專利名稱：光學傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測由隨機分布和/或取向的微反射體造成的特征反射模式的光學傳感器。此外，本發(fā)明涉及一種將根據(jù)本發(fā)明的傳感器用于識別和/或認證物體的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
如今為了防偽給證件、紙幣、產(chǎn)品等等配備有僅能以專業(yè)知識和/或高技術(shù)成本仿造的元件。這樣的元件在此被稱為安全元件。安全元件優(yōu)選不可分地與要保護的對象連接。將安全元件與對象分離的嘗試優(yōu)選地導致該安全元件的損壞，由此安全元件不能被濫用。對象的真實性可以根據(jù)一個或多個安全元件的存在性來檢查。光學安全元件——例如水印、特種油墨、扭索圖案、微縮印刷和全息圖——被在世界范圍內(nèi)確立。下面的書籍給出了尤其是適用于、但不僅僅適用于文件保護的光學安全 TtiH^WM, :Rudolf L. van Renesse ^ "Optical Document Security'MlHlK, Artech House Boston/London,2005 (S. 63-259)。由于可以利用現(xiàn)代彩色復印或者利用高分辨率掃描儀和彩色激光打印機來創(chuàng)建的復制件的易獲性和高質(zhì)量，存在這樣的需要，即持續(xù)地改進光學安全元件的防偽性。還公知光學可變的安全元件，其在不同的觀察角度下產(chǎn)生不同的光學印象。這種安全元件例如具有光學衍射結(jié)構(gòu)，該光學衍射結(jié)構(gòu)在不同的觀察角度下重建不同的圖像。 這樣的效果是利用普通的和廣泛流行的復印和印刷技術(shù)所不能復制的。在DE10126342C1中描述了這樣的衍射光學安全元件的一個特殊實施例。在此該安全元件是所謂的模壓全息圖。模壓全息圖的特點是，衍射光的結(jié)構(gòu)被實施成三維立體結(jié)構(gòu)，該三維立體結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)用到模壓鑄型上。該模壓鑄型可以作為母模全息圖被模壓到塑料膜中。因此可以低成本地生成大量的安全元件。但是缺點是，這樣生成的安全元件總是具有相同的全息圖。所模壓的全息圖是不可區(qū)分的。這一方面意味著，造假者為了獲得用于所偽造的產(chǎn)品的大量模壓全息圖僅須復制/偽造唯一的母模全息圖。另一方面，由于模壓全息圖的不可區(qū)分性而不能通過模壓全息圖對對象進行個別化。出于更好的防偽以及跟蹤和識別單個對象的能力的原因，優(yōu)選使用允許個別化的安全元件。在DE102007044146A1中描述了一種透明熱塑性材料，在該透明熱塑性材料中置入最大長度伸展小于200 μ m并且厚度為2-10 μ m的所謂的金屬標識小片。該材料可以以膜的形式在卡片狀數(shù)據(jù)載體中、例如證件卡中被用作安全元件。金屬標識小片可以具有通孔和衍射結(jié)構(gòu)。在DE102007044146A1中描述了，可以通過在顯微鏡下觀察金屬標識小片來檢查物體的真實性。顯微鏡真實性檢查的缺點是高的成本。為了無縫地覆蓋供應(yīng)鏈需要能夠在不同位置快速和可靠地驗證真實性。
通常為了進行產(chǎn)品跟蹤(track and trace，跟蹤和追溯)使用光學代碼、例如條形碼。在此，條形碼是用于識別和跟蹤對象的、完全不具有安全特征的純粹特征。條形碼容易復制和偽造。RFID芯片提供用于產(chǎn)品跟蹤和防偽的特征組合，但是RFID芯片由于其相對高的成本、慢的讀取速度和對干擾電磁場的敏感性而僅能有限地使用。因此所期望的是能夠機器讀取安全元件，以便一方面實現(xiàn)沿著供應(yīng)鏈的自動產(chǎn)品跟蹤，并且另一方面還能夠進行機器的真實性檢查。從現(xiàn) 有技術(shù)出發(fā)所提出的任務(wù)是提供一種裝置，該裝置根據(jù)個別化的特征實現(xiàn)對物體的識別和/或認證。該裝置將能夠用于產(chǎn)品跟蹤。該裝置應(yīng)當在制造方面是簡單和廉價的，能夠直觀和簡單地處理，能夠靈活地使用和擴展，提供可再現(xiàn)和可轉(zhuǎn)用的結(jié)果以及是適于批量制造的。令人意想不到地發(fā)現(xiàn)，DE102007044146A1中所描述的材料可以根據(jù)金屬標識小片的隨機分布和/或取向被單義地識別和認證。為此用電磁射束照射金屬標識小片。以不同角度在隨機分布和/或取向的金屬標識小片處被反射的射束借助于合適的探測器被檢測。這樣獲得的反射模式對于金屬標識小片的隨機分布和/或取向而言是特征性的， 并且允許單義地識別和/或認證與金屬標識小片連接的物體。這在還未公開的申請PCT/ EP/2009/000450中被詳細描述，特此引用該申請。在申請PCT/EP/2009/000450中將金屬標識小片統(tǒng)稱為微反射體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是一種用于檢測特征反射模式的傳感器，該特征反射模式通過照射包括隨機分布和/或取向的微反射體的物體而產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的傳感器包括至少下列部件
