一种记载机读信息的方法.pdf

本发明涉及一种在物品上记载机读信息的方法，包括以下步骤：提供被涂覆到所述物品的表面上的具有分散在其中的薄片的载体，其中所述薄片具有在其上编码了信息的相同的分束光栅图案；排列所述薄片使其平行于与所述物品的所述表面形成一定倾斜角度的倾斜面；以及，固化所述载体。当所述物品用电磁光束形式的电磁射线照射时，所述电磁光束的第一部分从所述物品的所述表面被反射，形成了表面反射，所述光束的第二部分从所述的分束光栅图案被反射，形成了子光束的排列，并且所述倾斜角度提供了所述子光束的排列和所述表面反射之间的空间间隔，使之可机读。

1.  一种在物品上记载机读信息的方法，包括以下步骤：
(a)提供涂覆在所述物品的表面上的具有多个分散在其中的薄片的载体，其中所述的多个薄片具有在其上编码所述信息的相同的分光光栅图案；
(b)排列所述多个薄片中的每一个，使其平行于与所述物品的所述表面形成倾斜角度的倾斜面；以及，
(c)固化所述载体；
由此所述排列步骤是这样的，即当所述物品用电磁光束照射时，
所述电磁光束的第一部分从所述物品的所述表面被反射，形成表面反射，
所述光束的第二部分从所述分束光栅图案被反射，形成子光束的排列，以及
所述倾斜角度提供了所述子光束的排列和所述表面反射之间的空间间隔，使能够机读。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分束光栅图案是超光栅图案。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分束光栅图案是正交光栅衍射图案。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的薄片包括磁性响应材料，并且所述的步骤(b)包括使用磁场以排列所述多个薄片。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多个薄片通过切割浮雕基底而形成，所述浮雕基底在其上具有磁性响应材料。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多个薄片的每一个包括在所述分束光栅图案上的载体排斥材料。

7.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(a)包括将所述载体和分散在其中的所述多个薄片印刷到所述物品的所述表面上。

8.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的步骤(b)中排列所述多个薄片，使得所有所述多个薄片的凹槽以与所述物品的所述表面形成的所述倾斜角度被排列。

9.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的倾斜角度大于5度并小于45度。

10.  一种从物品获取信息的方法，包括以下步骤：
提供具有所述信息的所述物品，如权利要求1所限定的使用分束光栅图案来记载所述信息，
其中，所述物品包括在其上具有所述分束光栅图案的薄片，
以及其中，所述的薄片被平行于倾斜面排列，所述倾斜面与所述物品的所述表面形成相同的倾斜角度；
用电磁辐射光束照射所述物品，由此
所述光束的第一部分从所述物品的所述表面被反射，形成了表面反射，
所述光束的第二部分从所述分束光栅图案被反射，形成了子光束的排列，
其中，所述的倾斜角度提供了所述子光束的排列和所述表面反射之间的空间间隔；以及，
从子光束的排列获取所述信息。

11.  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的电磁辐射是单色辐射。

12.  根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的电磁辐射光束由激光器提供。

13.  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，获取所述信息的所述步骤是自动的。

14.  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，由所述子光束的排列在屏幕或探测器上产生的图像包括3个或更多的光斑。

15.  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括的步骤是：将所述信息与存储的信息进行比较来检验其真实性。

