретение относится к области создания оптико-электронных устройств, предназначенных для обнаружения, измерения параметров, регистрации, экспертного анализа подлинности и качества изготовления дифракционных и голографических оптических элементов (ДОЭ и ГОЭ). Устройство содержит источник постоянного когерентного излучения в виде лазера, оптическую систему в безлинзовом исполнении для освещения образца, устройство фиксирования образца, систему позиционирования образца на базе гексапода, приемник интегрального дифракционного отклика, устройство управления и расчета с нейронной сетью. Устройство управления и расчета выполнено с возможностью получения сигнала от приемника интегрального дифракционного отклика и с возможностью управления источником постоянного когерентного излучения, устройством фиксирования образца, системой позиционирования образца и приемником интегрального дифракционного отклика. Техническим результатом является обеспечение автоматизированного контроля качества ДОЭ и ГОЭ на потоке производства. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство контроля качества дифракционных и голографических оптических элементов, содержащее источник постоянного когерентного излучения в виде лазера, оптическую систему в безлинзовом исполнении для освещения образца, устройство фиксирования образца, систему позиционирования образца на базе гексапода, приемник интегрального дифракционного отклика, устройство управления и расчета с нейронной сетью, при этом устройство управления и расчета выполнено с возможностью получения сигнала от приемника интегрального дифракционного отклика и с возможностью управления источником постоянного когерентного излучения, устройством фиксирования образца, системой позиционирования образца и приемником интегрального дифракционного отклика.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина волны лазера находится в диапазоне 500-565 нм.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина волны лазера составляет 555 нм.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что устройство фиксирования образца выполнено с возможностью линейного перемещения.

5. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что устройство фиксирования образца размещено неподвижно.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что лазер имеет постоянный или импульсный режим.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что приёмник интегрального дифракционного отклика выполнен на базе цветной или черно-белой CMOS матрицы.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что оптическая система в безлинзовом исполнении выполнена коллиматорной на расширительной призме.