一電磁射束源，其被布置為使得電磁射束能夠以角度 α被發(fā)送到物體上，
一用于接收電磁射束的光電探測器，其被布置為使得檢測從物體以角度δ被反射的射
束，
其特征在于，角度ot和δ的絕對值不同？161),.根據(jù)本發(fā)明的傳感器被構(gòu)造為使得電磁射束可以以角度α被發(fā)送到物體的表面上。角度α是相對于表面的法線、即垂直于物體表面的直線(下面亦稱表面法線)而言的。 角度α處于0至60°的范圍內(nèi)、優(yōu)選15°至40°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選20°至35°的范圍內(nèi)以及極其特別優(yōu)選25°至30°的范圍內(nèi)。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，作為電磁射束源或短射束源原則上可以使用所有的發(fā)射被所使用的微反射體至少部分反射的射束的電磁射束源。應(yīng)將部分反射理解成至少50% 的反射率，也就是說，入射輻射強度的至少50%被微反射體反射。如果微反射體被嵌入在材料中，則所使用的電磁射束必須能夠至少部分地穿過該材料，也就是說該材料必須對所使用的電磁射束為至少部分透明的。應(yīng)將部分透明理解成至少50%的透射率，也就是說入射輻射強度的至少50%穿過該材料。
射束源優(yōu)選地發(fā)射300nm至IOOOnm范圍內(nèi)、優(yōu)選350nm至800nm范圍內(nèi)的電磁射
束ο

根據(jù)本發(fā)明的傳感器包括1至6個射束源、優(yōu)選1至4個射束源、特別優(yōu)選1或2 個射束源。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的緊湊和低成本的構(gòu)造形式以及大的信噪比方面，優(yōu)選激光二極管作為射束源。激光二極管是普遍公知的；所述激光二極管是半導體器件，在該半導體器件的情況下具有高摻雜的p-n結(jié)在高電流密度下運行。半導體材料的選擇確定所發(fā)射的波長。優(yōu)選使用發(fā)射可見光射束的激光二極管。特別優(yōu)選地使用1類或2類激光器。應(yīng)將“類”理解成根據(jù)標準DIN EN 60825-1 的激光保護類激光根據(jù)對眼睛和皮膚的危險性被分級。屬于1類的有照射值在持續(xù)照射時也低于最大允許照射值的激光器。1類激光掃描器是沒有危險性的并且除了設(shè)備上的相應(yīng)標號以外完全不需要另外的保護措施。屬于2類的有可見光范圍內(nèi)的激光器在該激光器的情況下，低于0. 25ms時長的照射是對眼睛無害的(0. 25ms的時長對應(yīng)于眨眼反射，該眨眼反射可以自動保護眼睛免受較長時間照射的損害)。在一個特別優(yōu)選的實施方式中，使用具有600nm至780nm波長的2類激光二極管。根據(jù)本發(fā)明的傳感器被構(gòu)造為使得從物體以一個或多個角度被反射的電磁射束可以借助于一個或多個光電探測器被檢測。為了檢測反射模式，根據(jù)本發(fā)明的傳感器以恒定距離相對于包括微反射體的物體運動。在此，借助于電磁射束照射物體。因為物體的表面直接反射射束的一部分，因此根據(jù)本發(fā)明在被表面反射射束的區(qū)域中不存在光電二極管。因此，直接被物體表面反射的射束的強度為使得僅能困難地或者完全不再能夠識別微反射體的附加反射。更確切而言，光電探測器為了提高信噪比處于這樣的區(qū)域中在該區(qū)域中，光電探測器檢測反射表面與物體表面不平行的微反射體的反射射束。此外，對反射表面與物體表面不平行的微反射體的檢測所具有優(yōu)點是，可以可靠地識別具有例如汽化滲鍍的始終與物體表面平行的金屬斑點的偽造品。反射表面相對于物體表面的位置在此也被稱為取向。根據(jù)反射定律，在與表面法線成入射角α的情況下落到物體表面上的電磁射束在與表面法線成出射角P的情況下被表面反射，其中= |β|,也就是說，入射角α和出射角β的絕對值相等。根據(jù)本發(fā)明，至少一個光電探測器被布置為與表面法線成角度δ，其中角度α和角度δ的絕對值不相等 |α|優(yōu)選地將光電二極管在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中布置為以角度γ圍繞直接反射的射束。角度1F的大小取決于對角度α的大小的選擇。角度1T的大小處于5°至60° 的范圍內(nèi)、優(yōu)選5°至30°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選10°至20°的范圍內(nèi)，其中始終應(yīng)當有 )α|-γ SrO并且|cx|+7 成立。因此，角度δ的絕對值處于M ±5°至|α| ±6伊的范圍內(nèi)、優(yōu)選5。至 |α| 士 30。的范丨丨+;丨內(nèi)、特別優(yōu)選|ct丨士 10。Φ: |ct|± 20。的范丨丨；丨內(nèi)，丨C屮始終Yi δ >0 if· 11.