一种记载机读信息的方法
技术领域
[01]本发明涉及在其上具有光栅图案的光学薄片。特别是，本发明涉及使用这种光学薄片记载机读信息的方法。
背景技术
[02]很多安全装置使用了机读衍射光栅。于2005年12月13日授权给McGrew等人的美国专利第6975765号公开了一种在不同的表面区域具有不同光栅特征的安全装置。图形构图可以由具有照明子系统和图像探测子系统的读取器探测。
[03]于1992年3月31日授权给Antes的美国专利第5101184号公开了一种衍射元件，其具有成对的关于相应的浮雕结构的方向镜像对称的表面部分。读出装置生成入射光束并含有光传感器以输出成对的衍射光束之间强度差。
[04]然而，包含单一的、大尺寸(macro-size)的衍射表面的文件需要适当的布置，使得激光束不会漏过所述的衍射表面。一个单一的、大尺寸的衍射元件是容易识别的(noticeable)，因此它是用于将有效文件转成伪造文件的伪造者的目标。
[05]本发明的目的是克服现有技术的缺点并提供一种使用包含分散在其中的光栅薄片的油墨涂层来记载机读信息的经济有效的方法。
发明简述
[06]因此，本发明涉及一种在物品上记载机读信息的方法，包括以下步骤：提供具有分散在其中的薄片的载体，该载体被涂覆到所述物品的表面上，其中所述薄片具有相同的分束衍射光栅图案，其在所述薄片上编码信息；排列所述薄片使其平行于与所述物品的表面形成一定倾斜角度的倾斜面；以及固化所述载体。当所述物品用电磁光束(EMbeam)形式的电磁射线照射时，所述电磁光束的第一部分从所述物品的所述表面被反射，形成了表面反射，所述光束的第二部分从所述分束光栅图案被反射，形成了子光束的排列，并且所述倾斜角度提供了所述子光束的排列和所述表面反射之间的空间间隔，使可机读。
[07]本发明的另一方面涉及一种从物品获取信息的方法，包括以下步骤：提供具有使用如上所限定的分束光栅图案记载的信息的物品，其中所述物品包括在其上具有分束光栅图案的薄片，并且其中所述薄片被平行于倾斜面排列，所述倾斜面与所述物品的所述表面形成相同的倾斜角度；用电磁辐射光束照射所述物品，由此所述光束的第一部分从所述物品的所述表面被反射，形成了表面反射，所述光束的第二部分从所述分束光栅图案被反射，形成了子光束的排列，其中所述倾斜角度提供了所述子光束的排列和所述表面反射之间的空间间隔；以及，从子光束的排列获得所述的信息。
[08]本发明的另一个特征提供了具有隐蔽的特征的印刷物品。所述的物品具有分散在油墨载体或载体层中的磁性薄片，该磁性薄片具有分束光栅的显微结构，并且使用磁场排列来形成结构化的薄片的阵列，用于将相干光的入射光束分成由所述的分束结构所限定的图案。