δ成立。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器中的光電探測器的數(shù)目為每射束源1至6個、優(yōu)選每射束源 1至4個、特別優(yōu)選每射束源1至2個。在一個優(yōu)選實施方式中，為每射束源使用2個光電探測器，這些光電探測器被布置為以角度γι和了2圍繞直接被表面反射的射束。優(yōu)選地有γι=-γ2成立。光電探測 器和所屬射束源優(yōu)選地處于一個平面內(nèi)。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，作為光電探測器原則上可以使用所有將電磁射束轉(zhuǎn)換成電信號的電子器件。在根據(jù)本發(fā)明傳感器的緊湊和低成本的構(gòu)造形式方面優(yōu)選光電二極管或光電晶體管。光電二極管是半導體二極管，其在ρ-η結(jié)或pin結(jié)處通過內(nèi)光電效應(yīng)將電磁射束轉(zhuǎn)換成電流。光電晶體管是具有Pnp層序列或ηρη層序列的雙極性晶體管，該雙極性晶體管的基極_集電極截止層的ρη結(jié)對于電磁射束是可到達的。光電晶體管類似于具有所連接的放大器晶體管的光電二極管。根據(jù)本發(fā)明的傳感器具有產(chǎn)生線形射束輪廓的光學元件。應(yīng)將概念“光學元件”理解成這樣的部件其被布置在電磁射束源與至少一個光電探測器之間的射束路程中并且被用于改變射束輪廓(聚焦，射束形成)。這尤其是透鏡、光闌、折射光學元件等等。應(yīng)將射束輪廓理解成截面中的二維強度分布。為了表征射束輪廓，優(yōu)選使用如下的截面該截面處于微反射體所處的平面內(nèi)。在一個優(yōu)選的實施方式中，截面處于傳感器的焦點處。強度在截面中心處最高，并且向外減少。在此，強度在線形射束輪廓情況下的梯度在第一方向上最低，而該梯度在與第一方向垂直走向的第二方向上最高。線形射束輪廓的強度分布優(yōu)選為對稱的，使得焦點處的截面輪廓可以由兩個彼此垂直的軸來表征，在所述軸之中，一個平行于最高強度梯度并且另一個平行于最低強度梯度。下面應(yīng)將截面輪廓的寬度——或者射束寬度——理解成截面輪廓的中心在最低強度梯度方向上的如下距離在所述距離的情況下，強度降低為其在中心處的值的一半。此外，應(yīng)將截面輪廓的厚度——或者射束厚度——理解成截面輪廓的中心在最高強度梯度方向上的如下距離在所述距離的情況下，強度降低為其在中心處的值的一半。射束寬度和射束厚度優(yōu)選地與應(yīng)當檢測其反射模式的材料中的微反射體的大小和濃度相匹配。在此，射束厚度優(yōu)選地處于微反射體的平均大小的數(shù)量級。射束寬度優(yōu)選地處于兩個微反射體的平均距離的數(shù)量級。應(yīng)將平均大小理解成算術(shù)平均值。應(yīng)將數(shù)量級理解成兩個值彼此相差小于10并且大于0.1的因數(shù)或者相等。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個優(yōu)選的實施方式中，射束寬度處于2. 5mm至7mm的范圍內(nèi)、優(yōu)選3mm至6. 5mm的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選4mm至6mm的范圍內(nèi)、并且極其特別優(yōu)選 4. 5mm至5. 5mm的范圍內(nèi)。射束厚度處于5 μ m至1000 ym的范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)大信噪比并且為了分辨精細的結(jié)構(gòu)，5μπι至50μπι的小的射束厚度是有利的。隨著落到物體上的截面輪廓的大小增力口，信噪比增加，因為強度被分布到更小的面積上。隨著截面輪廓的大小減小，也可以分別更精細的結(jié)構(gòu)。但是根據(jù)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)隨著截面輪廓的大小減小，越來越難以實現(xiàn)可再現(xiàn)的信號。這看上去是因為，具有微反射體的材料不再能夠相對于變小的截面輪廓被足夠精確地定位。看上去變得越來困難的是，在重新檢測反射模式的情況下足夠精確地命中該區(qū)域。在聚焦到物體上的射束的情況下，優(yōu)選的射束厚度處于5 μ m至50 μ m的范圍內(nèi)、優(yōu)選10 μ m 至40 μ m的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選20 μ m至30 μ m的范圍內(nèi)。焦點優(yōu)選地與傳感器相距0. 5至 IOmm的距離。 令人意想不到地發(fā)現(xiàn)射束厚度和射束寬度的上述范圍非常良好地適于一方面實現(xiàn)對于可再現(xiàn)性而言足夠精確的定位并且在另一方面實現(xiàn)對于足夠精確的認證而言足夠的信噪比。還存在可能對射束寬度和射束厚度的選擇產(chǎn)生影響的另外的方面。因此可以通過放棄借助于透鏡對射束進行聚焦來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的傳感器的非常緊湊的構(gòu)造形式。替換與此地借助于光闌產(chǎn)生線形射束輪廓。圖5中示出該優(yōu)選的實施方式。在此，射束厚度處于200 μ m至1000 μ m的范圍內(nèi)、優(yōu)選200 μ m至400 μ m的范圍內(nèi)，并且射束寬度處于2mm 至5mm的范圍內(nèi)、優(yōu)選2. 5mm至3. 5mm的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器優(yōu)選地具有用于連接多個傳感器或者用于將傳感器與保持裝置相連接的裝置。該裝置允許以預先給定的方式將兩個或多個傳感器彼此連接。該傳感器優(yōu)選地在一側(cè)具有正連接裝置并且在相對的側(cè)具有負連接裝置，使得傳感器可以在兩側(cè)以所定義的方式分別與一個另外的傳感器連接，其中該另外的傳感器又可以在仍然自由的那側(cè)又與其它傳感器連接。該模塊化的原理允許以預先給定的方式將大量傳感器相關(guān)聯(lián)。作為正連接裝置例如可以考慮凸起，該凸起可以被插入到作為負連接裝置的空缺中?？稍O(shè)想專業(yè)人員公知的其它連接裝置，如插入式導軌等等。多個傳感器優(yōu)選地被彼此連接為使得所有傳感器的射束寬度都沿著一條線布置。兩個或多個傳感器的連接可逆地進行，也就是說，這些傳感器是可拆卸的。連接裝置也可以用于將根據(jù)本發(fā)明的傳感器安裝在保持裝置處。多個傳感器的連接提供下列優(yōu)點
■通過連接多個傳感器可以在檢測的時長不變的情況下接收多個反射數(shù)據(jù)并且由此提高識別和/或認證時的可靠性。替代于一個時間間隔中的要認證物體的一個表面區(qū)域，在所連接的傳感器的情況下在同一時間間隔中照射多個區(qū)域并且探測反射的射束。因此，接收到表征該物體的更大的數(shù)據(jù)量。這提高了可以從大量相似物體中可靠地識別出和認證一個物體的精確度。根據(jù)本發(fā)明的多個傳感器的可拆卸的關(guān)聯(lián)為用戶提供的可能性是，靈活地對相應(yīng)的應(yīng)用實例進行反應(yīng)。如果需要識別和/或認證時的高可靠性，則可以將兩個或多個傳感器彼此連接并且以簡單方式在不變的時間間隔內(nèi)檢測更大的數(shù)據(jù)量。而如果例如僅僅要求簡單地檢查認證，則可以使用單個傳感器?！鐾ㄟ^連接多個傳感器可以同時檢測多個物體。例如可以將大量傳感器安裝在生產(chǎn)設(shè)備中。產(chǎn)品以大的速度例如通過傳送帶被輸送。為了能夠在后面的時刻識別和/或認證這些產(chǎn)品，必須檢測特征反射模式并且例如存放在數(shù)據(jù)庫中。對此有利的是，為了提高檢測時的吞吐量連接多個傳感器?？稍O(shè)想的是，在產(chǎn)品彼此之間的距離為使得這些產(chǎn)品不再能夠被直接彼此連接的傳感器單個檢測時將傳感器通過間隔墊片彼此連接。通過連接裝置可以將傳感器彼此連接為使得這些傳感器相對于彼此占據(jù)所定義的位置。由此提高數(shù)據(jù)檢測時的可再現(xiàn)性并且各個產(chǎn)品可以在后面的時刻被可靠地識別和/或認證。
本發(fā)明的主題同樣有一種裝置，該裝置包括兩個或更多個直接或 者通過間隔墊片彼此可逆地連接的傳感器。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個優(yōu)選實施方式中，該傳感器具有殼體，光學部件被置入到該殼體中。在傳感器的殼體中可以置入另外的部件，例如激光器的控制電子裝置、信號處理電子裝置、完整的分析電子裝置等等。該殼體優(yōu)選地也用于固定連接電纜，利用所述連接電纜，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以與用于控制傳感器和/或用于檢測和進一步處理特征反射模式的控制單元和/或數(shù)據(jù)檢測單元相連接。該傳感器優(yōu)選地還具有窗，該窗與殼體一起保護光學部件免受損壞和污染。該窗對于所使用的射束源的波長至少是部分透明的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器適于結(jié)合控制和數(shù)據(jù)檢測單元來識別和/或認證物體。因此，本發(fā)明的主題還有一種將根據(jù)本發(fā)明的傳感器用在用于識別和/或認證物體的方法中的應(yīng)用。應(yīng)將識別理解成用于單義地分辨人或物體的過程。應(yīng)將認證理解成檢查(驗證)所聲稱的標識的過程。對象、文件、人或數(shù)據(jù)的認證是確定其是否是可信的——即是否是未經(jīng)改變的非復制的和/或非偽造的原件。應(yīng)當被識別和/或認證的物體包括微反射體，這些微反射體被置入到物體上和/或物體內(nèi)，并且隨機分布和/或取向。在此，微反射體本身可以與物體連接。同樣可以將微反射體置入到安全元件(例如標簽)中，該安全元件優(yōu)選與物體可逆地連接。在 DE102007044146A1或者在還未公開的申請PCT/EP2009/000450中描述了這樣的安全元件的示例。微反射體的特征在于，其包括至少一個表面，該表面以特征方式反射入射的電磁射束。特征反射的特征在于，具有至少一個波長的電磁射束以至少一個由入射角預先給定的方向被反射，其中具有所述至少一個波長的反射射束的份額大于所述至少一個波長的被吸收和被透射的射線的份額之和。因此，所述至少一個表面的反射率大于50%，其中應(yīng)將反射率理解成具有至少一個被表面反射回去的波長的電磁射束的強度與具有至少一個落到表面上的波長的電磁射束的強度之比。