附图简述
[09]下文将参照附图对本发明进行更详细的描述，附图所示为优选实施方式，其中：
[10]图1是描述记载机读信息的方法的流程图；
[11]图2A是根据现有技术的第一顺序的分束达曼(Dammann)光栅的光栅轮廓；
[12]图2B是聚酯小片的等轴侧视图的示意图，该聚酯小片涂覆有磁性和反射层并具有浮雕在其表面上的分束光栅图案；
[13]图3是用光栅的、已排列的薄片印刷并用电磁辐射光束照射的物品的等轴侧视图；
[14]图4是从物品获取信息的方法的方框图；
[15]图5是用光栅的、不倾斜的薄片印刷并用电磁辐射光束照射的物品的透视图；
[16]图6A和6B是举例的分束光栅图案的示意图；
[17]图6C是从图6B中所示的光栅反射的光的强度图；
[18]图7是具有如图6所示的分光光栅薄片的透视图；
[19]图8是照射到物体表面上的光束斑的俯视图；
[20]图9是具有两个油墨涂层的物品的正视图，所述涂层具有不同的已排列的光栅薄片；
[21]图10是举例的分束光栅图案的图示；以及，
[22]图11是使用两步印刷方法制造的物品的透视图。
具体实施例
[23]参考图1，在物品上记载机读信息的方法的步骤包括，选取读取信息的波长或波长范围并选取或设计分束光栅衍射图案(也指衍射图案发生器)的光栅图案步骤110，所述分束光栅衍射图案用于将电磁辐射的光束衍射或分成多个子光束，由此将从屏幕上或读取/解码装置中的子光束产生的图像读出的信息编码。优选地，针对预定的波长或波长范围设计所述的光栅图案。
[24]特别设计的分束光栅，也指超光栅(supergrating)或达曼光栅，产生了能量值相等或相近的子光束，这有利于机读的应用。优选地，当用具有预定波长的单色电磁光束照射时，薄片上的分束光栅图案提供至少3个或更多的能量相差不超过5倍的子光束，这对于可见光而言意味着提供至少3个具有亮度值(luminance)相差不超过5倍的光斑。设计超光栅的方法已被公开，例如，在2004年的SPIE Press的84-92页和122-124页O’Shea等人的衍射光学(Diffractive Optics)中，以及于2002年7月2日授权给Levner等人的美国专利第6,415,081号中，这两个通过参考在此并入本申请中。所述的超光栅是周期性光栅，每个周期都具有非常复杂的结构。例如，图2A示出了第一顺序分束达曼光栅的光栅轮廓，所述第一顺序分束达曼光栅由两个具有不同光栅频率的常规的光栅重叠制得，该光栅被设计用于将一束入射光分成5个强度相同的子光束和几个其它的强度较小的子光束。该超光栅能产生多种适于识别和解码的图案，诸如如光斑阵列、栅格等。
[25]可替代地，所述分束光栅图案是提供了二维光斑图案的正交光栅(cross-grating)衍射图案。例如，正交衍射光栅由两个具有相同周期的常规的、正弦的、相互正交的光栅制得。当然，这两个光栅可以是非常规的和诸如矩形、三角形等非正弦的或具有不同的周期。
[26]可选择的薄片制作步骤115包括制造在其上具有所述预定分束光栅的薄片。可替代地，所述薄片可以从预存库存中选取。例如，所述薄片包括几个真空沉积到聚酯基底上并从基底上剥离和磨碎成所需尺寸的薄膜层，诸如公开在于2005年1月4日授权给Phillips等人的美国专利第6,838,166号中，于2004年11月16日授权给Phillips等人的专利第6,818,299号中，于2004年10月26日授权给Phillips等人的专利第6,808,806号中，于2005年1月11日授权给Argoitia等人的专利第6,841,238号中，于2005年6月7日授权给Argoitia等人的专利第6,902,807号中，和于2007年7月10日授权给Argoitia等人的专利第7,241,489号中，这些专利在此通过参考并入本申请中。
[27]可替代地，所述薄片以Argoitia等人的于2006年10月12日公布的美国专利申请第20060228553号中所教授的方式被制造，该专利申请在此通过参考并入本申请中，这种方式是一层或多层薄膜层被沉积到用所述分束衍射光栅浮雕的基底上，并且所述已涂覆的基底被切割成预定的尺寸和形状。参考图2B，这种薄片通过将磁性材料410沉积到用所述分束衍射光栅浮雕的薄的聚酯基底400上，并随后沉积金属反射层或者沉积变色光学堆叠420来制造。疏水或疏油材料层430作为最后一层被沉积。具有真空沉积层410-430的所述聚酯基底400被切成尺寸大小50微米到750微米的薄片。
[28]现在参考图3来描述图1所示的所述方法的进一步骤。在涂覆步骤120中，具有分散在其中的薄片2的载体3被提供到所述物品1的表面上。优选地，所述载体3和所述薄片2形成了油墨，该油墨被印刷到所述物品1上。所述薄片2在其上具有所述的分束光栅图案。
[29]在排列步骤130中，所述的薄片2被彼此平行排列并且平行于与所述物品1的所述表面形成倾斜角度16的可能的倾斜面。优选地，所述薄片包括磁性响应材料并使用具有磁场线的磁场排列，所述磁场线被定向在与所述物品1的所述表面成倾斜角度16。可替代地，所述薄片使用静电场定向。参考图4所示的照射步骤160将更详细地讨论所述薄片的排列。
[30]在涂层固化步骤140中，具有所述薄片2的所述载体3被固化，例如通过使用任何已知的传统的方法固化，例如，紫外线或电子束照射、溶剂蒸发等。
[31]所述步骤110-140提供所述具有信息的物品1，该信息被编码在薄片上的所述分束光栅图案中。
[32]参考图4，从图3中所示所述的物品1获取信息的方法包括下列步骤：物品步骤150，照射步骤160和信息步骤170。
[33]在所述物品步骤150中，提供了具有用上述的分束光栅图案记载的信息的所述物品1。该物品1包括在其上具有分束光栅图案的薄片2；所有的薄片2被平行于与物品1的表面形成倾斜角度16的倾斜面而排列。
[34]在照射步骤160中，所述物品1用来自于图3中所示的辐射源5的电磁(EM)辐射光束照射。优选地，由所述辐射源5提供的辐射是在可由光学解码装置可探测的电磁光谱范围内。所述辐射源5可以是单色光源或多色光源，其可以提供可见光或不可见辐射。例如，所述辐射源5是650纳米激光器。优选地，由辐射源5提供的光束的波长或波长范围与图1中所示的在光栅图案步骤110中所选取的相同。
[35]参考图3，从辐射源5发出的光束4投射到印刷的物品1上，并被反射到屏幕6上。可替代地，所述屏幕6可以用读取/解码装置的探测器取代。“反射”过程在此可以被理解为包括镜面反射和衍射。光束的一部分从薄片2上的分束光栅图案被反射，形成子光束的排列和屏幕6上的光斑8-12的阵列。光束的另一部分从物品1的表面被反射；或由载体3的表面或涂覆在载体3上面的保护层或其他可选择涂层反射。
[36]表面反射可能产生图5所示的问题，其中具有与图3中所示的薄片2相同的光栅图案的薄片92被平行于物品91的表面排列。光束4的一部分从物品91的表面被反射，形成了表面反射子光束13和屏幕6上的表面反射光斑14。表面反射光斑14扭曲了由子光束排列所形成的图形并可能引起读取信息的错误。
[37]根据本发明，如图3所示，薄片2被平行于与物品1的表面形成倾斜角度16的倾斜面而排列。所述排列步骤是这样的，当用电磁光束4照射物品1时，倾斜角度16提供了子光束排列和表面反射子光束13之间的空间间隔，这显示在屏幕6上就是表面反射光斑14和由子光束排列所提供的光斑8-12的阵列之间的间隔15，因此使反射图像的机读成为可能。优选地，所述的倾斜角度16大于5度并小于45度，以提供足够的从表面反射光斑14到顺序排列的光斑8-12的阵列的间隔，以避免图像的重叠。
[38]优选地，排列薄片使得所有薄片的光栅矢量都彼此平行并与物品的表面形成倾斜角度，所述的光栅矢量是位于薄片的平面和正交于光栅凹槽的矢量。因此，所有薄片的光栅凹槽以相对物品表面的倾斜角度排列，并且一个薄片的凹槽与另一个薄片的凹槽平行。凹槽的这种排列提供了物品1相对于辐射源5的相同的位置，并且屏幕6对于最大化表面反射光斑14和光斑8-12的阵列之间的间隔15和对于最大化衍射子光束的功率两者都是最佳的。