下面將這樣的表面稱為反射表面。微反射體的反射表面具有IX 10_14 m2至lX10_5m2之間的大小。反射表面的大小優(yōu)選地處于1X10—12 m2至IXlO-6HI2之間的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選1X10_1Q m2至IXlO-7HI2的范圍內(nèi)。在一個優(yōu)選的實施方式中，微反射體具有小于200 μ m的最大長度伸展和2_10 μ m 的厚度，具有圓形、橢圓形、或η邊形的形狀，其中論3。在此和在后面不應(yīng)當嚴格按照數(shù)學意義來理解橢圓形。在此和在后面同樣應(yīng)當將具有倒圓的角的矩形或平行四邊形或梯形或正η邊形理解成橢圓形。在一個優(yōu)選的實施方式中，微反射體包含至少一個金屬部件。優(yōu)選涉及來自鋁、 銅、鎳、銀、金、鉻、鋅、錫的序列中的金屬或者涉及來自所述金屬的至少兩種中的合金。微反射體可以被鍍上金屬或者合金或者完全由金屬/合金制成。在一個優(yōu)選的實施方式中，使用示例性地在WO 2005/078530 Al中所描述的金屬標識小片作為微反射體。這些金屬標識小片具有反射表面。如果大量這樣的金屬標識小片在透明層中隨機分布和/或取向，則在照射透明層時得出特征反射模式，該特征反射模式可以用于識別和/或認證。
應(yīng)將隨機分布和/或取向理解成，透明層內(nèi)的各個微反射體的位置和/或各個微反射體的取向不能通過制造工藝可預測地產(chǎn)生。DE102007044146A1中所描述的用于制造包含微反射體的熱塑性材料的方法適于產(chǎn)生微反射體在透明層中的隨機分布和/或取向。各個微反射體的位置和/或取向在制造工藝中經(jīng)歷隨機波動。因此，各個微反射體的位置和 /或取向不能簡單地復制。由這樣的安全元件所提供的高度保護基于該事實這些安全元件僅能以高成本來仿造。在此，不應(yīng)嚴格地按照數(shù)學意義來理解隨機。隨機意味著，存在使得不能精確預測各個微反射體的位置和取向的隨機成分。但是可設(shè)想的是，微反射體具有優(yōu)選的位置和/ 或取向。在該優(yōu)選位置和/或優(yōu)選取向周圍出現(xiàn)可以由制造工藝確定的分布。但是各個微反射體的位置和/或取向保持為不確定的。微反射體所具有的特性是，當由電磁射束源、至少一個微反射體的至少一個反射表面和用于所反射電磁射束的探測器所構(gòu)成的布置服從反射定律時，這些微反射體反射至少一個波長的電磁射束。用于認證物體的方法包括至少下列步驟
(A)相對于傳感器對物體進行定向，
(B)用電磁射束照射物體的至少一部分，
(C)探測在微反射體處反射的射束，
(D)改變物體相對于傳感器的相對位置，
(E)必要時多次重復步驟(B)、(C)和(D)，
(F)將根據(jù)相對位置所探測的反射模式與至少一個額定模式相比較，
(G)根據(jù)步驟(F)的比較結(jié)果輸出關(guān)于物體的真實性的通知。優(yōu)選地使要認證的物體和/或傳感器相對于彼此運動，以便與物體相對于射束源 (激光器)和光電探測器的相對位置有關(guān)地記錄在不同位置處和/或以不同取向角閃爍的微反射體。位置改變可以連續(xù)地以不變的速度、加速地、或者減速地或者間斷地(即逐步地) 進行。步驟(E)中對步驟(B)、(C)和(D)的重復一直執(zhí)行，直到已經(jīng)檢測到足夠數(shù)目的微反射體。該足夠數(shù)目由相應(yīng)的應(yīng)用實例來預先給定。如果存在大量不同的物體，其中每個單個的物體都應(yīng)當可靠地、即例如以大于99%的概率被認證，則必須充分地區(qū)分各個物體的反射模式。兩個不同物體的反射模式相同的概率隨著為了接收反射模式所檢測的微反射體的數(shù)目而減小。就此而言，要區(qū)分的物體的數(shù)目以及應(yīng)當用于認證物體的可靠性確定了要檢測的微反射體的數(shù)目。在認證時，在步驟(F)中進行當前檢測的參考模式與假定物體的反射模式(額定模式)之間的所謂的1:1比較。反射模式是根據(jù)物體相對于傳感器的位置所檢測的微反射體的反射。因此，反射模式例如以數(shù)據(jù)表的形式存在，在該數(shù)據(jù)表中檢測有在不同位置處以不同角度所測量的被微反射體反射回去的射束的強度。這樣的數(shù)據(jù)表可以直接與額定數(shù)據(jù)表比較。同樣可以在執(zhí)行與額定模式的比較以前借助于數(shù)學運算從所測量的強度分布中制定對反射模式的另一種表示?？稍O(shè)想的是，在認證時首先例如根據(jù)與物體連接的條形碼確定物體的標識，并且然后通過將當前測量的反射模式與被分配給所識別的物體的反射模式相比較來確認該分配的正確性。同樣可以將傳 感器用于根據(jù)物體的特征反射模式來直接識別該物體。用于借助于根據(jù)本發(fā)明的傳感器來識別物體的方法至少包括在用于認證的方法中已經(jīng)討論的、在那里所討論的實施例中的步驟(A)至(G)，其中在步驟(G)中替代于進行關(guān)于真實性的通知進行關(guān)于物體的標識的通知
(G)根據(jù)步驟(F)的比較結(jié)果輸出關(guān)于物體的標識的通知。在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟(F)中，所觀察的物體的反射模式與已經(jīng)在之前的時刻確定的反射模式相比較。就此而言，物體的標識通過反射模式被確定并且將所觀察到的反射模式與已經(jīng)檢測的物體的被存儲在數(shù)據(jù)庫中的所有反射模式相比較(1 η比較)。使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器所提供的優(yōu)點是，對物體的識別和/或認證可以以機器方式被執(zhí)行或者以機器方式被支持，并且實現(xiàn)了對物體以多少概率與所聲稱的物體相對應(yīng)進行定量分析。與例如在DE102007044146A1中所描述的例如借助于顯微鏡的(純粹)人工執(zhí)行相比，機器方式的執(zhí)行或者支持允許在更短時間內(nèi)和以更低成本根據(jù)大量物體的特征反射模式來檢查這些物體。除此之外，機器方式的執(zhí)行和機器方式的支持允許比較在不同時刻已經(jīng)被認證的反射模式。由此實現(xiàn)對物體的跟蹤(track and trace，跟蹤和追溯)。


下面根據(jù)具體實施例詳細闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。圖la、lb以透視圖示出根據(jù)本發(fā)明的沒有光學部件的傳感器的優(yōu)選實施方式圖2以截面圖示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的塊
圖3示出具有蓋板的殼體圖4示出線形射束輪廓的示意5示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的優(yōu)選實施方式的示意6示出用于產(chǎn)生線形射束輪廓的平凸柱面透鏡。
具體實施例方式圖Ia和Ib以透視圖示出根據(jù)本發(fā)明的沒有光學部件的傳感器1。在圖2中以截面圖示出來自圖Ia和Ib的傳感器1。傳感器1的中心元件形成塊10，該塊10優(yōu)選地以一塊或兩塊的方式來實施，并且塊10用于容納根據(jù)本發(fā)明的傳感器的所有光學部件。應(yīng)將光學部件理解成傳感器的被布置在射束源與光電探測器之間的射束路程中的所有部件，包括激光器和光電二極管本身。光學元件構(gòu)成光學部件的一個選集；這些光學元件用于射束形成和聚焦。尤其是將透鏡、光闌、衍射光學元件等等稱為光學元件。光學塊10包括露出的外表面18，該外表面18在檢測物體的特征反射模式時被定向到該物體上。塊1包括饋通部11、12、13，這些饋通部在露出的外表面18——下面簡稱為外表面——的方向上彼此相通(zulaufen)。第一饋通部11用于容納射束源。該饋通部11與外表面的法線成角度0^。外表面的法線或簡稱外表面法線是垂直于外表面的被定向在饋通部方向上的直線。角度CXa處于ο至60°的范圍內(nèi)、優(yōu)選15°至40°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選20°至
35°的范圍內(nèi)、以及極其優(yōu)選25°至30°的范圍內(nèi)。在本示例中，角度OtA =27°。在使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器來識別和/或認證物體時，傳感器被優(yōu)選地相對于物體表面定向，使得所述外表面和物體的表面彼此平行。在這種情況下，電磁射束在與外表面
法線成角度α的情況下落到物體的表面上。角度αΑ在這種情況下對應(yīng)于入射射束的入射角α入射射束的一部分在表面處以與表面法線成出射角β地被直接散射回來。根據(jù)反射定律，有α=-β成立。根據(jù)本發(fā)明，至少一個光電探測器被布置為與出射角P成角度 。為此，根據(jù)本發(fā)明的傳感器的塊包括至少一個另外的相應(yīng)饋通部12、13以用于容納該光電探測器。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的塊可以包括另外的用于容納光電探測器的饋通部。在所示的特別優(yōu)選的實施方式中，該塊包括恰好兩個用于容納光電探測器的饋通部12、13。這些饋通部12、13與用于射束源的饋通部11 一起處于一個平面內(nèi)。它們優(yōu)選地與外表面法線
成角度Tl和公。光電探測器在饋通部中被布置為使得這些光電探測器被定向為朝向外表面。角度和Y2處于5°至60°的范圍內(nèi)、優(yōu)選5°至30°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選10°至 20°的范圍內(nèi)，其中對于i = 1和i = 2始終應(yīng)當有α-Ν,<90 。在該示例中，角度