[39]在一个实施例中，凹槽的方向和与表面倾斜的薄片的方向是不同的。例如，这样的涂层可使用磁场来水平地排列薄片使所有在凹槽在相同的方向，固化所述的涂层，并随后增加另外的具有楔形轮廓的不平的涂层来制造。
[40]在图4所示的信息步骤170中，所述信息从子光束的排列获取。子光束和在屏幕上的光斑的图案由分束光栅图案预先设定。参考图3，由子光束的排列产生在屏幕6上的光斑8-12通过光斑8-12的阵列的存在或缺失、光斑的相互布置和亮度等与所述信息相联系。当然，如下面讨论形成的更复杂的图像包含比光斑的阵列更多的信息。所述信息可以通过人们观察或通过光学传感器获得，因此使所述信息可以机读。可选择地，将所获取的信息与存储在读取器中的信息进行比较来验证所获得的信息和物品的真实性。
[41]例如，图6A和6B中示出了两个分束光栅图案，其中白色区域对应光栅的具有凹陷的区域，也是指凹槽，而黑色区域对应浮雕区域。图6A的光栅具有一维达曼光栅图案，而图6B中所示的光栅具有二维达曼光栅图案。在X-方向，4个像素是状态0，或“凹陷形的”，接着的4个像素是状态1，或“浮雕形的”。这个图案在X方向重复，其是对应图6B的行的方式，使得交替的行的相邻区域具有相反的状态。在Y-方向，1个像素是状态0，下一个像素是状态1，下两个像素是状态0，紧接着的一个像素是状态1，一个像素是状态0，以及2个像素是状态1。这个图案在Y方向重复，其中如图6B所示两个相邻的列通过2个像素偏移(offset)。
[42]图6A和6B所示的光栅是被设计用于将激光束分成强度大约相等的子光束的排列，以在屏幕上提供明亮的光斑图案。特别是，如图6B所示的光栅提供了光斑的正方形图案。选取大约325纳米的浮雕的深度，以对具有633-650纳米波长的激光束的预定波长提供最大的功效。参考图6C，达曼光栅图案具有提供了相对相位值0和π的黑色像素和白色像素。这个相位剖面被以这样的方式浮雕在涂覆了铝的聚酯上，即在黑白像素之间的往返光程长度差在所需的入射角度和照明的中心波长是π。当单色激光束被用于读取衍射图像，两个±1衍射级出现从两个正交轴的镜面反射方向对称的偏离。所述Y-方向的空间频率编码是X-方向的空间频率编码的3倍。因此，所述的沿着Y-方向的±1级衍射出现的扩散是X-方向的衍射光斑的3倍。所述的X-方向和Y-方向的一阶转向角大概是波长和编码像素尺寸的比值的1/8和3/8。如图6C所示，如果没有其它的诸如非π相移步长和黑白像素的非等宽度的不良缺陷，所述4个一阶光斑的每一个的衍射效率大约是20％。
[43]例如，具有分束光栅图案的单个的薄片如图7所示。该薄片由厚度大约100纳米的磁性材料制成。优选地，该薄片具有多层结构，例如公开在前述的美国专利第6,838,166号，第6,818,299号，第6,808,806号，第7,241,489号和美国专利申请第20060228553号中。
[44]在图1所示的排列步骤130中的有利于所述薄片排列的磁性响应材料是软的或硬的磁性金属或合金，诸如铁、钴、镍；合金诸如Ni-Co或Nd-Fe-B；钐钴(SmCo)合金，诸如三氧化二铁(Fe₂O₃)、四氧化三铁(Fe₃O₄)、二氧化铬(CrO₂)，铁氧体MFe₂O₄(M是一个离子或选自Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等组成的组的离子混合)的无机氧化物，石榴石A₃B₅O₁₂(A＝三价稀土离子或三价稀土离子与离子B的混合或选自Al³⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Ga³⁺、Bi³⁺等组成的组的离子混合)，六角铁氧体MFe₁₂O₁₉(M选自二价离子Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺等的组)，钙钛矿等。