γι =— 13. 5° jf· II.72 = 13. 5°。所有饋通部11、12、13優(yōu)選地處于一個平面內(nèi)。在圖la、lb和2中所示的包括具有用于容納射束源的饋通部和兩個光電探測器的塊的根據(jù)本發(fā)明傳感器的實施方式所提供的優(yōu)點是，光學部件可以簡單地但仍然以所定義的方式相對于彼此布置。優(yōu)選地在用于射束源的饋通部中存在擋板。射束源被推移到饋通部中抵靠該擋板，使得該射束源相對于塊和兩個另外的饋通部占據(jù)預先給定的固定位置。如果射束源具有已經(jīng)與該射束源相連接的用于射束形成和聚焦的光學元件——這例如在如今市場上可獲得的激光射束源的情況下是普遍常見的，則通過固定射束源同時單義地確定該射束源的焦點。另外的用于容納光電探測器的饋通部同樣可以配備有擋板，其中光電探測器的位置必然比射束源的位置的精確度低。塊10可以以簡單的方式、例如借助于注塑方法由塑料以一塊或兩塊的方式來制造。借助于注塑方法，可以以高精確度大量地并且在短時間內(nèi)制造構(gòu)件。這實現(xiàn)了足夠精密的構(gòu)件的低成本批量制造。饋通部可以已經(jīng)設(shè)置在注塑模具中或者事后借助于例如鉆孔被引入到塊中。優(yōu)選地，塊的所有組件都已經(jīng)在注塑方法中在一個步驟中被制造出來。同樣可以設(shè)想，對例如由鋁或塑料構(gòu)成的塊進行銑切并且借助于鉆孔來實現(xiàn)饋通部。專業(yè)人員所公知的其它用于制造具有所定義饋通部的塊的方法是可設(shè)想的。此外，根據(jù)本發(fā)明的傳感器1的特征在于，饋通部11、12、13的中軸在處于塊10之外的點20相交(參見圖2)。令人意想不到地發(fā)現(xiàn)，對反射模式的檢測有利的是，這些中軸的交點20與外表面相距0. 5至10mm。在一個優(yōu)選的實施方式中，交點20同時是射束源的焦
點ο為了檢測由物體表面中的微反射體所產(chǎn)生的反射模式，將根據(jù)本發(fā)明的傳感器相應(yīng)地引導到該物體上方的一定距離處，使得中軸的交點處于該物體的表面上。在所提到的0. 5至IOmm的距離范圍的情況下，要檢測的物體表面相對于射束源和光電探測器的定位可以簡單和足夠精確地進行。在傳感器與物體之間的距離增加的情況下，必須更加精確地遵守傳感器相對于物體表面的角度，以便能夠檢測該表面的預先給定區(qū)域，使得對定位的要求提高。此外，輻射強度隨著射束源的距離增加而減小，使得在傳感器與物體之間的距離增加的情況下，必須通過射束源的更高功率來補償?shù)竭_物體的相應(yīng)減小的輻射強度。但是根據(jù)本發(fā)明的傳感器優(yōu)選地裝備有1類或2類激光器，以便在沒有全面保護措施的情況下能夠運行傳感器。這之所以成立尤其是因為傳感器是“開放”的(也就是說，激光束不受妨礙地從傳感器中發(fā)出)。這意味著，射束源的功率不能被任意地提高。就此而言，根據(jù)本發(fā)明0. 5至IOmm的短距離是有利的。此外，圖la、Ib和2中的塊10包括用于容納和固定窗的保持裝置30。該窗對于所使用的射束源的波長來說是至少部分穿透性的(圖中未示出)。應(yīng)將部分穿透性理解成至少 50%的透射率，即入射輻射強度的50%穿過該窗。子圖3 (a)和3 (b)以透視圖示出殼體50，可以將來自圖la、Ib或2的傳感器置入到該殼體50中。子圖3 (c)示出屬于殼體的蓋板60。該殼體具有饋通部51、52。這些饋通部可以用作為連接裝置，以便將多個傳感器以可拆卸的方式彼此連接或者將傳感器固定在保持裝置處。蓋板60具有相應(yīng)的空缺62。通過電纜饋通部55，傳感器與用于接收反射數(shù)據(jù)的控制電子裝置和/或計算單元相連接。圖5以示意圖示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器1的另一優(yōu)選實施方式。圖5 (a)以截面圖從側(cè)面示出傳感器，圖5 (b)從朝向表面200的下側(cè)示出傳感器。傳感器1包括射束源70和光電探測器80。如果傳感器1的外表面18被平行地在物體表面200的上方引導，則射束100與法線14成角度α地落到表面200上。在表面200
處反射的射束110在與法線14成角度P的情況下被發(fā)送回去。根據(jù)反射定律有= Pl 成立。反射的射束110不落到光電探測器80上，因為該光電探測器根據(jù)本發(fā)明被布置為使得角度α和δ的絕對值不同(|α|雄|),在該示例中，借助于光闌90產(chǎn)生線形射束輪廓。傳感器(外表面18)與物體(表面 200)之間的距離優(yōu)選為0. 2至IOmm之間。子圖4 (a)和4 (b)表明了具有射束寬度SB和射束厚度SD的線形射束輪廓。在子圖4 (a)中示出射束在焦點處的二維截面輪廓。最高的強度處于截面輪廓的中心。強度 I向外減小，其中存在第一方向(χ)和與第一方向(χ)垂直的第二方向(y)，在該第一方向 (X)上強度I隨著與中心的距離A增加而非常強烈地下降，并且在第二方向(y)上強度I隨著與中心的距離A增加而非常輕微地下降。子圖4 (b)與距中心的距離A有關(guān)地示出強度變化曲線I。射束寬度和射束厚度被定義為與中心的距離，在這些距離處強度I降低到其在
13中心處的最大值的50%，其中在此射束寬度處于y方向上并且射束厚度處于χ方向上。在圖6中示例性地示出如何能夠借助于平凸柱面透鏡300產(chǎn)生線形射束輪廓。柱面透鏡300在平面中充當匯聚透鏡(圖6(b))。在與此垂直的平面中，該柱面透鏡不具有折射作用。在傍軸近似中，對于這樣的透鏡的焦距f有下列公式成立
權(quán)利要求
1.一種用于檢測在照射時通過物體中或物體上的微反射體的隨機分布和/或取向所產(chǎn)生的反射模式的傳感器，該傳感器至少包括一電磁射束源，其被布置為使得電磁射束能夠以角度 α被發(fā)送到物體上，一用于接收電磁射束的光電探測器，其被布置為使得檢測從物體以角度s被反射的射束，其特征在于，角度α和δ的絕對值不同？1δ|),.
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的傳感器，其特征在于，角度α相對于物體的被照射表面的法線處于O至60°的范圍內(nèi)、優(yōu)選15°至40°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選20°至35°的范圍內(nèi)、以及極其優(yōu)選25°至30°的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的傳感器，其特征在于，角度δ的絕對值處于|α| ± 5°至|α| 士 60。的范圍內(nèi)、優(yōu)選|α| 土 5°Φ:|α| 士 30ο的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選_ 士 10°至|α|±2(Τ的范圍內(nèi)，其中始終有δ >0 ΙΙ·δ !^O0成立，并且角度δ是相對于物體表面的法線而言的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的傳感器，其特征在于，該傳感器包括η= 1至4個、 優(yōu)選η = 1至2個射束源以及每射束源兩個光電二極管，其中分別有兩個光電探測器與分別一個射束源布置在一個平面內(nèi)，其中分別有兩個光電探測器檢測以角度S1 = |α| + γ和 δ2 = |α| - γ被物體反射的射束，其中Y處于5°至60°的范圍內(nèi)、優(yōu)選5°至30°的范圍內(nèi)、特別優(yōu)選10°至20°的范圍內(nèi)并且其中始終應(yīng)當有丨α|-γ >Oii ΙΙ.|α|+τ動0。成立。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的傳感器，其特征在于，還包括用于產(chǎn)生線形射束輪廓的光學元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的傳感器，其特征在于，線形射束輪廓具有5μ m至 50 μ m范圍內(nèi)、優(yōu)選10 μ m至40 μ m范圍內(nèi)、特別優(yōu)選20μπι至30μπι范圍內(nèi)的射束厚度，以及2. 5mm至7mm范圍內(nèi)、優(yōu)選3mm至6. 5mm范圍內(nèi)、特別優(yōu)選4mm至6mm范圍內(nèi)、并且極其特別優(yōu)選4. 5mm至5. 5mm范圍內(nèi)的射束寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的傳感器，其特征在于，射束的焦點與傳感器相距 0. 5mm至IOmm范圍內(nèi)的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的傳感器，其特征在于，借助于與傳感器相距0.5mm 至IOmm距離的光闌能夠產(chǎn)生2mm至5mm范圍內(nèi)、優(yōu)選2. 5mm至3. 5mm范圍內(nèi)的射束寬度， 以及200μπι至ΙΟΟΟμπι范圍內(nèi)、優(yōu)選200μπι至400μπι范圍內(nèi)的射束厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的傳感器，其特征在于，還包括被實施為一塊或兩塊的塊，該塊具有用于容納電磁射束源的第一饋通部和用于容納光電探測器的兩個另外的饋通部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的傳感器，其特征在于，還包括用于將傳感器與另外的傳感器或者與保持裝置相連接的連接裝置。
11.一種裝置，包括兩個或更多個根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的直接地或者通過間隔墊片能夠拆卸地彼此連接的傳感器。
12.—種將根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的傳感器或者根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置用于根據(jù)微反射體的隨機分布和/或取向識別和/或認證一個或多個物體的應(yīng)用。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的應(yīng)用，其特征在于，射束寬度和射束厚度與微反射體的濃度和大小相匹配，其中射束厚度優(yōu)選處于微反射體的平均大小的數(shù)量級并且射束寬度處于兩個微反射體的平均距離的數(shù)量級。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的應(yīng)用，其特征在于，所述傳感器或所述裝置被引導到物體表面上方的0. 5mm至IOmm的距離處。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14之一所述應(yīng)用，包括下列步驟(A)相對于所述傳感器或所述裝置對物體進行定向，(B)用電磁射束照射物體的至少一部分，(C)探測在微反射體處反射的射束，(D)改變物體相對于所述傳感器或所述裝置的相對位置，(E)必要時多次重復步驟(B)、(C)和(D)，(F)將根據(jù)所述相對位置探測到的反射模式與至少一個額定模式相比較，(G)根據(jù)步驟(F)中的比較結(jié)果輸出關(guān)于物體的標識和/或真實性的通知。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測由隨機分布和/或取向的微反射體造成的特征反射模式的光學傳感器。此外，本發(fā)明涉及一種將根據(jù)本發(fā)明的傳感器用于識別和/或認證物體的應(yīng)用。
文檔編號G07D7/12GK102171730SQ200980140088
公開日2011年8月31日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月11日
發(fā)明者A·巴克爾, C·羅特, M·格里?？? R·伊姆豪伊澤, S·福吉奧卡斯, T·比爾策恩, W·斯佩特 申請人:拜爾技術(shù)服務(wù)有限責任公司