[45]可选择地，图7所示的薄片的一侧用疏水或疏油材料涂覆，或另一种依赖油墨载体材料的载体排斥材料，以利于薄片这一侧朝上排列，如公开在2008年3月19日提交的同时待审的美国专利申请12/051,164中，并由本发明的共同发明人共同署名。所述的载体排斥材料对用在水基载体中的薄片来说是疏水材料，而对于用在油基载体或另外的有机载体中的薄片来说是疏油材料。通常，所述载体排斥材料的选取是基于载体的类型，以使载体排斥材料的表面不能被载体润湿，即所述表面和液体载体之间的接触角度大于90度。例如，疏水材料是氟化钪或Merck公司制造的WR1
[46]如图7所示的一个所述的光栅衍射薄片的平均尺寸在5x5微米到500x500微米范围内，并且平均厚度在0.05到10微米范围内。例如，激光束的直径大约2毫米，因此多个薄片同时被相同的激光束照射。每个在其上具有分束光栅的光栅薄片对投射到这个薄片的表面的光束的一部分提供了分束效果。如图3所示，屏幕或探测器上的反射光斑是从不同薄片反射的光束的不同部分的累积结果。
[47]在一个实施例中，物品上光斑尺寸区域内的所有薄片具有相同的光栅图案，例如如图7中所示的一个，用于在探测器上提供可见的或不可见的强的、易读的图像。当然，其它类型的薄片也可以存在于载体中，例如薄膜变色薄片。
[48]现在参考图1来描述本发明的一个可替代的实施例。在光栅图案步骤110中选取两个或更多不同的分束图案，并且在其上具有所述已选取的分束图案的两个或更多类型的光栅薄片，在涂覆步骤120中，被提供到物品表面上的载体内。在薄片排列步骤130中，所有的薄片以相同的倾斜角度排列。因此，当物品用光束或用不可见的电磁辐射照射时，光束被分成子光束的排列，所述子光束的排列是由每个所选的光栅图案提供的子光束排列的组合。参考图8，投射到区域300内的物品上的激光束，被在其上具有不同分束光栅图案的第一薄片310和第二薄片320反射。所述第一薄片310在屏幕330上提供第一阵列光斑340，而第二薄片320提供第二阵列光斑350。
[49]现参考图9所示的物品的横截面来描述本发明的一个可替代的实施例。基底500用含有在其上具有分束光栅图案的第一薄片515的第一油墨层510涂覆。在所述的第一薄片515沿着与物品的表面形成第一倾斜角度的第一方向516被排列后，固化第一油墨层510的载体。然后，含有第二薄片525的第二油墨层520被印刷在第一油墨层510上。所述第二薄片525在其上具有与所述第一薄片515的分束光栅图案相同或不同的分束光栅图案。所述第二薄片525沿与物品的表面形成第二倾斜角度的第二方向526排列，该第二倾斜角度与所述第一方向516的第一倾斜角度不同。然后，同样固化第二油墨层的载体。如果如上所述制得的两层结构用光束照射，屏幕530上具有两列光斑540和550。这两列由于第一和第二倾斜角度之间的差异而彼此空间分离，并且它们中的每一个与表面反射光斑14空间分离。
[50]通过特别设计的光栅可以获得不同的图像。例如，图10中示意性地示出了形成了四个光斑的矩形图案的分束光栅图案。它具有与图6中所示的图案相同的光栅参数。
[51]可替代地，所阐述的图像可以由在两步印刷方法中使用稀油墨所形成的印刷物品反射的光产生。在第一印刷层内，薄片沿一个方向排列以在屏幕上形成第一点线。印刷在第一层上面的第二层包含垂直于第一层内的薄片排列的薄片，以形成垂直于第一线的第二点线。这个两层结构示意性地显示在图11中。基底201用载体的第一油墨层202涂覆，所述载体包含沿第一方向204磁性定向的具有分束光栅图案的第一磁性薄片203。相同油墨的第二油墨层205被印刷在第一油墨层202上，该第二油墨层包含与第一薄片203相似的第二薄片206，但是该第二薄片沿着与第一方向204垂直的第二方向207被磁性定向。当用激光束照射时，所述物品提供了成网格图案的点的排列。可选择地，所述第一薄片203的分束光栅图案与所述第二薄片206的分束光栅图案不同。
[52]前述物品可以被用于通过朝屏幕反射电磁辐射光束在屏幕上形成图像。物品上的信息可以由读取器探测，该读取器具有照明子系统以将电磁辐射光束引导到物品上，并且图像探测子系统接收和处理从物品反射的辐射。例如，所述的照明子系统包括商业上可获得的激光器，而图像探测子系统包括电荷耦合器件的阵列(CCD array)。